1、第九章 地下水允许开采量的计算方法计算地下水允许开采量是地下水资源评价的核心问题。计算地下水允许开采量的方法，也称为地下水资源评价的方法。地下水允许开采量的大小，主要取决于补给量。局域地下水资源评价还与开采的经济技术条件及开采方案有关。有时为了确定含水层系统的调节能力，还需计算储存量。目前地下水允许开采量的计算方法有几十种，国内大部分学者尝试对众多计算方法进行分类，有些学者依据计算方法的主要理论基础、所需资料及适用条件，进行了如表 9.1 的分类，以供参考。在实际工作中，可依据计算区的水文地质条件、已有资料的详细程度、计算结果的精度要求等，选择一种或几种方法进行计算，以相互验证及优选。本章着重
2、介绍几种主要的计算方法。第一节 水量均衡法水量均衡法是全面研究计算区（均衡区）在一定时间段（均衡期）内地下水补给量、储存量和排泄量之间数量转化关系的方法。通过均衡计算，得到地下水允许开采量。水量均衡法是水量计算中最常用、最基本的方法。该方法还常用于验证其他计算方法计算的准确性。一、基本原理一个均衡区内的含水层系统，在任一时间段（t）内的补给量与排泄量之差恒等于含水层系统中水体积的变化量，即(9.1)承 压 水 潜 水排补 ,SthFSQ式中：Q 补 含水层系统获得的各种补给量之和（m 3/a 或 m3 d）；Q 排 含水层系统通过各种途径的排泄量之和（m 3/a或 m3d）；，*重力给水度和弹
3、性释水系数；ht 时段内均衡区平均水位（头）变化值（m）；F均衡区含水层的分布面积（m 2）。由式(1.5 ）对允许开采量的分析可知，若要保持均衡区内的地下水资源可持续开采，则地下水允许开采量为 排补充 QQ在实际工作中，应分析确定均衡区内的各个均衡项目，计算出均衡区内截取的各种排泄量和合理夺取的开采补给量，二者之和为该均衡区的地下水允许开采量。补给量（Q 补 ）和排泄量（Q 排 ）的组成项目很多，要准确地测得这些数据往往也很困难。但对某一个具体的地区来说，常常不包含全部均衡项目，有的甚至非常简单。例如，在我国西北干旱气候条件下的山前冲洪积扇地区，年降水量很少而蒸发强烈，降水渗入补给量 （Q
4、雨渗 ）几乎可以忽略不计。如果山前基岩裂隙也不发育，则侧向流入补给量（Q 流入 ）也可忽略。当含水层为一个较单一的砂卵砾石层，无越流补给，也没有各种人工补给时，则地下水的补给量主要是从山区流出的河水渗入补给量（Q 河渗 ），开采后，由于地下水水位降低，可以使排泄项中的蒸发量（Q 蒸发 ）、溢出量（Q 溢出 ）都变为零。在这种条件下，水均衡方程可简化为 thFQ实 开流 出河 渗最大允许开采量可用下式确定： 河 渗允 开 因此，准确测定河流渗入补给量是用水均衡法评价地下水资源的关键。又如，我国南方的岩溶水地区，主要补给来源是 Q 雨渗 和 Q 河渗 ，其次是侧向流入 Q 流入 ，排泄项中主要是
5、Q 溢出 ，其次是 Q 流出 和 Q 蒸发 。只要采取恰当的开采方式，可以充分截取补给，减少排泄，则计算地下水允许开采量的公式可简化为 河 渗雨 渗允 开 因此，在各种情况下，都应按实际条件建立具体的水均衡方程式。二、计算步骤（一）划分均衡区均衡区的划分依据地下水资源评价的目的和要求而定，在区域地下水资源评价中，应以天然地下水系统边界圈定的范围作为均衡区。区域地下水水量计算的均衡区需人为划分，划分时均衡区的边界应尽量选择天然边界或地下水的交换量容易确定的边界。当均衡区面积比较大且水文地质条件复杂时，均衡要素可能差别较大，还可根据含水层介质成因类型和地下水类型进行分区。如果按上述划分仍有困难，可
6、以按不同的定量指标（如含水层介质的导水系数、给水度、水位埋深和动态变幅等）进行二级划分或更细的划分。（二）确定均衡期地下水资源具有四维性质，不但随空间坐标变化，而且还随时间变化，因此，水量均衡计算还需要确定出计算时间段。时间段的长短可以根据水量评价的目的、要求和资料情况决定。一般以一个水文年为单位，也可以将一个大水文周期作为均衡期，但计算过程中仍以水文年为单位逐年计算，然后再进行均衡期内总水量平衡计算。此外，也可以将一个旱季或雨季作为均衡期。（三）确定均衡要素，建立均衡方程均衡要素是指通过均衡区水平周边边界及垂向边界流入或流出的水量项。进入均衡区的水量项称为补给项或收入项；流出的水量项统称排泄
