地下水资源计算与评价

, , , , , ,*,JIAO SHL,第八章 地下水资源计算与评价,第八章 地下水资源计算与评价,水资源评价（,water resources assessment,），是对一个国家或地区的水资源数量、质量、时空分布特征和开发利用情况作出的分析和评估。,水资源评价是保证水资源可持续利用的前提，是进行与水有关活动的基础，是为国民经济和社会发展提供供水决策的依据。,地下水资源评价,是在对地下水水质评价的基础上对其数量进行评价。目的是查清可开采的满足水质标准的地下水资源数量。,主要内容：,8.1 概述,8.2 水量均衡法,8.3 相关分析法,8.4 开采试验法,8.5 开采强度法,8.6 数值法,8.1 概述,8.1.1 地下水资源的特性,8.1.2 地下水资源的分类,8.1.3 地下水资源评价的任务和原则,8.1.4 地下水资源评价方法,8.1.1 地下水资源的特性,可恢复性,循环转化性,调蓄性,8.1.2 地下水资源的分类,国外水资源分类,（1）普洛特尼科夫储量分类法：,五十年代苏联，静蓄量、动蓄量、调节蓄量和开采蓄量,（2）宾德曼的储量资源分类法：,1973年，天然蓄量、人工蓄量、诱导资源和开采资源。,（3）法国的地下水储量和资源分类法：,蓄量：地质蓄量、天然蓄量、调节蓄量和开采蓄量,资源：理论潜在资源、实际潜在资源和可采资源,（4）美、日等国的地下水储量和资源分类法:,持续开采量、疏干性开采量和最大常年开采量,国内水资源分类系统,国内水资源分类系统,（1）国家建委规范（1979）：,补给量、蓄存量和消耗量,（2）陈梦熊等分类法：,天然资源和开采资源,（3）曹万金等分类法：,补给资源和储量资源,8.1.3 地下水资源评价的任务和原则,（1）地下水资源评价的任务:,评价地下水水质的可用性和分析变化趋势、提出监测和保护措施。,评价地下水数量特征和水文地质条件及其开采要求。,（2）地下水资源评价的原则:,三水综合考虑的原则：大气、地表和地下水,以丰补欠调节均衡的原则：,水质水量调节均衡的原则：,8.1.4 地下水资源评价方法,（1）基于水量均衡原理的方法：,水量均衡法,（2）基于数理统计原理的方法：,相关分析法,（3）基于实际试验的方法：,开采试验法,（4）基于地下水动力学原理的方法：,解析法和数值法,8.2 水量均衡法,根据水量均衡原理建立水量均衡方程来进行地下水资源评价,（1）水量均衡方程的建立,（2）地下水均衡计算,（3）地下水资源评价,（4）水量均衡法的特点及适用条件,（1）水量均衡方程的建立,根据水量均衡原理建立水量均衡方程来进行地下水资源评价,（2）地下水均衡计算,根据水量均衡原理分析均衡区域在一定时段内地下水的补、排数量及水位升、降等要素，并在此基础上地下水资源的盈亏。需要做如下三个方面的工作：,均衡区的划分：,多级分区，依据水文地质条件。,均衡时段的选择：,一个水文年，多个或一个丰枯周期。,均衡要素的分析与计算：,分析以上各个计算参数的特征。,（3）地下水资源评价,根据上述地下水均衡计算参数的计算结果，估算其开采量来评价分析地下水资源对用水的保证程度。利用地段内地下水位的变幅分析评价地下水资源开采的合理程度。,（4）水量均衡法的特点及适用条件,特点:,原理明确、计算公式简单，但计算项目有时较多、有些要素测定困难，工作量大。反映大面积平均情况但难以反映局部变化。,条件：,开采强度均匀、补排条件简单、要素易于测定且开采后变化不大的区域。,根据水量均衡原理建立水量均衡方程来进行地下水资源评价,（1）水量均衡方程的建立,（2）地下水均衡计算,均衡区的划分、均衡时段的选择、均衡要素的分析与计算,（3）地下水资源评价,（4）水量均衡法的特点及适用条件,特点:原理明确、计算公式简单，但计算项目有时较多、有些要素测定困难，工作量大。反映大面积平均情况但难以反映局部变化。,条件：开采强度均匀、补排条件简单、要素易于测定且开采后变化不大的区域。,8.3 相关分析法,回归分析法或相关外推法，根据地下水开采的历史资料和不同降深的抽水试验资料，利用数理统计的方法找出开采量与降深或其它自变量之间的关系，用以外推预测开采量。,（1）简单相关,线性相关,非线性相关,简单相关评价地下水资源的步骤,（2）复相关,相关分析,相关分析法，也称回归分析法，是根据开采地下水的历史资料或不同水位降深的抽水试验资料，用数理统计的方法找出开采量与降深或其他自变量之间的相关关系，并依据这种相关关系外推来预报开采量的一种方法。,在地下水开采过程中，开采量与降深、开采时间、开采面积及水文气象等因素有关。,开采量与这些影响因素之间的关系一般有三种：函数关系、没关系和近似关系。前两种关系分别称为完全相关和零相关，是相关分析中的两种极限关系，而第三种介于前两种关系之间，称为统计相关。