（水利工程專業(yè)論文）大汶河流域地下水資源評價及可持續(xù)利用.pdf

摘要 ， 水是人類生產(chǎn)、生活不可缺少和無可替代的重要資源。地下水資源是水資源的重要組 成部分，我國人均水資源量尚不及全世界的1 4 ，而山東省人均占有水資源量僅為全國的 l 6 ，畝均占有量為全國的l 5 。 大汶河流域位于黃河下游，流域面積9 0 6 9 k m 2 ，其中泰安市境內(nèi)6 3 8 7 1 1k m 2 ，流域 多年平均年降水量6 4 9 m m ，天然河川徑流量1 7 4 4 3 1 億m 3 ，地下水資源量1 2 3 7 5 8 億m 3 ， 扣除兩者的重復計算量6 - 3 6 3 5 億m 3 ，水資源總量2 3 4 5 2 4 億m 3 ，人均、畝均水資源占有 量僅為全國的1 7 。隨著社會經(jīng)濟的快速發(fā)展，人們對水的需求量是越來越大，水資源的 供求矛盾日漸突出。為了緩解水資源短缺，對地下水資源進行掠奪式開發(fā)，盲目打井，過 量開采，造成了地下水位持續(xù)下降、地面裂縫、地面沉降塌陷等一系列嚴重的水環(huán)境問題。 水資源嚴重短缺已經(jīng)成為大汶河流域國民經(jīng)濟和社會發(fā)展的重要制約因素。 本文利用1 9 5 6 年一1 9 9 3 年水文觀測資料，對大汶河流域泰安市及其重點水源地地下 水資源補排量和可開采量進行了分析計算。通過對大汶河流域地下水資源系統(tǒng)的初步分 析，建立了東平縣地下水數(shù)值計算模型，在數(shù)值模擬基礎(chǔ)上，確定該區(qū)域水文地質(zhì)參數(shù)。 在分析影響地下水位動態(tài)變化因素及對生態(tài)影響的基礎(chǔ)上，確定了大汶河流域典型地區(qū)地 下水控制水位。論文建立了地下水資源承載力的評價指標體系，對區(qū)域地下水資源開發(fā)潛 力進行了初步探討。論文對大汶河流域地下水的開發(fā)利用具有一定的指導作用。 關(guān)鍵詞：地下水資源，可持續(xù)利用，評價，水資源承載力 a b s t r a c t w a t e ri sa i li n d i s p e n s a b l ea n di r r e p l a c e a b l er e s o u r c ef o r “f c 觚dd r o d u c t i o n t h eg r o u n d w a t e rr e s o u r c e sa r ci t si m p o n a n tp o r t i o n t h ep e rc a p i t aw a t e rr e s o u r c e si no u rc o u n 仃yi sl e s s t h a no n ef o u r c ho f t h eg l o b a la v e r a g e ，撲di ns h a n d o n gp r o v i n c eo n l yo n es i x t hf o rt h ep e rc a p i t a a n do n ef i f mf b r t | l ed e ra r e 亂 t h ed a w e nr i v e rl o c a t e di nt h ed o w n s 訂e 枷o fm ey e l l o w 融v e rh a sad r a i n a g ea r e a a p p r o x i m a t e l y9 0 6 9k m 2 ，w h e r e6 3 8 7 1 lh n 2a r ew t h i nt a i a n u n t y t h em u l t i - v e a rm e a i io f a n n u a ip r c c i p i t a t i o ni s6 4 9m m ，a n da n n u a la m o u n to fs t r e 帥f l o w 撲dg r o u n dw a t e rr c s o u r c e s a r e1 7 4 4 3 1a i l d1 2 3 7 5 8b i l l i o nm 3 ，r e s p e c t i v e l y t h et o t a lw a t e rr e s o u r c e sa 1 1 1 0 u n ti s2 3 4 5 2 4 b i l l i o nm 3 瓶e re x c l u d i n gt h e i rd u p l i c a t e t h e 口e rc a p i t aa n dp e ra r e av a l u e sa r e0 n l v1 7o f t | l e a v e r a g ev a l u e no u rc o u n t r y a ni n c r e a s i n gr e q u i r e m e n ti nw a t e rr e s o u r c e sh a sr e s u l t e di nm e c o n n c t sd u et ow a t e rs h o 砌g ew i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to f s o c i e t ya n de c o n o m y t oa l i e v i a t e w a t e rs h o r t a g e ，p e o p i e 廿l e r eo v e r e x p l o i t 甜掣o u n d w a t e rw i n l o u tc a r e f u i i ys c h e m i n gp i l l l l p i n g w e l l s ，r e s u l t i n g i nc o n c u s s i v ed e c r e a s ei n g r o u n d w a t e ri e v e l ， 