综合给水度在华北平原地下水资源评价中的应用.pdf

第 8 卷O 2 2 0 1 0年 7 月 南水北 调与水利科 技 S o u t h - t o - No r t h Wa t e r Tr a n s f e r s a n d Wa t e r S c i e n c e Te c h n o l o g y Vo 1 8 S u p p J u 1 2 0 1 0 综合给水度在 华北 平原地下水资源评价 中的应用 费宇红 ， 简 明 ， 张兆吉 ， 钱 永 ， 陈京生 ， 李亚松 ( 1 中国地质科学院 水文地质环境地质研究所 ， 石家庄 0 5 0 0 6 1 ； 2 沧州市地下水环境监测站， 河北 沧州， 0 6 1 0 0 0 ) 摘要： 在水位变动带内以岩性厚度为权重计算的给水度称为综合给水度。由于地下水位下降， 不同均衡期给水度也 随水位变动带而发生变化， 地下水资源评价精度受其影响。依据华北平原 2 8 0 0个水文地质钻孔、 4 8 5 0个地下水 位统测数据及均衡初期的地下水流场资料， 编绘了“ 华北平原地下水综合给水度分布图” ， 探索了水资源评价中确定 水文地质参数的方法， 并将其应用于华北平原地下水资源评价中。 关键词： 华北平原； 水位变动带 ； 综合给水度 中图分类号 ： TV 2 1 1 1 ； S 2 7 3 文献标识码 ： A 文章编 号 ： 1 6 7 2 1 6 8 3 ( 2 O 1 O ) O O 2 0 0 5 5 0 3 App l i c at i o n o f Ge ne r a l S p e c i f i c Yi e l d i n Nor t h Chi na Pl a i n Gr o u n dwa t e r Re s o u r c e s As s e s s me nt F E I Yu - h o n g ，J I AN Mi n g ，Z HANG Z h a o - j i ，QI A N Yo n g ，C HE N J i n g - s h e n g ，L I Ya s o n g ( 1 I n s t i t u t e o fHy d r o g e o l o g y a n dE n v i r o n me n t a l G e o l o g y， C AG S， S h i j i a z h u a n g， He b e i ， 0 5 0 0 6 1 ， C h i n a ； 2 G r o u n d wa t e r En v i r o n me n t a l Mo n i t o r i n g S t a t i o n o f C a n g Z h o u， C a n g Z h o u 0 6 1 0 0 0 ， C h i na) Ab s t r a c t ：Ge n e r a l S p e c i f i c Yi e l d， c a l c u l a t e d wi t h s p e c i f i c y i e l d o f d i f f e r e n t l i t h o l o g y b y i t s t h i c k n e s s a s we igh t i n g i n s h a l l o w g r o u n d wa t e r S f l u c t u a t i o n z o n e， c h a n g e s wi t h v a r i e t y o f t h e z o n e i n d i f f e r e n t ba l a n c e d v i e w a s t h e wa t e r t a b l e d e c l i n e s ， b y whic h t h e a c c u r a c y e v a l ua t i o n o f gr o u n d wa t e r r e s o u r c e s i s a f f e c t e d I n t h i s p a p e r ， me t ho d o f a s c e r t a i n i n g h y d r o g e o l o gic a l p a r a me t e r s i n wa t e r r e s o u r c e s a s s e s s me n t wa s e x p l o r e d b a s e d o n 2 8 0 0 hy d r o g e o l o g i c a l d r i l l i n g s ， 4 8 5 0 g r o u n d wa t e r l e v e l me a s u r e me n t d a t a a n d i n i t i a l gr ou n d wa t e r flo w f ie l d i n f o r ma t i o n o f t h e b a l a n c e v i e w， u t i l i z i n g s p a t i a l a n a l y s i s f u n c t i o n o f Ma p GI S 。 