岩溶地下河流域地下水资源评价_以湖南湘西大龙洞为例

岩溶地下河流域地下水资源评价
)))以湖南湘西大龙洞为例
何师意1,2
,周锦忠3
,曾飞跃
4
(11中国地质大学,武汉 430074;21中国地质科学院岩溶地质研究所,桂林 541004;31湖南地质调查院第一水文队,株洲 412000;41湘西洲水利局,吉首 416000)
摘要:采用降水入渗系数法和径流模数法,计算得到天然资源量和可开采资源量等。

该方法可根据不同计算块段的水文地质条件赋予不同参数,结果更接近实际;通过水文分析法,求得不同降水频率年份的径流量和天然资源量,认为2003水文年为偏枯年。

统计法求得在天然和建库条件下的可采资源量。

而用动态分析法,计算了可采资源量和天然调蓄量,认为大旱年份系统天然调蓄量仍小于估测地下库容。

上述不同方法计算得到的结果,特别是可采资源量,可靠程度较高,可比性强,为拟建水库设计提供了科学依据。

关键词:水资源评价;大龙洞;湖南湘西
中图分类号:P6411134;P64116 文献标识码:A 文章编号:1000-3665(2007)05-0033-04
收稿日期:2006-06-02;修订日期:2006-06-29
基金项目:自然科学基金项目(40102028)和地质调查项目资助作者简介:何师意(1966-),研究员,在职博士生,从事岩溶环境
学、岩溶水文地质调查和研究。

E -mail:hsych@
本研究紧密结合岩溶水开发工程的需要
[1]
,采用传统方法计算了岩溶流域水资源天然资源量和可开采资源量。

在地方政府现有投资力度条件下,拟建水资源开发工程如按640m 蓄水标高设计,其社会、经济和环境效益不菲,及时并准确地提供资源量数据,以为工程设计提供依据。

1 大龙洞地下河流域概况
大龙洞地下河流域位于湖南省湘西自治州吉首、花垣、凤凰三县(市)交界的腊尔山台地区,西部跨贵州
松桃县境内,流域总面积约231118km 2
,几乎全部为碳酸盐岩区,以中低山台原岩溶峰丛洼地(北部)和高台地低丘洼地两种地貌类型(其它区域)为主,地形相对平缓。

出露地层由老到新依次为寒武系、奥陶系、志留系下统。

地层呈单斜构造向东倾斜。

含水丰富的岩组主要由寒武系中上统娄山关群(I
2~3
ls ),上统比条组
上段(I 3b 2
)和追屯组(I 3z )与奥陶系下统南津关组(O 1n )~大湾组(O 1d )、中统牯牛潭组(O 2g )、宝塔组(O 2b )等组成。

分布于研究区东部和西部的禾库向斜和腊尔山向斜核部,呈北北东向展布,面积为126164km 2。

含水岩组的岩性由厚层的灰岩、白云质灰
岩、白云岩、灰质白云岩、其间夹有少量薄层灰岩、云质灰岩组合。

水平方向或垂直方向岩性较稳定,连续性较好。

2 天然资源评价
211 地下水资源计算区的划分
将研究区划分为三大区:即大龙洞地下河流域区、油麻坨流域区和鬼冲流域区。

其中,大龙洞地下河流域分成两个计算亚区,本文仅对该区水资源进行评价,(见表1)。

表1 计算分区表及主要参数
Table 1 C alculation subareas and parameters
o f research zone
代号面积(km 2)多年平均降雨量(mm)多年平均迳流模数(L P (s #km 2))
入渗系数分布地域
I 1691471518151415501303大红岩、腊尔山、雅西、苟拐I 2
118143
144819
19156
01426
米坨、科甲、禾库、柳薄
212 天然补给量计算
采用降水入渗系数法计算天然补给量[2]
:Q =A #F #H #10
-1
(1)
式中:Q )))大泉、地下河流量(@104m 3
P a);
H )))大泉、地下河流域降水量(mm P a);F )))大泉、地下河流域面积(km 2);
A )))降水入渗系数。

本文利用新大泉及大龙洞、消水坨和禾排水文站观测资料,求得两站区间内的多年平均地下水补给量
及多年平均地下水径流量。

根据湘西地区地质环境条件、以往研究成果和经验值[3~10]
,不同子系统入渗系数存在差异。

而有新观测资料的块段,用下式计算:
A =
E n
i =1A i F
i
E n
i =1
F
i
(2)
式中:A )))子系统的平均入渗系数;
A i )))第i 块段含水岩组降水入渗系数;F i )))第i 块段含水岩组面积(km 2
)。

分别选取50%、75%、95%不同保证率降雨量,对相应水平年内天然资源量进行计算,(见表2)。

运用径流模数法计算地下水天然径流量,计算公式[2]
:
Q 径=311536M 多#平#F
(3)
式中:Q 径)))地下水系统多年平均径流量(@104
m 3P a);
M 多#平)))多年平均径流模数(L P s #km 2
);F )))地下水系统面积(km 2
)。