,在统计相关中，如果自变量只有一个，称为一元相关或简相关；如果自变量在两个或两个以上，称为多元相关或复相关。,（）简单,相关,对于单井来说，其开采量与水位降深一般能满足函数关系。对于一个水源地或面积较大的开采区来说，由于井数较多、相互干扰，影响因素复杂，再加上人为的观测误差，常常使开采量与降深的关系变为相关关系。,假设有若干组地下水开采量与水位降深的观测统计资料,Q,i,和,S,i,（,i,1，2，n,），,将这些数据点绘在,Q,S,坐标上 。,从,QS,图,上可以看出，这些点的位置比较分散，并不处于某一条圆滑曲线的轨迹上，因而不能用一种函数关系反映它们之间的关系。但从整体来看，它们具有一定的分布趋势（直线趋势或曲线趋势）。,按分布趋势，用最小二乘法原理求出一个近似但又最接近所有观测值的直线方程或曲线方程，有了这个方程便可外推未来某一降深时的开采量或预测某一开采量时的水位降深。,S,Q,S,i,Q,i,（,S,i,，,Q,i,）,Q,f,（,S,）,0,S,Q,S,i,Q,i,（,S,i,，,Q,i,）,Q,A,BS,0,（a）线性分布 （b）曲线分布,图,8-1,Q,S,分布趋势,用一元相关法来求地下水开采量的计算步骤如下：,首先，整理统计评价区历年所有井的开采量和水位资料，并绘出相应的等水位线图，确定漏斗中心部位的水位降深；,其次，把历年的开采量和水位降深绘成,QS,坐标的散点图，分析其分布趋势，建立相应的直线或曲线回归方程，求出回归系数，并进行显著性检验；,最后，根据回归方程外推设计降深时的开采量。,多元相关,影响开采量的因素不只是水位降深，还有降水量、灌溉入渗补给量等。因此，需要进行多元相关分析，用多元回归方程来推求开采量，如下式：,式中：,a,0,、,a,1,、,a,m,为待定系数,；,x,1,、,x,m,为影响开采量的自变量。,相关分析法适用于有多年开采历史资料的稳定开采水源扩大开采规模时的地下水资源评价。,数值法,在地下水资源评价中常用的数值方法有两种，即有限差分法和有限单元法。,两者有许多相似之处，如都要对评价区进行空间剖分，分为若干网格（方形、矩形或三角形），都要写出单元网格的地下水动力学偏微分方程，将地下水动力学方程线性化，得出线性方程组，再联立求解线性方程组。,所不同的是在网格剖分及偏微分方程线性化方法上有所差别。,以有限差分法为例，介绍地下水资源评价的方法步骤：,a.查明评价区水文地质条件，提供地下水资源评价所需要的数据，包括以下内容：,、划定评价区边界，确定边界条件。,、给出评价区的初始水位分布。,、圈定有垂直入渗补给的范围。,、给出评价区水文地质参数的初值。,、确定开采量在评价区域内的时空分布及变化。,考虑为什么要采用变步长？,b.分出各个非均质区，划分差分网格、确定计算时段,根据水文地质参数的不同，对评价区进行非均质分区。与此同时，划分差分网格，即对渗流区域离散化。对于时间步长的划分，往往采用,变步长,的方法。,c.数学模型的识别,根据对评价区水文地质条件的调查分析，可建立相应的数学模型。,d.地下水资源评价,经过校正和验证后的数学模型，即可作为地下水模拟计算的正式模型，进行地下水水量的各种模拟计算。,地下水资源量计算方法,目前，常用的地下水研究方法有水量平衡法、相关分析法、数值法等。在实际应用中，应根据研究区的水文地质条件、技术条件等选择合适的评价方法。,水量平衡法,水量平衡法，又称水均衡法，是根据水量平衡原理来计算地下水开采量和水位变化的方法。,根据水量平衡原理，对于一个平衡区（或水文地质单元）的含水层组来说，地下水在补给和消耗的动态平衡过程中，任一时段补给量和消耗量之差，等于该时段内单元含水层储存水量的变化量。,若把地下水的开采量作为消耗量考虑，可建立开采条件下的水量平衡方程（该方程适用于潜水含水层）：,式中：,Q,k,为侧向补给量,，,m,3,/a,；,Q,c,为侧向排泄量,，,m,3,/a,；,W,为垂向补给量,，,m,3,/a,；,Q,w,为开采量,，,m,3,/a,；,P,g,为降水入渗补给量,，,m,3,/a,；,Q,渠,为渠系渗漏补给量,，,m,3,/a,；,Q,田,为田间渗漏补给量,，,m,3,/a,；,Q,e,为越流补给量,，,m,3,/a,；,Q,水,为地表水体（指河道、湖泊、水库等）渗漏补给量,，,m,3,/a,；,E,g,为潜水蒸发量,，,m,3,/a,；,为含水层的给水度,；,F,为平衡区的面积，,m,2,；,t,为平衡时段,，a,；,H,为,t,时段内的水位变幅,，,m,。,若在平衡期确定了允许的地下水位变幅值后，水量平衡方程可写成预测开采量的公式（假设是在开采过程中，则,H,为负值），即,若在平衡期确定了允许开采量，可利用水量平衡方程计算地下水位变幅，即,根据以上原理，可分析出评价区在一定时段内地下水的补给量、排泄量及地下水位升降等要素，可以在此基础上评价地下水资源的盈亏和开采的合理程度。,