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文檔簡介

1、1 地下水資源的特點及分類 2 計算地下水允許開采量的主要方法 3 地下水資源評價,地下水資源量的計算與評價,2020年10月2日9時42分,1 地下水資源的特點及分類,地下水資源是指有使用價值的各種地下水量的總稱,它屬于整個地球水資源的一部分。 地下水的使用價值包括水質(zhì)和水量兩個方面。 它是否能成為有使用價值的資源,首先是由水質(zhì)決定的。在水質(zhì)符合利用要求的前提下,看其可資利用的數(shù)量有多少。因此,地下水資源評價,應(yīng)同時進(jìn)行水質(zhì)和水量的評價。地下水量的計算和評價比水質(zhì)評價復(fù)雜得多。一般所說的進(jìn)行地下水資源評價,都是在水質(zhì)符合要求的前提下,著重對水量進(jìn)行評價。因此,將地下水的各種量也多稱為資源。前

2、章已經(jīng)講了水質(zhì)評價。 本章則討論水量的計算和地下水資源評價。,2020年10月2日9時42分,供水水文地質(zhì)勘察的主要任務(wù)之一就是要查明地下水的水質(zhì)和水量,進(jìn)行地下水資源評價。地下水量是處在地下水補給與排泄的動平衡中,是隨著自然和人為因素的改變而變化的。特別是在大量開采地下水后,會引起地下水補給、排泄條件的改變,給地下水量的準(zhǔn)確計算帶來不少困難。這就迫使人們?nèi)パ芯坎煌挠嬎惴椒?,同時,也出現(xiàn)了對地下水量描述的不同術(shù)語或不同分類。,1 地下水資源的特點及分類,2020年10月2日9時42分,一、地下水資源的特點,(1)可恢復(fù)性:當(dāng)人工開采地下水時,在多數(shù)情況下,只要開采量不超 過一定限度,雖然井附

3、近的地下水位要降低,使地下水的儲存量暫時減少,但只要停止開采,水位又可逐漸恢復(fù)原位,即地下水的儲存量又得到了補充。這就是地下水的可恢復(fù)性,是與一般礦產(chǎn)資源的重要區(qū)別。固體礦產(chǎn),開一點就少一點,沒有恢復(fù)補償性質(zhì),石油等液體礦產(chǎn)也是如此。地下水雖然可以不斷得到補給和更新,開采后可以補充恢復(fù),但也不是取之不盡、用之不竭的。如果大量超采,也會造成地下水資源的消耗甚至枯竭。,1 地下水資源的特點及分類,2020年10月2日9時42分,(2)系統(tǒng)性(或活動性及與周圍環(huán)境的密切聯(lián)系性):由于地下水與周圍環(huán)境(氣候、水文條件及地質(zhì)條件等)有密切的聯(lián)系,所以大都具有流動性或活動性,特別是與地表水聯(lián)系得更加密切,

4、常常可以互相轉(zhuǎn)化。這種聯(lián)系反映在含水層的平面和剖面邊界條件上,包括地下水的補給和排泄條件。液體礦產(chǎn)雖然也有流動性,但往往要在開采時才表現(xiàn)出來。雖外部環(huán)境對其它礦產(chǎn)也有影響,但僅是在地質(zhì)歷史時代中反映出來??紤]到地下水的流動性,可用地下水的流量表示地下水的數(shù)量。 (3)調(diào)節(jié)性(或儲存量的可變性):地下水在含水層中始終處在不斷地補給和消耗的新舊交替過程中。當(dāng)補給豐富、大于消耗時,含水層就把多余的水蓄集起來,使地下水的儲存量增加;當(dāng)補給較少或暫時停止時,又可用儲存的地下水維持消耗,使儲存量減少。儲存量的這種可變性,在地下水的補給、徑流、排泄及開采過程中均起著調(diào)節(jié)作用。這種性質(zhì)是其它礦產(chǎn)資源所不具備的

5、。有的含水盆地具有相當(dāng)大的調(diào)蓄能力。如山西娘子關(guān)泉域的調(diào)蓄能力有14108m3。利用這一性質(zhì),可以進(jìn)行人工調(diào)蓄,增大開采量。,1 地下水資源的特點及分類,2020年10月2日9時42分,二、地下水資源量的分類,50一60年代,國內(nèi)曾廣泛采用HA普洛特尼科夫的地下水儲量分類(四大儲量)。他將地下水儲量分為如下四類。 動儲量:是指單位時間流經(jīng)含水層(帶)橫斷面的地下水體積,即地下水的天然流量; 靜儲量:是指地下水位年變動帶以下含水層(帶)中儲存的重力水體積; 調(diào)節(jié)儲量:是指地下水位年變動帶內(nèi)重力水的體積;,1 地下水資源的特點及分類,2020年10月2日9時42分,開采儲量(專水,允許開采量):是

6、指用技術(shù)經(jīng)濟(jì)合理的取水工程能從含水層中取出的水量,并在預(yù)定開采期內(nèi)不至發(fā)生水量減少、水質(zhì)惡化等不良后果。 該分類在一定程度上反映了地下水量在天然狀態(tài)下的客觀規(guī)律,對我國當(dāng)時地下水資源評價工作起過一定的作用。但它存在一些需要改進(jìn)的缺點。,1 地下水資源的特點及分類,2020年10月2日9時42分,許多學(xué)者考慮到地下水量的特殊性,認(rèn)為不宜用“儲量”這個術(shù)語來描述地下水量,應(yīng)改用“地下水資源”。 有人將地下水資源分為天然資源和開采資源兩大類,有人將其分為補給資源、儲存資源和開采資源三大類,等等。 另一些人認(rèn)為,“資源”的含意應(yīng)包括量和質(zhì)兩方面,單純指水量時用資源來描述不合適,不如直接用地下水的各種量

7、來表達(dá)。 目前,我國較多的人主張將地下水資源量分為補給量、儲存量和允許開采量(或可開采量)三類,既不用儲量也不用資源,直接叫作地下水的各種量。 下面將重點討論這種分類。,1 地下水資源的特點及分類,2020年10月2日9時42分,1補給量: 補給量是指天然狀態(tài)或開采條件下,單位時間從各種途徑進(jìn)入該單元含水層(帶)的水量(m3/a)。補給來源有降水滲入、地表水滲入、地下水側(cè)向流入和垂向越流,以及各種人工補給。實際計算時,應(yīng)按天然狀態(tài)和開采條件下兩種情況進(jìn)行。實際上。許多地區(qū)的地下水都已有不同程度的開采,很少有保持天然狀態(tài)的情況。因此,首先是計算現(xiàn)實狀態(tài)下地下水的補給量,然后再計算擴大開采后可能增

