地下水资源管理

地下水资源评价方法概述

对地下水资源的数量、质量、时空分布特征和开发利用条件作出科学的、全面的分析和估计称为地下水资源评价。它是地下水资源合理开发和管理的基础。任何目的的供水，都对水的质量有一定的要求，没有质量也谈不上数量。所以地下水资源评价包括数量评价和质量评价二方面。

地下水开采资源评价时，应当考虑：

（1） 使有限的地下水资源产生最优的社会经济效益。因此要考虑不同的开

采方案，分别进行计算，比较其结果，选择最优者。

（2） 开采地下水以后引起的环境变化，以不产生公害为原则。即不产生地

面沉降。地面坍塌、水质污染、海水入侵等环境公害。这些公害所造成的损失和治理它们所需的费用，远比开采地下水资源的费用大。

（3） 地下水资源评价时，应把地下水作为总水资源的一部分加以考虑，尽

量利用无效消耗的水资源。例如，在平原地区适当降低地下水位，减少潜水蒸发，使一部分无效消耗的潜水蒸发转化为有用的开采量;夺取汛期的部分洪水，使转化为地下水资源等等。

（4） 地下水资源评价时，要按地下水盆地（或其他相对独立的水文地质单

元）进行。切忌在统一的地下水盆地的总水资源。因为地下水具有流动性，各水源地同时开采，必然相互影响，总水资源比各水源相加的数值小。

地下水资源的形成受很多因素影响，在开采过程中也受很多条件制约。因此在地下水资源评价时，应遵循以下原则：

1. 根据“三水”转化的观点评价地下水资源

2. 根据“以丰补欠”的观点评价地下水资源

3. 根据“水质标准”评价地下水资源

4. 根据地下水系统性评价地下水资源

5. 以长期利用的观点评价地下水资源

6. 根据地下水资源开采前后发展变化的观点评价地下水资源 地下水资源评价的方法

（一）解析法

计算地下水资源的解析法，就是用地下水动力学中解析解的公式来计算求得允许开采量的方法。

1．如何选择公式

根据地下水开采动态类型或从水文地质条件分析，判定是采用稳定流公式还是非稳定流公式。根据拟定的开采方案选用相应的公式。考虑取水构筑物的类型、结构、布局、井距等。一般尽量采用完整井互相干扰的稳定流或非稳定流公式计算。也可以采用开采强度法，即概化为单位面积的开采量。

2．计算步骤

（1）首先，通过勘探试验或实验取得计算所需的各种参数。

（2）其次，拟定开采方案，确定计算公式。可先初步布井，计算后再调整，

还可以进行几个方案比较，择优录用。

（3）然后，计算开采量，检查水位降。

（4）最后进行评价。

3．解析法的适用条件

适用于含水层均质和各向同性、边界条件较简单、可概化为计算公式要求的模式。

（二）数值法

在地下水资源评价中常用的数值法有两种，即有限单元法和有限差分法。 步骤1 建立水文地质概念模型

在水文地质调查和勘探的基础上，研究分析计算区域的地质、水文地质条件，概化出适用的水文地质概念模型。

步骤2 建立计算区的数学模型

地下水数学模型，就是刻画实际地下水流在数量、空间和时间上的一组数学关系式。描述地下水流的数学模型的种类很多，我们这里指的是用偏微分方程及其定解条件构成的数学模型，定解条件包括边界条件和初始条件。

步骤3 从空间和时间上离散计算域

将计算域进行剖分，离散为若干小单元，做出剖分网格图。剖分时，首先要选好节点，节点最好是观测孔，以便获得较准确的水位资料。选好节点后，在将点连接成单元时，还应按单元剖分的原则做适当的点位调整。剖分后，按一定的顺序对节点和网格进行系统的编号、准备相应的数据。

步骤4 校正（识别、检验）数学模型

按上述步骤建立的数学模型，是否能真实地反映实际流场的特点，还不能肯

定，还须进行识别或校正。可用

实际测得的水头值来校正模型

的方程、参数及边界条件。

识别数学模型的顺序一般

为：先检验修正所选用的参数，

而后再识别边界条件和数学方

程。

步骤5 验证数学模型

通过对数学模型的识别，虽

校正了计算域的水文地质参数、

微分方程及边界条件等，但其可靠性还需利用历史水位进行验证，即选择几个时段，将计算值与实际观测值进行比较。

步骤6 模拟预报，进行水资源评价

在运用验证后的模型进行地下水开采动态的水位预报时，还要依据边界条件的可能变化情况做出修正。因此，只有在边界条件和补、排条件变化不大时，数值法的结果才是较准确的。否则，做短期预报还可以，做长期预报时，则依赖于对气候、水文因素预报的准确性。

