01第一章地下水资源与地下水系统

第一章地下水资源与地下水系统第一节地球上的水资源根据联合国1977年的资料（陈家传等，2002），地球水圈各部分水的储量情况见表1.1。如表1.1所示，地球上地下水储量仅占全球水储量的1.69％，但占地球上淡水资源总量的30.06％，地下水资源在全球水资源中占有举足轻重的地位。据统计，20世纪末，全球地下水开采量已超过7500×108m3／a，而每年全球可更新的地下水资源量是25000×108m3/a，接近开发利用量的4倍，可见全世界地下水资源是比较丰富的。但是，由于地下水资源在时空分布上极不均匀，受到目前经济技术的限制，地下水资源利用率很低，加之人类污染，局部地区开采强度过大，人类面临着严重的水资源短缺问题。第二节中国的地下水资源我国幅员辽阔，东西横跨东经73o～136o，南北纵穿北纬3o～54o，包括了各个不同的纬度气候带。受太平洋、印度洋和北冰洋3个大气环流的影响，降水量时空分布极不均匀。我国南部降水量大，一般在1000mm以上，东部和东北部次之，多为500～800mm，西北部最少，一般少于300mm，有的地区降水量不足100mm。河流水系、湖泊分布也极不均匀，使地表水资源分布的差异性很大。我国年降水总量60000×108m3，地表水资源量26000×108m3/a。我国是一个水资源量比较丰富的国家，居全球第六位，但因人口众多，人均水资源量较低。我国地下水资源分布广泛，据1997年水利部门核算，全国多年平均地下水资源量（可更新的地下水资源）为8186.43×108m3/a（不包括港、澳、台地区）。受气候、地貌单元及地构造背景的影响，各地区水文地质条件差异很大，地下水资源贫富相差悬殊。淮河流域以北地区加上西北内陆流域总面积5345353km2，占全国总计算面积的61.2％，年均地下水资源量2610.47×108m3，占全国年均地下水资源量的31.99％；长江以南地区面积3393374km2，占全国总计算面积的38.8％，年均地下水资源量5575.96×108m3，占全国年均地下水资源量的68.l％。南方地区年均地下水资源量远高于北方，但南方平原区地下水资源量远低于北方。北方平原区计算面积为1799898km2，占全国平原区计算面积的91.3％，年均地下水资源量1558.38×108m3，占全国平原区年均地下水资源量的80.6％，南方平原区计算面积171689km2，占全国总面积的9.6％，年均地下水资源量为375.77×108m3，占全国平原区年均地下水资源量的19.4％，但是，从单位平原区面积地下水产水量上看，南方平原区远大于北方平原区。我国按流域分区多年平均地下水资源量见表1.2。全国各类地下水资源量分布见表1.3。因提供资料的部门不同，表1.3中地下水资源总量与表1.2中的数据略有差异。我国地下水资源分布的主要特点是：①时空分布极不均匀，与降水量和地表水分布趋势相似，南方多、北方少、东部多、西部少；②松散岩类孔隙水主要分布在北方，岩溶水和裂隙水主要分布在南方；③在北方地区，东部的松辽地区和华北地区地下水资源总量约占北方地下水总量的50％，补给模数远大于西部；④北方地区中部的黄河流域，包括黄土高原及其相邻地区是我国地下水资源相对贫乏的地区；⑤西部的内陆盆地处于干旱的沙漠地区，年降水量小于100mm，但由于获得盆地四周高山的降水及冰雪融水的补给，50％～80％地表水自山区进入盆地后便转化为地下水，地下水资源量较丰富，但地表水与地下水应统一规划和开采利用。第三节地下水资源的特点地下水资源是整个地球水资源的一部分，既具有水资源的一般特征，又有其特殊的特征，地下水资源有如下特点。1．系统性和整体性一切物质均具有系统的属性，一切系统也均具有整体性。地下水资源的系统性和整体性表现在：地下水赋存在复杂的含水地质体（水文地质实体）中，受各种天然因素和人为因素控制；依据地下水赋存的地质环境及地下水循环径流特征，可划分出含水系统和流动系统，也可称之为地下水系统。