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摘要 本文以大武岩溶地下水资源论证为例，提供了水平衡计算方法，论证了水源算补给量、排泄量、储变量的数值关系，较为准确的获得了允许开采量。
关键词 岩溶地下水 水均衡 补给 排泄 允许开采量
0 引言
巖溶地下水源为城市供水重要的自有水源，为提高水源的供水可靠性和安全性，有必要对其允许开采量、采补平衡进行分析，评估其承载能力与潜力。
大武岩溶水系统是一双层复合地下水系统，上层为第四系孔隙水，下层为中奥陶系岩溶水，二者通过“天窗”相联系。对地下水资源允许开采量可运用补给量法、时段均衡法及回归分析法等进行分析核算，本文首先要采用水均衡法计算大武水源地水资源量。
水均衡法是地下水资源平衡计算的基本方法，也是评价地下水允许开采量的基础。由于西部湖田水源地已经停采，水位相对较高，存在向大武水文地质的径流补给，将其纳入本次计算，面积为577.45 km2，均衡计算期为39年。
1 水平衡计算原理
水均衡方程为： Q补—Q排=±μF·△H/△t
式中：μF——岩溶地下水单位储存量（万m3/m）;
△H/△t-均衡期内水位变幅（m/a）;
Q补--均衡期内各项补给量（万m3/a）;
Q排--均衡期内各项排泄量（万m3/a）。
源汇项补给量包括大气降水补给量、地下水径流补给量、上游水库泄洪补给量、地下水回灌补给量等，根据对大武水源地多年的研究经验，大武水文地质单元内的补给量主要是大气降水补给量、地下水径流补给量、上游水库泄洪补给量，其余的可以忽略不计，计算公式为： Q补=Q降+Q径补+Q泄
1.1 大气降水入渗补给量
计算公式为：Q降=Σnn=1αn·Fn·Pn。
根据大武水源地1980～2018年降雨量观测资料，大武水文地质单元的多年平均降雨量为618.21mm。根据均衡计算范围内地层岩性、地层产状、地形地貌、岩溶发育程度、裸露与隐伏情况等的不同分为4类，按照水文地质单元降水入渗系数分类进行赋值，包括岩浆岩、灰岩裸露区、分布区数值结合本地区的实际情况，取比奥陶系灰岩、白云岩略大的数值。
根据以上参数可计算出整个大武水文地质单元的降水入渗补给量。
1.2 地下水径流补给量
计算公式为：Q径补=I·K·M·B
南边界太河水库大坝西段及以西区域为径流补给边界，大坝西段岩溶发育，含水层厚度较大，大坝西段以西由断裂控制，岩溶发育程度变弱，含水层厚度变小。东边界处连接南部分水岭与北部徐姚断层的柳店断层地段也为径流补给边界。
南边界水力坡度的取值，根据枯水期（2018年5月）和丰水期（2018年9月）等水位线，经过计算取平均值0.01。根据岩溶发育程度和地质勘探资料南边界分为两段，渗透系数的分别取值为485.35m/d、55m/d，接近南部非河道区域的平均渗透系数，同时确定两段的含水层平均厚度和长度，根据上述参数计算出地下水径流补给量。
东边界水力坡度I的取值方法同南边界，取0.0015，地段位于河道中央位置，岩溶发育，渗透系数K取值485.35m/d。根据机井队勘探数据确定含水层厚度约，经MapGis量取东边界径流补给断面长度。
根据以上各参数计算出该地质单元地下水径流补给量。
1.3 上游水库泄洪补给量
根据仁河水库和太河水库1980～2018年调洪记录，39年内共泄洪折合12.61万m3/d。因泄洪时，有地表水流沿着淄河流出均衡区外，且泄洪补给量与泄洪持续时间和强度有直接关系，根据实际情况，有效补给量取值规则为单次泄洪量大于1万m3时取值10%，小于1万m3时取值20%，以此计算上游水库泄洪补给量为1.70万m3/d。
根据水均衡方程，以上三者相加可以得到大武水文地质单元总补给量。
2 排泄量计算
