第04章-地下水资源计算与评价

第四章地下水资源量的计算与评价第一节地下水资源的特点及分类第二节地下水水量的计算第三节地下水允许开采量的计算第四节地下水水量评价第五节地下水水质评价第一节地下水资源的特点及分类一、地下水资源地下水资源是指对人类具有使用价值，而且在当今科技水平和社会经济条件下，能够开发的地下水。具有社会属性和自然属性。二、地下水资源的特点①系统性；②流动性；③可恢复性；④可调节性三、地下水资源的分类第一节地下水资源的特点及分类二、地下水资源的特点1.系统性；2.流动性；3.可恢复性；4.可调节性1.系统性人类对地下水资源的认识从水井(水源地)评价发展到含水层、含水岩组，直到含水系统整体评价。过去，人们把具有密切水力联系的统一整体，人为分割为相互独立的含水层或单元，分别进行水量、水质的评价，并用这种评价结果指导地下水资源的开发利用，结果导致各地争水、水质恶化、环境质量日趋下降。第一节地下水资源的特点及分类二、地下水资源的特点2.流动性地下水资源是流体，在补给、径流、排泄的过程中，不断循环流动，因此地下水资源是动态资源。地下水资源的数量和质量随外界条件变化而变化。在任一地点获取的地下水量，都是以周围地段甚至整个系统的水量为代价的。那种将流经本地区(段)的地下水视为已有的资源观，显然违背了水资源流动性这一客观事实。第一节地下水资源的特点及分类二、地下水资源的特点3.可恢复性地下水始终处于流动状态，在不断接受外界水量和溶质补充的同时，也将系统内部水量连同水中所含的物质排泄出去。在天然条件下，补、排水量在多年间可以大体平衡，各地段水量和水质保持相对稳定。在地下水开发利用过程中，如果系统排出的水量不超过某一特定值，则大部分水量可以通过外界的补给得到补偿。地下水资源的可恢复性是地下水资源可持续利用的保证。第一节地下水资源的特点及分类二、地下水资源的特点4.可调节性调节性主要是针对水量而言，指地下水在系统结构的作用下，使不连续的降水和水量输入变为相对连续、均匀输出的这种自然特性。一般来说，地表水系统的水量调节能力较差，水量、水位的动态变化与降水过程极为密切，滞后、延迟效应均不明显，获得的降水补给量可以快速地排出。第一节地下水资源的特点及分类三、地下水资源的分类1.普洛特尼柯夫储量分类（普氏分类法）静储量(永久储量):天然条件下,储存于地下水最低水位以下含水层中的重力水动储量:通过含水层横断面的天然径流量调节储量:地下水位变动带(多年最高与最低水位之间)内含水层中的重力水体积开采储量:指用技术经济合理的引水工程能从含水层中取出的水量，并在预计的开采期内不会引起水量削减及水质恶化等现象，从含水层中可能取得的水量。普氏分类法只反映了地下水资源在天然条件下的各种数量组成，没有明确在一定时间内各种数量之间的转化关系第一节地下水资源的特点及分类三、地下水资源的分类2.陈梦熊、方鸿慈等人提出的地下水水资源分类天然资源：一般用区域内各项补给量的总和或各项排泄量的总和来表征开采资源：该分类法突出了在一个完整的水文地质单元内,一年或多年的天然平均补给量和平均排泄量是均衡的,同时明确了天然资源和开采资源的组成,有助于生产实践和应用。第一节地下水资源的特点及分类三、地下水资源的分类3.曹万金提出的地下水水资源分类补给资源：储存资源：指多年中不能动用的含水层中的重力水该分类法的关键问题是如何从地下水开发利用的角度,研究地下水的补给资源,可能最大补给量及地下水可开采量。第一节地下水资源的特点及分类三、地下水资源的分类我国的地下水资源分类20世纪70年代后期，我国提出了自己的地下水资源分类，该方案于于1989年由国家计划委员会正式批准为国家标准(GBJ27-88)。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。补给量：单位时间内进入含水层（或含水系统）的水量蓄存量：蓄存在含水层中的重力水体积消耗量：单位时间流出含水层的地下水量。