水量均衡法分析计算平原区域地下水允许开采量

□郑 星

地下水允许开采量是指在经济合理、技术可行且利用后不会造成地下水位持续下降、水质恶化、海水侵入、地面沉降等环境地质问题和不对生态环境造成不良影响的前提下，允许从地下含水层中取出的最大量，是地下水开发利用、资源优化配置重要依据，也是水资源评价，建设项目水资源论证等工作核心评价指标。其分析计算的方法很多种，有水量均衡法、水文分析法、开采试验法、解析法、数值法等，在地下水资源分析的工作中，可根据基础资料的掌握情况，工作精度、分析目的、技术手段等选择一种方法或几种方法结合分析计算，其中水量均衡法对于论证评价与大气降水和地表水体有紧密水力关系和直接联系的区域浅层地下水分析计算，具有其理论概念清楚、基础资料要求较简单、工作量较少、适应性强的优点，是评价地下水资源最基本、最常用的方法，其精准度也能满足平原区域地下水允许开采量的要求。为此，仅就多年的工作经验，浅谈几点利用水量均衡法计算平原区域地下水允许开采量的具体操作和体会。

1.水量均衡法的基本原理

理论论述为在任一时段内补给量与排泄量之差恒等于含水层系统中的水体积的变化量。

水量均衡方程式可表示为：

Q补-Q排＝均衡分两种情况，天然情况下，地下水储变量0，则均衡方程：

Q补＝Q排

开采情况下，按允许开采量要求，合理的消耗型开采动态的水均衡方程：

式中：Q补.ΔQ补—补给量和开采情况下的补给增加量；

Q排.ΔQ排—排泄量和开采情况下的排泄减少量；

Δh—均衡期地下水位允许变化水位；

Δt—均衡期一般为1年或1个水文年；

由开采状态的允许开采量公式看出，允许开采量有3部分组成。第1部分为补给增量（称袭夺量），第2部分为排泄减少量，第3部分为储变量。

为了操作更清楚便捷，对地下水允许开采量作为消耗量的1项来分析，则开采状态下的水量均衡方程为：

式中：（Q侧补-Q侧排）—侧向补给量与侧向排泄量之差；

（Q垂补-Q允许）—垂向补给量与垂向排泄量（允许开采量）之差；

其他符合与前同。

由此可以看出，浅层含水层（第四纪松散沉积物潜水含水层）的允许开采量的意义很明确了，操作起来也很方便适应了。

2.水文地质模型概化

水文地质概念模型是全面系统分析含水介质的岩性特征以及地下水补给、径流、排泄等水循环条件，水化学场、水动力场等分布的基础上建立的，是地下水资源分析评价的基础和依据。

根据地质结构与构造以及水文地质条件，按以下目的进行概化。

系统分区：根据地下水类型，含水层岩性、富水特征、水循环条件等特征。平原区含水层介质相对单一等，较小的区域可以简化分区。

系统边界：根据水文地质特征等要求，明确各分层的边界条件，对不同的分析单元给出具体的边界特性值，补给、径流、排泄方式。

含水层介质：明确各含水层岩性，对含水层介质分类。平原区域可适当简化。

地下水动力特征：地下水水动力模型可按《水力学》论述渗流理论建立，必要时也可按流体力学理论分析。

总之，建立水文地质模型是比较复杂的过程，必须熟练掌握和分析地质与水文地质的条件，才能更准确地，更符合分析区域的实际，也才能精度更高的论证地下水的补给、径流、排泄规律，从而得到更精确分析计算成果。

3.水文地质参数确定

3.1 基本情况

基本情况是水资源分析论证的最基础资料，必须认真调查分析，应从以下几个方面调查清楚。

一是自然地理和水文气象资料。这里包括地理位置与地形，区域范围内的土壤情况，气象水文情况以及河川水系、水利工程等情况。二是地质和水文地质情况，正确分析地质报告和水文地质报告，建立水文地质的宏观概念。三是用水状况和水利工程现状，水库、河流的参数，工农业以及生活取用情况。四是社会经济情况以及技术条件。工农业生产水平、农业种植面积、农作物种类、畜牧家庭养殖等情况，生产状况道路以及规划情况。

