第三章水资源量评价.ppt

1、3.3地下水资源量评价,地下水资源特点 3.3.1地下水资源分类 3.3.2地下水资源评价的内容、原则 3.3.3地下水资源补给量和储存量计算 3.3.4地下水资源允许开采量计算,地下水资源量指地下水中参与水循环且可以更新的动态水量（不含井灌回归补给量）。,地下水资源数量评价内容应包括补给量、排泄量、可开采量的计算和时空分布特征分析，以及人类活动对地下水资源的影响分析。,地下水资源的特点,1、可恢复性 （1）处于全球水循环体系之中 （2）在水资源的评价中要以补给量为核心 2、可调节性 取决于含水层的规模和含水介质特点 3、与周围环境的密切联系性或活动性,地下水资源分类,1地下水“资源”与“储量

2、”的基本概念 2国内外地下水资源分类 前苏联：四大储量（其弊端？） 美国：安全开采量（持续开采量、容许开采量等） 强调地下水资源的保护与管理方面 中国：5060年代，按照苏联提法 70年代之后，对其分类进行探讨：主要考虑开采资源的组成。 3地下水资源分类的国家标准 地下水资源分类分级表：教材P60 表36 补给量、储存量、允许开采量、尚难利用的资源,1、补给量: 是指在天然状态或开采条件下，单位时间从各种途径进入该含水层（带）的水量。 补给来源：包括降水渗入，地表水渗入，地下水的流入（主要指地下水侧向流入）， 越流补给（主要指地下水的垂向流入），人工补给。,储存量： 指地下水循环过程中，贮存在

3、含水层中的重力水体积。 允许开采量(可利用资源): 是指通过技术经济合理的取水构筑物，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提下，单位时间内从该水文地质单元或取水地段开采含水层中可以取得的数量。 尚难利用资源： 具有潜在经济意义的地下水资源。 在当前的经济技术条件下难以利用的地下水资源。,允许开采量的精度分级,允许开采量按其精度可划分为A，B，C，D，E五级。E级精度最低，A级精度最高。 E级：一般用经验参数估算。 D级：用于规划阶段水源地的选择。 C级：用于初步设计阶段。 B级：用于设计阶段。 A

4、级：用于开采阶段水源地改造、扩建及保护。,3.3.1.1地下水“资源”与“储量”的基本概念,地下水“储量”来自矿产地质学 储量含有“静态”的“不可恢复性”的成分，在20世纪5060年代，我国广泛使用这个概念，并把地下水分为四大储量：静储量、动储量、调节储量、和开采储量。 静储量：地下水多年平均水位变动带以下的水量。 调节储量：地下水多年平均水位变动带以内的水量。 动储量：地下水的天然径流量。 地下水“资源”来自水文学 在20世纪70年代，我国广泛使用这个概念，以此反映地下水可恢复性的特征。 “储量”与“资源”在水文地质学中常被同时兼用，在地下水资源评价中也被同时用到，二者没有截然的界限。,地下

5、水资源评价的内容、原则,一、地下水资源评价的内容 1.地下水资源量评价 2.地下水水质评价 3.开采技术条件评价 4.开采后果评价 二、地下水资源评价的原则 1.“三水”转化，统一考虑与评价的原则 2.利用储存量以丰补欠的原则 3.考虑人类活动，化害为利的原则 4.不同目的和不同水文地质条件区别对待的原则 5.技术、经济、环境综合考虑的原则,地下水资源量评价,1、应从地下水的补给量、储存量、可开采量3个方面进行评价。 2、评价时根据水文地质条件，划分水文地质单元，对各项补给量、排泄量进行均衡计算。 3、在地表水和地下水相互转化明显的地区，如岩溶地区、山前平原区，应把地表水和地下水作为统一的循环

6、系统进行评价。 4、地下水的评价，需要有足够的水文地质勘探资料、地下水位的动态观测资料。,地下水水质评价,1、地下水水质评价，应在查明地下水的物理性质、化学成分、卫生条件和变化规律的基础上，以我国现行的水质评价标准作为水质评价的基本准则，结合供水目的、水文地质条件和地区性水质标准，因地制宜的分别对生活用水和工业用水水质进行评价。 2、 评价地下水水质时，应根据勘察区地下水的形成条件、水文地球化学特征、盐分富集规律，评价开采过程中水质可能发生的变化，提出卫生防护措施，防止水质恶化。,1-隔水层，2-透水层，3-粘土层，4-地下水位，5-流线，6-氧化、还原带界限，7-泉，8-矿化度，一个“+”代

