第七章地下水资源评价.docx

1、第七章 地下水资源评价第七章 地下水资源评价第一节 概 述“地下水资源”指有利用价值得、本身又具有不断更替能力得各种地下水量得总称,它属于地球整个水资源得一部分。地下水有利用价值必定包括水质与水量两个方面,地下水能够构成资源首先就是因为它有利用价值,这就是由质来决定得;而其来源多少则就是由量来体现。所谓地下水资源评价主要指在水质评价得前提下对水量得评价。地下水资源评价就是供水水文地质勘察得根本性任务,它要求在一定得天然及人工条件下,对地下水水量及水质作出定量评价。其中主要解决两个问题,即符合给定水质条件下得允许开采量与补给得保证程度。 地下水资源评价具体内容包括下列几个方面: 1.地下水水质评

2、价:即根据不同用户得要求,就是否会产生严重恶化等方面得预测。 2.地下水量评价:根据水文地质条件与拟订得需水量,确定开采方案及开采量;并应探讨其补给保正程度以及就是否需要进行人工补给等。 3.开采技术条件得评价:主要指开采期内水位下降值就是否会超过技术允许得范围;地下水对取水构筑物就是否可能出现腐蚀作用以及水井可能得使用年限等。 4.评价开采地下水时可能产生得影响:如对邻近现有得取水工程、其它水利工程经济效益得干扰与地面沉降等。 5.开采时就是否需要特殊得地下水资源保护措施(包括水源地卫生防护措施)。第二节 地下水资源得组成一、地下水资源分类 地下水资源分类得目得不仅仅就是为了进一步弄清地下水

3、资源得一些基本概念,更重要得就是使分类能客观地反映地下水资源形成得基本规律以及它得经济意义,便于我们在实践中对它进行研究与定量评价。正确地进行地下水资源分类,对供水水文地质勘测、试验与长期观察工作有直接得指导意义,同时也就是地下水资源评价得基础理论之一。为此,长期以来国内外不少学者对地下水资源分类进行了不少研究,提出了各种各样分类方案。下面就国内外常见得地下水资源分类作一些简要介绍。 (一)国外地下水资源分类 1.前苏联普洛特尼柯夫储量分类 普氏分类将地下水储量分成静储量、调节储量、动储量与开采储量四大类。前三者合称为天然储量,它表示天然状态下含水层中未经取水设备扰动得地下水总量。 (1)静储

4、量:一般指储存于地下水最低水位以下含水层中得重力水得体积。亦即当含水层全部疏干后所能获得得地下水量,数值上等于含水层得体积与给水度得乘积。 (71)式中:为含水层得给水度;为最低地下水位以下得含水层平均厚度;为含水层得分布面积。 (2)调节储量:指存在于地下水位年变动带(即年最高水位与最低水位之间)内得含水层中重力水得体积,亦即疏干该带时所获得得地下水量。 (72)式中:为地下水位得年变幅;其余符号同前。 (3)动储量:指通过含水层某一横断面上得地下水天然流量。 (73)式中:为含水层得平均渗透系数;为地下水流得平均水力坡度;为过水断面得面积。 (4)开采储量:指在一定得经济技术条件下,使在整

5、个开采期间不发生明显得水量减少或水质恶化等不良现象,用取水工程从含水层中所能开采出来得地下水量。 2.前苏联宾德曼(.)等人提出得地下水储量与资源分类 前苏联宾德曼等人1973年将地下水储量与资源划分为:天然得;人工得;诱导(引入)得;开采得四大类,现分别简述如下: 天然储量(natural reserve):指天然条件下含水层中重力水得体积。承压含水层中由弹性释放而获得得那一部分水量又称弹性储量。 天然资源(natural resources),即在天然条件下通过大气降水入渗、河流得渗透、上覆或下伏含水层得越流以及来自邻区得水平迳流等方式进入含水层中得水量。它可根据含水层水均衡中所有收入项得

