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水是人类赖以生存和发展的基本物质之一，也是人类繁衍生息不可代替和缺少的既有限又宝贵的自然资源[1].对于我国北方来说，许多城市都面临着不同程度的缺水.因此，如何有效地评价和利用本地的水资源特别是地下水资源是一个非常重要的课题[2-3].
地下水可开采资源量也叫允许开采量，是指通过技术经济合理的取水构筑物，在整个开采期内出水量不会减少，动水位不超过设计要求，水质和水温在允许范围内变化，以及在不影响已建水源地正常开采，不发生危害性工程地质现象的前提下，单位时间内从单元含水层中取得的水量，常用单位为m3/d，m3/a.常用计算方法有开采试验法[4]、水均衡法[5-6]、解析法[7]、数值法[8]、相关分析法、水文分析法、电模拟法等.通常，开采试验法、水均衡方法、水文分析法应用条件相对简单，但对于水文地质试验工程或各种水均衡要素要求较高.数值模拟方法能对各种可能的地质、水文地质条件进行渗流场或化学场模拟，借以模拟出可开采资源量，但该方法对水位、水质、水量等观测数据的精度要求较高，源汇项及边界条件要求刻划清楚.在应用时应该注意每种方法的适用条件，根据计算区域实际的水文、地质条件去选择合适的资源量计算方法，以保障区域水资源的可持续利用[9].
淄河源区地貌类型属于岩溶中低山区，地下水的补给几乎全部来自于大气降水. 2014年，淄博市博山区遭遇特大干旱，存在着大约1.4×104 m3/d的供水缺口，严重影响了当地的社会经济发展.因此，当地政府急切想知道，在淄河源区能否找到对应的地下水源，并以一定的量可持续地开采出来，以解决特殊干旱年份的用水需求，达到应急供水的功能.
针对当地政府部门的需求及淄河源区实际的地质、水文条件，考虑到前期地质资料不足等很多现实问题，本研究决定把补偿疏干法[10-12]引入到淄河源区岩溶地下水资源的评价中来，通过山东地矿工程勘察院在源区下段谢家店村布置的11眼“探采结合”水源井查明水文地质条件，并进行开采性试验.利用查明的该区域巨大的地下岩溶调蓄空间，在旱季动用部分储存量，维持开采，以含水层疏干量保证开采量；而当雨季降水补给时，一部分保证开采量之外，多余的降水部分再把含水层疏干亏缺量补偿回来.因而可以增加地下水补给量，扩大地下水可开采资源量.回避了为求取水文地质参数或水均衡要素所存在的一系列实际困难.研究得出淄河源区的可采资源量为14 390 m3/d.研究将为当地政府和科研部门更好地制订科学合理的水资源开发方案及相关保护对策提供决策依据.
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文章所研究的淄河源区位于淄博市博山区南部(图 1)，北为石马断裂，东至龙头断裂，西到莱芜市变质岩山区地表分水岭，南至博山变质岩山区地表分水岭.地理坐标：北纬36°15′43″-36°26′58″；东经117°48′44″-118°12′44″，面积约605 km2.属温带半湿润大陆性季风气候，多年平均气温12 ℃，平均降水量720.6 mm.地貌类型为周边中低山，中部为淄河河谷地形.区内地表水主要有石马水库及季节性河流淄河.淄河西北支流发源于鲁山山脉，西南支流发源于禹王山麓，两支流于源泉镇泉河村汇流，并入淄河主干道，继续向北径流，总流域面积1 500.4 km2.
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本区地处淄博向斜东南翼之南端，属华北地层.地层出露的新老关系表现为由东南到西北地层由老到新，北部由于断裂切割地层有所重复.研究区出露地层主要有太古界泰山群、寒武系、奥陶系、石炭系及第四系地层(表 1)，地层整体产状倾向西北，倾角5°~20°.
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自燕山运动以来，由于多次构造作用的结果，区内的构造行迹主要表现为：断裂构造较为常见，褶皱比较少见，特别是张性断裂发育广泛，规模亦较大.区内较大断裂主要有青龙山断裂、龙头山断裂、石马断裂、盆泉—北博山断裂、甘泉断裂等.