7、表低矿化度，两个“+”代表中等矿化度 ，三个“+”代表高矿化度 （注意，这只是一个概念性示意图，应用适应考虑具体条件，例如，当有机质含量十分丰富时，甚至在浅部即已进入还原环境。）,地下水流动系统中的水质演变,开采技术条件评价,开采技术条件是多方面的，包括：扬程、含水层厚度、开采期限 、允许水位降等。 掌握一年以上系统的地下水动态资料，进行群孔干扰抽水试验或试验性开采抽水试验，建立和完善数学模型，利用数值法等对可开采量进行计算和评价，预测开采期内水质、水量的变化趋势 为建设水源地提供技术设计和施工设计依据,开采后果评价,主要对超采后可能产生的各种后果进行评价。所谓超采地下水是指地下水开采量长期超

8、过地下水的补给量，地下水位进入非稳定性恶性下降的情况，它会引起一系列灾害性后果。 由于过量开采地下水，我国北京、上海、天津等许多大、中城市出现了地面沉降，塌陷等问题。,“三水”转化，统一考虑与评价的原则 “三水”转化，指降水、地表水、地下水之间的水量循环和平衡关系。 土壤水为吸附于土层包气带的水量，对地表水与地下水之间的转化起“桥梁”作用，但不能作为工程措施引用的水源，故不列入三水转化之内。 “三水”统一考虑的宗旨： 充分利用含水层中的水量，合理夺取外部水的转化。 所谓合理夺取外部水的转化，指不干扰国家的水资源规划，不使地表水的用户受到经济损失。,地下水补、径、排的关系,利用储存量以丰补欠的原

9、则,主要是利用储存量的调节作用。在补给量极不稳定的地区，要维持地下水的持续稳定开采，应充分发挥储存量的调节作用。 做法是：旱季补给不足时，可以暂借储存量，保证连续开采；雨季补给时，借助于疏干的含水层空间和增大水位差的作用，增大补给量，除保证开采外，多余的可以补偿储存量，留下一个旱季再借用。枯水年和丰水年之间也有类似的分配关系。 即在满足允许水位降的前提下，采用枯水期“借”丰水期“补”，以丰补欠多年调节平衡的方法，可扩大地下水的允许开采量。,举例：印度恒河流量季节性变化很大，雨季洪水泛滥，大量地表水无效泄流入海，而旱季却不能满足全部灌溉、通航以及提供胡夫利河分水的需要。为了进行调节，在恒河水系3

10、200km长的沿河两岸，在宽6.4km的范围内建立井灌场。在旱季大量抽取地下水，腾出地下空间。根据含水层的储水系数，把地下水位降低6m15m ,就足以腾出620亿m3的地下水库容，解决所需要的调节水量。,补给量 储存量,一、补给量 （1）天然补给量： 地下水在未开采前天然条件下的补给量。 （2）人为补给量： 指在人为活动影响下，含水层增加的水量。包括开采补充量和人工补充量。 A、开采补充量：指开采条件下，除获取天然补给量，由于扩大开采或改变取水工程以及改变取水方式，使水动力条件发生改变而能夺取的额外补充量（简称补充量）。常有下列几种情况： B、人工补充量:包括人工回灌补给和灌溉水渗漏补给。其中

11、灌溉水渗漏补给又可分为两种情况：一种是灌溉渠系渗漏补给，另一种是田面灌溉水的补给。 2、补给量的计算 由于补给特点不同，因而，在计算补给量时，要选用不同的计算方法。,地下水资源补给量和储存量计算,1、夺取地表水的补充量：取水构筑物靠近地表水体或大型渠道时，强烈抽水使地下水位大幅度下降，增强地表水入渗，加大地下水的补给量。如下图（ a ）和（b）。 2、夺取相邻含水层的补充量：当开采层与相邻含水层之间存在水力联系时，通过弱透水层所取得的越流补给量。如下图（ c ）。越流补给有三种情况： （1）承压水补给潜水：即自下而上的补给，又称顶托补给，此时潜水为开采层。 思考：为什么呢？压力减小，承压水有上

12、冲的趋势。 （2）潜水补给承压水：为自上而下的补给，又称重力补给。此时承压水为开采层。 （3）承压含水层之间的补给：形成条件是：开采层的承压水位低于补给层的承压水位。 3、夺取开采地段以外的补充量：在局部地段开采时，由于受水范围逐渐扩大，以及分水岭外移，形成增加的水量。如下图（ d ） 4、夺取消耗补充量：在地下水埋藏较浅易于蒸发或地下水溢出的地段，由于人工开采，水位下降，蒸发减弱，而获得的补充量。,补给量的计算,1、侧向补给量的计算(地下水流流入量) Qb=K*J*B *H(或M) P63 (3-35) Qb-侧向补给量，m3/d K -含水层渗透系数，m/d J-地下水水力坡度； B-计算

