第六七八章 水文资料.docx
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第六七八章水文资料
第六章地下水资源量评价
一、地下水资源特征
地下水资源具有很多特点和某些优越性:
地下水的水质好,地下水分布广,并常年埋藏于地下,所以与地表水相比,在时间上和空间上具有不同的特点。
地下水资源特征可概括为:
1、系统性——含水岩体按空隙类型的不同,可以分为孔隙、裂隙和溶隙三种。
无论空隙的形式是那一种,必然在一定程度上和一定范围内相互连通,构成一个系统。
2、宝贵性——无论哪一种类型的地下水系统,凡可作为永久性供水水源地,必须具备两个条件,第一是要有足够的补给来源,第二是含水系统要有和取水量适应的储水能力。
二者缺一必然造成持续供水的困难。
3、可恢复性——地下水资源能够滤去杂质和细菌,达到自然净化。
分布上,山区和平原广泛分布,使地下水和地表水在空间分布上互为补充,使各地的供水条件趋于均衡,使自然界总的供水能力得到比较充分的利用。
时间上的调节作用,不但供给了非降水季节的水源,而且是构成地表水流枯水流量的主要成分。
4、复杂性——地下水资源形成过程与分布情况无法直接从地面观察。
其一是地下水本身的变化不能直接观察。
其二是增加了勘查工作的复杂性。
而勘查工作的复杂性反映在两个方面。
一方面,根据地表观察或一定的地下资料推断地下情况来布置勘探工作时,效果的好坏,在很大程度上取决于推断者对当地情况熟悉的程度和他本人的经验。
另一方面,通过勘查应取得地下水水量评价所需的两类资料,一是边界条件,一是各种有关参数。
二、地下水资源的计算
地下水资源量的计算包括地下水资源储存量、补给量和允许开采量等的计算。
1、地下水储存量的计算
1)容积储存量——指在大气压力下,含水层空隙中容纳重力水的体积。
表达式:
QV=µvHF=µvV=µvMF
式中:
QV——容积储存量(m3);µv——含水层的给水度;H或M——含水层厚度(m);F——含水层的分布面积(m2);V——含水层体积(m3)
2)弹性储存量——指超过大气压的天然压力降到大气压时承压水层中能释放出来的重力水体积。
表达式为:
Qe=µehF
式中:
Qe——弹性储存量(m3);µe——承压含水层弹性释水系数;h——承压含水层的承压水头(m);F——承压含水层的分布面积(m3);µe=µ1M(µ1指承压含水层弹性释水率,M为含水层厚度)µ1=Qe/hMF=Qe/Hv(含水层体积)
3)天然调节储存量——指一次降水或一个补给期中,含水层中最高与最低水位之间的储存水。
当地下水开采量在不接受补给时,或排泄量大于补给量时,天然调节储存量就会转化为地下水径流量而被天然消耗掉。
当地下水开采量大大超过地下水天然下降速度时,有一部分或全部天然调节储存量被看作人工调节储存量被开采利用。
4)固定储存量——指地下水在一个补给周期中,最低水位以下含水层中的储存量。
是由人工调节储存量和永久储存量组成。
人工调节储存量——指在地下水受周期补给条件影响下,次用人工的方法,暂时支出的固定储存量。
永久储存量——指采用技术、经济合理的取水构筑物无法获得的储存量。
2、地下水补给量的计算
1)大气降水入渗补给量——与包气带的厚度、岩性、地形地貌、降水量、降水强度等因素有关,计算公式为:
QYS=1000αXF
QYS——大气降水入渗补给量(m3);α——降水入渗补给系数(小于1),与地形地貌、土壤岩性、年降水量、地下水埋深等有关。
X——计算区域范围内的年降水量(mm);F——计算区域面积(km2)
2)地表水入渗补给量——当地表是体的水位高于地下水位时,地表水将入渗补给地下水,计算公式为:
Qhs=(Qc-Qz)(1-λ)
Qhs——计算区域内地下水河流入渗补给量(m3/s);Qc和Qz——计算区域待测河段初断面Sc和终断面Sz上测得的河段入流与出流流量(m3/s);λ——河道输水损失系数
