地下水资源修复的.pptx

《地下水资源修复的.pptx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《地下水资源修复的.pptx（71页珍藏版）》请在三一办公上搜索。

1、第四章 地下水资源,地下水：一般评价的地下水是指赋存于饱水带岩土空隙中的重力水。地下水数量是指地下水中参与现代水循环且可以更新的动态水量。地下水资源可利用量是指在可预见的时期内，通过经济合理、技术可行的措施，在不引起生态环境恶化条件下允许从含水层中获取的最大水量。,地下水资源评价：对近期下垫面条件下多年平均浅层地下水资源数量及其时空分布特征进行全面评价；在深层承压水开发利用程度较高的地区，需进行深层承压水资源数量评价。重点评价矿化度小于2g/L的淡水资源。,主要内容,4.1资料收集与计算分区,资料收集,评价区及临近区有关的水文资料评价分区内的流域特征资料区域内水利工程概况区域水文地质资料区域经

2、济社会资料水质监测资料以往水文、水资源分析计算成果,地下水资源量评价是按照水文地质单元进行的，然后归并到各水资源分区和行政分区。为确定评价方法和选用水文地质参数，需划分地下水资源评价类型区。,4.1.2 计算分区,4.2水文地质参数的确定方法,水文地质参数是地下水资源量评价的重要基础，决定评价的精度。所需的水文地质参数：给水度，渗透系数，导水系数，压力传导系数，降水入渗补给系数，潜水蒸发系数，河道渗漏补给系数，渠系渗漏补给系数，渠灌田间入渗补给系数，井灌回归系数，越流系数,基本概念,给水度：含水层的释水能力。它表示单位面积的含水层，当潜水面下降一个单位长度时在重力作用下所能释放出的水量。数值上

3、，给水度等于释出的水的体积与释水的饱和岩土总体积之比。,渗透系数：又称水力传导系数（hydraulic conductivity)。在各向同性介质中，它定义为单位水力梯度下的单位流量，表示流体通过孔隙骨架的难易程度。导水系数（transmissibility of groundwater）：具有一定粘滞度的地下水在单位水力梯度作用下，通过单位宽度含水介质的流量。潜水蒸发系数：潜水蒸发量与水面蒸发量的比值，以百分数表示。,参数的测定方法可分为两类：（1）水文地质试验法（抽水试验等）这种方法可以在较短时间内得出有关参数的数据，精度较高，因而得到广泛的应用；,参数测定方法,（2）统计分析法 利用地下

4、水位、流量等长期观测资料，经统计分析后求出参数，这是一种比较经济的测定方法，并且测定参数的项目比前者多，可以求出抽水试验不能求得的一些参数（如降水入渗补给系数）。但是由于天然的地下水水位波动幅度相对较小，利用这些资料求得的水文地质参数的精度比抽水试验低一些，但成本低、适应面广、收效快。,4.3地下水资源的计算,4.3.1 地下水资源的概念与分类,地下水资源：赋存于地壳表层可供人类利用的，本身又具有不断更新、恢复能力的各种地下水量。地下水资源具有可恢复性、调蓄性和转化性等特点。,V补V排V,补给量,排泄量,储存量,1.补给量 是指某时段内进入某一单元含水层或含水岩体的重力水体积。,天然补给量,人

5、工补给量,开采补给量,天然补给量,人工补给量,开采补给量,指天然状态下进入某一含水层的水量（平原区主要是降水入渗补给、地表水渗漏和邻区地下来流；山丘区主要是大气降水入渗补给）。,指人工引水入渗补给的水量,指开采条件下，除天然补给量之外，额外获得的补给量,2.排泄量 排泄量是指某时段内从某一单元含水层或含水岩体中排泄出去的重力水体积。,天然排泄量 潜水蒸发补给地表水体侧向径流进入邻区等,人工开采量 从取水建筑物中取出来的地下水量。反映取水建筑物的取水能力，是一个实际开采值。,3.储存量 储存量指储存在含水层内的重力水体积。,容积储存量是指潜水含水层中所容纳的重力水体积。采用下式计算：V容VV容潜

6、水含水层中的容积储存量；给水度；V计算区潜水含水层的体积，m3。,弹性储存量是指将承压含水层的水头降至含水层顶板以上某一位置时，由于含水层的弹性压缩和水体积弹性膨胀所释放的水量，可用下式计算：V弹esFV弹承压含水层的弹性储存量，m3；e 承压含水层的弹性释水（贮水）系数；s承压水位降低值，m；F计算区承压含水层的面积，m2。,天然条件下，在补给期，补给量大于排泄量，多余的水量便在含水层中储存起来；在非补给期，地下水消耗大于补给，则动用储存量来满足消耗。在人工开采条件下，如开采量大于补给量，就要动用储存量，以支付不足；当补给量大于开采量时，多余的水变为储存量。,在平原区，通常以地下水的补给量作