3.2 水文地质参数

水文地质参数是分析地下水的关键数据，直接关系到地下水资源分析计算成果的精度，是地下水分析计算的基础。

水文地质参数的确定方法随着社会经济、水文地质等情况的调查，以地下水含水介质、水动力情况确定，一般有以下参数需认真分析确定：

一是渗透系数k（水力坡度为1时的渗透速度）：渗透系数确定一般采用经验值法和野外抽水试验

二是给水度μ（给水系数）：在重力作用下能自由排出的水体积与岩土体积之比。一般采用经验值而定。相关书籍中均有给出数值。

三是降水入渗补给系数α：降水入渗补给地下水量与降水量之比值。确定方法有统计法和经验值法，一般采用经验值而定。

四是灌溉入渗补给系数、渠系渗漏补给系数、潜水蒸发系数、井灌区回归系数、弹性释水系数，越流系数中的各种水文参数等。各种系数根据水文地质模型概化情况，按需分别确定。确定方法一般有两种：一种是经验数值法，这种方法在水文地质相关书籍中均有经验数据；另一种是理论计算法，这种计算方法需要的水文地质资料较完善才能确定下来。多数采用经验数值法，也能满足一般的要求。

总之，水文地质参数的确定是地下水资源分析计算的主要参数，不论用什么计算法法选取，符合区域水文地质情况是关键环节，关系到分析计算成果的准确与否，在确定选择过程中应认证考虑各种因素的影响，尽量按照与实际情况。

4.地下水资源允许开采量计算

按地下水资源水量均衡方法，地下水资源量主要有3部分组成，第1部分补给量，第2部分分排泄量，第3部分多可变储存量。

4.1 补给量

按水量均衡法的要求，把补给量分为侧向补给量和垂向补给量。

垂向补给量：垂向补给量包括降水入渗补给量，灌溉田间补给量、区域内渠道渗漏补给量、井灌区回归补给量、越流补给量等。上述量之和为垂向补给量。各种补给量计算方法、在相关书籍中都有具体计算方法。

侧向补给量：其中包括河道渗透补给量，水库、湖泊、闸坝蓄水渗漏补给量，山前侧向补给量等。

4.2 排泄量

垂向排泄量：按水量均衡的要求，这里面可以包括蒸发量和泉水溢出量以及越流排泄量等自然排泄的量。这些排泄量应从允许开采量中扣除或可以计为允许开采量的一部分。

侧向排泄量：包括区域边界排泄量，补给河道渗流量等侧向排泄量。

4.3 可变储存量含（水层调节储量）

地下含水层的储存量类似水库的兴利调节量，可以调节丰枯期的用水量。

可变储量：Q=μFΔh

式中：Δh为均衡期为一年的水位允许变化值。

以上这些计算成果值代入开采状态下的水量均衡方程中，既可求出区域地下水允许开采量。

5.结语

一是深刻领会水量均衡方法的实质，在计算地下水允许开采量时，是把允许开采量作为垂向消耗量的一项。水量均衡方程的各种表现形式，其实质是一样的，弄清其中的概念问题。

二是根据地质和水文地质情况，建立符合实际的水文地质概化模型，从而准确地确定水文地质参数和边界条件。

三是侧向补给与排泄、垂向补给与排泄量可变的，不同情况下，判定其属性更准确的利用水量均衡方程。

四是充分调查和分析区域内的基本情况，尤其是区域地下水开发利用现状，水文地质灾害情况，地下水质变化情况等，都以地下水开采情况联系起来分析。

五是必要时可用其它方法对其计算成果进行核实，分析其计算成果的准确性。