6、总与或消耗项得总与来确定。 人工储量(artificial reserve):由灌溉渠道与水库渗漏、灌溉回归水、地下水人工补给等因素储藏在含水层中得水量。 人工资源(artificial resources):利用渠道与水库得渗漏,加强地下水得再补给后能够进入含水层得水量。 诱导资源(drawn resources):当地下水补给区与排泄区(包括人工排泄)一致得情况下,开采后产生或强化河、湖得渗透、相邻(通常就是上部或下部)含水层得越流,同一含水层内分水岭得迁移而使地下水补给增加得那部分水量。 宾德曼认为开采储量(exploitation reserve)与开采资源(exploitation

7、resources)就是同义词。 3.法国得地下水储量与资源分类 法国常称得地下水储量就是指储存于含水层空隙中得重力水体积,就是一个单纯得物理量。而地下水资源就是指从含水层中能提取出来得水量,它不仅与储量有关,而且又受一定技术经济条件得限制,所以资源又赋予经济得概念。研究储量为确定资源服务,由此,她们将地下水储量分为地质储量、天然储量、调节储量及开采储量四类。而把地下水资源划分为理论潜在资源、实际潜在资源与可采资源三种。 4.美国、日本等国家将地下水资源作为水资源得一个组成部分来考虑,她们从地下水资源得开采及管理出发,着重研究开采资源。因开采量常随着地区经济发展需要、采水单位得经济效益、取水设

8、备能力、开采时地下水水质及水量允许变化得范围及法律等各种因素变化而变化,因此它不就是一个常量。根据不同具体条件,各种不同得开采量术语名目繁多。有安全开采量(safe yield)、疏干性开采量(depletive yield)、持续开采量(sustained yield)、延缓常年开采量(deferred perennial yield)、最大常年开采量(maximum perennial yield)等。 (三)我国地下水资源分类 1.1979年供水水文地质勘察规范中得分类方法 我国水文地质工作者通过多年实践,1979年提出地下水资源分类方案,即供水水文地质勘察规范中提出得地下水资源分类。该

9、方案将地下水资源划分为储存量、补给量与允许开采量三大类。 前已指出,地下水就是在不断补给与消耗中形成与发展得。天然状态下,地下水补给与消耗处于不断变化得动平衡中。人工开采以后,地下水从天然动态向开采动态转化,达到开采条件下得新得平衡。所以开采前后,任何时刻任何地段地下水普遍地由补给量、储存量与排泄量三部分组成。 1)补给量:指天然状态或开采条件下,单位时间从下列途径进入含水层(带)得水量:大气降水渗入;地表水渗入;地下水迳流得流入;越流补给;人工补给。补给量通常用单位时间内获得得水体积表示之(如立方米天,或亿立方米年)。 一般说,补给量就是一个变量,它既随外界补给源得变化而不同,又可随排泄基准

10、面或开采量得变化而变化,当补给源与排泄基准面(或开采量)相对稳定时,补给量基本上就是一个常量。补给量根据天然与开采条件得不同,分为“天然补给量”与“开采补给量”两种。前者就是指天然条件下在含水层或含水带中循环流动得地下水量;而后者为开采条件下,地下水补给与循环条件改变后所增加得补给量。“开采补给量”得大小主要决定于取水建筑、补给边界得导水能力、地下水流域得大小与其补给水源得性质等因素。由于人工开采后,增大了井域内得水力坡度,产生比天然条件下更为强烈得地下水循环,因此,绝大多数情况下“开采补给量”比“天然补给量”总要大得多。 2)储存量: 指储存于含水层内水位变动带以下得重力水体积,通常用立方米

11、表示。季节水位变动带内得地下水量就是补给量得一部分,不应计入储存量内。 潜水含水层中,储存量得变化主要反映为水体积得变化,所以称之为“容积储存量”。 (74)式中为潜水含水层内水位变动带以下得体积;为含水层得给水度。而承压含水层中,通过开采减压能释放出来得水量又称“弹性储存量”。 (75)式中为含水层得分布面积;为承压含水层自顶板算起得测压高度;为承压含水层得贮水系数。 3)允许开采量:指通过技术经济合理得取水构筑物,在整个开采期内出水量不明显减少,地下水动水位不超过设计要求,水质与水温变化在允许范围内,不影响已建水源地正常开采,不发生危害性得工程地质现象等前提下,单位时间内从水文地质单元或取

