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地下水资源管理培训教材


地下水资源管理 培训教材
(试用稿)

水利部水资源管理中心 2008 年 12 月

目录


第一章



地下水资源管理概论 ............................ 1

第一节 地下水资源管理的涵义 ....

......................................................................................... 1 一、地下水资源的概念 ........................................................................................................... 1 二、地下水资源管理的涵义 ................................................................................................... 1 第二节 我国地下水资源及其开发利用概况 ......................................................................... 2 一、我国地下水资源及其开发利用状况 ............................................................................... 2 二、地下水对保障饮水安全、经济安全和生态安全具有重要作用 ................................... 3 第三节 地下水资源管理主要内容 ......................................................................................... 4 第四节 我国地下水资源管理历史沿革及工作进展 ............................................................. 6 一、我国地下水开发利用的历史 ........................................................................................... 6 二、我国现代地下水资源开发利用管理的发展 ................................................................... 6 三、我国地下水管理工作进展 ............................................................................................... 8 第五节 当前我国地下水资源管理面临的挑战 ..................................................................... 9

第二章

地下水资源管理基础知识 ....................... 13

第一节 基本概念 ................................................................................................................... 13 一、岩土的空隙性 ................................................................................................................. 13 二、地下水在岩土中存在的形式 ......................................................................................... 14 三、岩土的水力特性 ............................................................................................................. 15 第二节 地下水的基本类型及其特征 ................................................................................... 18 一、不同埋藏条件下的地下水 ............................................................................................. 18 二、不同含水介质中的地下水 ............................................................................................. 24 第三节 地下水物理性质与化学成分 ................................................................................... 32 一、地下水物理性质 ............................................................................................................. 32 二、地下水化学成分 ............................................................................................................. 33 第四节 地热水....................................................................................................................... 38 一、地热水的物理特征 ......................................................................................................... 38 二、地热水的化学特征 ......................................................................................................... 39 三、地热水的化学成分 ......................................................................................................... 40 四、我国地热水的基本类型及其分布特征 ......................................................................... 40 五、地热水的开发利用 ......................................................................................................... 40 第五节 矿泉水....................................................................................................................... 41 一、饮用矿泉水..................................................................................................................... 41 二、我国饮用矿泉水标准 ..................................................................................................... 42 三、矿泉水的形成条件及其分布 ......................................................................................... 43 第六节 地下水运动的基本定律 ........................................................................................... 43 一、渗流的基本概念 ............................................................................................................. 43 二、渗透基本定律 ................................................................................................................. 44 三、含水层中地下水稳定流运动 ......................................................................................... 46 四、地下水向井的稳定流运动 ............................................................................................. 47 第七节 地下水的转化、动态和均衡 ................................................................................... 49 一、地下水的转化系统 ......................................................................................................... 50 二、大气降水与地下水的相互转化 ..................................................................................... 50 三、地表水与地下水的相互转化 ......................................................................................... 51 四、地下水的其它转化 ......................................................................................................... 52
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地下水资源管理教材

五、地下水的径流交替 ......................................................................................................... 52 六、地下水动态与均衡 ......................................................................................................... 52 七、人类活动对水资源的影响 ............................................................................................. 53

第三章

地下水资源调查评价 ........................... 55

第一节 区域地下水资源评价的任务与原则 ....................................................................... 55 一、工作回顾与简介 ............................................................................................................. 55 二、地下水资源评价的任务 ................................................................................................. 55 三、地下水资源评价的原则 ................................................................................................. 56 第二节 区域地下水资源调查评价内容 ............................................................................... 57 一、地下水水量评价内容 ..................................................................................................... 57 二、地下水水质评价内容 ..................................................................................................... 61 第三节 地下水资源量评价方法 ........................................................................................... 62 一、水均衡法......................................................................................................................... 62 二、解析法............................................................................................................................. 65 三、数值法............................................................................................................................. 66 四、随机模型法..................................................................................................................... 67 五、开采试验法..................................................................................................................... 68 六、地下水文分析法 ............................................................................................................. 68 第四节 地下水水质评价方法简介 ....................................................................................... 70 一、单因子评价方法 ............................................................................................................. 71 二、综合指数法..................................................................................................................... 71 三、人工神经网络模型 ......................................................................................................... 71 四、模糊综合评判法 ............................................................................................................. 71 五、灰色聚类法..................................................................................................................... 71 第五节 地下水资源量调查评价工作程序 ........................................................................... 72 一、准备工作......................................................................................................................... 72 二、基本资料收集整理 ......................................................................................................... 72 三、评价区划分..................................................................................................................... 72 四、水文地质参数的率定 ..................................................................................................... 72 五、地下水矿化度分区的确定 ............................................................................................. 73 六、平原区地下水资源量计算 ............................................................................................. 73 七、山丘区地下水资源量计算 ............................................................................................. 73 八、评价分区汇总计算 ......................................................................................................... 74 九、评价成果的表达 ............................................................................................................. 74 十、地下水管理者在评价中的主要工作 ............................................................................. 74 第六节 供水水文地质勘察 ................................................................................................... 76 一、供水水文地质勘察概述 ................................................................................................. 76 二、供水水文地质测绘 ......................................................................................................... 78 三、供水水文地质钻探 ......................................................................................................... 82 四、供水管井结构设计 ......................................................................................................... 84 五、水文地质试验 ................................................................................................................. 85