三r o u n ds l l r f a c ec r a c kl a n d s u b s i d e n c e t h e r e f o r e ，e x t r e m es h o n a g eo fw a t e rr e s o u r c e sh a sb e c o m eak e yf a c t o rl i m i 血g s o c i a la n de c o n o m i cd e v e l o d m e n t nt h ed a w e n h eb a s i n r e c h a r g ea n dd i s c h a r g e 鋤o u n to fg r o u i l d w a t e ra n di t sa v a i l a b l ef o ru t i i i z a t i o n n l et a i 鋤 c o u n t ya n d 廿1 eg r o u n d w a t e rs o u r c ea r e a sw m l i n 廿l ed a w e n h eb a s i n 、e r ce s t i m a t c db yu s i n g o b s e r v a t i o nd a t a 丘o mt h ey e a r1 9 5 6t o1 9 9 3 a nn u m e r i c 胡g r o u n d w a t e rm o d e l i n gs y s t e mw a s e s t a b i i s h e do nt h eb a s i so fa n a l y s i so fg r o u n d w a t e rs y s t e mi nt h ed a w e n h eb a s i n t h e h y d r o g e o l o g i c a lp a r 啪e t e r s 、v e r ct h e ne s t i m a t e dt h m u g hr n o d e l i n gc a l j b r a t i o na 1 1 dv a l i d a t i 叫a r c a s o n a b l eg r o u n d w a t e rt a b l e i a tp r e v e n t i n g 丹o me n v i r o n m e n t a ld e t e r i o r a t i o nw a sd e t c 珊i i l e d o n 小eb a s i so fa n a l y s j so fg r o u n d w a t e rv a r i a t i o n sa n dt 1 1 e i ri n f 】u e n c e s a ni n d i c a t o rs y s t e mf o r e v a l u a t i n gas u p p o n gc 印a c 時o fg m u n d w a t e rr e s o u r c e sw a sd e v e l o p e di no r d e rt 0e v a l u a t e m ep o t e n t i a lc 印a c j t yo fg r o u n d w a t c rr e s o u r c e s t h i ss t l j d yw i l ib ev e r yu s e f u lf o rp l 鋤n i n g g r o u n d w a t e ru t 1 i 枷o ni nt h ed a w e n h eb a s i n k e yw o r d s ：g r o u n dw a t c rr e s o u r c e s ；s u s t a i n a b l ed e v e l o p m e n t ；e v a l u a t i o n ， v a r i a t i o nt e n d e n c y 河海大學工程碩士學位論文 第一章綜述 1 1 問題提出 可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略是二十一世紀的發(fā)展戰(zhàn)略，是謀求以人為中心，以資源環(huán)境保護為條 件，以經(jīng)濟發(fā)展為手段，實現(xiàn)當代人與后代人共同繁榮的發(fā)展。水是生命之源，其作為自 然資源中的一種寶貴資源，對人們的生活、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、生態(tài)環(huán)境的保護和改善方面起著 舉足輕重的支撐作用。 但是，我國的水資源存在許多“先天不足”的缺點：時空分布不均勻；人均、畝均數(shù) 量低；水土之間匹配不協(xié)調(diào)等現(xiàn)狀；加之近年來，隨著工農(nóng)業(yè)的迅速發(fā)展和城鄉(xiāng)居民人口 劇烈增加，一方面對水資源需求量越來越大，另方面造成的水體污染越來越嚴重。隨著 社會經(jīng)濟的進一步發(fā)展，水資源供需矛盾更加突出，而有許多地區(qū)為了緩解這項矛盾，對 水資源進行了掠奪性的開發(fā)利用，結(jié)果出現(xiàn)了自然植被衰退、河床淤積、河水斷流、河口 生態(tài)環(huán)境惡化、地下水大面積嚴重超采、地面裂縫沉降、海水入侵等嚴重問題，使生態(tài)環(huán) 境遭到破壞，影響了該地區(qū)社會經(jīng)濟進一步發(fā)展。對流域水資源的開發(fā)利用，只注重了當 前的經(jīng)濟利益，而忽視了生態(tài)需水，導致了生態(tài)環(huán)境不同程度的缺水，生態(tài)環(huán)境質(zhì)量下降。 由于水資源開發(fā)的不合理，一方面導致了生態(tài)環(huán)境惡化，另一方面又進一步縮小了水 資源的可利用量，使其短缺矛盾曰益加劇，水資源的短缺問題已經(jīng)成為制約我國國民經(jīng)濟 發(fā)展的“瓶頸”。