水文地质参数获取方法技术规范

GWI-A4水文地质参数获取方法技术要求中国地质调查局2006年3月681适用范围1.1本技术要求专门为“全国地下水资源及其环境问题调查评价”项目(以下简称“项目”)制定。1.2本技术要求详细叙述了各种水文地质参数获取方法、观测试验、数据测试和计算方法，对不同的方法和计算公式的适用条件进行了分析，提出了地下水参数系列化的基本要求。1.3本技术要求可供相关项目中水文地质参数的获取和校正参考使用。2目的在以往调查、研究基础上，重点在地下水强烈开采，使地下水循环和水文地质条件发生显著变化的地区，补充调查地下水参数随相关因素变化的状况，并深入研究参数获取的方法，规范有关地下水参数试验、计算方法和注意事项，完善分区参数系列。3基本原则3.1本项目调查要在以住工作基础上选准工作重点和突破点，坚持“有所为有所不为，缺什么补什么”的原则，对以往资料不能照抄照搬，要注重资料的二次开发。3.2工作中要认真分析和总结近20年来由于气象和水资源开采状况变化，所导致的地下水补给、径流、排泄条件和数据的变化。3.3对所涉及的参数的获取方法、观测试验、测试和计算，以及系列统计组成方面存在的不足加以重新认识，选择急需要解决的主要问题，重点投入补充调查、资料搜集、观测试验和计算工作，做到在继承的基础上有所提高，有所发展。3.4对已有参数或者参数系列进行补充和完善，在地下水主要开采地区初步形成水文地质参数系列。4符号α——降水入渗补给系数；渠系有效利用系数P——降雨量(mm)(年降水量P年，次降水量Px)h——地下水埋深(m)Δh——水位变幅(m)N——降水次数；观测数据系列组数；总频数μ——给水度μ＇——弱含水层重力给水度T——含水层导水系数(m2/d)K——含水层渗透系数(m/d)K＇——弱含水层渗透系数(m/d)Q——抽水井出水量(m3/d)；河渠径流量(m3/d)69ε——潜水蒸发强度ε0——水面蒸发强度L——潜水蒸发极限深度(m)；有效滤水管长度(m)；河渠长度(km)m——潜水综合蒸发系数C——潜水蒸发系数Kz——垂向渗透系数(m/d)Kr——径向渗透系数(m/d)μe——抽水前期含水层弹性释水系数μy——抽水后期含水层弹性释水系数s——越补含水层释水系数sa——弹性释水系数sy——抽水后期水位变动带延迟释水率ss——比弹性释水系数，sa/M，M：含水层厚度s＇——弱透水层释水系数a——含水层压力传导系数(m2/d)k＇/m＇——越流系数(1/d)S——水位降深(m)R——抽水孔影响半径(m)H——含水层厚度(m)rw——抽水孔半径(m)r——观测孔距主孔的距离(m)η——单宽河渠入渗补给系数(包括河渠两侧)η＇——河渠回渗补给系数β——灌溉入渗补给系数F——灌溉面积；蒸发面积；集水面积(km2)M——承压含水层厚度(m)；越流含水层厚度(m)；地下水径流模数(m3/km.a)M＇——弱含水层厚度(m)I——水力坡度W(u)——承压水完整井泰斯井函数5降水入渗补给系数5.1降水入渗补给系数变化规律认识地下水不开采处于完全自然状态时，从长期均衡的角度看。非饱和带厚度和地下水的垂向补给条件基本不变，因而降水入渗补给系数也基本不变。随着地下水开采，潜水和微承压70水水位下降，非饱和带厚度增大，地下水的垂向补给条件发生变化，降水入渗补给系数也随之发生变化。因此分析和研究随着地下水开采程度的增长，降水入渗补给系数的变化规律，对于充分认识潜水和潜水—微承压水的垂向补给变化，充分开发利用潜水和潜水—微承压水，科学地控制地下水的开采，以达到持续利用和保护环境的目的是十分重要的。尤其我国北方地区，地下水开采程度比较高，地下水开采经历了一个长时间发展过程，积累了大量地下水动态等相关资料，为这方面的调查研究创造了有利条件。分析研究的重要内容：（1）年降水量P年、次降水量Px与降水入渗补给量和降水入渗补给系数的相互关系，绘制α～P年、α～PX关系曲线。分区选择历年不同降水量资料及其附近地下水观测点的水位升幅值，求取降水入渗补给系数。