地下水開采量計(jì)算方法概述

李 征

（天津市水文水資源勘測(cè)管理中心，天津 300061）

地下水單井開采量計(jì)量、區(qū)域地下水開采量統(tǒng)計(jì)、單井開采量或區(qū)域開采量變化特征及規(guī)律一直是地下水研究和地下水資源管理方面的難題，也是工作的薄弱環(huán)節(jié)。國(guó)內(nèi)外同行已經(jīng)投入大量人力物力開展相關(guān)研究和試驗(yàn)，取得了一些成績(jī)，但問(wèn)題仍沒有解決。實(shí)踐證明，在大規(guī)模開發(fā)利用地下水資源的地區(qū)，全面統(tǒng)計(jì)地下水開采量對(duì)合理管理地下水資源意義重大。然而，實(shí)際統(tǒng)計(jì)的地下水開采量數(shù)據(jù)常被認(rèn)為是相當(dāng)不準(zhǔn)確的，尤其是在干旱半干旱地區(qū)灌溉用水占開采水總量比重較大時(shí)更是如此。地下水開采量計(jì)量特別是區(qū)域地下水開采量統(tǒng)計(jì)是一項(xiàng)難度很高的工作，單靠幾次大規(guī)模調(diào)查不能解決所有問(wèn)題，應(yīng)該配合科學(xué)研究方法，從揭示地下水開采量變化特征和規(guī)律方面入手，用調(diào)查數(shù)據(jù)修正開采量變化規(guī)律，達(dá)到構(gòu)建合理的地下水開采量序列的目的。

確定區(qū)域地下水開采量是當(dāng)前地下水資源管理工作中主要難題之一，原因在于開采機(jī)井?dāng)?shù)量巨大、單井開采時(shí)間隨機(jī)、單井出水計(jì)量難以實(shí)現(xiàn)等，致使長(zhǎng)期以來(lái)地下水開采量統(tǒng)計(jì)存在著較大的誤差，嚴(yán)重地影響了區(qū)域地下水資源評(píng)價(jià)的精度、地下水動(dòng)態(tài)預(yù)測(cè)和地下水科學(xué)利用規(guī)劃的可信度。顯然，研究多種方法確定區(qū)域地下水開采量十分必要，準(zhǔn)確查明地下水開采量對(duì)地下水資源實(shí)行科學(xué)管理和控制地質(zhì)環(huán)境惡化具有重要意義。

1 國(guó)內(nèi)外關(guān)于地下水開采量的研究現(xiàn)狀

眾所周知，地下水是重要的資源。如今，隨著飲用、灌溉及商業(yè)用水量的不斷增加，地下水的開發(fā)利用顯得十分重要。不幸的是，由于人口的增加、城市無(wú)控制無(wú)計(jì)劃的擴(kuò)張及工農(nóng)業(yè)的發(fā)展，地下水呈水量減少、水質(zhì)惡化的趨勢(shì)。因此，可持續(xù)發(fā)展規(guī)劃與管理策略應(yīng)該應(yīng)用于地下水系統(tǒng)的優(yōu)化運(yùn)行中。然而，由于不合理鉆井位置及過(guò)量地抽取地下水已導(dǎo)致了嚴(yán)重的環(huán)境問(wèn)題（如地下水的衰減），管理策略并不能達(dá)到預(yù)期的結(jié)果（Ayvaz，2008）。

在南非、中東、南亞、中亞、中國(guó)北方、北美及澳大利亞的大部和世界其他地區(qū)的局部地區(qū)，地下水的衰減已成為突出的問(wèn)題（Konikow and Kendy，2005）。地下水的衰減導(dǎo)致地下水開采成本的提高（Nationa1 Research Counci1，2004），海水的入侵（Er?gi1，2000），河流、湖泊水位的下降（Barto1ino and Cunningham，2003），以及地面的沉降（Ga11oway et a1.，1999；Barto1ino and Cunningham，2003）。因此，確定不合理的抽水井位及抽水量成為最重要的任務(wù)，尤其是發(fā)展中國(guó)家。

在嚴(yán)重缺水的中國(guó)北方地區(qū)地下水資源具有重要的戰(zhàn)略意義，而區(qū)域地下水開采量是地下水資源評(píng)價(jià)準(zhǔn)確與否的重要指標(biāo)，地下水開采量的調(diào)查工作是地下水資源評(píng)價(jià)的主要內(nèi)容。受管理等諸多因素制約，很多地區(qū)在地下水資源評(píng)價(jià)、地下水開發(fā)利用規(guī)劃等工作中，區(qū)域地下水開采量的統(tǒng)計(jì)一直是工作中的難點(diǎn)，由此也影響到其評(píng)價(jià)、規(guī)劃工作的精度。