3)灌溉水入渗补给量——指灌溉农作物水进入田间后,部分入渗补给地下水,与降水入渗补给地下水相似。
受农田的土壤特性、地下水水位和灌溉水量等有关。
计算公式为:
Qgs=βnqF
式中:
Qgs——年农田灌溉水入渗补给量(m3/a);β——农田灌溉水入渗补给系数;n——年农田灌溉次数(次/年);q——农田每次灌溉定额(m3/次);F——农田灌溉区域面积(公顷)。
4)地下水侧向补给量——指计算区域上游方向的地下水通过该区边界地下侧向过流断面入渗的地下水量。
是一种稳定的、可开发的地下水源。
计算公式为:
Qcb=KJhB
Qcb——计算区域侧向补给量(m3/d);K——含水层渗透系数(m/d);J——计算区域上游补给边界处地下水水力坡度;h——计算区域上游补给边界处地下水含水层厚度(m);B——计算区域上游补给边界处地下水含水层过流断面宽度(m)
5)越流补给量——指两个相邻的含水层之间的间隔层为弱透水层,当两含水层水位不同时,则水位高的含水层中的地下水可以透过间隔层补给给水位低的含水层。
计算公式为:
Qyb=K,(Δh/m,)F
式中:
Qyb——计算区域越流补给量(m3/d);K,——间隔层渗透系数(m/d);Δh——计算区域内地下水越流补给区两含水层地下水水位差(m);m,——计算区域内地下水越流补给区两含水层间隔厚度(m);F——计算区域内地下水越流补给区面积(m2);K,/m,——越流补给系数。
3、地下水排泄量的计算
地下水的排泄方式主要有——泉水溢出、潜水蒸发、含水层地下水侧向流出、向地表水体排泄、含水层之间的排泄、人工开采等。
它能影响地下水的水量、水质及水位。
1)潜水蒸发量——指潜水通过包气带向大气消散。
与潜水埋深、包气带岩性、气候和植被等有关。
计算公式为:
E=E0(1-Δ/Δ0)n
式中:
E——潜水蒸发量(mm/a);E0——水面蒸发量(mm/a);Δ——潜水埋深(m);Δ0——潜水蒸发的极限深度(m);n——与土壤性质和植被有关的指数,取1-3;以上公式对亚黏土、亚沙土等较适合,但对黏土误差较大。
2)地下水向河道排泄量——当地下水位高于河道时会向河道排泄。
计算公式为:
Qhp=ωKJ=B(h1+h2)/2×(h1-h2)/(l1-2)
式中:
Qhp——地下水向河流一侧的渗流量(m3/d);ω——地下水向河流一侧的渗流的过流断面面积(m2);K——含水层渗透系数(m/d);J——计算区域上游补给边界处地下水水力坡度;B——地下水向河流一侧的渗流的过流断面宽度(m);h1、h2——沿地下水流向两观测井内水位标高(m);l1-2——沿地下水流向来年感观测井间距(m)
3)地下水侧向流出量——指计算区域内地下水向下游的流出量,可按照地下水侧向补给量公式计算,即
Qcb=KJhB
Qcb——计算区域侧向补给量(m3/d);K——含水层渗透系数(m/d);J——计算区域上游补给边界处地下水水力坡度;h——计算区域上游补给边界处地下水含水层厚度(m);B——计算区域上游补给边界处地下水含水层过流断面宽度(m)。
4)越流排泄量——指高水位的含水层通过弱透水层向低水位的含水层排泄。
计算公式与越流补给量相同。
5)泉——地下水的天然露头。
6)人工开采地下水——指人类为了一定的目的(生活、生产等)而排除地下水或开发利用地下水。
包括工业自备井,灌溉井,生活水源井。
下面介绍灌溉井的开采量统计。
单井实测流量法:
Qu=(n1q1十n2q2十…十niqi)ηw
式中:
Qu——年总开采量;n1、n2…ni——不同泵型年配套井数;q1、q2…qi——不同泵型单井年开采量;ηw——灌溉井利用率。
井灌定额估算法:
Qu=f1m1q1十f2m2q2十…十fimiqi
式中:
Qu——年总开采量;f1、f2…fi——不同作物的种植面积;m1、m2…mi——不同作物的井灌比例;q1、q2…qi——不同作物的灌溉定额
