地下水资源量的分类

如题所述

由于地下水资源具有上述特性,所以对地下水量的准确表达较困难,因而出现了许多不同的术语和分类,有待统一和完善。现将地下水资源分类现状及主要分类简述如下。

(一)地下水资源分类现状

20世纪50~60年代,我国曾广泛采用原苏联学者H·A·普洛特尼科夫的地下水储量分类,他将地下水分为以下四种储量。

(1)动储量:是指单位时间流径含水层(带)横断面的地下水体积,也即地下水天然流量,这代表侧向补给量,单位为m3/d等。动储量具有季节性变化。

(2)静储量:是指地下水位年变动带以下含水层中储存的重力水体积,或充满承压水含水层空隙中的重力水体积(单位:m3)。

(3)调节储量:是指地下水年变幅带内重力水体积(单位:m3)。

上述三种储量代表天然条件下,在含水层中,一定时间内具有的地下水总量,故统称为天然储量。

(4)开采储量:是指用技术经济合理的取水工程能从含水层中取出的水量,并在预定开采期内不发生水量减少、水质恶化等不良后果。

普氏分类在一定程度上反映了地下水量在天然状态下的客观规律,对我国地下水资源评价曾起过一定的作用。该分类存在的主要缺点是:储量的概念不能反映地下水的特性,各种储量间的关系不明确,没有指出开采储量的组成等。

考虑到地下水量的特殊性,现在一般不用“储量”这个术语来描述地下水量,而改用“地下水资源”一词。中国地质大学王大纯教授等人把地下水资源分为补给资源和储存资源两大类,有些学者将地下水资源分为天然资源和开采资源,还有些学者将其分为补给资源、储存资源和开采资源三大类等等。另一些人认为,“资源”的含意应包括量和质两方面,单纯指水量时用资源来描述不合适,不如直接用地下水的各种量来表达。1995年国家技术监督局发布实施的《地下水资源分类分级标准》(GB15218-94)将地下水资源划分为可利用的资源(允许开采量)和尚难利用的资源两类。2001年由国家质量监督检验总局和国家建设部联合发布实行的现行规范和国家标准《供水水文地质勘察规范》(GB50027-2001)中将地下水资源分为补给量、储存量和允许开采量(或可开采量)三类。该分类是现行分类方案,已被大多数人接受,目前已广泛使用,下面重点讨论这种分类。

(二)《供水文地质勘察规范》(GB50027~2001)中的分类(简称三量分类)

1.补给量

补给量是指天然或开采条件下,单位时间内以各种形式和途径进入区内含水层(计算均衡区含水层组或含水系统)的水量。常用单位为m3/d、104m3/d、104m3/a等。补给来源有降水渗入、地表水渗入、地下水侧向径流流入和垂向越流(越层补给),以及其他途径渗入补给和各种人工补给等。按补给量形成的角度不同,可把补给量分为天然补给量和开采补给增量。天然补给量是指天然状态下,进入计算区含水层的水量;补给增量(或称诱发补给量,激发补给量,开采袭夺量,开采补充量等)是指扩大开采后可能增加的补给量或在开采条件下由于水文地质条件改变夺取的额外补给量。计算时,应按天然状态(自然状态)和开采条件下两种情况进行计算。实际上,许多地区的地下水都已有不同程度的开采,很少有保持天然状态的情况,因此,应首先计算现实状态下地下水的补给量,然后计算扩大开采后或开采条件下可能增加的补给量(即补给增量)。常见的补给增量由下列来源组成。

(1)来自地表水的补给增量。当取水工程靠近地表水时,由于开采地下水,使水位下降漏斗扩展到地表水体,可使原来补给地下水的地表水补给量增大,或使原来不补给地下水,甚至排泄地下水的地表水体变为补给地下水。

(2)来自降水渗入的补给增量。由于开采地下水形成降落漏斗,除漏斗疏干体积增加部分降水渗入外,还使漏斗内原来不能接受降水渗入补给的地区(例如沼泽、湿地等),腾出可以接受补给的储水空间,因而增加了降水渗入补给量。此外,由于地下水分水岭向外扩展,增加了降水渗入补给面积,使原来属于相邻均衡地段(或水文地质单元)的一部分降水渗入补给量,变为本漏斗区的补给量。

(3)来自相邻含水层的越流补给(越层补给)增量。由于开采含水层的水位降低,与相邻含水层的水位差增大,可使越流量增加,或使相邻含水层原来从开采含水导获得越流补给,变为补给开采层。

(4)来自相邻地段含水层增加的侧向流入补给量。由于降落斗的扩展,可夺取属于另一均衡地段(或含水系统)地下水的侧向流入补给量,或某些侧向排泄量因漏斗水位降低,而转为补给增量。