a ma p p i n g s o f t wa r e ， i n c o n j u n c t i o n wi t h VWe h a v e a p p l i e d t h i s me t h o d i n No r t h C h i n a P l a i n Gr o u n d w a t e r Re s o u r c e s Ev a l u a t i o m Ke y wo r d s ：No r t h Ch i n a Pl a i n； f l u c t u a t i o n z o n e o f s ha l l o w gr o u n d wa t e r ； Ge n e r a l S p e c i f i c Yi e l d 0 引言 华北平原包括北京市 、 天津市和河北省平原区 ， 以及 山东 省和河南省黄河以北平原。海河、 滦河两大水系位于该区。 按成因和形态特征可分为山前冲洪积倾斜平原， 中部冲积平 原和东部滨海 冲积 、 海积平原 。 近 5 O年来 ， 随着人类活动增强， 地下水开采能力和开采 量越来越大 ， 地下水已成为 华北平原 的主要供 水水源 。据 统 计 ， 年总用水量 3 0 1 1 0 。 r n 3 ， 其 中， 地下水用水量( 包括部分 地区的深部地下水) 2 1 0 1 0 r n 3 ， 占总供水量的 7 O 3 。由 于开采量增大， 导致地下水位下降， 2 O 世纪 6 O年代初地下水 流场处于天然状态， 地下水从山前流向中部， 再从中部流向滨 海。那时， 山前平原 区浅层地下水埋深在 1 1 0 m之 间。 1 9 8 4年， 山前平原区浅层地下水位普遍下降 5 2 O m； 目前， 山前平原区浅层地下水埋深已达 4 0 1T I ， 中部和东部平原水位 也有所下降 j 。 在地下水位大幅度下降条件下 ， 地下水资源评价时， 初始 开采段岩性的给水度已不再适用。如何找到一个合适的给水 度值， 正确评价大埋深状况下的地下水资源， 是当前水资源评 价的一个重要科学问题， 亟需解决。 l 给水度 与水 资源评价 1 1 给 水度 的概 念 给水度是饱水岩土在重力作用下， 地下水位下降一个单 位时， 单位体积含水层所能释放出来的重力水体积。给水度 是地下水资源评价中一个十分重要的水文地质参数。一般采 用野外抽水试验 、 室 内检测 、 压力薄膜 仪测定 、 利用 地下水 动 态资料分析计算 、 小区域地下水量均衡、 有限差分和有限元法 反演推算等方法。 1 2 在水资源评价 中的作用 在水资源评 价中 ， 水量均衡 ： 收稿 日期 ： 2 0 1 0 0 5 一 1 0 修 回 日期 ： 2 0 1 0 0 6 1 7 作者简介 ： 费宇红 ( 1 9 6 0 一 ) ， 女， 上海人 ， 研究员 ， 博士 ， 主要从事水资源研究 。 第 8卷 0 2南水北调与水利科技 2 0 1 0年 7 月 a Q=A H F ( 1 ) 式中： 均衡时段内地下水储存量； H _ 一浅层地下水水位变幅 ( m) ； 浅层地下水水位变动带给水度； 卜 均衡区面积( k r r ) 。 水位变动带指潜水最高水位和最低水位区间的地带， 其 岩性组成决定了给水度的取值。 含水层岩性变化大 ， 地 下水位 随着开采 程度不 同也在不 断变化， 所以在水资源计算时要正确评估某地区含水层给水 度。如： 2 o 世纪 8 o年代初， 在某农场地下水资源评价中， 由 于计算调节储量的“ 给水度” 取 0 0 5 ， 计算出了允许开采的地 下水资源量， 得出结论为这个农场仅能允许发展约 5万亩水 田。而在以后的实际生产中， 农场打井种水稻， 很快突破了这 个戒律， 水田发展很快 ， 这时人们又认为“ 给水度” 可取 0 1 8 。 后来又通过十几年的实践与研究 ， 终于得出“ 给水度” 为 0 1 3 比较符合实际开采状况的结论。如今 ， 该农场发展打井种稻 1 6 7 万 h m 以上， 且地下水位埋深基本稳定在 4 5 m上下的 理想状态 。 1 3 给水度对水资源评价的影响 在地下水强烈开采区， 地下水位呈持续下降态势， 造成了 每次水资源评价均衡期水位变动带下降， 再一次进行地下水资 源评价时， 其计算参数必须试验研究 。如图 l 所示 ， 2 o世纪 9 O年代地下水位较 8 0年代低 ， 8 O年代的高水位和低水位组 成的水位变动带高于 9 O 年代水位严重下降条件下的变动带。 由于给水度 与岩性相关 ， 不 同水 位变 动带的岩性 不同 ， 所以 ， 水资源评价若水位变动带变化， 则评价结果亦随之变化。 图 1 含水层及 包气带变化示意图 Fi g 1 Ch a n g e d i a g r a m o f a q u i f e r a n d u n s a t u r a t e d z o n e 2 综合给水度计算方法 到综合 其计算公式为： 鉴于华北平原地下水位变幅较大和地下水开采强度大的 ( 2 ) 特点， 给水度应是开采深度范围内不同岩性给水度的综合反 式中： 综合给水度； 水位变动带内不同岩性的给水度； 映。因此， 综合给水度要考虑地下水位的变化幅度。 一水位变动带内各层岩性的厚度( m) 。 