17卷第21期2017年7月 1671 — 1815(2017)21-0001-07天文学、地球科学
科学技术与工程
Science Technology and Engineering
Vol. 17 No. 21 Jul. 2017
© 2017 Sci. Tech. Engrg.
—
地下水库调控指标的划分与确定 以那陵格勒河冲洪积扇地下水库为例
太媛媛黄勇
(吉林大学地下水资源与环境教育部重点实验室1 ,长春130021;
山东济铁工程建设集团有限公司2,济南250000;青海省水文地质工程地质环境地质勘察院3,西宁810008)
杜新强
1
张赫轩
13
摘要特征水位和特征库容是地表水库调控的重要指标，被引入地下水库调蓄能力的评价体系中广为使用。但地下水库 的真实水面实际是一个曲面或倾斜平面，以区域上均一的“特征水位”作为调控指标不尽合理且不易于实践操作。因此，本文 提出采用由地下水位等值线构成的“特征水面”作为调控指标代替“特征水位”，能够更加科学地给定地下水库的调控标准。 以那陵格勒河冲洪积扇地下水库为例，给出了基于地下水流数值模拟的特征水位确定方法以及特征库容的计算过程。关键词地下水库
中图法分类号
特征水面 特征库容 冲洪积扇
P641.8;
文献标志码
A
70年代起，开始在河流入海附近修建地下挡水坝， 通过拦截入海潜流以增加地下水可采资源量，同时 也可起到防止海水入侵的作用[8]。澳大利亚则提 倡将集蓄的雨洪水回灌地下含水层用于非饮用回用 或间接饮用回用，并形成了“可管理的含水层补给”
, )技术[9] 〇 我国于
地下水库是以岩石空隙为空间的水资源地下人 工调蓄系统[1]，虽然不同学者对地下水库概念的认 识不尽相同，但在基本要素上有较为一致的认 识[&7]:①地下水库以含水层或储水构造为基本调 蓄空间;②在水资源调蓄方式上，与地表水库的功能 相似，丰水期通过人工回灌等措施把地表水储存于
地下，枯水期通过打井取水等方式调用地下水库储 存的水资源，同时腾空库容，为丰水期储水提供较大 的空间，实现“丰补枯采”。地下水库以含水层为空 间进行水资源调蓄，具有减小蒸发损失、不筑高坝、 降低建库成本、无须移民等优点，也通常被认为是一 种水资源管理措施和水资源开发利用形式。
自20世纪二三十年代，以色列、美国、荷兰、苏 联、南斯拉夫、法国等国家和地区相继开展不同形式 地下水人工调蓄的研究和实践[2]。日本自20世纪
(managedaquiferrechargeMAR
1975年在河北省南宫市也建成了国内第一座无坝 地下水库[1°]，作为引黄调蓄工程，已成为地表、地下 水相互转化以及水资源可持续利用的综合性示范项 目[11];随着北京西郊[12]、山东王河、大连旅顺口 [13] 等地下水库的建设和运用，地下水库已成为我国水 资源调蓄运用的重要形式之一[14]。虽然许多国家 都有利用含水层进行水资源调蓄的研究和工程实 践，从宏观上通常也将其纳入地下水库的范畴，但多 数偏重于地下水人工补给（回灌）技术的研究和应 用，名称也不尽相同；而我国则将含水层的补给（包 括人工补给和天然补给）、储存与开采过程进行综 合调控，称其为“地下水库”并视为一种系统性（水 利)工程
2016年12月21日收到
柴达木盆地循环经济试验区重点地区水文地质调查项目（1212011121279)资助
第一作者简介:杜新强（1977—），男，博士，教授。研究方向：地下水 资源人工调控理论与技术。E-mail:(3uxq77@163. com。
*通信作者简介:太媛媛（1989—），女，硕士，助理工程师。研究方
向:地下水资源评价与管理。E-mail:tajyy89@ 163. com。
引用格式杜新强，张赫轩，太媛媛，等.地下水库调控指标的划分 与确定——
以那陵格勒河冲洪积扇地下水库为例
1特征水位和特征库容
在地下水库规划、设计过程中，调控技术参数的 选择与确定至关重要，决定着地下水库的运行规则 以及相应的水资源调控与管理水平。
对于地下水库的调控，人们多是参照地表水库 的调控特征参数，采用特征水位和特征库容来描述。
魏永纯等[16]早在1979年就较系统地描述了地下水
:
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工程，2017,
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2
科学技术与工程
17卷
