地下水利用讲义

地下水利用

⑷就）

2003年1月9即

目录

一、地下水基本特征..........................................................2

（-）成因类型（以河北平原为例）...................................2

（-）地下水分类.....................................................3

（三）含水层性质.....................................................3

I.定义...............................................................4

2・导水...............................................................4

3.给水...........................................................................4

二、地下水资源评价..............................................................4

（一）含义：.........................................................5

1.特点：............................................................5

2.定义：...........................................................6

（二）评价方法综述..................................................5

1.四大储量法：......................................................6

2.地下水动力学法：.................................................6

3.数理统计法：.....................................................6

4.水均衡法：.......................................................6

（三）水均衡法.......................................................5

I.均衡空间.........................................................6

2.均衡时段.........................................................7

3.均衡要素计算.....................................................7

4.资源评价........................................................13

（四）水质评价......................................................11

三、地下水开采技术..............................................................12

（一）机井规划......................................................12

I.井距.............................................................14

2.井深：..........................................................15

（二）成井工艺......................................................14

1.开孑L:..................................................16

2.下管：............................................................17

3.填砾：............................................................17

4.洗井.............................................................15

5.抽水试验：........................................................二

（三）机泵配套......................................................15

1.选泵：............................................................18

2・选机..............................................................19

3.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「I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

（一）深层地下水不宜作为灌溉水源，大曷开采。22

地下水利用

一、地下水基本特征

（一）成因类型（以河北平原为例）

/I

八

山

体(水

hWV

4----------\

大海水

断

2//〃/

裂承压水――

不透水层zz^Xz//""k

Il|[x丘陵区平原区海洋

k—含水层渗透系数,m/s；

h—潸水含水层厚度,m；

m一承压水含水层厚度,nu

3.给水

给水：指含水层给水能力，用给水度和释水系数表示。

潜水：指重力疏干水的能力，称给水度。

式中，一重力给水度，无因次，理论值为0.1〜0.25,采用值为0.02〜0.12。

承压水：指弹性释水的能力，称释水系数。

叶（叨水+/1二）

="

式中，一弹性释水系数，无因次，为10-3〜10-5；

一比弹性释水系数，1/m（单位含水层厚度的释水系数）;

一承压水层厚度,cm；

一水单位体积重量,kg/cm3；

〃一孔隙率；

一水体压缩系数，为（5-6）X10-5,cm2/kg：

一土体压缩系数,为（1-50）X10-5,cm2/kgo

分析结论：单位土体内潜水给水能力大于承压水；

给出相同水量时，潜水的水位变化比承压水小。

二、地下水资源评价

（一）含义：

地下水资源含义：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。

2.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卜.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.Iheis非稳定流公式（美国人泰斯1933年提出），是根据地下水位变化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。

（3）最高渍水位：指雨季涝水渗入后允许在短期内滞蓄的最高水位。

通常把一定区域范围内的正常高水位与最低静水位之间的空间取作均衡空间。

地面

Eg'

▽最高清水位.后

4—

▽正常高水位滞涝库容二

▽r

兴利库容

▽最低静水位

死曲:容

〃/^^水层////〃〃〃////〃

2.均衡时段

地下水位在一年内有上升也有下降,3〜6月采水多，水位下降；6〜8月降水多，水位上升。可在

3〜6月加大开采深度，动用正常开采深度以下含水层中的地下水，满足灌溉用水需要；在6〜8月降

水又回补地下水，使地下水位又恢复正常。此为地下水库的年调节。为此地下水的均衡计算，多以

“年”为计算时段,而不是以生育期为计算时段。

3.均衡要素计算

(1)侧向流入量：

。入=KBhl；

式中：一侧向流入水量,m3；

一侧向径流流量:m3/d；

B一过水断面宽,m；

h—最低水位时含水层厚度,m；

I—水力坡度；

K—含水层渗透系数,m/d,为0.1〜12()；

一年内发生径流的天数，。

提示：1)Q值是地下水的流量；

2)(。入—。出).7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：

式中：一年降水入渗补给量,m3；

P一年降水量,m；

F—均衡区面积,m2；

—降水入渗补给系数,0.1〜0.3。

（3）河水补给量：

式中：一均衡期（年）内河道渗漏补给量,m3；

、一上、下游水文站实测年过水量,m3；

一上、下游水文站间水面蒸发量与两岸浸润带蒸发量之和占（）的比率，取5%

左右，多由试验定；

、一计算河段和两水文站间长度,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，•是渠系渗漏补给，二是田间渗