8、加的補給量。這后一種稱為補給增量(或稱誘發(fā)補給量、激發(fā)補給量、開采襲奪量、開采補充量等)。,1 地下水資源的特點及分類,2020年10月2日9時42分,來自降水入滲的補給增量:由于開采地下水形成降落漏斗,除漏斗疏干體積增加部分降水滲入外,還使漏斗范圍內(nèi)原來不能接受降水滲入補給的地區(qū)(例如沼澤、濕地等),騰出可以接受補給的儲水空間,因而增加了降水滲入補給量。此外,由于地下水分水嶺向外擴展,增加了降水滲入補給面積,使原來屬于相鄰均獾囟?;蛩牡刭|(zhì)單元)的一部分降水滲入補給量,變?yōu)楸韭┒穮^(qū)的補給量。 來自地表水的補給增量:當(dāng)取水工程靠近地表水時,由于開采地下水,使水位下降漏斗擴展到地表水體,可使原來

9、補給地下水的地表水補給量增大,或使原來不補給地下水,甚至排泄地下水的地表水體變?yōu)檠a給地下水。這就是開采時地表水對地下水的補給增量。,1 地下水資源的特點及分類,2020年10月2日9時42分,來自相鄰含水層越流的補給增量:由于開采含水層的水位降低,與相鄰含水層的水位差增大,可使越流量增加,或使相鄰含水層原來從開采含水層獲得越流補給,變?yōu)檠a給開采層。 來自相鄰地段含水層的增加的側(cè)向流入補給量:由于降落漏斗的擴展,可奪取屬于另一均衡地段(或含水系統(tǒng))地下水的側(cè)向流入補給量?;蚰承﹤?cè)向排泄量因漏斗水位降低,而轉(zhuǎn)為補給增量。 來自各種人工增加的補給量:包括開采地下水后各種人工用水的回滲量增加而多獲得的

10、補給量。,1 地下水資源的特點及分類,2020年10月2日9時42分,補給增量的大小,不僅與水源地所處的自然環(huán)境有關(guān)。同時還與采水構(gòu)筑物的種類、結(jié)構(gòu)和布局,即開采方案和開采強度有關(guān)。當(dāng)自然條件有利、開采方案合理、開采強度較大時,奪取的補給增量可以遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過天然補給量。 例如,在傍河地段取水,沿岸布井開采時,可獲得大量地表水的入滲補給增量,并遠(yuǎn)大于原來的天然補給量,成為可開采量的主要組成部分。 但是,開采時的補給增量也不是無限制的。從上述補給增量的來源可以看出,它無非是奪取了本計算含水層或含水系統(tǒng)以外的水量。從整個地下水資源的觀點來看,鄰區(qū)、鄰層的地下水資源也要開發(fā)利用。這里補給量增加了,那里就減

11、少了。再從“三水”轉(zhuǎn)化的總水資源的觀點考慮,如果河水已被規(guī)劃開發(fā)利用,這里再加大開采強度,大量奪取河水的補給增量,則會減少了地表水資源。因此,在計算補給增量時,應(yīng)全面考慮合理的襲奪,而不能盲目無限制地擴大補給增量。,1 地下水資源的特點及分類,2020年10月2日9時42分,計算補給量時,應(yīng)以天然補給量為主,同時考慮合理的補給增量。地下水的補給量是使地下水運動、排泄、水交替的主導(dǎo)因素,它維持著水源地的連續(xù)長期開采。允許開采量主要取決于補給量。 因此,計算補給量是地下水資源評價的核心內(nèi)容。(補給量的計算見動態(tài)與均衡)。,1 地下水資源的特點及分類,2020年10月2日9時42分,2儲存量: 儲存

12、量是指儲存在單元含水層中的重力水體積(m3)。 (1)潛水含水層的儲存量,也稱為容積儲存量,可用下式計算: (VF M)(M含水層厚度) 式中:W地下水的儲存量(m3); 含水層的給水度(小數(shù)或百分?jǐn)?shù)); V潛水含水層的體積(m3)。,1 地下水資源的特點及分類,2020年10月2日9時42分,(2)承壓含水層除了容積儲存量外,還有彈性儲存量,可按下式計算: 式中:W承壓水的彈性儲存量(m3); *貯水(或釋水)系數(shù)(彈性給水度)(無因次); F承壓含水層的面積(m2); h承壓含水層自頂板算起的壓力水頭高度(m)。,1 地下水資源的特點及分類,2020年10月2日9時42分,由于地下水的水位

13、常常是隨時間而變化的,地下水儲存量也隨 時而異。這是由于地下水的補給與排泄不均衡而引起的。地下水的儲存量在地下水的運動交替和地下水開采過程中起著調(diào)節(jié)作用。在天然條件下,地下水的儲存量呈周期性的變化,主要有年周期,還有不同長短的多年周期。一般應(yīng)當(dāng)計算一年內(nèi)最大儲存量和最小儲存量。在開采條件下,如果開采量不大于補給量,儲存量仍呈周期性變化;在開采量超過補給量時,就由儲存量來補償這部分超過的開采量,使儲存量出現(xiàn)逐年減少的趨勢性變化。,1 地下水資源的特點及分類,2020年10月2日9時42分,有人將一定期限內(nèi)的最小儲存量稱為永久儲存量或靜儲量。它是在一定周期內(nèi)不變的儲存量。最大與最小儲存量之差稱為暫

14、時儲存量,相當(dāng)于調(diào)節(jié)儲量。在地下水徑流微弱的地區(qū),暫時儲存量的數(shù)量可以很大,幾乎接近補給量,可以將它作為允許開采量。在一般情況下,計算允許開采量時不能考慮永久儲存量。如果動用了它,就會出現(xiàn)區(qū)域地下水位逐年持續(xù)下降的趨勢,導(dǎo)致地下水源枯竭,1 地下水資源的特點及分類,2020年10月2日9時42分,但是,如果永久儲存量很大(如含水層厚度大、分布又廣的大型貯水構(gòu)造),每年適當(dāng)動用一部分永久儲存量,使在100年或50年內(nèi)總的水位降不超過取水設(shè)備的最大允許降深也是可以的。例如,美國得克薩斯州高平原地下水源地,主要是消耗靜儲量來維持開采,據(jù)計算,可持續(xù)開采4050年。,1 地下水資源的特點及分類,202

15、0年10月2日9時42分,3允許開采量(或可開采量) 允許開采量(或可開采量)是指通過技術(shù)經(jīng)濟(jì)合理的取水構(gòu)筑物,在整個開采期內(nèi)出水量不會減少、動水位不超過設(shè)計要求、水質(zhì)和水溫變化在允許范圍內(nèi)、不影響已建水源地正常開采、不發(fā)生危害性環(huán)境地質(zhì)現(xiàn)象等前題下,單位時間內(nèi)從該水文地質(zhì)單元或取水地段開采含水層中可以取得的水量。其常用的流量單位為m3/d或m3/a等 簡言之,地下水允許開采量(或可開采量)指在可預(yù)見的時期內(nèi),通過經(jīng)濟(jì)合理、技術(shù)可行的措施,在不引起生態(tài)環(huán)境惡化條件下允許從含水層中獲取的最大水量。(m3/d或m3/a),1 地下水資源的特點及分類,2020年10月2日9時42分,允許開采量與開采