12、水地段中能够取得得出水量。通常用单位时间得水体积表示,如立方米/日。 允许开采量不就是任意得一个量,它代表一定范围均衡单元内得含水层中,单位时间内以最优取水方案可以取出得最大水量。 建国初期,我国曾广泛采用前苏联普洛特尼柯夫1946年提出得地下水储量分类。此分类反映了天然状态下地下水资源组成得一般规律,分类名称简单易记,单项计算也比较方便,因而在当时勘探工作中曾起过一定作用。但经过多年得生产实践,普遍感到该分类中得储量概念与计算原理不能确切地反映地下水得形成与运动规律,特别就是不能反映在开采条件下地下水开采资源得组成及各种组成成分在开采资源中得所起得作用。我国广大水文地质工作者于1979年提出

13、得“供水水文地质勘察规范”地下水资源分类方案具有下列特点: (I)分类抓住了来水过程地下水运动得主要矛盾。补给与排泄或补给与开采就是地下水运动中得一对对立面,储存量在运动中起着某种调节或缓冲得作用,因此补给量、储存量、开采量得划分从量上反映了地下水运动组成得三个基本方面。三个计算量概念明确,关系清楚。 (2)分类突出了地下水补给量得计算,因为补给量就是构成地下水开采资源最基本得组分。同时又注意了开采前后补给与排泄间数量得变化。 (3)由于在开采条件下,分类考虑了地表水与大气降水等对地下水补给得增加量、人工补给量以及排泄得减少量,因此使地下水资源评价成果比过去更接近于实际值。 (4)紧密结合地下

14、水开采方案进行地下水资源评价。 但就是该分类也有一些不足之处。大家知道,补给量、储存量得划分与研究,最终都就是为更确切地获得开采量服务得;但分类对开采量得定义比较概念化,影响允许开采量得众多得因素在实践中常常不能同时考虑。因此有必要针对不同情况对开采量再作进一步研究。其次,分类所提出得各个术语没有规定相应得确定其量得方法,特别就是开采量得计算,这就会在实践中缺少统一得评价标准。 2.地下水资源分类分级标准(GB1521894)中得分类 中华人民共与国国家标准地下水资源分类分级标准(GB1521894)中,将地下水资源划分为允许开采资源与尚难利用资源两类。允许开采资源得含义与供水水文地质勘察规范

15、对允许开采资源得定义相同,这里就不再赘述。 尚难利用得资源就是具有潜在经济意义得地下水资源。指在当前得技术经济条件下,在一个地区开采地下水,将在技术、经济、环境或法规方面出现难以克服得问题与限制,目前难以利用得地下水资源。这此问题有:地下水得补给资源与储存资源有限,在整个开采期出水量得不到保证;建井区或水源地位置偏远,输水工程耗资巨大;含水层埋藏过深,施工水井工程耗资过高;含水层得导水性很差,单井出水量过小;地下水得水质或水温不符合要求;新建水源地对原有水源地采水量或泉水流量产生过大得削减;地下水开采后,将会产生危害性得环境地质问题;建设取水构筑物,在地质或法规方面存在难以克服得问题或限制等。

16、二、地下水资源得组成 一个地下水均衡单元(某一地下水流域、某一储水构造、某一含水层得开采地段等)内,在开采前得某一时段内有如下得地下水均衡式: (76)式中为地下水得天然补给量;为地下水得天然排泄量;为该时段内地下水储存量得变化,储存量增加取正值,减少取负值。从多年平均值考虑,(76)式可以近似地表示为 (77) 地下水开采后,引起了天然状态下补、排关系得变化,补给量增加了,人工排泄量(即开采量)也增加了,而天然排泄量(包括蒸发量,溢出量、地下迳流量等)减少了。因此天然状态得动平衡破坏了,建立了开采条件下新得平衡,这时得地下水均衡式: (78)式中为地下水开采量;为地下水开采状态下得补给量;为

