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”指有利用价值的、本身又具有不断更替能力的各种地下水量的总称，它属于地球整个水资源的一部分。地下水有利用价值必定包括水质和水量两个方面，地下水能够构成资源首先是因为它有利用价值，这是由质来决定的；而其来源多少则是由量来体现。所谓地下水资源评价主要指在水质评价的前提下对水量的评价。地下水资源评价是供水水文地质勘察的根本性任务，它要求在一定的天然及人工条件下，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的允许开采量和补给的保证程度。地下水资源评价具体内容包括下列几个方面：1．地下水水质评价：即根据不同用户的要求，是否会产生严重恶化等方面的预测。2．地下水量评价：根据水文地质条件和拟订的需水量，确定开采方案及开采量；并应探讨其补给保正程度以及是否需要进行人工补给等。3．开采技术条件的评价：主要指开采期内水位下降值是否会超过技术允许的范围；地下水对取水构筑物是否可能出现腐蚀作用以及水井可能的使用年限等。4．评价开采地下水时可能产生的影响：如对邻近现有的取水工程、其它水利工程经济效益的干扰和地面沉降等。5．开采时是否需要特殊的地下水资源保护措施(包括水源地卫生防护措施)。第二节地下水资源的组成一、地下水资源分类地下水资源分类的目的不仅仅是为了进一步弄清地下水资源的一些基本概念，更重要的是使分类能客观地反映地下水资源形成的基本规律以及它的经济意义，便于我们在实践中对它进行研究和定量评价。正确地进行地下水资源分类，对供水水文地质勘测、试验和长期观察工作有直接的指导意义，同时也是地下水资源评价的基础理论之一。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。下面就国内外常见的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、动储量和开采储量四大类。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的地下水总量。（1）静储量：一般指储存于地下水最低水位以下含水层中的重力水的体积。亦即当含水层全部疏干后所能获得的地下水量，数值上等于含水层的体积与给水度的乘积。hFQ)(静(7-1)式中：为含水层的给水度；h为最低地下水位以下的含水层平均厚度；F为含水层的分布面积。（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）内的含水层中重力水的体积，亦即疏干该带时所获得的地下水量。hFQ)(调(7-2)式中：h为地下水位的年变幅；其余符号同前。（3）动储量：指通过含水层某一横断面上的地下水天然流量。KJQ)(动(7-3)式中：K为含水层的平均渗透系数；J为地下水流的平均水力坡度；为过水断面的面积。（4）开采储量：指在一定的经济技术条件下，使在整个开采期间不发生明显的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的地下水量。2．前苏联宾德曼(Н．Н．Биндеман)等人提出的地下水储量和资源分类前苏联宾德曼等人1973年将地下水储量和资源划分为：①天然的；②人工的；③诱导(引入)的；④开采的四大类，现分别简述如下：天然储量(naturalreserve)：指天然条件下含水层中重力水的体积。承压含水层中由弹性释放而获得的那一部分水量又称弹性储量。天然资源(naturalresources)，即在天然条件下通过大气降水入渗、河流的渗透、上覆或下伏含水层的越流以及来自邻区的水平迳流等方式进入含水层中的水量。它可根据含水层水均衡中所有收入项的总和或消耗项的总和来确定。人工储量(artificialreserve)：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的水量。人工资源(artificialresources)：利用渠道和水库的渗漏，加强地下水的再补给后能够进入含水层的水量。诱导资源(drawnresources)：当地下水补给区与排泄区(包括人工排泄)一致的情况下，开采后产生或强化河、湖的渗透、相邻(通常是上部或下部)含水层的越流，同一含水层内分水岭的迁移而使地下水补给增加的那部分水量。宾德曼认为开采储量(exploitationreserve)与开采资源(exploitationresources)是同义词。3．法国的地下水储量和资源分类法国常称的地下水储量是指储存于含水层空隙中的重力水体积，是一个单纯的物理量。而地下水资源是指从含水层中能提取出来的水量，它不仅与储量有关，而且又受一定技术经济条件的限制，所以资源又赋予经济的概念。研究储量为确定资源服务，由此，他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的一个组成部分来考虑，他们从地下水资源的开采及管理出发，着重研究开采资源。因开采量常随着地区经济发展需要、采水单位的经济效益、取水设备能力、开采时地下水水质及水量允许变化的范围及法律等各种因素变化而变化，因此它不是一个常量。根据不同具体条件，各种不同的开采量术语名目繁多。有安全开采量(safeyield)、疏干性开采量(depletiveyield)、持续开采量(sustainedyield)、延缓常年开采量(deferredperennialyield)、最大常年开采量(maximumperennialyield)等。(三)我国地下水资源分类1．1979年《供水水文地质勘察规范》中的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的地下水资源分类。该方案将地下水资源划分为储存量、补给量和允许开采量三大类。前已指出，地下水是在不断补给和消耗中形成和发展的。天然状态下，地下水补给和消耗处于不断变化的动平衡中。人工开采以后，地下水从天然动态向开采动态转化，达到开采条件下的新的平衡。所以开采前后，任何时刻任何地段地下水普遍地由补给量、储存量和排泄量三部分组成。