7、为地下水资源量。平原区的补给量有降水入渗补给量、河道渗漏补给量、渠系渗漏补给量、渠灌田间入渗补给量与井灌回归补给量、越流补给量以及闸坝蓄水渗漏补给量、人工回灌补给量等。,平原区地下水资源量计算,降水入渗补给量,河道渗漏补给量,灌溉水入渗补给量,越流补给量,山前侧向补给量,1.降水入渗补给量 指降水渗入到包气带后在重力作用下渗透补给潜水的水量，是浅层地下水重要的补给来源。1）降水入渗补给量的确定（1）系数法 Pr=P 降水入渗补给系数；P 降水量。该方法概念清楚，应用方便，易于区域综合。,（2）地下水动态分析法 在平原地区，地势平坦，地下径流微弱，在一次降雨后，水平排泄和垂直蒸发都很小，地下水位

8、的上升是降雨入渗补给所引起的结果，以下式表示：Pr=h 给水度；h降雨入渗引起的地下水位上升幅度，mm。,2）年降水入渗补给量的计算（1）系数法Q降=10-5P年年F,Q降年降水入渗补给量，亿m3/a；P年年降水量，mm/a；F 计算区面积，km2；年年降水入渗补给系数。,（2）降水量水位上升相关法 在平原区，地下径流微弱，降水入渗后引起潜水位上升，两者关系密切，如能建立降水量P与潜水位上升值h之间的相关关系，便可利用它来推求降水入渗补给量。具体步骤如下：1.根据已有的长期观测井孔的观测资料，计算每次降水量P（以5日或旬计）和相应时段内水位上升值h。2.绘制不同岩性的以地下水位埋深为参变量的P

9、 h 相关曲线。3.根据不同岩性分布地区年内各次降水量P，在P h 相关曲线上查出相应的地下水位上升值 h，累加起来，再乘以给水度，即得年降水补给量（h）。,2.河道渗漏补给量 当河水位高于两岸地下水位时，河水在重力作用下，以渗流形式补给地下水，称为河道渗透补给。2.1 河道渗漏补给量的确定（1）断面测流法 Q河渗计算区内的河道渗漏补给量，m3/s Q上、Q下河道上下断面实测流量，m3/s E0水面蒸发量，m/s 水面宽，m L实测流量段距离，m,（2）单位长度渗漏量法 L实测段长度，m L计算河段长度，m 修正系数 2.2 年河道渗漏补给量的计算,3.灌溉水入渗补给量 灌溉水经由土壤层下渗补

10、给地下水的水量是灌区地下水的主要来源之一。,渠灌田间入渗补给量,渠系渗漏补给量,灌溉水进入田间后，渗漏补给地下水的水量，包括田间渠道的渗漏,干支斗农毛各级渠道在输水过程中对地下水的渗透补给量,井灌回归补给量,井灌区引地下水灌溉后，回归地下水的数量,4.越流补给量 如果某一含水层的上覆或下伏岩层为弱透水层，并且该含水层的水头低于相邻含水层的水头，则相邻含水层中的地下水可能穿越弱透水层而补给该含水层，这种现象称为越流补给。,5.山前侧向补给量 山前侧向补给量是指山丘区的地下水通过侧向径流补给平原区地下水的水量。它在区域地下水资源量中占有较大的比重。山前侧向补给量的主要计算方法是沿补给边界切剖面，分

11、段按达西公式进行计算。,（二）排泄量的计算 平原区地下水的排泄量主要有潜水蒸发量、河道排泄量、侧向出流量、越流排泄量以及人工开采量等。,潜水蒸发量,河道排泄量,侧向流出量,1.潜水蒸发量 潜水蒸发量是指潜水在毛细管引力作用下向上运动所造成的蒸发量，包括棵间蒸发量和植被叶面蒸腾量。潜水蒸发是浅层地下水消耗的主要途径。潜水蒸发强度是指潜水在单位时间内从单位面积上蒸发的水量体积。潜水蒸发强度的变化受土质、潜水埋深、气象、植被等因素的影响。,（1）影响潜水蒸发的因素土质：沙土毛管较粗，毛管水上升高度小，潜水蒸发量也少；黏土毛细管细而密，毛细管输水能力也比较小；亚沙土的毛细管直径介于上述两者之间，相对上