13、断面宽度， m H(或M)-潜水（或承压水）含水层厚度，m,2、降水入渗补给量：P63 (3-36) Qb=.A.x/365 Qb-日均降水渗入补给量，m3/d a-年均降水入渗系数； A-降水渗入面积， m2; x-年降水量，m/a。 关键因素是确定降水入渗系数,降水入渗系数：指降水渗入量与降水总量的比值。 其影响因素：地表岩性和结构、地形坡度、植被覆盖率、降水量大小、降水强度等。它随着时间和空间的变化而变化。 降水入渗系数的确定： 利用地下水位动态资料计算降水入渗补给系数，P64，3-37式 =（h+ h t）/ xi h-年内各次降雨的地下水位升幅， m; h -各次降雨前地下水位的降速

14、，m/d; t-为各次水位上升的时间，d; Xi-各次水位上升期间的降水总量， m; -给水度,3、河渠渗入补给量： 指当河（渠）水位高于两岸地下水位时，河（渠）水以侧渗形式对两岸地下水的补给量。 1）河（渠）的上、下游断面的流量差确定 2) 单位河（渠）长输入损失量法 3）渗流公式： 式中：B-河（渠）的补给宽度，m; Hi , hm-沿渗流补给方向岸边与开采井群的动水位高度， m; L -岸边至井群的直线水平距离， m 其他符号同前。,4、灌溉水入渗补给量： 指灌溉水进入田间后，灌溉过程中的渗漏补给量。见教材 P64 （339）和（340）式 （1）利用地下水位计算 式中， -给水度 h-

15、灌溉引起的年地下水位升幅， m/a; A-灌溉面积，m2. (2)利用灌溉定额计算 式中，m-灌溉定额，m3/a; 其他符号同前。,5、相邻含水层垂向越流补给量：P65 (3-41) Qb=A. (h2-h1)=A. (h2-h1) k /m 式中，A-越流补给面积， m2； -越流系数； k -越流层垂向渗透系数，m/d; m -越流层厚度， m h1-开采层的水位或开采漏斗的平均水位，m h2-相邻含水层的水位，m 关键因素是确定越流系数 。,越流系数 表示当抽水含水层和供给越流的非抽水含水层之间的水头差为一个单位时，单位时间内通过两含水层之间弱透水层的单位面积的水量。显然，当其它条件相同

16、时，越流系数越大，通过的水量就愈多。,储存量,（1）容积储存量：指大气压力条件下，含水层空隙中的重力水体积。 容积储存量的计算公式：Wv= *V -给水度；V-含水层体积，m3. （2）弹性储存量：指开采时，在压力降低的条件下，从承压含水层中释放出来的重力水体积量。 弹性储存量的计算公式： Wc=S*A*hp S-储存系数(释水系数); Hp-承压含水层自顶板算起的压力水头高度， m A-含水层的面积，m2 弹性储存系数（弹性）：当水头降低或（升高）一个单位时，从单位水平面积含水层柱体中，由于水的弹性膨胀或（压缩）及含水层的弹性压缩（或膨胀）所释放或（贮存）的水量称为储存系数（释水系数）。,思

17、考：1.承压含水层中含有的储存量是多少？ 答：既有容积储存量也有弹性储存量。,含水层组释水机制示意图,地下水资源允许开采量计算,1、方法选择与计算程序 2、允许开采量的组成 3、解析法 4、数值法 5、开采实验法 6、补偿疏干法 7、水均衡法 8、相关分析法 9、地下水文分析法,地下水允许开采量计算，广义上也称地下水资源评价。 其主要特点： (1)评价方法越来越完善、越来越多样化。 (2)对地下水资源评价的认识过程从定性-定量-定性。多次反馈实现更精确的评价。 (3) 大量水文地质概念模型的应用。是将地质实体与数学模型有机结合的桥梁。,方法选择与计算程序,水文地质概念模型,readily.,计

18、算方法的选择： （1）适用条件 （2）勘探精度，勘察阶段 （3）多种方法的相互补充，相互映证（参见教材P66 表37）,参见教材P67 （1）（2） (1)对水文地质条件的适应性。（模型需要体现水文地质模型） 2）对勘察阶段的精度要求，及勘察方法和工程控制程度的适应性。（勘察数据需要满足模型的需求）,衡量数学模型选择的合理性的两个基本标准,地下水资源评价的一般程序 1、对地下水形成与赋存的因素进行确定与评价。 2、对工作区的水文地质条件进行勘察或调查，以查明：地下水含水层、隔水层、主要供水层位的基本特征；地下水系统的汇水面积以及最大水资源补给量；地下水的补给、运动、排泄规律； 3、确定水文地质