16、量是不同的概念。 開采量是指目前正在開采的水量或預(yù)計開采量,它只反映了取水工程的產(chǎn)水能力。開采量不應(yīng)大于允許開采量;否則,會引起不良后果。 允許開采量的大小,是由地下水的補給量和儲存量的大小決定的;同時,還受技術(shù)經(jīng)濟(jì)條件的限制。 為了說明這一關(guān)系,有必要分析開采量的組成。,1 地下水資源的特點及分類,2020年10月2日9時42分,地下水在開采以前,由于天然的補給、排泄,形成了一個不穩(wěn)定的天然流場。 雨季補給量大于消耗量,含水層內(nèi)儲存量增加,水位抬高,流速增大;雨季過后,消耗量大于補給量,儲存量減少,水位下降,流速減小。補給與消耗總是這樣不平衡的發(fā)展著,形成一個不穩(wěn)定的天然流場。,1 地下水資

17、源的特點及分類,2020年10月2日9時42分,在人工開采地下水時,增加了一個經(jīng)常定量的地下水排泄點,改變了地下水的天然排泄條件,即在天然流場上又疊加了一個人工流場。這既破壞了補給、消耗之間的天然動平衡,又力圖建立新的、開采狀態(tài)下的動平衡。 在開采最初階段,由于增加了一個人工開采量,必須減少地下水的儲存量,使開采地段水位下降形成一個降落漏斗。隨漏斗擴大,流場發(fā)生了變化,使天然排泄量減少,促使補給量增加,即為補給增量。,1 地下水資源的特點及分類,2020年10月2日9時42分,在開采狀態(tài)下,可以用下面水均衡方程表示: 式中:Q補開采前的天然補給量(m3d); Q補開采時的補給增量(m3d);

18、Q排開采前的天然排泄量(m3d); Q排開采時天然排泄量減少值(m3d); Q開人工開采量(m3d); 含水層的給水度; F開采時引起水位下降的面積(m2); t開采時間(d); h在t時間段內(nèi)開采影響范圍內(nèi)的平均水位降(m)。,1 地下水資源的特點及分類,2020年10月2日9時42分,由于開采前的天然補給量與天然排泄量在一個周期內(nèi)是近似相等的, 即Q補Q排,所以上式可簡化為: 這個方程表明,開采量實質(zhì)上是由三部分組成的,即: (1)增加的補給量(Q補),也就是開采時奪取的額外補給量,可稱為 開采奪取量;,2.水文地質(zhì)鉆孔結(jié)構(gòu)特點,1 地下水資源的特點及分類,2020年10月2日9時42分,

19、(2)減少的天然排泄量(Q排),如開采后潛水蒸發(fā)消耗量的減少、泉流量減少甚至消失、側(cè)向流出量的減少等。這部分水量實質(zhì)上就是由取水構(gòu)筑物截獲的天然補給量,可稱為開采截取量。它的最大極限等于天然排泄量,接近于天然補給量; (3)可動用的儲存量(),是含水層中永久儲存量所提供的一部分。(枯水期抽水),1 地下水資源的特點及分類,2020年10月2日9時42分,明確了開采量的組成,就可以按各個組成部分來確定允許開采量。 (1)允許開采量中補給增量部分,只能合理地奪取,不能影響已建水源地 的開采和已經(jīng)開采含水層的水量;地表水的補給增量,也應(yīng)從總的水資源考慮,統(tǒng)一合理調(diào)度。 (2)允許開采量中減少的天然排

20、泄量,應(yīng)盡可能地截取,但也應(yīng)考慮已經(jīng)被利用的天然排泄量。例如,有的大泉是風(fēng)景名勝地。由于增加開采后泉的流量可能減小,甚至枯竭,破壞了旅游景觀,這也是不允許的。截取天然補給量的多少與取水構(gòu)筑物的種類、布置地點、布置方案及開采強度有關(guān)。只要天然排泄量尚未加以利用,就可以用天然補給量或天然排泄量作為開采截取量。,1 地下水資源的特點及分類,2020年10月2日9時42分,(3)允許開采量中可動用的儲存量,應(yīng)慎重確定。首先要看永久儲存量是否足夠大,再看現(xiàn)時的技術(shù)設(shè)備最大允許降深是多少,然后算出從天然低水位至區(qū)域允許最大降深動水位這段含水層中的儲存量,按100年或50年平均分配到每年的開采量中,作為允許

21、開采量的一部分。,1 地下水資源的特點及分類,2020年10月2日9時42分,上述地下水各種量之間是相互聯(lián)系的,并且是不斷轉(zhuǎn)化、交替的。永久儲存量或叫靜儲量是指儲存水的那部分空間體積始終在含水,并不是說那部分水是永久儲存不變的。它仍然會轉(zhuǎn)化為排泄的水流走,再由補給來的水補充,同樣參加水循環(huán)。只有極少數(shù)在特殊條件下形成的地下水,如處在封閉構(gòu)造中的沉積水,才沒有補給、排泄量,而只有靜儲量。大多數(shù)自然條件下的地下水都是由補給量轉(zhuǎn)化為儲存量,儲存量又轉(zhuǎn)化為排泄量,處在不斷的水交替過程中。 在開采條件下所取出來的水,都是由儲存量中轉(zhuǎn)化來的。由于儲存量的減少,可以奪取更多的補給量來補充;同時,又截取了部分

22、天然補給量,則使天然排泄量減少。各量之間的關(guān)系可用下面形式表示。,三、地下水量之間的關(guān)系,1 地下水資源的特點及分類,2020年10月2日9時42分,天然狀態(tài)的轉(zhuǎn)化關(guān)系:,開采狀態(tài)的轉(zhuǎn)化關(guān)系:,1 地下水資源的特點及分類,2020年10月2日9時42分,各種量的數(shù)量關(guān)系為: 在天然狀態(tài)下: 若在均衡期內(nèi),則Q儲0,上式變?yōu)椋篞天補Q天排 。,1 地下水資源的特點及分類,2020年10月2日9時42分,在開采狀態(tài)下: 式中:Q天補天然補給量; Q天排天然排泄量; Q儲儲存變化量; Q實開實際開采量; Q允許允許開采量; Q補補給增量; Q排減少的排泄量; Q補合理的開采奪取量; Q儲可動用的儲存

23、量。,1 地下水資源的特點及分類,2020年10月2日9時42分,由于開采量與補給量的不同關(guān)系,可出現(xiàn)三種開采動態(tài)類型水源地: 穩(wěn)定型:任何時間Q開Q天補+Q補; 調(diào)節(jié)型:雨季開采量小于總補給量,而旱季開采量可大于總補給量。但在一年或數(shù)年期間,累計總開采量仍應(yīng)小于總補給量,即未動用儲存量(靜儲量); 消耗型:開采量大于總補給量,須動用消耗儲存量(靜儲量)。,1 地下水資源的特點及分類,2020年10月2日9時42分,計算地下水的允許開采量是地下水資源評價的核心問題。計算允許開采量的方法,也稱為地下水資源評價方法。 允許開采量的大小,主要取決于補給量,還與開采的經(jīng)濟(jì)技術(shù)條件及開采方案有關(guān)。 由于

