地下水利用讲义

1、地下水利用(讲稿)2003年1月9日目录一、 地下水基本特征 . 3（一）成因类型（以河北平原为例） .3（二）地下水分类 .3（三）含水层性质 .41定义 .42导水 .43给水 .4二、地下水资源评价 . 5（一）含义： .51特点： .52定义： .6（二）评价方法综述 .61四大储量法： .62地下水动力学法： .63数理统计法： .64水均衡法： .6（三）水均衡法 .61均衡空间 .62均衡时段 .73均衡要素计算 .74资源评价 .13（四）水质评价 .13三、地下水开采技术 . 14（一）机井规划 .141井距 .142井深： .151（二）成井工艺 .161.开孔： .162

2、.下管： .173.填砾： .174.洗井 .175.抽水试验： .17（三）机泵配套 .181选泵： .182选机 .193选变压器： .21四、地下水开采技术政策： .21（一）日取地下水量在5万吨以上的项目须进行水资源论证，编制论证报告并报水利部进行审查。 .21（二）在地下水超采区，严格控制开采地下水；在地下水严重超采地区要划定地下水禁止开采或者限制开采区。 .21（三）深层地下水不宜作为灌溉水源，大量开采。 .22地下水利用2不作为水资源考虑 上层滞水饱水带为主要水资源3m承压水含水层厚度，m。3给水给水：指含水层给水能力，用给水度d和释水系数e表示。 潛水：指重力疏干水的能力，称给

3、水度。4d=流出水体积100% 烘干土体积式中，d重力给水度，无因次，理论值为0.10.25，采用值为0.020.12。 承压水：指弹性释水的能力，称释水系数。e=m(n水+土)=me1式中，e弹性释水系数，无因次，为10-310-5； e1比弹性释水系数，1/m(单位含水层厚度的释水系数)；m承压水层厚度，cm；水单位体积重量，kg/cm3；n孔隙率；水水体压缩系数，为（56）×10-5,cm2/kg；土土体压缩系数，为（150）×10-5,cm2/kg。分析结论：单位土体内潛水给水能力大于承压水；给出相同水量时，潛水的水位变化比承压水小。二、地下水资源评价（一）含义：地

4、下水资源含义：包括质和量两方面内容。先讨论量的内容。1特点：地下水：分布广，自身运动，采后可恢复；矿产资源：局部分布，自身稳定，采后不可恢复。 地下水资源的评价比矿产资源复杂。52定义：指开采后可以得到恢复的资源，且现状开采技术条件（机泵设备）可以采出的资源，同时满足上述条件的地下水资源，称为可开采量（地下水实际资源量）。（二）评价方法综述1四大储量法：解放后曾长期用过，因为存在问题较多，现已不再使用。2地下水动力学法：用数学物理方程来研究地下水运动规律。如：J.Dupuit稳定流公式（法国人裘布依1863年提出）和C.V.Theis非稳定流公式（美国人泰斯1935年提出），是根据地下水位变化

5、规律评价地下水的出水量值，方法复杂，精度较高。3数理统计法：用概率统计原理来处理观测试验数据。要求有长系列资料建立起地下水位下降值与开采量间的相关关系，据此可用最大设计降深推求最大出水量值，一些比较简单的场合可以采用。4水均衡法：是水量平衡的方法，指在一定的均衡时空内，补给量减排泄量等于水量变化。方法简单，概念清楚，精度较低，使用较多。还有一些方法，但主要是这四种，这里介绍水均衡法。（三）水均衡法1均衡空间用地下水库概念描述。（1）最低静水位，指提水设备吸程所允许达到的最低水位。（2）正常高水位：指保证作物正常生长和防止土壤次生盐碱化允许的地下水极限水位。6h最低水位时含水层厚度，m；7I水力

6、坡度；K含水层渗透系数，m/d，为0.1120；T年内发生径流的天数，d。提示：1）Q值是地下水的流量；2）（Q入-Q出）.T构成对均衡区的补给；3）平原区地下水径流微弱，此项补给可不计。（2）降水入渗量W降：W降=PF式中：W降年降水入渗补给量，m3；P年降水量，m；F均衡区面积，m2；降水入渗补给系数，0.10.3。ll'（3）河水补给量W河：W河=(W上-W下)(1-)式中：W河均衡期（年）内河道渗漏补给量，m3；W上、W下上、下游水文站实测年过水量，m3；上、下游水文站间水面蒸发量与两岸浸润带蒸发量之和占（W上-W下）的比率，取5%左右，多由试验定；l、l'计算河段和两