12、升高度较大，又有一定的输水能力，所以在其它条件相同时，它的潜水蒸发量较大。潜水埋深：潜水蒸发量随埋深的增加而减小。气象：随气温增高、空气相对湿度减低而增加；随着风力增强而加强；降水量大，潜水蒸发量小。植被：在作物生长的季节，潜水蒸发要强烈。,评价区多年平均潜水蒸发量的计算方法步骤如下：（1）将评价区按包气带岩性的不同，划分成若干个均衡计算区；（2）在每个计算区内选择一个具有代表性的地下水动态观测井，绘制地下水埋深历时曲线（选用平水年或接近平水年的动态资料），按月划分为12个时段，并求出各时段的平均地下水埋深。（3）根据均衡计算区岩性和各时段的平均地下水埋深，从C关系曲线上查得相应的C值（C潜水

13、蒸发系数）。（4）按下式计算该时段潜水蒸发量（o水面蒸发量）：各时段潜水蒸发量之和即为均衡计算区年平均潜水蒸发量：（5）将各均衡计算区年潜水蒸发量进行汇总即为评价区多年平均潜水蒸发量。,2.河道排泄量 平原地区地下水排入河道的水量称为河道排泄量，当河流水位低于两岸地下水位时，河道排泄地下水。目前我国水利部门多采用地下水动力学方法计算河道排泄量。该方法适用于河道岸边设有长期观测孔的情况，根据钻孔中的潜水位与河水位资料用动力学公式计算。按地下水流水力要素的变化情况，分成稳定流和非稳定流两类。（1）稳定流公式法（2）非稳定流公式法,3.侧向流出量 地下水侧向流出量一般指的是以地下潜流形式流出均衡单元

14、的水量，有时称为地下径流量。其计算方法与山前侧向补给量的计算相同，只是前者是流出均衡单元，而后者是流入均衡单元。,山丘区地下水资源量计算,山丘区水文、地质条件复杂，资料短缺，直接计算山丘区地下水的补给量往往是有困难的。但山丘区的补给排泄机制比较简单，按地下水均衡原理，总补给量等于总排泄量，所以山丘区的地下水资源量可用各项排泄量之和来计算。山丘区地下水总排泄量包括河川基流量、河床潜流量、山前侧向流出量、潜水蒸发量、未计入河川径流的山前泉水出露总量和浅层地下水实际开采的净消耗量等。由排泄量反推补给量时，必须具有实测的排泄量资料系列。对于一般山丘区浅层地下水的计算，常用水文分析法。,水文分析法 山丘

15、区排泄量中具有决定意义的是河川基流量，其他各项数量较小。河川基流量的推求：选择合适的水文站，从该站实测的河川径流量过程线图上把它分割出来，即基流分割法。1、分析代表站的选择 水文站所控制的流域是闭合的；代表性（地形、地貌、植被和水文地质）；控制面积200km2；实测资料系列较长，代表性（丰、平、枯）。,2、单站河川基流量的分割法 分割地表径流和地下径流（即河川基流量）。分割方法：直线平割法，直线斜割法和加里宁分割法。3、单站多年平均河川基流量与基流模数,4、评价区河川基流量的计算（1）模数分区法 根据植被、地貌和地质等条件的差异，将评价区划分成若干个均衡计算区。每个均衡计算区内应包括一个或几个

16、已经分割基流的水文站。均衡计算区平均基流模数的计算：评价区河川基流量的计算：（2）等值线图法,5、评价区基流量合理性检查（1）平衡性检查 检验上游站基流量（包括区间基流量）之和是否等于下游控制站的基流量。一般相对误差不得超过3%。（2）合理性检查 a.与多年平均降水量、年径流深等值线图相比较；b.与降水入渗补给系数的地区分布相比较；c.与地形、植被、岩性等下垫面条件相比较。地势平坦地区，透水性能较强的地区。,4.4地下水资源评价,地下水资源评价，就是要摸清在当地水文地质条件下，地下水的开采和补给条件及之间的相互关系，分析其变化情况，从而制定地下水开发利用的规划。地下水资源评价，最主要的是计算地

