10地下水资源量的计算与评价

10.1地下水资源的特点及分类10.2地下水允许开采量的主要计算方法

10.3地下水资源评价

10地下水资源量的计算与评价

*10.1地下水资源的特点及分类地下水资源––––是贮存和运移于地壳岩层中有使用价值的各种地下水量的总称。它属于整个地球水资源的一部分。地下水的使用价值包括水质和水量两个方面。地下水资源量的计算和评价：计算和评价一个地区在一定的技术经济条件下，可供开采的地下水量在满足一定开采量的条件下，预测地下水的开采动态*10.1地下水资源的特点及分类

一、地下水资源的特点

（1）流动性（活动性及与周围环境的密切联系性）可以用地下水的流量表示地下水的数量*（2）可恢复性（循环再生性）： 当人工开采地下水时，在多数情况下，只要开采量不超过一定限度，虽然井附近的地下水位要降低，使地下水的储存量暂时减少，但只要停止开采，水位又可逐渐恢复原位，即地下水的储存量又得到了补充。 地下水的可恢复性是地下水资源可持续发展利用的保证。10.1地下水资源的特点及分类*10.1地下水资源的特点及分类（3）调节性（或储存量的可变性）： 当补给丰富、大于消耗时，含水层就把多余的水蓄集起来，使地下水的储存量增加；当补给较少或暂时停止时，又可用储存的地下水维持消耗，使储存量减少。储存量的这种可变性，在地下水的补给、径流、排泄及开采过程中均起着调节作用。abc*（4）系统性和整体性： 地下水一般是按一定的含水系统形成和分布的，存在于同一含水系统中的水是一个统一的整体，有着共同的补给、径流和排泄体系。必须从含水系统整体上需求最优开发利用方案。10.1地下水资源的特点及分类Q*1.补给量：是指天然或开采条件下，单位时间内以各种形式和途径进入区内含水层的水量（m3/a）。补给来源：大气降水渗入、地表水渗入、地下水侧向径流、越层补给，人工回灌补给等分类：天然补给量：天然状态下，进入计算区含水层的水量。补给增量：扩大开采后可能增加的补给量或在开采条件下由于水文地质条件改变夺取的额外补给量。（开采补给量是地下水在开采条件下夺取过来的额外补给量。）10.1地下水资源的特点及分类

二、地下水资源量的分类（三量分类：补给量、储存量、允许开采量）*补给增量的组成：地表水的补给增量降雨入渗的补给增量相邻含水层的越流补给增量相邻地段含水层增加的侧向入流补给量。各种人工增加的补给量补给增量的特点：开采前并不参与所研究的含水层单元地下水的水量均衡，而仅在开采激化下，由于改变了水动力条件后才被夺取过来。补给量是评价地下水资源保证程度的重要依据。10.1地下水资源的特点及分类*计算补给量时，应以天然补给量为主，同时考虑合理的补给增量。地下水的补给量是使地下水运动、排泄、水交替的主导因素，它维持着水源地的连续长期开采。允许开采量主要取决于补给量。计算补给量是地下水资源评价的核心内容。10.1地下水资源的特点及分类*10.1地下水资源的特点及分类2.储存量：是指储存于含水层中的重力水体积（m3）。按埋藏条件分类：容积储存量：指大气压力下，含水层空隙中容纳的重力水体积。

W容=μ*V=μFh

μ：给水度；

F：含水层的分布面积；h：含水层厚度弹性储存量：指承压水头降至含水层顶板时，由于含水层的弹性压缩及水的弹性膨胀，从含水层中释放出的水量。（超过大气压的天然压力降到大气压时，承压含水层中能释放出来的重力水体积。）

