第3章 水资源量评价1.ppt

水资源的形成地表水资源量评价地下水资源量评价 内容提要 第三章水资源量评价 第三章水资源量评价 水资源量的评价是水资源开发利用的很重要一个方面 其目的在于合理确定区域水资源的数量和可开采量 水资源评价是保证水资源持续发展的的前提 是水资源开发利用的基础 水资源评价包括水资源数量评价 水资源质量评价 水资源利用评价及综合评价 地表水水资源的形成与分类降雨径流蒸发地下水的形成与运动 水资源的形成 3水资源量评价 水资源的形成 水资源的分类 降水 是水资源的主要收入项 对区域水资源起决定作用径流 影响可取用的水量及其变化蒸发 出项 是影响区域水资源数量的因素之一 水资源变化量 S P R入 E R出 影响区域水资源量的要素 总的来讲 水资源可分为地表水和地下水两大类 地表水 主要包括 江 河 湖 库和海洋地下水 主要包括 潜水 层压水 上层滞水 3水资源量评价 降水 降水决定区域水资源的数量和时间 空间分布 对水资源的利用和保护起决定作用 由于降水量在时间分布上往往不均匀 所以 常用下面两个指标表示降水量的变化 年降水量的极值比Ks Xmax XminKs值反映了降水的年际变化情况 Ks值越大 年际变化越大 否则 越小 年降水量的变差系数Cv xCv值反映降水的年际变化情况 主要反映多年降水的离散度 Cv值越大 表示降水量的年际变化越大 3 1水资源的形成 3水资源量评价 降水 空间分布 西南 东南多 西北少 变差系数较大 河流年际变化有丰枯交替的特点 降水 3 1水资源的形成 3水资源量评价 径流 河流的补给类型 河流根据其补给类型可以分为 1 雨水补给型 受降水的年际和年内分配影响大 2 地下水补给型 经过调节 季节性变化较小 3 冰川 溶雪水补给型 季节性显著 在我国比重小 3 1水资源的形成 3水资源量评价 径流 径流的时空分布 径流的区域分布全国从东南向西北递减径流的动态变化年径流量的多年变化一般用年径流量的变差系数CV来表示 一般而言CV值的大小按补给类型顺序为 降水补给型 冰川融雪和降水混合型 地下水补给河流径流的年内变化 季节变化取决于补给来源和变化规律降水补给型 地下水补给河流 3 1水资源的形成 3水资源量评价 径流 河川径流的表示方法 表示径流的特征值主要有 流量 Q 单位时间内通过河流断面的水量 径流总量 W 某时段通过某断面的总水量 径流模数 M 系指单位流域面积上平均产生的流量 径流深度 Y 某时段测站以上流域面积上的平均总径流量 水层厚度 单位为mm 径流系数 同一时段内流域面积上的径流深度与降水量的比值 3 1水资源的形成 3水资源量评价 蒸发 蒸发 蒸发主要包括水面蒸发和陆面蒸发 1 水面蒸发水面蒸发主要反映当地的大气蒸发能力主要影响因素 气温 湿度 日照 辐射 风速等 3 1水资源的形成 3水资源量评价 蒸发 蒸发 2 陆面蒸发陆面蒸发主要是指某地区或流域内河流 湖泊 塘坝 沼泽等水体蒸发 土壤蒸发以及植物蒸腾量的总和 即陆地实际蒸发量 陆面蒸发量 流域平均降水深 流域平均径流深影响因素 降水量 蒸发能力 区域气候 我国陆面蒸发量的分布趋势和年降水量一样 由东南向西北递减 3 1水资源的形成 3水资源量评价 蒸发 蒸发 干旱指数的概念和含义 干旱指数 是衡量一个地区降水量多寡 进行水资源分析的一个重要参数 其定义为某一地区年水面蒸发量E0与年降水量P的比值 E0 P 1 表示气候偏干旱 越大 越偏干旱 反之越湿润我国干旱指数y在地区上的变化范围很大 最低值小于0 5 如长江由南 东南沿海等地 最大值可大于100 如吐鲁番盆地托克逊站 干旱指数高达318 9 3 1水资源的形成 3水资源量评价 蒸发 蒸发 3 1水资源的形成 3水资源量评价 地下水的形成和运动 地下水分类 1 地下水的定义 1 地下水定义 埋藏在地表以下空隙中的水称之为地下水 1 岩石的空隙性 1 十分致密坚硬的花岗岩 其裂隙率也达0 02 一1 9 2 空隙的多少 大小 形状 连通情况与分布规律 对地下水的分布与运动具有重要影响 3 分类 空隙描述 孔隙度 裂隙度 溶隙度 水资源量评价 3 1水资源的形成 松散岩石颗粒间的空隙 称为孔隙 松散岩土平均孔隙度 裂隙是指固结的坚硬岩石 沉积岩 岩浆岩和变质岩 在各种应力作用下破裂变形而产生的空隙裂隙的方向 宽度 延伸长度 充填情况等 对水的运动具有重要影响 溶隙可溶的沉积岩 岩盐 石膏 石灰岩 白云岩等 在地下水溶蚀下产生的空洞 溶隙 穴 的规模十分悬殊 大的溶洞长达几十公里 而小的溶孔直径仅几毫米 岩溶发育带岩溶率可达百分之几十 而其附近岩石的岩溶率几乎为零 岩石中水的存在形式 根据水在空隙中的物理状态 水与岩石颗粒的相互作用等特征 一般将水在空隙中存在的形式分为五种 即 结合水 依靠静电引力和表面力在岩石表明形成薄膜 不能自由运动 