唐洪波，陳 強(qiáng)，何灼倫，李德靖

（青海省水文水資源勘測(cè)局，青海 西寧810000）

山丘區(qū)地下水資源以總排泄量作為地下水評(píng)價(jià)資源,河川基流量是山丘區(qū)地下水的主要排泄量。目前國(guó)內(nèi)外河川基流量分割方法很多,不同方法分割結(jié)果不盡相同。根據(jù)伍立群等［1］的研究,在我國(guó)南方雨量比較豐沛的地區(qū),洪水頻繁發(fā)生,河川徑流過程線普遍呈連續(xù)峰型,可采用加里寧試算法分割河川基流量；在我國(guó)北方缺水地區(qū),水文站較少,河川徑流過程大部分屬于單洪峰型或雙洪峰型,研究區(qū)內(nèi)有水文測(cè)站的一般采用直線斜割法,對(duì)于沒有水文測(cè)站的地區(qū)通常借用附近地形地貌相似地區(qū)的水文資料來(lái)計(jì)算地下水資源量。

本文以查甫溝、黑城溝、昂思多溝為例,對(duì)研究區(qū)域地下水資源量進(jìn)行評(píng)價(jià)分析,并通過集水廊道計(jì)算山前側(cè)向排泄量來(lái)確定地下水可開采量,以期為化隆縣群科、牙什尕兩鎮(zhèn)人畜飲水工程建設(shè)提供參考。

1 區(qū)域概況

研究區(qū)域化隆縣位于青海省東部黃土高原與青藏高原的交接地帶,地處拉脊山東段南側(cè)。境內(nèi)崇山峻嶺,峽谷密布,溝壑縱橫,地勢(shì)北高南低,自西北向東南傾斜,最高點(diǎn)馬場(chǎng)山海拔4 480 m,最低處化隆縣與循化縣相鄰的黃河大橋處海拔1 880 m,相對(duì)高差2 600 m。

查甫溝、黑城溝、昂思多溝系黃河干流左岸的一級(jí)支流,位于化隆縣西部,自西北向東南匯入黃河,流域呈帶狀,河床比降大、水流流速大、含沙量大。該區(qū)域地處中緯度內(nèi)陸高原,屬典型的半干旱大陸性氣候區(qū),徑流補(bǔ)給以降水為主,消冰、融雪水、地下水補(bǔ)給為輔。徑流年內(nèi)分配不均,枯水期為11月—次年3月,汛期為6—9月。受氣候和地形地貌的影響,徑流空間分布不均,徑流深分布自上游向下游遞減。

研究區(qū)域內(nèi)查甫溝、黑城溝、昂思多溝未設(shè)過水文站及雨量站。附近黃河支流巴燕溝、清水河分別設(shè)有化隆水文站、清水水文站?；∷恼驹O(shè)于1979年12月,位于化隆縣謝家灘鄉(xiāng)陰坡村,至河源20.5 km,距河口28.9 km,控制流域面積217 km2,截至2015年有36 a的水文資料。多年平均徑流量計(jì)算分別以查甫溝中游的來(lái)洞村處、黑城溝黑城鄉(xiāng)下游提灌站處、昂思多溝中游關(guān)沙水庫(kù)引水渠處作為水文分析設(shè)計(jì)斷面。

2 研究方法

根據(jù)鄰近站降水與徑流數(shù)據(jù)、區(qū)域水文地質(zhì)及水資源評(píng)價(jià)成果,在研究區(qū)域河川徑流、河川基流、地下水可開采量計(jì)算的基礎(chǔ)上,對(duì)該地區(qū)地下水資源量進(jìn)行評(píng)價(jià)分析。

2.1 年徑流量計(jì)算

利用《青海省水文手冊(cè)》［2］中多年平均徑流深等值線圖、多年平均徑流系數(shù)等值線圖、柴達(dá)木盆地南緣東部地區(qū)流域面積的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系公式以及化隆水文站作參證站,分別采用徑流深等值線圖法、徑流系數(shù)法、經(jīng)驗(yàn)公式法、水文比擬法4種方法計(jì)算多年平均徑流量,并對(duì)計(jì)算成果的合理性進(jìn)行分析。

徑流深等值線圖法、徑流系數(shù)法公式為

式中：W為多年平均徑流量,m3；R為多年平均徑流深,mm；a為徑流系數(shù)；P為多年平均降雨量,mm；F為流域面積,km2；

經(jīng)驗(yàn)公式法計(jì)算公式為

式中：k、n為地區(qū)性參數(shù),《青海省水文手冊(cè)》中柴達(dá)木盆地南緣東部地區(qū)k為0.141、n為0.73。

水文比擬法計(jì)算公式為

式中：W研為研究斷面多年平均徑流量,m3；W參為參證站斷面多年平均徑流量,m3；F研為研究斷面控制的流域面積,km2；F參為參證斷面控制的流域面積,km2；n為面積指數(shù),一般取0.67～0.70。