國(guó)內(nèi)目前主要采用收集資料統(tǒng)計(jì)法和開采量調(diào)查統(tǒng)計(jì)法獲取區(qū)域地下水開采量，前者得到的結(jié)果可信度較低但工作量小，后者得到的結(jié)果可信度較高但工作量大。地下水開采量調(diào)查原則有：①真實(shí)原則：地下水開采調(diào)查方法要力求反映開發(fā)利用實(shí)際情況；②簡(jiǎn)便原則：用比較小的工作量，調(diào)查核實(shí)地下水開采量，要力求簡(jiǎn)單；③全面原則：地下水開采量調(diào)查要力求覆蓋整個(gè)調(diào)查范圍；④代表性原則：選擇的井要力求具有代表性，在試驗(yàn)和統(tǒng)計(jì)分析的基礎(chǔ)上，建立一種切合實(shí)際的計(jì)算模式。

目前確定地下水開采量方法中還存在著許多問(wèn)題，主要有：①在農(nóng)業(yè)灌溉中，由于開采井?dāng)?shù)多，開采井絕大多數(shù)露天管理，損壞程度高，難以實(shí)現(xiàn)水表計(jì)量，逐井計(jì)量難以大面積推廣。②影響實(shí)際用水量的因素比較多，實(shí)際用水量與用水定額有一定誤差，定額法和畝次法計(jì)算的用水量與實(shí)際開采量有一定誤差。③井的額定出水量受功率、揚(yáng)程、水文地質(zhì)條件、井深等多因素影響；另外，每口井的年開采時(shí)間難以準(zhǔn)確估計(jì)，所以額定出水量法和實(shí)際出水量法計(jì)算的開采量與實(shí)際開采量誤差較大。④用耗電量數(shù)據(jù)推算機(jī)電井開采量，對(duì)水井進(jìn)行調(diào)查統(tǒng)計(jì)時(shí)工作量過(guò)大；同時(shí)，水泵實(shí)際運(yùn)行中因日常維護(hù)、使用年限等諸多因素影響，出現(xiàn)功率下降、耗電量增加現(xiàn)象，則用其進(jìn)行單位能耗出水量計(jì)算時(shí)可能會(huì)帶來(lái)一定誤差。⑤水文地質(zhì)數(shù)值法對(duì)水文地質(zhì)勘察要求精度高，資料必須詳細(xì)全面系統(tǒng)。如果水文地質(zhì)條件認(rèn)識(shí)不清，計(jì)算誤差將很大。水文地質(zhì)數(shù)值法在實(shí)際應(yīng)用中，目前主要是給定地下水開采量，計(jì)算地下水水位的變化過(guò)程。而已知地下水水位反求地下水開采量，由于有一定的難度，目前還未見應(yīng)用實(shí)例。

國(guó)外學(xué)者認(rèn)為，在缺乏直接測(cè)量數(shù)據(jù)的情況下，人們可以用多種方法來(lái)估計(jì)地下水的開采量。一是定額估算，首先測(cè)量出需灌溉農(nóng)作物面積，然后乘以作物平均需水量，該估算過(guò)程包含一些不確定因素，關(guān)于這些問(wèn)題，眾多學(xué)者做了大量研究。如，Ca1?era-Be1monte et a1.（1999，2003）利用遙感技術(shù)和地理信息系統(tǒng)計(jì)算了西班牙中部某地區(qū)的作物實(shí)際需水量。二是基于能源消耗或其他因素的經(jīng)濟(jì)方法也可以用來(lái)估算一個(gè)封閉含水系統(tǒng)的地下水開采量，因?yàn)樵谒樗亢湍茉聪牧恐g一般存在很強(qiáng)的相關(guān)性（Kanazawa，1992；Mukherji，2007；Shah et a1.，2008）；然而，該方法需要全面的數(shù)據(jù)資料，這就使其變得和直接監(jiān)測(cè)地下水的抽水量一樣困難。三是地下水模型也被用來(lái)估算地下水開采量，因其包含眾多動(dòng)態(tài)變量，地下水?dāng)?shù)值模型可以進(jìn)行反復(fù)試錯(cuò)估計(jì)。利用地下水模型進(jìn)行地下水開采量估算的限制因素是其需要在空間和時(shí)間上充分掌握地下水均衡的所有其他要素。另外，估算抽水量需要調(diào)節(jié)參數(shù)，如果抽水井非常多時(shí)，會(huì)十分困難。四是地下水開采量也可以根據(jù)地下水水位演變進(jìn)行估算，如利用地下水水位波動(dòng)法（WTF）來(lái)估算地下水開采量，該方法通過(guò)貯水參數(shù)（對(duì)于潛水含水層來(lái)說(shuō)就是給水度）把地下水儲(chǔ)存量的變化與其導(dǎo)致的地下水水位波動(dòng)聯(lián)系在一起。該方法因直截了當(dāng)、操作簡(jiǎn)單和費(fèi)用相對(duì)較低等，經(jīng)常應(yīng)用于含水層補(bǔ)給量的研 究（Leduc et a1.，1997；Marécha1 et a1.，2006；Moon et a1.，2004）。

