8 地下水资源量的计算和评价2

一、地下水资源的特征1、动态性：聚集、储存、运动、交替、补给、径流、排泄2、系统性：含水系统、径流系统3、优越性：水质、分布、时空、开采4、储存性5、可恢复性：补充、更新6、过量开采的危害性二、地下水量的分类（一）储量50年代我国采用H.A.普洛特尼科夫的方法，把地下水储量分为动储量、静储量、调节储量和开采储量四类。静储量调节储量△H动储量开采储量动储量是指单位时间流经含水层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中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是指在不发生水量减少、不产生水质恶化等不良后果的条件下，用技术经济合理的取水工程能从含水层中取出的水量（二）量研究地下水存在的形式，应该从开采利用地下水的观点出发。鉴于地下水是运动、变化的，所以除了研究天然地下水运动特征外，还要预测地下水被人工开采后的特征。目前，被较多人所认可的分类是直接按量进行分类，即补给量、储存量和排泄量。数量关系补给量天然补给量开采补给量储存量容积储存量弹性储存量排泄量天然排泄量允许开采量1、补给量补给量是指在天然状态或开采条件下，单位时间从各种途径进入单元含水层(水文地质单元或均衡地段内某一含水层或含水组)的水量，单位为m3/d。按形成的阶段不同，补给量可分为天然补给量和开采补给量。（1）天然补给量天然补给量：在开采扰动以前，在天然条件下存在的补给量，包括：垂向补给和侧向补给两个方面。入渗量越流量流入量流入量流出量蒸发量流出量开采补给量：地下水在开采条件下夺取过来的额外补给量。夺取河水补给越流补给人工补给分水岭外移（2）开采补给量注意：开采补给量是含水层受到开采激化，水动力条件改变后才产生的补给。一般开采规模越大，激化程度越高，可能夺取的开采补给量就越多。开采补给量形成的时间有早有晚，又在开采初期形成，又在开采后期才参与的。又称：激发补给量、诱发补给量、补给增量、开采袭夺量。2、储存量储存量是指储存于单元含水层中的重力水体积，单位m3。按埋藏条件不同，可分为容积储存量和弹性储存量。（1）容积储存量：在大气压力下，含水层空隙所能容纳的重力水体积。（2）弹性储存量：超过大气压的天然压力在降到大气压时，由于承压含水层的弹性压缩和水的弹性膨胀而从承压含水层中释放出来的重力水体积。VWFHW弹地下水补给与排泄的不平衡，使地下水水位和储存虽随时间面变化。补给期，地下水的补给量大于排泄量，多余的水便在含水层中储存起来。H非补给期，地下水的消耗量大于补给量，含水层则减少储存量来满足地下水的排泄。H储存量在地下水的运动和开采中起着调节作用。天然条件下，地下水的储存量呈周期性(年周期和多年周期)变化，一般应当计其一年内的最大储存量和最小储存量。开采条件下，如开采量小于补给量，储存量仍呈周期性变化；开采量大于补给量，储存量就要补偿这部分超过的开采量，出现逐年减少的趋势。补给补给消耗消耗最大储存量最小储存量引入：永久储存量---某一定期限内最小储存量，在一定的周期内不变。暂时储存量---最大储存量与最小储存量之差。最大储存量最小储存量暂时储存量永久储存量暂时储存量3、排泄量消耗量：脱离单元含水层的地下水流量，单位为m3/d。考虑到地下水的开发和利用，将消耗量分为两部分，即天然排泄量和允许开采量。（1）允许开采量允许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、水质和水温在允许范围内变化，以及在不影响已建水源地正常开采、不发生危害性工程地质现象的前提下，单位时间内从单元含水层中取得的水量，常用单位为m3/d、m3/a。简单地说，允许开采量就是合理的取水工程能从含水层中取出来，且不会引起一切不良后果的出水量。注意区别：开采量：是实际开采的水量，反映的是水工程的生产能力。