24、水文地質(zhì)條件的差異及不同勘察階段取得的水文地質(zhì)資料豐富程度不一,以及對成果的要求精度不同,可采用不同的計算方法。,2 計算地下水允許開采量的主要方法,2020年10月2日9時42分,目前,已有計算方法約二三十種。依據(jù)不同原則,學(xué)者們對眾多計算方法作了多種分類。 本教材根據(jù)計算方法的主要理論基礎(chǔ)、所需資料及適用條件,選用了表10l的分類(四類)。在實際勘查中,可據(jù)具體條件,選擇一種或幾種方法進(jìn)行計算與評價,以相互比較論證與擇優(yōu)。 因?qū)W時所限,下面只從前三類中選擇幾種常用方法加以介紹。 第四類的方法原理將在第三篇中予以介紹。欲全面了解,請參閱水文地質(zhì)手冊及地下水資源評價等書籍。,2 計算地下水允許

25、開采量的主要方法,2020年10月2日9時42分,2 水文地質(zhì)鉆孔的結(jié)構(gòu)和鉆孔設(shè)計,2020年10月2日9時42分,(一)解析法 計算地下水資源的解析法,就是用地下水動力學(xué)中解析解的公式來計 算求得允許開采量的方法。此法在理論上是較嚴(yán)密、精確的。只要介質(zhì)條件、邊界條件和取水條件符合選用公式的假定條件,則計算出來的開采量便是既能取得出來、又有補給保證的水量(穩(wěn)定流),或可以預(yù)報出該條件下開采時的水位變化情況(非穩(wěn)定流)。,一、以滲流理論為基礎(chǔ)的方法,2 計算地下水允許開采量的主要方法,2020年10月2日9時42分,但此法在實際運用中也有困難,盡管各種不同條件下的公式很多,但完全符合公式中假定條

26、件的情況卻是較少的。例如:介質(zhì)條件要求均質(zhì)或簡單的非均質(zhì),而自然條件常是復(fù)雜的非均質(zhì);邊界條件假定是無限、直線、或簡單的幾何形態(tài),而自然界常是復(fù)雜的邊界;補給條件在自然界常是隨時間而變化的,在解析法的公式中卻難于反映,只能簡化為均勻連續(xù)的補給,等等。由于實際情況不能完全符合公式的假定條件,所以使嚴(yán)密、準(zhǔn)確的解析解也變?yōu)榻频牧恕?實際上,除少數(shù)情況下(如有河流補給的岸邊取水水源地、無垂向補給的大面積承壓水及邊界簡單的水源地等),可以直接運用解析公式計算允許開采量以外,常常是用解析公式計算出開采量(只反映產(chǎn)水能力),再用水均衡法計算補給量來論證其保證程度。,2 計算地下水允許開采量的主要方法,2

27、020年10月2日9時42分,1如何選擇公式 地下水動力學(xué)中介紹了許多井流公式,選用時應(yīng)考慮以下幾方面。 根據(jù)地下水開采動態(tài)類型或從水文地質(zhì)條件分析,判定是采用穩(wěn)定流公式還是非穩(wěn)定流公式。自然界大都是非穩(wěn)定流,但在就地補給條件較好的地區(qū),有似穩(wěn)定流出現(xiàn)時,選用穩(wěn)定流公式計算,既簡便,又可得到較好的成果。例如在有地表水補給的河谷地區(qū),或在降水豐富、補給條件又好的地區(qū),均可用穩(wěn)定流公式計算。 考慮地下水類型、含水介質(zhì)性質(zhì)和邊界條件,選擇承壓水井還是潛水井的公式。依據(jù)均質(zhì)還是非均質(zhì),無限邊界還是有限邊界,有無滲入補給和越流補給等,分別選用不同的公式。,2 計算地下水允許開采量的主要方法,2020年1

28、0月2日9時42分,根據(jù)擬定的開采方案選用相應(yīng)的公式??紤]取水構(gòu)筑物的類型、結(jié)構(gòu)、布局、井距等。一般盡量采用完整井互相干擾的穩(wěn)定流或非穩(wěn)定流公式計算。也可以采用開采強度法,即概化為單位面積的開采量。 現(xiàn)有的各種公式,在有關(guān)手冊上均能查到。盡管已有很多公式,但還不能完全滿足實際的需要。在工作中,可以根據(jù)實際情況,運用水動力學(xué)的基本原理,研究出新的公式來。,2 計算地下水允許開采量的主要方法,2020年10月2日9時42分,2計算步驟 (1)首先,通過勘探試驗或?qū)嶒炄〉糜嬎闼璧母鞣N參數(shù),如滲透系數(shù)K、含水層厚度M、導(dǎo)水系數(shù)T、重力給水度和彈性給水度(或釋水系數(shù))*、水頭分布H等。 (2)其次,擬

29、定開采方案,確定計算公式??上瘸醪讲季嬎愫笤?調(diào)整,還可以進(jìn)行幾個方案比較,擇優(yōu)錄用。,2 計算地下水允許開采量的主要方法,2020年10月2日9時42分,(3)然后,計算開采量,檢查水位降。一種方法是計算干擾條件下設(shè)計降深的單井出水量,加起來的總和便是開采量。如果是非穩(wěn)定流,則應(yīng)計算在一定開采量的條件下中心區(qū)水位降深的發(fā)展情況,做出一定降深的水位預(yù)報。另一種方法是將需水量分配到各個井,再計算幾個控制點的水位降深。若水位降深不均勻,則調(diào)整各井的開采量,再計算水位降深;或修改布井方案,反復(fù)計算,直到每個井的取水能力已充分發(fā)揮,各點的水位降又不超過允許下降值時為止。經(jīng)過反復(fù)調(diào)整計算,選出最佳方

30、案。 (4)最后進(jìn)行評價。如果計算時已考慮了補給條件,則最后計算出來的開采量便是既取得出來,又有補給保證的允許開采量(穩(wěn)定型或調(diào)節(jié)型開采動態(tài)),或者是有一定開采期限的可開采量。如果計算時未考慮補給條件,則應(yīng)再計算該區(qū)地下水的補給量,論證開采量的保證程度。還應(yīng)評價開采后是否會引起環(huán)境地質(zhì)等問題。,2 計算地下水允許開采量的主要方法,2020年10月2日9時42分,3實例 據(jù)冶金部西安勘察公司韓昌彬等資料,勘察區(qū)位于內(nèi)蒙古高原的低山丘陵河谷地帶,氣候干燥,平均年降水量為222mm,集中在7、8、9三個月內(nèi)。河谷寬約500m。除雨季外,河床常年干枯。河谷內(nèi)第四系砂礫石含水層平均厚17m,地下水埋深2