2 不同計(jì)算方法概述

2.1 收集資料統(tǒng)計(jì)法

這是國(guó)內(nèi)當(dāng)前較普遍采用的方法。資料來(lái)源主要靠區(qū)縣一級(jí)地下水管理部門組織的調(diào)查統(tǒng)計(jì)，按調(diào)查內(nèi)容又可分成許多子方法。

（1）水表計(jì)量法。利用水表計(jì)量，直接從水表上讀取數(shù)據(jù)，計(jì)量準(zhǔn)確。這類地下水計(jì)量方法主要使用在集中供水的水源地以及向城市工礦企業(yè)供水的機(jī)井，這類供水長(zhǎng)久連續(xù)，供水量穩(wěn)定，主要是配合向城市生活和企業(yè)收取水費(fèi)進(jìn)行。該方法目前在各城市工業(yè)供水和生活供水上均采用。

（2）定額法。依據(jù)各行業(yè)的用水定額以及工業(yè)產(chǎn)品的產(chǎn)量或產(chǎn)值、城市和農(nóng)村居民人口、農(nóng)作物種植面積等，估算出需水量作為用水量。該方法易于計(jì)算。但實(shí)際用水量的影響因素比較多，實(shí)際用水量與用水定額有一定誤差，該方法計(jì)算的用水量與實(shí)際用水量也有一定誤差。在不可能對(duì)機(jī)井計(jì)量的情況下，可采用該方法。孫明等（2001）應(yīng)用定額法計(jì)算了山西太谷的灌溉用水量。

（3）實(shí)際出水量法（單機(jī)流量歷時(shí)法）。根據(jù)實(shí)際單位小時(shí)出水量和開采時(shí)間計(jì)算出單井出水量，再根據(jù)開采井?dāng)?shù)求得區(qū)域地下水開采量。該方法計(jì)算簡(jiǎn)單，但單機(jī)開采時(shí)間定量困難。山西省忻州市水文分局2000年對(duì)全區(qū)農(nóng)村開采量逐井記錄開機(jī)時(shí)間和單機(jī)流量，全區(qū)22個(gè)井灌鄉(xiāng)鎮(zhèn)選擇其中觀測(cè)記錄比較完整的17個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)，用單機(jī)流量歷時(shí)法計(jì)算了地下水開采量。

（4）畝次法。適用于農(nóng)業(yè)灌溉開采量計(jì)算。根據(jù)灌溉面積、農(nóng)作物灌水定額、灌水次數(shù)確定農(nóng)業(yè)灌溉用水量。該方法數(shù)據(jù)易于得到，但利用灌水定額統(tǒng)一計(jì)算存在一定的誤差。山西省忻州市忻府區(qū)水利年報(bào)上的地下水開采量就是用畝次法計(jì)算的。

（5）機(jī)井能耗法。該方法推算地下水開采量的基本思路和步驟為：①通過(guò)調(diào)查統(tǒng)計(jì)每眼開采井的配套功率（W）i和出水量（Qi）。②單井單位能耗出水量與水位埋深有關(guān)，這時(shí)計(jì)算出的單井單位能耗的出水量（Qd）數(shù)值只能代表現(xiàn)狀，而不同時(shí)間不同水位狀況下的單井Qd可以建立Qd與實(shí)測(cè)地下水水位（H）之間的關(guān)系，即推求Qd與H 之間的相關(guān)函數(shù)關(guān)系。③根據(jù)地下水水位長(zhǎng)觀資料，利用上述函數(shù)關(guān)系，計(jì)算多年間各鄉(xiāng)鎮(zhèn)開采井逐月的單井單位能耗的出水量（Qd）。④以鄉(xiāng)鎮(zhèn)農(nóng)業(yè)用電量數(shù)據(jù)乘以計(jì)算出的Qd值即可計(jì)算出地下水的開采量。