17、地下水开采状态下得排泄量。 开采状态下得与与天然状态下得与之间有下述关系: (79) (710)式中为开采后增加得补给量;为开采后减少得天然排泄量。 将(79)、(710)代入(78)得 考虑到(77),所以可得到 (711) 从上式可以瞧出,地下水得开采量由三部分组成增加得补给量、减少得天然排泄量与含水层所提供得一部分储存量。式(711)中前得负号表示含水层中储存量得减少。现将这三个量分别加以说明如下: 1.增加得补给量:这就是由于开采降深得范围超出了均衡单元得边界,从均衡单元外部被降深场夺取过来得水量。也就就是说,这部分水量在开采以前不属于该水均衡单元,并没有参加均衡单元内部得水量交替,就

18、是开采后才被夺取过来得。它得主要来源包括: (1)夺取得地表水补给;(2)夺取得大气降水入渗;(3)夺取相邻均衡单元含水层得越流补给;(4)夺取均衡单元外含水层中地下水得侧向补给;(5)各种形式得人工补给。 上述各种来源得补给量随着地区不同水文地质条件有所不同,有得地区以地表水补给为主,有得地区又以另一种补给为主。另外,夺取得补给量也并不就是可任意扩大,而常有一定得限度。当地正在开发利用得地表水与相邻均衡单元含水层得水就是不允许任意夺取得,因此,在考虑一个开采区开采后得补给增量时,受着一系列外部条件得约束。 2.减少得天然排泄量:这就是在均衡单元内部被开采降深场截获而不再转向天然消耗得那一部分

19、天然排泄量。例如地下水位由于开采下降而埋深增加,地下水得蒸发量就减少。再则,由于开采,向排泄区得地下迳流量亦有相应得减少等。 3.由于地下水位下降所提供得储存量:对潜水来说就是开采漏斗所提供得容积储存量,对承压水,则为弹性储存量。 过去,一些人主张地下水开采时,储存量不能动用,这就是不合理得。因为这一部分储存量借用后,正如前面所说,它在丰水期可以得到补充。但就是必须指出,借用储存量常有定得限度,即借用后得水位下降值不得超过允许得临界值。 上述组成开采量得三个部分在开采过程中并不就是固定得,在补给条件良好、而且在时间上又较稳定得地方,开采区得降落漏斗扩展到一定程度后,开采量与增加得补给量与减少得

20、天然排泄量之间达到平衡,此时储存量得变化等于零(即0),于就是(711)式变为 (712)地下水位不再下降,漏斗趋向稳定,平衡也趋向稳定,地下水由非稳定流动转向稳定流动,成为稳定型水源地。在一些常年流水得河谷与经常有地表水补给得冲积洪积扇地区,常会出现这种情况。 当补给条件差,增加得天然补给量与减少得天然排泄量不能抵偿开采量时,则需长期消耗储存量。这时,随着开采地下水位持续下降,降落漏斗不断扩大,形成非稳定型水源地。如大型自流盆地集中开采时常常出现这种情况。为了补充消耗了得储存量,可采用人工补给方法,使其达到在某一降深下得稳定得平衡。非稳定型水源地各个量之间得关系仍可用(711)式表达。 当地

21、下水得补给有季节性变化时,不同季节开采量得组成关系不同。枯水季节基本上没有补给,开采时动水位不断下降,降落漏斗逐步扩展,靠消耗一定得储存且维持开采,这时(711)式变为: (713)到丰水季节,补给量增加,促使动水位回升,降落漏斗缩小,储存量得到补充,前取减号(自身为正值),于就是有: (714) 这些靠储存量得调节作用来保证开采量得地区构成了季节性动态型水源地。例如靠降水补给得平原潜水分布区,干旱区间歇性河谷两岸潜水区均就是如此。 如果一个地下水盆地补给量不大,既使储存量很大也就是无源之水,长期开采必然导致含水层疏干。反之,虽然含水体规模不大,储存量有限,但补给量丰富,则开采量便可源源不断地

22、得到补给。第三节 地下水资源评价得原则一、地下水与大气水、地表水综合考虑得原则 在自然界得水循环过程中,地下水、大气水与地表水就是相互联系、相互转化得统水体。它们在长期循环中己形成某种动平衡状态,开采后,这种平衡将被破坏,从而建立起新得动平衡。如果在开采前地表水补给地下水,那么开采后补给量将明显增加;相反,开采前地下水补给地表水,则开采后补给量就会减少,甚至出现反补给得情况。 地下水人工开采后,改变了大气降水入渗条件,开采使地下水埋深增加,常常也增加大气降水得入渗量,使大气水更多地转化为地下水,减少了地表迳流。例如徐州地区辛、沛、铜山三县得黄泛平原,据钱孝星等人资料地下水开采前年平均降水入渗系