W弹=μeFhn μe：释水系数（弹性给水度）；F承压含水层的分布面积；hn：承压高度*10.1地下水资源的特点及分类按地下水储存量的动态分：永久出储存量：指在一定期限内的最小储存量，在一定周期内不变的储存量。暂时储存量（调节储存量）：最大与最小储存量之差，即最低水位以上储存的地下水体积。注：一般情况下，计算允许开采量时，不考虑永久储存量。*3．允许开采量（或可开采量）允许开采量（或可开采量）––––是指通过技术经济合理的取水方案，在整个开采期内出水量不会减少，动水位不超过设计要求，水质和水温变化在允许范围内，不影响已建水源地正常开采，不发生危害性环境地质现象等前题下，单位时间内从水文地质单元或取水地段中能取得的水量。其常用的流量单位为m3/d或m3/a等理解：地下水允许开采量即在可预见的时期内，通过经济合理、技术可行的措施，在不引起生态环境恶化条件下允许从含水层中获取的最大水量。（m3/d或m3/a）10.1地下水资源的特点及分类*允许开采量的组成开采状态下的水均衡方程（Q补+ΔQ补）-（Q排-ΔQ排）-Q开=-μFΔh/ΔtΔh为Δt开采段内影响范围内的平均水位降，水位下降取-号单位：m3/d开采前，均衡期内Q补≈Q排Q开=ΔQ补+ΔQ排+μFΔh/Δt开采时增加的补给量开采时减少的天然排泄量可动用的储存量*

明确了开采量的组成，就可以按各个组成部分来确定允许开采量。（1）允许开采量中补给增量部分，只能合理地夺取，不能影响已建水源地的开采和已经开采含水层的水量；地表水的补给增量，也应从总的水资源考虑，统一合理调度。（2）允许开采量中减少的天然排泄量，应尽可能地截取，但也应考虑已经被利用的天然排泄量。只要天然排泄量尚未加以利用，就可以用天然补给量或天然排泄量作为开采截取量。10.1地下水资源的特点及分类*（3）允许开采量中可动用的储存量，应慎重确定。首先要看永久储存量是否足够大，再看现时的技术设备最大允许降深是多少，然后算出从天然低水位至区域允许最大降深动水位这段含水层中的储存量，按100年或50年平均分配到每年的开采量中，作为允许开采量的一部分。10.1地下水资源的特点及分类*由于开采量与补给量的不同关系，可出现三种开采动态类型水源地：①稳定型：任何时间Q开≤Q天补+ΔQ补；②调节型：雨季开采量小于总补给量，而旱季开采量可大于总补给量。但在一年或数年期间，累计总开采量仍应小于总补给量，即未动用储存量（静储量）；③消耗型：开采量大于总补给量，须动用消耗储存量（静储量）。10.1地下水资源的特点及分类*计算地下水的允许开采量是地下水资源评价的核心问题。计算允许开采量的方法，也称为地下水资源评价方法。允许开采量的大小，主要取决于补给量，还与开采的经济技术条件及开采方案有关。由于水文地质条件的差异及不同勘察阶段取得的水文地质资料丰富程度不一，以及对成果的要求精度不同，可采用不同的计算方法。10.2地下水允许开采量的主要计算方法

*§2水文地质钻孔的结构和钻孔设计*10.2地下水允许开采量的主要计算方法一、解析法：用地下水动力学中解析公式计算地下水允许开采量的方法。理论上较严密、精确。只要含水介质、边界条件和取水条件符合选用公式的假定条件即可。实际上，公式很多，但完全符合公式的假定条件的情况较少，结果近似。一般要用水均衡法或其他计算方法计算补给量来论证其保证程度。二、数值法：随着计算机的出现而发展出来的一种地下水近似计算方法。是对渗流微分方程的一种近似解，但在实际应用中完全可以满足精度要求。主要用于大中型水源地、水文地质条件复杂、计算区形状不规则、含水介质不均匀、各向异性且资料较多时的地下水资源评价。*三、水均衡法水均衡法也称为水量平衡法，是全面研究某一地区（均衡区）在一定时间段（均衡期）内的地下水的补给量、储存量和消耗量之间的数量转化关系，通过平衡计算，评价地下水的允许开采量。 实际上，它不仅是地下水资源计算与评价方法主要类型之一，在某些情况下、它又是其他类型计算与评价方法的指导思想与验证的依据。水均衡法*1．基本原理对一个均衡区（地段或水文地质单元）的含水层来说，在任一时段Δt内补给量与消耗量之差，恒等于此含水层中水体积的变化量，即水均衡原理。据此可以建立水均衡方程式：