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)的水量：①大气降水渗入；②地表水渗入；③地下水迳流的流入；④越流补给；⑤人工补给。补给量通常用单位时间内获得的水体积表示之(如立方米／天，或亿立方米／年)。一般说，补给量是一个变量，它既随外界补给源的变化而不同，又可随排泄基准面或开采量的变化而变化，当补给源和排泄基准面(或开采量)相对稳定时，补给量基本上是一个常量。补给量根据天然和开采条件的不同，分为“天然补给量”和“开采补给量”两种。前者是指天然条件下在含水层或含水带中循环流动的地下水量；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的补给量。“开采补给量”的大小主要决定于取水建筑、补给边界的导水能力、地下水流域的大小和其补给水源的性质等因素。由于人工开采后，增大了井域内的水力坡度，产生比天然条件下更为强烈的地下水循环，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的重力水体积，通常用立方米表示。季节水位变动带内的地下水量是补给量的一部分，不应计入储存量内。潜水含水层中，储存量的变化主要反映为水体积的变化，所以称之为“容积储存量”储Q。VQ储（7-4）式中V为潜水含水层内水位变动带以下的体积；为含水层的给水度。而承压含水层中，通过开采减压能释放出来的水量又称“弹性储存量”储Q。FShQ储（7-5）式中F为含水层的分布面积；h为承压含水层自顶板算起的测压高度；S为承压含水层的贮水系数。3）允许开采量：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明显减少，地下水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，不发生危害性的工程地质现象等前提下，单位时间内从水文地质单元或取水地段中能够取得的出水量。通常用单位时间的水体积表示，如立方米/日。允许开采量不是任意的一个量，它代表一定范围均衡单元内的含水层中，单位时间内以最优取水方案可以取出的最大水量。建国初期，我国曾广泛采用前苏联普洛特尼柯夫1946年提出的地下水储量分类。此分类反映了天然状态下地下水资源组成的一般规律，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。但经过多年的生产实践，普遍感到该分类中的储量概念和计算原理不能确切地反映地下水的形成和运动规律，特别是不能反映在开采条件下地下水开采资源的组成及各种组成成分在开采资源中的所起的作用。我国广大水文地质工作者于1979年提出的“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的主要矛盾。补给与排泄或补给与开采是地下水运动中的一对对立面，储存量在运动中起着某种调节或缓冲的作用，因此补给量、储存量、开采量的划分从量上反映了地下水运动组成的三个基本方面。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的计算，因为补给量是构成地下水开采资源最基本的组分。同时又注意了开采前后补给与排泄间数量的变化。(3)由于在开采条件下，分类考虑了地表水和大气降水等对地下水补给的增加量、人工补给量以及排泄的减少量，因此使地下水资源评价成果比过去更接近于实际值。(4)紧密结合地下水开采方案进行地下水资源评价。但是该分类也有一些不足之处。大家知道，补给量、储存量的划分与研究，最终都是为更确切地获得开采量服务的；但分类对开采量的定义比较概念化，影响允许开采量的众多的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，分类所提出的各个术语没有规定相应的确定其量的方法，特别是开采量的计算，这就会在实践中缺少统一的评价标准。2．《地下水资源分类分级标准》（GB15218-94）中的分类中华人民共和国国家标准《地下水资源分类分级标准》（GB15218-94）中，将地下水资源划分为允许开采资源和尚难利用资源两类。允许开采资源的含义与《供水水文地质勘察规范》对允许开采资源的定义相同，这里就不再赘述。尚难利用的资源是具有潜在经济意义的地下水资源。指在当前的技术经济条件下，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的问题和限制，目前难以利用的地下水资源。这此问题有：地下水的补给资源和储存资源有限，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；含水层的导水性很差，单井出水量过小；地下水的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的削减；地下水开采后，将会产生危害性的环境地质问题；建设取水构筑物，在地质或法规方面存在难以克服的问题或限制等。二、地下水资源的组成一个地下水均衡单元(某一地下水流域、某一储水构造、某一含水层的开采地段等)内，在开采前的某一时段内有如下的地下水均衡式：储排补QQQ（7-6）式中补Q为地下水的天然补给量；排Q为地下水的天然排泄量；储Q为该时段内地下水储存量的变化，储存量增加取正值，减少取负值。从多年平均值考虑，(7-6)式可以近似地表示为排补QQ（7-7）地下水开采后，引起了天然状态下补、排关系的变化，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。因此天然状态的动平衡破坏了，建立了开采条件下新的平衡，这时的地下水均衡式：储排补开QQQQ(7-8)式中开Q为地下水开采量；补Q为地下水开采状态下的补给量；排Q为地下水开采状态下的排泄量。开采状态下的补Q和排Q与天然状态下的补Q和排Q之间有下述关系：补补补QQQ（7-9）排排排QQQ（7-10）式中补Q为开采后增加的补给量；排Q为开采后减少的天然排泄量。将（7-9）、（7-10）代入(7-8)得储排排补补开Q）QQ（）QQ（Q考虑到(7-7)，所以可得到