第四章

地下水资源规划 ............................... 89

第一节 地下水资源开发利用规划的原则与内容 ............................................................... 89 第二节 地下水资源规划内容 ............................................................................................... 90 一、地下水资源调查评价 ..................................................................................................... 90 二、地下水资源开发利用现状评价 ..................................................................................... 91 三、水资源需求预测 ............................................................................................................. 91
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目录

四、水资源供水潜力分析与预测 ......................................................................................... 92 五、水资源供需平衡分析 ..................................................................................................... 92 六、未超采区地下水开发利用规划 ..................................................................................... 92 七、超采区地下水保护规划 ................................................................................................. 93 第三节 地下水资源规划工作程序 ....................................................................................... 93 一、规划大纲及技术细则的编写 ......................................................................................... 93 二、规划编写的组织与协调 ................................................................................................. 93 三、规划内容的编写 ............................................................................................................. 94 四、规划成果的咨询与完善 ................................................................................................. 94 五、规划验收与鉴定 ............................................................................................................. 94 六、规划的报批与实施 ......................................................................................................... 94 第四节 地下水资源规划编制 ............................................................................................... 94 一、地下水资源调查评价 ..................................................................................................... 94 二、地下水资源开发利用现状评价 ..................................................................................... 95 三、水资源供需分析 ............................................................................................................. 95 四、未超采区地下水开发利用规划 ..................................................................................... 95 五、超采区地下水保护规划 ................................................................................................. 96 第五节 地下水功能区划 ....................................................................................................... 96 一、概 述............................................................................................................................... 96 二、地下水功能区划分原则 ................................................................................................. 97 三、地下水功能区划分方法 ................................................................................................. 97 四、地下水功能区管理政策 ............................................................................................... 100 五、地下水功能区监督 ....................................................................................................... 101 六、地下水功能区管理存在的问题与建议 ....................................................................... 102 第六节 地下水资源规划组织实施 ..................................................................................... 103 一、明确实施的主体 ........................................................................................................... 103 二、明确规划的实施重点 ................................................................................................... 103 三、制定实施方案 ............................................................................................................... 103 四、规划实施的保障措施 ................................................................................................... 104

第五章

地下水资源保护 .............................. 107

第一节 概述......................................................................................................................... 107 第二节 地下水超采区治理 ................................................................................................. 108 一、地下水超采区划定 ....................................................................................................... 108 二、地下水超采区治理方案和技术路线 ........................................................................... 110 第三节 地下水水源地保护 ................................................................................................. 113 一、城市集中供水水源地的保护 ....................................................................................... 114 二、农村分散式供水水源地的保护 ................................................................................... 114 第四节 矿产资源开发区地下水保护 ................................................................................. 115 一、排水利用....................................................................................................................... 115 二、排水管理....................................................................................................................... 116 三、水质保护....................................................................................................................... 116 第五节 地下水污染预防 ..................................................................................................... 116 一、地下水污染机理 ........................................................................................................... 117 二、地下水质保护理论基础 ............................................................................................... 119 三、地下水污染预防的主要措施 ....................................................................................... 122 第六节 地下水人工补给 ..................................................................................................... 124 一、地下水人工补给的任务 ............................................................................................... 124 二、地下水人工补给的作用 ............................................................................................... 124 三、地下水人工补给的类型 ............................................................................................... 126
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地下水资源管理教材

四、国外的地下水人工补给研究综述 ............................................................................... 126 五、国内的地下水人工补给研究综述 ............................................................................... 128