上游水库泄洪补给量Q泄主要是上游仁河水库和太河水库泄洪或放水时产生的补给量，包括人工开采量、地下水径流排泄量、蒸发排泄量、向第四系顶托补给排泄量等。本区岩溶地下水水位埋深较大，北部第四系之下覆盖有石炭-二迭，系泥岩地层，顶托补给作用弱，蒸发排泄量、向第四系顶托补给排泄量可以忽略不计，因此主要的排泄量为人工开采量、地下水径流排泄量，即： Q排=Q开+Q径排
2.1 人工开采量
大武水文地质单元内，以集中开采为主，分散开采为辅，主要集中在大武水源地以内。水源地以外主要以小型水源地和分散开采为主，包括淄河以西大武水源地南部至太河水库一带、淄河以东青州的邵庄镇、庙子镇至地表分水岭一带的工业用水、农村生活用水和农业灌溉用水三部分。参考水平年数据可得到整个大武水源地人工开采量。
2.2 地下水径流排泄量
北部边界为向北部径流的透水边界，地下水径流排泄量为： Q径排=I·K·M·B。
其中：α——降雨入渗系数;I——计算时段的水力坡度; K——含水层渗透系数（m/d）;B——补给或排泄断面长度（m）;F——补给区域流域面积（m2）;P——多年平均降雨量（mm）。
水利坡度、渗透系数参数取值方法同南边界，取值分别为0.0009、55m/d。综合某勘探孔含水层厚度数据，参考广大区域上的灰岩勘探孔，计算取含水层厚度为30m，经MapGis量取北边界有效断面长度。
根据以上参数计算出该水文地质单元总排泄量。
3 储变量计算 根据均衡期内大武水文地质单元平均水位、水位变幅，利用1980～2018年地质单元内历年的降雨量、开采量、水位、水库泄洪量等数据，计算储变量的变化量为-0.59m3/d。
岩溶地下水单位储存量μF不是一个恒定的数值，而是随着水位的升降而发生变化，均衡计算根据1980～2018年大武水文地质单元内的降雨量、开采量、水位变幅等数值，利用水均衡方程公式反算岩溶地下水单位储变量μF，剔除少数异常值后，利用数理统计方法建立其与水位变幅△H/△t的相关关系，利用相关函数μF=-681.81ln（△H/△t）+2536.8（△H/△t<15），μF=243.89（△H/△t≥15）进行计算。
综上所述，计算表明水文地质单元地下水多年平均补给量与总排泄量基本平衡，均衡差为-11.80万m3/a，参数选择合理，符合该区域的水文地质条件。
4 岩溶地下水允许开采量
岩溶地下水补给来源为大气降水，采用水均衡法评价地下水允许开采量，约束条件为：①开采量不超过多年平均补给量;②根据降水量年际分布规律，取4个连续的枯水年（2014～2017年）开采时段核算;③以不低于地下水平均水位计算允许开采量，确定开采时段内允许最大水位降深为0.235m/a。
约束条件下，水均衡法计算地下水允许开采量的基本公式：
Q可=μF·△H允/△t+Q枯补
其中： Q可——地下水允许开采量（万m3/a）;μF——岩溶地下水单位储存量（万m3/a）;△H允——开采时段内区域地下水位最大允许降深（m）;Q枯补——连续枯水年地下水补给量（万m3/a）;△t——计算时段（a）。
利用相关函数μF=-681.81ln（△H/△t）+2536.8（△H/△t<15）计算0.235m/a时岩溶地下水单位储存量，通过查询2014～2017枯水年总补给量，将参数带入地下水径流补给量公式，计算出大武水文地质单元内平均地下水水位控制在多年平均水位时的允许开采量。
5 结论
结果表明，允许开采量小于该公司日供水能力54万m3/d，能有效保障城区用水。为了保护地下水资源，有必要开源节流，涵养地下水源，减少人工开采，杜绝非法开采，有效利用客水水源，为城市发展提高地下水资源储备水平。
参考文献
[1]《岩溶地下水资源开发利用与饮水安全保障》.黑亮等著.北京：黃河水利出版社，2017.
[2]《地下水动力学》.陈崇希，林敏著.北京：中国地质大学出版社，1999.
