地下水資源評價方法綜述

1、地下水資源評價方法綜述XXX（中國地質(zhì)大學(xué) 水資源與環(huán)境學(xué)院水文與水資源專業(yè)，北京 100083）摘要：隨著經(jīng)濟社會的發(fā)展，人類用水需求不斷上升，水資源供需矛盾日益激化，地下 水因其水質(zhì)優(yōu)水最穩(wěn)定等優(yōu)點為越來越多的地區(qū)所開發(fā)利用并作為貳要供給水源，其更要性 越發(fā)凸顯。地卞水使用過程中如何做到合理開采對保障地下水持續(xù)穩(wěn)定供水具令直要意義， 而地下水資源評價的準(zhǔn)確與否直接關(guān)系到地下水開采方案的制定是否合理。本文對當(dāng)前地下 水資源評價中重要方法進行整合、對比，探討各種地下水資源評價方法優(yōu)缺點，從而為實踐 中最佳地下水資源評價方法提供參考。關(guān)St詞*地下水資源 評價方法 綜述、水量均衡法基本原理：根據(jù)

2、水暈平衡原理，利用均衡方程計算水量的一種方公式：Q A/-Q At = ±pFAhQ 丁單位時間內(nèi)的平均補給量Q單位時間的平均排泄量t時間段的長度“均衡區(qū)內(nèi)含介質(zhì)的給水度，或飽和差的平均值水F均衡區(qū)含水層的分布而積巫時間段的始末均衡區(qū)內(nèi)平均水位的變動值使用條件：理論上，可適用于任何地下水系統(tǒng)的水資源評價。區(qū)域地下水資 源評價，水文地質(zhì)條件復(fù)雜，其它方法難以應(yīng)用。優(yōu)點：概念清楚、方法簡單、適應(yīng)性強。缺點：1、某些均衡要素和求取均衡要素的水文地質(zhì)參數(shù)難以確定或不準(zhǔn)確, 造成計算誤差較大。2、是一種集中參數(shù)方法，難以精確給出地下水各要素隨空間的變化。3、不能準(zhǔn)確確定地下水的可開來資源暈。4

3、、很難給出具體地下水開發(fā)利用方案二、水文分析法基本原理：一個地下水系統(tǒng)就其水量循環(huán)過程來說，無論補給多么復(fù)雜，補 給臺總要轉(zhuǎn)化為地下水徑流量，而徑流量乂在適當(dāng)?shù)牡攸c流出地表，成為地表 水。水文分析法還包括清水流量法、泉流量法、暗河測流法。使用條件：1、全排型流域，均衡區(qū)內(nèi)其他排泄最占比例較小2、水文地質(zhì)條件復(fù)雜、研究程度又相對較低的地下水系統(tǒng)?；鶐r 山區(qū)，巖溶水系統(tǒng)、裂隙水系統(tǒng)。3、具有較長系列的測流資料(泉流量、地表徑流量)。優(yōu)點：可以評價地下水補給資源量缺點：1、實質(zhì)上是屬于水量均衡法2、集中參數(shù)方法(黑箱)，不能詳細描述系統(tǒng)狀態(tài)隨空間變化情況3、無法準(zhǔn)確評價地下水可開采資源量4、評價精度

4、取決于測流和基流分割的精度。1) 地下徑流模數(shù)計算公式：Q二MFQ一一測流點出的地下徑流總量(m3/s)M地下水徑流模數(shù)(ni3/s km2)F一測流點控制的上游總匯水補給面積(km2)2) 水文分割法原理：流量過程線是捋河流斷面上的流量隨時間的變化曲線。因不同的時間 坐標(biāo)而乂口、月、年和多年的流星過程線。流量過程線能反映流量變化的特征, 也在一定程度上綜合反映出流域的氣候和自然地理特征。對流量過程線進行分 割，可以了解地表水和地下水對河流水量的補給情況。1. 水平直線分割法水平直線分割法乂稱枯季最小流量法，它乂有最小口平均流量，最小月平 均流量和3個月最小平均流量3種。2. 直線斜割法這是一

5、種應(yīng)用十分廣泛的方法，即洪水過程線的起漲點與地表徑流的終止 點的連線。至于地表徑流終止點的確定，可參見Linsley的經(jīng)驗公式：N = A02 式中N為洪峰流量到地表徑流終止點的時距，d； A為流域面積，以平方英里 計。3. 退水曲線法退水曲線法是根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)退水曲線從洪水流最過程線兩端向內(nèi)展延地下退 水曲線。退水流量方程表示為：°t = Qexp（-刃）式中q為退水開始時的流暈; °，為任何f時的退水流量；口為退水常數(shù)；t為時間，當(dāng)t=i d時，可得：K=exp（-a） o根據(jù)Barnes的研究，地表徑流K=0. 329,壤中流K=0. 694,地 下徑流K=0. 980o可