31、m,主要由降水和地表水補給。兩側(cè)和底部均為巖漿巖??碧娇缀驮囼灴椎牟贾萌鐖D10一1所示。開采方案是沿河谷中心布置9口井,井距約1km。其布局和映射見圖10一2。,2 計算地下水允許開采量的主要方法,2020年10月2日9時42分,2 計算地下水允許開采量的主要方法,2020年10月2日9時42分,據(jù)勘探試驗資料算出井群的總出水量約為5000m3d。在這樣的開采條件下,在整個旱季(無降水和河水補給),中心區(qū)水位下降多少。 步驟1:水文地質(zhì)條件概化 根據(jù)勘探試驗取得的各種參數(shù),對水文地質(zhì)條件進(jìn)行如下概化。 介質(zhì)條件:由于含水層沿河方向的不均勻性,可分為三個場段,采用不同 的參數(shù)。表10一2所示。

32、邊界條件:把河谷兩岸概化為直線平行不透水邊界。 疏干時間:由于區(qū)內(nèi)每年7、8、9三個月為雨季,有降水和河水補給,故確定疏干時間為365一90275d。,2 計算地下水允許開采量的主要方法,2020年10月2日9時42分,步驟2:確定計算公式,計算降深值。 根據(jù)概化后的水文地質(zhì)條件,可選用潛水完整井井群干擾非穩(wěn)定流理論公式來計算: 式中:S觀測井的水位下降值(m); H含水層平均厚度(m); Qi各井抽水量(m3d); K滲透系數(shù)(md); W(ui)井函數(shù);,2 計算地下水允許開采量的主要方法,2020年10月2日9時42分,ri抽水井(實、虛)至觀測井距離(rn); 含水層延遲釋水系數(shù); T

33、導(dǎo)水系數(shù)(m2d); t抽水延續(xù)時間(d)。,2 計算地下水允許開采量的主要方法,2020年10月2日9時42分,將所取得數(shù)據(jù)代入公式,計算降深值。由于平行邊界相距較近,映射次數(shù)較多,所以采用表格形式進(jìn)行計算較方便。例如先計算中心區(qū)10號井的降深值。首先,從圖上查出各實井和虛井與該井的距離ri,算出ri2,分別乘各場段的,求出ui值;然后,從井函數(shù)表查得W(ui)值,再乘以,加起來便可求得,用A表示。最后,計算10號井得降深:,2 計算地下水允許開采量的主要方法,2020年10月2日9時42分,計算表的形式如表103所示,2 計算地下水允許開采量的主要方法,2020年10月2日9時42分,4解

34、析法的適用條件 適用于含水層均質(zhì)和各向同性、邊界條件較簡單、可概化為計算公式要求的模式。,計算時取了五次映射,分別對中心區(qū)的11號、10號、12號及5號井進(jìn)行了計算。其降深依次為684、777、680、680m,僅占含水層平均厚度的40一50。 步驟3:評價。 按開采量為5000 m3d,擬建布局是合理的,可作為允許開采量,在整個旱季才疏干了含水層的40,到雨季是可以補償回來的。,2 計算地下水允許開采量的主要方法,2020年10月2日9時42分,(二)數(shù)值法 數(shù)值法是隨著電子計算機的出現(xiàn)而發(fā)展起來的,應(yīng)用十分廣泛。從理論上看,盡管它是對滲流偏微分方程的一種近似解,但實際應(yīng)用中完全可以滿足精度

35、要求。它可以解決許多復(fù)雜條件下的地下水資源評價問題,應(yīng)用廣泛,是一種較好的方法。 在地下水資源評價中常用的數(shù)值法有兩種,即有限單元法和有限差分法。這兩種方法各有利弊。在實際運用中效果差不多。在解題過程中,它們在許多方面都是相似的,都把研究區(qū)域剖分成若干網(wǎng)格(有限差分法分為方形、矩形、三角形;有限元法常用三角形),將建立的偏微分方程離散成線性代數(shù)方程組,用電子計算機聯(lián)立求解線性方程組。所不同的是在網(wǎng)格剖分上及線性化的方法上有所差別。,2 計算地下水允許開采量的主要方法,2020年10月2日9時42分,在線性化的數(shù)學(xué)推導(dǎo)中,有限差分法簡單易懂,物理意義明確;有限元法較復(fù)雜,涉及的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)較深。 關(guān)

36、于其具體的推導(dǎo)過程和詳細(xì)解題方法以及通用源程序等,將在以后的“地下水流數(shù)值模擬”課中講授,許多專著中對此也均有論述。 這里僅對如何運用數(shù)值法進(jìn)行地下水資源評價,按照計算步驟作一概略介紹。,2 計算地下水允許開采量的主要方法,2020年10月2日9時42分,步驟1 建立水文地質(zhì)概念模型 在水文地質(zhì)調(diào)查和勘探的基礎(chǔ)上,研究分析計算區(qū)域的地質(zhì)、水文地質(zhì)條件,概化出適用的水文地質(zhì)概念模型。 該模型來源于該區(qū)的實際水文地質(zhì)條件的概化,是選擇相應(yīng)數(shù)學(xué)模型的依據(jù)。 概化的主要內(nèi)容如下:,2 計算地下水允許開采量的主要方法,2020年10月2日9時42分,(1)計算范圍和邊界條件的概化。 首先,應(yīng)明確計算層位

37、,然后據(jù)評價要求圈定出計算區(qū)的范圍。計算區(qū)應(yīng)該是一個獨立的天然地下水系統(tǒng),具有自然邊界,便于較準(zhǔn)確地利用其真實的邊界條件,以避免人為邊界在提供資料上的困難和誤差。但在實際工作中,因勘探范圍有限,常常不能完全利用自然邊界。此時,需利用調(diào)查、勘探和長觀資料建立人為邊界。計算區(qū)范圍確定后,可概化為由折線組成的多邊形邊界。,2 計算地下水允許開采量的主要方法,2020年10月2日9時42分,邊界位置確定后,應(yīng)進(jìn)一步判明邊界的性質(zhì),給出定量的數(shù)值。當(dāng)?shù)乇硭w直接與含水層接觸時,可以認(rèn)為是定水頭的一類邊界,但不能說凡是地表水體都一定是定水頭邊界。只有當(dāng)?shù)乇硭c含水層有密切的水力聯(lián)系,經(jīng)動態(tài)觀測證明有統(tǒng)一的

38、水位,地表水對含水層有無限的補給能力,降落漏斗不可能超越此邊界線時,才可以確定為定水頭補給邊界。,2 計算地下水允許開采量的主要方法,2020年10月2日9時42分,斷層接觸邊界可以是隔水邊界、流量邊界;在特殊條件下,也可能成為定水頭邊界。如果斷層本身是不透水的,或斷層的另一盤是隔水層,則構(gòu)成隔水邊界。如果斷裂帶本身是導(dǎo)水的,計算區(qū)內(nèi)為富含水層,區(qū)外為弱含水層,則形成流量邊界。如果斷裂帶本身是導(dǎo)水的,計算區(qū)內(nèi)為導(dǎo)水性較弱的含水層,而區(qū)外為強導(dǎo)水的含水層時(這種情況,供水中少有,多出現(xiàn)在礦床疏于時),則可以定為定水頭補給邊界。 巖體或巖層接觸邊界,一般多屬隔水邊界或流量邊界。凡是流量邊界,應(yīng)測得