2.2 調(diào)查統(tǒng)計(jì)法

這是國(guó)內(nèi)目前工作量投入較大的一種方法，由省市級(jí)地下水資源主管部門組織專業(yè)人員開展專門的地下水開采量調(diào)查工作。調(diào)查內(nèi)容包括：地下水開采量的分類統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)、地下水開采的區(qū)域分布、開采井基本狀況及其地下水開采歷史沿革、農(nóng)灌狀況、城鎮(zhèn)抽水井分布和井間干擾情況、大中型水源地開采情況、地下水水質(zhì)變化、國(guó)民經(jīng)濟(jì)規(guī)劃與用水量關(guān)系、區(qū)域地表水的開發(fā)利用歷史和現(xiàn)狀等。

調(diào)查方法如下：①對(duì)開采井?dāng)?shù)量較少的地區(qū)，可采用逐一調(diào)查方法，并利用孔口流量計(jì)或田間三角堰測(cè)定實(shí)際出水量。②對(duì)于集中供水的城市和工礦企業(yè)，開采量調(diào)查比較簡(jiǎn)單，以總計(jì)量數(shù)為準(zhǔn)，資料可信度較高，收集來(lái)的資料基本不用修正，直接作為城市地下水開采量。但要注意個(gè)別企業(yè)自備井的開采量需要進(jìn)行校驗(yàn)。③對(duì)于開采井?dāng)?shù)量巨大的農(nóng)村地區(qū)，尤其在華北農(nóng)村以開采地下水灌溉為主，逐一調(diào)查不太現(xiàn)實(shí)，生活用水和灌溉水量開采量可采取收集資料和抽樣調(diào)查校核相結(jié)合的方法。④目前農(nóng)田灌溉地下水開采量的統(tǒng)計(jì)方法主要有：灌溉定額法，即單井開采量=灌溉定額×保澆面積；額定出水量法，即單井開采量=額定出水量×開采時(shí)間；電度法，即單井開采量=單井年用電量×電機(jī)功率/額定出水量；實(shí)際出水量法，即單井開采量=開采時(shí)間×實(shí)際單位小時(shí)出水量。

在不可能對(duì)機(jī)井逐一調(diào)查的情況下，采用調(diào)查統(tǒng)計(jì)法是完全可以的，但必須對(duì)統(tǒng)計(jì)資料進(jìn)行抽樣核查和校正。本項(xiàng)目研究重點(diǎn)在于規(guī)范工作流程和計(jì)算公式應(yīng)用條件。

2.3 相關(guān)要素動(dòng)態(tài)分析法

由于地下水的資源屬性，人類生產(chǎn)活動(dòng)中與地下水開采量相關(guān)的要素很多，包括工業(yè)生產(chǎn)要素、農(nóng)用生產(chǎn)要素、城鎮(zhèn)生活要素等，這些要素的統(tǒng)計(jì)值在地方社會(huì)經(jīng)濟(jì)統(tǒng)計(jì)年鑒中均有記錄。充分利用這些記錄，在建立起相關(guān)關(guān)系條件下恢復(fù)區(qū)域地下水開采量動(dòng)態(tài)過(guò)程，對(duì)正確認(rèn)識(shí)地下水開發(fā)利用現(xiàn)狀十分有效?；謴?fù)區(qū)域地下水開采量動(dòng)態(tài)過(guò)程應(yīng)考慮兩個(gè)方面：其一是方法本身的優(yōu)缺點(diǎn)；其二是資料能否滿足方法本身的要求。依據(jù)統(tǒng)計(jì)年鑒中的資料，其相關(guān)系數(shù)取各要素的定額。

工業(yè)用水開采量計(jì)算步驟如下：①工業(yè)主要產(chǎn)品產(chǎn)量只有全區(qū)或全縣，根據(jù)定額先計(jì)算各區(qū)每年總的工業(yè)用水量。②減去其他水源對(duì)工業(yè)的供水量。

生活用水開采量計(jì)算步驟如下：①用各區(qū)的人口和生活用水定額直接計(jì)算。②減去其他水源對(duì)生活的供水量。

農(nóng)田灌溉水開采量計(jì)算較復(fù)雜，主要方法有：①灌溉定額法：確定主要作物的灌溉定額，利用各種作物的種植面積計(jì)算灌溉水量，減去地表水灌溉量和污水灌溉量。②耗電量推算法：從農(nóng)業(yè)用電量中逐步分離出井灌用電量，根據(jù)地下水位并利用單位能耗出水量與地下水位的關(guān)系計(jì)算單位能耗出水量，根據(jù)各區(qū)灌溉耗電量計(jì)算灌溉開采量。

