水资源开发与保护电子教案

1、水资源开发与保护电子教案 1）水位流量达到稳定状态 实际抽水量就是可开采量 2）抽水流量达到设计要求，但水位处于非稳定状态 水均衡方程式为： （Q抽-Q补 ） t .F .S Q抽= Q补 + .F .S/ t一、开采试验法1、开采抽水法7 地下水水源地供水能力的定量分析方法2020/12/1922、试验外推法QS 曲线类型 确定依据 直线型： Q=A.S 在 Q-S 坐标系内为直线 抛物线型： S=AQ+BQ2 在 Q-S0 坐标系内为直线 指数型： Q=A.SB 在 lgQ lgS 坐标系内为直线 对数型： Q=A+BlgS 在 Q lgS 坐标系内为直线求解系数A、B3）外推范围 直线型

2、： 倍 其他曲线型：倍 一、开采试验法2020/12/193二、 解析法 1、概念 根据水文地质条件和开采方案，选用地下水动力学中相应的的井流公式来计算井群的涌水量的方法称之为解析法。 2、评价的步骤 （1） 水文地质条件的概化 含水层均质性概化 含水层的边界条件概化 （2） 选择正确的计算公式建立数学模型 （3） 计算开采量 （4） 评价补给量保证程度2020/12/194二、 解析法 3、井群干扰法 井群干扰法适用于井数不多，抽水井比较集中的取水方式，如城乡供水，工矿企业供水等集中供水源地。由于这类水源地往往数个井同时开采，各井之间会相互干扰，在各井降深保持不变的情况下，每口井的出水量比单

3、井抽水时要小，若欲使涌水量不变，则要增大各井的降深。因此在评价开采量时，要充分考虑多井的干扰问题。下面的实例可以了解解析法的水量评价过程。2020/12/195二、解析法 实例计算 某水源地位于内蒙古高原低山丘陵河谷地带，平均降水量为222mm，且集中在7、8、9三个月；河谷宽约30m，河床除雨季外，常年干枯。河谷内为第四系砂砾石堆积，含水层平均厚度为17m，地下水埋深2m，主要为降水和地表水补给。河谷两侧和底部是岩浆岩，表层强烈风化。 为了评价该水源地的可开采资源量，进行了勘探和试验工作，勘探孔和试验孔的布置如图4.9所示。开采方案是沿河谷中心布置九口开采井，井距约1km。根据条件分析选用潜

4、水完整井非稳定流群井公式计算：2020/12/1963、井群干扰法评价步骤： （1）水文地质条件的概化边界条件：把河谷两岸概化为直线平行不透水边界，考虑基岩有风化裂隙水补给，将含水层宽度由300m放宽至500m。介质条件：由于含水层沿河方向不均匀分布，分为3个块段。井孔的布局以及映射见图4.10。二、解析法2020/12/1973、井群干扰法 （2）参数的选择 根据抽水试验的资料，求出了3个试验场段的水文地质参数和平均值。详见表4.5。 对于疏干时间，由于区内每年7、8、9三个月为雨季，有降水和河水补给，故确定疏干时间为9个月（275d）。二、解析法2020/12/198表4.5 试验场参数及

5、井的抽水量井数 含 水 层 第一段 第二段 第三段平均值开采总量(m3/d)疏干时间(d)宽度长度厚度T=226.88 (m2/d) K=16.18 (m/d) a=2.84 103 (m2/d) T=490.56 (m2/d) K=29.73 (m/d) a=5.01 103 (m2/d)T=372.24 (m2/d) K=22.15 (m/d) a=5.47 103 (m2/d)T=363.23 (m2/d) K=22.99 (m/d ）a=4.44 103 (m2/d) (m)(m)(m)9500805117 井 号1391110125784980275 抽水量(m3/d)4003006

6、008008005736724493862020/12/1993、井群干扰法 （3）计算降深值用上述数据代入公式进行计算。由于平行边界相距较近，映射次数较多，所以采用表格形式进行计算较方便。例如先计算中心区10号井的降深值，首先从图上查出实井和虚井与该井的距离ri,算出ri2,分别计算出各场段i,利用井函数表查得W（i），然后代入公式，计算出S10。计算时取了5次对称映射，分别对中心区的11号、10号、12号和5号井进行了计算，其结果依次为6.84m、7.77m、6.80m、6.80m，仅占含水层平均厚度的40%45.7%。二、 解析法2020/12/19103、井群干扰法 （4）评价 根据该