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淄河源区主要为碳酸盐分布区，浅部含水地层主要有第四系，奥陶系北奄庄组(O2b)，寒武系三山子组(∈4O1s)，寒武系炒米店组(∈4O1
$\widehat{c} $ )，及块状岩类风化裂隙水含水岩组(泰山群).大部分地区基岩裸露，只有小部分河床地区沉积了第四系(厚度一般6~9 m)，区域总面积约为103.5 km2.三山子组—炒米店组裂隙岩溶水含水岩组，主要分布于淄河以东的中低山区及南博山、谢家店一带，出露位置较高，多分布在山腰处，仅在小峰一带，沿淄河河谷出露，节理裂隙发育，接受大气降水入渗及地表水渗漏补给.富水性较强，单井涌水量大于1 000 m3/d.该层岩溶裂隙发育，富水性极强，溶蚀裂隙及蜂窝状溶洞尤为发育，是该地区主要含水层之一，水质类型为HCO3·SO4-CaMg型.北庵庄组灰岩含水层在淄河以西及地堑带除部分裸露地表外，大部分则埋藏地面以下.源泉—泉河头一带，北庵庄组灰岩顶板埋深25~130.09 m，岩溶裂隙发育，溶蚀裂隙及溶洞含水丰富，为研究区主要含水层之一.北博山—谢家店一带，北庵庄组灰岩埋藏较浅，富水性一般大于1 000 m3/d，当揭露三山子组及炒米店组白云岩、灰岩含水层时，水量较大，单井涌水量一般大于3 000 m3/d，水质类型为HCO3-CaMg型.
块状岩类风化裂隙水含水岩组主要分布于研究区的东南端、南端及西南端，含水层下部完整，基岩多为花岗片麻岩，其风化层厚度为10~30 m，含水层厚度8~25 m.地下水主要赋存于花岗片麻岩裂隙与风化层中，属裂隙潜水类型.地下水主要补给源为大气降水，水位埋深2~3 m.岩层富水性较为均匀，但单井出水量较小，小于100 m3/d，水位、水量年动态变化显著.作为当地山区人、畜用水可利用的含水层.该层地下水水质良好，其水化学类型多为HCO3-Ca型.
研究区地下水的补给几乎全部来自于大气降水，地下水流场形态由地表地势和断裂构造控制，由于北面石马断裂为一阻水断层，地下水径流方向是由研究区的西南部、南部向淄河河谷方向径流，淄河断裂带(盆泉-北博山断裂)为该区地下水的强径流带，地下水向淄河河谷方向汇流之后继续沿淄河地堑向北东方向径流.地下水的排泄方式主要有：人工开采，河道排泄，自流井、泉及地下水溢出排泄等.研究区泉水众多，较大的泉群主要有龙湾泉群、谢家店泉群等.
1.1. 自然地理条件
1.2. 地层
1.3. 构造
1.4. 水文地质条件
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鉴于干旱年份应急水资源供水缺口为1.4×104 m3/d左右，根据附近相邻地区经验，若每口井出水量在1 400 m3/d左右，则大约需10口水源井才能满足供水需求.故在淄河源区下段谢家店村淄河河床中共设计布置了11眼“探采结合”水源勘探井，具体分布位置如图 2所示.每个孔除XK5外(XK5孔因地质条件变化，出水量少，打100.4 m后停止钻进)深320~350 m，开孔孔径426 mm，终孔孔径273 mm，地层先后穿过北奄庄组、东黄山组、三山子组，进入到炒米店组.成孔后，各单井进行了稳定抽水试验，各孔除XK5外(出水量419 m3/d)，均大于预计出水量，出水量多在2 500~6 000 m3/d之间，其中最大为XK11孔，达到6 913 m3/d(表 2).为了更好地评价岩溶地下水资源，又成功实施了开采性抽水试验，其中，XK2，XK3，XK4，XK7是开采试验主井，XK1，XK9号为备用井.