库的建设原则和方法，其中地下水库的特征水位和 特征库容是地下水库规划的主要内容之一，地下水 库同地表水库一样也具有各种设计水位和库容。林 学钰[17]在地下水库开发利用中介绍，地下水库的水 位允许变动区间要满足补给入渗量最大、蒸发损失 量最小、可取得的水量最多且对环境无不利影响的 要求，其相应的库容称为最佳调蓄库容，地下库容的 有效运行才能保证地下水库发挥其调蓄功能。戴长 雷等[3]通过最大库容、最小库容以及最大调蓄库容 刻画地下水库的极限蓄水能力和实时库容刻画实时 蓄水能力:最大库容是位于极限高水位与隔水底板 之间的赋水体的重力和弹性释水空间，表征地下水 库的最大蓄水能力；最小库容是位于极限低水位与 底板之间的重力和弹性释水空间，表征地下水库的 最小蓄水能力；最大调蓄库容是为最大库容与最小 库容之差，表征地下水库的最大调蓄能力。李伟 等[18]在分析济宁市地下水库特征参数时，针对疏干 含水层，确定了调蓄上、下限水位以及相应的透支库 容和调蓄库容。其中，调蓄下限水位为地下水位必 须恢复上升的最小高度，调蓄下限水位以下的疏干 含水层在饱和状态时的重力释水体积为透支库容; 调蓄上限水位为地下水位允许上升的最大高度。杜 新强等[19]对地下水库的特征水位和特征库容则划 分为死水位和死库容、正常蓄水位和正常调蓄库容、 现状水位和已占库容、腾空库容。
从上述研究进展中可以看出，地下水库调控技 术参数的核心是特征水位，而特征库容是受特征水 位约束的。目前，尽管地下水库的特征水位的定义 与确定原则不尽相同,但基本上均指向一个固定的 区域地下水位值。由于地下水库水资源调蓄速率缓 慢、补给与排泄时空变异性大，因此固定水位值作为 地下水库的特征调控指标并不十分合理，在实践层 面也存在不易操作的问题。
2特征水面和特征库容
对于天然地下水库而言，其水位分布总是随时
间和空间的变化而变化，难以用一个固定的特征水
位值准确地刻画地下水库的储存和蓄水能力。魏永 纯等曾指出地下水库的水面不是一个水平面，而是 一个经常变化的曲面[16];田园等也认为，在严格意 义上地下水库的水位受地形、采补不均等因素的影 响，自由水面不是水平的[2°];刘家祥等在对北京西 郊地下水库的研究中也指出地下水的水面是一个斜 面或曲面[21]。因此，对于地下水库而言，用“特征水 位”描述地下水库的水面并不是十分准确。因此， 本文提出用“特征水面”来代替“特征水位”，重建地
下水库人工调蓄的指标体系。
与“水位”相比，“水面”则更加真实地刻画了地 下水库的蓄水表面形态，而“特征水面”是指地下水 库在特定运行条件下的蓄水面。特征水面是一个曲 面或有一定角度的倾斜平面，只有当地下水库具有严 格意义上的隔水边界(例如有坝地下水库)或在一个较 小范围内时，才有可能将地下水面近似看成水平面，而 此时“特征水面”才可用“特征水位”来表达。本文采用地下水库的“特征水面”代替“特征水 位”，以杜新强等所提出的地下水库调控指标为基 础[19]，给出了衡量地下水库调蓄能力的特征水面和 特征库容的新定义（图1 )，使调控指标更符合地下 水库的实际运用和调控需求：
(1) 死水面和死库容。在当前技术经济条下，地下水开发利用不引起环境负效应或所引起的 环境负效应处在允许与可控范围的前提下，地下水 库不同地区最低疏干地下水位等值线，称为死水面。 死水面与地下水库侧向和底面边界之间的蓄水体体 积称为死库容。这部分库容一旦动用，则必然引起 较为明显的环境负效应，是地下水库调蓄运用过程 中的最低运行水面控制标准。
死水面的确定需遵循以下基本原则:①死水面 是地下水开发利用产生环境负效应的临界地下水位 等值线;②最低水面应在当前技术经济条件下，保证 地下水开采设备的正常运行。
(2) 正常蓄水面和正常调蓄库容。在长期蓄水 有利于环境改善、至少不会导致生态环境进一步恶 化的前提下，地下水库所允许的最高地下水位等值 线，称为正常蓄水面。正常蓄水面与死水面之间的 蓄水体体积称为正常调蓄库容。
正常蓄水面的确定要遵循以下基本原则:①尽 量减少地下水蒸发量，提高蓄水效益;②防止地下水 位过高导致的土壤次生盐渍化;③考虑地表植被对 合理地下水位埋藏深度的要求，保障生态环境的良 性发展。
(3)
现状水面和已占库容。现状地下水面指地下水库在当前时刻蓄水体的地下水位等值线；
现状库容，则是指现状地下水面与隔水底板之间已 经被占用的地下水库库容，它表明地下水库总库容 被占用的情况，也表明现状条件下地下水库的蓄水 规模。
(4)
腾空库容。它是指从正常蓄水面到现状水