(5)来自各种人工增加的补给量。包括开采地下水后各种人工用水的回渗量增加而多获得的补给量。

补给增量的大小,不仅与水源地所处的自然环境有关,同时还与采水构筑物的种类、结构和布局,即开采方案和开采强度有关。当自然条件有利,开采方案合理,开采强度较大时,夺取的补给增量可以远远超过天然补给量。例如,在傍河地段取水、沿岸布井开采时,可获得大量地表水的入渗补给增量,并远大于原来的天然补给量,成为可开采量的主要组成部分。但是,开采时的补给增量也不是无限制的,从上述补给增量的来源可以看出,它实际是夺取了本计算含水层(组)或含水系统以外的水量,从整个地下水资源的观点来看,邻区、邻层的地下水资源也要开发利用,这里补给量增加了,那里就减少了。再从“三水”转化的总水资源的观点考虑,如果河水已被规划开发利用,这里再加大开采强度,大量夺取河水的补给增量,则会减少了地表水资源。因此,在计算补给增量时,应全面考虑合理的袭夺,而不能盲目无限制地扩大补给增量。

计算补给量时,应以天然补给量为主,同时考虑合理的补给增量。地下水的补给量是地下水运动、排泄、交替的主导因素,它维持着水源地的连续长期开采。允许开采量主要取决于补给量。因此,计算补给量是地下水资源评价的核心内容。

2.储存量

储存量是指赋存于含水层中的重力水体积(常用单位:m3)按埋藏条件,可分为容积储存量和弹性储存量。

(1)容积储存量:是指实际容纳在潜水含水层或承压含水层空隙中的重力水体积。计算式为:

W=μ·V=μ·F·h,或W=μ·F·M (10-1)

式中:W为地下水的容积储存量(m3);μ为含水岩层的给水度;V为潜水含水层体积(m3);F为含水层分布面积(m2);h为潜水含水层厚度(m);M为承压含水层厚度(m)。

(2)弹性储存量:主要对承压水而言,即承压含水层除了容积储存量外,还有弹性储存量。弹性储存量是指承压水头降至含水层顶板时,由于含水层的弹性压缩及水的弹性膨胀,从含水层中释放出的水量,可按下式计算。

W*·F·hn (10-2)

式中:W为承压水的弹性储存量(m3);μ*为释水系数(贮水系数)或弹性给水度(无因次);F为承压含水层的分布面积(m2);hn为承压含水层自顶板算起的压力水头高度(m)。

由于地下水的水位常常是随时间而变化的,地下水储存量也随时而异,这是由于地下水的补给与排泄不均衡而引起的,地下水的储存量在地下水的运动交替和地下水开采过程中起着调节作用。在天然条件下,地下水的储存量呈周期性的变化,主要有年周期,还有不同长短的多年周期,一般应当计算一年内最大储存量和最小储存量。在开采条件下,如果开采量不大于补给量,储存量仍呈周期性变化,在开采量超过补给量时,就由储存量来补偿这部分超过的开采量,使储存量出现逐年减少的趋势性变化。

按地下水储存量的动态,可把储存量分为永久储存量(或称静储量,不变储存量)和暂时储存量(或称调节储存量,可变储存量)。前者是指一定期限内的最小储存量,它是在一定周期内不变的储存量;后者是指最大与最小储存量之差,也即最低水位以上储存的地下水体积。在地下水径流微弱的地区,暂时储存量可以很大,几乎接近补给量,可以将它作为允许开采量。在一般情况下,计算允许开采量时,不能考虑永久储存量。如果动用永久储存量,就会出现区域地下水位逐年持续下降的趋势,导致地下水源枯竭,但是,如果永久储存量很大(如含水层厚度大、分布又广的大型贮水构造),每年适当动用一部分永久储存量,使在100年或50年内总的水位下降不超过取水设备的最大允许降深也是可以的。

3.允许开采量(可开采量)

允许开采量(或称可开采量)是指通过技术经济合理的取水方案,在整个开采期内出水量不会减少,动水位不超过设计要求,水质和水温变化在允许范围内,不影响已建水源地正常开采,不发生危害性的环境地质现象等前提下,单位时间内从水文地质单元或取水地段中能取得的水量,单位为m3/d、104m3/d、104m3/a等。简而言之,允许开采量就是用合理的取水工程能从含水层中取得出来、有补给保证、还不会引起一切不良后果的最大出水量,即在一定的技术、经济和合理开发条件下,有补给保证、可长期开采的最大水量。

允许开采量与开采量是不同的概念。开采量是目前正在开采的水量或预计开采量,它只反映取水工程的产水能力。开采量不应大于允许开采量,否则,会引起水位持续下降等不良后果。允许开采量的大小,是由地下水的补给量和储存量的大小决定的,同时,还受技术经济条件的限制。