漏补给。

a）渠系渗漏补给最：

式中：一渠系渗漏年补绐量。指在灌区内斗渠以上各级渠道（含斗渠）渗漏对皿k水的补给量,

m3；

一渠首年引水量，选用平水年资料,m3；

加一渠系渗漏补给系数；

利—吗原引—%—W损

111----------------------------O

取〃二』^;

%首引

则：=。

式中：一经由渠系输送田间（进入农渠）的年净灌水量,m3；

一渠系沿途各种年水量损失之和,m3；

n渠系水有效利用系数；

一修正系数与地下水埋深，渠系过水历时有关的系数，可参考取值，粘性土为0.32〜

0.4；亚砂土为0.5〜0.6。

b）田间渗漏补给量：

式中：一田间渗漏补给量,m3；

、一分别为引地上水和地下水的田间灌溉年净用水量,m3：

限、户井一分别为地上水、地下水田间渗漏补给系数（或灌溉回归系数）;

_/jAh.F

限一叫dA

'井一吗

式中：一重力给水度；

一潸水位平均升幅,m；

F—均衡区面积,m2；

一均衡时段内地下水平均开采水深,mo

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）越流补给量：

式中：一由于承压水位与潜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；

一弱透水层渗透系数,m/d；

一计算过水断面积,m2：

一承压水位与潜水位间水头差,m；

一弱透水层厚度,m；

一均衡期（年）的天数.d。

提示：实际生产中，多发生承压水补给潸水的情况，使潜水位上升高度

为h。

卬施

/1=—

人F

如：；m3/m2：=lm2；贝ljh=1.825m°

（6）容积储存量：

式中：一潜水含水层容积储量,m3；

一潜水含水层体积,m3；

"d一重力给水度。

（7）弹性储存量：

式中：一承压水弹性释放储量,m3；

一承压水含水层计算面积,m2；

〃,，一承压含水层释水系数;

一承压含水层压力水头,m。

（8）潜水蒸发量：

E=E\\--

oA0J

式中：一年内发生的潜水蒸发总水量,m3；

一潜水蒸发量,mm/d；

一水面蒸发量,mm/d；

一潸水位埋深,m；

一潜水发生蒸发时的临界埋深，m,nJ近似的取=3m（当>时小冉发生蒸发）;

一因气候、土质而异的指数,n=l〜3；

一年内实际发生潜水蒸发的天数,d。

（9）开采水量：或

I）潜水：

地面Q潜开

三

一三

777

2）承压水：

式中：一年开采地下水总量,m3；

,------3皆水、承压水开采量,m3/d；

一含水层渗透系数，m/d；

一含水层原始水位,m；

一抽水稳定水位,m；

一抽水降深，,m：

一抽水影响半径,in；

一井的半径,m：

提示：1）第（1）〜（5）项为补给量；第（6）〜（7）项为储存量；第（8）〜（9）项为

消耗量。

2）侧向流出计算等于侧向流入计算；补给河流计算等于河水补给计算；越层排泄计算等

于越层补给计算；人工回灌计算等于开采水量计算。

3）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

卬开采补给一%m+%存

实际生产中，多取项为零，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，项

也可以取零。

当时，即为可开采量（开采技术条件允许）;

当时，要论证保证程度。

提示：1）开采量与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，可用项评价值。此时的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10℃〜15℃为宜。南方水稻则要求水温在15℃〜20C为

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1〜2次是有显著增产效果的，所以对2〜5g/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，有些盐类列如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。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W补给

取单井灌溉面积为，则：

A)=Q'T叫1_7?)(hnr)

tn

井距：(m)

式中：一单井出水量,m3/h；

〃一濯溉水利用系数；

一灌水定额,m3/hm2；

一每天灌水时间,h/d；

一濯水周期,d；

一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；

一系数，按方格形布置时=25.8；按梅花布置时=27.8。

井数：

式中：一机井灌区面积,hm20

提示：在Qd常数时，：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,贝小

1W、1（）%A

井数：N=…

QtT

式中：一开采模数.m3/km2/a,可查水文地质图求值；

T一年灌溉天数d/a.

