地下水允许开采量的确定方法-水文地质勘察指南

2023-09-18 理论教育版权反馈

【摘要】：当能够确定勘察区地下水在开采条件下的各项均衡要素时,宜采用水均衡法确定允许开采量。

地下水允许开采量的计算方法目前主要有以下几种[10]:

1.水均衡法

水量均衡法是全面研究某一地区(均衡区)在一定时期内(均衡期,一般为1年)地下水的补给量、储存量和消耗量之间的数量转化关系,以评价地下水的允许开采量。当能够确定勘察区地下水在开采条件下的各项均衡要素时,宜采用水均衡法确定允许开采量。

均衡法评价的步骤是:①划分均衡区,确定均衡期,建立均衡方程;②测定每个区的各项均衡要素值(具体方法可参见6.3节);③将各项均衡要素值代入均衡方程中,计算各均衡区的允许开采量。最后把各均衡区的允许开采量进行总和,便得到全区的总允许开采量[3]。

采用水均衡法评价时,应当注意对均衡区、均衡要素及均衡时段的选择。

均衡区的选择:原则上应为整个水文地质单元,但当勘察区或取水面积不大,仅为整个单元的一部分时,可以水源地或取水地段作为均衡区。

均衡要素的选择:包括补给量和消耗量。计算时应选择主要的项目,避免重复,同时应注意均衡要素在开采前后可能发生的变化,应以计算和确定开采条件下的均衡要素为主。

均衡时段的选择[10]:

(1)采用“多年平均”作为计算时段。目前实际工作中大致有以下三种方法:①采用平水年(P=50%)的丰、平、枯季作为计算时段;②采用勘察年份的前几年(如取前5年或前7年);③采用典型年组合,如取丰(P=25%)、平(P=50%)、枯(P=75%)水三年作为计算时段(农田供水常用的计算时段)。实习工作中常应用后两种。

(2)采用需水保证率年份作为计算时段。如以岩溶泉作为供水水源时,以其流量频率曲线作为依据,按需水保证率(P=95%或P=97%)的要求直接进行评价。

(3)采用连续枯水年组或设计枯水年组作计算时段。这是目前电力系统在傍河水源地下水资源评价中常用的方法。

2.地下水断面径流量法

在地下水的补给以地下水径流为主,含水层的厚度不大、储存量很少且下游又允许疏干的情况下,可采用地下水断面径流量法确定允许开采量,但其值不宜大于最小的地下水径流量[10]。

3.相关分析法

根据具体的条件选用多个变量或单个变量进行线性或非线性回归分析。

如田胜龙等(2006)曾应用多元线性回归理论对河北省邯郸地区黑龙洞泉域进行地下水资源评价。其数学模型是以大气降雨、人工开采量、地下水位为自变量,以泉流量为因变量,建立了如下的三元线性模型[11]:

式中:为泉流量,m3/s;x1为面降雨量,mm;x2为人工开采量,104 m3;x3为泉附近地下水位,m;分别为待求的系数。

经过最小二乘法求解后,田胜龙等得到的回归方程为[11]:

利用该模型可在预定的地下水位降深和预测的降雨量后,通过控制人工开采量来调节泉流量。可见,该模型能为地下水资源的管理提供一种辅助手段。

常见的相关分析法是根据总出水量与区域漏斗中心处的水位下降的相关关系,计算单位下降系数,并应结合相应的补给量确定扩大开采时的允许开采量。

使用这种方法的前提是,必须有足够的动态观测资料。大致分两种情况:①已经投产的水源地,根据动水位预测进一步开采下降时的开采量(具体做法可参见附录3);②利用泉或暗河的流量资料和气象、水文资料建立相关关系,以求得泉或暗河的允许开采量。很明显,前一种相关关系没有考虑扩大开采时的补给因素是否增加,若扩大开采补给不足时,仅根据相关关系预测是有问题的,应进一步验证相应的补给量。对于后一种相关关系,当需水量大于动态观测的最枯流量时,也存在类似的问题[10]。

