第八章 地下水資源計算與評價.ppt

1、第八章 地下水資源計算與評價,水資源評價（water resources assessment），是對一個國家或地區(qū)的水資源數(shù)量、質(zhì)量、時空分布特征和開發(fā)利用情況作出的分析和評估。 水資源評價是保證水資源可持續(xù)利用的前提，是進行與水有關(guān)活動的基礎(chǔ)，是為國民經(jīng)濟和社會發(fā)展提供供水決策的依據(jù)。 地下水資源評價是在對地下水水質(zhì)評價的基礎(chǔ)上對其數(shù)量進行評價。目的是查清可開采的滿足水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)的地下水資源數(shù)量。,主要內(nèi)容：,8.1 概述 8.2 水量均衡法 8.3 相關(guān)分析法 8.4 開采試驗法 8.5 開采強度法 8.6 數(shù)值法,8.1 概述,8.1.1 地下水資源的特性 8.1.2 地下水資源的分類 8

2、.1.3 地下水資源評價的任務(wù)和原則 8.1.4 地下水資源評價方法,8.1.1 地下水資源的特性,可恢復(fù)性 循環(huán)轉(zhuǎn)化性 調(diào)蓄性,8.1.2 地下水資源的分類,國外水資源分類 （1）普洛特尼科夫儲量分類法： 五十年代蘇聯(lián)，靜蓄量、動蓄量、調(diào)節(jié)蓄量和開采蓄量 （2）賓德曼的儲量資源分類法： 1973年，天然蓄量、人工蓄量、誘導(dǎo)資源和開采資源。 （3）法國的地下水儲量和資源分類法： 蓄量：地質(zhì)蓄量、天然蓄量、調(diào)節(jié)蓄量和開采蓄量 資源：理論潛在資源、實際潛在資源和可采資源 （4）美、日等國的地下水儲量和資源分類法: 持續(xù)開采量、疏干性開采量和最大常年開采量 國內(nèi)水資源分類系統(tǒng),國內(nèi)水資源分類系統(tǒng),（

3、1）國家建委規(guī)范（1979）： 補給量、蓄存量和消耗量 （2）陳夢熊等分類法： 天然資源和開采資源 （3）曹萬金等分類法： 補給資源和儲量資源,8.1.3 地下水資源評價的任務(wù)和原則,（1）地下水資源評價的任務(wù): 評價地下水水質(zhì)的可用性和分析變化趨勢、提出監(jiān)測和保護措施。 評價地下水?dāng)?shù)量特征和水文地質(zhì)條件及其開采要求。 （2）地下水資源評價的原則: 三水綜合考慮的原則：大氣、地表和地下水 以豐補欠調(diào)節(jié)均衡的原則： 水質(zhì)水量調(diào)節(jié)均衡的原則：,8.1.4 地下水資源評價方法,（1）基于水量均衡原理的方法：水量均衡法 （2）基于數(shù)理統(tǒng)計原理的方法：相關(guān)分析法 （3）基于實際試驗的方法：開采試驗法 （

4、4）基于地下水動力學(xué)原理的方法：解析法和數(shù)值法,8.2 水量均衡法,根據(jù)水量均衡原理建立水量均衡方程來進行地下水資源評價 （1）水量均衡方程的建立 （2）地下水均衡計算 （3）地下水資源評價 （4）水量均衡法的特點及適用條件,（1）水量均衡方程的建立,根據(jù)水量均衡原理建立水量均衡方程來進行地下水資源評價,（2）地下水均衡計算,根據(jù)水量均衡原理分析均衡區(qū)域在一定時段內(nèi)地下水的補、排數(shù)量及水位升、降等要素，并在此基礎(chǔ)上地下水資源的盈虧。需要做如下三個方面的工作： 均衡區(qū)的劃分： 多級分區(qū)，依據(jù)水文地質(zhì)條件。 均衡時段的選擇： 一個水文年，多個或一個豐枯周期。 均衡要素的分析與計算： 分析以上各個計

