《水资源量评价》PPT课件.ppt

2020年2月9日 1 第三章水资源量评价 WaterResourcesSimulationandManagement 2020年2月9日 2 主要介绍地表水资源量评价指标与评价方法 地下水资源量分类 评价内容与原则 地下水补给量和储存量的计算 允许开采量的评价模型 重点是 地表水 河流 湖泊 水库 地下水补给量和储存量的计算 允许开采量的评价模型 难点是水资源的评价指标与评价方法 2020年2月9日 3 水资源评价是保证水资源持续发展的前提 是水资源开发利用的基础 水资源评价包括 1 水资源数量评价 2 水资源质量评价和 3 水资源利用评价及综合评价 2020年2月9日 4 第一节水资源的形成 一 地表水资源的形成与类型1 地表水的定义 为河流 冰川 湖泊 沼泽等水体的总称 2 水资源量的支项 主要为 1 降水 2 蒸发和 3 径流 决定区域水资源状态的三要素 3 地表水资源的丰富程度是由降水量的多少来决定的 所能利用的是河流径流量 2020年2月9日 5 一 地表水资源的形成与类型 因此 在讨论地表水资源的形成与分布时 重点讨论构成地表水资源的河流资源的形成与分布问题 降水 径流和蒸发是决定区域水资源状态的三要素 三者之间的数量变化关系制约着区域水资源数量的多寡和可利用量 第一节水资源的形成 2020年2月9日 6 一 降水 降水作为水资源的收入项 决定着不同区域和时间条件下地表水资源的丰富程度和空间分布状态 制约着水资源的可利用程度与数量 表示降水量的年际变化程度 1 年降水量的极值比Ka 2 年降水量的变差系数Cv值来表示 一 地表水资源的形成与类型 第一节水资源的形成 2020年2月9日 7 1 年降水量的极值比Ka 年降水量的极值比Ka可表示为式中xmax 最大年降水量 xmin 最小年降水量 K 值越大 降水量年际变化越大 K 值越小 降水量年际变化小 降水量年际之间均匀 就全国而言 年降水量变化最大的地区是华北和西北地区 丰水年和枯水年降水量相比一般可达3倍一5倍 部分干旱地区高达10倍以上 南方湿润地区降水量的年际变化比北方要小 一般丰水年的降水量为枯水年的1 5倍 2 0倍 一 降水 一 地表水资源的形成与类型 第一节水资源的形成 2020年2月9日 8 2 年降水量变差系数Cv 数理统计中用均方差与均值之比作为衡量系列数据相对离散程度的参数 称为变差系数Cv 又称离差系数或离势系数 变差系数为一无量纲的数 均方差 均方差的表达式为 式中 均方差 均值 其表达式为 一 降水 一 地表水资源的形成与类型 第一节水资源的形成 2020年2月9日 9 式中xi 观测序列值 i 1 2 n n 样本个数 2020年2月9日 10 变差系数Cv 2 年降水量变差系数Cv 一 降水 一 地表水资源的形成与类型 第一节水资源的形成 2020年2月9日 11 年降水量变差系数Cv值越大 表示年降水量的年际变化越大 反之就越小 西北地区 0 4华北 黄河中下游 0 25 0 35东北 0 2南方 0 2以下东南沿南海 0 25以上 台风 2020年2月9日 12 二 径流 1 河流径流的补给河流径流的水情和年内分配主要取决于补给来源 1 雨水补给雨水补给是指降水以雨水形式降落 2 地下水补给地下水补给河道的水量约占年径流总量的25 30 3 冰川 融雪水补给平均年径流量约50km3 约占全国年径流量的1 9 2020年2月9日 13 2 径流的时空分布 1 径流的区域分布 2 径流量的动态变化降水补给的河流 冰川 融雪 降水混合补给的河流 地下水补给的河流Cv值 秦岭以南年Cv值 0 5以上 淮河流域大部分 0 6 0 8之间 华北平原地区 Cv 1 0 东北地区山地 1 0 最大可达l 2以上 3 年径流量的季节变化关键取决于河川径流的补给来源和变化规律 2020年2月9日 14 3 河流径流的表示方法 1 河流径流 定义 流域上的降水 除去损失以后 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 2 径流过程 径流随时间的变化过程 称为径流过程 3 分类 2020年2月9日 15 表示径流的特征值主要有 流量Qt 径流总量Wt 径流模数M 径流深度Rt 径流系数 2020年2月9日 16 1 流量Q 为单位时间内通过河流某一断面的水量 单位以m3 s表示 2 径流总量Wt 指在一定的时段内通过河流过水断面的总水量 单位为m3 t时段内的平均流量为Qt 则t时段的径流总量为 2020年2月9日 17 3 径流深Rt 