第十章地下水资源量的计算与评价.docx

1、第十章地下水资源量的计算与评价第十章 地下水资源量的计算与评价地下水资源是指有使用价值的各种地下水量的总称，它属于整个地球水资源的一部分。地下水的使用价值包括水质和水量两个方面。它是否能成为有使用价值的资源，首先是由水质决定的。在水质符合利用要求的前提下，看其可资利用的数量有多少。因此，地下水资源评价，应同时进行水质和水量的评价。地下水量的计算和评价比水质评价复杂得多。一般所说的进行地下水资源评价，都是在水质符合要求的前提下，着重对水量进行评价。因此，将地下水的各种量也多称为资源。前章已经讲了水质评价，本章则讨论水量的计算和地下水资源评价。供水水文地质勘察的主要任务之一就是要查明地下水的水质和

2、水量，进行地下水资源评价。地下水量是处在地下水补给与排泄的动平衡中，是随着自然和人为因素的改变而变化的。特别是在大量开采地下水后，会引起地下水补给、排泄条件的改变，给地下水量的准确计算带来不少困难。这就迫使人们去研究不同的计算方法，同时，也出现了对地下水量描述的不同术语或不同分类。l 地下水资源的特点及分类一、地下水资源的特点地下水资源，既不同于矿产资源，也不同于地表水资源，有它自己的特点。主要有：（1）可恢复性：当人工开采地下水时，在多数情况下，只要开采量不超过一定限度，虽然井附近的地下水位要降低，使地下水的储存量暂时减少，但只要停止开采，水位又可逐渐恢复原位，即地下水的储存量又得到了补充。

3、这就是地下水的可恢复性，是与一般矿产资源的重要区别。固体矿产，开一点就少一点，没有恢复补偿性质，石油等液体矿产也是如此。地下水虽然可以不断得到补给和更新，开采后可以补充恢复，但也不是取之不尽、用之不竭的。如果大量超采，也会造成地下水资源的消耗甚至枯竭。（2）系统性（或活动性及与周围环境的密切联系性）：由于地下水与周围环境（气候、水文条件及地质条件等）有密切的联系，所以大都具有流动性或活动性，特别是与地表水联系得更加密切，常常可以互相转化。这种联系反映在含水层的平面和剖面边界条件上，包括地下水的补给和排泄条件。液体矿产虽然也有流动性，但往往要在开采时才表现出来。虽外部环境对其它矿产也有影响，但仅

4、是在地质历史时代中反映出来。考虑到地下水的流动性，可用地下水的流量表示地下水的数量。由于人工开采地下水后，其边界条件可能发生变化，使地下水的流动状态改变，所以地下水的天然流量也不能完全反映地下水可被开采利用的数量。（3）调节性（或储存量的可变性）：地下水在含水层中始终处在不断地补给和消耗的新旧交替过程中。补给和消耗量在不同年份或季节是不同的，特别是补给量随时间变化较大。当补给丰富、大于消耗时，含水层就把多余的水蓄集起来，使地下水的储存量增加；当补给较少或暂时停止时，又可用储存的地下水维持消耗，使储存量减少。储存量的这种可变性，在地下水的补给、径流、排泄及开采过程中均起着调节作用。这种性质是其它

5、矿产资源所不具备的。有的含水盆地具有相当大的调蓄能力。如山西娘子关泉域的调蓄能力有14108m3。利用这一性质，可以进行人工调蓄，增大开采量。二、地下水资源量的分类由于地下水资源具有可恢复性、系统性（流动性）、调节性等特点，所以对地下水量的准确表达较困难，因而出现了许多不同的术语和分类。目前这些术语和分类尚未能统一和完善，有待研究解决。现仅将常用的分类和术语概念简述于下。50一60年代，国内曾广泛采用HA普洛特尼科夫的地下水储量分类（四大储量）。他将地下水储量分为如下四类。动储量：是指单位时间流经含水层（带）横断面的地下水体积，即地下水的天然流量；静储量：是指地下水位年变动带以下含水层（带）中

6、储存的重力水体积；调节储量：是指地下水位年变动带内重力水的体积；开采储量（专水，允许开采量）：是指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至发生水量减少、水质恶化等不良后果。该分类在一定程度上反映了地下水量在天然状态下的客观规律，对我国当时地下水资源评价工作起过一定的作用。但它存在一些需要改进的缺点。许多学者考虑到地下水量的特殊性，认为不宜用“储量”这个术语来描述地下水量，应改用“地下水资源”。有人将地下水资源分为天然资源和开采资源两大类，有人将其分为补给资源、储存资源和开采资源三大类，等等。另一些人认为，“资源”的含意应包括量和质两方面，单纯指水量时用资源来描述不合