综上所述，识别后的模型可以用于水位、水量方面的预报，进行地下水资源评价，分析其他水文地质问题。 （三）回归分析法

回归分析法是根据开采地下水的历史资料或不同流量不同降深的抽水试验资料，用数理统计方法找出流量与降深或与其他变量之间的相关关系，并依据这种关系外推未来开采时的开采量，或外推增大开采量以后的水位降深。

变量之间的关系，一般有函数关系和相关关系（或称统计关系）。相关关系，又可分为以下几种：如果自变量只有一个，则称为一元相关或简相关；如果自变量有两个以上，则称为多元相关或复相关；如果只研究其中一个自变量对因变量的影响，而将其他自变量视为常量，则称为偏相关；自变量为一次式，称为线性相关；为高次式，称为非线性相关。研究变量之间关系的密切程度，称为相关分析；而研究变量之间的联系形式，则称为回归分析。在实际应用中，二者密切联系，一般不加区别。

（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。

抽水试验可按两种情况即稳定状态和非稳定状态进行。

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10一13所示。这表明抽水量小于或等于抽水时的补给量。这时，实际抽水量就是允许开采量。Q抽Q允

2．非稳定状态

进行试验时水位不稳定，特别是观测孔中的水位一直持续缓慢下降，停抽后水位虽有所恢复，但始终达不到原始水位。这说明抽水量大于补给量，已消耗了储存量。在这种情况下确定允许开采量，可以通过分析抽水过程曲线，求出开采条件下的补给量作为允许开采量（Q天补Q增）。

在抽水初期，主井水位下降较快，随即稳定；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。水位历时曲线如图10—14所示。

假定抽水期内没有其他的消耗项，则这时的水均衡关系为：Q抽水补Q允

FSQ补Q抽t 3式中，Q抽为抽水总量（m／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）。

如何从抽水量中把补给量和储存消耗量分开，求出补给量，一种方法是在抽水时用两次以上不同流量进行试验，用解联立方程的办法求出μF值，再计算抽



S1

水时的补给量。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t1和

S2

t2，可建立联立方程组： 联立解得

用这种方法求得的允许开采量，是既可靠又不保守的。但还应用多年的气象、水文资料论证其保证程度。不过，这种方法需进行相当长时间的抽水试验（需2个月以上），耗费人力物力较大。

另外，也可以根据旱季抽水资料和动态观测资料，计算旱季补给量和全年暂时储存量（调节储量），以这两者之和作为允许开采量。即；

S2

t2，可建立联立方程组： 联立解得

用这种方法求得的允许开采量，是既可靠又不保守的。但还应用多年的气象、水文资料论证其保证程度。不过，这种方法需进行相当长时间的抽水试验（需2个月以上），耗费人力物力较大。

另外，也可以根据旱季抽水资料和动态观测资料，计算旱季补给量和全年暂时储存量（调节储量），以这两者之和作为允许开采量。即；

检验最大水位降的公式为：

式中，Δh为水位年变幅；S0为雨季末的水位降。

（五）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。

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，此即物质不灭原理。据此可以建立水均衡方程式：

式中，μ和μ*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。

由前述对允许开采量的分析可知，如果是稳定型开采动态，则最大允许开采量为：

如果是合理的消耗型开采动态，则为：

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。

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。

2．计算步骤

第一步：划分均衡区，确定均衡期，建立均衡方程。因为各个均衡要素是随区域水文地质条件不同而变化的。因此，应按均衡要素大体一致的情况进行分区，分别计算后，再总加起来。划分均衡区时，可以从大到小地划分。

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。

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。

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。

3．水均衡法的特点及适用条件

水均衡法的原理明确，计算公式简单，其成果要求可粗可精，

所以适应性强，

在许多情况下都能运用。在地下水的补给排泄条件较简单、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，论证取水量的保证程度。

地下水资源开发中主要环境地质问题分析及对策 一、地下水水量均衡条件破坏引起的区域地下水位持续下降及其严重后果

在地下水的开采过程中，当开采量长时期地超过补给量，含水量的水量均衡状态必然遭到破坏。含水层的储存量将被逐渐消耗，从而导致区域地下水位的持续下降，并带来种种严重的不良后果。人们总是期望从一个地区最大限度的抽取地下水，因此区域地下水位的持续、大幅度下降，几乎是世界各国地下水资源开发中普遍存在的问题。由区域地下水位的大幅度下降带来的危害，常常达到人们预想不到的程度。其主要危害如下：