与岩石性质有关 颗粒越细 表面越大 结合水越多 重力水 当薄膜厚度增加 表面力减弱 重力大于表面力 形成重力水 可自由运动 是我们关注的重点 毛细水 地下水面以上岩石孔隙中由于毛细作用 形成一定高度毛细水带 固态水 土壤冰冻层内的水 气态水 地下水面以上岩石孔隙中的水蒸气 地下水的形成和运动 水资源量评价 3 1水资源的形成 地下水的形成和运动 地下水分类 2 含水层和隔水层的概念 能够储存并给出一定量水的岩层称为含水层不具透水和给水能力的岩层称为隔水层 两者界限并不绝对 没有绝对不透水的岩层 水资源量评价 3 1水资源的形成 地下水的形成和运动 地下水分类 按埋藏条件可以分为潜水 承压水 上层滞水 含水层 能够透过并给出相当数坛水的岩层 隔水层 是指不具透水和给水能力的岩层两者的区分不是绝对的 形成含水层的条件 1 岩层要具有能容纳重力水的空隙 2 具有储存和聚集地下水的地质条件岩层下有隔水层 使水不能向下漏失 水平方向有隔水层阻挡 以免水全部流空 只有这样才能使运动在岩层空隙中的地下水长期储存下来 并充满岩层空隙而形成含水层 3 具有充足的补给来源 水资源量评价 3 1水资源的形成 3 地下水类型的概念地面以下土层可以分为包气带和饱水带 包气带土层中含有空气 没有被水充满 其中含的水叫做土壤水 饱水带土壤空隙被水充满 含水量达到饱和 饱水带中的水即为地下水 地下水的分类特点 包气带与饱水带 分带特征 水井 土壤水带 中间带 毛细水带 饱水带SaturatedZone 包气带VadoseZone 地下水面 包气带与饱水带 包气带 VadoseZone 水的类型 水井 饱水带 结合水孔角毛细水 悬挂毛细水 支持毛细水空隙空气中的气态水局部滞留重力水 包气带与饱水带 包气带 VadoseZone 的特征 水井 饱水带 大气降水 地表水体的下渗 补给饱水带 蒸发 蒸腾 向上渗流 地下水蒸发 厚度变化 地下水类型组合 上层滞水 潜水 承压水 上升泉 隔水层 隔水层 透 水 层 测压水位 潜水位 潜水位 地下水的分类特点 地下水的形成和运动 水资源量评价 3 1水资源的形成 地下水的分类特点 1 上层滞水A 包气带中局部隔水层之上具有自由水面的重力水 B 其含水层厚度不大 只形成暂时性积水 C 因为补给完全靠大气降水和地表水补给 因此水量受季节性影响非常明显 有时甚至完全被蒸发掉 应用 因此当隔水层范围小时 干旱季节干枯无水 只有隔水层范围大时才可以做小型水源 但因接近地表 容易被污染 潜水 泉 地表水 隔水层 含水层 埋深 含水层厚度 可变 三维流动 2 潜水饱水带中第一个具有自由表面的水带 特征 A 具有自由表面B 由高水位向低水位流动C 分布区与补给区一致 通过包气带与地表相连 D 水位 流量 化学成分随地区 时间不同而不同 应用 分布范围广 补给来源广 地表河流 大气降水 凝结水等 含量丰富 埋藏浅 易开采 但因含水层之上无连续隔水层分布 故水体易污染和蒸发 地下水的分类特点 潜水的水力特征图潜水的等水位线图 平面流向图 1 可以判断与地表水的关系 补给还是排泄 2 判断地下分水岭的分布位置 在哪里 与地形是否吻合 隔水层 承 压 水 潜水 3 承压水充满于上下两个稳定隔水层之间的含水层中的重力水 特征 A 有稳定的隔水顶板存在 无自由水面 水体承重静水压力 与有压管道水流相似 B 埋藏区与补给区不一致 C 较深 受水文气象 人为因素 季节因素影响小 是理想的水源 D 补给 外露地表时主要靠降水 地表水 上部潜水渗流补给 地下水的分类特点 潜水与承压水相互转化 天然条件下的转化所有的承压水归根到底都是由潜水转化而来的 承压水从补给区到排泄区 一般经历的转化过程为 潜水 承压水 潜水 基岩 强透水层 弱透水层 承压水 潜水 潜水 山前平原区地下水 潜水与承压水相互转化 人工条件下的转化承压水被开采 测压水位降低到顶板以下 则转化为潜水 天然地下水位 开采后地下水位 承压水 潜水 潜水 承压水 6 以下关于地下水类型的叙述中 错误的是哪一项 A 隔水层上具有自由水面的地下水为潜水 B 能从地面自然涌出的地下水为泉水 C 通过管井从承压水层中喷出地面的地下水为自流水 D 在岩溶裂隙中所含的地下水为岩溶裂隙水解析 A 潜水除了A中所述外 还要具体 靠近地面的第一个 这个特点 由自然界的水循环可知 地下水运动既是自然界水的大循环的一个重要的有机组成部分 同时又独立地参与自身的补给 径流 排泄的小循环 我们将地下水这种补给 径流 排泄无限往复进行 称为地下水的循环 这几个过程是紧密联系在一起的 是形成地下水运动的一个完整 不可分割的过程 地下水的形成和运动 地下水的循环 水资源量评价 3 1水资源的形成 1 地下水的补给来源 大气降水 地表水 人工补给 除此之外 在一些高温干旱沙漠地区 大气凝结水也可为主要补给来源 