并绘制相关曲线图。(注意非饱和带岩性的相似性)；（2）地下水埋深(h)与降水入渗补给系数的相互关系；（3）不同非饱和带岩性条件下，降水入渗补给系数与地下水埋深的相互关系，绘制其相关曲线。如图1所示。图1不同岩性降水入渗补给系数α——地下水埋深(h)相关曲线5.2降水入渗补给系数评估计算方法在长期地下水调查研究实践中已积累了许多方法，但各种方法也有其局限性，实际工作中要了解这些方法的特点、存在问题和相互差异，结合各地区自然条件和已有资料来选择合适的计算方法。5.2.1利用地下水长观动态资料求降水入渗补给系数由于地下水长期观测区在区域上数量多、分布较均匀，各类代表性地区大都设有观测点，因此，用地下水长观动态资料求取降水入渗补给系数是普遍且效果较好的方法。其计算方法主要有二种：（1）年水位升幅累积法，计算年降水入渗补给系数：这个方法的前提是一些平原区地下水侧向流动较缓慢，天然条件下，地下水位升幅完全亚粘土亚砂土细砂中粗砂6543210102030α(％)h(m)71代表了地下水含水层所获得的降水入渗补给。因此年降水入渗补给系数为降水所引起的地下水升幅之和乘以给水度被年降水量除。(1)式中，μ——给水度Δhi——降水引起的次水位升幅N——全年降水次数，iN∑Pi=P年——年降水总量Ni——年内降水引起水位升幅的有效补给的次数，N1N（2）前期影响降水量法：这个方法需要研究程度比较高，尤其适用于非饱和带土壤水运移规律和参数研究比较有基础的地区。方法要求仔细研究历次降水过程和补给，以及前次降水的影响。首先计算次降水入渗量，次降水入渗补给系数，再换算成年降水入渗补给系数。计算公式：1−⋅=∑itaiPkP(2)式中：Pai—前期降水影响量(它概括反映了无效降水量和非饱和带土层含水量对次降水入渗补给量的影响)k——影响系数，取值0.85—0.95，一般取平均值0.9Pi——本次降水量Pi-1——前次降水量t——距本次降水的天数，可由本次降水向前推15～20天次降水入渗补给系数：式中，μ——给水度Δhi——由本次降水入渗补给形成的水位升幅Pi——本次降水量Pai——本次降水的前期降水影响量需要计算年降水入渗补给系数时，须将次降水入渗补给系数换算成年降水入渗补给系数。计算公式如下：年年PhuPhuaiiNiiNiiNii∑∑∑===Δ⋅=Δ⋅=111aiiiiPPhu+Δ⋅=α72∑∑==+Δ⋅=NiaiiNiiPPhu11)(1年α(3)（3）利用动态资料求取降水入渗补给系数注意的问题：z由于地下水在含水层中多年循环和调节补给的结果，地下水资源不完全对应于每年的补给量，而是在一个有代表性的气象周期内平均值的概念。需要进行多年调节计算时，要采用相应频率的降水量数据。年降水量小于400mm以下，降水入渗补给系数将明显减少；z计算时注意分离出非降水因素引起的水位升幅值，如由于河水灌溉引起的水位上升影响等；z地下水长期观测一般为5日一次，也有10日一次的情况。在雨季，这样的间隔对降水入渗补给系数计算影响较大。如果有试验区的日观测资料，可以用日观测资料计算后对5日、10日观测资料计算结果加以修正。5.2.2均衡试验场观测试验求取降水入渗补给系数国土资源部和其它相关行业都曾在各地建设了一些试验场，这些试验场目的不尽相同，但不少试验场都设置有气象和降水入渗观测。收集这些资料对调查地下水补给和确定参数极为重要。地下水均衡研究中，对降水入渗补给和蒸发的观测主要有三种方法：第一种是马里奥特瓶法，第二种是称重法，这两种方法都将降水入渗与蒸发分别观测计算。因此，马氏瓶中接收的水量和称重得到的水量都不能反映自然界地下水在含水层中补给——蒸发作用同时进行所获得的真实补给量和形成的水位升幅降幅。因此只有将相同时间段内降水入渗量减去蒸发量，才能得到真正的降水入渗补给量。第三种方法是非饱和带水分运移观测试验，测量降水通过非饱和带下渗补给潜水的水量，通常通过零通量面法和瞬时流量法试验观测计算获得。