6、見河川徑流的兒個分最是可以通過退水曲線的特性予以分 割的。4. 加試?yán)飳幩惴ㄔ缭?0世紀(jì)50年代，前蘇聯(lián)加里寧等曾用試錯法進行河川地下水補給的 估算。他們根據(jù)山丘區(qū)河流一般由裂隙水所補給且無水力聯(lián)系的特點，假定含 水層的來水量與地表流量間存在比例關(guān)系，則有下列近似平衡方程： 硏二W° + By地y地卜.式中。為時段末的含水層儲量；為時段初的含水層 儲量：B為比例系數(shù)：丿地茨地表為地表徑流總量；y地卜地下為地下徑流總量。三、容積法基本原理：（1）對于潛水含水層和無壓含水層而言，地下水的釋出會引起 水位下降，變動帶以下的水量可以視為儲存量并稱為容積儲存量。該量可以用 容積法計算。計算公式

7、：W=“7=“FMW一潛水含水層的儲存量（m3）"含水介質(zhì)的重力給水度V一一變動帶以下潛水含水層的體積（m3）M一一變動帶以下潛水含水層的平均厚度（m）F潛水含水層的分布面積（m2）（2）承床含水層包括容積儲存量以外還有彈性儲存量計算公式：久承壓含水層的彈性儲存S： （m3）:兒承壓含水層儲水系數(shù)：h白承床含水層隔水頂板起算的床力水頭高度（m）F承壓含水層的分布面積（m2）承壓含水層儲存星應(yīng)為彈性儲存量和容積儲存量Z和，即% = "1 + 徨四、解析法皋本原理：解析法是根據(jù)地下水動力學(xué)的原理通過數(shù)學(xué)解析推到的各種井流 公式，計算井（群）涌水量的一種方法。利用對地下水穩(wěn)定流或

8、非穩(wěn)流的基本 微分方程，求得在不同邊界條件下的解析公式（即水文地質(zhì)參數(shù)計算公式），用 其計算允許開采皐的方法。對于含水層兒何形狀規(guī)整、水文地質(zhì)條件簡單且含 水層比較均質(zhì)的水源地，常采用解析解法確定允許開采量。解析法中的井流公式都是在一定假設(shè)條件下經(jīng)過嚴(yán)密推到得到的。實際過程 中要復(fù)雜的多。解析法還包括井群干擾法、開采強度法。適用條件：理想條件下的水文地質(zhì)條件，如滿足泰斯假設(shè)、裘布依假設(shè)等。 可開采量的保證程度需通過其它方法論證優(yōu)點：簡單、直觀、快速、經(jīng)濟缺點：應(yīng)用條件太苛刻（邊界形狀、非均質(zhì)、各向異性、初始地下水面、承 壓區(qū)和無壓區(qū)并存，且分界線隨時間變化、含水層有不均勻越流，存在天窗或 有河

9、床滲漏、水井抽水量恒定或某一階段恒定、含水層側(cè)向無限延伸，滲透區(qū) 形狀矩形或圓形）評價步驟過程：1、根據(jù)實際水文地質(zhì)條件和開采方式，選定合適的井流解析公 式2、求井流公式中水文地質(zhì)參數(shù)滲透系數(shù)K、導(dǎo)水系數(shù)T、儲水 系數(shù)兒，重力給水度代等。3、計算各種開采方案下的水位降深，評價地下水開采量4、論證可開采量的保證程度五、開采實驗法（-）開采抽水法基本原理：開采抽水法是按實際抽水量進行抽水試驗，并對地下水進行可開 采水資源量評價的一種方法。適用條件：1、水文地質(zhì)條件復(fù)雜，一時難以查清而乂急需作出水資源評 價的地區(qū)。2、進入水文地質(zhì)詳勘階段，必須進行抽水試驗，運用開采試 驗法進行可開釆資源量評價。3、

10、該方法主要適用于中小型水源地的地下水資源評價。缺點：該方法只有在難以査清地下水補給條件而乂急需進行評價，且供水部 門對用水最的保證程度要求乂比較高時，才采用這種方法。（"）實驗外推法適用條件：建立在穩(wěn)定井流基礎(chǔ)上的，不能用不穩(wěn)定的Q和s來建立方程；抽水的水位降深不能太小：水位降深很小時不宜采用對數(shù)曲線方程。實驗外推法所評價的地區(qū)補給條件良好，含水層的導(dǎo)水性強，單井的出水屋 大。常見的Q-s曲線類型有：直線型、拋物線形、對數(shù)型和幕函數(shù)型。（三）補償疏干法適用范圉：地下水補給時間上分配不均勻，含水層有一定的調(diào)節(jié)能力。評價步驟過程：1、旱季開采量一通過求單位儲存量，繼而計算旱季開采量2、雨