各种实验 得出的给 水度一般是某一岩性给水度， 而含水 3 华北 平原综合给水度特征 层是由多岩性组合而成的， 不同岩性的给水度截然不同。当 给水能力强的岩性厚度大时， 含水层组的给水能力就较好； 当 3 1 综合给水度分布图 给水能力弱的岩性层厚度大时， 含水层组的给水能力就较差。 总结大量抽水试验资料得出华北平原各种岩性的给水度 因此 ， 用厚度作权 重 ， 将各岩层给水度按厚度加权平均 即可得 如表 1 E 。 表 1 岩性分类及岩性 值 Ta b 1 Li t h o l o g i c c l a s s i f i c a t ion a n d s p e c i f i c y i e l d S v a l u e 本研究利用华北平原地下水数 据库 中 2 8 0 0 个钻孔数据 ， 分析含水层岩性 ， 用4 8 5 0个现状地下水统测数据和地下水初 始流场图进行区域水位变差计算， 得出水位变动带分布图， 将 含水层岩性与水位变动带空间耦合， 得出水位变动带内含水砂 层的厚度。按式( 2 ) 各钻孔的水位变动带内综合给水度。 利用 Ma p GI S的空间分析功能结合区域水文地质条件， 将计算出的钻孔综合给水度做出“ 华北平原综合给水度分布 图” ( 图 2 ) 。 3 2 综合给水度 图的合理性分析 综合给水度在区域的分布规律与岩性有关， 还与水位变 动带厚度有关。 5 6 华北平原浅层含水层综合岩性分布图( 图 3 ) 显示， 山前 平原主要分布卵砾石、 粗砂和中砂等， 所以， 给水度一般大于 0 1 2 ； 中部和东部平原以中砂和细砂为主， 给水度一般0 1 2 0 0 5 ， 个别 黏性 土为主的区域给水度小于 0 0 5 。 从水位变动带分布图( 图4 ) 可以看出， 山前平原漏斗区水位 降幅较大， 中东部平原水位降幅小， 由于综合给水度是水位变动 厚度的函数， 因此， 水位下降大的山前平原区的综合给水度大。 4 在地下水资源评价中的应用 利用“ 华北平原浅层地下水综合给水度分布图” 和水位变 差图， 计算华北平原 T D S 3 g L的地下水蓄变量为-2 1 2 6 X 费宇红等 综合给水度在华北平原地下水资源评价中的应用 图2 华北平原浅层地下水综合给水度分布图 F i g 2 Ge n e r a l s pe c i fic y i e l d S d i s t r i b u t i n g o f s h a l l o w g r o u n d wa t e r l e v e l i n No r t h Ch i na Pl a i n 图 4 华北平原水位变动带分布图 F i g 4 Di s t r i b u t i ng o f t h e Fl u c t u a t i o n Z o n e o f s h a l l o w g r o u n d wa t e r l e v e l i n No r t h Ch i n a Pl a i n 1 O 。 r n 3 a ； 采用均衡法计算总补排差为一1 9 2 2 1 0 m 3 a 。 二者差异在误差允许范围内。由此， 对华北平原浅层地下水 资源评价， 得出天然资源量 2 3 3 9 6 1 0 。m3 ， 年可采资源量 2 0 6 0 9 1 0 r n 3 ， 现状年山前平原区超采量 2 6 3 7 1 O 。 m3 。 由于在计算中考虑了水位变化条件下的给水度， 其评价 图 3 华北平原浅层含水层岩性分布图 Fi g 3 Li t h o l o g y di s t r i b u t i o n o f s h a l l o w g r o u n dwa t e r i n No r t h Chi n a Pl a i n 结果更具合理性 。 5 结论 和建议 “ 综合给水度” 的应用， 是对于地下水位变化幅度较大区 域水资源评价中水文地质参数的一种尝试性处理方法， 具有 一 定的科学性和合理性。 水位变动带所处位置不同， 对计算结果影响较大。如前 期水位变动带内的岩性为粗砂， 水位下降后 ， 水位变动带内为 细砂， 或反之 ， 将造成综合给水度降低或增大。说明综合给水 度对水位变化条件下的地下水资源评价十分重要。 建议 ， 今后在水资源评价时先对水文地质参数进行研究， 针对变化了的水文地质条件做出相应的水文地质参数分布 图， 使水资源评价结果更为合理。 参考文献 ： E 1 白旭飞， 张桂芳， 姚章村 都是“ 给水度” 招来的错E J 水利天地， 2 0 0 8， ( 4 )： 3 3 3 3 2 王瑞芬 当前地下水 资源评 价 中的若 干问题 J 河北水 利水电 技术 ， 2 0 0 0 ， ( 4 ) ： 1 2 1 3 3 张兆吉， 费宇红， 陈宗宇 华北平原地下水可持续利用调查评价 E M 北京 ： 地质出版社 ， 2 0 0 9 ： 2 6 3 0 0 4 费宇红， 张兆吉 华北平原地下水位动态 变化影 响因素分析 J 河海 大学学报 ( 自然科学版) ， 2 0 0 5 ， 3 3 ( 5 ) ： 5 3 8 5 4 1 5 钱永 ， 张兆吉， 费宇红， 等 基于现代软件工具计算水位变动带给 水度的方法探讨口 水文， 2 0 0 7 ， 2 7 ( 3 ) ： 3 5 3 8