4.采用岸边渗入公式确定

当含水层埋藏较浅,开采期间能获得地表水的充分补给时,可根据取水构筑物的形式和布局,采用有关岸边渗入公式确定允许开采量[10]。

5.把总取水量作为允许开采量

当需水量不大且地下水有充足补给时,可只计算取水构筑物的总出水量作为允许开采量[10]。

6.疏干补偿法

当地下水属周期性补给,且有足够的储存量,采用枯水期疏干储存量的方法计算允许开采量时宜符合下列要求:①能够取得的部分储存量,能满足枯水期的连续开采,且抽水孔中动水位的下降不超过设计要求;②能保证被疏干的部分储存量在补给期间得到补偿。

7.根据泉的动态观测资料确定

如利用泉作为供水水源时,可根据泉的动态观测资料,结合地区的水文、气象资料,评价泉的允许开采量。此时应符合下列规定:①需水量显著小于泉的枯水流量时,可根据泉的调查和枯水期的实测资料直接进行评价;②需水量接近泉的枯水流量时,可根据泉流量的动态曲线和流量频率曲线进行评价,也可建立泉流量的消耗方程式进行评价;③需水量大于泉的枯水流量时,如有条件,宜在枯水期进行降低水位的试验,确定有无扩大泉水流量的可能性,在此基础上进行评价[10]。

8.根据暗河的流量评价

利用暗河作为供水水源时,应根据枯水期暗河出口处的实测流量评价允许开采量。如有长期观测资料,也可结合地区的水文气象资料,根据暗河的流量频率曲线进行评价。

9.地下径流模数概算法

在暗河分布地区,某个地段的允许开采量可采用地下径流模数法概略评价,也可选择合适的断面通过天然落水洞竖井或抽水孔进行抽水,根据过水断面上的总径流量评价。

10.比拟法

当勘察区与某一开采区的水文地质条件基本相似,且开采区已具有多年的实际开采资料时,可根据两地区的典型比拟指标,采用比拟法评价勘察区的允许开采量。

11.根据群孔抽水试验确定

在农灌区,常布置群井开采地下水,此时地下水的允许开采量可根据群孔抽水试验的总出水能力和开采条件下的相应补给量,并结合设计要求对动水位反复试算和调整后确定。

12.开采试验法

当水文地质条件复杂,补给条件难以查明时,应采用开采性抽水试验的实测资料直接或适当推算确定允许开采量。其具体做法详见本书的附录3。

13.数值法

采用数值法计算地下水资源是从20世纪70年代开始兴起的。数值法能够描述形状不规则的区域以及含水层的非均质、各向异性和复杂的边界条件,能够处理河流入渗、大气降水入渗等垂向补给,各种抽水、排水、溶质交换和蒸发在时空分布上的变化,能够解决其他计算方法不易处理的复杂问题。随着计算机的普及,目前数值法已成为地下水资源评价中的主要方法之一。

国内外现有十几份数值法计算软件和应用成果,比较著名的有:美国地质调查局的标准有限差分程序“MODFLOW—96”、德国卡塞尔大学的“PM有限差分程序”、中国地质大学的“渗流计算程序”和“三维有限单元地下水计算程序”、长春地质学院的“地下水水量水质数值模拟及管理程序”、西安地质学院的“不规则网格有限差分程序”,以及建设部综合勘察研究设计院、兵器工业勘察研究院等单位编制的计算程序[12,13]。

目前在地下水资源评价中应用的数值方法主要有:有限差分法(Finite Difference Method)、有限单元法(Finite Element Method)、边界元法(Boundary Element Method)和特征线法(Method of Characteristics)等四种。

采用数值法计算允许开采量时,应符合下列要求:①水文地质条件的概化宜以完整的水文地质单元作为计算区;②计算区网格剖分的疏密应与相应勘察阶段的资料相适应,布局合理,应先按含水层特征分区,给出水文地质参数的初始估算值,如需在模型识别过程中调整分区,也应与其水文地质特征相符合;③地下水预报时,应以计算区内降水量和径流量的平、枯、丰年份的作为地下水预报的基础,对给定的方案或各种可行的开采方案进行预报,并应论证其是否满足给定的技术经济和环境的约束条件[10]。

14.基于相似原理的模拟方法

如水力模拟法、电力模拟法及计算机数字模拟法等。

15.其他方法

如理想模型法[14]、盲数理论[15]、三角模糊技术(基于Fuzzy logic)[16]、风险分析法等[17]。

地下水允许开采量的确定方法-水文地质勘察指南

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