5、算參數(shù)的特征。,（3）地下水資源評價 根據(jù)上述地下水均衡計算參數(shù)的計算結(jié)果，估算其開采量來評價分析地下水資源對用水的保證程度。利用地段內(nèi)地下水位的變幅分析評價地下水資源開采的合理程度。 （4）水量均衡法的特點及適用條件 特點:原理明確、計算公式簡單，但計算項目有時較多、有些要素測定困難，工作量大。反映大面積平均情況但難以反映局部變化。 條件：開采強度均勻、補排條件簡單、要素易于測定且開采后變化不大的區(qū)域。,根據(jù)水量均衡原理建立水量均衡方程來進行地下水資源評價 （1）水量均衡方程的建立 （2）地下水均衡計算 均衡區(qū)的劃分、均衡時段的選擇、均衡要素的分析與計算 （3）地下水資源評價 （4）水量均衡

6、法的特點及適用條件 特點:原理明確、計算公式簡單，但計算項目有時較多、有些要素測定困難，工作量大。反映大面積平均情況但難以反映局部變化。 條件：開采強度均勻、補排條件簡單、要素易于測定且開采后變化不大的區(qū)域。,8.3 相關(guān)分析法,回歸分析法或相關(guān)外推法，根據(jù)地下水開采的歷史資料和不同降深的抽水試驗資料，利用數(shù)理統(tǒng)計的方法找出開采量與降深或其它自變量之間的關(guān)系，用以外推預(yù)測開采量。 （1）簡單相關(guān) 線性相關(guān) 非線性相關(guān) 簡單相關(guān)評價地下水資源的步驟 （2）復(fù)相關(guān),相關(guān)分析 相關(guān)分析法，也稱回歸分析法，是根據(jù)開采地下水的歷史資料或不同水位降深的抽水試驗資料，用數(shù)理統(tǒng)計的方法找出開采量與降深或其他自

7、變量之間的相關(guān)關(guān)系，并依據(jù)這種相關(guān)關(guān)系外推來預(yù)報開采量的一種方法。 在地下水開采過程中，開采量與降深、開采時間、開采面積及水文氣象等因素有關(guān)。 開采量與這些影響因素之間的關(guān)系一般有三種：函數(shù)關(guān)系、沒關(guān)系和近似關(guān)系。前兩種關(guān)系分別稱為完全相關(guān)和零相關(guān)，是相關(guān)分析中的兩種極限關(guān)系，而第三種介于前兩種關(guān)系之間，稱為統(tǒng)計相關(guān)。,在統(tǒng)計相關(guān)中，如果自變量只有一個，稱為一元相關(guān)或簡相關(guān)；如果自變量在兩個或兩個以上，稱為多元相關(guān)或復(fù)相關(guān)。 （）簡單相關(guān) 對于單井來說，其開采量與水位降深一般能滿足函數(shù)關(guān)系。對于一個水源地或面積較大的開采區(qū)來說，由于井?dāng)?shù)較多、相互干擾，影響因素復(fù)雜，再加上人為的觀測誤差，常常使

8、開采量與降深的關(guān)系變?yōu)橄嚓P(guān)關(guān)系。 假設(shè)有若干組地下水開采量與水位降深的觀測統(tǒng)計資料Qi和Si（i1，2，n），將這些數(shù)據(jù)點繪在QS坐標(biāo)上 。,從QS圖上可以看出，這些點的位置比較分散，并不處于某一條圓滑曲線的軌跡上，因而不能用一種函數(shù)關(guān)系反映它們之間的關(guān)系。但從整體來看，它們具有一定的分布趨勢（直線趨勢或曲線趨勢）。 按分布趨勢，用最小二乘法原理求出一個近似但又最接近所有觀測值的直線方程或曲線方程，有了這個方程便可外推未來某一降深時的開采量或預(yù)測某一開采量時的水位降深。,圖8-1 QS分布趨勢,用一元相關(guān)法來求地下水開采量的計算步驟如下： 首先，整理統(tǒng)計評價區(qū)歷年所有井的開采量和水位資料，并繪