2 地下水的排泄途径 泉 河流 蒸发 人工排泄 3 地下水的径流 地下水在地下迁移运动的过程称为地下水的径流 地下水的形成和运动 地下水的循环 水资源量评价 3 1水资源的形成 地下水的循环的特点 地下水径流的特点主要有 流速缓慢 通常将其成为渗流多以层流状态为主 只有在一些大的裂隙和溶隙及人工开采构筑物流量集中的地方会出现紊流状态 非稳定 缓变流运动 地下水的形成和运动 水资源量评价 3 1水资源的形成 地下水的循环的特点 地下水径流的规律通常用 达西线性渗透定律 V KJ Q KJA 适用 雷诺数1 10或非线性渗透定律 紊流 哲才公式 V KJ1 2层流 紊流 斯姆莱公式 V KJ1 m 地下水的形成和运动 水资源量评价 3 1水资源的形成 2 地下水运动的基本规律地下水运动的基本规律又称渗透的基本定律 在水力学中已有论述 二 地下水运动的特点及其基本规律 1 线性渗透定律线性渗透定律反映了地下水层流运动时的基本规律 是法国水力学家达西建立的 称为达西定律 即 上式又可表示为 式中v 渗透速度 m d J 水力坡度 单位渗流途径上的水头损失 无量纲 达西定律 Darcy sLaw 适用于层流状态渗透流速与水力梯度成正比 h 土样 Q L Q 2020年2月3日 42 式表明渗透速度与水力坡度的一次方成正比 因此称为线性 直线 渗透定律 渗透系数K是反映岩石渗透性能的指标 其物理意义为 当水力坡度为1时的地下水流速 过去许多资料都称达西公式是地下水层流运动的基本定律 其实达西公式并不是对所有的地下水层流都适用 而只有当雷诺数小于1 10时地下水运动才服从达西公式 测试题 在实验室中 根据达西定律测定某种土壤的渗透系数 将土样装在直径d 30cm的圆筒中 在90cm的水头差作用下 8小时的渗透水量为100L 两测压管的距离为40cm 该土壤的渗透系数为 A0 9m dB1 9m dC2 9m dD3 9m d 地表水水资源的形成与分类降雨径流蒸发地下水的形成与运动 地表水资源量评价 水资源量评价 地表水资源包括河流 湖泊 冰川等 地表水资源量包括这些地表水体的动态水量 地表水资源量的评价对于了解地表水资源的状况 合理确定地表水资源开采量具有重要意义 由于河流径流量是地表水资源的最主要组成部分 因此在地表水资源评价中常用河流径流量表示地表水资源量 地表水资源评价 水资源量评价 水资源分区 为什么分区 由于影响河流径流的许多因素 如气象因素 流域下垫面因素等 具有地域性分布变化的规律 致使水资源相应的呈现地域性分布的特点 也就是说 在相似的地理环境条件下 水资源的时空变化具有相似性 为了便于对区域水资源进行研究 通常在水资源评价时先对水资源进行分区 水资源量评价 3 2地表水资源量评价 地表水资源的分区的原则 分区时应遵照水资源地域性分布的特点和便于管理及资料获取 应遵循以下原则 1 区域地理环境条件的相似性与差异性 2 流域完整性 3 考虑行政与经济区划界线 4 与其他区划尽可能协调水资源分区方法 1 根据各地气候条件和地质条件分区 2 根据天然流域分区 3 根据行政区划分区 水资源量评价 水资源分区 3 2地表水资源量评价 水资源量评价 水资源量评价 3 2地表水资源量评价 河川径流计算 河川水文现象的特征 周期性 年际及年内变化的周期性特点确定性和随机性 在一定的客观条件下表现出确定的特征 但由于影响因素复杂 也表现出一些随机性的特征 区域性 气象因素和地理因素具有区域性 因此 河川水文现象有一定的区域性特征 河流水文计算的方法 成因分析法 建立水文特征值与影响因素间的函数关系 地理综合法 基于同样地理条件河川径流特征相似性 用有资料地区预估无资料地区数理统计法 对多年水文特征值观测资料进行数理统计分析来预测水文形势 在解决实际问题时 应本着 多种方法 综合分析 合理选定 的原则 对采用的方法有所侧重 河川水文计算的主要目的是通过径流量的计算为取水工程和防洪工程的设计提供依据 河川径流影响因素复杂 但也存在一定的规律性 水资源量评价 3 2地表水资源量评价 河川径流计算 河川径流计算的数理统计方法 经验频率法 频率的含义 河流水文计算中 频率均指累积频率 即等量或超量值的累积频数与总观测次数的比值 频率计算的方法是 用实测的某河流水文特征值作为随机样本 计算各持征值相对应的频率 并将各级数据点绘制在二维坐标图上 用目估方法通过点群中心绘制一条光滑的曲线 称为经验频率曲线 根据概率论的原理 选用某种频率曲线 并采用适线的方法调整参数 以该理论频率曲线作为外延的工具 得出不同频率下的该种水文特征值作为设计依据 水资源量评价 3 2地表水资源量评价 河川径流计算 理论频率曲线的意义 通常经验频率曲线由于观测资料少 当需要推求发生频率小的径流特征值时 需要外延 主观性太大 因此 