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本次开采性抽水试验进行了两次不同流量的开采性抽水试验，各抽水主井的涌水量情况如表 2所示，总体试验过程可视作3个阶段(图 3).
第一阶段先进行了大流量抽水，抽水总量16 232 m3/d.抽水主井及主要观测井水位不稳定，处于等幅下降状态，说明抽水量大于补给量.
第二阶段调小流量，进行小流量抽水，抽水总流量12 030 m3/d.抽水主井及主要观测井水位仍不稳定，处于持续等幅下降状态，下降速率变缓.
第三阶段大流量抽水，抽水主井及主要观测井水位快速下降，在抽水主井及主要观测井水位再次达到等幅下降前，研究区大范围降水影响，南博山方向淄河河道内形成了地表径流，抽水主井及主要观测井水位处于持续上升趋势，可以判断本次开采性抽水试验已进入规范中规定的“下一个补给期”，因此正式停止抽水，抽水总流量为16 272 m3/d.
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抽水期间，为防止抽回的水就地回渗地下而影响计算结果，采用管道将抽出的水排至抽水影响范围以外.
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开采性抽水试验自2017年6月8日正式开始，至7月31日结束，历时53天.其中6月8日至6月22日为抽水前水位观测阶段，历时14天，静止水位埋深约2.38~3.25 m；6月22日9：30至7月23日9：30为正式抽水阶段，历时31天；7月23日至7月31日为水位恢复观测阶段，历时8 d(图 4).
2.1. 抽水主井
2.2. 抽水落程及抽水总流量
2.3. 排水
2.4. 抽水时间
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假设旱季抽水时无任何补给来源，完全靠疏干储存量来维持抽水，且蓄水构造范围有限、降落漏斗极易扩展到边界，水均衡式应为：
而研究区内本次开采性抽水试验，于旱季疏干期间，在抽水范围内尚存在侧向补给径流量(Q旱补)，则有：
本次开采性抽水试验第一阶段抽水总流量为16 232.06 m3/d，平均日降幅为0.409 m/d.第二阶段抽水总流量减小为12 030.080 m3/d，平均日降幅为0.158 m/d(表 3).
根据以上两次不同流量抽水数据代入公式(2)得：
联立方程组(3)(4)，可求得：μF=16 741.04 m2，Q旱补=9 384.92 m3/d.
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最大允许水位降深Smax为最低水位与枯水期开始时水位之差，由含水层厚度和取水设备的能力等综合确定.综合考虑以下四方面：①水位降深要在水源地供水井抽水设备抽水能力以内；②水位下降不会导致涌水量大幅减少；③开采条件下不能产生岩溶塌陷等环境地质问题；④不影响当地村庄用水；确定60 m为最大水位埋深.根据1989-2017年博山镇北博山村多年水位动态观测资料显示，水位开始快速下降时其水位埋深一般在14 m左右，即为枯水期开始时水位.由此，确定最大允许水位降深为46 m.即Smax=46 m.
初始水位降深S0根据开采性抽水试验资料得出，6月22日至6月23日为水位快速下降阶段，统计富水地段内主要观测井快速下降时段降深S0，经计算得出，富水地段内初始水位降深S0一般在0.57~2.74 m，平均值为1.45 m，即S0=1.45 m. 6月25日至7月6日间，降深呈缓慢增大趋势，最大降深达到35.52 m，7月7日之后水位有所回升.
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博山区多年平均月降水量如表 4所示(1956-2016年，缺2003年月降水量数据)，根据该表，经综合考虑，将多年平均月降水量小于30 mm月份确定为枯水期，得出枯水期时间t旱=150 d.
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可知Smax=46 m，S0=1.45 m，t旱=150 d，t0=1 d.