地下水系统拥有不同级次的单元，这些单元相互联系、相互影响。地下水系统与外界环境相互作用、相互制约，进行能量、数量、质量和热量的交换；系统中各级次的单元既各自独立，又相互联系，即各个单元既拥有自己的组成特征及各自的行为方式，又彼此联系、相互作用。如由若干个含水层组成的含水系统，每个含水层可视为一个独立单元，有各自的结构特征及补给、径流、排泄方式。若一个含水层受到外界影响（如降水补给、人工抽水等）会引起其他含水层水量、质量、能量的变化，从而引起整个含水系统的储存、释放、传导、调节等功能的改变。因此，不能离开含水系统整体去研究某个单元，也不能脱离含水系统整体单独研究各级次单元之间的联系，必须以含水系统整体目的性为准则，研究各单元之间的联系。当开发利用地下水资源时，必须从含水系统整体上考虑取水方案，寻求整体开发利用地下水资源的最优方案，而不是单独追求某一部分（如一个含水层）的最优化，否则，就会引起一系列负效应。2．流动性地下水是流体，在补给、径流、排泄过程中，不断循环流动，因此地下水资源又是动态资源，地下水资源的数量、质量和热量随着外界环境的变化，在时空领域变化明显。这种流动着的动态资源，不及时利用就会浪费，同时也可利用其动态特性，改善地下水资源的赋存环境。3．循环再生性地下水资源的循环再生性，又称可恢复性，再生性是通过水文循环实现的。天然条件下，地下水资源随着年际和年内气候与季节的变化而变化。在丰水年或丰水季节获得补给，在枯水季节，以径流或蒸发的方式排泄，从而构成周而复始、年复一年的地下水循环。开采条件下，只要开采量不超过总补给量，就可以通过外界补给获得补偿。地下水资源的再生性与地下水系统的开放性是分不开的。浅层地下水系统与大气圈和地表水系统发生密切联系，积极参与水循环，地下水资源具有良好的可再生性。深层承压水系统与外界水力联系相对较弱，水的循环交替速度缓慢，地下水资源可再生能力差。地下水资源的可再生性是地下水资源可持续利用的保证。4．可调节性地下水资源的可调节性主要表现在水量方面。由于地下水在含水系统中始终处于不断循环交替的过程中，补给量和消耗量在不同的年份和季节是不同的。当补给大于消耗时，含水系统把多余的补给量蓄集起来，地下水储存量增加，当补给小于消耗时，含水系统的储存量用于维持消耗，地下水储存量减少。地下水储存量的可变性，在含水系统的补给、径流、天然排泄及人工开采过程中起着调节作用，所以地下水资源具有可调节性，人们可利用这一性质进行人工调蓄，增大补给量。上述内容为地下水资源所具有的自然属性，地下水资源还具有社会属性，如价值性、不可替代性等。第四节地下水资源分类一、地下水储量分类地下水的概念和分类是地下水资源计算和评价的理论基础。地下水资源分类也同其他科学理论一样，随着科学技术的进步也在不断地发展和完善，至今仍不断提出新的分类方案。20世纪70年代以前，我国普遍采用原苏联学者普罗特尼柯夫提出的地下水储量分类，又称“四大储量分类”或“普氏分类”。该分类以自然界地下水量存在的空间和时间形式分成天然储量和开采储量，天然储量又分为动储量、调节储量和静储量。各个储量的含义如下：动储量：单位时间流经含水层（带）横断面的地下水体积，即地下水的天然径流量；静储量：地下水位年变动带以下含水层（带）中储存的重力水体积；调节储量：地下水位年变动带内重力水的体积；开采储量：用技术经济合理的取水工程能从含水层中取出的水量，并在预定开采期内不致发生水量减少、水质恶化等不良后果。地下水储量分类在一定程度上反映了地下水量在天然状态下存在的客观规律，但其指导思想是把地下水体作为一种矿产资源，对地下水资源所具有的特点认识不足，地下水储量的概念和计算原理不能真实反映地下水的形成和运动规律。因此，依据该分类指导的地下水量计算和评价带出现很大的误差甚至错误。二、地下水资源的分类随着地下水科学的发展，人们对地下水资源的认识不断深入。20世纪70年代后期提出了地下水资源分类方案，该方案于1989年由国家计划委员会正式批准为国家标准（GB927—88）。