4、开采量与补给量、储存量的相互关系
在天然条件下,上游地区的天然补给量不断进入含水层转化为储存量,到下游有转化为排泄量。
一部分补给量蒸发消散,而多余的补给量暂时储存起来,即天然调节储存量,补给期过后再转化为天然排泄量被排出含水层。
在开采条件下,开采量是由漏斗范围内储存量的消耗来平衡的,而消耗的储存量又由新的补给量或夺取天然排泄量来补充达到平衡。
这时:
开采量约等于天然补给量和开采补给量的和。
当开采量超过天然补给量时,一部分或全部天然调节储存量会被看做人工调节储存量开采利用。
所以在确定开采量时,一定要计算补给量(含天然补给量和开采补给量),只有当开采补给量有可能增加时,才有可能增加开采量。
二、地下水资源的分类
1、地下水“资源”与“储量”的基本概念
1)地下水资源——指有价值的各种地下水量的总称,包括质和量两个方面。
这个词来自水文学,是水资源的一部分。
2)地下水储量——是20世纪50——60年代被广泛使用的概念,70年代后被地下水资源取代。
这个词来自矿产地质学,以矿产资源论。
有时在同一分类中,同时出现“储量”和“资源”的概念。
如法国较长时间内含水层系统中的储存量称“储量”,而“储量”的开采部分则称“资源”。
2、国内外地下水资源分类
1)我国地下水资源分类
我国地下水资源分类研究源于地学,并偏重于天然资源的研究。
如早期采用的地下水四大储量——静储量、动储量、调节储量和开采储量分类。
其缺点是:
没有明确开采资源的组成,无法提供可靠的开采数据。
2)国外地下水资源分类
①前苏联于20世纪40年代,将地下水按四大储量(静储量、动储量、调节储量和开采储量)分类,而且在较长时期是我国开展地下水资源评价的主要依据。
②美、日、加等国从控制地下水开采带来的负面影响出发,强调地下水开发中的保护与管理,重视开采资源和开采量的研究。
如1915年,美国首次使用安全开采量以来,围绕地下水开发保护中涉及的容许和安全性问题的争论,先后出现了安全开采量、持续开采量、涸竭开采量、容许开采量等,20世纪80年代,随着地下水管理模型的兴起,又引伸出最佳开采量。
3、地下水资源分类的国家标准
将现时国家标准《供水水文地质勘察规范》(GBJ27—88)和《地下水资源分类分级标准》(GB15218—94)两个分类综合列表如下:
分类
分级
GBJ27—88
GB15218—94
探明资源量
推断资源量
预测资源量
补给量
储存量
允许开采量
可利用资源(允许开采资源)
A
B
C
D
E
尚难利用资源
Cd
Dd
Ed
1)地下水补给量
补给量——指天然或开采条件下,单位时间进入含水层中的水量。
包括地下水的流入、降水渗入、地表水渗入、越流补给、人工补给等。
即分为天然补给量、开采补给量和人工补给量。
(1)天然补给量
天然补给量:
指天然条件下进入含水层中的水量。
按补给水进入的方向,分为垂向补给和侧向补给
(2)开采补给量
开采补给量(补充补给量):
指开采条件下,除天然补给量外,尚能夺取的额外补给量。
常见的有下述几种情况。
A.夺取地表水的补充量。
B.夺取相邻含水层的补充量。
C.夺取开采地段以外的补充量。
D.夺取消耗补充量。
(3)人工补给量
人工回灌补给
灌溉水渗漏补给
灌溉水渗漏补给分为两种情况:
渠系渗漏;田间渗漏
2)地下水消耗量
消耗量:
指单位时间内,从含水层中排出的水量。
划分为:
天然消耗量和人为消耗量
(1)天然消耗量——含水层下游边界地下水的流出量;潜水蒸发量;泉水溢出量;地下水转化为地表水量;越流量。
(2)人为消耗量——指由于人类活动造成的地下水消耗量。
包括实际开采量和允许开采量(可开采量)。
1.实际开采量:
2.允许开采量:
在单位时间内,从含水层中开采的水量,并在开采期间能满足如下要求:
1)各取水点及区域动水位在设计范围内,总的出水量不减少。
2)水质、水温的变化保持在允许范围内。
3)不发生地面沉降、塌陷等不良工程地质问题。
4)不影响邻近水源地的正常开采。
3)地下水的贮存量
贮存量:
地下水循环中,贮存在含水层中的水量。
分为,容积贮存量;弹性贮存量。
贮存量又可按是否参与天然条件下的水的转换分:
(1)可变贮存量(又称调节储量)
可变贮存量:
指潜水含水层最高水位与最低水位之间的重力水体积。
(2)不变贮存量
不变贮存量(永久储量或静储量):
指在可变贮存量临界面以下的不变重力水量。
4)可利用资源(允许开采量)——指具有现实意义的地下水资源。
即通过技术经济合理的取水建筑物,在整个开采期内水量不会减少,动水位不超过设计要求,水质和水温变化在允许范围内,不影响已建水源的正常开采,不发生危害性的环境地质问题,并符合现行法规规定的前提下,单位时间从水文地质单元或水源的的范围内能够取得的地下水资源。
5)尚难利用资源——指具有潜在经济意义的地下水资源。
4、允许开采量分级
根据勘察阶段,水文地质条件研究程度,地下水资源量研究程度,开采技术经济条件等4项要素,将允许开采量划分为:
A级——扩建勘探。
用于水源地合理开采以及改建、扩建工程设计。
B级——勘探阶段。
作为水源地及其具体工程建设设计的依据。
C级——详查阶段。
用于水源地及其主体工程的可形性研究。
在需水量明显小于允许开采量的情况下,也可作为水源地建设设计的依据。
D级和E级——分属普查和区调阶段。
分别用于水源地规划和大区远景规划,对地下水允许开采量只要求概算。
三、地下水资源评价的内容、原则和程序
1、地下水资源评价的内容
地下水资源评价
地下水水质评价
开采技术条件评价
开采后果评价
2、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——“三水”资地表水、地下水和降水,开采条件下,地下水将获得更多的地表水和降水的补给,并减少向地表水和大气的排泄蒸发。
“三水”统一考虑的宗旨是:
充分利用含水层中的水量,合理夺取外部水的转化。
地表水与地下水统一评价,可避免水资源重复计算问题,并有利于水资源合理开发。
2)利用储存量以外以丰补欠的调节平衡原则——在补给量不稳定的地区,充分发掘储存量的调节作用,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。
3)考虑人类活动,化害为利的原则——人类对地下水的影响,既可起人工补给作用,也可起截流阻渗作用。
化害为利的宗旨是:
一通过优化地下水开采的布局及其允许水位降,更多地截取流向矿井的地下水;二可重视矿井水回收与利用。
4)不同目的和不同水文地质条件区别对待的原则——因为不同供水目的对水量、水质和水温的要求各异,评价时应按不同标准区别对待;不同水文地质条件其评价的方法和要求也不相同。
5)技术、经济、环境综合考虑的原则——地下水资源评价必须综合考虑技术、经济、环境三个方面的利弊,要求确定的开采量和开采方案,既有良好的技术经济效益,又使开采带来的负面影响降到最低限度,具有合理的环境效益。
3、地下水资源评价的一般程序图
四、地下水资源补给量和储存量计算
(一)补给量的计算
1、地下水流流入量(侧向补给量)
Qb=K•J•B•H或Qb=K•J•B•M
式中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——计算断面宽度,m;H(或M)——潜水(或承压水)含水层厚度,m。
侧向补给量:
Q1=K×I×A
式中:
K——含水层渗透系数,m/d;I——水力坡度;A——垂直于水流剖面面积,m2。
2、降水渗入补给量
(一)
Qb=α·A·x/365
式中Qb——日均降水渗入补给量,m3/d;α——年均降水入渗系数(指降水渗入量与降水总量的比值);A——降水渗入面积,m2;x——年降水量,m/a。
