专门水文地质学论文
河 南 理 工 大 学
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课程名称:专门水文地质学
论文题目:水量均衡法的探讨
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地下水资源评价方法—水量均衡法的探讨
摘要 地下水资源评价旨在摸清地下水文地质条件、查清地下水资源时空分布特征, 计算和评价地下水补给资源量和可开采资源量。常用方法有水量均衡法、开采试验法和数值模拟法等。重点讨论了水量均衡法评价过程及其优缺点。若能结合开采试验法或数值模拟法进行评价,可提高评价精度,评价结果将为水资源的合理开发利用提供科学依据。关键词地下水水资源评价水量均衡法补给资源量可开采资源量。
引言
水是人类及其他生物赖以生存的物质条件。地下水作为水资源的重要组成部分,发挥着巨大的作用,尤其在我国北方广大平原地区。据估算,北方平原区地下水资源共约1500亿m³,占全国平原地区地下水资源的78%,地下水已成为北方地区城市生活和工农业用水的重要供水水源[1]。但是目前,地下水资源开发利用过程中缺乏宏观规划和科学严格管理,导致地下水严重超采、水位持续下降、漏斗面积不断扩大、地下水受到普遍污染等问题。地下水资源量评价的目的是为了查清地下水资源时空分布特征、水文地质条件、含水层富水性、水循环特征等信息,为合理开发利用地下水资源提供科学方法。
1 地下水资源评价概述
地下水资源评价是指在一定的天然和人工条件下,对地下水资源的质和量在使用价值和经济效益等方面进行综合分析、计算和论证。地下水资源评价[2]主要包括两部分内容:地下水补给资源量评价和地下水可开采资源量评价。
1.1 水资源评价的任务
1.1.1 地下水补给资源量评价
地下水补给资源量是地下水系统在天然条件下或开采状态下所接受的各种补给量的总和,它是地下水系统长期而稳定提供的最大开采量,是评价一个地区可开采资源量的基础。因此,补给资源的评价是区域地下水资源评价[3]的核心。从天然均衡角度,补给项之和应等于排泄项之和,因此,当某些补给量不易求得时,可用计算排泄量的方法代替。由于不同季节、不同年份补给量或排泄量是变化的,因此,应根据降水量变化和地下水动态变化,推求多年平均值作为地下水的补给资源量。
1.1.2 地下水可开采资源量评价
地下水可开采资源量的确定是水资源评价最主要的目的,对水资源的开发利用具有重要的指导意义,但准确确定地下水可开采资源量是非常困难的。第一,
由水循环和水均衡原理可知,地下水的开采量来自于地下水开采条件下补给量的增量和排泄量的减少量,这不仅仅与水文地质条件有关,而且与具体的开采方案, 如开采井的布局、开采量、取水构筑物的结构等有关;第二,经济技术条件是随时间而变化的,并因不同的目的而有不同的标准;第三,地下水的开采必然改变地下水的流动状态,进而改变水文地质条件,并对水环境产生一定的影响[4]。对于不同的地区、不同的地下水系统和不同的供水目的,对水环境的限定条件有着较大的差异。实际上,地下水可开采量的确定,就是在确定开采地下水获得的利益和环境损失之间寻找平衡点。
地下水资源评价按照评价的面积大小,可分为区域地下水资源评价和水源地地下水资源评价。
(1)区域地下水资源评价。一般是指在面积较大的范围内进行的评价。具体说, 是指一个地下水系统,大的可以是一个流域,小的可以是一个山间盆地、河谷地带、冲洪积扇、山间褶皱地带、向斜盆地、自流斜地等。区域地下水资源评价的目的是为了制定区域远景发展规划和扩大再生产规划等,其主要任务是定量评价地下水的补给资源量,估算地下水可开采资源量。
(2)水源地地下水资源评价。是针对某一供水水源地进行的评价,该工作是在水文地质详细勘查[5]的基础上进行的。其主要任务是:确定在开采地段内通过一定的取水构筑物,能保证长期开采利用条件下的开采量,也就是确定开采地段内可开采资源量,并预测未来水位、水质变化以及应采取的防护措施。
1.2 水资源评价原则
水资源属于可再生资源,有别于其他资源,基本评价原则如下。
(1)按流域或地下水系统进行评价。水资源是按流域或地下水系统而分布和流动的,人为划分边界将造成流入、流出量的误差及重复量的出现,因此为降低人为误差,水资源评价以流域或地下水系统进行。
(2)根据“四水转化” 的规律进行评价。在水循环过程中,大气降水、地表水、土壤水和地下水是相互联系、相互转化的统一体。在水资源评价中注意到这种转化关系和转化量,不仅可避免水资源量的重复计算, 而且可利用转化关系, 提高水资源的利用率。
(3)“以丰补歉” 的原则评价。无论是地下水还是地表水资源量,都是随