中华人民共和国建设部于2001年颁布的国家标准《供水水文地质勘察规范》（GB50027—2001）中仍执行该方案。该方案将地下水资源分成补给量、储存量和允许开采量。（一）补给量补给量是指天然状态或开采条件下，单位时间通过各种途径进入含水系统的水量。补给量的形成和大小受外界补给条件制约，随水文气象周期变化而变化。补给量是地下水资源的可恢复量，地下水资源的循环再生性，主要体现在当其被消耗时，可以通过补给获得补偿；当消耗的地下水资源不超过总补给量时，会得到全部补偿。通常所说的某地区地下水资源丰富，表明该地区地下水资源补给量充足。因此，可依据地下水补给量的多少表征地下水资源的丰富程度。补给量按开采前后形成的条件不同可分为天然补给量和开采补给增量。天然补给量是天然条件下形成并进入含水系统的水量，包括降水入渗、地表水入渗、地下水侧向径流补给、垂向越流补给等。目前，许多地区都已有不同程度的开采，保持天然状态的情况很少，通常是计算现状条件的补给量，然后再计算开采补给增量。地下水开采补给增量又称激发补给量、开采袭夺量或诱发补给量，是开采前不存在，因开采地下水产生水动力条件改变而进入含水系统的水量。常见的补给增量由下列来源组成：1）来自地表水的增量。当取水工程靠近地表水时，由于开采地下水，水位下降漏斗扩展到地表水体，可使原来补给地下水的地表水补给量增大，或使原来不补给地下水，甚至排泄地下水的地表水体变为补给地下水，形成开采时地表水对地下水的补给增量。2）来自降水入渗的补给增量。由于开采地下水形成降落漏斗，除漏斗疏干体积增加部分降水渗入外，还使漏斗范围内原来不能接受降水渗入补给的地区（例如沼泽、湿地等），腾出可以接受补给的储水空间，因而增加了降水渗入补给量。此外，由于地下水分水岭向外扩展，增加了降水渗入补给面积，使原来属于相邻含水系统（或水文地质单元）的一部分降水渗入补给量，变为本漏斗区的补给量。3）来自相邻含水层越流的补给增量。由于开采含水层的水位降低，与相邻含水层的水位差增大，可使越流量增加，或使相邻含水层从开采含水层获得越流补给变为补给开采层。4）增加的侧向流入补给量。由于降落漏斗的扩展，可夺取属于另一含水系统（或均衡地段）地下水的侧向流入补给量，或某些侧向排泄量因漏斗水位降低，而转为补给增量。5）人工增加的补给量。包括开采地下水后各种人工用水的回渗量增加而多获得的补给量。补给增量的大小不仅与水源地所处的自然环境有关，同时还与取水建筑物的种类、结构和布局（即开采方案和开采强度）有关。当自然条件有利、开采方案合理、开采强度较大时，夺取的补给增量可以远远超过天然补给量。例如，在傍河地段取水，沿岸布井开采时，可获得大量地表水的入渗补给增量，并远大于原来的天然补给量，成为可开采量的主要组成部分。但是，开采时的补给增量也不是无限制的。从上述补给增量的来源可以看出，是夺取了本计算含水层或含水系统以外的水量。从整个地下水资源的观点来看，邻区、邻层的地下水资源也要开发利用。这里补给量增加了，那里就减少了。再从“三水”转化的总水资源的观点考虑，如果河水已被规划开发利用，这里再加大开采强度，大量夺取河水的补给增量，则会减少地表水资源。因此，在计算补给增量时，应全面考虑合理的袭夺，而不能盲目无限制地扩大补给增量。计算补给量时，应以天然补给量为主，同时考虑合理的补给增量。地下水的补给量是使地下水运动、排泄、交替的主导因素，它维持着水源地的连续长期开采。允许开采量主要取决于补给量，因此，计算补给量是地下水资源评价的核心内容。（二）储存量储存量指地下水补给与排泄的循环过程中，某一时间段内在含水介质中聚积并储存的重力水体积。潜水含水层的储存量称为容积储存量，可用式（1.l）计算：W=μ·V（1.1）式中：W——地下水的储存量（m3）；μ——含水介质的给水度（无因次）；V——潜水含水层的体积（m3）。承压含水层除了容积储存量外，还有弹性储存量，可按式（1．2）计算：W弹=μ*·F·h（1.2）式中：W弹——承压