一般情况下，开采量应小于允许开采量，否则会引起不良后果。（2）天然消耗量天然消耗量：开采前或开采后按天然方式冲含水层排出的水量，单位m3/d。应当注意的是，从开采前到开采后，天然消耗量是减少的。蒸发量：降深增大，埋深增大，包气带厚度增大越流排泄量：含水层水位下降，与越流层水头差减小流出量：含水层水位下降，与下游水头差减小开采量的组成开采状态下的均衡方程式tSFQQQQQ开排天排补天补为正天排天补QQ天然状态下开采状态下的开采量tSFQQQ排补开增加的补给量减少的天然排泄量可动用的储存量开采量？允许开采量前-后第二节地下水允许开采量的计算允许开采量的计算方法地下水的允许开采量是地下水资源评价的中心问题。由于水文地质条件不同，已有的水文地质资料丰富程度不同，以及对计算成果要求的精度不同，所以可以采用不同的计算方法。目前已有的计算方法可归纳为：开采试验法、水均衡法、解析法、数值法、相关分析法、水文分析法、电模拟法等。一、开采试验法在选定水源地范围内，按水文地质条件选择合理的布井方案，打探采结合孔(最好在旱季)，井尽可能地按开采条件(开采降深和开采水量)进行较长时间的抽水试验，根据抽水试验的结果确定允许开采量，这种方法就是开采试验法。水流的形态若水流为稳定状态则表明在开采过程中，含水层能够建立新的动平衡，开采的水量小于或等于开采时的补给量，按这样的抽水量开采是有保证的，可作为允许开采量。若水流为非稳定状态，如观测孔中的水位一直持续下降，这表明抽水量大于补给量，并已消耗了储存量，按这样的抽水量开采是没有保证的，不能作为允许开采量。非稳定流抽水试验后期，主井与观测孔中的水位同步下降，这说明抽水量大于补给量。假定没有其它消耗项，则水均衡式为：StFQQ抽开补tSFQQ抽开补移项变形得：以Q开补作为允许开采量即可，但uF难以确定。另一种方法是用不同的抽水流量的水位下降速度，解联立方程求出uF和Q开补。注意：A、因假定Q开补不变，Q抽1和Q抽2不能差别过大，应保证规模相近。B、Q开补过于保守，没有考虑到雨季的补给作用。最好把抽水试验从旱季延续到雨季，这样计算出旱季和雨季各自的开采补给量，然后均分到全年，求得全年的允许开采量。雨季旱季旱雨旱旱补雨雨补允开TTTQTQQ旱季Q抽↑--S↑--Smax求解旱季末最大降深Smax比较旱季末Smax和最大允许降深[Smax]如果Smax[Smax],则取Q允开作为开采量max0SSFTQQ旱允开旱补max0SSFTQQ旱旱补允开开采试验法的特点计算结果（允许开采量）可靠、准确抽水时间较长，花费较多人力物力适用：潜水、承压水、新水源地或旧水源地的扩建，主要是中小型水源地试验外推法该方法适用条件和要求与上面的方法基本相同。其不同之处在于所评价的地区补给条件良好，含水层的导水性强，单井的出水量大。在供水水文地质勘探中，因抽水设备能力有限，抽水量及抽水降深达不到供水期间的要求。这时可进行不少于3次降深的抽水试验，根据Q-S曲线，推断开采条件下的涌水量，这就是试验外推法。由于补给量充足，推断的涌水量可作为设计开采量。该方法主要适用于补给源充足，而需水量较小的供水评价。二、局部补偿疏干法（水均衡法）局部补偿疏干法的应用条件是：蓄水构造的体积不大(范围小，含水层薄)，调蓄能力有限，仅有季节性的补给，雨季时有水补给而无空间储存，旱季开采时又无补给来源。用局部补偿疏干法评价时，必须满足两个要求：可借用的储存量必须能满足旱季连续开采、不能中断；雨季补给除了用于当时的开采，多余的补给量必须能把旱季借用的储存量全部补偿回来，而不是部分补偿。