地下水在开采以前,由于天然的补给、排泄,形成了一个不稳定的天然流场,雨季补给量大于消耗量,含水层内储存量增加,水位抬高,流速增大;雨季过后,消耗量大于补给量,储存量减少,水位下降,流速减小。补给与消耗的这种不平衡发展过程,具有周期性,从一个周期的时间来看,这段时间的总补给量和总消耗量是接近相等的。如果不相等,则含水层中的水就会逐渐被疏干,或者水会储满含水层而溢出地表。

在人工开采地下水时,增加了一个经常定量的地下水排泄点,改变了地下水的天然排泄条件,即在天然流场上又叠加了一个人工流场。这既破坏了补给、消耗之间的天然动平衡,又力图建立新的开采状态下的动平衡。在开采最初阶段,由于增加了一个人工开采量,必须减少地下水的储存量,使开采地段水位下降形成一个降落漏斗,使漏斗扩大,流场发生了变化,使天然排泄量减少,促使补给量增加,即形成补给增量。在开采状态下,可以建立以下水均衡方程:

专门水文地质学

式中:Q为开采前地下水的天然补给量(m3/d);ΔQ为开采时地下水的补给增量;Q为开采前地下水的天然排泄量(m3/d);ΔQ为开采时天然排泄量的减少值;Q为人工开采量(m3/d);μ为含水层的给水度;F为开采时引起水位下降的面积(m2);Δt为开采时间(d);Δh为在Δt时间段内开采影响范围内的平均水位降(m);μF

为储存量的变化量(m3/d),由于开采条件下水位下降,故取“-”号。

由于开采前地下水的天然补给量与天然排泄量在一个周期内是近似相等的,即Q≈Q,所以上式可简化为:

专门水文地质学

上述方程式表明,开采量实质上是由三部分组成的。即:(1)开采时增加的补给量(ΔQ),也就是开采时夺取的额外补给量,也可称为开采夺取量。

(2)开采时减少的天然排泄量(ΔQ)。例如,开采后潜水蒸发消耗量减少,泉流量减少甚至消失,侧向流出量的减少等。这部分水量实质上就是由取水构筑物截获的天然补给量,可称为开采截取量,它的最大极限等于天然排泄量,接近于天然补给量。

(3)可动用的储存量(μF

)。这是含水层中储存量所提供的一部分水量。

明确了开采量的组成,就可以按各个组成部分来确定允许开采量。

允许开采量(可开采量)中补给增量部分,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,也应从总的水资源考虑,统一合理调度。

允许开采量中减少的天然排泄量,应尽可能地截取,但也应考虑已经被利用的天然排泄量。例如,有的大泉是风景名胜地,由于增加开采后泉的流量可能减少,甚至枯竭,破坏了旅游景观,这也是不允许的。截取天然补给量的多少与取水构筑物的种类、布置地点、布置方案及开采强度有关。如果开采方案不佳,则只能截取部分天然补给量。因此,在计算允许开采量时,只要天然排泄量尚未加以利用,就可以用天然补给量或天然排泄量作为开采截取量。

允许开采量中可动用的储存量,应慎重确定。首先要看储存量(主要是永久储存量)是否足够大,再看现实的技术设备允许降深是多少,然后算出天然低水位至区域允许最大降深动水位间含水层中的储存量,按100年或50年平均分配制到每年的开采量中,作为允许开采量的一部分。一般情况下,不动用永久储存量,即在多年开采周期内,水位基本上是不升不降的,即Δh=0,这时的开采量才是允许开采量(可开采量)。因此(10-3)式变为:

Q允开=ΔQ+ΔQ (10-4)

上述地下水各种量之间是相互联系的,并且是不断转化、交替的。永久储存量(静储量)是指储存水的那部分空间体积始终含水,并不是说那部分水是永久储存不变的,它仍然会转化为排泄的水,再由补给的水补充,同样参加水循环。只有极少数在特殊条件下形成的地下水,如处在封闭构造中的沉积水,才没有补给量而只有静储量,大多数自然条件下的地下水都是由补给量转为储存量,储存量又转化为排泄量,处在不断的水交替过程中。在开采条件下所取出来的水,都是由储存量中转化来的。由于储存量的减少,可以夺取更多的补给量来补充,同时,又截取了部分天然补给量,则天然排泄量减少。

由于开采量与补给量的不同关系,可出现三种开采动态类型的水源地:①稳定型:在任何时间,开采量均小于补给量;②调节型:雨季开采量小于总补给量,而旱季开采量可大于总补给量,但在一年或数年期间,累计总开采量仍应小于总补给量,即未动用储存量;③消耗型:开采量大于总补给量,须动用和消耗储存量。

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