01第一章地下水资源与地下水系统.docx
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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——承压含水层的弹性储存量（m3）；
μ*——储水（或释水）系数（无因次）；
F——承压含水层的分布面积（m2）；
h——自承压含水层顶板算起的压力水头高度（m）。
地下水的补给与排泄通常处于不均衡状态中，地下水的水位总是随时间变化，因此，地下水储存量也是随时间变化的。
天然条件下，地下水储存量随水文气象周期呈周期性变化；开采条件下，则由开采状态控制储存量的变化趋势。
若开采量小于补给量，储存量仍是周期性变化；若开采量大于补给量，储存量呈逐年衰减趋势变化。
地下水储存量不论在天然条件还是开采条件下，都具有调节作用。
天然条件下，调节补给与排泄的不平衡，当补给量大于排泄量时，盈余的补给量转化为储存量储存在含水层中，储存量增加；当补给量小于排泄量时，储存量转化为排泄量，储存量减少。
开采条件下，当水文地质条件有利时，可以暂借储存量平衡开采量。
（三）允许开采量
允许开采量，又称可开采量或可开采资源量，是指在技术上可能、经济上合理，并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之内变化，不影响已建水源地正常开采，不发生危害性环境地质问题等前提下，单位时间内从含水系统或取水地段开采含水层中可以取得的水量，常用单位为m3/d或m3/h或m3/a。
简言之，允许开采量就是用合理的取水工程，单位时间内能从含水系统或取水地段取出来，并且不发生一切不良后果的最大出水量。
允许开采量是可再生的地下水资源量，被开采后，可以通过外界补给获得补偿，但是，允许开采量不是地下水资源存在的一种自然形式，是人们为合理开发利用地下水定义的。
允许开采量主要由补给量组成，其大小也随时空变化，同时还受开采技术、环境等条件限制。
允许开采量与开采量的概念是不同的。
开采量是取水工程取出的地下水资源量，反映了取水工程的产水能力。
对于供水工程而言，开采量不应大于含水系统或取水地段的允许开采量。
对于消耗储存量维持开采的水源地，开采量可大于允许开采量。
三、允许开采量的组成
地下水资源分类的特点之一是允许开采量有明确的组成，可以通过分析天然或开采条件下，补给量、储存量、允许开采量三者在数量上的变化，以及允许开采量的组成关系，研究地下水可持续利用的途径。
地下水资源数量的变化遵循质量守恒定律。
在一个时间段内补给量与排泄量之差恒等于储存量的变化量，即
Q补－Q排=±Q储（1.3）
式中：
Q补——含水系统的补给量总和（m3）；
Q排——含水系统的各种消耗量总和（m3）；
±Q储——含水系统中储存量的变化量，增加为正，减少为负（m3）。
在人工开采地下水时，改变了开采前后的排泄条件，破坏了补给与排泄的动态平衡，在开采前的流场上叠加了人工流场。
在开采初期，由于增加了人工开采量，补给量不能同步增加，必须消耗地下水的储存量。
随着开采地段地下水位下降漏斗的扩大，过水断面和水力坡度增加，获得的补给增量（△Q补）和截取的天然排泄量减少值（△Q排）增大，当开采量与△Q补+△Q排达到动态平衡后，地下水位相对稳定，进入均衡开采阶段，在此开采状态下，均衡方程（1.3）可用式（1.4）表达：
（Q天补＋△Q补）－（Q天排－△Q排）－Q开=μF△h/△t（1.4）
式中：
Q天补——开采前的天然补给量（m3/d）；
△Q补——开采时的补给增量（m3/d）；
Q天排——开采前的天然排泄量（m3/d）；
△Q排——开采时天然排泄量的减少值（m3/d）；
Q开——人工开采量（m3/d）；
μ——含水介质的给水度（无因次）；
F——开采时引起水位下降的面积（m2）；
△t——开采时间（d）；
△h——在At时间段内开采影响范围内的平均水位降（m）。