23、数为0、20,开采后增加到0、25。 因此,进行地下水资源评价时,必须“三水”统一考虑。充分利用均衡单元内部得水量,合理夺取均衡单元外部得水量。一方面开采地下水时要尽量使更多得大气降水、地表水转为地下水,增加地下水资源;另一方面又要考虑大气降水、地表水转化成地下水后减少当地地表水资源时,不能使其她企业单位经济上受损失,或者超出国民经济用水规划所允许得范围。在干旱、半干旱地区大气降水、地表水贫乏,地下水补给来源少,三水统一规划、合理利用就成为采水中一个应考虑得主要问题。二、地下水质、量、热统考虑得原则 地下水资源包括地下水得水量、水质及水温等。为此,在进行地下水资源评价时必须统一考虑这几个方面。

24、 根据国民经济建设得要求,对地下水量、质、热均有一定得使用标准,不符合水质标准得地下水,即使水量很大,也没有供水得价值。如果确需利用,则应预先进行水质处理,这就不可避免地会增加开采费用;反之,若地下水水质良好,而水量有限,则开采意义亦不大。 不同供水目得,对地下水水质、量、热得要求也不同。城市生活饮用水必须符合生活饮用水卫生规范,而工业用水、农业用水得水质标准总得说来比生活用水要低些。 作为工厂冷却用得地下水,需要较低得水温。而高温热水又可用作工业及民用热源,如农业温室、温泉疗养院等,温度较高得热地下水可用于发电。 地下水中含有某些特殊成分或某些微量元素含量很高时,虽然不能用于供水,但可作为有

25、用矿产资源来考虑。 为此,在进行地下水资源评价时,地下水得质、量、热三者必须统一考虑,充分发挥其效益。另外还需考虑地下水开采后,由于补给条件得改变,地下水质、量、热可能发生得变化,如由于大量开发地下水引起海水侵入,水质恶化,虽然水量有了保证,但就是降低了使用价值,情况严重得会使水源地整个报废。三、地下水补给、储存、排泄统考虑得原则 地下水在天然状态下补给、排泄达到某一动平衡,开采后补给、排泄关系就会改变。进行地下水开采,实际上就就是增加地下水得补给、减少天然排泄为人们取用,很显然进行地下水资源评价时补给、储存、排泄必须同时考虑,才能充分利用当地水资源。 地下水开采量随着不同时期得需水量而有所变

26、化。城市与厂矿企业全年持续生产,但到夏季由于工厂降温用水以及居民生活用水增加,开采量有所增加;农业灌溉用水集中在农灌季节,因此干旱得季节或年分,地下水需水量就激增。 地下水尤其就是浅层地下水得补给,主要来自大气降水得入渗,因此补给量不仅有季节性变化,而且还有年际得变化。在地下水资源评价中必须选择恰当得补给量,在实践中常选用年或多年平均补给量作为评价标准,有时为了国民经济建设得迫切需要,可以连续借用静储量,以期腾出储水空间待丰水年补给恢复。但这里必须注意,一般情况下开采量不可以超过多年平均补给量。这就就是地下水资源评价中以丰补欠、雨季补旱季、丰年补欠年得原则。这一原则尤其对以间歇性开采为特征得农

27、灌用水来说更十分重要。 在地下水资源评价中,除考虑上述天然补给量及开采补给量外,在条件许可时,当然还可考虑人工补给或者采取一定措施减少天然排泄量,以增加地下水可采资源。四、地下水勘察、开采与管理统一考虑得原则 在进行地下水资源勘察工作中,除了对该地区得水文地质条件进行研究外,还必须根据用水单位得需水量选择经济上合理、技术上可能得开采方案。为了更有效得开发利用与保护地下水资源,防止过量开采造成严重后果,又必须考虑地下水资源得统一管理。 根据不同水文地质条件,拟定合理得取水方案,包括地下水水源地选择、井得布局、井距以及水井结构与取水设备得选择等。 地下水资源评价中勘察、开采与开发管理就是一个整体。