式中：μ和μe分别为重力给水度和弹性释水系数（贮水系数）；

Δh和ΔH分别为含水层厚度和水头变化值。水均衡法*稳定型开采：合理消耗型开采：水均衡法式中，ΔQ消为减少的消耗量，即截取的补给量；ΔQ补为开采时增加的补给量；Smax为最大允许降深；T为开采年限，一般取50—100a。注：天然排泄量要尽可能的截取，只要天然排泄量未加以利用，就可以用天然排泄量或天然补给量作为开采截取量。即ΔQ排值近似为天然补给量；Q开补：天然补给量和开采补给量之和，即开采条件下所有补给量。*例：

在我国西北干旱气候条件下的山前冲洪积扇地区，年降水量很少而蒸发强烈，雨水渗入补给（Q雨渗）几乎可以忽略不计。如果山区基岩裂隙也不发育，则侧向补给（Q流入）也可略去。当含水层为较单一的砂卵砾石层，无越流补给，也没有各种人工补给时，则地下水的补给量主要靠从山区流出的河水渗入补给（Q河渗）。开采后，由于水位降低，可以使消耗项中的蒸发（Q蒸发）、溢出（Q溢出）都变为零：水均衡法稳定型的最大允许开采量：*例： 我国南方的岩溶水地区，主要补给来源是Q雨渗和Q河渗，其次是侧向流入Q流入，排泄项中主要是Q溢出，其次是Q流出及Q蒸发。只要采用恰当的开采方式，可以充分截取补给，减少消耗，则计算允许开采量的公式可简化为：因此，在各种情况下，都应按具体条件建立具体的水均衡方程式。关键是测定各种均衡要素。水均衡法*2．水均衡法的特点及适用条件原理明确，公式简单，成果要求可粗可精，所以适应性强，在许多情况下都能运用。在补排条件较简单、水均衡要素容易确定、开采后变化又不大的地区，用此法评价地下水资源的效果较好。它也常作为一种评价方法，用于验证其他方法的计算结果缺点：计算项目有时较多，有些均衡要素难于准确测定，或者要花费较大的勘探试验工作量，特别是对开采条件下各项要素的变化及边界条件的确定比较困难。水均衡法*3．计算步骤第一步：划分均衡区，确定均衡期，建立均衡方程。一级分区。常以含水介质成因类型和地下水类型的组合作为分区依据。例如在山前扇形地带，可分为山区基岩裂隙水一承压水区、扇形地顶部孔隙潜水区及中下部的孔隙潜水一承压水区等。二级分段。同一区内的水文地质条件还有较大差异，可以按不同的定量指标划分为若干段。分段指标通常是含水层导水系数、给水度、水位埋深、动态变幅及包气带岩性等，以便于测定均衡要素为原则。均衡期一般以年为单位，也可将旱季、雨季分开来计算水均衡法*第二步：确定每个区的各项均衡要素值。首先应测定天然流场下各项补给量和消耗量，看是否均衡。然后再考虑增加开采条件下的补给增量和可能减少的消耗量，以此作为地下水的允许开采量。第三步：计算和评价。将各项均衡要素值代入均衡式中，计算出补给与消耗的差值，看地下水储存量的变化是否与之相符，如果不符，审查各均衡要素的计算是否准确，作适当修改，使方程平衡为止。水均衡法*评价时，一般以可能减少的消耗量加上实际已开采量作为总的允许开采量。或以总补给量作为允许开采量的极限。如果储存量很大，可以动用时，应确定最大允许降深值Smax，将此范围内的储存量逐年分配到开采量中，开采期限一般取50一100a。在实际计算中，常常是根据多年的动态观测资料分析，计算不同保证率典型年的水均衡，可评价允许开采量的保证程度。水均衡法*水均衡法*实例：河南某地农业灌溉用水的多年水均衡调节计算，如表10—17所示。根据1955一1975年的动态观测资料，计算出各年的补给量（表中左数第2栏）和计划用水量（3栏）。农业用水是枯水年多用，丰水年反而少用。调节的顺序可不按原时间序列，而选择观测序列中枯水年水位为起调年。本例选1964—1965年为起调年，1975年后再接1955一1956年。据来水、用水差值计算出水位变化值。由于用水常在旱季，所以还因年内借用储存量而有一个水位变化值。因此，第10栏等于8栏加9栏。从多年调节计算结果可以看出，在已有的观测水文周期中，多数年份地下水补给量不足，用水量大于补给量，地下水位有所下降，最大降深达9.3m。但丰水年份水位又可逐渐回升至埋深3m左右，这表明按多年水均衡调节用水是有保证的。水均衡法*多年水均衡调节计算*水均衡法*四、开采抽水试验法 在选定的水源地范围内，根据水文地质条件，选择合适的布井方案，打探采结合井。最好在旱季，尽量按开采条件（开采降深和预计开采量）进行较长时期（一个月以上）的开采性抽水试验。根据抽水试验的结果确定允许开采量，这种方法就是开采抽水试验法，或称开采试验法。开采抽水试验法*1．稳定状态按设计需水量进行长时间开采抽水试验，主井中或井群中心的动水位应在允许降深以内，并能保持稳定，各观测孔中的水位也能保持稳定；停抽后，水位又能较快地恢复到原始水位。动水位历时曲线如图10一9所示。开采抽水试验法图10-9开采抽水试验呈稳定状态时动水位历史曲线图*实际抽水量就是允许开采量。这种抽水试验，一般要求选在旱季进行，确定的允许开采量是偏保守（小）的，在补给条件较好的地区，可以适当外推扩大允许开采量。开采抽水试验法*