9、出相應(yīng)的等水位線圖，確定漏斗中心部位的水位降深； 其次，把歷年的開采量和水位降深繪成QS坐標(biāo)的散點圖，分析其分布趨勢，建立相應(yīng)的直線或曲線回歸方程，求出回歸系數(shù)，并進行顯著性檢驗； 最后，根據(jù)回歸方程外推設(shè)計降深時的開采量。,多元相關(guān) 影響開采量的因素不只是水位降深，還有降水量、灌溉入滲補給量等。因此，需要進行多元相關(guān)分析，用多元回歸方程來推求開采量，如下式： 式中：a0、a1、am為待定系數(shù)；x1、xm為影響開采量的自變量。 相關(guān)分析法適用于有多年開采歷史資料的穩(wěn)定開采水源擴大開采規(guī)模時的地下水資源評價。,數(shù)值法 在地下水資源評價中常用的數(shù)值方法有兩種，即有限差分法和有限單元法。 兩者有許多

10、相似之處，如都要對評價區(qū)進行空間剖分，分為若干網(wǎng)格（方形、矩形或三角形），都要寫出單元網(wǎng)格的地下水動力學(xué)偏微分方程，將地下水動力學(xué)方程線性化，得出線性方程組，再聯(lián)立求解線性方程組。 所不同的是在網(wǎng)格剖分及偏微分方程線性化方法上有所差別。,以有限差分法為例，介紹地下水資源評價的方法步驟： a.查明評價區(qū)水文地質(zhì)條件，提供地下水資源評價所需要的數(shù)據(jù)，包括以下內(nèi)容： 、劃定評價區(qū)邊界，確定邊界條件。 、給出評價區(qū)的初始水位分布。 、圈定有垂直入滲補給的范圍。 、給出評價區(qū)水文地質(zhì)參數(shù)的初值。 、確定開采量在評價區(qū)域內(nèi)的時空分布及變化。,考慮為什么要采用變步長？,b.分出各個非均質(zhì)區(qū)，劃分差分網(wǎng)格、確

11、定計算時段 根據(jù)水文地質(zhì)參數(shù)的不同，對評價區(qū)進行非均質(zhì)分區(qū)。與此同時，劃分差分網(wǎng)格，即對滲流區(qū)域離散化。對于時間步長的劃分，往往采用變步長的方法。 c.數(shù)學(xué)模型的識別 根據(jù)對評價區(qū)水文地質(zhì)條件的調(diào)查分析，可建立相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型。 d.地下水資源評價 經(jīng)過校正和驗證后的數(shù)學(xué)模型，即可作為地下水模擬計算的正式模型，進行地下水水量的各種模擬計算。,地下水資源量計算方法 目前，常用的地下水研究方法有水量平衡法、相關(guān)分析法、數(shù)值法等。在實際應(yīng)用中，應(yīng)根據(jù)研究區(qū)的水文地質(zhì)條件、技術(shù)條件等選擇合適的評價方法。 水量平衡法 水量平衡法，又稱水均衡法，是根據(jù)水量平衡原理來計算地下水開采量和水位變化的方法。 根據(jù)水

12、量平衡原理，對于一個平衡區(qū)（或水文地質(zhì)單元）的含水層組來說，地下水在補給和消耗的動態(tài)平衡過程中，任一時段補給量和消耗量之差，等于該時段內(nèi)單元含水層儲存水量的變化量。,若把地下水的開采量作為消耗量考慮，可建立開采條件下的水量平衡方程（該方程適用于潛水含水層）： 式中：Qk為側(cè)向補給量，m3/a；Qc為側(cè)向排泄量，m3/a；W為垂向補給量，m3/a；Qw為開采量，m3/a；Pg為降水入滲補給量，m3/a；Q渠為渠系滲漏補給量，m3/a；Q田為田間滲漏補給量，m3/a；Qe為越流補給量，m3/a；Q水為地表水體（指河道、湖泊、水庫等）滲漏補給量，m3/a；Eg為潛水蒸發(fā)量，m3/a；為含水層的給水度；F為平衡區(qū)的面積