人们通过数学方法寻找符合与观测数据符合的理论曲线来推求小频率的径流特征值 理论频率曲线的推求 世界各国采用的理论频率曲线不下十余种 我国目前主要应用皮尔逊 型曲线对样本数据进行拟合得出理论频率曲线 水资源量评价 3 2地表水资源量评价 河川径流计算 皮尔逊 型曲线介绍 水资源量评价 3 2地表水资源量评价 河川径流计算 水文随机变量统计参数 水资源量评价 3 2地表水资源量评价 河流水文随即变量的统计参数 均值 均方差 变差系数 偏差系数 河川径流计算 频率与重现期的关系 水资源量评价 3 2地表水资源量评价 需要指出的是上述发生的概率仅是一种平均概率 并不是说百年一遇的洪水正好100年或100年内一定会发生 河川径流计算 理论频率曲线中统计资料的要求 一致性即所收集资料应属于同类型 同条件下的资料 代表性一般要求有20年一30年的实测资料作为样本 样本系列越长 越能反映实际情况 实测系列越短 其代表性越差 可靠性即资料要可靠 注意对资料中精度不高的部分进行重点审查并加以修正 以保证分析结果的客观性与准确性 独立性河流水文统计分析中把河流水文现象看成是一种随机事件 因此选用的资料应具有一定的独立性 彼此有关系的资料不能收入同一系列 水资源量评价 3 2地表水资源量评价 河川径流计算 资料的审查筛选 河流水文变量特征值的精度取决于资料的可靠程度 为保证质量 应对选用资料进行审查筛选 主要分析其合理性和代表性 对一些离异较大的值要重点分析造成得原因 如特大使 特小值 此外 对于社会和经济等发生重大变革时期 如我国建国前 的资料也应作为审查的重点 对水文资料的审查应包括测站的沿革 断面控制条件和测验方法 精度以及汇水面积等 通过审查筛选 剔除一些可信度不高的资料 保证所得到的样本系列具有很好的代表性 水资源量评价 3 2地表水资源量评价 河川径流计算 资料的插补延展 目的 在实际中 由于某些原因 收集到的资料数量比较有限 代表性较差 或缺少某年观测资料 为了减少样本的抽样误差 提高统计参数的精度 对缺测资料应适当进行插补延展 以便使用数理统计方法 方法 分析各水文变量之间的相关关系 用较长的水文资料系列插补相延展短期的水文资料系列 如缺少某年的流量观测资料 但是 我们如果有最近较长时间的降水量资料 可以通过降水量与径流量之间的相关关系来推求流量观测资料 或者已知某个观测站的某年最大洪水位 可以根据河川断面情况推求最大洪水流量 水资源量评价 3 2地表水资源量评价 河川径流计算 水资源量评价 年径流量分析 分析内容 年径流量 多年平均年径流量 正常年径流量 设计年径流量推求的方法应该根据掌握的资料的情况 按照资料充分 资料不充分 无资料等几种情况采用不同的方法来进行推求 3 2地表水资源量评价 河川径流计算 水资源量评价 地表水资源时空分布特征 空间分布 可通过河川径流的等值线图来反映 空间分布的不均可通过引水 调水措施来实现时间分布 主要通过其年际和年内分布情况反映 空间分布的不均可通过水资源的调蓄来解决 如 修建水库等 典型年法的介绍和应用 3 2地表水资源量评价 河川径流计算 水资源量评价 作业 1 某水文监测占站监测的年最大洪峰流量如下表 试做出其经验频率曲线并确定10年一遇的洪水位 2 若某水文站观测的连续五年的平均流量分别为 310m3 s 365m3 s 380m3 s 345m3 s 309m3 s 求该样本系列的均值 均方差和变差系数 3 2地表水资源量评价 地下水资源分类 地下水 资源 和 储量 概念书本地下水资源 指有使用价值的各种地下水量的总称 内涵包括质和量两个方面20世纪50 60年代 我国用 储量 概念表示地下水量70年代中期开始使用 地下水资源 概念取代 地下水储量 概念地下水资源是指储存和流动在含水系统中 对人类具有利用价值的地下水 广义 地下淡水 卤水 矿水 热水等狭义 人类生活和工农业生产必需的地下淡水 地下水资源的特点流动性和可恢复性 与其他矿产资源的区别 不同的评价原则与方法 巨大的储存空间和调蓄能力 与地表水的区别 地下水系统的平滑和滞后作用 流量稳定 季节变化小 巨大库容和调节能力 以丰补歉的原则系统性 按系统 水文地质单元 进行地下水资源评价评价中要考虑与地下水有关的经济 社会 技术 环境 生态 法律等因素 可利用资源 允许开采量 指具有现实意义的地下水资源 即通过技术经济合理的取水建筑物 在整个开采期内 动水位不超过设计要求 水质和水温度化在允许范围内 不影响已建水源的正常开采 不发生危害性的环境地质问题 并符合现行法规规定的前提下 单位时间 从水文地质单元或水源的的范围内能够取得的地下水资源 水量 3 3 2地下水资源评价的内容 原则与一般程序 概念 地下水资源评价是在一定的天然和人工条件下 对地下水资源的质和量在使用价值和经济效益等方面进行综合分析 计算和论证 地下水资源评价的主要内容 