11、季補給量3、評價可開采資源量S數(shù)值法基本原理：將系統(tǒng)連續(xù)的函數(shù)在時間、空間上離散化，并求該函數(shù)在有限個 離散點上的近似值?？删唧w分為有限差分法、有限單元法和邊界元法適用條件：水文地質(zhì)條件清楚；大量的各類資料和數(shù)據(jù)缺點：1、對于不符合達西定律（不連續(xù)、管道流等），需特殊處理2、對研究者的素質(zhì)要求高3、耗時長、資金投入大評價步驟過程：1、水文地質(zhì)條件分析2、建立水文地質(zhì)概念模型和數(shù)學(xué)模型3、空間離散（剖分）4、確定模擬期和預(yù)報期5、地下水均衡分析6、水文地質(zhì)識別7、地下水資源評價和水位預(yù)報（一）有限差分法基本原理：用滲流區(qū)內(nèi)有限個離散點的集合代替連續(xù)的滲流區(qū)，在這些離 散點上用差商近似的代替微商，

12、將微分方程及其定解條件化為隔離散點上的代 數(shù)方程，然后求解差分方程，從而得到微分方程的解在離散點上的近似值?；静襟E：1、剖分滲流區(qū)，確定離散點，即把研究的滲流區(qū)按一定的規(guī)則分成網(wǎng)格。2、建立地下水流動問題的査分方程組。3、求解代數(shù)差分方程組。（-）有限單元法基本原理：有限單元法是求解微分方程定解問題的一種有效地數(shù)值方法。 把偏微分方程的定解問題化為求等價問題的泛函的極值問題?；静襟E：1、剖分插值。2、建立單元滲透矩陣和總滲透矩陣。3、用適當(dāng)?shù)挠嬎惴ㄇ蠼饩€性方程組。七、水文地質(zhì)比擬法基本原理：水文地質(zhì)條件與開采相似的同一條生產(chǎn)礦井老采區(qū)的涌水資 料，建立井田自然因素與生產(chǎn)因素與礦井涌水量之間

13、的經(jīng)驗公式。并以此推測 新開采區(qū)涌水量的一種方法。迄今為止，用于礦井涌水量的預(yù)測的比擬法可分 為復(fù)水系數(shù)、單位涌水量法和函數(shù)關(guān)系比擬法?，F(xiàn)在是用系統(tǒng)分析建立廣泛應(yīng) 用范圍的比擬法礦井涌水量預(yù)報模型。比擬法的基本思想：（1）認為礦井水來自周圉的地質(zhì)體；（2）涌水開采來那個隨深度h和巷道長度L呈規(guī)律性變化:（3）用經(jīng)驗公式抽象這種規(guī)律的數(shù)學(xué)模式；（4）在基本條件相似的基礎(chǔ)上，根據(jù)所獲經(jīng)驗公式預(yù)測涌 水量。計算公式：Q = Qo"L/Z° 牧力/力。（Q。、厶、力。為對應(yīng)量之初值）比擬公式建立的步驟：根據(jù)涌水量與個臨空面因素的對比法分析選入基本相關(guān)因素：建立涌水暈與相關(guān)因素之間的

14、數(shù)學(xué)關(guān)系雛形：用最小二乘法、分組平 均法等優(yōu)化方法擬合參數(shù)：公式的實際驗證與評價。信息分析系統(tǒng)的思路系統(tǒng)分析八、水文地質(zhì)模型法基本原理：根據(jù)水文地質(zhì)條件、邊界條件和水文地質(zhì)參數(shù)建立水文地質(zhì)模 型，以模擬的模型確定允許開采星或預(yù)測其他參數(shù)的方法。各種水文地質(zhì)模型 都是模擬地下水在滲流場屮的運動規(guī)律，以達到確定參數(shù)和預(yù)測地下水資源的目的。在大型復(fù)雜水源地，尤其是大型重點水源地，常采用水文地質(zhì)模型法來 評價地下水資源。（）GIS在地下水資源評價中，將地下水模型與地理信息系統(tǒng)GIS集成，充分發(fā)揮 模型在表征和再現(xiàn)地下水系統(tǒng)方面的模擬預(yù)測能力，同時借助GIS的數(shù)據(jù)管理 和空間分析能力，將為地下水資源評價