着时空变化的,若希望最大限度地利用水资源量,则首先要评价水资源的储存量和调节能力,并充分利用其调节能力,调节丰、枯季节和年份的地下水资源量,提高水资源可利用量和供水的保证程度。
(4)可持续发展的原则。应从水资源的可持续利用、水资源的开发利用与社会、经济、环境协调发展的角度评价水资源量[6],即寻求水资源开发所带来的经济、社会发展与生态环境协调的平衡点,要求在水资源评价中,注重环境影响的评价和环境对水资源开发的约束。
(5)动态和发展的原则。随着科学技术水平的提高,人类控制、开发水资源的能力也会越来越强,一些现在无法利用、开发的水都有可能成为今后水资源评价的新对象,如海水淡化[7],陆地劣质水的资源化,土壤水的调控,冰川水、深层地下水的开发,生态用水的评价与保护等。这就要求评价工作不断跟上水资源理论的发展。即使是常规的地表水、地下水的资源评价,也会因理论的发展不断修正原有的概念和思维方式,涌现出新的评价方法和手段。
2 地下水资源评价方法
目前评价地下水资源的方法很多,包括水量均衡法[8]、水文分析法、开采试验法、数值模拟法等。各类方法均有不同的适用条件。下面重点描述水量均衡法的特点和评价步骤。
2.1 水量均衡法基本原理
根据质量守衡原理,将均衡区视为一个整体时,某一均衡时段内地下水补给量与消耗量(排泄量、开采量等)之差,应等于该均衡区含水层中地下水总量的变化量,主要分如下几种情况。
(1)在天然条件下, 即无任何人类活动干扰的条件下,有
Q补-Q排=±F·S·△h/△t , S=μ,潜水 S=μ*,承压水
式中:Q补为含水层系统获得的各种补给量之和/(m³/d)[9];Q排为含水层系统通过各种途径的排泄量之和/(m³/ d);μ,μ*为重力给水度和弹性释水系数[10];△h为△t时段内均衡区平均水位变化值/m;F为均衡区含水层的分布面积/㎡。
(2)开采条件下,有
(Q补+ Q补)–(Q排+△Q排)–Q=-△Q储
上式简化为:
Q=△Q补+△Q排+△Q储
式中:△Q补为计算时段内地下水系统由于开采所获得的补给增量/(m³/d);△Q排为计算时段内地下水系统由于开采所减少的消耗量/(m³/ d)[11];△Q储为计算时段内地下水系统由于开采所引起的储存量的变化量/(m³/d);Q为人工开采量/(m³/d)。
2.2 水量均衡法评价步骤
2.2.1 划分均衡区
均衡区的划分是指依据水文地质条件的不同,将研究区域划分为多个小区, 便于进行水量均衡计算。通常将计算区域划分为2级。
(1)一级分区通常是根据地下水类型和含水介质成因类型的组合[12]进行划分,如基岩山区裂隙地下水系统,平原区松散层孔隙水系统,平原又可分为洪积扇地下水子系统、冲积平原地下水子系统等。
(2)二级分段指标,主要是根据含水层的导水系数[13]、给水度、降水入渗系数,地下水位埋深等定量指标进行划分。划分均衡计算区的目的是为了处理客观存在的水文地质条件差异,提高水量均衡计算精度。
2.2.2 确定均衡期
均衡期是指进行均衡计算的时段[14]。均衡期的确定应选择具有代表性的年份(如平水年),并注意所掌握资料的年限,尽量做到二者的统一。
2.2.3 确定均衡要素
在查明地下水系统补给、径流和排泄条件的基础上,确定均衡要素。通过水文地质实体、系统特征及其所遵循的定律、输入和输出信息的研究,建立水文地质概念模型[15]。
均衡要素是指均衡方程中各种补给量和排泄量,其关系见图1。在多年平均条件下,按照水均衡原理,地下水系统的总补给量约等于总排泄量,由此可以写出各均衡要素的方程式:
(Q降+Q表+Q′径+Q凝+Q′越+„„)-(Q溢+Q蒸+Q″径+Q 开+Q″越+„„)≈0
式中:Q降为大气降水入渗补给量/(m³/d)[16];Q表为地表水渗漏补给量/(m³/ d), 包括河流渗漏补给、渠系渗漏补给、农业田间灌溉渗漏补给、水库渗漏补给等; Q′径,Q″径为分别为地下水径流流入、流出量/(m³/d);Q凝为凝结水补给量/
(m³/d);Q溢为地下水泄流及泉水溢出量/(m³/ d);Q蒸为潜水蒸发量/(m³/d);Q′越、Q″越为相邻含水层的越流补给量、向相邻含水层的排泄量/(m³/d)。
2.2.4 确定水文地质参数
水文地质参数是计算地下水补给资源的基础资料,其参数是否准确直接影响计算精度。水文地质参数包括两类:一类是均衡要素具有的参数;一类是地下含水层自身的属性参数[17]。前者一般包括降水入渗系数、地表水渗漏系数、灌溉入渗系数、潜水蒸发强度;后者主要包括含水层的给水度[18]、渗透系数、导水
系数和导压系数等。
2.2.5 均衡计算
选定均衡年后,即可根据均衡方程的项目逐一对补排项进行计算。均衡项目见表1。
2.2.6 补给资源量评价
地下水补给资源量指在天然状态或开采条件下,
表1 均衡项目