由于开采前的天然补给量与天然排泄量在一个大水文周期内是近似相等的，即Q天补≈Q天排，并且开采量在数值上已接近或等于允许开采量，式（1.4）变为:
Q允开=△Q补+△Q排±μF△h/△t（1.5）
式（1.5）表明允许开采量由以下三部分组成：
1）开采补给增量（△Q补），是开采前不存在，开采时袭夺的各种额外补给量。
2）减少的天然排泄量（△Q排），是含水系统因开采而减少的天然排泄量，如潜水蒸发量的减少、泉流量的减少、侧向流出量的减少，也称为开采截取量。
这部分水量最大极限等于天然排泄量，接近于天然补给量。
3）储存量的变化量（μF△t/△h），是含水层储存量的一部分，包括开采初期形成开采降落漏斗过程中含水层提供的储存量及在补给与开采不平衡时增加或消耗的储存量。
明确了允许开采量的组成后可以依据各个组成部分确定允许开采量。
由于制约允许开采量的因素很多，除了地下水分布埋藏条件、丰富程度及人工取水的技术能力外，既要考虑区域水资源的统筹规划、合理调度，还要考虑环境约束，如地面沉降、水质恶化、生态退化等不良效应。
允许开采量组成中的开采补给增量，应在满足区域水资源统一规划下，合理索取各类开采补给增量。
对于开采截取量（减少的天然排泄量），理论上应尽可能地截取，但也要考虑生态用水，如地下水位下降可能引起的沼泽退化、植物枯萎死亡等。
开采截取量的大小与开采方案、取水建筑物的类型、结构及开采强度有关，只有选择最佳开采方案及开采强度、最好的开采技术，才能最大限度地截取天然补给量。
第五节地下水系统
一、地下水系统的基本概念
地下水系统是以系统的理论和方法，把地球水圈一定范围内的地下水体作为一个系统，运用系统理论分析、研究地下水的形成与运移的机理，并用系统工程的方法解决地下水资源的勘察、评价、开发利用和管理问题。
目前，关于地下水系统还缺乏统一、明确的定义。
有人认为地下水系统分为地下水含水系统和地下水流动系统两类，王大纯等编著的《水文地质学基础》（地质出版社）一书认为地下水系统包含这两者，即地下水系统包含地下水含水系统和地下水流动系统。
本教材考虑到教学内容的衔接，也采用这种观点。
综合国内外有关地下水系统基本概念的研究，地下水系统包含以下几点：
1）地下水系统是由具有独立性而相互影响的若干不同层次的子系统所组成的一个整体；
2）每个地下水系统都有各自的含水层系统、水循环系统、水动力系统及水化学系统；
3）地下水系统受水文系统和社会系统制约，可受人类活动影响而发生变化；
4）地下水系统的边界是自由可变的。
二、地下水系统的特征
（一）地下水系统的层次性
地下水系统是由含水地质体及其输入、输出系统三部分组成，每一部分又由许多要素构成，每个要素又包括一些更小的因子。
我们可把这些要素和因子称作子系统或更低层次的子系统。
一个地下水系统可以有若干个低层次的子系统。
低层次子系统隶属并支撑高层次的子系统或系统。
地下水系统这种相对大小的有序结构称为层次结构，它反映了地下水系统是由大小不等的各种级别的物质所组成的。
如一个地下水系统可以有浅层地下水子系统、中深层地下水子系统和深层地下水子系统，每个子系统又可以包括更低层次的子系统，如孔隙地下水子系统和岩溶地下水子系统等。
每一个子系统既具有独立性又相互联系、相互影响，某一个子系统状态的变化必然会引起相邻子系统状态的变化。
（二）地下水系统的整体性和统一性
地下水系统是由若干子系统组成的。
这些子系统有各自的组成特征及行为方式，但它们必须统一协调于地下水系统的整体之中，必须以地下水系统整体功能达到最优为准则，而不是追求某一子系统的功能最优。
如一个地下水系统有多个开采子系统，应使所有开采子系统的开采状态达到最优，而不是追求某一个开采子系统处于最优状态。
（三）地下水系统与环境
那些处于地下水系统外部，对地下水系统的活动方式和行为有着重要影响的因素称为地下水系统的环境。
地下水系统属于水文系统的一个组成部分，与自然环境、技术经济环境、社会环境有密切的联系。