面之间可利用的地下水库库容，是地下水库可用于 接受补给水源的疏干含水层的空隙体积，表明地下 水库中水资源的开采程度以及地下水库对地表补给 水源的调节潜力。
件 ，是
21期杜新强，等:地下水库调控指标的划分与确定——以那陵格勒河冲洪积扇地下水库为例
3
(5)总库容。正常蓄水面与地下水库侧向和底 面边界之间的蓄水体体积称为总库容，它表征了地
下水库的整体规模
e
图
1地下水库特征水面和特征库容划分示意图Fig. 1 The sketch map of characteristic water
surface and characteristic storage
3
那陵格勒河冲洪积扇地下水库特征 水面和特征库谷
3.1区域自然地理条件概况
研究区位于柴达木盆地西南部，东经92°40'〜 93〇15'，北纬 36〇40'〜37〇15'，面积为 1 605
km2 (图
2中红色标识线区域内），隶属青海省海西州格尔木 市管辖。区内地广人稀，仅在冲积扇前缘地带有人 居住，总体开发程度相对较低。格尔木一茫涯省级 公路从工作区北部通过，交通条件一般（图2)。该区属于高原内陆干旱半干旱气候，具有多风、 少雨、蒸发强烈等特点，多年平均降水量为29. 8 mm
，
降水稀少且分布不均勻，集中在5〜9月份，约为年降 水量的87% @多年平均蒸发量为1 679. 3
mm。
那陵格勒河是柴达木盆地流量最大的河流。据
出山口水文站I
960〜1963年及2010〜2013年地表 水流量观测资料显示，年径流量最大可达19.7
x
108m3/a
，最小为8. 73 x 108mVa，多年年平均径流
量为14.32
xl08m3/a9
河水丰水期为6〜9月份，
丰水期径流量占全年总径流量的71. 2%。
第四系孔隙潜水为该区的主要地下水类型，含 水层以卵砾石、砂砾石为主，颗粒较粗，储水与给水 性较强，渗透性较好，含水层厚度较大，导水性良好； 上部有那陵格勒河流经，地下水接受地表水入渗补 给，地下水资源储量十分丰富，开发利用价值很大。 3.2那陵格勒河冲洪积扇修建地下水库的可行性
修建地下水库一般需要具备两个基本条 件[3’4]: 一是具有封闭或近封闭边界的广阔储水空 间;二是库区具有良好的补给水源和补给途径93.2. 1储水空间
地下水库南部以推测的山前断层为界，北部至 溢出带上游前缘，西部至那陵格勒河补给影响带，东 部至那陵格勒河与开木祺河中间带（图2中红色标
图
2研究区地理位置图
Fig. 2 The geographical location map of study area
识线区域内）km，构成一个相对独立的含水系统，总面
积约为837 2
s
库区含水层以卵砾石、砂砾石为主，颗粒较粗， 储水与给水性较强，md
渗透性较好，渗透系数为1〇〜 75 /，含水层厚度较大，平均厚度为300 ，导水
性良好，导水系数一般大于500 m2/d
m
，已有抽水井 的平均单位降深涌水量为14 35〜28. 46 L/s • m
(图3);导水能力由扇顶到扇中部逐渐变强;含水层
储水空间体积约为251. 1
km%
图
3地下水库参数分区图及单位涌水量分布图
Fig. 3 The parameter division and specific capacity
map of groundwater reservoir
4
科学技术与工程
17卷
3. 2. 2 补给水源
含水层最主要的补给水源来源于那陵格勒河的 渗漏补给。那陵格勒河为柴达木盆地流量最大的河 流，多年年平均径流量为14.32 xl08m3/a
，出山口
后，在山前丨頭斜平原呈散流状，渗漏补给范围广，强 度大，那陵格勒河河床的岩性绝大部分是砂砾石和 中细砂，透水性好，河水与地下水之间水力联系密 切。且该区多年平均降水量仅为29. 8 mm
，多年平 均蒸发量高达1 679. 3
mm，地下水主要接受那陵格
勒河河水的渗漏补给，大气降水补给量可以忽略。
区内地表水资源全年分布不均，河水并不是以 同一比例补给地下水，而是每个月按照不同入渗比 例补给地下水。本文采用文献[22]中地下水的多 年平均补给量计算结果为5. 69 x 108m3/a
。
4
那陵格勒河冲洪积扇地下水库 特征水面和特征库容的分析
4.1那陵格勒河冲洪积扇地下水库特征水面的确定
根据实际情况，结合地下水库特征水面的确定
原则，采用如下方法确定那陵格勒河冲洪积扇地下 水库的特征水面。