将上述各参数代入
$Q_{允开}= \mu F \frac{S_{\max }-S_{0}}{t_{旱}-t_{0}}+Q_{旱补}$ 求得：式中：Q旱补为旱季疏干期间抽水范围内尚存在的侧向补给径流量(m3/d)；Smax为最大允许水位下降值(m)；S0为抽水时水位快速下降后开始等幅下降的降深(m)；μF为一般可视为常数，若不是，则可用整个旱季的抽水试验资料求得一个平均值(m2)；t旱为旱季开采时间(d)；t0为抽水时水位急速下降后开始等幅下降的时间(d).
经上述计算，得到可开采资源量为14 390 m3/d.
旱季末的疏干体积V疏干为：
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分析当地水文气象条件，结合表 4，取t雨=120 d，为安全起见，乘以一个修正系数γ(γ=0.5~1)，此处取γ=0.8(水资源领域内相关教材推荐值，能较好地保证水资源供水保证率在90%以上)，则t雨补=t雨*γ=120×0.8=96 d.受研究区内大范围降水影响，地表径流入渗补给到谢家店富水地段，抽水井及附近观测井水位开始迅速上升，富水地段内抽水主井及观测井水位日升幅为0.315~1.254 m/d，平均0.688 m/d.
雨季时的补偿体积V补偿为：
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根据开采性试验结果，利用补偿疏干法算得可开采资源量为14 390 m3/d，以此开采量则旱季疏干体积为745 813 m3，远远小于雨季可补偿的体积1 105 712 m3，因此14 390 m3/d的可开采资源量既是有补给保证的，又是能开采出来的地下水资源量.用补偿疏干法求得的可开采资源量，是可靠又不保守的，该量恰好能够解决淄博博山区紧急情况下1.4×104 m3/d左右的供水需求.
通常来说，在可开采资源量诸多计算方法当中，水均衡法能刻划总体的水资源量关系.但由于淄河河谷本身是断裂带，河床中堆积着第四系，导致在淄河河谷中大量运移的是地下潜流，而这个量很难估算和刻划.而对于开采试验法来说，鉴于淄河源区面积较大，抽水试验很难在短时间内扩展到边界，只能是试验井附近的富水性反映.另外，源区村民的用水会不会影响计算结果？考虑到这种情况，笔者主要在淄河源区下段谢家店村来进行水源井开采试验，源区最终的汇水需要经过此处.因此，这11口水源井的开采试验结果是具有较好代表性的，源区内的居民用水可看作源区内小区域的内部用水小循环，因此，不会影响计算结果.
综合表明，补偿疏干法来评价岩溶地区地下水资源是适用的，它不需要事先知道区域水文地质参数和详细的水均衡项，可以克服用一般的水均衡法或其他方法计算时，计算的开采量偏小的局限，在实际中，这些地区却可以通过合理地调蓄开采出较大水量.更进一步地，该方法可以更广泛地推广于含水层分布范围有限，但有较大储存量可起充分调节作用，地下水补给雨旱季分明的北方地区.
3.1. 旱季补给量及单位储存量
3.2. 最大允许水位降深及初始水位降深
3.3. 枯水期开采时间及水位快速下降时间
3.4. 可开采资源量及疏干体积
3.5. 雨季补偿体积
3.6. 结果分析
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1) 当一个地方水资源有限时，应该考虑水资源的综合高效利用.在此之前，首先应该根据其自然地理特征和水资源条件，运用适当的方法来科学合理地评价和计算可开采水资源量，以更好地利用水资源、防止水污染情况的发生.
2) 补偿疏干法是当旱季无补给或补给不足时，进行人工疏干，以疏干量保证开采量；而当雨季降水补给时，除了保证开采量之外，利用多余的降水量再把疏干亏缺量补偿回来.本研究结合开采性实验结果，运用补偿疏干法较为准确地得出该应急水源地可开采资源量为14 390 m3/d.
3) 根据淄河源区碳酸盐分布区域特征及计算实践可知，补偿疏干法除了适用于北方干旱半干旱地区河谷地区的水资源评价问题之外，也同样广泛地适用于含水层分布范围有限，但有较大储存量可起充分调节作用，地下水补给雨旱季分明的北方地区.