一方面，环境对地下水系统输入物质、能量和信息，并接受系统对环境的各种输出，维持系统的物质流、能量流和信息流的运动，不断更新交替；另一方面，环境的作用影响地下水系统的结构、有序性和功能。
如图1.1所示的河间地块地下水系统，其地下水面的形状反映地下水系统某一时刻的状态。
雨季地下水面呈不对称凸起，旱季地下分水岭消失，水面由水位高的河流向水位较低的河流一侧倾斜，这种变化是环境，即大气降水与河流在不同季节对该地下水系统的作用不同而造成的。
又如，开采地下水时会形成不断向外扩张的降落漏斗就是人类活动（技术经济环境和社会环境）对地下水系统的影响。
研究地下水系统首先要区分哪些是系统内部的要素，哪些是系统外部的要素。
把系统内部与外部环境分开的界线，称为系统的边界，地下水系统是通过边界与外部环境发生联系的。
三、地下水系统的功能
地下水系统的功能在于接受物质、能量及信息的输入，通过系统的转换（传输）在时间历程中产生相应物质、能量及信息的输出。
例如，大气降水入渗量是物质的输入，会产生相应的地下水流出量为物质输出；含水层上覆载荷的变化是能量的输人，会形成压力水头变化的能量输出。
物质与能量是可以相互转换的，大气降水入渗量是物质的输入，可以产生水头增加，即以能量方式输出。
在输入转换成输出的过程中，地下水系统在水力方面主要有下列四种功能：
l）储存功能。
当外部有输入量进入，系统能够接纳并储存，其能力大小与系统的容积及给水度或储水系数有关。
2）传输功能。
系统的传输功能是联系系统输入和输出的纽带，输入经系统的传输转换为输出。
传输功能强弱与系统的规模及含水介质的导水系数或压力传导系数有关。
传输有两种方式，一种是物质的传输，另一种是能量的传输。
对于地下水系统来说，物质流的传输是其新陈代谢的前提条件。
3）延时功能。
系统在传输过程中，表现出输出对输入有一定时间的滞后，称为延时作用，如大气降水入渗补给承压含水层，有时需数十天甚至数月，承压含水层才表现出水量增加或水头升高。
影响地下水系统延时作用的因素很多，如包气带的厚度、含水率、垂向渗透率、含水层的导水性能等。
4）平滑功能。
当系统接纳输入后，在储存及传输过程中起到“低通滤波”的作用，表现出输出的峰（谷）值比输入的峰（谷）值相对平缓，这就是平滑作用。
例如，当不连续的降水入渗（脉冲式）补给地下水系统时，经过地下水系统的平滑作用呈现出连续的平缓单峰输出。
研究地下水系统的平滑作用，可以对地下水系统的储存功能和调节功能进行评价，平滑作用还可以消除干扰，有利于提取有用信息。
四、地下水系统分析
地下水系统分析就是把一定范围内的地下水，作为一个完整的系统，从整体和全局分析系统与外部环境之间的相互关系，整体与各子系统之间、整体与局部环境之间的相互联系、相互作用及相互制约关系，在此基础上，定量研究地下水的有关问题。
研究地下水系统除采用野外调查、勘探、试验、动态观测等传统的方法外，还需要引进新技术方法，如多平技术、同位素技术（见第十四章）和信息技术。
信息技术是分析地下水系统的重要方法。
把地下水系统看作是一个信息传输、加工处理的转换体系，当地下水系统接受外界物质和能量输入时，经过水文地质实体的作用，会以水位、水量、水质、水温等输出信息反映出来（图1.2）。
外界对地下水系统输入的物质或能量，如降雨人渗、人工抽水或注水等，都会使内部状态发生变化，这种作用称为地下水系统的输入。
输入量是随时间、空间变化的，称为输入变量。
输入变量分为可控变量和非可控变量。
可控变量指可人为控制的变量，如抽水量、注水量等，通过可控变量可控制系统的状态，所以可控变量又称决策变量。
非可控变量指人为不能控制的变量，如降水人渗、潜水蒸发等。
地下水系统因输入而做出的响应称为输出，如水位、流量、水质、水温等。
输出量也是随时间、空间变化的，称输出变量。
输出变量表示系统处于某一状态或状态的改变，也称状态变量。
图1.2
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