包括天然耗水量和允许开采量两部分该分类方案以水均衡为基础,突出了地下水补给量的计算,同时还注意到了开采前后补给量和排泄量的变化,从而使地下水资源评价成果更加接近于实际。第二节地下水水量的计算一、地下水补给量计算二、地下水储存量计算三、地下水允许开采量计算第二节地下水水量的计算一、地下水补给量计算降水入渗的补给量，可按下列公式计算：1）当采用降水入渗系数计算时Q=F·α·X/365式中：Q--日平均降水入渗补给量（m3/d）；F--降水入渗的面积（㎡）；α--年平均降水入渗系数；X--年降水量（m）。1.降水入渗补给量第二节地下水水量的计算一、地下水补给量计算2）在地下水径流条件较差、以垂直补给为主的潜水分布区，计算降水渗入补给量时Q=μ·F·∑△h/365式中：∑△h/365--年内每次降水后，地下水水位升幅之和（m）。1.降水入渗补给量第二节地下水水量的计算一、地下水补给量计算2.农田灌溉水和人工漫灌水入渗补给量根据灌入量、排放量减去蒸发量及其它消耗量进行计算。/rhFhhQt灌3.河、渠入渗补给量根据勘察区上下游断面的流量差或河渠渗入的有关公式确定。m=（Q引-Q净-Q损）/Q引第二节地下水水量的计算一、地下水补给量计算进入含水层的地下水径流量，可按下列公式计算：Q=K·I·B·M式中：Q--地下水径流量（m3/d）；K--渗透系数（m/d）；I--天然状态或开采条件下的地下水水力坡度；B--计算断面的宽度（m）M—含水层厚度（m）4.地下水径流流入量第二节地下水水量的计算二、地下水储存量计算W=μ·V式中：W--地下水的储存量（m3）；μ--潜水含水层的给水度；V--潜水含水层的体积（m3）。1.潜水含水层的储水量第二节地下水水量的计算二、地下水储存量计算W=F·S·h式中：W--地下水的弹性储存量（m3）；F--含水层的面积（m2）；S--弹性释水系数；h--承压水含水层自顶板算起的压力水头高度（m）。2.承压水含水层的弹性储存量第二节地下水水量的计算三、地下水允许开采量计算1.基于水量均衡原理的方法：水量均衡法2.基于数理统计原理的方法：回归分析法3.基于实际试验的方法：开采试验法、补偿疏干法4.基于地下水动力学原理的方法：解析法和数值法计算地下水的允许开采量是地下水资源评价的核心问题。第二节地下水水量的计算第三节地下水允许开采量的计算一、水量均衡法二、数值法三、解析法四、开采试验法五、回归分析法六、地下水水文分析法第三节地下水允许开采量的计算一、水量均衡法水量均衡法是水量计算中最常用、最基本的方法。一个均衡区内的含水层系统，在任一时段Δt内补给量与排泄量之差，恒等于此含水层系统中水体积的变化量。据此可以建立水均衡方程式：1.基本原理()补排－潜水hQQFt()补排－承压水hQQFtQ补＝Q流入＋Q越入＋Q河渗＋Q雨渗＋Q人补（m3/d）；Q排＝Q流出＋Q越出＋Q溢出＋Q蒸发＋Q实开（m3/d）第三节地下水允许开采量的计算一、水量均衡法由前述对允许开采量的分析可知，如果是稳定型开采动态，则允许开采量为：1.基本原理式中，ΔQ排减少的排泄量；ΔQ补为开采时增加的补给量；Smax为最大允许降深；T为开采年限，一般取50-100a。补排允＋（）3mQ=QQd365补排允＋（）3maxSmQQQ+mFdT如果是合理的消耗型开采动态，则为：第三节地下水允许开采量的计算一、水量均衡法补给量Q补和排泄量Q排的组成项目很多，要根据具体条件来确定它们的组成，从而建立水均衡方程。例如，我国南方的岩溶水地区，主要补给来源是Q雨渗和Q河渗，其次是侧向流入Q流入，排泄项中主要是Q溢出，其次是Q流出及Q蒸发。只要采用恰当的开采方式，可以充分截取补给，减少排泄，则计算允许开采量的公式可简化为：Q允开≈Q雨渗十Q河渗+Q溢出+Q流出1.