39、邊界處巖石的導(dǎo)水系數(shù)及邊界內(nèi)外的水頭差,算出水力坡度,計算出補給量或流出量。 地下水的天然分水嶺,可以作為隔水邊界,但應(yīng)考慮開采后是否會移動位置。,2 計算地下水允許開采量的主要方法,2020年10月2日9時42分,含水層分布面積很大或在某一方向延伸很遠(yuǎn),成為無限邊界時,如用數(shù)值法,則須計算很大的區(qū)域,由于增加了許多節(jié)點而加大了計算工作量。在這種情況下,可用設(shè)置緩沖帶的方法,即在勘探區(qū)外圍確定一適當(dāng)寬度的地方作為定水頭邊界,其寬度一般為2一3層單元。緩沖帶的參數(shù)應(yīng)比含水層?。ㄓ腥苏J(rèn)為應(yīng)小50一100倍),這就等價于一個無限邊界。 邊界條件對于計算結(jié)果影響是很大的,在勘探工作中必須重視。對復(fù)雜的

40、邊界條件,如給出定量數(shù)據(jù)有困難時,應(yīng)通過專門的抽水試驗來確定。個別地段,也可以留待識別模型時反求邊界條件,但不能遺留得太多。 另外,還需確定計算層的上下邊界及有無越流、入滲、蒸發(fā)等現(xiàn)象,并給出定量數(shù)值。最后,還應(yīng)根據(jù)動態(tài)觀測資料,概化出邊界上的動態(tài)變化規(guī)律。,2 計算地下水允許開采量的主要方法,2020年10月2日9時42分,(2)含水層內(nèi)部結(jié)構(gòu)的概化。 在含水介質(zhì)條件方面,應(yīng)確定含水層類型,查明含水層在空間的分布形狀。對承壓水,可用頂?shù)装宓戎稻€圖或含水層等厚度圖來表示,對潛水,則可用底板標(biāo)高等值線圖來表示。應(yīng)查明含水層的導(dǎo)水性、儲水性及主滲透方向的變化規(guī)律,用導(dǎo)水系數(shù)T和貯水系數(shù)*(或給水度

41、)進(jìn)行概化的均質(zhì)分區(qū)。實際上,絕對均質(zhì)或各向同性的巖層在自然界是不存在的,只要滲透性變化不大的地段,就可相對地視為均質(zhì)區(qū)。此外,還要查明計算含水層與相鄰含水層、隔水層的接觸關(guān)系,是否有“天窗”、斷層等溝通。如果為了取得某些詳細(xì)準(zhǔn)確的參數(shù),須布置大量勘探、試驗工作而要花費昂貴的代價時,可考慮先有一個控制數(shù)值,再在下一步識別模型時來反求該參數(shù)。,2 計算地下水允許開采量的主要方法,2020年10月2日9時42分,(3)含水層水力特征的概化。 水力特征的概化,就是將復(fù)雜的地卜水流實際狀態(tài)概化為較簡單的流態(tài),以便于選用相應(yīng)的計算方程。一是層流、紊流的問題,一般情況下,在松散含水層及發(fā)育較均勻的裂隙、巖

42、溶含水層中的地下水運動,大都視為層流,符合達(dá)西定律。只有在極少數(shù)大溶洞和寬裂隙中的地下水流,才不符合達(dá)西定律,呈紊流。二是平面流和三維流問題,嚴(yán)格地講,在開采狀態(tài)下,地下水運動存在著三維流,特別是在區(qū)域降落漏斗附近及大降深的井附近,三維流更明顯。但在實際工作中,由于三維流場的水位資料難以取得,目前在實際計算中,多數(shù)將三維流問題按二維流處理,所引起的計算誤差,基本上能滿足水文地質(zhì)計算的要求。,2 計算地下水允許開采量的主要方法,2020年10月2日9時42分,步驟2 建立計算區(qū)的數(shù)學(xué)模型 根據(jù)上述概化后的水文地質(zhì)模型,就可以建立計算區(qū)相應(yīng)的教學(xué)模型。地下水?dāng)?shù)學(xué)模型,就是刻畫實際地下水流在數(shù)量、空

43、間和時間上的一組數(shù)學(xué)關(guān)系式。它具有復(fù)制和再現(xiàn)實際地下水流運動狀態(tài)的能力。實際上,數(shù)學(xué)模型就是把水文地質(zhì)概念模型數(shù)學(xué)化。描述地下水流的數(shù)學(xué)模型的種類很多,我們這里指的是用偏微分方程及其定解條件構(gòu)成的數(shù)學(xué)模型,定解條件包括邊界條件和初始條件。,2 計算地下水允許開采量的主要方法,2020年10月2日9時42分,例如,若概化后的水文地質(zhì)概念模型為:,分區(qū)均質(zhì)、各向同性的承壓含水層; 有越流補給,其補給量隨開采層水位的變化而變化; 水流為平面非穩(wěn)定流,并服從達(dá)西定律; 初始水位為H0(x,y,t0); 有源匯項(開采井),在井?dāng)?shù)多而集中的單元,概化為開采強度Qv(x,y,t)(m3/dm2); 邊界條

44、件為第一類(1)、第二類(2)邊界條件。,2 計算地下水允許開采量的主要方法,2020年10月2日9時42分,式中: h,H分別為含水層,補給層的水頭(m); T,*分別為含水層的導(dǎo)水系數(shù)和彈性釋水系數(shù); K,m分別為越流弱透水層的滲透系數(shù)和厚度; QE補給強度(md); QV開采強度(md);,2 計算地下水允許開采量的主要方法,2020年10月2日9時42分,H0初始流場的水頭分布(m); H1一類邊界(1)上的水頭分布(m); q二類邊界(2)上單位長度的側(cè)向補給量(m2d); x,y平面直角坐標(biāo); t時間(d); n二類邊界上的內(nèi)法線。 這種數(shù)學(xué)模型比較復(fù)雜、可借助電子計算機用數(shù)值法求

45、解。,2 計算地下水允許開采量的主要方法,2020年10月2日9時42分,步驟3 從空間和時間上離散計算域 將計算域進(jìn)行剖分,離散為若干小單元,做出剖分網(wǎng)格圖。剖分時,首先要選好節(jié)點,節(jié)點最好是觀測孔,以便獲得較準(zhǔn)確的水位資料。 但一個計算域的節(jié)點不可能都是觀測孔,還需要許多插值點來補充。插值點應(yīng)放在水位變化顯著的地方、參數(shù)分區(qū)的部位及井孔節(jié)點稀疏的地方。,2 計算地下水允許開采量的主要方法,2020年10月2日9時42分,選好節(jié)點后,在將點連接成單元時,還應(yīng)按單元剖分的原則做適當(dāng)?shù)狞c位調(diào)整。單元剖分的原則是:相鄰單元的大小不要相差太大;對三角形單元來說,三個邊長不要相差太大,最長與最短邊之比