地下水水质评价地下水水量评价 补给资源量 可开采量 开采后果分析评价 生态 环境影响评价 经济评价 简单的成本核算和效益分析 其它相应技术措施的分析评价 开采方案等 地下水资源评价的原则 三水 转化 统一考虑与评价的原则地下水 地表水和降水是相互转化的开采条件下 会改变自然转化的状态宗旨 充分利用含水层中的水量 合理夺取外部水的转化以丰补歉的原则充分发挥地下水最为水库的巨大调节作用 枯水季节和枯水年可动用部分储存量 丰水季节和丰水年加以补偿 但一般要求可开采资源量不能大于多年平均补给资源量 地下水资源评价的原则 考虑人类活动 化害为利的原则例如矿山疏干工程优化地下水开采布局及其允许水位降 截取流量矿井地下水矿井水回收和利用不同目的和不同水文地质条件区别对待的原则地下水盆地以丰补歉山区合理夺取地表水地质稳定地区水均衡条件评价最大开采量地质环境脆弱区限制地下水水位降与开采量技术 经济 环境综合考虑的原则 3 3 3 地下水资源补给量 Qb 和储存量 W 计算1 地下水流流入量 侧向补给量 式中 Qb 侧向补给量 m3 d K 含水层渗透系数 m dJ 地下水水力坡度 B 计算断面宽度 m H 或M 潜水 或承在水 含水层厚度 m 2 降水渗入补给量式中 Qb 日均降水渗入补给量 m3 d 年均降水入渗系数 A 降水渗入面积 m2 x 年降水量 m3 a 式中 h 年内各次降雨的地下水位升幅 m h 各次降雨前地下水位的降速 m d t 为各次水位上升的时间 d xi 各次水位上升期间的降雨总量 m 给水度 3 河 渠渗入补给量式中 B 河 渠的补给宽度 m h1 hw 沿渗流补给方向岸边与开采井群的动水位高度 m L 岸边至井群的直线水平距离 m 4 灌溉水渗入补给量 1 采用地下水位资料计算式中 给水度 h 灌溉引起的年地下水升幅 m a A 灌溉面积 m2 2 利用灌溉定额计算式中 m 灌溉定额 m3 a 5 相邻含水层垂向越流补给量式中 A 越流补给面积 m2 越流系数 1 d k 越流层垂向渗透系数 m d m 越流层厚度 1TI h1 开采层的水位或开采漏斗的平均水位 m h2 相邻含水层的水位 m 6 容积储存量 WV 式中 Wv 含水层的容积储存量 m3 V 含水层体积 m3 7 承压含水层的弹性储存量 Wc 式中 Wc 承压含水层的弹性储存量 m3 S 储存系数 释水系数 hp 承压含水层自顶板算起的压力水头高度 m 开采试验法 开采抽水法试验外推法补偿疏干法 在未来水源地地段 进行较长时间的抽水试验 根据开采量 降深 Q s 关系 对地下水可开采资源量进行评价 适用条件 水文地质条件复杂 一时难以查清而又急需作出水资源评价的地区 进入水文地质详勘阶段 必须进行抽水试验 运用开采试验法进行可开采资源量评价 该方法主要适用于中小型水源地的地下水资源评价 开采抽水法是按实际抽水量进行抽水试验 并对地下水进行可开采资源量评价的一种方法 抽水时期 旱季 why 为了用抽水试验揭露当地地下水的补给能力 一般选择旱季开始抽水 延续时间 尽量延长抽水时间 在抽水量达到设计开采量后 一般至少为整个旱季 1个月 从抽水到恢复水位期间进行全面观测 水位观测结果可能出现两种情形 可开采量评价 在长期抽水过程中 如果水位达到设计降深并趋近稳定状态 即钻孔水位下降值保持在一个稳定的水平上 不再随时间继续下降 并且抽水量大于或等于需水量 停抽后 水位又能较快地恢复到原来的水平 这就表明实际抽水量小于开采条件下的补给能力 按需水量开采是有保证的 这时 实际的抽水量就是可开采资源量 开采试样法 第一种情况 恢复曲线 水位降深曲线 水位观测结果可能出现两种情形 如果在长期定流量抽水过程中 井中水位不稳定 特别是观测孔水位具有持续下降的趋势 停抽后 水位虽有恢复 但始终达不到原始水位 说明抽水量已超过开采条件下的补给能力 按此抽水量开采是没有保证的 这时 需要进行下列工作 近似直线下降 降深 时间曲线 单位储存量法用开采情况下抽水稳定 水位下降较均匀若干资料计算的水位资料式中 F为水位下降1m时储存量的减少量 简称单位储存量 m3 m S为 t时段的水位降深 m 用水位恢复资料进行校验抽水量是由两部分组成一是开采条件下的补给量 二是含水层中消耗的储存量 开采试验法小结 用旱季抽水所求的补给量评价地下水可开采资源量结果是比较保守的 不同的开采条件下 Q补是有可能不同的 即Q补是一个与开采条件有关的变量 因此 为了更准确评价可开采资源量 应在开采过程中继续进行水位的长期观测 逐步用多年平均补给量进行评价 开采抽水法评价地下水可开采资源量 往往需要进行相当长的抽水试验 必然要花费较多的人力 物力 因此 该方法只有在难以查清地下水补给条件而又急需进行评价 且供水部门对用水量的保证程度要求又比较高时 才采用这种方法 实例 开采试验法 实例 