是设想将径流总量平铺在整个流域面积所得的水深 单位为mm 其计算公式为 式中t 寸间 s Wt 径流总量 m3Qt 平均流量 m3 s F一流域面积 km2 Rt 一某时段t的径流深度 mm 2020年2月9日 18 4 径流模数M 为单位流域面积上产生的流量 单位为m3 s km2 可表示为 2020年2月9日 19 径流系数 为某时段内的径流深度与同一时段内降水量之比 以小数或百分比计 其计算公式为 3 8 式中R 某时段内的径流深度 mm P 同一时段内的降水量 mm 由于径流深度是由降水量形成的 对于闭合流域径流深度将小于降水量 即 l 2020年2月9日 20 蒸发主要包括水面蒸发和陆面蒸发 主要影响的因素是 1 气温 2 湿度 3 日照 4 辐射 5 风速等 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 2020年2月9日 21 干旱指数 表示某一特定地区的湿润和干旱的程度 值大于1 0 表明蒸发大于降水量 该地区的气候偏于干旱 值越大 干旱程度就越严重 反之气候就越湿润 我国干旱指数 在地区上的变化范围很大 最低值小于0 5 如长江以南 东自沿海等地 最大值可大于100 如吐鲁番盆地的托克逊站 干旱指数高达318 9 2020年2月9日 22 1 地下水定义 埋藏在地表以下空隙 孔隙 裂隙 溶隙 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 松散岩石中的孔隙 坚硬岩石中的裂隙和可溶岩中的溶隙三大类 定量描述孔隙 裂隙和溶隙大小的是孔隙度 裂隙度和溶隙度 2020年2月9日 23 2020年2月9日 24 2 岩石中水的存在形式 岩石空隙中的水的主要形式为 1 结合水 吸着水 薄膜水 2 重力水 3 毛细水 4 固态水和 5 气态水 1 结合水松散岩石颗粒表面和坚硬岩石空隙壁面 因分子引力及静电引力作用而具表面能 而吸附水分子 在颗粒表面形成很薄的水膜 2 重力水当薄膜水厚度不断增大 固体表面引力不断减弱 以至于不能支持水的重量时 液态水就会在重力作用下向下自由运动 在空隙中形成重力水 3 毛细水地下水面以上岩石细小空隙中具有毛细管现象 形成一定上升高度的毛细水带 毛细水不受固体表面静电引力的作用 而受表面张力和重力的作用 称半自由水 2020年2月9日 25 3 含水层与隔水层含水层是指能够透过并给出相当数量水的岩层 隔水层是指不具透水和给水能力的岩层 形成含水层的基本条件为 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 3 具有充足的补给来源 2020年2月9日 26 4 地下水的分类目前采用较多的一种分类方法是按地下水的埋藏条件把地下水分为三大类 上层滞水 潜水 承压水 上层滞水 这种水的矿化度一般较低 但因接近地表 水质容易被污染 2020年2月9日 27 5 地下水循环含水层或含水系统通过补给 从外界获得水量 径流过程中水由补给处输送至排泄处 然后向外界排出 排泄 含水层失去水量的过程称为排泄 径流 地下水在岩石空隙中的流动过程称为径流 地下径流量常用地下径流率M来表示 其意义为lkm2含水层面积上的地下水流量 m3 s km2 也称为地下径流模数 年平均地下径流率可按下式计算 2020年2月9日 28 5 地下水循环年平均地下径流率可按上式计算 式中M 年均地下水径流模数 m3 s km2 A 地下水径流面积 km2 Q 一年内在面积A上的地下水径流量 m3 3 10 2020年2月9日 29 1 地下水运动特征地下水运动表现为 1 迟缓的流速河道或管网中水的流速一般都以每秒米来表示 地下水由于在曲折的通道中通行 用每天米来表示其流速 2 层流和紊流由于地下水是在曲折的通道中缓慢渗流 故地下水流大多数都呈雷诺数很小的层流运动 即水质点有秩序地呈相互平行而不混杂的运动 3 非稳定 缓变流运动 地下水在自然界的绝大多数情况下呈运动要素 流速 流量 水位 随时间改变的非稳定流运动 2020年2月9日 30 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 这里只引用定律的基本内容 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 2020年2月9日 31 式 3 12 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 即 2020年2月9日 32 