7、适，不如直接用地下水的各种量来表达。目前，我国较多的人主张将地下水资源量分为补给量、储存量和允许开采量（或可开采量）三类，既不用储量也不用资源，直接叫作地下水的各种量。下面将重点讨论这种分类。1补给量：补给量是指天然状态或开采条件下，单位时间从各种途径进入该单元含水层（带）的水量（m3/a）。补给来源有降水渗入、地表水渗入、地下水侧向流入和垂向越流，以及各种人工补给。实际计算时，应按天然状态和开采条件下两种情况进行。实际上。许多地区的地下水都已有不同程度的开采，很少有保持天然状态的情况。因此，首先是计算现实状态下地下水的补给量，然后再计算扩大开采后可能增加的补给量。这后一种称为补给增量（或称诱

8、发补给量、激发补给量、开采袭夺量、开采补充量等）。常见的补给增量由下列来源组成。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，使原来属于相邻均衡地段（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。来自地表水的补给增量：当取水工程靠近地表水时，由于开采地下水，使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

9、水体变为补给地下水。这就是开采时地表水对地下水的补给增量。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，或使相邻含水层原来从开采含水层获得越流补给，变为补给开采层。来自相邻地段含水层的增加的侧向流入补给量：由于降落漏斗的扩展，可夺取属于另一均衡地段（或含水系统）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。来自各种人工增加的补给量：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。同时还与采水构筑物的种类、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

10、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，它无非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，则会减少了地表水资源。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

11、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、水交替的主导因素，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。（补给量的计算见动态与均衡）。2储存量：储存量是指储存在单元含水层中的重力水体积（m3）。（1）潜水含水层的储存量，也称为容积储存量，可用下式计算： （VF M）（M含水层厚度）式中：W地下水的储存量（m3）；含水层的给水度（小数或百分数）；V潜水含水层的体积（m3）。（2）承压含水层除了容积储存量外，还有弹性储存量，可按下式计算：式中：W承压水的弹性储存量（m3）；*贮水

12、（或释水）系数（弹性给水度）（无因次）；F承压含水层的面积（m2）；h承压含水层自顶板算起的压力水头高度（m）。由于地下水的水位常常是随时间而变化的，地下水储存量也随时而异。这是由于地下水的补给与排泄不均衡而引起的。地下水的储存量在地下水的运动交替和地下水开采过程中起着调节作用。在天然条件下，地下水的储存量呈周期性的变化，主要有年周期，还有不同长短的多年周期。一般应当计算一年内最大储存量和最小储存量。在开采条件下，如果开采量不大于补给量，储存量仍呈周期性变化；在开采量超过补给量时，就由储存量来补偿这部分超过的开采量，使储存量出现逐年减少的趋势性变化。有人将一定期限内的最小储存量称为永久储存量或

13、静储量。它是在一定周期内不变的储存量。最大与最小储存量之差称为暂时储存量，相当于调节储量。在地下水径流微弱的地区，暂时储存量的数量可以很大，几乎接近补给量，可以将它作为允许开采量。在一般情况下，计算允许开采量时不能考虑永久储存量。如果动用了它，就会出现区域地下水位逐年持续下降的趋势，导致地下水源枯竭。但是，如果永久储存量很大（如含水层厚度大、分布又广的大型贮水构造），每年适当动用一部分永久储存量，使在100年或50年内总的水位降不超过取水设备的最大允许降深也是可以的。例如，美国得克萨斯州高平原地下水源地，主要是消耗静储量来维持开采，据计算，可持续开采4050年。3允许开采量（或可开采量）：允许

14、开采量（或可开采量）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、水质和水温变化在允许范围内、不影响已建水源地正常开采、不发生危害性环境地质现象等前题下，单位时间内从该水文地质单元或取水地段开采含水层中可以取得的水量。其常用的流量单位为m3/d或m3/a等。简言之，地下水允许开采量（或可开采量）指在可预见的时期内，通过经济合理、技术可行的措施，在不引起生态环境恶化条件下允许从含水层中获取的最大水量。（m3/d或m3/a）允许开采量与开采量是不同的概念。开采量是指目前正在开采的水量或预计开采量，它只反映了取水工程的产水能力。开采量不应大于允许开采量；否则，