利用消水坨、禾排、大龙洞3个水文站和雅酉、补抽、夺稀3个雨量站的观测资料统计计算,分别求得消
水坨站以上和以下至大龙洞间两子系统的多年平均径流量及地下水补给量:
M 平偶=
Q 平偶F M 多平=H 多
H 偶
@M 平偶
(4)
式中:Q 平偶)))年平均流量(L P s);
M 平偶、M 多平)))分别为偶测年、多年平均降雨量
下,年平均径流模数(L P (s #km 2
));
H 偶、H 多)))分别为偶测年、多年平均降水量
(mm);
F )))长期观测点控制的流域面积(km 2
)。

天然资源计算成果见表2。

表2 天然资源计算成果表
Table 2 The calculating results o f natural water resources
分区代号频率(%)
I 1
I 2合计面积(km 2)69147118143187190
大气降水入渗补50
3213139734614110559180给量(@104m 3P a)75 29411616725107966616895
193914344591016398144地下水天然径流量(@104m 3P a)
3187162730910010487162多年平均入渗补给量(@104m 3P a)
3197140
7309186
10507126
I 区多年平均入渗补给量和地下水天然径流量分别为105071269@104
m 3
P a 和104871629@104
m 3
P a,前者
略大于后者。

水文分析法计算大龙洞流域(Ñ)地下水
资源。

根据大龙洞电站1961、1965、1966年及2003年4月~2004年3月大龙洞地下河出口流量动态观测资料,经相关分析,延伸得出1959~2001年的日均流量,并通过频率统计得出丰水年(90%)、平水年(50%)和枯水年(10%)的径流量分别为8175m 3
P s 、5176m 3
P s 和
3169m 3
P s 。

据此分析:
1961年的平均流量为3196m 3
P s,接近枯水年的平均流量,认为大龙洞地下河系统枯水年的天然资源量为1126@108
m 3
P a;
1965年平均流量为5164m 3
P s,接近平水年的值,可视为大龙洞地下河出口多年平均天然流量,即大龙洞地下河系统的天然资源量约为1179@108
m 3
P a;
1966年和2003年4月~2004年3月的平均流量分别为4140m 3
P s 和4148m 3
P s,介于平水年和枯水年之间,认为大龙洞地下河系统偏枯水年的天然资源量分
别为1140@108m 3P a 和1134@108m 3
P a 。

3 可开采资源评价
311 地下河可采资源评价原则
(1)岩溶地下水的可采资源评价,与拟定的开发利用方案相联系,有必要计算大龙洞暗河在建库蓄水条
件下的允许开采量;
(2)流域内流量大于100m 3
P d 泉及地下河占全部资源量的80%以上,在本次计算评价的大龙洞地下河子系统中,占有的比例更高,在95%以上,小于100m 3
P d 的水点多为季节性水点,被用于饮用或灌溉,对大龙洞地下河系统资源可忽略。

因此,将流量较大的泉及地下河进行统计,并进行流量的月换算和年修正,则换算成多年平均流量,将可采量100m 3
P d 以上的点,累计作为泉及地下河可采资源量。

312 地下河岩溶水可采资源评价
枯季径流模数法计算大龙洞流域可采资源,计算公式[2]
:
Q 允=311536M 枯#F
(5)
式中:Q 允)))地下水允许开采量(@104
m 3
P a);
M 枯)))枯季径流模数(@104
m 3
P a #km 2
);F )))地下水系统面积(km 2)。

枯季径流模数M 枯的确定:有新长观点资料按新资料,用M 枯偶#H 多P H 偶修正。

M 枯偶=Q 枯偶P F ;M 枯多=M 枯偶#H 多P H 偶
式中:M 枯偶、H 偶)))分别为偶测年枯季径流模数和偶
测年降水量(mm);
M枯多、H多)))分别为多年平均枯季径模和多年
平均降水量(mm)。

其多年平均降水量变化系数如表3。

表3夺希站大气降水变换系数表
Table3Transform coefficient of the Duoxi precipitation station
时间(月)123456789101112
多年平均降水量(mm)411143107912151182371221010172191451293181041668123213枯季降水系数111241107401583013040119401220012670131801492014410167611429平水系数2182167611452017570148501547016650179211225110991168531562多年年平均值:137912mm枯季月平均值:46115mm多年月平均值:1141937mm
枯季径流模数法计算评价区多年平均枯季可采资
源量(I1和I2)为4213121@104m3P a,见表4。

表4岩溶地下水可采资源量计算表
Table4Calculation results of recoverable resource
计算单元
面积
(km2)
多年平均
径流模数
(L P(s#km2))
多年平均枯
季径流模数
(L P(s#km2))
多年平均枯
季径流量
(@104m3P a)
Ñ16914714155518421279189
Ñ211814319156718542933132
合计1871904213121
统计法计算大龙洞流域的可采资源量:
根据大龙洞地下河出口的四年流量实测资料, 2003年4月~2004年3月最小日均流量最小,为0145m3P s,如果认为是天然状态下大龙洞地下河系统的开采资源量,则只有0114@108m3P a,这仅是实测流量中的一个最小值,不能作为开采资源量。