式中u 地下水实际流速 m d d 孔隙的直径 m 地下水的运动粘滞系数 m2 d 2020年2月9日 33 2 非线性渗透定律当地下水在岩石的大孔隙 大裂隙 大溶洞中及取水构筑物附近流动时 不仅雷诺数大于10 而且常常呈紊流状态 紊流运动的规律是水流的渗透速度与水力坡度的平方根成正比 这称为哲才公式 表示式为 有时水流运动形式介于层流和紊流之间 则称为混合流运动 可用斯姆莱公式表示式中m值的变化范围为1 2 当m 1 即为达西公式 当m 2时 即为哲才公式 2020年2月9日 34 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 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 2020年2月9日 35 根据各地的具体自然条件 按照上述原则对评价范围进行一级或几级分区 常用的分区方法有 1 根据各地气候条件和地质条件分区可以根据各地的气候条件和地质条件对评价区进行分区 如将评价区分为 1 湿润多沙区 2 湿润非多沙区 3 干旱多沙区和 4 干旱非多沙区 或仅根据气候条件分为 1 湿润区 2 半湿润区 3 半干旱区和干旱区等 2 根据天然流域分区3 根据行政区划分区 1 全国性水资源评价可按省 自治区 直辖市 和地区 市 自治州 盟 两级划分 2 区域性水资源评价可按省 自治区 直辖市 地区 市 自治州 盟 和县 市 自治县 旗 区 三级划分 2020年2月9日 36 2020年2月9日 37 地表水资源数量评价应包括下列内容 1 单站径流资料统计分析 2 主要河流年径流量计算 3 分区地表水资源量计算 4 地表水资源时空分布特征分析 5 地表水资源可利用量估算 6 人类活动对河流径流的影响分析 2020年2月9日 38 1 河流水文现象的基本特征 1 周期性 2 确定性和随机性 3 区域性 2 河流水文计算的方法 1 成因分析法 2 地理综合法 3 数理统计法 2020年2月9日 39 概率与数理统计方法在目前是河流水文计算的主要方法 1 总体 在概率与数理统计中 将被研究的随机变量的全体称为总体 2 样本 总体中的一部分称为样本1 频率计算累积频率 在河流水文计算中 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 计算各特征值相对应的频率 并将各组数据点绘于二维坐标图上 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 选用某种由一定数学公式表示的频率曲线 称为理论频率曲线 并采用适线的方法调整参数 寻找出一条与经验频率曲线配合最好的理论频率曲线 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 2020年2月9日 40 1 经验频率曲线设某水文要素的系列共有n项 按由大到小的次序排列为 通过以上的分析 可以归纳出频率计算公式 3 16 式中P 等于和大于xm的经验频率 m xm序号 即等于和大于xm的项数 n 系列的总项数 2020年2月9日 41 上式用于样本资料分析不甚合理 例如 当m n时 P 100 这就意味着将来也不会出现比实测最小值还小的要素值 这当然是不合理的 因为随着观测年数的增多 一定会有更小的数值出现 因此 必须将上式加以修正 使其能较好地反映自然规律 世界各国曾先后提出过不少类似的修正公式 目前在我国常用的计算经验频率的公式为数学期望公式 目前在我国常用的计算经验频率的公式为数学期望公式 3 17 2020年2月9日 42 2 理论频率曲线经验频率曲线是根据实测资料绘出的 当实测资料的时间跨度较长或设计标准要求较低时 经验频率曲线尚能解决一些实际问题 但是 实际应用中往往要推求稀遇的小频率洪水 如P 1 0 1 0 01 而目前实测资料时间跨度一般最多不过几十年 计算的经验频率点只有几十个 迄今为止 国内外采用的理论线型已有 10余种 诸如皮尔逊 P 型曲线 对数皮尔逊 LP 型曲线 耿贝尔 EV I 型曲线以及克里茨基一闵凯里 K M 型曲线等 皮尔逊 型曲线是一条一端有限一端无限的不对称单峰 正偏态分布曲线 在概率论中称为厂分布 其概率密度函数为 2020年2月9日 43 式中x 总体的均值 Cv 总体的变差系数 Cs 总体的偏差系数 2020年2月9日 44 2 河流水文随机变量的统计参数 1 均值 2 变差系数Cv 3 偏差系数Cs 式中Ki 为模比系数 当n较大时 有 Cs 0时 称为正偏态分布 