7、河谷段降水入渗量及河床潜流量的计算，按总开采量4980m3/d计算，整个旱季才疏干含水层的一半，到雨季是可以得到补偿的。因此，从水量平衡的角度来看，开采量是有保证的。除此以外，开采方案的最终确定还须考虑生态保护问题，对未来地下水埋深的平面分布进行分析，并扣除生态用水量，余下的水量才是可供开发利用的。二、 解析法2020/12/19114、开采强度法 在井数很多，井位分散，开采面积较大的地区，当井位分布均匀，各井开采量相差不大时，可将这个区域概化成规则的开采区，再把井群的开采量换算出开采强度，再利用开采强度与水位之间的变化关系来推算设计降深时的开采量的方法称之为开采强度法。二、 解析法2020/

8、12/1912三 数值法 （一）概述 1、数值法的优点 随着计算机的普及应用，数值方法得到了迅速发展。近20年来，数值法在地下水资源评价中得到广泛的应用，现已成为地下水资源评价的最主要的方法。用数值法评价地下水资源，有着其它方法无法比拟的优点： 数值法可以解决复杂水文地质条件和地下水开发利用条件下的地下水资源评价问题，如非均质含水层、各类复杂边界含水层、多层含水层地下水开采问题等；2020/12/1913三 数值法 （一）概述 1、数值法的优点 用数值法可进行地下水补给资源量和可开采资源量的评价； 通过对已知地下水动态（地下水位）的拟合，可以识别水文地质条件，如水文地质参数、边界条件、均衡项等

9、，有助于进一步认识水文地质条件； 可以预测各种开采方案条件下地下水位的变化。2020/12/1914 （一）概述 2、数值法特点 数值法是一种近似解法。它是以地下水运动的微分方程的定解问题为基础，将表示水位随时间和空间连续变化的函数离散化，求得函数在有限结点（或网格）上的近似值。 例如地下水资源评价时，用解析法可以求出任意时间和任意点的水位值，而数值法只能求出空间上有限个结点在有限时刻的水位近似值，但只要近似值能满足精度要求，就可以用于解决实际水文地质问题。 三 数值法2020/12/1915 （一）概述 2、数值法的特点 目前，用于水文地质计算的数值法主要有有限差分法和有限单元法两种。他们都

10、是将描述地下水运动的定解问题用不同的方式离散化，使复杂的定解问题化成简单的代数方程组，求得函数在有限结点（或网格）上的不同时刻的近似值。数值法是一种“近似解法”。 三 数值法2020/12/1916 （一）概述 3、数值法的分类 1) 有限差分法 有限差分法是一种经典的数值计算方法。其基本思想是，用渗两组正交的直线把计算区域剖分成有限个亚区域，用有限个离散的亚区域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 。三 数值法2020/12/19172020/12

11、/1918 （一）概述 3、数值法的分类 2) 有限单元法 有限单元法通常剖分成三角形，四边形来求解偏微分方程定解问题一种有效的数值方法，随着计算机的出现和发展，该方法已经成功地用来研究和解决各种领域的许多问题。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 三 数值法2020/12/1919 （二）数值法评价地下水资源的一般步骤 1水文地质条件分析 研究和了解计算区域的地质和水文地质条件，是运用数值法进行地下水资源评价的基础。根据评价区的地质、水文

12、地质条件、评价的任务、取水工程的类型、布局等。合理地确定计算区域以及边界的位置和性质。此外，对区域水文地质条件的了解，还有助于下一步进行识别模型。为此应查明含水介质条件、水的流动条件以及边界条件等三方面。三 数值法2020/12/19202020/12/1921 （1）查明含水层在空间的分布形状（可用顶底板等值线图来表示）；查明含水介质厚度的变化（可用含水层厚度等值线图表示）；查明含水层透水性、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K和贮水系数s（或给水度）进行分区；查明主含水层与其它含水层的水力关系，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

13、。 1水文地质条件分析（二）数值法评价地下水资源的一般步骤三 数值法2020/12/1922 （2）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；是一维流、二维流还是三维流；对复杂的岩溶水存在管流、非连续流时，也应进行概化，便于选择相应的数学模型。1水文地质条件分析（二）数值法评价地下水资源的一般步骤三 数值法2020/12/1923 （3）区域边界定义了计算区的范围，而边界的性质对地下水资源评价结果有着较大的影响，因而查明边界的空间分布形状以及边界的性质，给出边界值，是运用数值法进行地下水资源评价的重要工作。 一般而言，应把一个完整的地下水系统作为计算和评价区域，且最好以天