井距：（m）

式中，其它符号意义同前，

2.井深：

由以下两项组成：

（1）能保讦单井出水后要求，采用砂层出水率法（适用于潸水含水层）。

成井时，使实际出水量大于（等于）设计出水量，

。实=E］町S+E2m2s+...........

式中：、……一一各含水层单层厚度,m；

一设计降深,m；

、........各含水层单层出水率,t/h.m2。视岩性不同而异，约为0.15〜0.35。

，由于，又，可见有理论意义。

生产中，依设计s,钻进中取值及对应的该层值，求值。当满足时，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5〜1（）米井深作为沉沙管（沉淀管）；基岩中的井管一般为2~4米。

以上两项之和即为设计并深值。

在具体布井时\还要考虑他形（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2设计采水总量，表示井数已够；

实际采水总量〈设计采水总量，表示并数不够。

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、漉料……。

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，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。

2.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。

各种管材的适用钢管铸铁管钢筋混凝土管混凝土管

深度如下表：

管材类型

适宜深度>400200〜400100~200<100

3.填砾：

在井管与井壁间填砾料，起过滤作用（只进水，不进砂）。

填砾体积：（m3）

式中：、一一钻孔直径，井管外径,m；

L------填砾高度,m：

—超径系数，取〜1.5。

提示：在井口处，要填封汨胶泥卷，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：Q〜t：s〜t；Q〜s。

通过对三条曲线分析，可以确定水文地质参数，最大出水量和对应的降深值，为资源评价提供依据。

提示：成井后应该提交综合报告，内含机井柱状图，抽水试验成果图表等。

(三)机泵配套

1.选泵：

类型：一般可参考下表初选水泵类型宜选水泵类型

动水位埋深(m)

<8离心泵

8〜13离心泵(泵体下卧)

13〜30简易深井泵或潜水泵

>30深井泵

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：=(1.15~1.25)

而"总="吸+"压

="实吸+〃吸损十〃实压+砥损

式中：----水泵总扬程,m；

----吸水扬程,m；

——实际吸水扬程,m（动水位埋深）：

----压水扬程,m；

----实际压水扬程,m；

一一进水水面与出水水面高差（即几何高差），m：

、一一分别为吸水和压水损失扬程，由沿程损失和局部损失组成。

水泵设计扬程应小于（或等于）水泵“铭牌”上的扬程。

提示：高扬程提水工程，应根据地形分区，提蓄结合等因素，结合行政区划和管理要求，选用一

级或多级设站，多级设站时按整个提水灌溉工程动力机装置功率最小的原则确定各级站址。

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，转向乜相同时，采用联轴器直接传动。如果转

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:

水泵轴功率

动力机的配套功率=备用系数x

传动效率

上式还可写为：（马力）

及N怔=K.(KW)

102小〃传

式中：——动力机配套功率（KW或马力）1KW=I.36马力=102kg.m/s2；

N轴——水泵轴功率（KW或马力）1马力=0.736KW=75kg.m/s2；

Q、H、7/一一分别为水泵的额定流量（〃s）、扬程（m）、效率（％）；

〃传---传动效率;

----水的容重，1kg/；

—<55〜1010〜5050〜100>100

备用系数，可

查下表定：

水泵轴功率

（KW,马力）

水泵轴功率

(KW,马力)

K（电机）2-1.31.3〜1.151.10〜1.151.08-1.051.05

K（柴油机）1.5〜1.31.3〜1.21.2〜1.151.15

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10-15（1燃料油的储备设备c

3.选变压器：变压器容量（KVA）

以泵站供电为主的变压器，其容量可根

据泵站电机功率和照明用电数值，参考下表

选用：

电机与照明功率（KW）

<710

10〜1420

18.5〜2230

30〜4050

45〜5060

55〜6075

70〜80100

9()〜100125

125〜140