17、下水允许开采量（亦称可开采量），因为它是地下水资源评价的目的所在。允许开采量是指在经济合理、技术可能的条件下，不引起水质恶化和水位持续下降等不良后果时开采的浅层地下水量。,地下水资源量计算方法 目前，常用的地下水研究方法有水量平衡法、相关分析法、数值法等。在实际应用中，应根据研究区的水文地质条件、技术条件等选择合适的评价方法。（一）水量平衡法基本原理 水量平衡法，又称水均衡法，是根据水量平衡原理来计算地下水开采量和水位变化的方法。根据水量平衡原理，对于一个均衡区（或水文地质单元）的含水层来说，地下水在补给和消耗的动态平衡过程中，任一时段补给量和消耗量之差，等于该时段内单元含水层储存水量的变化量

18、。,开采状态下的水均衡方程式为：上式表明开采量是由三部分组成的：（1）增加的补给总量，也就是由于开采而夺取的额外补给总量，可称为开采补给量。（2）减小的消耗总量。蒸发消耗减少、泉流量减小、侧向流出量减小，这部分水量实质上是取水建筑物截取的天然消耗量的总值，可称为开采截取量，它的最大极限等于天然消耗总量，即接近于天然补给总量。（3）可动用的储存量，是含水层中永久储存量所提供的一部分。,明确了开采量的组成后，就可以按各个组成部分来确定允许开采量。开采量中的Q补只能合理地夺取，不能影响已建水源地的开采和已经开采含水层的水量，地表水的补给增量也应考虑是否允许利用。开采量中的Q消应尽可能多地截取，但也应

19、考虑已经被利用的天然消耗量。如泉水。开采截取量的最大极限就是天然消耗总量，接近于天然补给总量。,合理的消耗型开采动态(此方式要消耗永久储存量)：Q允开允许开采量；Q允补合理的开采夺取量；Q允消合理的开采截取量；smax最大允许降深。稳定型开采动态：,（二）计算步骤（1）划分均衡区、确定均衡期，建立均衡方程式。将均衡要素大体一致的地区划分为一个小区，将全部计算面积划分为若干小区。在平原地区多以一独立水文地质单元为一均衡区。均衡期一般取1年。在分析了各均衡小区在均衡期内有哪些均衡要素后，就可以为各均衡小区建立相应的均衡方程式。（2）测定各个均衡小区的各个均衡要素值。（3）计算和评价允许开采量。将各

20、均衡要素代入均衡方程式，计算各均衡小区的允许开采量，然后将各均衡小区的允许开采量相加即得全区的允许开采量。,二、可开采系数法,在水文地质研究程度较高，并有开采条件下的地下水总补给量、地下水位、实际开采量等长系列资料地区，可用可开采系数法确定多年平均可开采量。可开采系数法确定可开采量的一般计算公式为：,平水年实际开采系数的法如下：(1)编绘地下水开采条件分区图。根据地下水多年平均埋深、含水层厚度、单井的单位降深出水量、地形等特征编绘。(2)编绘平水年或接近平水年的实际开采模数分区图，计算平水年各评价小区的实际开采模数。所谓开采模数是指单位面积上的年开采量。(3)编绘开采条件下的多年平均总补给模数

21、分区图；计算各评价小区的多年平均总补给模数，即单位面积上的多年平均年总补给量。(4)绘制平水年开采系数分区图。,相关分析法，也称回归分析法，是根据开采地下水的历史资料或不同水位降深的抽水试验资料，用数理统计的方法找出开采量与降深或其他自变量之间的相关关系，并依据这种相关关系外推来预报开采量的一种方法。该法适用于对已开采的潜水和承压水的旧水源地扩大开采时的评价，对新水源地不适用。在地下水开采过程中，开采量与降深、开采时间、开采面积及水文气象等因素有关。开采量与这些影响因素之间的关系一般有三种：函数关系、无关系和近似关系。前两种关系分别称为完全相关和零相关，是相关分析中的两种极限关系，而第三种介于

22、前两种关系之间，称为统计相关。,三、相关分析法,在统计相关中，如果自变量只有一个，称为一元相关或简相关；如果自变量在两个或两个以上，称为多元相关或复相关。（1）一元相关 对于单井来说，其开采量与水位降深一般能满足函数关系。对于一个水源地或面积较大的开采区来说，由于井数较多、相互干扰，影响因素复杂，再加上人为的观测误差，常常使开采量与降深的关系变为相关关系。假设有若干组地下水开采量与水位降深的观测统计资料Qi和Si（i1，2，n），将这些数据点绘在QS坐标上。,QS分布趋势,一元相关,用一元相关法来求地下水开采量的计算步骤如下：首先，整理统计评价区历年所有井的开采量和水位资料，并绘出相应的等水位