2.2 河川基流量

研究區(qū)查甫溝、黑城溝、昂思多溝地下水屬河谷淺層地下水,3條溝道主要接收上游河水及左右岸山體基巖裂隙地下水的補(bǔ)給。在枯水季節(jié),河水依賴左右岸山體基巖裂隙地下水、泉水的補(bǔ)給；在豐水季節(jié),降水增多,產(chǎn)生地表徑流滲漏補(bǔ)給地下水,同時(shí)溝道高山區(qū)積雪消融水補(bǔ)給地下水。在河谷發(fā)育較寬、縱坡降相對(duì)較小、含水層厚度較大的地段,地下水將接收更多的地表水滲漏補(bǔ)給；在河谷發(fā)育較窄、縱坡降相對(duì)較大、含水層厚度較小的基巖抬升地段,部分地下水出露于地表,回歸地表水。3條溝道分別形成了各自相對(duì)獨(dú)立的地下水補(bǔ)給、徑流、排泄系統(tǒng),為3個(gè)獨(dú)立、封閉的地下水評(píng)價(jià)單元。河川基流量一般占山丘區(qū)地下水資源總量的比重最大,是山丘區(qū)地下水的主要排泄量。

目前基流切割一般采用近似方法,如經(jīng)驗(yàn)斜割法。根據(jù)集水亭等［3］的研究,首先根據(jù)實(shí)測(cè)河川流量繪出流量過程線,分析多次的洪水退水曲線,求出一條流域的標(biāo)準(zhǔn)退水曲線,然后將此退水曲線繪于透明紙上,并蓋在某一欲分割的流量過程線上,使透明紙平行移動(dòng),直到標(biāo)準(zhǔn)退水曲線同欲分割的退水線尾部重合,得重合的起始點(diǎn)（拐點(diǎn)),此點(diǎn)以后的流量全部是地下徑流（即基流),此點(diǎn)以前的流量是地下徑流和地表徑流的疊加。自該次河水起漲點(diǎn)至拐點(diǎn)以直線相連,該線以下部分即為分割出的河川基流量。根據(jù)唐洪波等［4］的研究,斜割法對(duì)于年河川徑流過程為單洪峰或雙洪峰型時(shí)比較適用,在青海省地下水資源評(píng)價(jià)中結(jié)果較為可靠,精度較高,可滿足工作要求。

由于研究區(qū)內(nèi)無(wú)實(shí)測(cè)水文資料,因此利用鄰近地區(qū)巴燕溝化隆水文站的年徑流過程,采用直線斜割法分別計(jì)算查甫溝、黑城溝、昂思多溝3個(gè)評(píng)價(jià)區(qū)多年平均基流量。地下水可開采量則采用達(dá)西斷面法計(jì)算山前側(cè)向排泄量,確定查甫溝、黑城溝、昂思多溝區(qū)取水?dāng)嗝娴叵滤∷俊?/p>

3 結(jié)果與分析

3.1 多年平均徑流量

在《青海省水文手冊(cè)》等值線圖中分別查得查甫溝、黑城溝、昂思多溝設(shè)計(jì)斷面以上流域重心處多年平均徑流深為200 mm、徑流系數(shù)為0.50?；≌径嗄昶骄邓繛?29.6 mm,用4種方法計(jì)算出的設(shè)計(jì)斷面年徑流量見表1。

表1 設(shè)計(jì)斷面年徑流量計(jì)算結(jié)果

等值線圖法對(duì)于小流域計(jì)算誤差較大,與實(shí)際情況不符。徑流系數(shù)法采用化隆站降水資料,而化隆站距查甫溝、黑城溝、昂思多溝設(shè)計(jì)斷面均約25.0 km,受海拔影響,降水有地區(qū)差異,產(chǎn)匯流過程相差較大,成果僅可作為參考；經(jīng)驗(yàn)公式法采用柴達(dá)木盆地南緣東部地區(qū)年平均流量—面積經(jīng)驗(yàn)公式,該地區(qū)尤其是哈圖河流域?yàn)閺搅魃罡咧祬^(qū),且千瓦鄂博、察汗烏蘇、哈圖3站集水面積與設(shè)計(jì)斷面集水面積相差懸殊,采用非線性經(jīng)驗(yàn)公式,集水面積越小,徑流深則越大,查甫溝、黑城溝、昂思多溝設(shè)計(jì)斷面處年徑流深110.2～133.0 mm,與實(shí)際情況明顯不符。

相比以上方法,水文比擬法比較適合流域自然地理?xiàng)l件相似或接近的地區(qū),查甫溝、黑城溝、昂思多溝設(shè)計(jì)斷面地質(zhì)條件、降水條件相似,化隆站、清水站距離設(shè)計(jì)斷面分別為25.0、60.0 km,是該地區(qū)距離最近的有水文資料的測(cè)站,年徑流深分別為45.8、77.9 mm。化隆站有36 a的水文資料,控制流域面積與查甫溝、黑城溝、昂思多溝設(shè)計(jì)斷面以上流域面積相差不大。經(jīng)對(duì)鄰近站化隆站、清水站多年平均徑流深進(jìn)行分析,最后確定以距離設(shè)計(jì)斷面最近、同處黃河北岸、下墊面條件最為相似的化隆水文站作為參證站,采用水文比擬法的計(jì)算結(jié)果。