水資源又分為地表水資源和地下水資源兩大部分，而過去人們都有一個 錯誤觀念，認為”地下水資源是取之不盡用之不竭的”，這也導致了地下水資源的過度開采， 誘發(fā)了一系列嚴重的地質(zhì)環(huán)境問題。如何根據(jù)我國現(xiàn)狀進行水資源特別是地下水資源的可 持續(xù)開發(fā)變成了一個迫在眉睫的問題。 區(qū)域流域地下水資源開發(fā)系統(tǒng)是一個復雜的大系統(tǒng)，它包含有許多的要素，如人力資 源、自然資源、生產(chǎn)力水平、法規(guī)政策等；同時它又是一個開放系統(tǒng)，與其所處的環(huán)境發(fā) 生著物質(zhì)、能量和信息的交換，一個流域的社會經(jīng)濟發(fā)展關(guān)鍵因子不在于它的有利因子。 而在于制約它的不利因子。在自然條件方面，一個流域最緊缺的是資源因子和最為脆弱的 環(huán)境因子，而資源方面最緊缺的是水資源，環(huán)境最脆弱的與水資源關(guān)系最密切的是水環(huán)境。 因此，地下水資源具有資源、社會、經(jīng)濟和環(huán)境多種屬性，只有充分考慮它的多重性，能 實現(xiàn)它的資源價值和社會經(jīng)濟價值。 大汶河流域多年平均年降水量6 4 9 m m ， 1 7 4 j 4 3l 億m 3 ，地下水資源量1 2 3 7 5 8 億m 3 ， 折合總水量6 2 9 4 億m 3 ，天然河川徑流量 扣除兩者的重復計算量6 3 6 3 5 億m 3 ，水資 第一章綜述 源總量2 3 4 5 2 4 億m 3 ，人均、畝均水資源占有量僅為全國的1 7 。水資源嚴重短缺已經(jīng)成 為大汶河流域國民經(jīng)濟和社會發(fā)展的重要制約因素。大汶河流域水資源量具有年際、年內(nèi) 變化大，豐枯交替，連豐、連桔，旱澇不均和地區(qū)分布不均衡等特點，這給開發(fā)利用帶來 了一定困難。本文利用翔實的地下水資料，對大汶河流域地下水資源進行評價，提出地下 水可開采量和地下水資源承載力等可持續(xù)利用指標，為科學合理的利用大汶河流域地下水 資源提供參考依據(jù)。 1 2 國內(nèi)外研究動態(tài) 目前，地下水資源評價以及可持續(xù)利用問題受到國內(nèi)外學者的廣泛重視，對該問題 的研究已成為水資源研究中的一個熱點。國內(nèi)外的學者進行了大量研究，并取得了豐碩的 成果。 上世紀5 0 年代，前蘇聯(lián)的h a i i j l 0 耵玳k o b 四大儲量法【l 】( 即動儲量、靜儲量、 開采儲量和調(diào)節(jié)儲量) 普遍應(yīng)用于地下水資源評價中，此法運用傳統(tǒng)理論和方法，認為地 下水資源的發(fā)生、發(fā)展及變化，多取決于地質(zhì)因素，難以說明變化著的水資源。 上世紀7 0 年代以來普遍以總補給量( 降雨入滲補給量、地表水體補給量、側(cè)向補給 量及其它補給量之和) 作為地下水資源的主要指標。 近年來，隨著計算機的快速發(fā)展，對地下水評價的研究逐漸轉(zhuǎn)向了模型研究。隨著 3 s 技術(shù)的發(fā)展，它己成為地下水資源評價中的強有力的工具。隨著3 s 技術(shù)的引入，國際 上已經(jīng)形成了一批非常有影響的地下水模擬模型，如m o d f l o w 、礬t 3 d m s 、m t 3 礦9 、p e s t 、 m o d p a t h 、u c o d e 等【2 】 3 】，這些模型的出現(xiàn)，極大地推動了地下水資源評價的研究。 另外，地下水資源可持續(xù)利用問題也是各國十分關(guān)注的問題。波斯特( p o s t e l ) 在最 后的綠洲中，闡述了地下水資源的短缺將影響到國家的發(fā)展【4 l 。1 9 9 9 年，德國的m a g d a l e n a s t e i l l e r h c l n l u t l e h n 提出了可持續(xù)的水管理的四個原則：其中提到了“使用水的比率應(yīng) 同它產(chǎn)生的比率相同1 5 l ，。這就意味著對地下水的開采率不應(yīng)超過它長期的補給率。另外， 聯(lián)合國對亞太地區(qū)在“環(huán)境和可持續(xù)發(fā)展”問題上，提出了亞太水資源利用與管理手冊、 水與可持續(xù)發(fā)展準則【6 】，回顧了亞太地區(qū)水資源開發(fā)利用現(xiàn)狀，提出了戰(zhàn)略目標和實 施方法；并分析了水資源與社會經(jīng)濟發(fā)展的關(guān)系，確定了地下水資源開發(fā)利用在可持續(xù)發(fā) 展中的準則和地位。 河海大學工程碩士學位論文 近年來，隨著我國社會經(jīng)濟的快速發(fā)展，水資源短缺己成為制約發(fā)展的突出問題，地 下水資源開發(fā)利用面臨新的挑戰(zhàn)。面對這些問題，我國的水利工作者作了大量地下水資源 評價及地下水可持續(xù)利用方面的工作，取得了大量成果。 2 0 0 0 年，趙秀云 7 】等通過分析水源地開采量與動水位、降水量等因素間的相互關(guān)系， 探討了相關(guān)分析在地下水資源評價中的應(yīng)用。同年，束龍倉日】等提出地下水資源評價結(jié)果 的可靠性問題，在闡述水文地質(zhì)條件的基礎(chǔ)上，對地下水資源評價結(jié)果的可靠性進行了定 量分析。 2 0 0 1 年，余正元p 】分析了疏干補償法在地下水資源評價中的應(yīng)用，該方法回避了為求 取水文地質(zhì)參數(shù)或水均衡要素所存在的一系列實際困難，取得了滿意的效果。 2 0 0 3 年，夏自強【l o 肄分別對地下水評價中的水量均衡法、地下水水文分析法以及比 擬法進行了研究，并對三種方法的有缺點進行了分析。 