均衡法与解析法在地下水资源评价中的应用分析

张旭东，田国林

(1.安徽省地质矿产勘查局第一水文工程地质勘查院，安徽 蚌埠 233000；2.长安大学环境科学与工程学院，陕西 西安 710054；3.陕西地矿九〇八水文地质工程地质大队，陕西 西安 710600)

均衡法与解析法在地下水资源评价中的应用分析

张旭东1，田国林2，3

(1.安徽省地质矿产勘查局第一水文工程地质勘查院，安徽 蚌埠 233000；2.长安大学环境科学与工程学院，陕西 西安 710054；3.陕西地矿九〇八水文地质工程地质大队，陕西 西安 710600)

[摘要]均衡法是地下水资源评价的常规方法，解析法作为一种基于地下水动力学的评价方法也时常被采用。用两种方法对利辛县地下水资源进行评价中，分析得出，均衡法原理明确，对各收支项数据的掌握程度要求较高，在各收支项数据充足准确的条件下便于计算，但由于有些收支项数据采集难度大，准确度不高，造成评价结果误差较大；解析法理论严密，对水文地质条件要求苛刻，当各条件均能较好的满足公式假定条件时计算结果精确度高，但当各条件不能很好满足假定条件时，评价结果也误差较大。因此，尝试在进行均衡计算的同时进行解析计算，将两种方法计算的结果进行对比分析，优势互补，可提高地下水资源评价的质量。

[关键词]地下水资源评价；均衡法；解析法；利辛县

水是人类及其他生物赖以生存的物质条件。地下水作为水资源的重要组成部分，发挥着巨大的作用，尤其在我国北方广大平原地区。据估算，北方平原区地下水资源共约1 500亿 m3，占全国平原地区地下水资源的 78%，地下水已成为北方地区城市生活和工农业用水的重要供水水源[1]。随着社会的发展，需水量与日俱增，水资源供需矛盾日益突出，为了使人们认识水资源紧缺的严峻形势，树立人人珍惜和保护水资源的意识，运用正确、科学的方法对有开发利用价值的地下水资源量的多寡作出评价这对工农业生产战略决策的制订具有指导意义[2]。地下水资源量评价的目的是为了查清地下水资源时空分布特征、水文地质条件、含水层富水性、水循环特征等信息，为合理开发利用地下水资源提供科学方法[3]。计算地下水允许开采量(可开采量)是地下水资源评价的核心问题。地下水允许开采量的大小，主要取决于补给量，还与开采的技术经济条件及开采方案有关。由于水文地质条件的差异及不同，勘查阶段获得的水文地质资料丰富程度程度不一，以及对成果的要求精度不同，可采用不同的计算方法[4]。在地下水资源评价中采用不同的方法进行对比分析，互为论证，可以提高地下水资源评价的质量。

1资料及研究方法

1.1研究区概况

研究区位于安徽省利辛县境内，范围包括城区及其周边，面积约50 km2。地势平坦，总体由西北向东南微倾，高程25.0～28.6 m。地貌单元属于堆积平原，微地貌类型为泛滥坡平地和泛滥微高地，地表岩性为第四系全新统冲洪积粉土、粉质粘土；利辛县属暖温带半湿润季风气候，春秋温和少雨，夏季炎热多雨，年平均气温14.6℃，多年平均降水量842 mm，年内降水多集中在6～8月份，约占全年降水的50%，而11月份至翌年2月份占全年降水量的13%，多年平均蒸发量1 161.8 mm，5～8月蒸发强烈，约占全年蒸发量的49%；地表水系隶属于淮河水系，茨淮新河、西淝河及阜蒙河是境内的三条主要河流，其中茨淮新河及阜蒙河为人工河流，西淝河为境内最大天然河流，另有大中灌渠70余条，组成纵横交错的灌排网络。

1.2水文地质条件

研究区地下水类型分为松散岩类孔隙水、碎屑岩类裂隙水及碳酸盐岩类裂隙水。其中浅层松散岩类孔隙水、中层松散岩类孔隙水、碎屑岩类裂隙水和碳酸盐岩类裂隙水富水性均较弱，深层松散岩类孔隙水富水性强。300 m以浅的松散岩类含水层组可划分为三个含水层组，分别为浅层含水层组，中部弱含水层组(隔水层)和深层含水层组。其中浅层含水层组主要由上更新统(Q3)粉质粘土、粉土及粉细砂层组成，含水砂层顶板埋深9～28 m，底板埋深50～60 m；中部弱含水层组(隔水层)主要由中下更新统(Q1-2)粉质粘土、粘土夹薄层粉细砂组成，总体上富水性弱、透水性较差，顶板埋深大约为48～55 m，底板埋深大约为83～123 m；深层含水层组主要由上第三系(N)粉质粘土、粉砂、中细砂和粗砂组成，含水层组顶板埋深83～123 m，由于受上覆厚层弱含水层组之覆盖，具承压性，地下水补给条件相对较差，致使深层含水层组呈半封闭的地下水含水系统。

