地下水资源评价方法综述

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1、地下水资源评价方法综述XXX（中国地质大学 水资源与环境学院水文与水资源专业，北京 100083）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 水因其水质优水最稳定等优点为越来越多的地区所开发利用并作为貳要供给水源，其更要性 越发凸显。地卞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令直要意义， 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St词*地下水资源 评价方法 综述、水量均衡法基本原理：根据

2、水暈平衡原理，利用均衡方程计算水量的一种方公式：Q A/-Q At = pFAhQ 丁单位时间内的平均补给量Q单位时间的平均排泄量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而积巫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来资源暈。4、很难给出具

3、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來说，无论补给多么复杂，补 给臺总要转化为地下水径流量，而径流量乂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，均衡区内其他排泄最占比例较小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

4、基流分割的精度。1) 地下径流模数计算公式：Q二MFQ一一测流点出的地下径流总量(m3/s)M地下水径流模数(ni3/s km2)F一测流点控制的上游总汇水补给面积(km2)2) 水文分割法原理：流量过程线是捋河流断面上的流量随时间的变化曲线。因不同的时间 坐标而乂口、月、年和多年的流星过程线。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乂称枯季最小流量法，它乂有最小口平均流量，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

5、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 = A02 式中N为洪峰流量到地表径流终止点的时距，d； A为流域面积，以平方英里 计。3. 退水曲线法退水曲线法是根据标准退水曲线从洪水流最过程线两端向内展延地下退 水曲线。退水流量方程表示为：t = Qexp（-刃）式中q为退水开始时的流暈; ，为任何f时的退水流量；口为退水常数；t为时间，当t=i d时，可得：K=exp（-a） o根据Barnes的研究，地表径流K=0. 329,壤中流K=0. 694,地 下径流K=0. 980o可见河川径流的儿个分最是可以通过退水曲

6、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： 硏二W + By地y地卜.式中。为时段末的含水层储量；为时段初的含水层 储量：B为比例系数：丿地茨地表为地表径流总量；y地卜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：W=“7=“FMW一潜水含水层的储存量（m3）

7、含水介质的重力给水度V一一变动带以下潜水含水层的体积（m3）M一一变动带以下潜水含水层的平均厚度（m）F潜水含水层的分布面积（m2）（2）承床含水层包括容积储存量以外还有弹性储存量计算公式：久承压含水层的弹性储存S： （m3）:儿承压含水层储水系数：h白承床含水层隔水顶板起算的床力水头高度（m）F承压含水层的分布面积（m2）承压含水层储存星应为弹性储存量和容积储存量Z和，即% = 1 + 徨四、解析法皋本原理：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

8、算公式），用 其计算允许开采皐的方法。对于含水层儿何形状规整、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

9、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 系数儿，重力给水度代等。3、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（-）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，一时难以查清而乂急需作出水资源评 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 验法进行可开釆资源量评价。3、该方法主要适用于中小型水源地的地下水资源评价。缺点：该方法只有在难以査清

10、地下水补给条件而乂急需进行评价，且供水部 门对用水最的保证程度要求乂比较高时，才采用这种方法。（）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來建立方程；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，单井的出水屋 大。常见的Q-s曲线类型有：直线型、抛物线形、对数型和幕函数型。（三）补偿疏干法适用范圉：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、旱季开采量一通过求单位储存量，继而计算旱季开采量2、雨季补给量3、评价可开采资源量S数值法基本原理：将系统连续的函数在时间、空间上离散化，

11、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

12、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査分方程组。3、求解代数差分方程组。（-）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。七、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

13、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）认为矿井水来自周圉的地质体；（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 = QoL/Z 牧力/力。（Q。、厶、力。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：建立涌水暈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。信息分析系统的思路系统分析

14、八、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星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屮的运动规律，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。（）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

15、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，齐IT有独立的数据管理方式，没有共同的用户界而，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用户來说，是最现实的方法。3完整整合完全整A使GTS和模型共享同一数据库

16、通过GTS宏语言或其他编程语言将 模型直接嵌入到GIS系统屮。随看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 ）

17、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，运用白动剖分，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。九、数值模拟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

18、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，共至不能进行实验，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，并能较快的模拟岀结果。缺点：（1）数值模拟决不能代替真正的水文