2 0 0 5 年，伍立群 1 1 1 等采用適宜水均衡法和直線斜割法的徑流資料分割河川基流量， 求出兩種方法之間的換算系數(shù)，修正水均衡法的分割成果，分析了河川基流分割法在山丘 區(qū)地下水資源評價中的應(yīng)用。魏林宏等將人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)報降雨技術(shù)應(yīng)用于地下水資源 評價中，取得了較好的結(jié)果。 隨著對地下水資源評價問題不斷深入的研究，地下水可持續(xù)利用問題也被提升到了重 要的位置上。王開章等在地下水水資源地污染分析及可持續(xù)利用對策中”1 ，根據(jù)目前 我國城市化進程的加快、引發(fā)的地下水飲用水源地嚴重污染的嚴峻形勢，對地下水水源地 的污染現(xiàn)狀、污染原因和水源地可持續(xù)利用做了較深入地研究。并從我國的經(jīng)濟技術(shù)現(xiàn)狀、 社會宏觀政策和微觀的技術(shù)措施等方面有針對性地提出了地下水源地可持續(xù)利用對策。 尤龍風【1 4 】等在城市地下水資源可持續(xù)開發(fā)利用模型研究中，根據(jù)地下水可持續(xù)開 發(fā)利用原則，運用系統(tǒng)分析方法建立了地下水可持續(xù)開發(fā)利用模型。 在當期雜志中提到，要科學合理地開發(fā)利用地下水，厲行節(jié)約，防止過量開采和 污染，資源與環(huán)境并重。任美鍔口目主編的中國的大三角淵中，對長江三角洲海岸地下 水資源可持續(xù)利用進行了分析研究。2 1 世紀初期首都北京地下水資源可持續(xù)利用規(guī)劃 中，按照新的治水思路，對地下會資源的可持續(xù)利用等發(fā)方面進行了分析研究【1 6 1 。 2 0 0 1 年，倪深海等通過對大汶河流域水資源的特點、開發(fā)利用現(xiàn)狀及存在的問題 的分析，提出大汶河流域水資源可持續(xù)利用的對策。郭冬冬等建立了該地區(qū)的地下水資 源評價數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)。 從以上研究可以看出，地下水資源的可持續(xù)利用與發(fā)展問題已經(jīng)越來越被人所重視。 第一章綜述 1 3 大汶河流域概況 1 3 1 自然地理概況 ( 1 ) 地理位置：大汶河流域位于黃河下游，地處東經(jīng)1 1 6 。1 1 1 5 ”1 1 8 。o o ”， 北緯3 5 。3 7 3 0 ”3 6 。3 2 3 0 ”，北以泰山山脈與小清河為界，東以魯山為界，南以 蒙山及其余脈與淮河流域為界，西以黃河流域為界。流域東西長1 7 6 6 k m ，南北寬1 0 2 k m ， 流域面積9 0 6 9 k m 2 ，其中泰安市境內(nèi)6 3 8 7 1 1k m 2 ，萊蕪市境內(nèi)2 1 3 9 1 0 k m 2 ，沂原縣、平 陰縣、章丘縣境內(nèi)5 4 2 8 8k m 2 。 ( 2 ) 地形地貌 大汶河流域為魯中山區(qū)的一部分，地勢自東向西傾斜，山區(qū)面積約占整個流域面積的 2 3 ，主要分布在流域上游的萊蕪市、新泰市和岱岳區(qū)等，山脈呈“e ”字型分布，最高處 為泰山玉皇頂，海拔1 5 4 5 m 。流域中部是廣闊的平原，按照其成因可分為三種地貌類型 山問河谷平原，指山間盆地、山間河谷內(nèi)相對較小的平原，分布在大汶河干、支流兩側(cè)。 其微地貌類型主要是河流一級沖洪積階地；在山腳處，有被沖積物覆蓋的二級基座階地； 在河槽附近有斷續(xù)分布的高河漫灘。山前沖洪積平原，指魯中山地以西、寧陽縣、東平 縣大汶河以南，由大汶何、洗府河等河流沖洪積形成的山前平原。沖洪積層巨厚、沖洪積 扇交錯重疊。黃泛平原，主要是指東平湖以西的位置，其主要是由黃河泛淤而成，地面 十分平坦。 流域西部多為丘陵，西南為平原，間有洼地和湖泊。最低處為稻屯洼，海拔3 7 5 m 。 流域大部分高程在1 0 0 m 3 0 0 m 之間，約占流域總面積的7 0 ；高程在3 0 0 m 以上的面積 占流域總面積的2 0 之多。 ( 3 ) 河流湖泊：大汶河是黃河下游的最大支流，它發(fā)源于沂源縣懸固山，屬于季節(jié)性 河流。自大汶口以上為上游分為南、北兩支，大汶口至戴村壩為中游，戴村壩以下為下游， 稱為大清河，在東平縣馬口村注入東平湖，全長2 0 8 t 2 k m 。自然落差3 6 2 m ，在萊蕪顏莊 以上屬山區(qū)河道，河岸穩(wěn)定，河床寬約1 5 0 m 。顏莊咀下流經(jīng)泰萊平原，大部分為平原耕 地，河床平坦，河寬約3 0 0 1 0 0 0 m 。大汶河支流較多，大部分在右岸匯入。大汶河以上 分南北兩大支流。南支柴汶河，流域面積1 9 4 4k m 2 ，發(fā)源于萊蕪市沙崖子，流經(jīng)新泰市、 岱岳區(qū)、寧陽縣，在大汶口匯入大汶河，全長1 1 6 k m ，沿途有平陰河、光明河、羊流河、 屬村河匯入，上游建有東周、金斗、光明等大中型水庫。北支牟汶河，流域面積3 7 l lk m 2 ， 主要有瀛汶河，石汶河和泮汶河三支流組成。瀛汶河全長8 6k m ，上游建有雪野水庫；石 4 河海大學工程碩士學位論文 汶河全長5 0 洫，上游建有黃前水庫；泮汶河全長4 2k m ，上游建有大河水庫。大汶河以 下主要支流有漕濁河、苗河、海子河、匯河等。漕濁河流域面積6 4 8k m 2 ，河長4 6i a n ， 匯河流域面積1 2 6 0k m 2 ，河長9 4 2i m ，在戴村壩匯入大清河。大汶河水系主要支流簡況 見表1 1 。 東平湖位于大汶河下游東平縣境內(nèi)，上承大汶河來水，西南與大運河連接，北與黃河 溝通，是黃河下游最大的滯洪區(qū)。1 9 5 8 年改為東平湖水庫，湖區(qū)現(xiàn)面積6 3 2k m 2 ，其中老 湖區(qū)2 0 9k m 2 ，新湖區(qū)4 2 3k m 2 ，其設(shè)計蓄洪水位4 6 0 0 m ，相應(yīng)庫容4 0 億m 3 ，多年平均 水面面積1 1 9m 2 ，1 9 9 1 年興建引黃補湖工程，以補充大汶河來水不足。 