浅层含水层组地下水埋藏浅，直接接受大气降水入渗补给，与地表水联系密切，垂向交替强烈，径流途径短，排泄方式有蒸发、人工开采和径流补给地下水，开采程度低，开采量不大，其水位变化主要受降水入渗及蒸发控制，呈现出入渗—蒸发型动态特征；深层地下水主要接受来自上游的侧向径流补给和上覆浅层含水层的局部越流补给，人工开采为主要排泄方式，水位变化呈现出明显的开采型动态特征。

1.3研究方法

研究方法采用水量均衡法与解析法分别计算深层含水层组地下水可开采量进行对比分析。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。解析法是直接选用地下水动力学的井流公式进行地下水资源计算的常用方法[5]。

1.3.1模型概化

根据水文地质条件，300 m以浅水文地质结构可概化分为浅层含水层组、中层弱含水层组(隔水层)和深层含水层组三层结构，可建立如图1所示的水文地质概念模型。

图1　水文地质概念模型

1.3.2边界处理

因浅层地下水与地表水，大气降水交替强烈，故顶部边界视为开放边界；深层含水层组的底部地层(410 m以下)已胶结，地下水运动微弱，故处理为隔水边界；由于侧向径流量不大，保证程度低且计算过程中视邻区以同等强度开采，故将浅层水周边界处理零通量边界，深层水为具一定水力坡度的侧向补给边界。由于河床岩性多以粉质粘土为主，故河流边界处理为弱透水边界。

2地下水可开采量计算

2.1均衡法

(1)计算公式

Q补给量=Q侧补+Q越流

(6)

Q越流=K弱·ΔH/M·A

(7)

Q侧补=L·I·T

(8)

式中：Q越流为浅层地下水通过中间弱透水层越流补给深层地下水量(m3/d)；Q侧补为邻区深层地下水侧向补给开采影响区的地下水量(m3/d)；K弱为弱透水层渗透系数(m/d)，取7.8×10-5m/d；ΔH为深、浅含水层水头差(m)，取15 m；M为弱含水层厚度(m)，取55 m；A为漏斗面积(m2)，取1.01×109m；L为边界周长(m)，取1.13×105m；I为地下水水力坡度，取1/500；T为导水系数(m2/d)，取300 m2/d。

(2)计算结果

将各参数代入公式计算，可供开采的深层地下水资源量为8.92×104m3/d，具体计算结果如表2所示。

2.2解析法

(1)计算公式

根据地下水概化模型，含水层组为顶板为弱透水层组，底板为绝对隔水层组。据此确定含水层组采用水动力学法计算，假定研究区单井以l的距离呈网络状分布，每个水井位于每个小网格的中心，所有水井假定同时投产，各井开采量相等，并在开采期间内流量保持不变，设计开采期限可为若干年，开采期末的动水位埋深不超过现有降水漏斗中心的水位埋深。每井的开采水量的计算公式[7]为：

(8)

总可开采量：

(9)

含水层组采用面状井群非稳定流承压井群涌水量概算公式计算，即为大量井呈面状分布在无限含水层中，各井流量不同，呈无规则分布，各井同时开始抽水，每个井在开采过程中流量不变，每个井均分布在无限含水层中，设计开采期限可为若干年，开采期末的动水位埋深不超过现有降水漏斗中心的水位埋深。计算公式[7]如下：

(10)

