水量均衡法分析計(jì)算平原區(qū)域地下水允許開采量

□鄭 星

地下水允許開采量是指在經(jīng)濟(jì)合理、技術(shù)可行且利用后不會(huì)造成地下水位持續(xù)下降、水質(zhì)惡化、海水侵入、地面沉降等環(huán)境地質(zhì)問題和不對(duì)生態(tài)環(huán)境造成不良影響的前提下，允許從地下含水層中取出的最大量，是地下水開發(fā)利用、資源優(yōu)化配置重要依據(jù)，也是水資源評(píng)價(jià)，建設(shè)項(xiàng)目水資源論證等工作核心評(píng)價(jià)指標(biāo)。其分析計(jì)算的方法很多種，有水量均衡法、水文分析法、開采試驗(yàn)法、解析法、數(shù)值法等，在地下水資源分析的工作中，可根據(jù)基礎(chǔ)資料的掌握情況，工作精度、分析目的、技術(shù)手段等選擇一種方法或幾種方法結(jié)合分析計(jì)算，其中水量均衡法對(duì)于論證評(píng)價(jià)與大氣降水和地表水體有緊密水力關(guān)系和直接聯(lián)系的區(qū)域淺層地下水分析計(jì)算，具有其理論概念清楚、基礎(chǔ)資料要求較簡(jiǎn)單、工作量較少、適應(yīng)性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，是評(píng)價(jià)地下水資源最基本、最常用的方法，其精準(zhǔn)度也能滿足平原區(qū)域地下水允許開采量的要求。為此，僅就多年的工作經(jīng)驗(yàn)，淺談幾點(diǎn)利用水量均衡法計(jì)算平原區(qū)域地下水允許開采量的具體操作和體會(huì)。

1.水量均衡法的基本原理

理論論述為在任一時(shí)段內(nèi)補(bǔ)給量與排泄量之差恒等于含水層系統(tǒng)中的水體積的變化量。

水量均衡方程式可表示為：

Q補(bǔ)-Q排＝均衡分兩種情況，天然情況下，地下水儲(chǔ)變量0，則均衡方程：

Q補(bǔ)＝Q排

開采情況下，按允許開采量要求，合理的消耗型開采動(dòng)態(tài)的水均衡方程：

式中：Q補(bǔ).ΔQ補(bǔ)—補(bǔ)給量和開采情況下的補(bǔ)給增加量；

Q排.ΔQ排—排泄量和開采情況下的排泄減少量；

Δh—均衡期地下水位允許變化水位；

Δt—均衡期一般為1年或1個(gè)水文年；

由開采狀態(tài)的允許開采量公式看出，允許開采量有3部分組成。第1部分為補(bǔ)給增量（稱襲奪量），第2部分為排泄減少量，第3部分為儲(chǔ)變量。

為了操作更清楚便捷，對(duì)地下水允許開采量作為消耗量的1項(xiàng)來(lái)分析，則開采狀態(tài)下的水量均衡方程為：

式中：（Q側(cè)補(bǔ)-Q側(cè)排）—側(cè)向補(bǔ)給量與側(cè)向排泄量之差；

（Q垂補(bǔ)-Q允許）—垂向補(bǔ)給量與垂向排泄量（允許開采量）之差；

其他符合與前同。

由此可以看出，淺層含水層（第四紀(jì)松散沉積物潛水含水層）的允許開采量的意義很明確了，操作起來(lái)也很方便適應(yīng)了。

2.水文地質(zhì)模型概化

水文地質(zhì)概念模型是全面系統(tǒng)分析含水介質(zhì)的巖性特征以及地下水補(bǔ)給、徑流、排泄等水循環(huán)條件，水化學(xué)場(chǎng)、水動(dòng)力場(chǎng)等分布的基礎(chǔ)上建立的，是地下水資源分析評(píng)價(jià)的基礎(chǔ)和依據(jù)。