基本原理第三节地下水允许开采量的计算一、水量均衡法步骤1：划分均衡区（1）在区域地下水资源量计算中，以地下水系统边界圈定的范围为均衡区；（2）局域地下水水量计算中，均衡区需要人为划分，均衡区的边界尽量选择天然边界或地下水交换量容易确定的边界；（3）如果均衡区面积大，水文地质条件复杂，均衡要素差别大，还可以根据含水介质成因类型和地下水类型的组合作为分区依据。例如在基岩山区－平原地区，可分为基岩山区裂隙水、平原区松散孔隙水等一级子区；2.计算步骤第三节地下水允许开采量的计算一、水量均衡法步骤1：划分均衡区（4）如果同一区内的水文地质条件还有较大差异，可以按不同的定量指标划分为若干段。分段指标通常是含水层导水系数、给水度、水位埋深、动态变幅及包气带岩性等，以便于测定均衡要素为原则。2.计算步骤步骤2：确定均衡期均衡期一般以年为单位，也可将旱季、雨季分开来计算，这样可以简化均衡方程中的项目。第三节地下水允许开采量的计算一、水量均衡法步骤3：确定均衡要素，建立均衡方程均衡要素指通过均衡区的边界流入和流出水量项的总称。进入的水量项称为补给项，流出的水量项称为排泄项。（1）分析各个均衡区有哪些均衡要素；（2）确定天然条件下补给量和排泄量；（3）确定开采条件下的补给增量和可能减少的消耗量；（4）建立均衡方程。2.计算步骤为了取得较准确的计算资料，最好在每个均衡区选择一个有代表性的地段做小范围的均衡试验，实际测定各项均衡要素的数值，取得计算所需的参数，然后用以计算整个均衡区的各种补给量和排泄量。第三节地下水允许开采量的计算一、水量均衡法步骤4：计算和评价（1）计算：将各项均衡要素值代入均衡式中，计算出补给量与排泄量的差值，看地下水储存量的变化是否与之相符，如果不符，审查各均衡要素的计算是否准确，作适当修改，使方程平衡为止。（2）评价：一般以可能减少的排泄量加上实际已开采量作为总的允许开采量，或以总补给量作为允许开采量的极限。（3）如果储存量很大，可以动用时，应确定最大允许降深值Smax，将此范围内的储存量逐年分配到开采量中，开采期限一般取50-100a。2.计算步骤第三节地下水允许开采量的计算一、水量均衡法(1)特点:水量均衡法的计算结果能够反映大面积的平均情况,而不能反映出评价区内由于水文地质条件的变化或开采强度的不均所产生的局部水位变化。3.水量均衡法的特点及适用条件(2)适用条件:开采强度均匀、地下水补排条件简单、水均衡要素容易确定且开采后变化不大的地区。第三节地下水允许开采量的计算一、水量均衡法在实际计算中，常常是根据多年的动态观测资料分析，计算不同保证率典型年的水均衡，可评价允许开采量的保证程度。某水源地的水均衡计算结果见表6-1（单位：104m3）4.计算实例典型年份Q雨渗Q流入Q河渗Q补ΔQ＝Q补-Q排ΔS（m）枯水年（保证率p＝97％）42784919903266-23985198-2.68+5.74平水年（保证率p＝50％）83680470068646典型年份Q计开Q农开Q工开Q排枯水年（保证率p＝97％）318522162635664平水年（保证率p＝50％）318502633448()补排－潜水hQQFt第三节地下水允许开采量的计算一、水量均衡法从表6-1中可见，枯水年是负均衡，即每年计划增开3185×104m3时，尚需借用储存量2398×104m3，使区域水位降深增加2.68m，但在平水年可节余5198×104m3，是可以将枯水年借用量补偿回来的。4.计算实例一、水量均衡法河南某地农业灌溉用水的多年水均衡调节计算，见表9.2。根据1955～1975年的动态观测资料，计算出各年的补给量（表中左数第2栏）和计划用水量（第3栏）。农业用水是枯水年多用，丰水年反而少用。调节的顺序可不按原时间序列，一般以枯水年的地下水水位为起调水位。本例选1964～1965年作为起调年，1975年后再接1955～1956年。据来水、用水差值，计算出水位变化值。由于用水常在早季，所以年内借用地下水储存量而产生一个水位变化值。因此，表9.2中第10栏等于第8栏加第9栏。从多年调节计算结果可以看出，在已有的观测水文