46、不能超過3:1;三角形的內(nèi)角以在3090之間為好,必要時可允許出現(xiàn)個別的鈍角,但面積不要太小;若鈍角三角形太多,會影響解的收斂;在水力坡度變化較大的地段及資料較多的中心地帶,網(wǎng)格可加密些,邊遠(yuǎn)地帶可放稀些。剖分后,按一定的順序?qū)?jié)點和網(wǎng)格進(jìn)行系統(tǒng)的編號、準(zhǔn)備相應(yīng)的數(shù)據(jù)。 時間的離散,可根據(jù)水頭變化的快慢規(guī)律,確定適當(dāng)?shù)臅r間步長。對模擬抽水試驗來說,開始以分為單位,以后以小時、天為單位。模擬大量開采時(或動態(tài)),可以用月、季、年為單位。,2 計算地下水允許開采量的主要方法,2020年10月2日9時42分,步驟4 校正(識別、檢驗)數(shù)學(xué)模型 按上述步驟建立的數(shù)學(xué)模型,是否能真實地反映實際流場的特點

47、,還不能肯定,還須進(jìn)行識別或校正。可用實際測得的水頭值來校正模型的方程、參數(shù)及邊界條件,也就是數(shù)學(xué)運算中的解逆問題。 其方法有兩類,即直接解法和間接解法,由于直接種法要求每個節(jié)點的水頭均應(yīng)是實際觀測值,這在實際上很難辦到,所以應(yīng)用較少,常用的是間接解法。,2 計算地下水允許開采量的主要方法,2020年10月2日9時42分,間接解法就是試算法。即根據(jù)所建立的數(shù)學(xué)模型,選擇相應(yīng)的通用程序或?qū)iT編制的程序,用勘探試驗所取得的參數(shù)和邊界條件作為初值,選定某一時刻作為初始條件。按程序所要求的輸入數(shù)據(jù)的順序輸入進(jìn)去,按正演計算模擬抽水試驗或開采,輸出各觀測孔水位各時段得變化值和抽水結(jié)束時的流場情況。把計算

48、所得水頭值與實際觀測值對比,如果相差很大,則修改參數(shù)或邊界條件,再一次進(jìn)行模擬計算。如此反復(fù)調(diào)試,直到擬合誤差小于某一給定的標(biāo)準(zhǔn)為止。這時所用的一套參數(shù)和邊界條件及數(shù)學(xué)方程就被認(rèn)為是符合客觀實際的。,2 計算地下水允許開采量的主要方法,2020年10月2日9時42分,調(diào)試的方法也有兩種,一是人工調(diào)試,二是機器自動優(yōu)選。人工調(diào)試方便簡單,特別是在對計算區(qū)水文地質(zhì)條件認(rèn)識較清楚、正確時,容易達(dá)到誤差要求。機器自動調(diào)試,有時可能同時得出幾組參數(shù)都能滿足數(shù)學(xué)上的要求,這就需要根據(jù)水文地質(zhì)條件人為地選取。 識別數(shù)學(xué)模型的順序一般為:先檢驗修正所選用的參數(shù),而后再識別邊界條件和數(shù)學(xué)方程。 逆演問題的唯一性

49、,目前在數(shù)學(xué)上還沒有很好地解決,參數(shù)和邊界條件可以存在多種組合。因此,識別模型的過程往往很長,要反復(fù)調(diào)試多次,才能得到較滿意的結(jié)果。這里對水文地質(zhì)條件的正確認(rèn)識至關(guān)重要。如果對條件認(rèn)識不確切,不管用什么辦法進(jìn)行識別,都難以達(dá)到滿意的結(jié)果。,2 計算地下水允許開采量的主要方法,2020年10月2日9時42分,步驟5 驗證數(shù)學(xué)模型 通過對數(shù)學(xué)模型的識別,雖校正了計算域的水文地質(zhì)參數(shù)、微分方程及邊界條件等,但其可靠性還需利用歷史水位進(jìn)行驗證,即選擇幾個時段,將計算值與實際觀測值進(jìn)行比較??捎脙煞N類型的圖件來比較:一是反映水頭梯度場變化情況的等水位線圖,即將同一時段的計算水頭值與實測水頭值以等值線形式

50、分別繪在同一張圖上,對比其擬合程度;另一種形式是反映流速場變化情況的水位過程曲線圖,即選擇幾個有代表性的典型鉆孔,或選幾條剖面線上的鉆孔,在同一坐標(biāo)系中按選定的時段(最好一年以上),分別繪制計算的和實測的水位動態(tài)曲線。在一般情況下,曲線擬合的相對誤差小于時段水位變幅的5%即可。如果誤差較大,還應(yīng)對模型作進(jìn)一步識別校正。,2 計算地下水允許開采量的主要方法,2020年10月2日9時42分,步驟6 模擬預(yù)報,進(jìn)行水資源評價 經(jīng)過驗證的模型,雖然符合客觀實際,但只能反映當(dāng)前的實際情況,而未來大量開采后,其邊界條件和補給、排泄條件還可能發(fā)生變化。如果進(jìn)行抽水試驗的降深不夠大,延續(xù)時間不夠長時,邊界條件

51、尚未充分暴露,則大量開采后就可能發(fā)生變化。因此,在運用驗證后的模型進(jìn)行地下水開采動態(tài)的水位預(yù)報時,還要依據(jù)邊界條件的可能變化情況做出修正。對變水頭邊界,應(yīng)推算出各時刻的水頭值;流量邊界,應(yīng)給出各計算時段的流量;垂向補給排泄量有變化時,應(yīng)推算出各時段的補排量。這些下推量的準(zhǔn)確程度,會影響到數(shù)值法成果的精度。,2 計算地下水允許開采量的主要方法,2020年10月2日9時42分,根據(jù)開采資料對模型進(jìn)行修改以后,便可用其正演計算,運用起來十分方便靈活,可以解決以下一些問題。 可預(yù)報在一定開采方案下水位降深的空間分布和隨時間的演化,可用于預(yù)測未來一定時期的水位降深,看其是否超過允許降深,但其準(zhǔn)確性則依賴

52、于降水量預(yù)測的準(zhǔn)確性。 可預(yù)報合理的開采量。根據(jù)開采區(qū)的現(xiàn)有開采條件,擬定出該區(qū)的開采年限和允許降深,以及井位井?dāng)?shù)等。最后計算出在預(yù)定開采期內(nèi)、在允許降深的條件下,能取出的地下水量。,2 計算地下水允許開采量的主要方法,2020年10月2日9時42分,可利用計算機研究某些水均衡要素,可計算出側(cè)向補給量、垂向補給量及總補給量;可模擬開采條件下的補給量,求出穩(wěn)定開采條件下的開采量;可進(jìn)行不同開采方案的比較,選擇最佳開采方案。 可以計算滿足開采需要的人工補給量,以及模擬人工補給后水位的變化情況。 還可以研究地表水與地下水的統(tǒng)一調(diào)度、綜合利用,進(jìn)行水資源的綜合評價,以及幫助研究其他許多水文地質(zhì)問題。