作者简介：张加军，淄博市自来水公司，工程师，邮编255038，研究方向供水企业安全生产。
关键词 岩溶地下水 水均衡 补给 排泄 允许开采量
0 引言
巖溶地下水源为城市供水重要的自有水源，为提高水源的供水可靠性和安全性，有必要对其允许开采量、采补平衡进行分析，评估其承载能力与潜力。
大武岩溶水系统是一双层复合地下水系统，上层为第四系孔隙水，下层为中奥陶系岩溶水，二者通过“天窗”相联系。对地下水资源允许开采量可运用补给量法、时段均衡法及回归分析法等进行分析核算，本文首先要采用水均衡法计算大武水源地水资源量。
水均衡法是地下水资源平衡计算的基本方法，也是评价地下水允许开采量的基础。由于西部湖田水源地已经停采，水位相对较高，存在向大武水文地质的径流补给，将其纳入本次计算，面积为577.45 km2，均衡计算期为39年。
1 水平衡计算原理
水均衡方程为： Q补—Q排=±μF·△H/△t
式中：μF——岩溶地下水单位储存量（万m3/m）;
△H/△t-均衡期内水位变幅（m/a）;
Q补--均衡期内各项补给量（万m3/a）;
Q排--均衡期内各项排泄量（万m3/a）。
源汇项补给量包括大气降水补给量、地下水径流补给量、上游水库泄洪补给量、地下水回灌补给量等，根据对大武水源地多年的研究经验，大武水文地质单元内的补给量主要是大气降水补给量、地下水径流补给量、上游水库泄洪补给量，其余的可以忽略不计，计算公式为： Q补=Q降+Q径补+Q泄
1.1 大气降水入渗补给量
计算公式为：Q降=Σnn=1αn·Fn·Pn。
根据大武水源地1980～2018年降雨量观测资料，大武水文地质单元的多年平均降雨量为618.21mm。根据均衡计算范围内地层岩性、地层产状、地形地貌、岩溶发育程度、裸露与隐伏情况等的不同分为4类，按照水文地质单元降水入渗系数分类进行赋值，包括岩浆岩、灰岩裸露区、分布区数值结合本地区的实际情况，取比奥陶系灰岩、白云岩略大的数值。
根据以上参数可计算出整个大武水文地质单元的降水入渗补给量。
1.2 地下水径流补给量
计算公式为：Q径补=I·K·M·B
南边界太河水库大坝西段及以西区域为径流补给边界，大坝西段岩溶发育，含水层厚度较大，大坝西段以西由断裂控制，岩溶发育程度变弱，含水层厚度变小。东边界处连接南部分水岭与北部徐姚断层的柳店断层地段也为径流补给边界。
南边界水力坡度的取值，根据枯水期（2018年5月）和丰水期（2018年9月）等水位线，经过计算取平均值0.01。根据岩溶发育程度和地质勘探资料南边界分为两段，渗透系数的分别取值为485.35m/d、55m/d，接近南部非河道区域的平均渗透系数，同时确定两段的含水层平均厚度和长度，根据上述参数计算出地下水径流补给量。
东边界水力坡度I的取值方法同南边界，取0.0015，地段位于河道中央位置，岩溶发育，渗透系数K取值485.35m/d。根据机井队勘探数据确定含水层厚度约，经MapGis量取东边界径流补给断面长度。
根据以上各参数计算出该地质单元地下水径流补给量。
1.3 上游水库泄洪补给量
根据仁河水库和太河水库1980～2018年调洪记录，39年内共泄洪折合12.61万m3/d。因泄洪时，有地表水流沿着淄河流出均衡区外，且泄洪补给量与泄洪持续时间和强度有直接关系，根据实际情况，有效补给量取值规则为单次泄洪量大于1万m3时取值10%，小于1万m3时取值20%，以此计算上游水库泄洪补给量为1.70万m3/d。
根据水均衡方程，以上三者相加可以得到大武水文地质单元总补给量。
2 排泄量计算