表2　深层地下水允许开采量一览表

(2)参数选择

①渗透系数K、弹性释水系数μ*、给水度μ

渗透系数K采用抽水试验结果，为1.235 m/d；

弹性释水系数μ*参照已有资料，取 1.2×10-3；

②含水层厚度M、水位降深SA

含水层厚度M采用研究区内砂层总厚度的平均值，设定为138 m。

根据区域地质资料，含水层组地下水水位埋深采用20 m，假定工作区开采期末的地下水水位埋深45 m。据此确定工作区第三含水层组任意点水位降深SA为25 m。

③工作区面积F、引用井群影响半径R0、单井抽水影响半径R

工作区面积在1：10 000的地形图上量取，其中总面积F为50 km2。

④水井过滤器长度l、非完整井引起的补充水流阻力ξ

计算中均采用承压含水井，故水井过滤器长度l设定为含水层组的总厚度，据此确定非完整井引起的补充水流阻力ξ取值为0。

⑤单井涌水量Q、水井半径rw

根据调查利辛县城现有水井，单井涌水量Q采用1 960 m3/d，水井半径统一采用目前利辛县城最常见的水井口径，半径rw为150 mm。

(3)计算结果

将上述水文地质参数代入公式进行概算，概算得出：在保持水位降落漏斗中心的地下水水位埋深不大于45米的情况下，开采5年时，其可开采资源量82 100 m3/d，开采10 a，可开采资源量为80 092 m3/d；在不考虑水位降深的情况下，按82 000 m3/d来开采，预测含水层组地下水水位在5 a后达25 m，10 a后水位为30 m，20 a后水位将达45 m。综合上述概算结果，工作区内中深含水层组能够长期接受浅层含水层组的长期越流补给，其可开采量基本能达到82 000 m3/d以上，基本满足近期开采规模。

3应用对比分析

(1)均衡法以水量均衡理论为基础，理论明确，计算公式简单，计算精度可粗

细；解析法以地下水动力学理论为基础，理论严密，计算公式复杂，精度较高。

(2)均衡法采用浅层含水层向深层含水层越流补给量与深层含水层边界侧向补给量之和来估算深层含水层可开采量；解析法采用非稳定流面状承压井群涌水量来近似估算深层含水层可开采量。

(3)均衡法对于浅层含水层向深层含水层的补给量采用越流公式计算，解析法采用经推导非稳定井流公式整合计算。

(4)均衡法计算可开采量为8.92×104m3/d，解析法为8.21×104m3/d，可以看出，均衡法计算结果较大，考虑到解析法理论严密，精度较高，因此采用解析法计算结果，均衡法计算结果作为论证。

4结语

均衡法作为地下水资源评价的常规方法，计算优势明显，但计算精度不好控制；解析法虽然计算复杂，但能较好的保证计算精度，且能对水源地不同开采状态下的水位进行预测，取得了水源地调节计算的效果。因此在运用均衡法进行地下水资源评价的同时，又采用解析法评价，弥补了均衡法的不足，又能很好地论证解析法计算的结果。较好的提高地下水资源评价的质量。

参考文献

[1]陈梦熊，马凤山.中国地下水资源与环境[M].北京：地震出版社.2002.

[2]翟公敏，魏宪昌.地下水资源评价方法研究[J].水文.1995.06.38-40+25.

[3]林坜，雷晓东，杨峰.地下水资源评价方法—水量均衡法的探讨[J].北京水务.2011.02.

[4]蒋辉，郭训武，等．专门水文地质学[M]．北京:地质出版社．2007.133.

[5]曹剑锋，等．专门水文地质学[M]．北京:科学出版社．2006.118-13.

[6]王淑华.介绍几种计算河流渗漏补给量的公式[J].地下水.1985.01.52-54.

[7]地质矿产部水文地质工程地质技术方法研究队.水文地质手册[M].北京：地质出版社.1978.711-715.

Contrast Analysis between Balance and Analytic Method for Groundwater Resources Evaluation

ZHANG Xu-dong1，Tian Guo-lin2，3

(1.The 1st Institute of Hydrology and Engineering Geological Prospecting,Anhui Geology and Minerals Prospecting bureau，Bengbu 233000,Anhui；2.School of Environment Science and Technology Chang′an University，Xi′an 710054 Shaanxi；3.Shaanxi Geology and Minerals 908 Team of Hydrogeology and Engineering Geology，Xi’an 710600,Shaanxi)

Abstract:Balance method is a normal method of groundwater resources evaluation, analytical method as an evaluation method based on groundwater dynamics is also often used. Comparing the two methods in the application of groundwater resources evaluation in Lixincounty.The result shows balance methodis explicit on principles and requires detailed data of balance items,it is easy to calculate when the data are sufficient and accurate, whereas some balance items data are difficult to collect and not very accurate,so error produced.Theory of analytic method is closely and demanding for hydro-geological conditions,when all the conditions better meet the assumed conditions of formula,the result will be more precision , but if it cannot well satisfy the conditions ,the evaluation results error is bigger.Therefore, trying to calculate with the analytical method while with balance method and then compare their result , which can bring complementary advantages and improve the quality of groundwater resources evaluation.

Key words:Groundwater resources evaluation；balance method；analytic method；Lixin county

[收稿日期]2016-03-20

[作者简介]张旭东(1986-)，男，安徽庐江人，助理工程师，主要从事水文地质、工程地质工作。

[中图分类号]P641.8

[文献标识码]A

[文章编号]1004-1184(2016)03-0012-03