（1） 由于区域地下水位持续大幅度下降，导致含水层被逐渐疏干，取

水工程出水量减少，水井扬程和抽水成本增加，有时不得不更换

抽水设备，直至水井报废。

（2） 由于地下水位大幅度下降，改变了地表水与地下水之间以及含水

层之间的天然补给关系，使原有水利工程规划的效益降低。

（3） 由于区域地下水位的下降，导致环境、生态条件的恶化。区域地

下水位的下降，对干旱地区以吸收土壤和潜水赖以生存的植被系

统构成了极大的威胁。

二．地下水水质天然均衡条件的破坏使水质状况日趋恶化 地下水开采所引起的水质变化，就其根本原因来说，都是由于地下水位下降所引起的。但就其水质恶化的具体过程或途径来说，有三种方式，即地下水动力条件和含水层水文地球化学条件改变所引起的水质恶化，以及水井本身结构问题引起的水质恶化。

1. 地下水水动力条件变化所引起的地下水水质恶化

2. 含水层水文地球化学条件的变化导致的地下水水质恶化

3. 因水井工程结构或施工质量问题所引起的地下水水质恶化

三． 含水层天然应力状态的破坏导致各种环境地质灾害的发生

地面沉降指在自然或人为超强度开采地下流体（地下水、天然气、石油等）造成地表土体压缩而出现的大面积地面标高降低的现象。它具有成生缓慢、持续时间长、影响范围广、成因机制复杂和防止难度大的特点。地面沉降所引起的不良后果包括城市低面积扩大、地面开裂、建筑物破坏、地面运输线和地下管线扭 曲断裂、城市供水和排水系统失效、农村低洼地区洪涝积水等。它是一种威胁人类生活和生存环境的环境地质问题。自 ２０ 世纪中叶以来，随着城市化步伐的

加快，地下水超采引起的地面沉降加剧，已经成为突出的世界性地质灾害，并成为世界许多国家面临和急待解决的问题。

四．合理开发利用建议及保护对策

地下水开采利用中的问题为复杂的环境地质和社会问题，它涉及到科学技术、社会和政治经济的各方面。因此，必须合理规划，加强管理，重视保护，做到计划用水、科学用水以及采补平衡，处理好科技、政治和社会经济等各方面的关系，把发展经济、提高人民生活水平和保护地下水资源结合起来，协调发展。为此，提出以下几点建议和防御对策。

一．全面规划，合理布局，加强管理

要合理开发利用地下水资源， 一定要实现地下水开采协调管理，优化地下水开采布局，对其实行宏观调控。具体工作是：一是要加强地下水资源勘察，掌握水文资料，根据水资源条件，规划地下水开采层位，压缩开采量，并合理调整开采方式和开采井的布局，实施地下水动态监测，严格按照允许的开采量进行开采。二是要加强地下水水源保护， 建立水源保护区和相应的管理制度，加大自来水管网的建设力度，优化用水格局，严格限制把符合饮用水标准的优质地下水挪作它用， 必须在满足本地区人口增长对水资源需求的前提下，经有关部门批准，方可用于非饮用供水。三是加强需水管理，提倡节约用水和科学用水，提高用水效率。

二． 设立监测网，随时了地下水的动态和水质变化情况，及时采取防治措施地下水监测是地下水合理开发利用、水资源管理和生态环境保护等方面的重要基础。全国水利监测系统的监测项目包括地下水水位、水量、水质、水温等要素。在现有的地下水动态监测网基础上，优化、调整和增设监测点，扩大监测范围，形成控制中心城市、重要经济区、重点水源地的合理完善的监测网络，切实有效地实行地下水资源合理利用和保护的动态管理。

三． 积极开发浅层地下水，禁止开采深层承压水

南方地下水补给充足，水量丰富，大部分地区地下水埋深较浅，开采条件相对便利，且现阶段开发利用水平不高，具有较好的开发利用前景。浅层地下水的开采导致部分含水层疏干，夺取了地下水蒸发量，增加了大气降水的入渗补给，促进雨水、地表水、土壤水、地下水间的转化，对减少深层地下水的开采和改善土地的盐碱化程度有利。从水资源可持续利用角度看，南方地区应在保护好浅层地下水水质的前提下，积极开发利用浅层地下水。同时，通过采取切实有效的压采和禁采措施，促进地区地下水资源的采补平衡，改善区域地质环境，控制地质灾害的发生或发展。