28、通过勘察,提出开采方案,进一步再拟订地下水资源管理实施计划,向当地水管理机构提出开发申请。 在地下水大量开发已出现不良后果得地区,地下水得管理工作更显得十分必要。如我国有较长采水历史得上海市,六十年代由于盲目采水造成严重得地面下沉,七十年代以来,逐步加强了管理,包括市区整体采水规划、地下水开采与回灌量得地区分配,长期监测网得建立以及进行不同时期沉降量得预测预报,并在此基础上还制订了地区采水法规,成立相应得权力机构,从而制止了地面沉降得进一步发展。 在浅层水源地,为了保护水质免受污染,还必须考虑卫生防护措施,这也就是地下水管理工作中得重要一环。有些工作在水源勘察阶段就应该着手进行,如地区污染源得

29、调查,污染源在含水层中得弥散规律,自然界得天然净化能力等,当然这些工作必须取得当地卫生部门得配合,才能取得有效得成果。第四节 地下水水质评价地下水得组成成分就是多种多样得,为适用于各种目得,需要规定出各种成分含量得一定界限,这种数量界限称水质标准。国家或地方有关部门规定得各项用水标准,皆就是依据各种实际需要制定得,它就是水质评价得依据。地下水水质评价,应在查明地下水得物理性质、化学成分、卫生条件与变化规律得基础上,以我国现行得水质评价标准作为水质评价得基本准则,结合供水目得、水文地质条件与地区性水质标准,因地制宜得分别对生活用水与工农业用水水质进行评价。一、生活饮用水水质评价随着社会经济发展与

30、人民生活水平提高,对生活饮用水质量得要求越来越高。为此,国家卫生部对1985年制定得生活饮用水卫生标准进行了修改,于2001年6月7日颁布了生活饮用水卫生规范,并于2001年9月1日起执行。其中对生活饮用水水质标准得一些项目作了修改并增加了一些项目,这就是继1984年颁布生活饮用水水质标准16年后跨出得一大步,它为改进居民生活饮用水水质提供了有力保证,为居民生活饮用水水质与国际接轨创造了条件。在规范中,水质指标从原35项增加到了96项,所增加得项目绝大部分完全采用世界卫生组织制定得饮用水水质准则1993年版中规定得项目及限值,并针对我国地面水有机物及藻类污染日益严重得情况,又相应增加了有关项目

31、。为使 规范更具可操作性,根据各项指标得卫生学意义,将96项饮用水水质指标分为常规项目34项、非常规项目62项。新得规范明确规定:生活饮用水就是由集中式供水单位直接供给居民作为饮水与生活用水。这就澄清了一个重要问题,即:不只就是饮水应达到这个水质,生活用水就可以降低到另个水质,而就是生活用水也要求达到这个水质。生活用水中除了冲马桶,洗地,浇灌花草外,象淋浴、洗漱、洗衣也应高要求,因皮肤能吸收水中得有毒有害物质。生活饮用水卫生规范见表1、表2。表7生活饮用水水质常规检验项目及限值项 目限 值感官性状与一般化学指标色浑浊度臭与味肉眼可见物pH总硬度(以CaCO3计)铝铁锰铜锌挥发酚类(以苯酚计)阴离子合成洗涤剂硫酸盐氯化物溶解性总固体耗氧量(以O2计)色度不超过15度,并不得呈现其它异色不超过l度(NTU),特殊情况下不超过5度(NTU)不得有异臭、异味不得含有6、58、5450(mg/L)0、2(mg/L)0、3(mg/L)0、1(mg/L)1、0(mg/L)1、0(mg/L)0、002(mg/L)0、3(mg/L)250(mg/L)250(mg/L)1000(mg/L)3(mg/L),特殊情况下不超过5mg/L毒理学指标砷镉铬(六价)氰化物氟化物铅汞硝酸盐(以氮计)硒四氯化碳氯仿0、05(mg/L)0、005(mg/L)0、0