15、與管理提供強有力的工具，但由于地下 水建模前期數(shù)據(jù)準(zhǔn)備過程復(fù)雜，目前GIS在地下水資源評價中的應(yīng)用還主要局 限于數(shù)據(jù)管理和計算結(jié)果表達等方面。1.嵌入式集成在地下水模擬軟件中嵌入部分GIS功能地下水模擬模型計算需要空間數(shù) 據(jù)的支持，一些地下水模擬軟件便在系統(tǒng)中開發(fā)部分GIS功能，實現(xiàn)對地理底 圖輸入輸出和數(shù)據(jù)管理。2 .松散連接松散集成是在GIS軟件與地下水模擬軟件（如modflow）之間通過數(shù)據(jù)交換 實現(xiàn)模型與GIS之間的信息交互這種方式中GIS和專業(yè)軟件是相對獨立的系 統(tǒng)，齊IT有獨立的數(shù)據(jù)管理方式，沒有共同的用戶界而，數(shù)據(jù)需要在不同軟件 間轉(zhuǎn)換，操作繁瑣，易出錯，但只需實現(xiàn)接口程序，編程

16、工作量小，對多數(shù)地 下水專業(yè)的GIS用戶來說，是最現(xiàn)實的方法。3完整整合完全整A使GTS和模型共享同一數(shù)據(jù)庫通過GTS宏語言或其他編程語言將 模型直接嵌入到GIS系統(tǒng)屮。隨看組件技術(shù)的出現(xiàn)和逐漸成熟，使專業(yè)人員只 需通過高級編程語言，就能將GIS功能很好地與專業(yè)模型整合。評價步驟：1）收集研究區(qū)有關(guān)資料，對圖形掃描矢量化和數(shù)字化，建立空間數(shù)據(jù)庫和屬性 數(shù)據(jù)庫，通過高程控制點生成區(qū)域三維地形模型，并進行地形分析。2 ）對時間序列資料，如降水、蒸發(fā)。開采量等，進行統(tǒng)計、回歸分析，研究地 下水動態(tài)變化規(guī)律，為模型建立提供依據(jù)。3 ）將降水、蒸發(fā)、植被、地表水體、面狀開采強度、巖性參數(shù)分區(qū)以及行政區(qū)

17、劃等、在GIS環(huán)境下生成專題圖，通過疊加分析，研究地下水系統(tǒng)的補徑排條 件，初步確定地下水開采潛力區(qū)。4 ）結(jié)合鉆孔剖面、三維地形、地下水動態(tài)、專題圖等對含水層進行概化，建立概念模型。5 ）建立數(shù)學(xué)模型，運用白動剖分，建立網(wǎng)格單元專題圖。6 ）通過交互方式設(shè)置模型對象（單元、節(jié)點等的屬性）用kinging插值生成節(jié) 點信息（如初始水位）形成模型輸入。7）運行模型，并通過等值線、流場三維動態(tài)、擬合曲線等對模型計算結(jié)果進行 評價，調(diào)整參數(shù)直到模擬效果理想后，對計算結(jié)果生成相應(yīng)的專題圖供決策分 析。8）模型識別驗證后，可用該模型預(yù)測不同條件下的地下水資源。九、數(shù)值模擬所謂數(shù)值模擬法是用數(shù)學(xué)模型模擬地

18、下水系統(tǒng)的運動狀態(tài)。并用數(shù)值法在 數(shù)值計算機上求數(shù)學(xué)模型的解。一筆你該系統(tǒng)運動的一種方法。這種模擬方法 在評價地下水的水量、水質(zhì)、水熱和管理上得到了廣泛的引用。優(yōu)點：（1）數(shù)值模擬法具有廣泛的適用性。對于復(fù)雜的含水層，不管是承 壓水還是潛水，二維流還是三維流，都成功的進行了模擬。（2）數(shù)值模擬法，省工，省錢、省時。數(shù)值模擬法經(jīng)常在計算機上 進行，不需要到大量的設(shè)備。它不需要進行長時間的抽水試驗，節(jié)省了大量的 時間，人力，物力財力。可以很好的模擬地水的運動狀態(tài)。（3）有些地下水問題的實驗很難，共至不能進行實驗，但人可在已 有觀測資料下進行數(shù)值模擬。（4）數(shù)值模擬可以程序化，只要編出程序，對于不同