7、水文站间长度，m。（4）灌溉入渗补给量：灌溉水对地下水的入渗补给分两部分，一是渠系渗漏补给，二是田间渗漏补给。a）渠系渗漏补给量：W渠系渗=mW渠首引式中：W渠系渗渠系渗漏年补给量。指在灌区内斗渠以上各级渠道（含斗渠）渗漏对地下水的补给量，m3；W渠首引渠首年引水量，选用平水年资料，m3；8m渠系渗漏补给系数； m=W渠首引-W净-W损W渠首引W净W渠首引W损W渠首引； 。 取=则：m=1-=(1-)。式中：W净经由渠系输送田间（进入农渠）的年净灌水量，m3； W损渠系沿途各种年水量损失之和，m3； 渠系水有效利用系数； 渠系过水历时有关的系数，可参考取值，粘性土为0.32修正系数与地下水埋深

8、，0.4；亚砂土为0.50.6。b）田间渗漏补给量：W田渗=渠W1+井W2 式中：W田渗田间渗漏补给量，m3； W1、W2分别为引地上水和地下水的田间灌溉年净用水量，m3；渠、井分别为地上水、地下水田间渗漏补给系数（或灌溉回归系数）；渠=d.h.FW1.t井=式中：d重力给水度； (d.h+h开)FW2h潛水位平均升幅，m； F均衡区面积，m2；h开均衡时段内地下水平均开采水深，m。9提示：1）斗渠以下（不含斗渠）的渠系分布密度很大，灌区内的渗漏已呈大面积均匀分布下渗，可作为田间灌溉入渗的情况一并考虑；2）井灌区可以作为田间灌溉入渗情况计算；3）实施节水灌溉的工程设计，此项补给可不计。（5）越

9、流补给量W越：W越=k'.F'.H.t m'式中：W越由于承压水位与潛水位间存在的水位差发生的穿越隔水层（弱透水层）的层间补给量，m3；K'弱透水层渗透系数，m/d；F'计算过水断面积，m2；H承压水位与潛水位间水头差，m；m'弱透水层厚度，m；t均衡期（年）的天数，d。提示：实际生产中，多发生承压水补给潛水的情况，使潛水位上升高度为h。h=W越d.F'如：d=0.04；W越=0.073m3/m2；F'=1m2；则h=1.825m。（6）容积储存量W容：W容=d.V式中：W容潛水含水层容积储量，m3；V潛水含水层体积，m3；d重力

10、给水度。（7）弹性储存量W弹：W弹=F.e.H式中：W弹承压水弹性释放储量，m3；F承压水含水层计算面积，m2；e承压含水层释水系数； 10H承压含水层压力水头，m。（8）潛水蒸发量W潛：W潛=E.TE=E0 1- 0式中：W潛年内发生的潛水蒸发总水量，m3； nE潛水蒸发量，mm/d；E0水面蒸发量，mm/d；潛水位埋深，m；0潛水发生蒸发时的临界埋深，m，可近似的取0=3m（当0时不再发生蒸发）；2）承压水Q承开：Q承开=2kmH0-h0S=2.73km0 RRln0lg0r0r0式中：W开年开采地下水总量，m3；Q潛开，Q承开潛水、承压水开采量，m3/d；k含水层渗透系数，m/d；H0含

11、水层原始水位，m；于越层补给计算；人工回灌计算等于开采水量计算。123）不同均衡区可能有不同的均衡要素，可以根据需要在上述公式中取舍。4资源评价（1）可开采量的概念：是指两方面：一是开采的水量可以得到恢复；二是开采技术条件（机泵设备）允许，这两方面同时满足时的地下水开采量。地下水资源评价内容是确定可开采量值，预测开采后的地下水变化规律。（2）评价方法W开采W补给-W消耗+W储存实际生产中，多取W储存项为零，此项水量仅作为应急的备用值考虑。当地下水埋深大于3m时，W潜项也可以取零。当W实开W开采时，W实开即为可开采量（开采技术条件允许）；当W实开W开采时，要论证W实开保证程度。提示：1）开采量与