2．非稳定状态

在抽水初期，主井水位下降较快，随即稳定下降；而观测井中水位仍持续下降，特别是距主井一定距离的观测孔中水位不稳定，降落漏斗在不断扩大。到后期，可能出现主井与观测井水位同步等幅下降，说明抽水量大于补给量。这时，任一时段Δt的抽水均产生水位下降ΔS。开采抽水试验法图10-10非稳定动水位历史曲线图*假定抽水期内没有其他的消耗项，则这时的水均衡关系为：式中，Q抽为抽水总量（m3／d）；Q补为抽水条件下的补给量（m3／d）；ΔS为Δt（d）时段内的水位下降值（m）；μF为水位下降1m时消耗的储存量，简称单位储存量（m2）。开采抽水试验法*如有两次不同抽水量Q抽1，Q抽2，分别得到两个水位降速和可建立联立方程组：→uF、Q补开采抽水试验法*开采抽水试验法利用恢复水位进行复核、检查：若抽水量减少，且抽水量小于补给量，引起水位回升，则有：停抽时，Q抽=0，则有：*用这种方法求得的旱季补给量作为允许开采量，是有充分保证的，但太保守。因为抽水是在旱季进行的，没有考虑雨季的降水补给量。因此，最好将抽水试验延续到雨季，用同样方法求出雨季的补给量，再分别按雨季时间T雨和旱季时间T旱平均分配到全年，即：用这样的补给量作为允许开采量时，还应计算旱季末的最大水位降（Smax），看是否超过最大允许降深：

式中，S。为雨季末的水位降。右端第2项为旱季开采量超出旱季补给量引起的降深ΔS旱。开采抽水试验法*开采抽水试验法3．实例某水源地位于基岩裂隙水的富水地段。在0.2km2面积内打了12个钻孔，最大孔距不超过300m。在其中的三个孔中进行了四个多月的开采抽水试验。时段（月、日）5.1-5.255.26-6.26.7-6.106.11-6.196.20-6.30平均抽水量（m3/d）31692773326230712804水位平均降速（m/d）0.470.090.940.540.19*

这些数据表明，在水位急速下降阶段结束后，开始等幅持续下降，停抽或暂时中断抽水以及抽水量减少时，都发现水位有等幅回升现象。这说明抽水量大于补给量。利用表10-11中的资料可列出五个方程式：开采抽水试验法*开采抽水试验法用其中任意两个方程便可解出Q补和μF值。为了全面考虑，把五个方程搭配联解，求出Q补和μF值。从计算结果来看，由不同时段组合所求出的补给量相差不大，但μF值变化较大，可能是由于裂隙发育不均，降落漏斗扩展速度不匀所致。联立方程号①-②③-④③-⑤④-⑤平均Q补（m3/d）26792813268826592710μF（m2