2.4 地下水均衡方程分析法

利用地下水水位波動(dòng)法（WTF）來(lái)估算地下水開采量，該方法通過(guò)貯水參數(shù)（對(duì)于潛水含水層來(lái)說(shuō)就是給水度）把地下水儲(chǔ)存量的變化與其導(dǎo)致的地下水水位波動(dòng)聯(lián)系在一起。該方法因直截了當(dāng)、操作簡(jiǎn)單和費(fèi)用相對(duì)較低等，經(jīng)常應(yīng)用于含水層補(bǔ)給量的研究。該方法的關(guān)鍵是地質(zhì)統(tǒng)計(jì)技術(shù)的應(yīng)用。多年來(lái)，地質(zhì)統(tǒng)計(jì)技術(shù)在數(shù)值模型與不確定性評(píng)價(jià)方面的應(yīng)用日益廣泛，這些方法在不確定情況下估計(jì)不同變量空間分布時(shí)所發(fā)揮的功能足以說(shuō)明這一切。Weissmann and Fogg（1999）用轉(zhuǎn)移概率的地質(zhì)統(tǒng)計(jì)方法評(píng)價(jià)了沖積扇的不均勻性，與此同時(shí)Ver?fai11ie et a1.（2006）用多元地質(zhì)統(tǒng)計(jì)方法預(yù)測(cè)了大陸架上砂顆粒的分布。

其計(jì)算過(guò)程采用的時(shí)間步長(zhǎng)為一年。這是因?yàn)椋姓芾聿块T通常以集中的形式提供抽水量數(shù)據(jù)，而不是按不同區(qū)域在不同時(shí)間段的抽水量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。換句話說(shuō)，抽水量記錄數(shù)據(jù)通常不區(qū)分不同季節(jié)的抽水量。相比自然年來(lái)說(shuō)，一般首選水文年。一個(gè)水文年開始于水體在它們理論上的最低值。假定水文年開始于10月1日，那時(shí)夏季和灌溉季節(jié)已經(jīng)結(jié)束，秋季降水還沒有補(bǔ)充更新水文系統(tǒng)。水文年符合整個(gè)水資源規(guī)劃循環(huán)，并且可以分布式的形式進(jìn)行表示。所有水均衡要素已經(jīng)按照計(jì)算要求進(jìn)行了校正。

2.5 地下水流數(shù)值模擬反演法

地下水流模型也被用來(lái)估算地下水開采量，因其包含眾多動(dòng)態(tài)變量。地下水流數(shù)值模型可以進(jìn)行反復(fù)試錯(cuò)估計(jì)。利用地下水流模型進(jìn)行地下水開采量估算的限制因素是其需要在空間和時(shí)間上充分掌握地下水均衡的所有其他要素。另外，估算抽水量需要調(diào)節(jié)參數(shù)，如果抽水井非常多時(shí)，會(huì)十分困難。

描述地下水流的數(shù)學(xué)模型是嚴(yán)密的、科學(xué)的，其中包括3 個(gè)重要變量，即地下水水位、地下水補(bǔ)給排泄量（主要是地下水開采量）、含水層參數(shù)。傳統(tǒng)的地下水資源評(píng)價(jià)在識(shí)別模型時(shí)將地下水進(jìn)出量作為確定值處理，通過(guò)擬合地下水水位來(lái)識(shí)別含水層參數(shù)。

3 結(jié)語(yǔ)

地下水開采量的準(zhǔn)確計(jì)量和科學(xué)計(jì)算是實(shí)施地下水資源管理的基礎(chǔ)，目前地下水開采量計(jì)量主要采用水表計(jì)量法和流速流量?jī)x或堰槽法等，前者多用于進(jìn)行長(zhǎng)期計(jì)量，后者多用于短期計(jì)量。但對(duì)于大區(qū)域地下水開采來(lái)說(shuō)，由于開采井?dāng)?shù)量多、布局散、不易管理，難以采用水表計(jì)量，多采用其他方法計(jì)算。目前國(guó)內(nèi)外對(duì)區(qū)域地下水開采量的計(jì)算，多采用相關(guān)要素推算法、耗電量換算法和模型法。

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