上游水库泄洪补给量Q泄主要是上游仁河水库和太河水库泄洪或放水时产生的补给量，包括人工开采量、地下水径流排泄量、蒸发排泄量、向第四系顶托补给排泄量等。本区岩溶地下水水位埋深较大，北部第四系之下覆盖有石炭-二迭，系泥岩地层，顶托补给作用弱，蒸发排泄量、向第四系顶托补给排泄量可以忽略不计，因此主要的排泄量为人工开采量、地下水径流排泄量，即： Q排=Q开+Q径排
2.1 人工开采量
大武水文地质单元内，以集中开采为主，分散开采为辅，主要集中在大武水源地以内。水源地以外主要以小型水源地和分散开采为主，包括淄河以西大武水源地南部至太河水库一带、淄河以东青州的邵庄镇、庙子镇至地表分水岭一带的工业用水、农村生活用水和农业灌溉用水三部分。参考水平年数据可得到整个大武水源地人工开采量。
2.2 地下水径流排泄量
北部边界为向北部径流的透水边界，地下水径流排泄量为： Q径排=I·K·M·B。
其中：α——降雨入渗系数;I——计算时段的水力坡度; K——含水层渗透系数（m/d）;B——补给或排泄断面长度（m）;F——补给区域流域面积（m2）;P——多年平均降雨量（mm）。
水利坡度、渗透系数参数取值方法同南边界，取值分别为0.0009、55m/d。综合某勘探孔含水层厚度数据，参考广大区域上的灰岩勘探孔，计算取含水层厚度为30m，经MapGis量取北边界有效断面长度。
根据以上参数计算出该水文地质单元总排泄量。
3 储变量计算 根据均衡期内大武水文地质单元平均水位、水位变幅，利用1980～2018年地质单元内历年的降雨量、开采量、水位、水库泄洪量等数据，计算储变量的变化量为-0.59m3/d。
岩溶地下水单位储存量μF不是一个恒定的数值，而是随着水位的升降而发生变化，均衡计算根据1980～2018年大武水文地质单元内的降雨量、开采量、水位变幅等数值，利用水均衡方程公式反算岩溶地下水单位储变量μF，剔除少数异常值后，利用数理统计方法建立其与水位变幅△H/△t的相关关系，利用相关函数μF=-681.81ln（△H/△t）+2536.8（△H/△t<15），μF=243.89（△H/△t≥15）进行计算。
综上所述，计算表明水文地质单元地下水多年平均补给量与总排泄量基本平衡，均衡差为-11.80万m3/a，参数选择合理，符合该区域的水文地质条件。
4 岩溶地下水允许开采量
岩溶地下水补给来源为大气降水，采用水均衡法评价地下水允许开采量，约束条件为：①开采量不超过多年平均补给量;②根据降水量年际分布规律，取4个连续的枯水年（2014～2017年）开采时段核算;③以不低于地下水平均水位计算允许开采量，确定开采时段内允许最大水位降深为0.235m/a。
约束条件下，水均衡法计算地下水允许开采量的基本公式：
Q可=μF·△H允/△t+Q枯补
其中： Q可——地下水允许开采量（万m3/a）;μF——岩溶地下水单位储存量（万m3/a）;△H允——开采时段内区域地下水位最大允许降深（m）;Q枯补——连续枯水年地下水补给量（万m3/a）;△t——计算时段（a）。
利用相关函数μF=-681.81ln（△H/△t）+2536.8（△H/△t<15）计算0.235m/a时岩溶地下水单位储存量，通过查询2014～2017枯水年总补给量，将参数带入地下水径流补给量公式，计算出大武水文地质单元内平均地下水水位控制在多年平均水位时的允许开采量。
5 结论
结果表明，允许开采量小于该公司日供水能力54万m3/d，能有效保障城区用水。为了保护地下水资源，有必要开源节流，涵养地下水源，减少人工开采，杜绝非法开采，有效利用客水水源，为城市发展提高地下水资源储备水平。
参考文献
[1]《岩溶地下水资源开发利用与饮水安全保障》.黑亮等著.北京：黃河水利出版社，2017.
[2]《地下水动力学》.陈崇希，林敏著.北京：中国地质大学出版社，1999.
作者简介：张加军，淄博市自来水公司，工程师，邮编255038，研究方向供水企业安全生产。