α=μ∑(△h+△h‘t)/∑xi
式中△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,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雨总量,m;μ——给水度。
2、降水渗入补给量
(二)
式中Qr——降水入渗量,m3/a;P——降水量,m/a;A——含水层分布面积,m2;α——降水入渗系数。
3、河、渠渗入补给量——根据开采区河、渠的上、下游断面的流量差确定。
式中:
Wr—河道渗漏补给量,m3/a;Q上、Q下—为上、下游水文站实测水量,m3/a;
l—两测站间长度;L—计算河道或河段长度,m;λ—修正系数,该值为两测站间水面蒸发量与两岸浸润带蒸发量之和同(Q上-Q下)的比值。
间歇河及粘性土为主的河道λ值取0.45,
常年河流及砂性土为主的河道λ值取0.10~0.15。
4、灌溉水渗入补给量
1)采用地下水位资料计算
Qb=μA·△h/365
式中μ——给水度;△h——灌溉引起的年地下水升幅,m/a;A——灌溉面积,m2。
2)利用灌溉定额计算
Qb=α·m·A/365
式中m——灌溉定额,m3/a;其他符号与上同。
(3)灌溉渠系渗漏补给量:
采用入渗补给系数法确定:
式中Qq——渠系渗漏补给量,m3/d或m3/a;η——渠系有效利用系数;Qd——渠道引水量,m3/d或m3/a;ν——修正系数。
(4)田间灌溉补给量:
指地表水或地下水进入田间后,灌溉过程中的渗漏补给量。
分渠灌和井灌回归补给两类
或
Qd、Qw——分别为渠灌和井灌补给量,m3/a;Βd、βw——分别为渠灌和井灌入渗补给系数;Qdr、Qwr——分别为渠灌和井灌水量,m3/a。
5、相邻含水层垂向越流补给量
Qb=A·η(h2-h1)=A·k‘/m‘(h2-h1)
式中A——越流补给面积,m2;η——越流系数,1/d;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。
(二)储存量的计算
1、容积储存量(Wv)
Wv=μ·V
式中Wv——含水层的容积储存量,m3;V——含水层体积,m3。
或
式中:
Qv——容积贮存量,m3;μ——含水层给水度;F——含水层分布面积,m2;H——含水层厚度,m。
2、承压含水层的弹性储存量(Wc)
Wc=S·A·hp
式中Wc——承压含水层的弹性储存量,m3;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。
或
式中:
Qu——弹性贮存量,m3;μe——弹性释水系数。
F——含水层分布面积,m2;H——承压含水层的压力水头高度,m。
3.可变贮存量(调节储量)的计算
式中:
Qv——可变储存量m3;μ——含水层变幅内平均给水度;F——含水层分布面积,m2;ΔH——潜水位变幅,m。
五、地下水资源允许开采量计算(即广义上的地下水资源评价)
允许开采量:
指在地下水开采过程中,不因开采活动而引起地面及地下工程破坏和环境地质恶化的最大可开采水量。
在计算允许开采量之前首要任务是收集资料。
资料包括:
(1)水文资料;工作区内各个测站的历时水位、流量。
(2)气象资料;以蒸发和降水量为主,确定入渗系数。
(3)地质及水文地质资料;以搞清地质构造为主,确定计算区的边界条件,含水层埋藏条件、岩性、厚度以及水位、水质、水量。
掌握地下水动态变化规律。
确定计算区起始条件、水文地质参数。
根据已有的资料建立数学模型,选择合适的计算方案。
对计算结果进行分析、评价和验证。
(一)地下水资源评价的特点
1、地下水资源评价方法日趋完善和多样化——因为水文地质学科发展;近代数学方法和模型技术的引入;各学科之间的相互渗透和交叉;地下水勘察信息多样化等。