15、会引起不良后果。允许开采量的大小，是由地下水的补给量和储存量的大小决定的；同时，还受技术经济条件的限制。为了说明这一关系，有必要分析开采量的组成。地下水在开采以前，由于天然的补给、排泄，形成了一个不稳定的天然流场。雨季补给量大于消耗量，含水层内储存量增加，水位抬高，流速增大；雨季过后，消耗量大于补给量，储存量减少，水位下降，流速减小。补给与消耗总是这样不平衡的发展着，形成一个不稳定的天然流场。这种不平衡的发展过程，具有年和多年的周期性。从一个周期的时间来看，这段时间的总补给量和总消耗量是接近相等的；如果不相等，则含水层中的水就会逐渐被疏干，或者水会储满含水层而溢出地表。在人工开采地下水时，增加

16、了一个经常定量的地下水排泄点，改变了地下水的天然排泄条件，即在天然流场上又叠加了一个人工流场。这既破坏了补给、消耗之间的天然动平衡，又力图建立新的、开采状态下的动平衡。在开采最初阶段，由于增加了一个人工开采量，必须减少地下水的储存量，使开采地段水位下降形成一个降落漏斗。随漏斗扩大，流场发生了变化，使天然排泄量减少，促使补给量增加，即为补给增量。在开采状态下，可以用下面水均衡方程表示：式中：Q补开采前的天然补给量（m3d）；Q补开采时的补给增量（m3d）；Q排开采前的天然排泄量（m3d）；Q排开采时天然排泄量减少值（m3d）；Q开人工开采量（m3d）；含水层的给水度；F开采时引起水位下降的面积（

17、m2）；t开采时间（d）；h在t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周期内是近似相等的，即Q补Q排，所以上式可简化为：这个方程表明，开采量实质上是由三部分组成的，即：（1）增加的补给量（Q补），也就是开采时夺取的额外补给量，可称为开采夺取量；（2）减少的天然排泄量（Q排），如开采后潜水蒸发消耗量的减少、泉流量减少甚至消失、侧向流出量的减少等。这部分水量实质上就是由取水构筑物截获的天然补给量，可称为开采截取量。它的最大极限等于天然排泄量，接近于天然补给量；（3）可动用的储存量（），是含水层中永久储存量所提供的一部分。（枯水期抽水）明确了开采量的组成，

18、就可以按各个组成部分来确定允许开采量。讨论：（1）允许开采量中补给增量部分，只能合理地夺取，不能影响已建水源地的开采和已经开采含水层的水量；地表水的补给增量，也应从总的水资源考虑，统一合理调度。（2）允许开采量中减少的天然排泄量，应尽可能地截取，但也应考虑已经被利用的天然排泄量。例如，有的大泉是风景名胜地。由于增加开采后泉的流量可能减小，甚至枯竭，破坏了旅游景观，这也是不允许的。截取天然补给量的多少与取水构筑物的种类、布置地点、布置方案及开采强度有关。如果开采方案不佳，则只能截取部分天然补给量。只有选择最佳开采方案及开采强度，才能最大限度地截取天然补给量。因此，在计算允许开采量时，只要天然排泄

19、量尚未加以利用，就可以用天然补给量或天然排泄量作为开采截取量。（3）允许开采量中可动用的储存量，应慎重确定。首先要看永久储存量是否足够大，再看现时的技术设备最大允许降深是多少，然后算出从天然低水位至区域允许最大降深动水位这段含水层中的储存量，按100年或50年平均分配到每年的开采量中，作为允许开采量的一部分。三、地下水量之间的关系上述地下水各种量之间是相互联系的，并且是不断转化、交替的。永久储存量或叫静储量是指储存水的那部分空间体积始终在含水，并不是说那部分水是永久储存不变的。它仍然会转化为排泄的水流走，再由补给来的水补充，同样参加水循环。只有极少数在特殊条件下形成的地下水，如处在封闭构造中的

20、沉积水，才没有补给、排泄量，而只有静储量。大多数自然条件下的地下水都是由补给量转化为储存量，储存量又转化为排泄量，处在不断的水交替过程中。在开采条件下所取出来的水，都是由储存量中转化来的。由于储存量的减少，可以夺取更多的补给量来补充；同时，又截取了部分天然补给量，则使天然排泄量减少。各量之间的关系可用下面形式表示。天然状态的转化关系：开采状态的转化关系：各种量的数量关系为： 在天然状态下：若在均衡期内，则Q储0，上式变为：Q天补Q天排在开采状态下：式中：Q天补天然补给量；Q天排天然排泄量；Q储储存变化量；Q实开实际开采量；Q允许允许开采量；Q补补给增量；Q排减少的排泄量；Q补合理的开采夺取量；