根據(jù)地質(zhì)結(jié)構(gòu)與構(gòu)造以及水文地質(zhì)條件，按以下目的進(jìn)行概化。

系統(tǒng)分區(qū)：根據(jù)地下水類型，含水層巖性、富水特征、水循環(huán)條件等特征。平原區(qū)含水層介質(zhì)相對(duì)單一等，較小的區(qū)域可以簡(jiǎn)化分區(qū)。

系統(tǒng)邊界：根據(jù)水文地質(zhì)特征等要求，明確各分層的邊界條件，對(duì)不同的分析單元給出具體的邊界特性值，補(bǔ)給、徑流、排泄方式。

含水層介質(zhì)：明確各含水層巖性，對(duì)含水層介質(zhì)分類。平原區(qū)域可適當(dāng)簡(jiǎn)化。

地下水動(dòng)力特征：地下水水動(dòng)力模型可按《水力學(xué)》論述滲流理論建立，必要時(shí)也可按流體力學(xué)理論分析。

總之，建立水文地質(zhì)模型是比較復(fù)雜的過(guò)程，必須熟練掌握和分析地質(zhì)與水文地質(zhì)的條件，才能更準(zhǔn)確地，更符合分析區(qū)域的實(shí)際，也才能精度更高的論證地下水的補(bǔ)給、徑流、排泄規(guī)律，從而得到更精確分析計(jì)算成果。

3.水文地質(zhì)參數(shù)確定

3.1 基本情況

基本情況是水資源分析論證的最基礎(chǔ)資料，必須認(rèn)真調(diào)查分析，應(yīng)從以下幾個(gè)方面調(diào)查清楚。

一是自然地理和水文氣象資料。這里包括地理位置與地形，區(qū)域范圍內(nèi)的土壤情況，氣象水文情況以及河川水系、水利工程等情況。二是地質(zhì)和水文地質(zhì)情況，正確分析地質(zhì)報(bào)告和水文地質(zhì)報(bào)告，建立水文地質(zhì)的宏觀概念。三是用水狀況和水利工程現(xiàn)狀，水庫(kù)、河流的參數(shù)，工農(nóng)業(yè)以及生活取用情況。四是社會(huì)經(jīng)濟(jì)情況以及技術(shù)條件。工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)水平、農(nóng)業(yè)種植面積、農(nóng)作物種類、畜牧家庭養(yǎng)殖等情況，生產(chǎn)狀況道路以及規(guī)劃情況。

3.2 水文地質(zhì)參數(shù)

水文地質(zhì)參數(shù)是分析地下水的關(guān)鍵數(shù)據(jù)，直接關(guān)系到地下水資源分析計(jì)算成果的精度，是地下水分析計(jì)算的基礎(chǔ)。

水文地質(zhì)參數(shù)的確定方法隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)、水文地質(zhì)等情況的調(diào)查，以地下水含水介質(zhì)、水動(dòng)力情況確定，一般有以下參數(shù)需認(rèn)真分析確定：

一是滲透系數(shù)k（水力坡度為1時(shí)的滲透速度）：滲透系數(shù)確定一般采用經(jīng)驗(yàn)值法和野外抽水試驗(yàn)

二是給水度μ（給水系數(shù)）：在重力作用下能自由排出的水體積與巖土體積之比。一般采用經(jīng)驗(yàn)值而定。相關(guān)書籍中均有給出數(shù)值。

三是降水入滲補(bǔ)給系數(shù)α：降水入滲補(bǔ)給地下水量與降水量之比值。確定方法有統(tǒng)計(jì)法和經(jīng)驗(yàn)值法，一般采用經(jīng)驗(yàn)值而定。

四是灌溉入滲補(bǔ)給系數(shù)、渠系滲漏補(bǔ)給系數(shù)、潛水蒸發(fā)系數(shù)、井灌區(qū)回歸系數(shù)、彈性釋水系數(shù)，越流系數(shù)中的各種水文參數(shù)等。各種系數(shù)根據(jù)水文地質(zhì)模型概化情況，按需分別確定。確定方法一般有兩種：一種是經(jīng)驗(yàn)數(shù)值法，這種方法在水文地質(zhì)相關(guān)書籍中均有經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)；另一種是理論計(jì)算法，這種計(jì)算方法需要的水文地質(zhì)資料較完善才能確定下來(lái)。多數(shù)采用經(jīng)驗(yàn)數(shù)值法，也能滿足一般的要求。