12、可开采量是两个不同的概念。前者是井水出水量，但不是整个含水层可以产生的水量，只是一个实际开采值，而后者是一个合理的设计值；2）可开采量与补给量、开采技术条件、经济合理，不使水质恶化、水位持续下降等有关，也与含水层的调蓄空间有关；3）不能直接用现状（或规划）的开采量作为可开采量；4）一般情况下，可用W补给项评价W开采值。此时的W补给项只要能满足开采技术条件要求，并且能够得到恢复时，对应的W开采值即为可开采量；5）在水文地质条件复杂，各项补给量不易确定时，可用抽水试验来求设计条件下的补给值，从而确定可开采量值。实例：河北定县清风店黑龙泉的地下水资源评价方法。（四）水质评价灌溉用水的地下水水质评价主

13、要是从水温、矿化度及水中盐类三个方面来考虑的。灌溉用水的水温不宜过高或过低，北方小麦要求水温在1015为宜。南方水稻则要求水温在1520为13宜。矿化度过高的水对作物和土壤都会产生有害的影响。一般灌溉用水的矿化度以不超过1.7g/l为好。但是，往往很难达到这个要求。目前最大允许值不应超过5g/l，干旱年份利用微咸水灌溉12次是有显著增产效果的，所以对25g/l的微咸水也应作出评价。水中盐类成分不同，对作物有不同的影响，有些盐类例如CaCo3和MgCo3对作物生长并无害处，有的甚至有益。如：硝酸盐和磷酸盐具有肥效，对作物生长危害最大的是钠盐，尤以Na2Co3危害最大，它腐蚀作物的根部，使作物死亡

14、。同时，破坏土壤的团粒结构。其次是Nacl，它使土壤盐化。对于易透水的土壤来说，钠盐的允许含量一般Na2Co3 应小于1g/l，Nacl含量应小于5g/l，如果两者同时存在，则其允许值更低些。三、地下水开采技术（一）机井规划1井距有两种情况：（1）地下水充沛地区，开采补给取单井灌溉面积为A0，则：A0=井距：L=kA0（m）式中：Q单井出水量，m3/h；灌溉水利用系数；m灌水定额，m3/hm2；t每天灌水时间，h/d；T0灌水周期，d； QtT0(1-1)（hm2） m141干扰抽水的水量削减系数，经抽水试验确定，要求不大于0.2； k系数，按方格形布置时k=25.8；按梅花布置时k=27.8

15、。 井数： N=A A0式中：A机井灌区面积，hm2。提示：在Q=常数时，L=f 1m2；应设法降低m值，提高L值。 （2）地下水不充沛地区，开采>补给。按每Km2面积上平均布井数为n，则：n=e QtT0102eA井数：N= QtT式中：e开采模数，m3/km2/a，可查水文地质图求e值；T年灌溉天数d/a。 井距：L=10001（m） n式中，其它符号意义同前。2井深：由以下两项组成：（1）能保证单井出水量要求，采用砂层出水率法（适用于潛水含水层）。 成井时，使实际出水量Q实大于（等于）设计出水量Q设，Q实=E1m1S+E2m2S+.式中：m1、m2各含水层单层厚度，m；S设计降深，

16、m；15E1、E2.各含水层单层出水率，t/h.m2。视岩性不同而异，约为0.150.35。E=sQ，由于Q=E.m.s，又Q=2.73km，可见有理论意义。 R0mslgr0生产中，依设计s，钻进中取mi值及对应的该层Ei值，求Q实值。当满足Q实Q设时，即可用此时的井深确定设计井深。否则，应继续加大井深，增加m、Q值。（2）预留510米井深作为沉沙管（沉淀管）；基岩中的井管一般为24米。以上两项之和即为设计井深值。在具体布井时，还要考虑地形（尽量将井位放在高处），地下水流向（使成排的井群垂直地下水流向）、作物种植（旱作、水稻及菜地、果园等）、输电线路（布线长度最短）、变压器布设（尽可能在负荷

17、的中心成放射状）等因素。还应注意不使局部地方布井过密或形成空白。理论上讲，井群间的相互干扰是不可避免的，但是实际生产中，由于井群干扰，使机井出水量减少，在20%以内是允许的。井群布置后，还应用下式校核：实际采水总量设计采水总量，表示井数已够；实际采水总量<设计采水总量，表示井数不够。要注意：这里的实际采水总量应该小于（等于）可开采资源总量（可开采量）。（二）成井工艺采用物探找水中的电测深法，确定井位，可以找到出水量最大，水质最好的理想井位。 准备工作有钻机进场，挖泥浆池，井口加固，备足水源，粘土、管材、滤料。1.开孔：井深小于150米时，多用冲击钻，大于150米时，多用回旋钻。将孔打直，