(1) 死水面。允许开采量是在当前技术经济条 件下，对生态环境影响最小前提下的最大允许开采 量。因此，在多年平均补给量条件下，以允许开采量 连续开采，区域地下水位将持续下降，但若干年后将 达到采补平衡状态，区域地下水流场也将达到稳定 状态，此时的地下水面是在允许开采量持续开采条 件下所得到的区域最低地下水面，将此水面称为地 下水库的死水面。通过地下水流数值模拟与资源评 价的结果，确定了本区地下水的允许开采量为65 104 m3/d
x
;将多年平均补给量、地下水允许开采量带 入地下水流三维数值模拟模型运行，在第9 368天 时，得到了那陵格勒河冲洪积扇地下水库的稳定地 下水流场，此时的地下水面即为死水位平面（图4)。
(2)
正常蓄水面。在无任何开采的天然条下，地下水库的天然补给量与天然排泄量将在一个 较长时段内达到动态平衡，与地下水有关的生态环 境系统也在此条件下形成并与之和谐变化，此时的 地下水流场可以看作地下水库正常蓄水面，即正常 的高水面。因此，将天然补排条件输入地下水流三 维数值模型，在第6 813天得到区域地下水的稳定 流场，即那陵格勒河冲洪积扇地下水库的正常蓄水 面平面（图5)。4.2那陵格勒河冲洪积扇地下水库特征库容计算利用地下水库的特征水面以及含水层底板高 程，可以计算相对应的地下水库特征库容。首先将
图
4
地下水库死水面平面示意图
Fig. 4 The sketchmap of dead water surface
不规则的空间区域离散为规则的梯形，然后计算每 个梯形的体积并求和，得到所选定不规则空间区域
的近似体积。其计算公式为：
4 =学
+
%
，2 +2q
，3 + …+ 2、“ +
(1)
+2A2 +2A3 + +2An_1 +AJ
式中，
Ax⑵
为剖分网格的列宽;Ay为剖分网格的行
件21期杜新强，等:地下水库调控指标的划分与确定——以那陵格勒河冲洪积扇地下水库为例
5
宽;
q
为第〖行第列处的节点值
yA
为第〖行网格的
面积'为含水层体积;〃为剖分的网格数。
最后，利用上述方法求得各分区蓄水体体积，乘 以各分区给水度（图3)，再求和可以得到地下水库 5结论
(1)
采用由地下水位高程等值线构成的“特征
水面”代替“特征水位”，重新建立地下水库人工调 特征库容(表1)。
Table 1 The characteristic storage of ground表1地下水库特征库容
water reservoir
参数面积/
/
腾空库容
/
分区
给水度
死库容
Ikm22140. 12108m3/
正常调蓄 已占库容库容10.38.8/108m3
108m31n1357. 819. 1 108m30IV2000. 132.4V
1260. 101620. 1644.34.00. 16
42.058. 83.746.711. 808.245.7067.000总计
837
159.4
30.9
190. 3
0
从表2中可以看出，那陵格勒河冲洪积扇选定
区域地下水库的总库容为190. 3 1083，其中死库 容为159. 4 x 108m
xm
3，正常调蓄库容为30. 9 x 108m
3; 而在现状丰水年的条件下，地下水库蓄水位较高，所 有库容均已被占用，不存在腾空库容。采用地下水 数值模拟方法，分别模拟不同开采量条件下的库容 变化（图6)，可以看出：只有随着地下水开采量的增 加，地下水库占用的库容才能被逐渐释放、腾空库容 逐渐增加。即只有当地下水库有一定的腾空库容 时，才能够大量接纳和蓄存地表水的补给量，实现以 丰补歉的水资源人工调蓄目的。因此，从运用的角 度上看，在地下水资源开采与补给的有机结合条件 下，地下水库才能发挥其水资源调蓄作用。
图
6累积开采量与已占库容、腾空库容的统计关系
Fig. 6 The statistical relationship in accumulated explorations and empty storage, occupied storage
选用多年平均补给量补给地下水，在无任何开 采的条件下，那陵格勒河冲洪积扇地下水库的正常 调蓄库容为30.9 xl08m3。此库容并非正常的可持 续开采量，仅是表明地下水库可用于水资源人工调 蓄的规模和潜力;但可作为应急条件或极端气候条 件下地下水资源的最大可开采量。
蓄的指标体系为:死水面与死库容、正常蓄水面与正 常蓄水库容、现状水面与已占库容以及腾空库容。
以那陵格勒河冲洪积扇地下水库为例，给出了特征