局部补偿疏干法的计算步骤1、计算旱季（疏干）的最大允许开采量（1）求uF（2）求Q允开（3）求V疏干2、计算雨季（补偿）补给量（1）根据抽水资料计算雨季水位回升速率（3）求全年的平均补给量Q补（2）计算雨季补给的总水量V补（4）求雨季的补偿体积V补偿补偿前一个旱季的消耗量局部补偿疏干法的计算步骤3、评价若Q补≥Q允开，V补偿≥V疏干，以Q允开作为允许开采量；若Q补＜Q允开，V补偿＜V疏干，则以Q补作为允许开采量例如Q补=1983.4m3/d＞Q允开=1841.2m3/dV补偿=553684.1m3＞V疏干=465840m3可以取Q允开=1841.2m3/d作为允许开采量三、解析法根据水文地质条件和布井方案，选用地下水动力学中相应的井流公式计算各个井的涌水量，加起来就是开采量，只要没有不良后果发生，这个水量就是允许开采量。解析法在理论上是较严密的，但由于实际条件非常复杂，往往要经过水文地质条件的概化和简化后才能选用有关公式，所以实际上解析法求出的结果也是近似的。解析法计算步骤：第一步，利用勘察试验资料确定计算所需的水文地质参数，如渗透系数K、导水系数T、导压系数a等。第二步，根据水文地质条件进行边界概化，同时依需水量拟定开采力案，选择公式。第三步，按设计的单井开采量、开采时间计算各井点特别是井群中心的水位降深。如果各井的水位降深均符合设计要求，则说明开采方案满足设计要求，否则应重新调整各井的抽水量。解析法注意：①采用稳定井流公式还是非稳定井流公式；②根据地下水类型、含水介质性质和边界条件选择承压水井或潜水井的公式，均质还是非均质，无限边界还是有限边界等；③按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。四、数值法数值法是指在将研究区域和时间进行离散化的基础上，把原地下水流偏微方程的定解问题转化为求解某一线性代数方程组的问题，并由此求出未知量在离散点的近似值。尽管数值法求出是近似解，但从地下水资源评价和预测及矿井涌水量计算的实际目的来看，这些近似解是完全能满足要求的，并且数值法在处理含水层的非均质性和水文地质边界的不规则性等方面具有相当大的灵活性。目前，地下水资源评价和预测中应用的数值法有三种：有限差分法、有限单元法、边界元法。1、有限差分法有限差分法的基本思想是，用渗流区内有限个离散点的集合代替连续的渗流区，在这些离散点上用差商近似地代替微商，将微分方程及其定解条件化为各离散点上的代数方程(称之为差分方程)，然后求解差分方程，从而得到微分方程的解在离散点上的近似值。基本原理：将某点处的水头函数的导数用该点和其几个相邻点处的水头值及其间距近似表示。如：xHHdxdHiii12．有限单元法有限单元法是求解偏微分方程定解问题一种有效的数值方法。与有限差分法相同，用有限单元法求解地下水流动问题时，也是通过区域剖分和插值方法将描述地下水流动的定解问题化为代数方程组进行求解的，依据建立代数方程组的途径不同，有限单元法又分为迦辽金法和里兹法。里兹有限单元法是以变分原理和剖分插值为基础，而迦辽金有限单元法是以加权剩余法和插值为基础。前者便于误差估计和收敛性讨论，但对某些问题却很难找到和它对应的泛函极值问题；后者不便于误差分析等理论的研究，但不需要寻找相应的泛函形式。尽管两者的数学推导过程不同，但求解过程是相同的。求解过程一般的地下水问题的有限单元法求解过程大致如下：(1)剖分插值。即把求解区域从几何上剖分为点元、线元、面元或体元，然后按单元分别插值，从而形成总体插值。剖分的形式很多，如可剖分为三角形、矩形或四边形、六面体单元等。插值可以根据需要采用线性插值、二次或三次插值等。因此有限单元法有很大的灵活性，可以适应复杂的水文地质条件。(2)建立单元渗透矩阵和总渗透矩阵。找出每一单元的结点变量之间的相互关系，形成单元渗透矩阵。所有单元渗透矩阵组合，形成总渗透矩阵。(3)用适当的算法求解线性方程组。3、数值法评价地下水资源的步骤(1)水文地质条件分析①含水介质条件查明含水层在空间的分布形状、含水介质厚度的变化、含水层透水性、储水性的变化情况，做出含水层非均质分区图，即根据渗透系数仔和贮水系数进行分区；查明主含水层与其他含水层的水力关系，是否有天窗、断层等沟通，还要查明弱透水层及相邻含水层的空间分布和厚度的变化。②水的流动条件查明是承压水还是无压水流，或是承压转为无压区域；是层流还是紊流；是