23、线图，确定漏斗中心部位的水位降深；其次，把历年的开采量和水位降深绘成QS坐标的散点图，分析其分布趋势，建立相应的直线或曲线回归方程，求出回归系数，并进行显著性检验；最后，根据回归方程外推设计降深时的开采量。,（2）多元相关 影响开采量的因素不只是水位降深，还有降水量、灌溉入渗补给量等。因此，需要进行多元相关分析，用多元回归方程来推求开采量，如下式：式中：a0、a1、am为待定系数；x1、xm为影响开采量的自变量。,相关分析法适用于有多年开采历史资料的稳定开采水源扩大开采规模时的地下水资源评价,评价步骤（以一元回归为例）(1)用回归方程推算开采量。当回归方程的相关系数合乎要求时（0.7），将设计

24、降深代入回归方程，即可求出开采量。(2)计算补给量。用上述公式分别求出枯水年、平水年和丰水年的平均补给量（或多年平均补给量），根据开采量不超过多年平均补给量的原则，即可评价推算可开采资源保证程度。,四、开采试验法,在水文地质条件复杂的地区，如一时难以查清水文地质条件（主要是补给条件），而又急需作出评价时，可打勘探开采井，并按开采条件（开采降深和开采量）进行抽水试验。根据试验结果可以直接评价开采量。这种评价方法对潜水或承压水、新水源地或旧水源地扩建都适用，但主要是适用于水文地质条件比较复杂、岩性不均一的中小型水源地。在进行按开采条件或接近开采条件进行抽水试验时，一般是从旱季开始的，延续一月至数月

25、。从抽水开始到水位恢复进行全面观测，结果可能出现两种情形。,(1)在长期抽水过程中，水位降深达到设计降深后一直保持稳定状态，这时的抽水量大于或至少满足需水量要求，停抽后水位又能较快恢复到原始静止水位。这说明抽水量小于开采条件下的补给量，所以按需水量开采是有补给保证的。这时的实际抽水量就是要求的开采量。(2)在长期抽水过程中，水位降深达到设计降深后并不稳定，一直持续下降。停抽后，水位虽然也有恢复，但长时间达不到原始静止水位。这说明抽水量已经超过开采条件下的补给量，如按需水量开采是没有补给保证的。这时可按下述方法评价开采量。,上式说明，抽水量是由两部分组成的：一是开采条件下的补给量；二是含水层中消

26、耗的储量。将上面两部分分开，便可用开采条件下的补给量来评价开采量。分解的方法是把抽水比较稳定、水位下降比较均匀的若干时段资料分别代入上式中，再用消元法解出Q补和F值。,五、开采强度法,一般含水层是均质各向同性，水文地质条件简单、规则，在不考虑边界条件的情况下，在含水层分布广、距补给区较远的平原区或大型自流盆地的中部，井数很多、井位分散时（为农业供水的特点）采用开采强度法计算开采量比较方便，而计算补给量和评价原则同上。所谓开采强度就是在井群分布范围内，将井位分布较均匀，各井开采量相差不大的区域化成一个或几个形状规则的开采区，如矩形开采区或圆形开采区。然后将分散井群的总开采量化成开采强度（即单位面

27、积上的开采量）。再利用开采强度和水位之间的变化规律来推算设计降深时的开采量和保证开采量所必需的回灌量或补给量，此即称为开采强度法。,在地下水资源评价中常用的数值方法有两种，即有限差分法和有限单元法。两者有许多相似之处，如都要对评价区进行空间剖分，分为若干网格（方形、矩形或三角形），都要写出单元网格的地下水动力学偏微分方程，将地下水动力学方程线性化，得出线性方程组，再联立求解线性方程组。所不同的是在网格剖分及偏微分方程线性化方法上有所差别。,六、数值法,以有限差分法为例，介绍地下水资源评价的方法步骤：a.查明评价区水文地质条件，提供地下水资源评价所需要的数据，包括以下内容：、划定评价区边界，确定边界条件。、给出评价区的初始水位分布。、圈定有垂直入渗补给的范围。、给出评价区水文地质参数的初值。、确定开采量在评价区域内的时空分布及变化。,b.分出各个非均质区，划分差分网格、确定计算时段 根据水文地质参数的不同，对评价区进行非均质分区。与此同时，划分差分网格，即对渗流区域离散化。对于时间步长的划分，往往采用变步长的方法。c.数学模型的识别 根据对评价区水文地质条件的调查分析，可建立相应的数学模型。d.地下水资源评价 经过校正和验证后的数学模型，即可作为地下水模拟计算的正式模型，进行地下水水量的各种模拟计算。,the end,