Cs 0时 称为负偏态分布 Cs 0时为正态分布 研究表明 河流水文现象多属于正偏态分布 2020年2月9日 45 3 频率与重现期的关系频率这个名词比较抽象 为便于理解和应用 常采用重现期与频率并用 所谓重现期是指某随机变量的取值在长时期内平均多少年出现一次 又称为多少年一遇 频率P与重现期T的关系 对下列两种不同情况有不同的表示方法 1 当为了防洪研究暴雨洪水问题时 一般设计频率小于50 则 3 22 式中T 重现期 a P 频率 以小数计 例如 当设计洪水的频率采用户 l 时 代入上式得重现期为100年 称为百年一遇洪水 2020年2月9日 46 3 频率与重现期的关系 2 当考虑保证灌溉 发电及给水等用水建筑物时 设计频率P常大于50 例如 当灌溉设计保证率P 80 时 代入上式得重现期为5年 称为以5年一遇的枯水作为设计来水的标准 也就是说平均5年中有4年来水能保证正常的灌溉要求 2020年2月9日 47 评价地表水资源 应对评价范围内的水文站进行单站径流统计分析和主要河流的年径流量计算 1 年径流量的基本概念 年径流量 一个年度内通过河流某断面的水量 称为该断面以上流域的年径流量 多年平均年径流量 或平均年径流量 多年平均年径流量天然河道的径流量随气候不断变化 不同的年份 径流量也不同 为了反映流水资源情况 通常利用数理统计方法求出实测各年径流量的均值 称为多年平均年径流量 或平均年径流量 正常年径流量 随着统计实测资料年数的增加 年径流量的均值将趋于一个稳定的数值 此值称为正常年径流量 设计年径流量设计年径流量 指通过河流某指定断面对应于设计频率的年径流量 2020年2月9日 48 常用的径流还原计算的方法有分项调查法和降水径流模式法 1 分项调查法根据水量平衡基本原理 可建立下列实测径流与各项还原水量间的水量平衡方程式 Q天然 Q实测 Q灌溉 Q工业 Q蓄 Q引 Q蒸 Q渗十Q分洪 3 28 式中Q天然 还原后的天然径流量 m3 s Q实测 水文站实测径流量 m3 s Q灌溉 灌溉耗水量 m3 s Q工业 工业和城市生活耗水量 m3 s Q蓄 计算时段始末蓄水工程蓄水变量 蓄水量增加使该值为正值 减少时则为负值 m3 s Q引 跨流域 地区 引水增加或减少的测站控制水量 增加水量为负值 减少水量为正值 m3 s Q蒸 蓄水工程水面蒸发量和相应陆地蒸发量的差值 m3 s Q渗 蓄水工程的渗漏量 m3 ss Q分洪 河道分洪水量 m3 s 2020年2月9日 49 1 区内河流有水文站控制若区内控制站上下游降水量相差较大 可按上下游的单位面积平均降雨量与面积之比 加权计算分区的年径流量 计算公式为 式中Qab 分区年径流量 m3 s Qa 控制站以上年径流量 m3 s Pa Pb 控制站以上及以下同一年的单位面积平均降水量 m3 s km2 Fa Fb 控制站以上及以下的面积 km2 2020年2月9日 50 2 区内河流没有水文站控制 利用水文模型计算径流量系列 利用自然地理特征相似的邻近地区的降水 径流关系 由降水系列推求径流系列 借助邻近分区同步期径流系列 利用同步期径流深等值线图 从图上量出本区与邻近分区年径流量系列 再求其比值 然后乘以邻近分区径流系列 得出本区径流量系列 并经合理性分析后采用 2020年2月9日 51 1 地表水资源的地区分布特征受年降水量时空分布以及地形 地质条件的综合影响 年径流量的区域分布既有地域性的变化 又有局部的变化 河流径流的等值线图可以反映地表水资源的地区分布特征 2 径流量的年际变化年径流量的多年变化主要取决于年降水量的多年变化 此外 还受到径流补给类型及流域内的地貌 地质和植被等条件的综合影响 3 径流的年内分配 2020年2月9日 52 地表水资源可利用量是指在经济合理 技术可能及满足河道内用水并估计下游用水的前提下 通过蓄 引 提等地表水工程可能控制利用的河道一次性最大水量 不包括回归水的重复利用 某一分区的地表水资源可利用量 不应大于当地河流径流量与入境水量之和再扣除相邻地区分水协议规定的出境水量 即 Q可利用 Q当地河流径流 Q入境一Q出境各分区可利用地表水资源量可以通过蓄水工程 引水工程和提水工程进行估算 1 蓄水工程 2 引水工程 3 提水工程 2020年2月9日 53 一地下水资源评价的主要任务和内容二地下水资源评价原则三地下水资源量评价方法 2020年2月9日 54 区域地下水资源评价局域地下水资源评价 2020年2月9日 55 遵循地下水系统规律评价地下水资源根据 三水 转化的观点评价地下水资源按照 以丰补歉 