19、参数：如水头、渗透系数、弹性释水系数、给水度、导水系数等； 4、建立水文地质概念模型。 5、补给量评价。 6、选择适当的评价方法进行允许开采量评价。 参见教材P68 图36,允许开采量的组成,开采地下水时，在天然流场上增加了一个经常定量人工排泄点，改变了地下水的天然排泄条件，破坏了地下水补给与消耗的天然动平衡，产生了降落漏斗，促使天然排泄量减少和补给量增加。其新的动平衡可用下面水平衡式表示： （Qb+Qb）-（Qp-Qp）- Qk=- Ah/t 式中： Qb开采前的天然补给量 Qb开采时的补给增量， Qp开采前的天然排泄量； Qp开采时天然排泄量减少量 Qk人工开采量； 含水层给水度； A开采

20、时引起水位降的面积； t开采时间； h在t时间段内开采影响范围内的平均水位降 。,由于开采前的天然补给量与排泄量在一个水文周期内是近似相等的，上式可简化为： Qb+Qp+ Ah/t = Qk 上式表明，开采量是由Qb 、Qp 、Ah/t 三部分组成。它是确定允许开采量应考虑的三个方面。其原则是： (1)合理地夺取补给增量Qb ，但不能影响已建水源地的开采，地表水的补给增量也应考虑是否允许利用。 (2)最大限度地截取天然排泄量的减少值Qp ，它的最大极限等于天然排泄量，接近于天然补给量。截取时也应考虑已被利用的天然排泄量，如取水地段下游的泉和水源地。 (3)慎重地动用储存量，它是含水层中永久储存

21、量的一部分。动用时，首先要看永久储存量是否足够大，再考虑现时的取水设备最大允许降深是多少，然后算出从天然低水位至允许最大降深动水位这段含水层中的储存量，按水源地服务年限分配到每年的开采量中，作为允许开采量的一部分。 由此可以看出：补给量是评价地下水资源的核心，地下水的可以利用量必须小于补给量。,3、解析法,1、适用条件： （1）均质、各向同性 （2）含水层厚度不变，顶底板水平 （3）越流或垂向补给呈均匀分布 （4）边界呈几何形状且不变化 （5）边界的水文地质参数不随时间变化 （6）开采条件必须满足井流公式的要求 （7）地下水的动态 （8）潜水与承压不能混合,地下水向完整井的稳定流运动的裘布衣井

22、流公式即为解析法。,2、概化的前提： （1）计算量应当远小于补给量的时候才能用稳定流 （2）用非稳定流公式必须考虑到水文地质条件简单、清楚,（1）进行水文地质条件概化 （2）选择计算公式并确定应用条件 （3）求参 （4）确定开采方案 （5）计算开采量 （6）补给量评价 结论：井距较大时，单井出水量之和不大于补给量时，可以作为允许开采量；井距间互相影响时，按照井群干扰公式，按布井方案设计出水量（不大于补给量）作为允许开采量。具体的计算方法在第六章介绍。,3、计算步骤：,4、数值法,1、原理 用离散化方法将求解非线性的偏微分方程转化为线性代数方程组，用电子计算机联立求解线形方程组。 分为有限单元法

23、和有限差分法。 有限差分法可将研究区域剖分成方形、矩形、三角形， 有限元法常用三角形。,2、适用条件： 适用于水文地质条件复杂，研究程度和精度要求较高的大、中型水源地。 3、计算步骤： （1）数学模型的选择 （2）建立水文地质概念模型 含水层结构的概化 地下水流态的概化 边界条件的概化 初始条件的概化,（3）从空间和时间上离散计算域 （4）数学模型的识别与检验 （5）允许开采量的数值预报，进行水资源评价,5、开采试验法,1、原理 进行系列抽水试验观测，分析开采量与补给量的关系，以开采量或补给量作为允许开采量。,2、开采试验法使用条件,水位观测结果可能出现两种情形,即为稳定状态允许开采量的确定方

24、法,稳定状态确定允许开采量，需要注意： 1、什么叫稳定状态？ 2、如何判断水位恢复至原始水位？ 参看教材7576,由于旱季地下水流场处于入不敷出，水位不断下降的非稳定状态，因此只有排除天然疏干流场的干扰，才能判断抽水试验的叠加流场是否达到稳定状态。如图3-7所示。 h0为旱季天然流场动水位，可按抽水前实测的日降幅推算;h1为叠加流场的动水位。抽水由t0时刻开始，地下水位急速下降后，至t1和t3时刻动水位s1,抽水量开采是没有保证的。,需要按照非稳定状态来求。 什么叫非稳定状态？如何确定其允许开采量？ 需要求补给量，旱季补给量与全年补给量 如果用全年的补给量作为允许开采量，需要计算旱季末的最大水位降，看是否超过设计最大水位降深。参看教材P7677,6、补偿疏干法,1、基本原理： 按照接近实际开采量进行抽水试验，利用地下水的储存量比较大的特点，在旱季借用储存量进行开采，在雨季补偿借用的储存量。