21、Q储可动用的储存量。由于开采量与补给量的不同关系，可出现三种开采动态类型水源地：稳定型：任何时间Q开Q天补+Q补；调节型：雨季开采量小于总补给量，而旱季开采量可大于总补给量。但在一年或数年期间，累计总开采量仍应小于总补给量，即未动用储存量（静储量）；消耗型：开采量大于总补给量，须动用消耗储存量（静储量）。2 计算地下水允许开采量的主要方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。计算允许开采量的方法，也称为地下水资源评价方法。允许开采量的大小，主要取决于补给量，还与开采的经济技术条件及开采方案有关。由于水文地质条件的差异及不同勘察阶段取得的水文地质资料丰富程度不一，以及对成果的要求精度

22、不同，可采用不同的计算方法。目前，已有计算方法约二三十种。依据不同原则，学者们对众多计算方法作了多种分类。本教材根据计算方法的主要理论基础、所需资料及适用条件，选用了表10l的分类（四类）。在实际勘查中，可据具体条件，选择一种或几种方法进行计算与评价，以相互比较论证与择优。因学时所限，下面只从前三类中选择几种常用方法加以介绍。第四类的方法原理将在第三篇中予以介绍。欲全面了解，请参阅水文地质手册及地下水资源评价等书籍。一、以渗流理论为基础的方法（一）解析法计算地下水资源的解析法，就是用地下水动力学中解析解的公式来计算求得允许开采量的方法。此法在理论上是较严密、精确的。只要介质条件、边界条件和取水

23、条件符合选用公式的假定条件，则计算出来的开采量便是既能取得出来、又有补给保证的水量（稳定流），或可以预报出该条件下开采时的水位变化情况（非稳定流）。但此法在实际运用中也有困难，尽管各种不同条件下的公式很多，但完全符合公式中假定条件的情况却是较少的。例如：介质条件要求均质或简单的非均质，而自然条件常是复杂的非均质；边界条件假定是无限、直线、或简单的几何形态，而自然界常是复杂的边界；补给条件在自然界常是随时间而变化的，在解析法的公式中却难于反映，只能简化为均匀连续的补给，等等。由于实际情况不能完全符合公式的假定条件，所以使严密、准确的解析解也变为近似的了。实际上，除少数情况下（如有河流补给的岸边取

24、水水源地、无垂向补给的大面积承压水及边界简单的水源地等），可以直接运用解析公式计算允许开采量以外，常常是用解析公式计算出开采量（只反映产水能力），再用水均衡法计算补给量来论证其保证程度。1如何选择公式地下水动力学中介绍了许多井流公式，选用时应考虑以下几方面。根据地下水开采动态类型或从水文地质条件分析，判定是采用稳定流公式还是非稳定流公式。自然界大都是非稳定流，但在就地补给条件较好的地区，有似稳定流出现时，选用稳定流公式计算，既简便，又可得到较好的成果。例如在有地表水补给的河谷地区，或在降水丰富、补给条件又好的地区，均可用稳定流公式计算。考虑地下水类型、含水介质性质和边界条件，选择承压水井还是潜

25、水井的公式。依据均质还是非均质，无限边界还是有限边界，有无渗入补给和越流补给等，分别选用不同的公式。根据拟定的开采方案选用相应的公式。考虑取水构筑物的类型、结构、布局、井距等。一般尽量采用完整井互相干扰的稳定流或非稳定流公式计算。也可以采用开采强度法，即概化为单位面积的开采量。现有的各种公式，在有关手册上均能查到。尽管已有很多公式，但还不能完全满足实际的需要。在工作中，可以根据实际情况，运用水动力学的基本原理，研究出新的公式来。2计算步骤（1）首先，通过勘探试验或实验取得计算所需的各种参数，如渗透系数K、含水层厚度M、导水系数T、重力给水度和弹性给水度（或释水系数）*、水头分布H等。（2）其次

26、，拟定开采方案，确定计算公式。可先初步布井，计算后再调整，还可以进行几个方案比较，择优录用。（3）然后，计算开采量，检查水位降。一种方法是计算干扰条件下设计降深的单井出水量，加起来的总和便是开采量。如果是非稳定流，则应计算在一定开采量的条件下中心区水位降深的发展情况，做出一定降深的水位预报。另一种方法是将需水量分配到各个井，再计算几个控制点的水位降深。若水位降深不均匀，则调整各井的开采量，再计算水位降深；或修改布井方案，反复计算，直到每个井的取水能力已充分发挥，各点的水位降又不超过允许下降值时为止。经过反复调整计算，选出最佳方案。（4）最后进行评价。如果计算时已考虑了补给条件，则最后计算出来的