稻屯洼位于流域內(nèi)東平縣中部，三面環(huán)山，南靠大清河北岸，形成封閉洼地，集水面 積2 7 2 5 k m 2 。擔負著大汶河流域的滯洪任務(wù)，確保黃河、東平湖、大汶河流域的安全。 大汶河流域示意圖見圖1 1 。 ( 4 ) 水文氣象：大汶河流域?qū)儆诎霛駶櫟貐^(qū)，是溫帶大陸性季風氣候，四季分明， 雨熱同季，光照充足，受大氣環(huán)流影響，春季干燥多風，夏季炎熱多雨，秋季天高氣爽， 冬季寒冷少雪。多年平均氣溫1 2 9 。c ，無霜期1 9 5 天，年日照2 5 8 3 小時，日照率5 8 ， 多年平均降水量6 9 4 o 1 i t l ，總趨勢由東南向西北減少，由于山地對水汽的抬升作用，泰山 山脈南坡是降水量高值區(qū)，而東平湖一帶是降水量低值區(qū)，年降水量集中在汛期，6 9 月份降水量占全年總降水量的7 5 左右。降水量年際變化很大，1 9 6 4 年大汶河流域降水 量1 2 7 5 m m ，而1 9 8 9 年只有2 8 3 m m ，c v 值在o 2 7 o 3 3 之間，由東南向西北漸大，流域 多年平均水面蒸發(fā)量為1 1 0 0 m m ，每年4 6 月為蒸發(fā)量高值期。 大汶河流域河系多為雨源型河道，徑流集中在汛期，6 9 月徑流量占全年總徑流量 的8 0 以上，枯季天然徑流量很少，多數(shù)河段已經(jīng)變成季節(jié)性河道，徑流量年際變化很大。 大汶河河口實測最大斷面流量6 0 5 m 3 s ( 1 9 6 4 年) ，最小是零( 1 9 8 9 年) ?？傊筱牒恿?域水文氣象特點為：汛期降雨集中，枯季干旱少雨，春旱夏澇。 6 第一章綜述 匭艟瞞恬求陌*辯爆磨囂k i i 匝 河海大學工程碩士學位論文 表1 1 大汶河水系主要支流簡況表 流域面積上游已建 流燃級別河道長度血)發(fā)源地 ( k m 2 ) 水利工程 大汶河干流 9 0 6 9 02 0 8 2 萊蕪市沙崖子 辛莊河l2 0 9 02 9 o 菜蕪路家砟峪喬店水庫 方下河 12 2 6 04 3 o 萊蕪市上拂羊大冶水庫 瀛汶河 11 3 2 6 08 6 0 章丘市池涼泉雪野水庫 石汶河 23 5 05 0 o 萊蕪市后關(guān)黃前水庫 洋汶河 l3 6 8 o4 2 0 泰山桃花峪大河水庫 柴汶河 l1 9 4 4 01 1 6 o 沂源縣牛欄峪東周水庫 光明河 21 4 8 o2 4 0 新泰市關(guān)山頭光明水庫 羊流河 22 1 22 4 0 新泰市單家莊葦池水庫 海子河 11 2 7 02 1 0 寧陽關(guān)山口 賢村水庫 漕濁河 16 4 8 o4 6 0 岱岳區(qū)勝利水庫勝利水庫 康王河 l 1 8 3 o 3 4 0 肥城市橫角山尚莊爐水庫 匯河 l1 2 6 0 o9 4 2 平陰縣毛家鋪 躍進河l2 7 2 01 4 0 東平縣柿子園 ( 5 ) 土壤植被：大汶河流域平原區(qū)大部分屬褐土類，在歷年地下水埋深較淺的西部地 區(qū)，廣泛分布著潮褐土，在湖泊沉積或洪積扇之間的低洼區(qū)域，有砂姜黑土。東部近山地 帶，部分為棕壤，土質(zhì)較粘重，土壤質(zhì)地夾粗沙甚至礫石。 植被屬于溫暖帶落葉闊葉林群落，土地利用率較高，基本無休間空地，以種植小麥、 玉米為主，也有較大面積的果林菜園及地瓜、花生、谷豆之類，小部分有棉花、姜、蒜等 經(jīng)濟作物。 1 3 2 社會經(jīng)濟狀況 ( 1 ) 行政區(qū)劃及人口：大汶河流域主要包括泰安市和萊蕪市，兩市內(nèi)的利用面積占 總流域面積的9 4 以上，只有極少部分流域面積在沂源縣、平陰縣境內(nèi)山區(qū)。泰安市管轄 有泰山區(qū)、岱岳區(qū)、新泰市、寧陽縣、東平縣和肥城市六個縣市區(qū)，2 0 0 0 年全市人口5 4 9 萬，非農(nóng)業(yè)人口占3 0 左右。人口密度為每平方公里6 9 7 人，是全國平均人口密度的5 8 第一章綜述 倍，年內(nèi)人口自然增長率為4 5 。 ( 2 ) 國民經(jīng)濟狀況：大汶河流域耕地面積5 9 4 萬畝，人均占耕地不足l 畝，低于全國 平均水平，2 0 0 0 年工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)總值6 0 0 億元( 按照1 9 9 0 年不變價) 。工業(yè)主要有水電、 建材、水泥、化工、電子、制衣、塑料等；礦產(chǎn)主要有鐵、錫、鋁、煤炭及稀土類礦石等。 1 3 3 地質(zhì)與水文地質(zhì) 1 3 3 1 地質(zhì)概況 按大地構(gòu)造劃分，大汶河流域?qū)儆谌A北地臺山東臺背斜的一部分，分屬魯中南臺隆， 魯西臺背斜等構(gòu)造單元，河谷平原周圍的山丘，有較多地質(zhì)年代的巖層出露，自2 億年前 的印支運動以來，主要表現(xiàn)為間歇性的急劇抬升運動，目前的山體仍呈現(xiàn)上升趨勢。地質(zhì) 構(gòu)造主要表現(xiàn)為強烈的高角位，多組平行或交叉的大斷裂運動。斷層上下的相對升降和水 平運動，形成了山川盆地。在大斷裂過程中，伴有強烈的巖漿侵入活動。褶皺運動不是很 明顯，但斷層上、下盤相對運動的掀壓力使巖層產(chǎn)生了傾角，故山體大部分為南陡北緩的 單斜斷塊山。山體基底大多為裂隙發(fā)育，不透水的泰山群變質(zhì)巖系，上覆寒武、奧陶系地 層，有些地區(qū)還分布著石炭、二疊系含煤地層。在山間盆地中，部分地區(qū)分布著巨厚的第 三系河湖相沉積層，都是為不含水、不透水地層，主要是膠結(jié)半膠結(jié)的紅色粘土質(zhì)粉砂巖、 砂礫巖、粘土巖( 分布在東部) 和深灰色鈣質(zhì)泥頁巖、泥灰?guī)r( 主要分布在中部) 。其上 部為第四系沖洪積松散層，一般厚約1 0 3 0 m 。 山前沖洪積平原，自第三紀晚期以來，其構(gòu)造運動處在東升西降區(qū)域的轉(zhuǎn)折過渡帶， 第四系地層厚一般為5 0 2 0 0 m ，白東北向西南方向逐漸增厚。 