试验外推法 根据多个流程的抽水量 降深关系 确定可开采资源量 适用条件 抽水设备能力限制 达不到实际需水量情况下含水层富水程度较好 补给充足要求 至少进行三次降深最大抽水量尽量接近实际需水量最大降深尽量接近设计降深 注意事项 以稳定流为基础抽水水位降深不能太小利用该方法推算可开采量时 必须充分考虑地下水的补给情况 补偿疏干法 充分利用含水层的储水空间和调节能力 通过抽水试验进行地下水可开采资源量的评价方法 适用条件 地下水补给在时间上分配不均匀含水层具有一定的调节能力 但分布面积有限必要条件 借用的储存量满足旱季开采量的需要雨季补给量除满足当前开采量外 还能补偿旱季动用的储存量 抽水井水位下降 流量过程线与补给关系 旱季 雨季 下降迅速 等速下降开采量大于旱季补给能力 评价步骤旱季开采量 通过求单位储存量 继而计算旱季开采量雨季补给量评价可开采资源量 计算旱季开采量 在旱季进行开采抽水试验 因为旱季补给量基本没有 完全靠疏干储存量来维持抽水 再者由于蓄水构造范围有限 抽水降落漏斗极易扩展到边界 所以抽水过程中的水量均衡式为则式中 F为单位储存量 m3 m Q抽为试验抽水量 m3 d t s为抽水过程中水位急速下降后开始平稳等速下降的延续时间 d 和相应的水位下降值 m 求出单位储存量后 再根据含水层的厚度和取水设备的能力给出最大允许降深Smax 再查明整个旱季时间T旱 则可以计算旱季的开采量 Q开 即 式中 S0为开采抽水开始等幅下降时井中的水位降深 m 可根据地下水动力学的有关公式确定开始等幅下降的时间 计算雨季补给量 地下水雨季补给量除了保证雨季的开采外 多余部分就要补偿疏干的储存量 引起水位等幅回升 因此雨季补给量等于抽水量与补偿疏干的储存量之和 即 式中 F 为水位回升时的单位补偿量 可以近似认为与水位下降时的单位储存相同 为水位回升速率 m d 可以根据旱季抽水试验资料求得 Q 抽为雨季抽水试验的抽水量 m3 d 评价可开采资源 如果地下水一年接受补给的时间为T雨 由此可以得到补给总量 Q补 T雨 把补给总量分配到全年即得到年平均补给量 结论分析Q补 Q开 则计算的Q开可作为可开采资源量 Q补 Q开 则应以Q补作为可开采资源量 考虑开采时水文气象因素变化对开采的影响 为了安全起见 可开采资源量应乘以一个小于1的安全系数 一般取0 5 1 使之总是小于补给量 以保证长期开采的需要 补偿疏干法 实例 某新建水源地 据勘探查明 含水层为厚层灰岩 呈条带状分布 面积约十平方公里 灰岩分布区有间歇性河 故岩溶水的补给来源主要是季节性河水渗漏和降水渗入 为了评价开采量 在整个旱季作了长期抽水试验 试验资料归纳如下图所示 勘查年的旱季时间t开 253天 雨季补给时间为T补 112天 允许降深规定为Smax 23米 抽水试验和恢复试验曲线 补偿疏干法 实例 按旱季抽水资料求出 F值 求开采量 把允许降深作为旱季末期的最大降深 令t开 253天求补给量 分析当地多年水文气象资料后 取安全系数r 0 7 综合计算结果 Q补 Q开 故开采量1841 2m3 d是有补给保证又能取出来的开采量 3 3 4 6水均衡法适用于地下水埋藏较浅 补给与排泄较简单且水文地质条件易于查清的地区 式中 smax 最大允许降深 t 开采年限 一般取50 100a 按水均衡法汁算的开采量是整个均衡区的极限值 一般大于将来的实际开采量 要使计算结果与实际开采量接近 应根据具体的水文地质条件和均衡要素测定的精度 乘以小于1的开采系数 3 3 4 7相关分析法主要用于稳定型和调节型开采动态的水源地 或补给有余的旧水源地扩大开采时的地下水资源评价 3 3 4 8地下水文分析法1 岩溶管道截流总和法 2 地下径流模数法 3 流量过程线分割法 4 水文分析法中的频率分析 第2章水循环及水资源形成2 2水资源的形成2 2 1地表水资源的类型与形成 1 降水我国降水主要表现为时空分布的极端不均匀性降水量的年际变化程度用降水量的极值比Ka或年降水变异 变差 系数Cv值来表示 a 年降水量的极值比Ka计算公式 说明 Ka值越大 降水量年际变化越大 Ka值越小 降量年际变化越小 降水量年际越均匀 第2章水循环及水资源形成2 2水资源的形成2 2 1地表水资源的类型与形成 我国年降水量变化最大的地区是华北和西北地区 丰水年与枯水年比值为3 5倍 最大可达10倍 南方湿润地区降水量的年际变化比较均匀 丰水年为枯水年的1 5 2 0倍 其中最适宜保持环境生态系统平衡的Ka值为1 2左右 b 年降水量变差系数Cv 均方差 变差系数Cv 第2章水循环及水资源形成2 2水资源的形成2 2 1地表水资源的类型与形成 III 说明 年降水量的变差系数Cv为多年年降水量均方差与平均年降水量之比 比值越大 表示年降水量的年际变化越大 反之就越小 我国南方湿润地区是全国年降水量变差系数变化最小的地区 