水面和特征库容的具体确定方法和计算过程，同时 分析了已占库容、腾空库容和累积开采量之间的转 化关系，揭示出地下水库水资源调蓄作用的实现途 径是地下水资源开采与补给的有机结合。
(2) 利用新的分类方案确定地下水库调控指标 时，可以充分考虑到地形、含水层分布与埋藏条件的 空间差性，从而能够更加真实地刻画地下水库的调 蓄能力；同时，也可以充分考虑地下水开采需求、人 工开采能力以及地下水补给、径流和排泄条件的空 间差异性，使地下水库的水位调控可以分区开展，因 此具有更好的现实可行性。
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Groundwater Reservoir
—An Example of Groundwater Reservoir in Nalinggele
River Alluvial-proluvial Fan
(Key Laboratory of Groundwater Resources and Environment, Ministry of Education, Jilin University, Jilin University1 , Changchun 130021, P. R. China；
Shandong Jinan-Railway Engineering Construction Groups Co. ,Ltd2 , Jinan 250000, P. R. China ；Survey of Hydrogeology, Engineering & Environmental Geology in Qinghai3 , Xining 810008 , P. R. China)
DU Xin-qiang1, ZHANG He-xuan1, TAI Yuan-yuan1,2* , HUANG Yong3
[Abstract ] Characteristic water level and characteristic storage capacity is always known as the important indexes for the regulation and storage capacity of groundwater reservoir, it is widely used in evaluation system of groundwater reservoir. For the natural groundwater reservoir, a single uniform characteristic water level isn , t very reasonable to be the regulation index, because the real water surface of groundwater reservoir is curved surface or gradient flat surface. The concept of u characteristic water surface^ which is composed by groundwater level contour was proposed to instead the index of “ characteristic water level” • The new index system is more reasonable to give the regulation criteria for groundwater reservoir. Taking groundwater reservoir in Nalinggele River alluvial-proluvial fan as an example, the determination method of characteristic water surface and storage capacity were shown based on groundwater numerical simulation method.[Key words ] groundwater reservoir characteristic water surface characteristic storage alluvial-proluvial fan
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