地下水评价综述

地下水资源评价方法综述

摘 要： 随着经济社会的发展，人类用水需求不断上升，水资源供需矛盾日益激化，地下水因其水质优水量稳定等优点为越来越多的地区所开发利用并作为重要供给水源，其重要性越发凸显。地下水使用过程中如何做到合理开采对保障地下水持续稳定供水具有重要意义，而地下水资源评价的准确与否直接关系到地下水开采方案的制定是否合理。本文对当前地下水资源评价中重要方法进行整合、对比，探讨各种地下水资源评价方法优缺点，从而为实践中最佳地下水资源评价方法提供参考。

关键词：地下水资源；评价方法； 综述

引言：地下水资源评价主要包括补给资源量、储存资源量、可开采资源量的评价

一、水量均衡法

基本原理：根据水量平衡原理，利用均衡方程计算带求水量的一种方 公式：

Q补tQtFh

排QQ单位时间内的平均补给量

补单位时间的平均排泄量

排t时间段的长度

均衡区内含介质的给水度，或饱和差的平均值水

F均衡区含水层的分布面积

h时间段的始末均衡区内平均水位的变动值

使用条件：理论上，可适用于任何地下水系统的水资源评价。区域地下水资源评价，水文地质条件复杂，其它方法难以应用。 优点：概念清楚、方法简单、适应性强。

缺点：1、某些均衡要素和求取均衡要素的水文地质参数难以确定或不准确，造成计算误差较大。2、是一种集中参数方法，难以精确给出地下水各要素随空间的变化。3、不能准确确定地下水的可开采资源量。4、很难给出具体地下水开发利用方案

二、水文分析法

基本原理：一个地下水系统就其水量循环过程来说，无论补给多么复杂，补给量总要转化为地下水径流量，而径流量又在适当的地点流出地表，成为地表水。水文分析法还包括清水流量法、泉流量法 、暗河测流法。

使用条件：1、全排型流域，均衡区内其他排泄量占比例较小2、水文地质条件复杂、研究程度又相对较低的地下水系统。基岩山区，岩溶水系统、裂隙水系统。3、具有较长系列的测流资料（泉流量、地表径流量）。 优点：可以评价地下水补给资源量

缺点：1、实质上是属于水量均衡法2、集中参数方法（黑箱），不能详细描述系统状态随空间变化情况3、无法准确评价地下水可开采资源量4、评价精度取决于测流和基流分割的精度。 1）地下径流模数 计算公式：Q=M·F

Q----测流点出的地下径流总量(m3/s) M----地下水径流模数（m3/s·km2）

F----测流点控制的上游总汇水补给面积（km2） 2）水文分割法

原理：流量过程线是指河流断面上的流量随时间的变化曲线。因不同的时间坐标而又日、月、年和多年的流量过程线。流量过程线能反映流量变化的特征，也在一定程度上综合反映出流域的气候和自然地理特征。对流量过程线进行分割，可以了解地表水和地下水对河流水量的补给情况。 1.水平直线分割法

水平直线分割法又称枯季最小流量法，它又有最小日平均流量，最小月平均流量和3个月最小平均流量3种。

2. 直线斜割法

这是一种应用十分广泛的方法，即洪水过程线的起涨点与地表径流的终止点的连线。至于地表径流终止点的确定，可参见Linsley的经验公式：NA表径流终止点的时距，d；A为流域面积，以平方英里计。 3.退水曲线法

0.2式中N为洪峰流量到地

退水曲线法是根据标准退水曲线从洪水流量过程线两端向内展延地下退水曲线。退水流

Ot为任何f时的退水流量；OtO0exp(at)式中O0为退水开始时的流量；量方程表示为：

口为退水常数；t为时间，当t=1 d时，可得：

K=exp(-a)

根据Barnes的研究，地表径流K=0．329，壤中流K=0．694，地下径流K=o．980。可见河川径流的几个分量是可以通过退水曲线的特性予以分割的。 4.加试里宁算法

早在20世纪50年代，前苏联加里宁等曾用试错法进行河川地下水补给的估算。他们根据山丘区河流一般由裂隙水所补给且无水力联系的特点，假定含水层的来水量与地表流量间存在

比例关系，则有下列近似平衡方程：W1W0By地表-y地下式中矽。W1为时段末的含水

层储量；W0为时段初的含水层储量；B为比例系数；y地表地表为地表径流总量;y地下地下为地下径流总量。

三、容积法

基本原理：

(1)对于潜水含水层和无压含水层而言，地下水的释出会引起水位下降，变动带以下的水量可以视为储存量并称为容积储存量。该量可以用容积法计算。 计算公式：W1VFM

W1----潜水含水层的储存量（m

3

）

3

----含水介质的重力给水度

V----变动带以下潜水含水层的体积（m）

2

----潜水含水层的分布面积 （m）

(2)承压含水层包括容积储存量以外还有弹性储存量

M----变动带以下潜水含水层的平均厚度（m）

F计算公式：W2ehF

W2-----承压含水层的弹性储存量(m)；

3

e-----承压含水层储水系数；

h------自承压含水层隔水顶板起算的压力水头高度(m)