東平湖的黃泛平原區(qū)，周圍為斷續(xù)分布的低山丘，下部一般為寒武系地層，上部為黃 泛淤積層。 1 3 3 2 平原區(qū)水文地質(zhì)條件 ( 1 ) 山間河谷平原：含水地層主要有兩類，一類為第四系松散孔隙地層，地層厚一 般1 0 3 0 m ，大體上由東向西漸厚。含水層為粗砂、砂礫層。在大面積的一級階地區(qū)域， 地層為上細下粗的二元結(jié)構(gòu)，上部質(zhì)地較粘重，以亞粘土為主，間有夾礫粘土，亞礫土等 分布；下部為粗砂、砂礫，是主要含水層。一般單井出水量4 0 1 0 0 m ，局部富水地段 可達3 0 0m 。在二級階地區(qū)域，土層薄，缺礫層，是相對貧水區(qū)。在河漫灘地帶，以砂 層為主，富水性強，單井出水量大于1 5 0 m 。在肥城市、東平縣大汶河以北，第四系地 層以下分布著巨厚的、巖溶十分發(fā)育的奧陶系灰?guī)r，局部為寒武系灰?guī)r，地下水豐富，是 r 河海大學工程碩士學位論文 第四系孔隙水不足地區(qū)的重要水源。還有的區(qū)域，第四系地層以下為第三系巖層，無巖溶 水可言。 由于受地質(zhì)構(gòu)造、地層、地形等因素影響，區(qū)域內(nèi)存在富水區(qū)和相對貧水區(qū)，水文地 質(zhì)條件有較大差異。區(qū)域內(nèi)多數(shù)以開采孔隙水為主，但在有巖溶水的區(qū)域，以開采巖溶水 為主。凡在有裂隙巖溶水的地區(qū)，工業(yè)和城鎮(zhèn)生活用水，都開采巖溶水。有些開采巖溶水 的地區(qū)，引起第四系孔隙水越流下滲，第四系孔隙水基本失去開采價值。 地下水主要靠降水補給，也不同程度地接受周邊地區(qū)側(cè)滲補給，補給量大小取決于含 水層的導水系數(shù)、水力坡度及其長度。在天然條件f ，地下水經(jīng)區(qū)內(nèi)河道或含水層排泄， 在地下水埋深較小及沿河區(qū)域，有一定數(shù)量的潛水蒸發(fā)量排泄，地下水動態(tài)為降水入滲一 徑流型；在現(xiàn)狀條件下，地下水開采主要是排泄項，地下水動態(tài)變?yōu)榻邓霛B一開采一徑 流型。 ( 2 ) 山前沖洪積平原：第四系孔隙水含水層以中粗砂為主，在近山處也有砂礫層， 地層結(jié)構(gòu)具有典型的沖洪積特征，含水層由扇項到前緣，顆粒由粗變細，層數(shù)由少變多， 分選性由差變好，上下粗細呈互層結(jié)構(gòu)，富水性較好。區(qū)內(nèi)第四系地層厚度變化很大，有 東北向西南逐漸變厚，富水程度也有差異。在寧陽縣第四系地層厚5 0 1 5 0 m ，最厚2 1 3 m ， 開采深度一般1 5 2 5 m ，城鎮(zhèn)水源地開采深度超6 0 m 。在一般開采深度內(nèi)，含水層6 7 層，總厚度5 8 m ，單井出水量5 0 8 0 m 3 l ，富水性較強。東平縣大清河南區(qū)，第四系 地層厚度一般4 0 1 0 0 m ，最厚1 1 5 m ，開采深度一般在2 0 m 內(nèi)，城鎮(zhèn)水源地超3 0 m 。在 開采深度內(nèi)，主要含水層2 5 層，厚6 1 0 m ，單井出水量1 2 5 2 0 8 m 3 i l ，富水性強。 降水入滲是地下水主要補給項；并不同程度的接受山前及河道側(cè)滲補給。近幾年來， 也有較多的地表水回灌補給。排泄項以開采為主，其次為側(cè)向排泄。除局部低洼地帶地下 水位較高處外，潛水蒸發(fā)量很小。地下水動態(tài)變?yōu)榻邓霛B一開采一徑流型。 ( 3 ) 黃泛平原：這部分地區(qū)西北靠黃河，東南臨東平湖，地下水與黃河、東平湖水 有較好的水力聯(lián)系。地下水也以降水入滲補給為主；在開采條件下，有黃河水和東平湖水 側(cè)滲補給。主要排泄項為開采和潛水蒸發(fā)，側(cè)向排泄量甚微。總的看，該區(qū)富水性較強， 但受黃河、東平湖制約。地下水動態(tài)變?yōu)榻邓霛B一開采一蒸發(fā)動態(tài)型。 1 3 4 水資源開發(fā)利用現(xiàn)狀 ( 1 ) 水資源概況：大汶河流域1 9 5 0 1 9 9 9 年多年平均年降水量6 4 9 m m ，折合總水 量6 2 9 4 億m 3 ，天然河川徑流量1 7 4 4 3 1 億m 3 ，地下水資源量1 2 3 7 5 8 億m 3 ，扣除兩者 一9 第一章綜述 的重復計算量6 3 6 3 5 億m 3 ，水資源總量2 3 4 5 2 4 億m 3 ，人均、畝均水資源占有量僅為全 國的l ，7 。水資源嚴重短缺已經(jīng)成為大汶河流域國民經(jīng)濟和社會發(fā)展的重要制約因素。 ( 2 ) 地表水資源開發(fā)利用現(xiàn)狀：建國以來，進行了大規(guī)模水利建設(shè)，先后對大汶河 河道及東平湖進行了初步治理；在山區(qū)興建大型水庫2 座，中型水庫2 0 座，小型水庫7 6 座，塘壩4 0 0 余座，總攔蓄能力可達1 0 億m 3 ，有效灌溉面積2 6 萬h a 2 ，約占總耕地面積 的4 0 ，這些水利工程為保證大汶河流域社會和國民經(jīng)濟的發(fā)展做出了貢獻。 ( 3 ) 地下水資源開發(fā)利用狀況：地下水資源量主要受降水、山前側(cè)滲、地表水體側(cè) 滲、灌溉回歸等補給的影響，受人工開采、潛水蒸發(fā)、側(cè)滲等排泄的影響。大汶河流域地 下水資源主要分布在含水層厚度大，孔隙多的隱伏巖溶地層和第四系粗砂地層中，一般山 丘區(qū)和其它地層含水量很少，主要補給來源是降水。 開發(fā)階段：一是原始開采期，主要為7 0 年代以前，分布在沿河平原地區(qū)有些水井， 水井的種類大體分為土井、半土并和磚井，以土井、半土井居多，開采方式主要為人力提 拔、轆轤取水，開采水源主要是第四系孔隙水，深度一般在l o m 以上；二是深井初采期， 在1 9 7 0 年1 9 8 0 年間，為適應(yīng)大力發(fā)展農(nóng)田灌溉及少數(shù)大型國營工礦企業(yè)的建設(shè)需水要 求，地下水的開采已經(jīng)逐步有原始淺井轉(zhuǎn)入深井開采期，地下水的可開采量大于實際開采 量，供大于求，井深一般在8 0 1 5 0 m 之間，提水機械主要為離心泵。