14、然边界作为计算域的边界，如地表分水岭、地表水体、断层接触、侵入岩体接触、地层界线等。1水文地质条件分析（二）数值法评价地下水资源的一般步骤三 数值法2020/12/1924 实际水文地质条件是十分复杂的，要想完善地建立描述计算区地下水系统的数值模型是困难的。因此，应根据水文地质条件和工作的目的，对实际的水文地质条件进行简化，抽象出能用文字、表格或图形等简洁方式表达地下水运动规律的水文地质概念模型。这一过程称为水文地质条件的概化，2建立水文地质概念模型和数学模型（二）数值法评价地下水资源的一般步骤三 数值法2020/12/1925 其原则为： 根据评价的目的要求，所概化的水文地质概念模型 应反映

15、地下水系统的主要功能和特征； 概念模型应尽量简单明了； 概念模型应能被用于进一步的定量描述，以便于建立描述符合研究区地下水运动规律的微分方程的定解问题2建立水文地质概念模型和数学模型（二）数值法评价地下水资源的一般步骤三 数值法2020/12/1926 水文地质条件的概化通常包括以下几个方面： 计算区几何形状的概化； 含水层性质的概化，如承压、潜水或承压转无压 含水层，单层或多层含水层系统等； 边界性质的概化； 参数性质(均质或非均质、各向同性或各向异性) 的概化； 地下水流状态的概化，如二维流或三维流。2建立水文地质概念模型和数学模型（二）数值法评价地下水资源的一般步骤三 数值法2020/1

16、2/1927 为了验证所建立的数值模型是否符合实际，还要根据抽水试验的水位动态来检验其是否正确，即在给定参数、各补排量和边界、初始条件下，通过比较计算水位与实际观测水位，验证该数值模型的正确性。这一过程，称为模型识别或水文地质条件识别。识别既可以对水文地质参数进行识别，也可以对水文地质边界性质、含水层结构作进一步的确认。3确定模拟期和预报期4水文地质条件识别（二）数值法评价地下水资源的一般步骤三 数值法2020/12/1928 识别的判别准则为：计算的地下水流场应与实际地下水流场基本一致， 即两者的地下水位等值线应基本吻合；模拟期计算的地下水位应与实际变化趋势一致， 即要求两者的水位动态过程基

17、本吻合；实际地下水补排差应接近于计算的含水层储存量 的变化值；识别后的水文地质参数、含水层结构和边界条件符 合实际水文地质条件。4水文地质条件识别（二）数值法评价地下水资源的一般步骤三 数值法2020/12/1929 满足以上准则，则认为数值模型反映了计算区的地下水流动规律，可用于地下水资源评价和预报。反之，则需要对水文地质概念模型进行适当修改，以达到上述要求。识别过程不仅仅是对参数进行调整，而且包括适当调整地下水的补排量、含水层结构和边界条件及边界值。识别在数学运算中称为解逆问题，由于参数、补排量和边界条件等可以存在多种组合，故一般逆问题具有多解性。在识别过程中，识别因素越少，则识别愈容易。

18、识别方法有直接法和间接法，目前一般多用间接法，即试算法。4水文地质条件识别（二）数值法评价地下水资源的一般步骤三 数值法2020/12/1930 5地下水资源评价和水位预报 经过验证的模型只能说是符合勘探试验阶段实际情况的模型，用来进行开采动态预报时，还应考虑开采条件下可能出现的变化。一般来说，含水介质的水文地质参数变化不大，但边界条件和地下水的补给排泄条件可能会随开采发生变化。特别是抽水试验降深不够大，延续时间不够长时，边界条件的时变问题尚未充分暴露，此时运用识别后的模型进行地下水开采动态的水位预报时，要依据边界条件的可能变化情况做出修正。 （二）数值法评价地下水资源的一般步骤三 数值法20

19、20/12/1931第五章 水资源数量评价8 地下水资源评价的精度与分级 地下水资源评价工作的深入程度往往与供水水文地质调查的阶段性有关。由于各调查阶段投入的工种、工作量、运用的方法、耗用的时间和经费不同，所提交的成果其用途也不同。有的作为地下水资源开发利用远景规划的制定依据；有的可用于水源地及其主体工程技术设计，而有的只能为水源地初步可行性研究使用。 为了使评价的精度与评价的目的相适应，全国矿产储量委员会于1994年颁布了地下水资源分类分级标准（GB1521894）。有关标准是考虑地下水资源的特点和勘察阶段与工程设计阶段的对应性，地下水开采技术和经济的可行性，沿用矿产资源储量分级办法制定的。