F------承压含水层的分布面积(m2)

承压含水层储存量应为弹性储存量和容积储存量之和，即

W承W1W2

四、解析法

基本原理：解析法是根据地下水动力学的原理通过数学解析推到的各种井流公式，计算井（群）涌水量的一种方法。利用对地下水稳定流或非稳流的基本微分方程，求得在不同边界条件下的解析公式(即水文地质参数计算公式)，用其计算允许开采量的方法。对于含水层几何形状规整、水文地质条件简单且含水层比较均质的水源地，常采用解析解法确定允许开采量。

解析法中的井流公式都是在一定假设条件下经过严密推到得到的。实际过程中要复杂的多。解析法还包括井群干扰法、开采强度法。

适用条件：理想条件下的水文地质条件，如满足泰斯假设、裘布依假设等。可开采量的保证程度需通过其它方法论证 优点：简单、直观、快速、经济

缺点：应用条件太苛刻（边界形状、非均质、各向异性、初始地下水面、承压区和无压区并存，且分界线随时间变化、含水层有不均匀越流，存在天窗或有河床渗漏、水井抽水量恒定或某一阶段恒定、含水层侧向无限延伸，渗透区形状矩形或圆形） 评价步骤过程：

1、根据实际水文地质条件和开采方式，选定合适的井流解析公式

2、求井流公式中水文地质参数渗透系数K、导水系数T、储水系数e，重力给水度等。

d3、计算各种开采方案下的水位降深，评价地下水开采量 4、论证可开采量的保证程度

五、开采实验法

(一)开采抽水法

基本原理：开采抽水法是按实际抽水量进行抽水试验，并对地下水进行可开采水资源量评价的一种方法。

适用条件：

1、水文地质条件复杂，一时难以查清而又急需作出水资源评价的地区。

2、进入水文地质详勘阶段，必须进行抽水试验，运用开采试验法进行可开采资源量评价。 3、该方法主要适用于中小型水源地的地下水资源评价。

优点： 缺点：

该方法只有在难以查清地下水补给条件而又急需进行评价，且供水部门对用水量的保证程度要求又比较高时，才采用这种方法。

(二)实验外推法

适用条件：建立在稳定井流基础上的，不能用不稳定的Ｑ和ｓ来建立方程；抽水的水位降深不能太小；水位降深很小时不宜采用对数曲线方程。

实验外推法所评价的地区补给条件良好，含水层的导水性强，单井的出水量大。

常见的Ｑ－ｓ曲线类型有：直线型、抛物线形、对数型和幂函数型。

(三)补偿疏干法

适用范围：地下水补给时间上分配不均匀，含水层有一定的调节能力。 评价步骤过程：

1、旱季开采量－通过求单位储存量，继而计算旱季开采量 2、雨季补给量 3、评价可开采资源量

六、数值法

基本原理：将系统连续的函数在时间、空间上离散化，并求该函数在有限个离散点上的近似值。可具体分为有限差分法、有限单元法和边界元法 适用条件：水文地质条件清楚; 大量的各类资料和数据 缺点：

1、对于不符合达西定律（不连续、管道流等），需特殊处理 2、对研究者的素质要求高

3、耗时长、资金投入大

评价步骤过程：

1、水文地质条件分析

2、建立水文地质概念模型和数学模型 3、空间离散（剖分） 4、确定模拟期和预报期 5、地下水均衡分析 6、水文地质识别

7、地下水资源评价和水位预报

(一)有限差分法

基本原理：用渗流区内有限个离散点的集合代替连续的渗流区,在这些离散点上用差商近似的代替微商,将微分方程及其定解条件化为隔离散点上的代数方程,然后求解差分方程,从而得到微分方程的解在离散点上的近似值。

基本步骤：1、剖分渗流区，确定离散点，即把研究的渗流区按一定的规则分成网格。

2、建立地下水流动问题的查分方程组。 3、求解代数差分方程组。

(二)有限单元法

基本原理：有限单元法是求解微分方程定解问题的一种有效地数值方法。把偏微分方程的定解问题化为求等价问题的泛函的极值问题。

基本步骤：1、剖分插值。

2、建立单元渗透矩阵和总渗透矩阵。

3、用适当的计算法求解线性方程组。

(三) 边界元法 七、相关分析法

（一）单相关 （二）复相关 八、水文地质比拟法

基本原理：水文地质条件与开采相似的同一条生产矿井老采区的涌水资料，建立井田自然因素与生产因素与矿井涌水量之间的经验公式。并以此推测新开采区涌水量的一种方法。迄今为止，用于矿井涌水量的预测的比拟法可分为复水系数、单位涌水量法和函数关系比拟法。现在是用系统分析建立广泛应用范围的比拟法矿井涌水量预报模型。