一般在0 2以下 但东南沿南海某些经常遭受台风袭击的地区 由于受台风暴雨的影响 Cv值一般在0 25以上 淮河流域 黄河流域及华北地区 变差系数值介于0 25 0 35之间 东北的东部为0 20 0 25之间 西部为0 25 0 30之间 我国西北大部分地区值在0 40以上 第2章水循环及水资源形成2 2水资源的形成2 2 1地表水资源的类型与形成 2 径流1 概念 流域上的降水 除去损失后 经由地面和地下途径汇入河网 形成流域出口断面的水流 称为河流径流 简称径流 径流形成过程 降雨过程扣除损失蓄渗过程坡地漫流集流过程2 径流的分类 a 按空间的存在方式分 地表径流与地下径流b 按形成水源的条件 降雨径流 雪融水径流和冰融水径流表征径流的特征值 流量Q 径流总量Wt 径流模数M 径流深度Rt 径流系数 解析法开采试验法水量均衡法水文分析法数值法 运用地下水解析解 井流公式 对含水层进行地下水可开采量进行评价的方法 取水构筑物井流公式评价方法和步骤局限性 取水构筑物提取地下水的工程设施称之为取水构筑物取水构筑物分类垂直取水构筑物 井 管井 大口井 水平取水构筑物 集水管 渗水管 渗渠抽水井分类潜水井 承压水井 混采井完整井 非完整井稳定流 非稳定流单井抽水 群井抽水 地下水流向完整井的稳定流 裘布依公式 裘布依公式的假设条件 潜水含水层承压含水层 裘布依公式的假设条件 1 稳定流 抽水产生稳定的降落漏斗 漏斗半径为 影响半径 2 天然水力坡度为零 抽水时为了用流线倾角的正切代替正弦 则井附近的水力坡度不能大于0 25 3 含水层均质各向同性 含水层的底板是隔水的 水平的 4 影响半径的范围内无渗入 无蒸发 每个过水断面上流量不变 在影响半径的圆周上为定水头边界 5 降落漏斗范围内的地下水为平面二维流 径向流 地下水流向完整井的非稳定流 泰斯公式 承压含水层泰斯假设 泰斯公式当u 0 01时 简化为 地下水流向完整井的非稳定流潜水含水层潜水和承压含水层非稳定井流公式比较 泰斯公式假设 1 含水层是均质的 各向同性 等厚 侧向无限延伸 水平 2 抽水前天然状态下地下水的水力坡度为零 3 完整井定流量抽水 4 含水层中水流服从达西定律 5 水头下降引起的地下水的储存量的释放量是瞬时完成的 6 抽水井井径无限小 Theis公式 群井抽水公式承压含水层潜水含水层 1 根据实际水文地质条件和开采方式 选定合适的井流解析公式 2 求取井流公式中各类水文地质参数 3 计算各种开采方案下的水位降深 评价地下水可开采量 4 论证可开采量的保证程度 1 特点及使用条件a分布参数方法b评价地下水可开采资源量c简单 直观 快速 经济适用条件 理想条件下的水文地质条件 如满足泰斯假设 裘布依假设等可开采量的保证程度需通过其它方法论证 2 限制条件应用条件太苛刻 边界形状 非均质 各向异性 初始地下水面 承压区和无压区并存 且分界线随时间变化 含水层有不均匀越流 存在天窗或有河床渗漏 水井抽水量恒定或某一阶段恒定 含水层侧向无限延伸 渗透区形状矩形或圆形 下述情况 不宜用解析解 1 边界形状 尤其是供水边界形状极不规则时 2 含水层存在明显的非均质性和各向异性 3 边界的位置 边界上的水头或流量随时间变化 4 承压区和无压区在平面上并存 其间的分界线随时间变化 5 含水层有不均匀越流 存在 天窗 或有河床渗漏 在未来水源地地段 进行较长时间的抽水试验 根据开采量 降深 Q s 关系 对地下水可开采资源量进行评价 适用条件 水文地质条件复杂 一时难以查清而又急需作出水资源评价的地区 进入水文地质详勘阶段 必须进行抽水试验 运用开采实验法进行可开采资源量评价 该方法主要适用于中小型水源地的地下水资源评价 开采抽水法试验外推法补偿疏干法 开采抽水法是按实际抽水量进行抽水试验 并对地下水进行可开采资源量评价的一种方法 抽水时期 旱季 why 为了用抽水试验揭露当地地下水的补给能力 一般选择旱季开始抽水 延续时间 尽量延长抽水时间 在抽水量达到设计开采量后 一般至少为整个旱季 1个月 从抽水到恢复水位期间进行全面观测 水位观测结果可能出现两种情形 可开采量评价 在长期抽水过程中 如果水位达到设计降深并趋近稳定状态 即钻孔水位下降值保持在一个稳定的水平上 不再随时间继续下降 并且抽水量大于或等于需水量 停抽后 水位又能较快地恢复到原来的水平 这就表明实际抽水量小于开采条件下的补给能力 按需水量开采是有保证的 这时 实际的抽水量就是可开采资源量 开采试验法 第一种情况 恢复曲线 水位降深曲线 水位观测结果可能出现两种情形 如果在长期定流量抽水过程中 井中水位不稳定 特别是观测孔水位具有持续下降的趋势 停抽后 水位虽有恢复 但始终达不到原始水位 说明抽水量已超过开采条件下的补给能力 按此抽水量开采是没有保证的 这时 需要进行下列工作 