）1042473611763723*开采抽水试验法再用水位恢复资料进行复核：时段（月、日）水位恢复值（米）平均抽水量（米3/日）补给量（米3/日）平均值7.2～7.619.363.870279826577.21～7.2619.963.831072515从以上计算结果看，该水源地旱季的补给量在2600—2700m3／d之间，以此作为开采量是完全有保证的。若不能满足需水量的要求，还可以利用年内暂时储存量，适当增大允许开采量。但还应考虑总的降深大小及评价开采后对环境的影响。*4．开采抽水试验法的特点及适用条件 求得的允许开采量是最可靠、准确 但要花费较多的人力物力，且成本较高。

适用于：水文地质条件较复杂，一时难以查清补给条件，而又急需作出评价时，或供水部门对水量的保证程度要求较高时的中小型水源地的水资源评价。开采抽水试验法*补偿疏干法四、补偿疏干法

1.原理与适用条件： 补偿疏干法是在含水层有一定调蓄能力的地区，运用水均衡原理，充分利用雨、洪水扩大开采量的一种方法。

适用于含水层分布范围不大，但有较大储存量可充分调节，地下水补给在时间上分配不均的北方地区。

用这种方法评价时必须符合两个条件：一是可借用的储存量必须满足旱季开采；二是雨季的补给量除了满足当时开采外，多余的补给量能把旱季借用的储存量全部补偿回来。

*补偿疏干法2.计算方法和步骤（1）计算旱季的开采量通过旱季的开采抽水试验求得单位储存量uF：

式中：μF—单位储存量(m3／d)

；Q旱抽—旱季抽水量(m3／d)；

Δt、ΔS—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)。

t0、s0—开采抽水开始等幅下降时间(d)及相应的水位下降值(m)t1、s1—抽水的延续时间(d)和相应的水位下降值(m)

*补偿疏干法（1）计算旱季的开采量

t0S0非稳定状态动水位历时曲线*补偿疏干法（1）计算旱季的开采量

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，确定最大设计降深Smax，查明整个旱季时间T，则可以计算旱季的每天最大开采量(Q旱开)，即：式中：S0—抽水开始等幅下降时井中的水位降深(m)。

*补偿疏干法

（2）计算雨季补给量

雨季补给量等于抽水量与补偿量之和，即：

式中μ′F-水位回升时的单位补偿量，与水位下降时的单位储存量近似相等；

ΔS′/Δt′-雨季水位回升速率（m／d），根据旱季至雨季的抽水试验资料求得；

Q雨抽-雨季抽水试验的抽水量（m3／d）

*补偿疏干法（2）计算雨季补给量

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V雨补，把补给总量分配到全年，得到每天的补给量，为了安全起见，乘以一个小于1的安全系数γ(一般取0．5—1)：

*补偿疏干法3.评价允许开采量

若Q补≥Q旱开，则计算的Q旱开可作为允许开采量；若Q补<Q旱开，则以Q补作为允许开采量。

4、计算实例某水源地的含水层为厚层灰岩，灰岩分布区有间歇性河流通过，岩溶水的补给来源主要为季节性河水渗透和降雨渗入。为了评价可开采量，在整个旱季做了长期抽水试验，一直延续到雨季，试验结果：*补偿疏干法

4、计算实例旱季试验抽水量为1761.7m3／d，抽水10d后井中水位降深S0＝5m，并开始等幅下降，再延续抽水140d，水位降降至14.53m，随后抽水流量变为1900m3／d，再延续抽水49d，水位升至2.83m（雨季）