20、2020/12/19328 地下水资源评价的精度与分级 这些标准主要根据工作区水文地质条件的研究程度和地下水资源的研究程度，对所提交的地下水资源量及可开采量（标准中称之为允许开采量）数据划分五个级别，分别用大写的英文字母A、B、C、D、E表示。其中A、B、C级规定为探明资源量，D级为推断资源量，E级为预测资源量。 标准规定衡量评价精度的两个依据是工作区水文地质条件的研究程度和地下水资源的研究程度。 其中水文地质条件主要包括含水层特征，地下水补给、径流、排泄条件及边界条件，地下水水化学特征；2020/12/19338 地下水资源评价的精度与分级 地下水资源研究程度包括水文地质试验的种类、方法，地

21、下水动态观测资料的精度及观测序列的长短，地下水资源计算模型的正确与否以及资源评价方法的合理性，计算所引用的原始数据和水文地质参数的精度，地下水补给保证程度等。 由于该标准基本沿用了传统水文地质学的观点，如侧重于水源地的评价、采用允许开采量的提法，未能体现地下水系统和水资源规划、科学管理的基本思想，所以，这些标准仍有一定的局限性，但总体来讲，仍有一定的指导和借鉴作用。现将有关标准综合归纳如下：2020/12/19348 地下水资源评价的精度与分级 一 A 级1、评价结果的作用： 作为大型水源地开采及改扩建设计的 依据 按1：2.5 万或1:1万的精度提供图件对应于供水水 文地质调查的开 采阶段。

22、2、研究程度：有3年以上连续开采及水位,开采量,水质动态 观测资料。3、以水文地质单元为基础, 对地下水可开采量进行多年均衡 计算、评价， 有较完善的地下水渗流场的数学模型。4、对开采过程中地质环境问题进行专题研究,提出合理开采 地下水的具 体方案和措施。2020/12/1935 8 地下水资源评价的精度与分级 二 B 级 1、评价结果的作用：作为水源地技术设计和施工设计的依据按1：2.5万或1:1万的精度提供图件 对应于供水水文地质调查的详堪阶段。 2、研究程度：进一步进行勘探工程和水文地质试验,进行 开采1 年以上动态观测工作,并对关键性问题进行专题 研究建立水文 地质概念模型。 3、采用

23、多孔抽水试验,动态观测等资料计算不同分区的 水 文地质 参数, 用均衡法,数值法对对水源地的可采资源量进行计算和对比。 4、论证水源地最优开采方案,预测长期开采条件下可能出现 的问题。2020/12/19368 地下水资源评价的精度与分级 三 C 级 1、评价结果的作用：作为城镇 厂矿供水规划的依据 按1：2.5万或1:5万的精度提供图件对应于供水水 文地质调查的初堪阶段 2、研究程度：通过水文地质测绘,物探,抽水试验,水质 分 析,3年以上动态观测工作,基本查明主要 水文地质 条件 3、采用多孔抽水试验,动态观测等资料计算水文地质参数, 选用合适的方法对水源地的可采资源量进行初步的评价 4、

24、对井深,井径,井的布局等提出建议2020/12/19378 地下水资源评价的精度与分级 四 D 级 1、评价结果的作用：作为省,市政府工农业规划的依据 按1：5万或1:10万的精度提供图件 2、研究程度：进行水文地质测绘,初步查明地下水的埋 藏, 分布,类型及动态规律,圈出宜井区 3、初步查明水文地质条件,采用物探和抽水试验取得参数, 用均衡法对地下水资源量进行概略计算 4、初步评价地下水的开采条件及可能出现的环境地质问题2020/12/19388 地下水资源评价的精度与分级 五 E 级 1、E级评价结果可以作为全国或大区远景规划、农业区划的依据，提交的成果一般按1：20万的精度要求。 2、水文地质研究程度：根据现有的区域自然地理、区域地质和少量的民井资料，利用已有的地质图和航卫片，进行一些路线调查，对区域地下水埋藏条件、含水层的分布和导水性有一个概略推断，圈出宜井区或富水地段。 3、利用经验参数，采用均衡法、比拟法等对区域地下水资源量和宜井区的补、排水量进行概略的估算。 4、开采技术经济条件研究程度。根据区域水文地质条件，对地下水开采的技术经济条件和开采地下水可能出现的环境地质问题作出概略评价 2020/12/193