27、开采量便是既取得出来，又有补给保证的允许开采量（稳定型或调节型开采动态），或者是有一定开采期限的可开采量。如果计算时未考虑补给条件，则应再计算该区地下水的补给量，论证开采量的保证程度。还应评价开采后是否会引起环境地质等问题。3实例据冶金部西安勘察公司韩昌彬等资料，勘察区位于内蒙古高原的低山丘陵河谷地带，气候干燥，平均年降水量为222mm，集中在7、8、9三个月内。河谷宽约500m。除雨季外，河床常年干枯。河谷内第四系砂砾石含水层平均厚17m，地下水埋深2m，主要由降水和地表水补给。两侧和底部均为岩浆岩。勘探孔和试验孔的布置如图10一1所示。开采方案是沿河谷中心布置9口井，井距约1km。其布局和

28、映射见图10一2。据勘探试验资料算出井群的总出水量约为5000m3d。在这样的开采条件下，在整个旱季（无降水和河水补给），中心区水位下降多少。步骤1：水文地质条件概化。根据勘探试验取得的各种参数，对水文地质条件进行如下概化。介质条件：由于含水层沿河方向的不均匀性，可分为三个场段，采用不同的参数。表10一2所示。边界条件：把河谷两岸概化为直线平行不透水边界。疏干时间：由于区内每年7、8、9三个月为雨季，有降水和河水补给，故确定疏干时间为365一90275d。步骤2：确定计算公式，计算降深值。根据概化后的水文地质条件，可选用潜水完整井井群干扰非稳定流理论公式来计算：式中：S观测井的水位下降值（m）

29、；H含水层平均厚度（m）；Qi各井抽水量（m3d）；K渗透系数（md）；W(ui)井函数；井函数自变量；ri抽水井（实、虚）至观测井距离（rn）；含水层延迟释水系数；T导水系数（m2d）；t抽水延续时间（d）。将所取得数据代入公式，计算降深值。由于平行边界相距较近，映射次数较多，所以采用表格形式进行计算较方便。例如先计算中心区10号井的降深值。首先，从图上查出各实井和虚井与该井的距离ri，算出ri2，分别乘各场段的，求出ui值；然后，从井函数表查得W(ui)值，再乘以，加起来便可求得，用A表示。最后，计算10号井得降深：计算表的形式如表103所示。计算时取了五次映射，分别对中心区的11号、10

30、号、12号及5号井进行了计算。其降深依次为684、777、680、680m，仅占含水层平均厚度的40一50。步骤3：评价。按开采量为5000 m3d，拟建布局是合理的，可作为允许开采量，在整个旱季才疏干了含水层的40，到雨季是可以补偿回来的。4解析法的适用条件适用于含水层均质和各向同性、边界条件较简单、可概化为计算公式要求的模式。（二）数值法数值法是随着电子计算机的出现而发展起来的，应用十分广泛。从理论上看，尽管它是对渗流偏微分方程的一种近似解，但实际应用中完全可以满足精度要求。它可以解决许多复杂条件下的地下水资源评价问题，应用广泛，是一种较好的方法。在地下水资源评价中常用的数值法有两种，即有

31、限单元法和有限差分法。这两种方法各有利弊。在实际运用中效果差不多。在解题过程中，它们在许多方面都是相似的，都把研究区域剖分成若干网格（有限差分法分为方形、矩形、三角形；有限元法常用三角形），将建立的偏微分方程离散成线性代数方程组，用电子计算机联立求解线性方程组。所不同的是在网格剖分上及线性化的方法上有所差别。在线性化的数学推导中，有限差分法简单易懂，物理意义明确；有限元法较复杂，涉及的数学基础较深。关于其具体的推导过程和详细解题方法以及通用源程序等，将在以后的“地下水流数值模拟”课中讲授，许多专著中对此也均有论述。这里仅对如何运用数值法进行地下水资源评价，按照计算步骤作一概略介绍。步骤1 建立水文地质概念模型在水文地质调查和勘探的基础上，研究分析计算区域的地质、水文地质条件，概化出适用的水文地质概念模型。该模型来源于该区的实际水文地质条件的概化，是选择相应数学模型的依据。概化的主要内容如下：（1）计算范围和边界条件的概化。首先，应明确计算层位，然后据评价要求圈定出计算区的范围。计算区应该是一个独立的天然地下水系统，具有自然边界