的原则评价地下水资源按照资源可持续利用的原则评价地下水资源根据 水质标准 评价地下水资源地下水资源评价要重视经济评价的原则根据 发展变化 的观点评价地下水资源 2020年2月9日 56 地下水是按一定的含水系统发育的 含水系统内部的水是一个有机整体 也就是补给 排泄 径流自成体系的含水层的组合 系统内的水具有密切的水动力联系 在天然条件下 地下水系统中的补给 排泄达到一种动平衡 即输入与输出呈动平衡状态 开采后 就会改变地下水系统输入与输出的关系 运用系统的观点 正确认识地下水系统的补给 排泄和径流规律 是评价地下水资源量的基础 特别是在进行局域 水源地 地下水资源评价时 更要考虑地下水系统特点 否则 就会出现地下水资源的重复计算 而导致盲目开采 互相争水 泉水搬家 资源枯竭等不良后果 2020年2月9日 57 在干旱 半干旱地区 地表水与地下水转化往往具有多重性 这种转化过程中 对生态环境具有不同的作用 因此在进行地下水资源评价时 更要充分考虑这种转化关系 以不破坏生态环境为前提 合理使用水资源 2020年2月9日 58 黑河干流地下水与河水转化关系示意图 2020年2月9日 59 地下水系统有别于地表水系统的一个最大区别是 具有可调节的储存资源量 因此充分发挥地下水具有调节功能的优势 采用以丰补歉的方法评价地下水资源 即在枯水年份借用一些储存量 而在丰水年份再偿还 按照以丰补歉的原则评价地下水资源 要注意的是可开采资源量不能大于多年平均补给资源量 另一方面也要考虑取水设备的能力 充足的补给和可调节的储存资源量是保证稳定供水的基础 2020年2月9日 60 评价地下水资源量时 必须要考虑长期持续利用的特点 从地下水资源本身的特点来讲 可作为长期供水保证的是地下水的补给资源量 从这个观点出发 要对构成补给资源量的各项进行具体分析 只有长期存在的补给来源 才能保证地下水资源长期持续的开采 储存资源只能作为临时调节使用 而且要做到 有借有还 不能长期持续开采 否则就会使含水层疏干 以长期持续利用的观点评价地下水资源 还要评价地下水资源开发利用后对环境质量的影响 2020年2月9日 61 不同的供水目的 对地下水水质 水量 水温的要求是不同的 这是关系到安全生产 农作物丰收和保障人民身体健康的大事 根据各种用水对水质的实际要求 国家和地方对水中各种成分含量规定了一定的界限 这种数量界限就是水质评价标准 它是供水水质评价的基础和依据 2020年2月9日 62 应根据用水单位的需水量选择经济上合理 技术上可行的开采方案 即根据不同水文地质条件拟定合理的取水方案 取水方案包括地下水水源地选择 井的布局 井距以及水井结构和取水设备的选择等 水作为一种商品 本身具有经济价值 因此 在进行地下水资源评价时 要对水的经济效益作出综合评价 如水质达到矿泉水标准的地下水 如果用作工业生产用水 就造成了资源的浪费 分质供水 的含义就是要将不同水质的水用于其所适应的供水对象 使不同水质的水各自发挥最大的经济效益 2020年2月9日 63 在地下水资源开采前 要准确预测未来各种自然因素和人为因素变化后对地下水资源量可能产生的影响和变化趋势 是难以做到的 由于客观自然因素以及人类生产和生活活动也在不断地发生变化 因此 按照 发展变化 的观点 要加强地下水动态观测工作 根据开采后的动态变化 不断收集资料 进行深入分析 定期进行地下水资源评价工作 为逐步深入地开展地下水资源管理工作打下坚实可靠的基础 总之 在进行地下水资源评价时 要以可持续利用为宗旨 以社会 经济 环境的协调发展为准则 遵循自然规律 合理 科学地利用地下水资源 2020年2月9日 64 解析法开采试验法水量均衡法水文分析法数值法 2020年2月9日 65 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 2020年2月9日 66 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 2020年2月9日 67 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 2020年2月9日 68 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 2020年2月9日 69 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 2020年2月9日 70 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 