（p165图10-11）。勘察年的旱季时间为T旱＝253d，雨季补给时间T雨＝112d。根据当地条件，允许降深Smax＝23m，请计算该水源地的允许开采量。

*补偿疏干法

4、计算实例

（1）按旱季抽水资料，求出μF

（2）计算旱季开采量，Smax＝23m，S0＝5m，T旱＝253d*补偿疏干法

4、计算实例

（3）求雨季补给量

（4）允许开采量评价

Q补大于Q旱开，所以Q旱开＝1841.2（m3／d）作为允许开采量是有保证的。即：*10.3地下水资源评价地下水资源的评价就是地下水资源的数量、质量、时空分布特征和开发利用条件作出科学的、全面的分析和估计。水质评价、水量评价类型：局部水源地地下水资源评价区域地下水资源评价*可持续利用原则“三水”联系，互相转化，统一评价原则以丰补欠，合理调控原则考虑人类活动增加或减少的补给量及供排结合的原则安全开采，防止产生不良环境地质后果的原则以地下水系统为单位的评价的原则用补给量平价开采量一、地下水资源评价的原则10.3地下水资源评价*10.3地下水资源评价二、地下水资源评价的内容 对各种地下水量时空分布规律的研究，计算地下水允许开采量，预报地下水动态，分析地下水开采潜力和开发利用前景及对环境产生的影响，提出合理的开采方案、工程措施及建议等。（一）区域地下水资源评价计算区域地下水补给量计算储存资源量确定区域地下水允许开采量*10.3地下水资源评价（二）局部水源地的地下水评价计算允许开采量提出合理取水方案和确定取水建筑物根据水文地质条件，布置取水构筑物，预测水源地的允许开采量按具体需水量拟定集中不同的取水方案，通过对比，选出最佳方案，评价水量保证程度，作出水质、水量是否能满足供水要求的结论，并评价开采后对环境是否会引起某些不良后果*三、地下水资源评价方法选择评价地下水资源时，虽有许多方法可以用来计算地下水的允许开采量，但每一种方法都有一定的优缺点和适用条件。因此，只有按具体水文地质条件和可能取得的资料及勘察阶段的要求选择合适的计算评价方法，才能取得较好的效果。10.3地下水资源评价*选择评价方法时，对水文地质条件方面主要应考虑：①水文地质单元的基本规律；②含水层、隔水层的性质及埋藏条件，水文地质参数在平面和剖面上的变化规律；②地下水的类型及形成地下水开采量的主要来源；④有无地表水流或水体存在，在开采条件下它们可能的变化；⑤地下水水质的变化规律；⑥本区地下水开发利用情况及对评价精度的要求。综合考虑以上情况，再结合各种方法的适用条件来选择一种，最好是几种计算方法并用，以便相互验证。下面将局部水源地和区域的地下水资源评价，作一些简要的说明。10.3地下水资源评价*四、地下水允许开采量的分级

（供水水文地质勘查规范（GB50027-2001））（1）水文地质条件的研究程度；（2）动态观测时间的长短；（3）计算所引用原始数据和参数的精度；（4）计算方法和公式的合理性；（5）补给的保证程度。3地下水资源评价*各级允许开采量精度的具体要求如下：D级：①初步查明含水层（带）的空间分布及水文地质特征；②初步圈定可能富水地段；③根据单孔抽水试验确定所需的水文地质参数；④粗略评价地下水资源，估算允许开采量。概略评价地下水资源，估算地下水允许开采量。（普查阶段）C级：①基本查明含水层（带）的空间分布及水文地质特征；②初步掌握地下水补径排条件及其动态规律；③有据有观测孔的抽水试验或枯水期的地下水动态资料所确定的有代表性的水文地质参数；④结合开采方案初步计算允许开采量，提出合理的采用值；⑤初步论证补给量，提出拟建水源地的可靠性评价。（详查阶段）3地下水资源评价*B级：①查明拟建水源地的水文地质条件与供水有关的环境水文地质问题，提出开采地下水必需的有关含水层的资料和数据；②根据一个水文年以上的地下水动态资料和群孔抽水试验或试验性开采抽水试验所计算出的水文地质参数，论证水文地质条件，掌握含水层的补给条件及供水能力；③建立或完善数学模型，结合具体的开采方案，计算和评价补给量，确定允许开采量；④预测开采条件下地下水的水位、水量、水质和环境地质各方面可能发生的变化；⑤提出保护和改善地下水水量和水质的措施。（勘探阶段）3地下水资源评价*A级：①具有为解决开采水源地具体课题所进行的专门研究和试验成果；②根据开采的动态资料进一步完善地下水数学模型，并逐步建立地下水管