7、项或支出项。不同的均衡区均衡要素的组成不同，应根据均衡区的水文地质条件确定补给项或排泄项。首先确定天然条件下补给项和排泄项，然后再分析计算开采条件下可能增加开采的补给量和截取的排泄量，以此建立地下水均衡方程。（四）计算与评价将均衡要素各项值代入水均衡方程中，计算补给量与排泄量的差值，检查其与地下水储存量的变化是否相符。若不符合，检查均衡要素各项的计算是否准确，作适当修改后，再进行水均衡计算，直至方程平衡为止。作地下水资源评价时，可根据含水层厚度和最大允许降深，将地下水允许开采量作为排泄项纳入均衡方程中，经多年水均衡调节计算，检查地下水位下降能否超过最大允许降深，若超过，则应调整地下水允许开采量
8、，直到地下水水位下降不超过并且接近最大允许降深为止。也可以将总补给量作为地下水允许开采量。进行水量均衡计算，应密切结合均衡区的水文地质条件，根据均衡计算的目的和要求，确定最佳计算时段，同时要获得各类计算所需的可靠参数，保证各个水均衡要素计算的精度，才能较准确地计算出地下水允许开采量。【实例】河南某地农业灌溉用水的多年水均衡调节计算，见表 9.2。根据19551975 年的动态观测资料，计算出各年的补给量（表中左数第2 栏）和计划用水量（第 3 栏）。农业用水是枯水年多用，丰水年反而少用。调节的顺序可不按原时间序列，一般以枯水年的地下水水位为起调水位。本例选 19641965 年作为起调年，19
9、75 年后再接 19551956 年。据来水、用水差值，计算出水位变化值。由于用水常在早季，所以年内借用地下水储存量而产生一个水位变化值。因此，表 9.2 中第 10 栏等于第 8 栏加第 9 栏。从多年调节计算结果可以看出，在已有的观测水文周期内，多数年份地下水补给量不足，用水量大于补给量，地下水位有所下降，最大地下水位埋深达9.3m。仅丰水年价水位又可逐渐回升至埋深 3m 左右，这表明按多年水均衡调节，用水量是有保证的（图 9.1）。第二节 数值法数值法是随着电子计算机的发展而迅速发展起来的一种近似计算方法。地下水运移数学模型比较复杂，计算区的形状一般是不规则的，含水介质往往是多层的、非均
10、质的和各向异性的，不易求得解析解，常用数值方法求得近似解。虽然数值法只能求出计算域内有限个点某时刻的近似解，但这些解完全能满足精度要求，因此，数值法已成为地下水资源评价的常用方法。用于地下水资源评价的数值法有 3 种，即有限差分法、有限单元法和边界元法。有限单元法和有限差分法两者在解题过程中有很多相似之处，都将计算域剖分成若干网格（有限差分法常剖分成矩形、正方形、三角形；有限单元法常剖分成三角形），都将偏微分方程离散成线性代数方程组，用计算机联立求解线性方程组，所不同的是网格剖分及线性化方法。边界元法也称边界积分方程法，该方法不需要对整个计算区域剖分，只需剖分区域边界。在求出边界上的物理量后，
11、计算域内部的任一点未知量可通过边界上的已知量求出。因此，所需准备的输入数据比有限差分法和有限单元法少。边界元法处理无限边界比较容易，用于求解均质区域的稳定流问题（拉普拉斯方程）比较快速、有效。但是，边界元法也有不足，当用于非均质区，尤其是非均质区域的非稳定流问题时，计算相当复杂，优越性不明显。目前常用的地下水资源评价的数值法是有限差分法和有限单元法。在线性化的数学推导过程中，有限差分法简单易懂，物理定义明确；而有限元法较复杂，涉及的数学知识较深。关于这两种方法具体的推导过程和详细的解题方法等，在地下水流数值模拟等相关文献中有详细论述，这里仅介绍运用数值法进行地下水资源评价的一般步骤：1建立水文
12、地质概念模型在充分了解和研究计算区的地质和水文地质条件的基础上，结合评价的任务、取水工程的类型、布局等，对实际的水文地质条件进行概化，抽象出能用文字、数据或图形等简洁方式表达并反映地下水运动规律的水文地质概念模型。所建立的水文地质概念模型应符合下列要求：根据目的和要求，所建立的水文地质概念模型应反映计算区地下水系统的主要功能和特征；水文地质概念模型应尽量简单明了；水文地质概念模型应能用于定量描述，便于建立描述符合计算区地下水运动规律的数学模型。对水文地质条件概化的主要内容如下：（1）计算范围和边界条件的概化首先，应明确计算层位，然后依据评价要求确定计算区的范围。计算区应该是一个独立的天然地下水系统，具有自然边界，便于较准确地利用其真实的边界条件，以避免人为边界在提供资料上的困难和误差。但在实际工作中，因勘察范围有限，常常不能完全利用自然边界。此时，需利用调查、勘探和长期观测资料建立人为边界。计算区范围确定后，可将边界概化为由折线组成的多边形边界。边界位置确定后，应进一步判明边界的性质，给出定量的数值。