三是規(guī)模開采期， 在1 9 8 0 1 9 9 0 年問，隨工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的迅速發(fā)展和人民生活水平的提高，用水量急劇增大， 工礦企業(yè)及城鎮(zhèn)集中開采地下水初具規(guī)模，在總用水量中所占比重逐漸增大，地下水可開 采量基本滿足實際開采量，供需基本平衡，提水機械主要是電力離心泵，主要開采深層巖 溶水，井深一般在1 2 0 2 0 0 m 之間。四是超采失衡期，自1 9 9 0 年以后，隨著工農(nóng)業(yè)生產(chǎn) 的快速發(fā)展及城鎮(zhèn)規(guī)模的擴大，需水量增加，由于集中持續(xù)開采地下水，使局部地區(qū)地下 水水位急劇下降，漏斗區(qū)面積擴大，超采現(xiàn)象嚴重，提水機器的離心泵已經(jīng)轉(zhuǎn)為潛水泵， 井深一般在1 5 0 3 0 0 m 之間，個別地區(qū)的水井已經(jīng)打到了5 0 0 m 以上。 開發(fā)利用現(xiàn)狀：由于一些地區(qū)大量開采地下水，造成了地面沉降、塌陷等嚴重的地 質(zhì)災(zāi)害，引起了地方政府的高度重視，采取了一些充分利用地表水資源的措施，如：泰安、 新泰等政府駐地，引用水庫蓄水為城市供水；農(nóng)業(yè)上一些地方采用了管灌、微灌等方式， 通過大力發(fā)展節(jié)水灌溉，以逐步實現(xiàn)“糧田管灌化、果園微灌化、渠道防滲化、管理科學 化”。 1 0 河海大學工程碩士學位論文 第二章大汶河流域地下水資源量評價 2 1 地下水資源量及可開采量的基本概念及分類 地下水是指賦存于飽水帶巖土空隙中的重力水。地下水資源量是指具有開采價值的 參與水循環(huán)且可以逐年更新的動態(tài)水量?？砷_采量是指在可預(yù)見的時期內(nèi)，通過經(jīng)濟合理、 技術(shù)可行的措施，在不致引起生態(tài)環(huán)境惡化條件下允許從含水層中獲取的最大水量。 從水文循環(huán)的觀點，地下水資源可以分為補給量、儲存量和消耗量【l 川。 補給量是指天然和開采條件下單位時間進入單元含水層的水量，單位為m 柏或m 3 年。主要包括降水和地表入滲、地下徑流的流入、越流補給、人工回灌、回歸復滲等。補 給量可分為天然補給量和開采補給量。天然補給量指在開采前，天然條件下存在的補給量。 開采補給量是開采條件下奪取過來的額外補給量。多少主要取決于當?shù)睾透浇乃臍庀?條件和水文地質(zhì)條件，并與當?shù)睾透浇拈_采強度有關(guān)。儲存量指儲存于含水層內(nèi)的重力 水的體積，單位為m 3 。據(jù)埋藏條件的不同，分為容積儲存量和彈性儲存量。前者是指在 大氣壓力下，含水層空隙中所能容納的重力水體積；后者指承壓含水層中地下水所承受的 壓力，降到大氣壓時承壓含水層中能釋放出來的重力水體積。儲存量水起調(diào)節(jié)作用。 消耗量指脫離含水層的地下水量，單位m 3 d 或i n 3 年，它包括天然消耗量和人工消 耗量，前者如潛水蒸發(fā)、以泉或地下滲流形式的側(cè)向排泄以及越流排泄；后者指打井開采 地下水、挖排水溝排泄地下水等。對某一地區(qū)某一含水層來說，消耗量是隨時間地點變化 的，而且，天然與人工消耗量可以相互轉(zhuǎn)化，例如開采量增加，形成降落漏斗，潛水蒸發(fā) 和側(cè)向排泄都會減少，其中一部分直接轉(zhuǎn)換為開采量。地下水資源分類可綜合如下表2 1 。 表2 1 地下水資源分類表 降雨入滲補給量 天然補給量地表水體滲漏補給量 天然補給量越流補給量 補給量 地表水體側(cè)滲補給量 側(cè)向補給量 含水層上游側(cè)滲補給量 井、渠人工回灌補給量 人工補給量 灌溉回歸水補給量 容積存儲量 存儲量 彈性存儲量 允許開采量 消耗量 地下水徑流排泄量 天然消耗量潛水蒸發(fā)排泄量 泉水溢出量 第二章太汶河流域地下水資源量評價 2 2 大汶河流域地下水資源量計算 2 2 1 水文地質(zhì)參數(shù)的確定 水文地質(zhì)參數(shù)是計算地下水資源量重要而復雜的關(guān)鍵數(shù)據(jù)，國內(nèi)雖然有許多試驗研究 成果，但因區(qū)域的不同，不能直接引用，需要根據(jù)各地的土壤巖性、水文地質(zhì)條件等正確 取值，所以關(guān)鍵問題在于如何確定各計算區(qū)的水文地質(zhì)參數(shù)均值。 2 2 1 1 給水度u 值的確定 給水度是指被水飽和的巖土自由流出水的體積與飽和巖土體積的比值，是表示巖土自 由釋水能力的指標，是計算地下水蓄水變量的關(guān)鍵數(shù)據(jù)。它主要與巖性及其結(jié)構(gòu)特征( 如 巖土的顆粒級配、孔隙、裂隙的發(fā)育程度及密實度等) 有關(guān)；此外，第四系孔隙水在淺埋 深( 地下水埋深小于地下水毛細管上升高度) 時，同一巖性，u 值隨地下水位埋深減小而 減小。 確定給水度u 值的方法很多，目前，在區(qū)域地下水資源評價中常用的方法有： 抽水試驗法 抽水試驗法適用于典型地段特定巖性給水度測定，在含水層滿足均勻無限( 或邊界條 件允許簡化) 的地區(qū)，可采用抽水試驗測定的給水度成果。 地中滲透儀測定法和筒測法 通過均衡場地中滲透儀測定( 測定的是特定巖性給水度) 或利用特制的測筒進行筒測( 一 般采用截面積為3 0 0 0 c m 2 的圓鐵筒) 在野外采取原狀土樣，在室內(nèi)注水令土樣飽和后，測 量自由排出的重力水體積，以排出的重力水體積與飽和土樣體積的比值定量為該土樣的給 水度。