因此,将四年枯水期(当年11月~次年2月)实测流量平均值作为大龙洞地下河系统天然状态下的开采资源量,平均开采资源量为2112m3P s,即0167@108m3P a。

计算大龙洞地下河在建库蓄水条件下的允许开采量,公式为[2]:
Q y=Q kj+Q xk P t kj(6)式中:Q y)))建库调蓄利用地下水的地下河允许开采
量(m3P d);
Q kj)))地下河枯季平均流量(m3P d),选大龙洞
电站2003111~200412四个月的最小日
流量平均值作为枯季平均流量;
Q xk)))调蓄水库库容;
T kj)))枯季时间(120d)。

根据地下河主管道发育特征、洞穴探测成果和出口场雨流量动态资料,调蓄水库库容取2275@104m3。

计算得到建库条件下的开采资源量为2811@104m3P d,即1103@108m3P a。

313地下水可开采资源量的计算
大龙洞地下河流域动态分析法计算可采资源,计算公式[1]:
Q t=Q0e-A t
M枯偶=Q枯偶P F(7)式中:Q t)))衰减开始后第t天的流量(m3P d);
Q0)))衰减开始时刻(t=0)的初始流量(m3P d);
A)))衰减系数。

本次以大龙洞水文站观测资料2003年12月日均流量1215m3P s为初始流量;选择基本无雨时段2003年12月11日至2004年1月26日(日均流量1145m3P s)的观测资料求出衰减系数:
A=lg Q n-[lg Q n+1P014343(t n+1-t n)]=01048从而得出流量衰减方程为:
Q t=1080000@e-01048t(8)计算结果表明,大龙洞地下河在大旱年份,天然补给量断绝45天后,地下河流量衰减至1144m3P s,即0145@108m3P a。

45天消耗的调蓄量为1761120@ 104m3,小于2275@104m3,见表5。

表5大龙洞地下河衰减分析计算成果表
Table5The calculating results of attenuation ana lysis
of Dalongdong system
时间
(年1月1日)
平均流量(Q)
(m3P d)(m3P s)
排泄量(Q)
(m3) 200311211110800001215
12111~12.1684955891834247790 12116~12.2166828671733341430 12121~12.2652569261082628460 12126~12.3141352441792067620 12131~2004.1.532529031761626450 115~1.1125588221961279410 1111~1.1620128421331006420 1116~1.211583361183791680 1121~1.261245511144622755合计17612015
4计算结果可靠性评价及讨论
计算Ñ区多年平均天然(降水渗入)补给量和天然径
流量分别为105071269@104m3P a和104871629@104m3P a。

两者非常接近,说明计算方法和结果可靠。

本次评价忽略了补给入渗过程中的蒸发,以地下河(岩溶大泉)计算的多年天然排泄量为补给量的86179%,计算结果可作为区内岩溶水的天然资源量。

区内多年平均枯季径流量为014925@108m3P a,参数来自实际观测资料,计算方法正确,可作为区内岩溶水的可开采资源量。

大龙洞地下河在断绝天然补给量的情况下,45天内消耗的调蓄量为1761120@104m3,为估测调节库容2275@104m3的7714%,可见大龙洞地下河的调节资源可观。

水文分析法将大龙洞地下河系统四年枯水期(当年11月~次年2月)实测流量平均值,即0167@108m3P a,作为大龙洞地下河系统天然状态下的开采资源量。

虽然大于该系统多年平均枯季径流量014213@108m3P a,但小于该系统多年平均天然径流量11049@108m3P a,说明系统天然状态下的开采资源量仍有保证。

建库蓄水条件下的允许开采量11027@108m3P a,选大龙洞电站2003111~200412四个月的最小日均流量均值作为枯季平均流量,蓄水库容来源于工程设计,资源保证程度较高。

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Assessment on the karst water resources of Dalongdong
underground river catchment of Xiangxi
HE Sh-i yi1,2,Z HOU Jing-zhong3,ZENG Fe-i yue4
(11China University o f Geolo gy,Wuhan430074;21Institute o f Karst Geology,C AGS,Guilin541004;
31Bureau o f Hunan Geological Survey,Zhuzhou412000;41Bureau o f Irrigation Works o f Xiangxi State,Jishou416000)
Abstract:We calculate the natural resources and rec overable resources by the methods of infiltration and runoff coefficient which enables us to give different coefficients acc ording to the hydrogeological condition and make the results more suitable to the actual situation.The natural runoff resources and natural resources under the different frequency of precipitation are also calculated by the method of hydrological analysis,the results show tha t2003is the second lo w-water year.By methods of the statistic and hydrological dynamic analysis,the recoverable resources under the condition of natural and factitious regulation,and the natural adjustment that of the system is calcualated respectively,the results indicate that the natural adjustment capacity is still smaller than capability of the estimated underground space.These results calculated by different methods,especially the recoverable resources,have high reliability and comparability and provide the scientific data to the designning of the planning reservoir.
Key words:assessment of water resources;Dalongdong underground river;Xiangxi of Hunan
编辑:王宏。