单位储存量法 开采试验法 第二种情况 近似直线下降 降深 时间曲线 单位储存量法 用开采情况下抽水稳定 水位下降较均匀若干资料计算的水位资料式中 F为水位下降1m时储存量的减少量 简称单位储存量 m3 m S为 t时段的水位降深 m 用水位恢复资料进行校验抽水量是由两部分组成一是开采条件下的补给量 二是含水层中消耗的储存量 开采试验法小结 用旱季抽水所求的补给量评价地下水可开采资源量结果是比较保守的 不同的开采条件下 Q补是有可能不同的 即Q补是一个与开采条件有关的变量 因此 为了更准确评价可开采资源量 应在开采过程中继续进行水位的长期观测 逐步用多年平均补给量进行评价 开采抽水法评价地下水可开采资源量 往往需要进行相当长的抽水试验 必然要花费较多的人力 物力 因此 该方法只有在难以查清地下水补给条件而又急需进行评价 且供水部门对用水量的保证程度要求又比较高时 才采用这种方法 开采试验法 实例 开采试验法 实例 根据多个流程的抽水量 降深关系 确定可开采资源量 适用条件 抽水设备能力限制 达不到实际需水量情况下含水层富水程度较好 补给充足要求 至少进行三次降深最大抽水量尽量接近实际需水量最大降深尽量接近设计降深 注意事项 1 以稳定流为基础 2 抽水水位降深不能太小 3 利用该方法推算可开采量时 必须充分考虑地下水的补给情况 充分利用含水层的储水空间和调节能力 通过抽水试验进行地下水可开采资源量的评价方法 适用条件 地下水补给在时间上分配不均匀含水层具有一定的调节能力 但分布面积有限必要条件 借用的储存量满足旱季开采量的需要雨季补给量除满足当前开采量外 还能补偿旱季动用的储存量 抽水井水位下降 流量过程线与补给关系 旱季 雨季 下降迅速 等速下降开采量大于旱季补给能力 评价步骤 1 旱季开采量 通过求单位储存量 继而计算旱季开采量 2 雨季补给量 3 评价可开采资源量 评价步骤之一 计算旱季开采量 在旱季进行开采抽水试验 因为旱季补给量基本没有 完全靠疏干储存量来维持抽水 再者由于蓄水构造范围有限 抽水降落漏斗极易扩展到边界 所以抽水过程中的水量均衡式为则式中 F为单位储存量 m3 m Q抽为试验抽水量 m3 d t s为抽水过程中水位急速下降后开始平稳等速下降的延续时间 d 和相应的水位下降值 m 评价步骤之一 计算旱季开采量 求出单位储存量后 再根据含水层的厚度和取水设备的能力给出最大允许降深Smax 再查明整个旱季时间T旱 则可以计算旱季的开采量 Q开 即 式中 S0为开采抽水开始等幅下降时井中的水位降深 m 可根据地下水动力学的有关公式确定开始等幅下降的时间 评价步骤之二 计算雨季补给量 地下水雨季补给量除了保证雨季的开采外 多余部分就要补偿疏干的储存量 引起水位等幅回升 因此雨季补给量等于抽水量与补偿疏干的储存量之和 即 式中 F 为水位回升时的单位补偿量 可以近似认为与水位下降时的单位储存相同 为水位回升速率 m d 可以根据旱季抽水试验资料求得 Q 抽为雨季抽水试验的抽水量 m3 d 评价步骤之三 评价可开采资源 如果地下水一年接受补给的时间为T雨 由此可以得到补给总量 Q补 T雨 把补给总量分配到全年即得到年平均补给量 评价步骤之三 评价可开采资源 结论分析Q补 Q开 则计算的Q开可作为可开采资源量 Q补 Q开 则应以Q补作为可开采资源量 考虑开采时水文气象因素变化对开采的影响 为了安全起见 可开采资源量应乘以一个小于1的安全系数 一般取0 5 1 使之总是小于补给量 以保证长期开采的需要 补偿疏干法 实例 某新建水源地 据勘探查明 含水层为厚层灰岩 呈条带状分布 面积约十平方公里 灰岩分布区有间歇性河 故岩溶水的补给来源主要是季节性河水渗漏和降水渗入 为了评价开采量 在整个旱季作了长期抽水试验 试验资料归纳如下图所示 勘查年的旱季时间t开 253天 雨季补给时间为T补 112天 允许降深规定为Smax 23米 抽水试验和恢复试验曲线 补偿疏干法 实例 按旱季抽水资料求出 F值 求开采量 把允许降深作为旱季末期的最大降深 令t开 253天求补给量 分析当地多年水文气象资料后 取安全系数r 0 7 综合计算结果 Q补 Q开 故开采量1841 2m3 d是有补给保证又能取出来的开采量 1基本原理和均衡方程式2水量均衡法评价的主要步骤3均衡计算中的频率分析4实例分析 1基本原理和均衡方程式 水量均衡法的基本原理 任一时间段的补给量和消耗量之差 等于地下水系统中水体积的变化量 天然条件下水量均衡方程式 或式中 Q补为计算期间内地下水系统各补给量总和 m3 d Q排为计算期间内地下水系统各排泄量总和 m3 d Q储为计算期间内地下水系统储存量的变化量 m3 d 天然多年均衡方程式 天然条件下 多年周期变化 可以用多年平均补给量之和或多年平均排泄量之和来计算地下水系统的补给资源量 式中 多年平均补给量之