补给项 排泄项
地下水侧向补给量 泉水溢出量
河流渗漏量 潜水蒸发量
渠系入渗量 侧向流出量
田间灌溉入渗量 农业开采量
地下水灌溉回归量 工业开采量
降水入渗量 城镇生活量
平原水库入渗量 地下水补给水库量
山区洪流入渗量
单位时间通过各种途径进入含水系统或水源地开采层的可供利用的地下水量。从多年平均角度看,就是含水系统每年可以获得补充和恢复的水量。一般可用区域内各项补给量的总和或各项排泄量的总和来表征,如下式:
Q补=Q降+Q表+Q′径+Q凝+Q′越+„„
或:
Q补=Q溢+Q蒸+Q″径+Q开+Q″越+„„
用上述公式计算的补给资源量只适用于一般的情况,在实际应用中,还应注意以下问题。
(1)如果计算年是丰水年,计算的地下水补给资源量往往会偏大,按此资源量规划开发利用,在平水年和枯水年得不到保证。
(2)如果计算年是枯水年,其结果又过于保守,不能充分发挥地下水资源的作用。
(3)为避免上述问题,通常利用降水长期观测资料进行频率分析[19],而后,根据水文地质条件(这里主要指含水层的调节能力),选取不同的方法进行评价。
2.2.7 储存资源量评价
(1)利用地下水动态资料,计算储存量的变化量。根据地下水动态长期观测资料,确定各观测孔在计算年初及年末的水位差值,圈定各观测孔所控制的面积,取用变幅带的给水度,算出整个计算区段的储存量变化值。利用储存量的变化值,检验计算年的地下水补给量[20]。
(2)利用储存量的变化值,检验计算年的地下水补给量。如果所计算的补给量、排泄量之和与储存量的变化量结果基本相符,则均衡期的地下水补给量即是计算年的地下水补给资源量。若不相符,则需要核实水文地质概念模型及水文
地质参数,重新计算。
2.2.8 可开采资源量评价
开采前的天然补给量与天然排泄量在一个均衡期内近似相等,即Q补=Q 排, 由均衡方程可以得出:
Q开=△Q补+△Q排+△Q储
由上式可以知道, 可开采资源量由3 部分组成。
(1)增加的补给量(△Q补):开采状态下获取的非本系统的补给量。
(2)减少的排泄量(△Q排):包括潜水蒸发的减少量,泉流量的减少量, 侧向流出量的减少量等。
(3)可动用的储存量(△Q储):含水层永久储存量中所能提供的一部分。 需要注意的是, 在评价过程中,补给量增加量的这一部分必须合理地夺取, 不能影响已建水源地或已经处于开采状态的含水层的开采[21];在有地表水补给的地方,要从总的水资源统一合理调度考虑,确定可以袭夺地表水的补给增加量。可开采量中减少的天然排泄量,应尽可能地截取,但也要考虑已经被利用的天然排泄量,如岩溶大泉往往也是风景名胜,不能由于增加开采而破坏旅游景观。同时, 截取排泄量的多少,也要考虑到取水构筑物的种类、布设地点、开采方案。
可开采量中可动用的储存量与含水系统的永久储存量有关[22],同时也与现有的技术设备水平、生态环境影响后所允许的最大降深有关,需要慎重确定。实际应用中一般算出从天然低水位到区域允许最大降深动水位这段含水层中的储存量, 按100 a 或50 a 平均分配到每年的开采量中, 作为可开采量的一部分。
2.3 适用条件
水量均衡法是地下水资源评价的基本方法[23]。由于其原理简单,需要的含水层参数较少,可操作性强,能够充分利用长系列的水位动态资料和开采量资料,对于精度要求较低、水文地质勘探资料较少区域而言,是一种有效的地下水资源评价方法,主要适用于评价区域地下水补给资源量,也可初步确定可开采资源量。目前,在地下水资源评价中均衡法的使用比较普遍,均衡法可粗可精,适应性强, 许多情况下都能运用。在地下水的补排条件比较简单,水均衡要素容易确定,用该方法评价地下水资源效果较好。
2.4 限制条件
当地下水的补给、径流和排泄条件不易查清或条件复杂时,特别是在开采条件下各均衡要素的变化及边界条件的确定比较困难的地区,不适合使用该方法。均衡法的计算是基于现状条件进行的,它可以粗略估计出未来地下水的可开采量,但是无法预测含水层中地下水位随空间和时间的变化,也不能准确计算因开采而激发的补给增量(袭夺的河水量和减少补给量)[24],因而预测的地下水可开采量比实际的可开采量偏小,在进行水资源开发利用规划过程中,应结合开采试验法和数值模拟法进行评价,确保评价的准确性。
3 结论
水量均衡法是传统的地下水资源评价方法之一,原理简单,可操作性强,在遵循评价原则的前提下,能够充分利用长系列的水位和开采量资料进行补给资源量和可开采资源量的评价。若能结合开采试验法和数值模拟法进行评价,更能保证区域水资源量或集中水源地水资源量评价的准确性,从而为水资源的合理开发利用提供必备的科学依据。
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