這兩種方法直觀、簡便，特別是筒測法，可測定粘土、亞粘土、亞砂土、粉細砂、 細砂等巖土的給水度u 值。 實際開采量法 該方法適用于地下水埋深較大( 此時，潛水蒸發(fā)量可以忽略不計) 且受側(cè)向徑流排泄、 河道補排和渠灌入滲都十分微弱的井灌區(qū)的給水度測定，當區(qū)域開采量及其開采強度基本 一致時，可用下式計算區(qū)域平均u 值。 “：墮( 2 1 ) f 幽 式中，q * 為計算時段內(nèi)觀測區(qū)淺層地下水實際開采量( m 3 ) ；幽為計算時段內(nèi)觀測區(qū)淺 1 2 河海太學工程碩士學位論文 層地下水平均水位變幅( m ) ；f 為觀測區(qū)面積( m 2 ) 。 在選取計算時段時，應(yīng)注意避開動水位的影響。為了提高計算精度，可選取開采強度 大、能觀測到開采前后兩個穩(wěn)定地下水水位降幅較大的集中開采期作為計算時段。 泰安市淺層水采用的方法是實際開采量法。采用公式( 2 1 ) ，在開采量、面積和觀測 區(qū)水位變幅已知的條件下，就可以計算出u 值，計算結(jié)果如下：粘土的u = o 0 1 9 ；裂隙粘 土的u = 0 0 3 5 ：亞粘土的p = 0 0 2 4 ；裂隙亞粘土的u = 0 0 3 6 ：亞沙土的u = 0 0 3 2 ；粉沙土 的u = 0 0 6 3 ；細砂土的u = 0 1 4 5 。 2 2 1 2 降水入滲補給系數(shù)d 降水入滲補給系數(shù)指降水入滲補給地下水量p 與相應(yīng)降水量p 的比值，即：a = 告。 p 在同一地區(qū)，地形地貌巖性等影響因素可視為定值，故影響系數(shù)值變化的主要因素是降 水量和地下水位埋深。在側(cè)向徑流較微弱、地下水埋藏較淺的平原區(qū)，根據(jù)降水后地下水 位升幅幽與變幅帶相應(yīng)埋深段給水度的乘積( 即蚰) 與降水量p 的比值計算。值。計 算公式為： 口。：竺：至堡 ( 2 2 ) 8 年2 t 心上 式中，口年為年均降水入滲補給系數(shù)；吆為年內(nèi)各次降雨引起的地下水水位升幅的總 和( m m ) ：吃為年降水量( m m ) 。泰安地區(qū)根據(jù)山東省水文局編寫的膠東地區(qū)地下水 資源評價和開發(fā)利用現(xiàn)狀調(diào)查研究中建立的p + 口。相關(guān)曲線組，再根據(jù)實測的口。 值，選配經(jīng)驗公式為： 節(jié)戰(zhàn)4 ( 釘 旺s ， 式中：研究區(qū)年平均地下水埋深( m ) ，p 、p 一分別為研究區(qū)內(nèi)第i 年的年降水量、 多年平均降水量( m m ) ，訕，c ，( 卜一待定系數(shù)( 與地形地貌巖性有關(guān)) ，e 一自然對數(shù)底值。 經(jīng)計算，a 取o 1 6 o 1 9 ，b 取1 3 0 1 6 5 ，c 取0 3 5 o + 4 5 ，d 取o 9 0 1 5 0 。上式表明，當?shù)?下水埋深為o 時，o ，即降水量全部流失。當埋深為4 m 左右時，口。最大。隨著埋深 的增減，口又變小。當埋深為定值時，降水量越大，口。值也越大。此式計算精度較高， 第二章大汶河流地下水資源量評價 經(jīng)計算，口。值在0 1 l o 3 3 之間。 2 2 1 3 潛水蒸發(fā)系數(shù)c 值 潛水蒸發(fā)系數(shù)是指潛水蒸發(fā)量e 與相應(yīng)計算時段的水面蒸發(fā)量e o 的比值，即c = 隴o 。 水面蒸發(fā)量e o 、包氣帶巖性、地下水埋深和植被狀況是影響蒸發(fā)系數(shù)c 的主要因素?？?利用淺層地下水位動態(tài)觀測資料，通過潛水蒸發(fā)經(jīng)驗公式擬合分析計算。 潛水蒸發(fā)經(jīng)驗公式( 修正后的阿維里揚諾夫公式) ： 蹦礎(chǔ)一丟 “ 眩。， 式中，z o 為極限埋深( m ) ，即潛水停止蒸發(fā)時的地下水埋深，一般取粘土醞5 m 左右， 亞粘土z 0 _ 4 m 左右，亞砂土z 0 _ 3 m 左右，粉細砂z 0 _ 2 5 m 左右：n 為經(jīng)驗指數(shù)，一般為 1 0 2 0 ，應(yīng)分析合理選用；k 為作物修正系數(shù)，無作物時k 取o 9 1 0 ，有作物時k 取 1 o 1 3 ；z 為潛水埋深( m ) ：e o 為水面蒸發(fā)量，e 為潛水蒸發(fā)量( m m ) 。 2 2 1 4 灌溉入滲補給系數(shù)口 灌溉入滲補給系數(shù)( 包括渠灌田問入滲補給系數(shù)盧k 和井灌回歸系佴) ，指田問灌溉入 滲補給量以與進入田問的灌水量的比值，即 盧= 蘭 ( 2 5 ) 式中： ，= ( 均以深度表示) 計算，可采用引灌水量計算。在大汶河流域，一般 區(qū)域取庫= o 0 4 左右，風= o 1 3 左右。在常年地下水位埋深較大的區(qū)域，取盧靠= o ； 在引汶回灌計算區(qū)，取魄= o 4 5 。 2 2 1 5 滲透系數(shù)k 和導水系數(shù)t 滲透系數(shù)k 和導水系數(shù)t ，是表示含水層導水能力的參數(shù)，是計算側(cè)向補、排水量的 主要參數(shù)。其值的大小主要由非穩(wěn)定流抽水試驗確定。由于大汶河流域各地含水層巖性和 厚度差別很大，水文地質(zhì)條件各異，故取值的任意性較大。本次取值。主要參照泰安市農(nóng) 業(yè)區(qū)劃及蒙陰、平邑的抽水試驗資料，經(jīng)綜合分析，取k 值在8 5 2 1 4 1 m ，d 之間，t 值 在3 0 0 1 5 0 0 m 2 d 之間。 河海大學工程碩士學位論文 2 2 2 各項補給量的計算 2 2 2 i 降雨入滲補給量 降雨入滲補給量是指降水( 包括坡面漫流和填洼水) 滲入到土壤中并在重力作用下 滲透補給地下水的水量。采用降雨入滲補給系數(shù)法計算，公式為： q ，= 1 0 。1 卯f ( 2 6 ) 式中：q r 年降雨入滲補給量( 萬m 3