總之，水文地質(zhì)參數(shù)的確定是地下水資源分析計(jì)算的主要參數(shù)，不論用什么計(jì)算法法選取，符合區(qū)域水文地質(zhì)情況是關(guān)鍵環(huán)節(jié)，關(guān)系到分析計(jì)算成果的準(zhǔn)確與否，在確定選擇過(guò)程中應(yīng)認(rèn)證考慮各種因素的影響，盡量按照與實(shí)際情況。

4.地下水資源允許開采量計(jì)算

按地下水資源水量均衡方法，地下水資源量主要有3部分組成，第1部分補(bǔ)給量，第2部分分排泄量，第3部分多可變儲(chǔ)存量。

4.1 補(bǔ)給量

按水量均衡法的要求，把補(bǔ)給量分為側(cè)向補(bǔ)給量和垂向補(bǔ)給量。

垂向補(bǔ)給量：垂向補(bǔ)給量包括降水入滲補(bǔ)給量，灌溉田間補(bǔ)給量、區(qū)域內(nèi)渠道滲漏補(bǔ)給量、井灌區(qū)回歸補(bǔ)給量、越流補(bǔ)給量等。上述量之和為垂向補(bǔ)給量。各種補(bǔ)給量計(jì)算方法、在相關(guān)書籍中都有具體計(jì)算方法。

側(cè)向補(bǔ)給量：其中包括河道滲透補(bǔ)給量，水庫(kù)、湖泊、閘壩蓄水滲漏補(bǔ)給量，山前側(cè)向補(bǔ)給量等。

4.2 排泄量

垂向排泄量：按水量均衡的要求，這里面可以包括蒸發(fā)量和泉水溢出量以及越流排泄量等自然排泄的量。這些排泄量應(yīng)從允許開采量中扣除或可以計(jì)為允許開采量的一部分。

側(cè)向排泄量：包括區(qū)域邊界排泄量，補(bǔ)給河道滲流量等側(cè)向排泄量。

4.3 可變儲(chǔ)存量含（水層調(diào)節(jié)儲(chǔ)量）

地下含水層的儲(chǔ)存量類似水庫(kù)的興利調(diào)節(jié)量，可以調(diào)節(jié)豐枯期的用水量。

可變儲(chǔ)量：Q=μFΔh

式中：Δh為均衡期為一年的水位允許變化值。

以上這些計(jì)算成果值代入開采狀態(tài)下的水量均衡方程中，既可求出區(qū)域地下水允許開采量。

5.結(jié)語(yǔ)

一是深刻領(lǐng)會(huì)水量均衡方法的實(shí)質(zhì)，在計(jì)算地下水允許開采量時(shí)，是把允許開采量作為垂向消耗量的一項(xiàng)。水量均衡方程的各種表現(xiàn)形式，其實(shí)質(zhì)是一樣的，弄清其中的概念問題。

二是根據(jù)地質(zhì)和水文地質(zhì)情況，建立符合實(shí)際的水文地質(zhì)概化模型，從而準(zhǔn)確地確定水文地質(zhì)參數(shù)和邊界條件。

三是側(cè)向補(bǔ)給與排泄、垂向補(bǔ)給與排泄量可變的，不同情況下，判定其屬性更準(zhǔn)確的利用水量均衡方程。

四是充分調(diào)查和分析區(qū)域內(nèi)的基本情況，尤其是區(qū)域地下水開發(fā)利用現(xiàn)狀，水文地質(zhì)災(zāi)害情況，地下水質(zhì)變化情況等，都以地下水開采情況聯(lián)系起來(lái)分析。

五是必要時(shí)可用其它方法對(duì)其計(jì)算成果進(jìn)行核實(shí)，分析其計(jì)算成果的準(zhǔn)確性。