以上试验取得的都是点上的年降水入渗系数，用到较大面积的计算分区时，会有差异。5.2.3模型模拟反求降水入渗补给系数求得的降水入渗补给系数经过模型模拟均衡计算，通过几年均衡量的校核，可信度比较高。要注意的是，模型计算所得参数是模型计算中参数分区面上的平均降水入渗补给系数值。开采量数据的准确性对反求参数的大小影响极大，应首先考核开采量的准确性和开采量的年内分配合理性。5.2.4岩溶小泉域排泄量反求降水入渗补给系数对边界比较清楚的全排型岩溶小泉域可以统计泉域内的泉和集中排泄带的泉的流量，除以小泉域内面降水量，求取降水入渗补给系数。此参数可引入区内其它岩溶分布区应用，须注意的是：①泉域内地下水已开采利用时，对野外测定的泉流量要进行地下水开采量还原；②泉域内第四系覆盖薄，降水易渗入到岩溶含水层中，且有农业灌溉的地区，则需注意73计算中应扣除部分灌溉入渗补给量。5.2.5利用观测孔组资料用有限差分法求降水入渗补给系数当区内长期观测孔数量不足或分布不匀时，可以用若干长观孔，或者调查时临时选定若干计算时段，计算孔组，组织短期观测试验后用有限差分法计算降水入渗补给系数。为减少干扰，提高计算精度，计算时段的选择极为重要。一般选择无开采、无灌溉的时段进行为宜。以一个观测孔为中心，与周边若干观测孔可以连成几个三角形，以各三角形的每一边中点所作垂线，交点连成的多边形是观测孔的均衡区，选定Δt计算时段内单位面积垂向补给量W(图2)。（4）式中：μ——给水度Δh1——中心孔在Δt计算段内水位上升值T——导水系数Δt——计算时段A1——中心孔均衡面积ih——任一观测孔平均水位高程1h——中心孔平均水位高程L1i——中心孔与周边任一观测孔i的距离l1i——中心孔与周边各观测孔连线中点垂线组成的泰森多边形的边长用此方法也可计算区域平均蒸发量。当计算期内有开采井时，上述计算公式右端应加一项：(5)式中：m——开采井个数Qp——任一井抽水量A1——中心孔均衡面积aβp——P井与中心孔对边的距离Lβ——中心孔与对边的距离iiiniilLhhATthW1111⋅−⋅−ΔΔ=∑=μ)(1111βββLaAQAaQpmPpmppp⋅=⋅∑∑==图2观测孔均衡区划分图AL1il1iQpL¦Á¦Â¦Â123456p1AL1il1iQpLαββ123456p1图2观测孔均衡区划分74paβ——流量分配系数6用动态资料求取给水度、潜水蒸发系数6.1用阿维扬诺夫经验公式求给水度阿维扬诺夫(С.ф.Аверъянов)公式的基本微分方程为：nLhdtdh)1(0−=⋅εμ(6)式中，μ——给水度dtdh——Δt时间段内潜水水位变化率ε——潜水蒸发强度ε0——水面蒸发强度(统计换算成E601型观测皿值)L——潜水蒸发极限深度h——潜水水位埋深n——经验幂指数，n=1,2,3……通过地中渗透计观测取得的潜水蒸发与地下水埋深关系曲线表明，潜水埋深小于1.5米和大于2.5米时，其关系曲线大体上为直线。因此绝大部分情况下，取n=1是适宜的。即：)1(0Lhdtdh−=⋅εμ（7）6.1.1解析法选择两个蒸发时段，第一时段t1—t2，潜水埋深h1、h2，水面蒸发强度ε01，水面蒸发总量E01，地下水蒸发极限深度L1。第二个时间段t2—t3，对应潜水埋深h2、h3，水面蒸发强度ε02，水面蒸发总量是E02，蒸发极限深度L2，(8)(9)运用(8)(9)两式联立求解。选择计算时段时需注意以下三个条件：①两个时间段内，水面蒸发强度为常数。这样L1、L2才是常数；②两个时段水面蒸发强度相等，ε01＝ε02＝ε0。因此，L1＝L2＝L0，(8)(9)才能联合求解；③昀好选择在水面蒸发强度较大，水位下降较快，水位差较大，且无其他均衡项，水位βββLaapp=1012111lnLEhLhL⋅=−−μ2023222lnLEhLhL⋅=−−μ75降全部按由于蒸发所引起的时间段计算。6.1.2图解法或相关分析法采用n=1，计算时段末水位降值为Δh，地下水埋深用时段始末水位的算