53、總之,建立了正確的數(shù)學(xué)模型后,可以很方便地進(jìn)行許多模擬計算;根據(jù)計算成果,可以做出全面的地下水資源評價。,2 計算地下水允許開采量的主要方法,2020年10月2日9時42分,下面舉一個運用數(shù)值法評價地下水資源的實例。根據(jù)姬萬里、王德明等河南省南陽市水資源研究的資料,簡要介紹如下。 1建立水文地質(zhì)概念模型 南陽市區(qū)淺層地下水可分為三個地下水系統(tǒng),建立三個水文地質(zhì)概念模型(如圖10一3)。 (1)白河北水文地質(zhì)概念模型:東南部以白河為界,地下水與河水水力聯(lián)系密切,為定水頭補給邊界。西部以分水嶺為界,為隔水邊界。北部,除獨山一段為隔水邊界外,余為流量補給邊界(見圖10一3)。,2 計算地下水允許開采

54、量的主要方法,2020年10月2日9時42分,2020年10月2日9時42分,按含水介質(zhì)條件可分為兩大區(qū),即平原區(qū)和崗區(qū)。平原區(qū)含水層底板埋深為1060m不等。含水層以松散砂礫石為主,厚1050m,為非均質(zhì)各向同性潛水含水層。崗區(qū)為粘性土裂隙一孔隙水,為非均質(zhì)各向異性含水層。地下水以大氣降水補給為主,部分受河流側(cè)向補給,主要消耗于人工開采,已形成降落漏斗。潛水與中深層承壓水有越流補給聯(lián)系。,2 計算地下水允許開采量的主要方法,2020年10月2日9時42分,(2)白河南水文地質(zhì)概念模型:北部及西北部以白河為界,為定水頭補給邊界,東、南及西南部以地下水分水嶺為界,為隔水邊界。介質(zhì)條件與白河北相同

55、,可概化為非均質(zhì)各向同性潛水含水層。 (3)十二里河水文地質(zhì)概念模型:東、西以分水嶺為界,為隔水邊界,北部為側(cè)向徑流補給邊界,南部為側(cè)向排泄邊界,排入白河。含水介質(zhì)主要是含裂隙粘性土,為非均質(zhì)各向異性含水層,以降水補給為主,徑流蒸發(fā)排泄,人工開采極少。,2 計算地下水允許開采量的主要方法,2020年10月2日9時42分,2建立數(shù)學(xué)模型 上述三個水文地質(zhì)概念模型均可用下列數(shù)學(xué)模型,即用非均質(zhì)各向同性(或異性)、有越流的非穩(wěn)定二維潛水層流模型計算:,2 計算地下水允許開采量的主要方法,2020年10月2日9時42分,式中:B為含水層底板標(biāo)高; Kx,Ky分別為x,y方向的滲透系數(shù),各向同性時Kx=

56、Ky; Qi為第i口井的地下水開采量; 為函數(shù); D為計算區(qū)域。 將計算域,剖分為有限個單元網(wǎng)格后,利用有限單元法將上述定解問題離散為下列線性方程組:,2 計算地下水允許開采量的主要方法,2020年10月2日9時42分,式中: A導(dǎo)水矩陣; D儲水矩陣; F水量矩陣; Y越流矩陣; m內(nèi)節(jié)點與第二類邊界節(jié)點之和; n總節(jié)點數(shù)。 計算程序框圖如圖104所示(計算程序略)。,2 計算地下水允許開采量的主要方法,2020年10月2日9時42分,3剖分 本題采用三角形剖分。按剖分原則要求,將全區(qū)三個水文地質(zhì)概念模型統(tǒng)一剖分為201個單元、140個節(jié)點。剖分節(jié)點見表10一4,剖分圖略。,2 計算地下水允

57、許開采量的主要方法,2020年10月2日9時42分,4識別模型 根據(jù)全區(qū)152組抽水試驗資料和519個鉆孔、機(民)井卡片資料,編制出淺層地下水水文地質(zhì)參數(shù)分區(qū)圖(略)。各區(qū)的水文地質(zhì)參數(shù)見表105。,2 計算地下水允許開采量的主要方法,2020年10月2日9時42分,根據(jù)調(diào)查資料,對全區(qū)降水入滲強度和人工開采強度分別進(jìn)行了分區(qū),給出了各區(qū)垂向綜合交換量的數(shù)值(其圖、表從略)。,2 計算地下水允許開采量的主要方法,2020年10月2日9時42分,初始條件:選用1988年11月30日各觀測孔的實測水位為初始流場,其余節(jié)點用等水位線圖內(nèi)插而得出。 邊界條件:一類邊界,根據(jù)白河4個長觀點的水位給出;

58、無長觀點地段,由內(nèi)插而得。二類邊界多為零流量邊界;非零流量段,根據(jù)抽水試驗資料確定出單寬流量,其值如表10一6所示。,2 計算地下水允許開采量的主要方法,2020年10月2日9時42分,根據(jù)南陽市的待點,每年從11月底至翌年2月底,農(nóng)業(yè)區(qū)開采量甚微,工業(yè)用水也是全年最小的時段,故選取1988年11月30日到1989年2月28日作為校正識別模型的時段。 采用人工調(diào)參,間接識別模型的方法,將以上各種數(shù)據(jù)按程序要求輸入計算機,進(jìn)行正演計算,求解出不同時段各節(jié)點的水頭值,再與觀測孔的實測值進(jìn)行比較;誤差較大時,調(diào)整參數(shù),再求計算水頭。如此反復(fù)調(diào)整計算,直至其誤差達(dá)到精度要求時為止,取相對誤差小于時段水

59、位變幅的5%者為準(zhǔn)。,2 計算地下水允許開采量的主要方法,2020年10月2日9時42分,由于水文地質(zhì)概念模型較確切,各種強度量較準(zhǔn)確,識別模型時僅對參數(shù)做適當(dāng)調(diào)整就可很快達(dá)到精度要求,識別后的參數(shù)如表107所示。,2 計算地下水允許開采量的主要方法,2020年10月2日9時42分,5驗證數(shù)學(xué)模型 取1989年3月1日到1989年12月30目的歷史水位資料,分10個時段進(jìn)行計算。1989年5月低水位期的流場擬合情況如圖105所示。從圖中可以看出,擬合得較好,說明模型可靠。從計算水位與實測水位的絕對誤差來看,大多數(shù)都小于0.5,僅個別孔誤差大于10m。觀測孔水位變化歷時曲線的擬合情況如圖106所示。從圖上看出,大部擬合較好,符合要求。驗證結(jié)果說明:識別后的模型基本能反映該區(qū)的客觀條件,可以用于預(yù)報水位和進(jìn)行地下水資源評價。,2 計算地下水允許開采量的主要方法,2020年10月2日9時42分,2020年10月2日9時42分,6水位預(yù)報和地下水資源評價 南陽市的淺層地下水主要接受降水入滲和白河側(cè)向滲水的補給。數(shù)值法計算結(jié)果,枯水年的補給量仍有3745.37104m3/a。目前,由于開采井布局不

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