2020年2月9日 71 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 2020年2月9日 72 Theis公式 2020年2月9日 73 群井抽水公式承压含水层潜水含水层 2020年2月9日 74 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 2020年2月9日 75 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 2020年2月9日 76 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 2020年2月9日 77 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 2020年2月9日 78 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 2020年2月9日 79 开采抽水法试验外推法补偿疏干法 2020年2月9日 80 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 2020年2月9日 81 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 2020年2月9日 82 开采试验法 第一种情况 恢复曲线 水位降深曲线 2020年2月9日 83 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 2020年2月9日 84 开采试验法 第二种情况 近似直线下降 降深 时间曲线 2020年2月9日 85 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 2020年2月9日 86 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 2020年2月9日 87 开采试验法 实例 2020年2月9日 88 开采试验法 实例 2020年2月9日 89 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 2020年2月9日 90 2020年2月9日 91 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 2020年2月9日 92 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 2020年2月9日 93 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 2020年2月9日 94 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 2020年2月9日 95 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 2020年2月9日 96 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 2020年2月9日 97 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 2020年2月9日 98 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 2020年2月9日 99 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 2020年2月9日 100 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 2020年2月9日 101 抽水试验和恢复试验曲线 2020年2月9日 102 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 2020年2月9日 103 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 2020年2月9日 104 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 2020年2月9日 105 