比拟法的基本思想：（1）认为矿井水来自周围的地质体；（2）涌水开采来那个随深度h和 巷道长度L呈规律性变化；（3）用经验公式抽象这种规律的数学模式；（4）在基本条件相 似的基础上，根据所获经验公式预测涌水量。

计算公式：QQ0nL/L0mh/h0 （Q0、L0、h0为对应量之初值）

比拟公式建立的步骤：根据涌水量与个临空面因素的对比法分析选入基本相关因素；建立涌水量与相关因素之间的数学关系雏形；用最小二乘法、分组平均法等优化方法拟合参数；公式的实际验证与评价。

输入 系统 输出 L h 参数 n m Q 模型优化 系统的模型化、参数化 输入、输出信息分析与系统特征判断 系统模型评价 信息分析系统的思路 系统分析 九、水文地质模型法

基本原理：根据水文地质条件、边界条件和水文地质参数建立水文地质模型，以模拟

的模型确定允许开采量或预测其他参数的方法。各种水文地质模型都是模拟地下水在渗流场中的运动规律，以达到确定参数和预测地下水资源的目的。在大型复杂水源地，尤其是大型重点水源地，常采用水文地质模型法来评价地下水资源。 （1）黑箱模型 （2）GIS

在地下水资源评价中，将地下水模型与地理信息系统GIS集成，充分发挥模型在表征和再现地下水系统方面的模拟预测能力，同时借助GIS的数据管理和空间分析能力，将为地下水资源评价与管理提供强有力的工具，但由于地下水建模前期数据准备过程复杂，目前GIS在地下水资源评价中的应用还主要局限于数据管理和计算结果表达等方面。 １. 嵌入式集成

在地下水模拟软件中嵌入部分GIS功能地下水模拟模型计算需要空间数据的支持，一 些地下水模拟软件便在系统中开发部分GIS功能，实现对地理底图输入输出和数据管理。 ２.松散连接

松散集成是在GIS软件与地下水模拟软件(如ｍｏｄｆｌｏｗ)之间通过数据交换实现 模型与GIS之间的信息交互．这种方式中GIS和专业软件是相对独立的系统，各自有独立的数据管理方式，没有共同的用户界面，数据需要在不同软件间转换，操作繁琐，易出错，但只需实现接口程序，编程工作量小，对多数地下水专业的GIS用户来说，是最现实的方法。

３完整整合

完全整合使GIS和模型共享同一数据库通过GIS宏语言或其他编程语言将模型直接嵌入到GIS系统中。随着组件技术的出现和逐渐成熟，使专业人员只需通过高级编程语言，就能将GIS功能很好地与专业模型整合。 评价步骤

１）收集研究区有关资料，对图形扫描矢量化和数字化，建立空间数据库和属性数据库，通过高程控制点生成区域三维地形模型，并进行地形分析。

２）对时间序列资料，如降水、蒸发。开采量等，进行统计、回归分析，研究地下水

动态变化规律，为模型建立提供依据。 ３）将降水、蒸发、植被、地表水体、面状开采强度、岩性参数分区以及行政区划等、

在GIS环境下生成专题图，通过叠加分析，研究地下水系统的补、径、排条件，

初步确定地下水开采潜力区。

４）结合钻孔剖面、三维地形、地下水动态、专题图等对含水层进行概化，建立概念

模型。 ５）建立数学模型，运用自动剖分，建立网格单

元专题图。

６）通过交互方式设置模型对象（单元、节点等的属性)用ｋｉｎｇｉｎｇ插值生成节点信息（如初始水位)形成模型输入。 ７）运行模型，并通过等值线、流场三维动态、拟合曲线等对模型计算结果进行评价，调整参数直到模拟效果理想后，对计算结果生成相应的专题图供决策分析。 ８）模型识别验证后，可用该模型预测不同条件下的地下水资源。

3.数值模拟法

所谓数值模拟法是用数学模型模拟地下水系统的运动状态。并用数值法在数值计算机上求数学模型的解。一笔你该系统运动的一种方法。这种模拟方法在评价地下水的水量、水质、水热和管理上得到了广泛的引用。 优点：（1）数值模拟法具有广泛的适用性。对于复杂的含水层，不管是承压水还是潜水，二维流还是三维流，都成功的进行了模拟。

（2）数值模拟法，省工，省钱、省时。数值模拟法经常在计算机上进行，不需要到大量的设备。它不需要进行长时间的抽水试验，节省了大量的时间，人力，物力财力。可以很好的模拟地水的运动状态。

（3）有些地下水问题的实验很难，甚至不能进行实验，但人可在已有观测资料下进行数值模拟。

（4）数值模拟可以程序化，只要编出程序，对于不同地下水系统只需要按规定整理好数据就可以上机，并能较快的模拟出结果。 缺点：（1）数值模拟决不能代替真正的水文地质工作。

（2）模拟法仅仅是一种“数值实验”。有可能成功也有可能失败。