19、地下水系統(tǒng)只 需要按規(guī)定整理好數(shù)據(jù)就可以上機，并能較快的模擬岀結(jié)果。缺點：（1）數(shù)值模擬決不能代替真正的水文地質(zhì)工作。（2）模擬法僅僅是一種“數(shù)值實驗”。有可能成功也有可能失敗。各方法對比名稱基本原理適用條件優(yōu)點缺點水量均衡法水量平衡原理， 利用均衡方程區(qū)域地下水資源評價概念清楚、方 法簡單、適應(yīng) 性強1、某些水文地質(zhì)參數(shù) 難以確定，誤差較人。2、集中參數(shù)方法，難 以精確給出各要素隨 空間的變化。3、不 能確定可開采資源 So4、難給出貝體地下水 開發(fā)利用方案水文分析法補給最總要轉(zhuǎn) 化為地下水徑 流量，而徑流量 又在適當(dāng)?shù)牡?點流出地表，成 為地表水。1、全排型流 域2、水文地質(zhì)條 件復(fù)雜、研

20、究 程度又相對較 低的地下水系 統(tǒng)。3、具有較長系 列的測流資料可以評價地 下水補給資 源量1、屬于水量均衡法2、集中參數(shù)方法（黑 箱3、無法準(zhǔn)確評價地下 水可開釆資源量4、評價精度取決于測 流和基流分割的精 度。容積法潛水含水層和 無壓含水層變 動帶以下的水 量為容積儲存 量。承壓含水層儲 存量應(yīng)為彈性 儲存最和容積 儲存量之和。解析法解析法是根據(jù) 地下水動力學(xué) 的原理通過數(shù) 學(xué)解析推到的 各種井流公式， 計算井（群）涌 水量的一種方 法。理想條件下的 水文地質(zhì)條 件，如滿足泰 斯假設(shè)、裘布 依假設(shè)等。簡單、直觀、快速、經(jīng)濟應(yīng)用條件苛刻（非均 質(zhì)、各向異性、初始 地下水面、承壓區(qū)和 無壓區(qū)并

21、存，分界線 隨時間變化、含水層 有不均勻越流，存在 天窗或有河床滲漏、 水井抽水晟恒定或某 一階段恒定、含水層 側(cè)向無限延伸，滲透 區(qū)形狀矩形或圓形）開 采 實 驗 法開采抽水法按實際抽 水量進行抽 水試驗，并對 地下水進行 可開采水資 源量評價的 一種方法。1、水文地質(zhì)條 件復(fù)雜，急需 作水資源評價 地區(qū)。2、水文地質(zhì)詳 勘階段需進行 抽水試驗，用 開采試驗法進 行可開采資源 量評價。3、適用于中小 型水源地只有在難以查清 地下水補給條件而 又急需進行評價， 且供水部門對用水 量的保證程度要求 又比較高時，才采 用這種方法。實驗外推法在穩(wěn)定井流基 礎(chǔ)上的：抽水的 水位降深不能 太?。核唤瞪?/p>

22、 很小時不宜采 用對數(shù)曲線方 程。地區(qū)補給條件 良好，含水層 的導(dǎo)水性強， 單井的出水量 k補償疏干法地下水補給時 間上分配不均 勻，含水層有 一定的調(diào)節(jié)能 力數(shù)值法將系統(tǒng)連續(xù)的 函數(shù)在時間、空 間上離散化，并 求該函數(shù)在有 限個離散點上 的近似值。水文地質(zhì)條件 清楚；大量的 各類資料和數(shù) 據(jù)較為精確，數(shù) 字化，簡單易 見1、對于不符合達西定 律需轉(zhuǎn)殊處理2、對研究者的素質(zhì)要 求高3、耗時長、資金投入 大水文地質(zhì)比擬 法水文地質(zhì)條件 與開采相似的 同一條生產(chǎn)礦 井老采區(qū)的涌 水資料，建立井 田門然因素m 生產(chǎn)因素與礦1）認為礦井 水來自周圍的 地質(zhì)體；（2）涌水開采 量隨深度h和 巷道長度L呈 規(guī)律性變化；（3）用經(jīng)驗公 式抽象這種規(guī)將水文地質(zhì) 參數(shù)系統(tǒng)化井涌水量之間 的經(jīng)驗公式，并 以此推測新開 采區(qū)涌水量的 一種方法。律的數(shù)學(xué)模 式：4）在基本條 件相似的基礎(chǔ) 上，根據(jù)所獲 經(jīng)驗公式預(yù)測 涌水量。水文地質(zhì)模型法（GIS）1、做入式集成2、松散連接3、完整整合主要局限于 數(shù)據(jù)管理和計 算結(jié)果表達等 方面。借助GIS的