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 多年平均补给量之和 多年平均排泄量之和 n 代表年份 2020年2月9日 106 开采条件下的均衡方程式 Q补 Q补 Q排 Q排 Q Q储上式简化为 Q Q补 Q排 Q储式中 Q补为计算时段内地下水系统由于开采所获得的补给增量 m3 d Q排为计算时段内地下水系统由于开采所减少的消耗量 即被截取的补给量 m3 d Q储为计算时段内地下水系统由于开采所引起的储存量的变化量 m3 d Q为人工开采量 m3 d 2020年2月9日 107 评价方法小结 评价方法 根据水文地质条件和资料占有情况选定补给量法排泄量法补排量法 计算补给量 排泄量和储变量 用均衡式验证和校正 QP Qinflow Qy Qs water Qc water QPump Qoutflow Q s water Q y Qspring Q 2020年2月9日 108 水量均衡法的适用条件 1 用途主要评价各种条件下的地下水补给资源量初步确定地下水可开采资源量 或为确定地下水可开采资源量提供依据 2 适用条件理论上 可适用于任何地下水系统的水资源评价区域地下水资源评价 水文地质条件复杂 其它方法难以应用 2020年2月9日 109 水量均衡法的适用条件 困难和限制条件 1 某些均衡要素和求取均衡要素的水文地质参数难以确定或不准确 造成计算误差较大 2 是一种集中参数方法 难以精确给出地下水各要素随空间的变化 3 不能准确确定地下水的可开采资源量 4 很难给出具体地下水开发利用方案 2020年2月9日 110 2均衡计算中的频率分析 1 保证率计算若某一事件发生了n次 如年降水量 由大到小排列为 x1 x2 x3 xn 1 xn并逐个累加次数 序号为m 则可按下式计算出累积频率 保证率 或 2020年2月9日 111 3均衡计算中的频率分析 根据此曲线可查得枯水年 丰水年 平水年的降水量 再与计算年降水量进行对比 算出丰水年 平水年 枯水年各年的比例系数 乘以计算年的地下水补给资源量 即为各特征年的地下水补给资源量 2020年2月9日 112 多年平均补给量计算 最后按下式计算出多年平均地下水补给资源量 式中 Qb 多年平均地下水补给资源量 m3 a Qf Qp Qk 分别为丰水年 平水年 枯水年的地下水补给资源量 m3 a n1 n2 n3 分别为丰水年 平水年 枯水年在观测资料年中出现的次数 2020年2月9日 113 保证率计算举例 2020年2月9日 114 降水量的频率分析 保证率95 降水量350mm a 保证率75 降水量555mm a 保证率50 降水量625mm a 多年平均降水量666 4 保证率40 保证率25 降水量760mm a 保证率5 降水量1046mm a 2020年2月9日 115 降雨量频率分析 2020年2月9日 116 均衡计算中的频率分析 保证率 P 95 降水量 350mm a 特枯水年 保证率 P 75 降水量 555mm a 枯水年 保证率 P 50 降水量 625mm a 平水年 保证率 P 25 降水量 760mm a 丰水年 保证率 P 5 降水量 1025mm a 特丰水年 例计算年降水量为666 4mm a 地下水资源补给量为1000m3 d 则丰水年 平水年 枯水年各年的比例系数分别为1 14 0 94 0 83 计算各丰水年 平水年 枯水年地下水资源补给量分别为1140 940 830 m3 d 设均出现资料为1次 则多年平均补给量为970 m3 d 2020年2月9日 117 4水量均衡法 实例 格尔木河冲洪积扇是柴达木盆地地下水富集地段之一 地下水流域与地表水流域分布范围一致 为一完整的地下水系统 具有干旱地区山前平原地下水所习见的形成条件和分布规律 根据地下水系统水文地质特征 边界条件 水动力参数 水位 流量在地下水系统中的空间分布情况 可建立如下概念模型 边界条件 南边界由于地表水开始大量渗入补给地下水 为补给边界 北边界是地下水溢出带所在 为排泄边界 东西两侧为冲洪积扇边缘 以地下水流线作为边界 水动力参数 T 根据钻孔抽水试验资料求得并进行分区 无抽水试验地区按类比或参考经验参数给定 根据地下水赋存条件 水理性质及地貌特征 将研究区划分为两个亚系统 即砾石平原双层型潜水 承压水亚系统 细土平原多层型潜水 承压水亚系统 2020年2月9日 118 图3 1双层型及多层型地下水系统 2020年2月9日 119 2020年2月9日 120 表3 1地下水均衡计算表单位 108m3 a 2020年2月