19、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。各方法对比名称基本原理适用条件优点缺点水量均衡法水量平衡原理， 利用均衡方程区域地下水资源评价概念清楚、方 法简单、适应 性强1、某些水文地质参数 难以确定，误差较人。2、集中参数方法，难 以精确给出各要素随 空间的变化。3、不 能确定可开采资源 So4、难给出貝体地下水 开发利用方案水文分析法补给最总要转 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。1、全排型流 域2、水文地质条 件复杂、研究 程度又相对较 低的地下水系 统。3、具有较长系 列的测流资料可以评价地 下水补给资 源量1、属于水量均衡

20、法2、集中参数方法（黑 箱3、无法准确评价地下 水可开釆资源量4、评价精度取决于测 流和基流分割的精 度。容积法潜水含水层和 无压含水层变 动带以下的水 量为容积储存 量。承压含水层储 存量应为弹性 储存最和容积 储存量之和。解析法解析法是根据 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。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。简单、直观、快速、经济应用条件苛刻（非均 质、各向异性、初始 地下水面、承压区和 无压区并存，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、 水井抽水晟恒定或某 一阶段恒定、含水

21、层 侧向无限延伸，渗透 区形状矩形或圆形）开 采 实 验 法开采抽水法按实际抽 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。1、水文地质条 件复杂，急需 作水资源评价 地区。2、水文地质详 勘阶段需进行 抽水试验，用 开采试验法进 行可开采资源 量评价。3、适用于中小 型水源地只有在难以查清 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。实验外推法在稳定井流基 础上的：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。地区补给条件 良好，含水层 的导水性强， 单井的出水量 k补偿疏干法地下水

22、补给时 间上分配不均 匀，含水层有 一定的调节能 力数值法将系统连续的 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。水文地质条件 清楚；大量的 各类资料和数 据较为精确，数 字化，简单易 见1、对于不符合达西定 律需转殊处理2、对研究者的素质要 求高3、耗时长、资金投入 大水文地质比拟 法水文地质条件 与开采相似的 同一条生产矿 井老采区的涌 水资料，建立井 田门然因素m 生产因素与矿1）认为矿井 水来自周围的 地质体；（2）涌水开采 量随深度h和 巷道长度L呈 规律性变化；（3）用经验公 式抽象这种规将水文地质 参数系统化井涌水量之间 的经验公式，并 以此推测新开

23、采区涌水量的 一种方法。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。水文地质模型法（GIS）1、做入式集成2、松散连接3、完整整合主要局限于 数据管理和计 算结果表达等 方面。借助GIS的数 据管理和空 间分析能力， 为地下水资 源评价与管 理提供强有 力的工具由于地下水建模前 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。数值模拟用数学模型模 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。评价地下水的 水崑、水质、 水热和管理上 得到了广泛的引用（1）数值模 拟法具有广

24、泛的适用性。（2）数值模 拟法，省工， 省钱、省时。（3）可在已 有观测资料 下进行数值 模拟。（4）数值模 拟可程序化。（1）数值模拟决不能 代替真止的水文地质 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。参考文献1 刘予伟，金栋梁.平原区地下水资源评价方法综述J.水资源研究,2004, 25(2)2 林圾,雷晓东，杨峰.地下水资源评价方法水呈均衡法的探讨J.北京水务，2011, (2)3 潘鸡钟.城市地下水资源评价方法探讨一一开采状态法介绍J.河南科学院学 报，1984, (3) :85-914 魏加华，王光谦，李慈君，邵景力基于GIS的地下水资源评价J.清华大学学报 (自然科学版)，2003,43 (8)： 25-365 徐龙，葛晓光.水文地质比拟法的系统处理模型J.煤炭学报,1995,20 (4)： 316-3506 王浩然，朱国荣，赵金熙.基区域分解法的地下水有限元与边界元耦合模型. 地质论评，2003, 49 (1) : 48-527 刘予伟，史春华，金栋梁.山丘区地下水资源评价方法综述.人民长江，2001, 35 (9) :33-368 马明，刘洪禄,张久川，郝仲勇，吴文勇.GIS技术在地下水资源评价研究中的应 用.灌溉排水学报，2006, 25 (5) :85-88