3.2 地下水資源量評(píng)價(jià)

3.2.1 河川基流量

采用直線斜割法、改進(jìn)加里寧試算法和枯水期徑流切割法3種方法對(duì)化隆水文站1981—2015年徑流過程進(jìn)行逐年基流切割。最終采用直線斜割法計(jì)算成果,以改進(jìn)加里寧試算法和枯水期徑流切割法進(jìn)行校核和合理性檢驗(yàn)。化隆水文站R—Rg相關(guān)關(guān)系見圖1,基流切割結(jié)果見表2。

圖1 化隆水文站R—Rg相關(guān)關(guān)系

表2 化隆水文站基流切割結(jié)果

分別計(jì)算查甫溝、黑城溝、昂思多溝3個(gè)評(píng)價(jià)區(qū)多年平均基流量,結(jié)果見表3。

表3 評(píng)價(jià)區(qū)河川基流量

3.2.2 地下水資源量

查甫溝、黑城溝、昂思多溝3條溝道均為山丘區(qū),按照山丘區(qū)水資源總量計(jì)算方法,地下水的潛水蒸發(fā)量、河床潛流量等較小,可忽略不計(jì)；地下水基本未開采,其凈消耗量為零；降水入滲補(bǔ)給量等于山丘區(qū)河川基流量。查甫溝、黑城溝、昂思多溝取水?dāng)嗝娴叵滤Y源量分別為186.8萬(wàn)、256.6萬(wàn)、376.5萬(wàn)m3。

3.3 地下水可開采量

依據(jù)《化隆縣群科、牙什尕兩鎮(zhèn)人畜飲水工程地質(zhì)勘察報(bào)告》［5］,查甫溝、黑城溝、昂思多溝取水?dāng)嗝娼窈髮⑿藿鹊?設(shè)置反濾料,水力比降將增大。目前計(jì)算山前側(cè)向補(bǔ)給量的方法中,達(dá)西斷面法是使用最多的,即在山前選定一斷面,結(jié)合水文地質(zhì)研究,確定斷面含水層厚度、垂直于斷面的水力坡度、斷面滲透系數(shù)等水文地質(zhì)參數(shù),然后利用達(dá)西斷面法公式計(jì)算得出山前側(cè)向補(bǔ)給量：

式中：Q側(cè)補(bǔ)為山前側(cè)向補(bǔ)給量,m3/d；K為斷面含水層滲透系數(shù),m/d；I為垂直于斷面的水力坡度；B為側(cè)向徑流過水?dāng)嗝婷娣e,m2；t為徑流補(bǔ)給時(shí)間,d。

按上式算出查甫溝、黑城溝河床潛流分別為1 623、1 048 m3/d。考慮有部分地下潛水由集水廊道底部及兩側(cè)產(chǎn)生滲漏,進(jìn)入集水廊道的潛流量按70%計(jì),則查甫溝、黑城溝集水廊道可引流量分別為1 136、733 m3/d。當(dāng)采用截水墻的形式開采昂思多溝地下水時(shí),河谷中卵石層開挖深度為1.5～4.1 m,開挖長(zhǎng)度為65 m左右,取水?dāng)嗝婵梢髁繛? 858 m3/d。

根據(jù)《化隆縣群科、牙什尕兩鎮(zhèn)人畜飲水工程可行性研究報(bào)告》［6］,2020年擬從查甫溝、昂思多溝引水3 875.87 m3/d,而經(jīng)計(jì)算查甫溝、昂思多溝實(shí)際可開采地下水量為3 994 m3/d,故滿足引水要求。

4 結(jié) 語(yǔ)

（1)查甫溝、黑城溝、昂思多溝設(shè)計(jì)斷面多年平均地表徑流量分別為387.5萬(wàn)、532.4萬(wàn)、781.2萬(wàn)m3,多年平均地下水資源量分別為186.8萬(wàn)、256.6萬(wàn)、376.5萬(wàn)m3,地下水可開采量分別為1 136、733、2 858 m3/d。

（2)不論以地表水方式、地下水方式,或是地表、地下水相互補(bǔ)充方式取水,應(yīng)考慮由查甫溝、昂思多溝兩水源聯(lián)合供水,即以昂思多溝為主要水源、以查甫溝水源為輔聯(lián)合供水,才能保證豐、平、枯各典型年引水要求。

中小流域無(wú)實(shí)測(cè)徑流資料的地區(qū),徑流分析計(jì)算一般通過水文比擬法、參數(shù)等值線法等間接途徑來(lái)推求,這些方法都存在一定的不確定性,因而徑流計(jì)算成果的合理性分析顯得十分重要?？偨Y(jié)化隆縣小流域河川徑流、河川基流、地下水可開采量計(jì)算的相關(guān)經(jīng)驗(yàn)及處理方法,可為相似區(qū)域地下水評(píng)價(jià)提供參考。