2、定量计算的成果反馈到定性认识,实现研究实体的定性-定量-定性的过程。
3、水文地质概念模型的应用,既是选择数学模型,按数学模型要求分析整理数据资料的依据,又是计算结果的一种完整的表达形式。
(二)确定允许开采量的方法主要有:
1、解析法2、数值法与系统分析
3、开采试验法4、相关外推法
5、水量均衡法6、水文分析法
(二)地下水资源评价方法一览表
模型特征
评价方法
所需资料
适用条件
确定性
渗流型
解析法
渗流场水文地质参数,初始条件,边界条件,开采条件
数值法和电网络模拟法需要一个水文年以上的水位、流量观测资料和大流量、长时间群井抽水试验资料
适用于含水层均质程度高,结构、边界简单,开采井分布规则等接近解析解的条件。
数值法
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
电网络模拟
系统分析
需要抽水试验或水位、流量、降水量等长期动态观测资料
不受复杂的含水层结构与边界条件的限制,适用于泉源水源地或旧水源地的扩建与调整
随机型
数理统计分析
水文分析
经验型
开采试验法
补偿疏干法
补偿疏干法适用于调节型水源地
相似比拟法
需要相似水源地的勘探、开采统计资料
适用于勘探水源地与已知水源地的水文地质条件相似的情况
水均衡法
需测定均衡区各项水量均衡要素
适用于均衡要素单一,易于测定的地区
1、解析法
1)含义——用相应的井(渠)流解析公式来计算允许开采量。
就是给出许多假设条件,使数学模型典型化,再经过严格的推导,最后获得数学模型的精确解。
如Dupuit公式等。
2)前提条件——要求泛定方程和定解条件简单;计算区与布井方案的几何形态规则;边界条件简单。
即等于对含水层的物理和几何特征、布井方案及模型方程提出了极苛刻的要求。
3)关键问题——正确处理解析公式建立过程中的严格理想化要求与实际问题复杂性、不规则性之间的差异;弄清解析公式的“建模”条件及其局限性,科学处理实际问题与理想化模型之间的差异,做出合理的概化。
即当一个实际问题与某个理想化模型相似时,解析解的应用是既经济有快捷。
4)类型——稳定流和非稳定流两种
稳定流——在地下水补给充足、开采量小于补给量,具有稳定开采动态的情况下可以采用稳定流公式计算;
非稳定流——在合理疏干型水源地,或远离补给区的承压水、补给条件差的潜水等应采用各种非稳定流方法计算。
5)做法——两种
(1)根据水文地质条件布置技术经济合理的取水构筑物,来预测稳定型或调节平衡型的允许开采量,或在允许降深内预测一定期限的非稳定型允许开采量;
(2)按具体需水量要求布置几个不同的取水方案,通过计算对比,选出最佳方案:
若为稳定型与调节平衡型,应评价其保证程度;
若为非稳定型开采动态,应进行水位预报,评价不同开采期限内的水位情况,做出水位、水量是否能满足供水要求的结论,并论证开采可能出现的不良后果。
2、数值法与系统分析法
(1)数值法
1)含义——是解数学模型的一种近似方法。
就是先将计算区进行离散化,然后利用某一近似方法求得各小区之间交点(称做节点)上的函数值。
即按分割近似原理,用离散化方法将求解非线性的偏微分方程问题转化为求解线性代数方程问题。
优点:
可以应用于各种非均质地质结构和复杂不规则边界条件。
2)适用范围——水文地质条件复杂的大型水源地的允许开采量计算。
3)常用方法——有限单元法和有限差分法。
*如何应用数值法评价地下水允许开采量
1、数学模型的选择
1)一般情况——选择平面二维数学模型;
2)对有弱透水层连接的多层状含水层层组结构——选择准三维模型(用平面二维问题刻画含水层的基本特性,以垂直一维流描述含水层之间的作用);
3)对于在垂向上具有明显非均质特征的巨厚含水层,在作较大降深的开采量和水位预报时——
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