18、作好剖面岩性记录，将取上的岩芯按地层顺序存放，及时编录和描述，定准含水层部位，钻进中用3m以上水头压力的泥浆护壁，防止井壁坍塌。162.下管：下管前用电测井法，核准含水层砂层的部位及厚度，在地面上将全部井深管材按顺序摆好。 在含水层（砂层）部位下滤水管，在隔水层（粘土层）部位下封闭管，管间连接用棕皮竹片捆紧，装好一节往井下送一节。在第一节井管下面放木质托盘（用缆绳拉紧，放至井底）。井管应从保证抽水设备的正常工作，泵段以内顶角倾斜，安装深井泵时，不得超过10，安装潜水泵时，不得超过20，泵体以下每百米顶角倾斜不得超过20。各种管材的适用深度如下表：3.填砾：在井管与井壁间填砾料，起过滤作用（只进

19、水，不进砂）。填砾体积：V=(D42-d2L. （m3） )式中：D、d钻孔直径，井管外径，m；L填砾高度，m；超径系数，取=1.21.5。提示：在井口处，要填封闭胶泥卷，防止地面水渗入。4.洗井清除井壁，井内和含水层中的泥浆，多用空压机自上而下吹洗，汽水混合后比重小而溢出井外，最后井水变清即正常运转15分钟采取水样，用容积法测定的含砂量为：中、细砂含水层不得超过万分之一；粗砂、卵、砾石含水层不得超过五万分之一。5.抽水试验：洗井后进行抽水试验，观测如下三条曲线：Qt；st； Qs。17型号：依最大出水量和设计扬程选水泵型号。最大出水量为符合可开采量的单井出水量。设计扬程H设： H设=（1.1

20、51.25）H总而H总=H吸+H压=H实吸+h吸损+H实压+h压损式中：H总水泵总扬程，m；H吸吸水扬程，m；H实吸实际吸水扬程，m（动水位埋深）；18H压压水扬程，m； H实压实际压水扬程，m；2选机使水泵转速与电机转速配套；使动力机的配套功率和水泵的轴功率相匹配。（1）转速配套：动力机按照它的额定转速运转时，拖动的水泵也在额定转速下运转，即两者都在额定转速下运转。当水泵和动力机的额定转速相等，转向也相同时，采用联轴器直接传动。如果19转速不等或转向也不同时，就要使用皮带传动装置间接传动，使两者的转速配合，以达到传递功率的目的。（2）功率配套：动力机的配套功率=备用系数水泵轴功率 传动效率或

21、N配=K.N轴传 上式还可写为：N配=K.Q.H（马力） 75.传及N配=K.Q.H（KW） 102.传式中：N配动力机配套功率（KW或马力） 1KW=1.36马力=102kg.m/s2；N轴水泵轴功率（KW或马力） 1马力=0.736KW=75 kg.m/s2；Q、H、分别为水泵的额定流量（l/s）、扬程（m）、效率（%）；传传动效率；水的容重，1kg/l；K备用系数，可查下表定：提示：1）电机功率单位为KW，柴油机功率单位为马力；2）应首先采用电动机。对电源紧缺且非经常运行的泵站可采用柴油机，但必须配备能储存1015d燃料油的储备设备。203选变压器：以泵站供电为主的变压器，其容量可根据泵

22、站电机功率和照明用电数值，参考下表选用：四、地下水开采技术政策：（一）日取地下水量在5万吨以上的项目须进行水资源论证，编制论证报告并报水利部进行审查。有关政策全文见建设项目水资源论证管理办法（2002年3月24日水利部、国家发展计划委员会令第15号发布），2002年5月1日起施行。在每小时开采地下水2088.33m3时，就可达到日取水5万吨的指标，根据水利部提出的技术经济指标规定：单位流量（1m3/h）控制面积应为2.54亩，则上述指标对应的耕地面积应为52088333.33亩。这样规模的项目在土地开发整理工程中是会遇到的。（二）在地下水超采区，严格控制开采地下水；在地下水严重超采地区要划定地下水禁止开采或者限制开采区。2002年10月1日开始执行的水法第三十六条规定：“在地下水超采地区，县级以上地方人民政府应当采取措施、严格控制开采地下水。在地下水严重超采地区，经省、自治区、直辖市人民政府批准，可以划定地下水禁止开采或者限制开采区。在沿海开采地下水应当经过科学论证，并采取措施防止地面沉降和海水入侵”。21水利部水资源司司长吴季松在2002年两会期间著文指出：“全国地下水超采区共有164片，超采区面积达18.2万平方公里，其中严重超采区面积占42.6%。