第六章

地下水资源管理 .............................. 129

第一节 概述......................................................................................................................... 129 一、目的与意义................................................................................................................... 129 二、地下水资源管理进程 ................................................................................................... 129 第二节 地下水取水总量与水位控制 ................................................................................. 131 一、地下水资源管理现状 ................................................................................................... 131 二、地下水取水总量的确定 ............................................................................................... 132 三、控制性关键水位 ........................................................................................................... 133 四、地下水管理分区 ........................................................................................................... 136 五、控制性关键水位的确定 ............................................................................................... 140 第三节 地下水红黄蓝管理策略 ......................................................................................... 145 一、红黄蓝区....................................................................................................................... 145 二、监督管理策略 ............................................................................................................... 145 第四节 建设项目水资源(地下水取水)论证管理 ......................................................... 146 第五节 地下水取水许可管理 ............................................................................................. 147 第六节 地下水资源费征收管理 ......................................................................................... 148 一、有关规定....................................................................................................................... 148 二、水资源费经济杠杆作用 ............................................................................................... 148 三、水资源费征收标准 ....................................................................................................... 149

第七章

地下水取水工程管理 .......................... 151

第一节 概述......................................................................................................................... 151 一、地下水资源开发利用现状 ........................................................................................... 151 二、地下水取水工程管理现状 ........................................................................................... 151 第二节 地下水取水工程施工监督管理 ............................................................................. 155 一、凿井资质管理 ............................................................................................................... 155 二、地下水取水工程设计与凿井施工方案审查 ............................................................... 156 三、地下水取水工程竣工验收 ........................................................................................... 157 第三节 地下水取水工程取水许可登记与档案管理 ......................................................... 157 一、地下水取水工程取水许可登记 ................................................................................... 157 二、地下水取水工程档案资料的管理 ............................................................................... 163 第四节 地下水取水工程登记、普查与准入管理 ............................................................. 164 一、地下水取水工程类型划分 ........................................................................................... 164 二、地下水取水工程登记普查 ........................................................................................... 164 三、加强地下水取水工程建设市场管理 ........................................................................... 165 四、地下水取水工程封存与压采管理 ............................................................................... 167 第五节 地下水库工程建设与管理 ..................................................................................... 167 一、地下水库工程的设计与建设 ....................................................................................... 167 二、地下水库工程管理 ....................................................................................................... 169

第八章

地下水监测与信息发布 ........................ 171

第一节 地下水监测必要性 ................................................................................................. 171 第二节 地下水监测站网布设与监测频次要求 ................................................................. 172 一、监测站网布设原则及重点 ........................................................................................... 172

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目录

二、监测站网分类、密度、频次及相关监测内容 ........................................................... 173 第三节 地下水信息发布及时间要求 ................................................................................. 179 一、地下水信息发布的必要性 ........................................................................................... 179 二、地下水信息发布的内容 ............................................................................................... 179 三、信息发布时间要求 ....................................................................................................... 180 第四节 做好地下水监测及信息发布工作的几点建议 ..................................................... 180

第九章

地下水资源管理新技术与方法 .................. 183

第一节 概 述..................................................................................................................... 183 一、地下水资源管理技术与方法 ....................................................................................... 183 二、地下水资源管理新技术与方法分类 ........................................................................... 183 第二节 地下水资源调查评价新技术与方法 ..................................................................... 183 一、GIS 技术在地下水资源评价中的应用 ....................................................................... 183 二、地下水环境质量评价的一种新方法———集对分析法 ........................................... 184 三、利用地下水 CFC 方法测定地下水年龄 ..................................................................... 185 四、利用同位素技术确定地下水循环深度 ....................................................................... 185 五、基于粒子群算法的地下水水质评价模型 ................................................................... 186 六、遗传神经网络模型在地下水质量评价中的应用 ....................................................... 187 七、体视化技术在地下水勘查评价中的应用 ................................................................... 189 八、突变理论在地下水环境风险评价中的应用 ............................................................... 190 九、地下水脆弱性评价方法 ............................................................................................... 191 第三节 地下水管理软件与模型 ......................................................................................... 194 第四节 地下水补源技术与地下水库 ................................................................................. 197 一、地下水人工回灌补源技术 ........................................................................................... 197 二、地下水人工补给方法 ................................................................................................... 198 三、地下水库....................................................................................................................... 199 第五节 地下水修复技术 ..................................................................................................... 200 一、地下水修复................................................................................................................... 200 二、地下水修复新技术 ....................................................................................................... 200 第六节 地下水监测 ............................................................................................................. 207 一、地下水监测................................................................................................................... 207 二、地下水监测技术与方法 ............................................................................................... 208 第七节 地下水勘查物探新技术 ......................................................................................... 210 一、地下水勘查物探方法 ................................................................................................... 210 二、地下水勘查物探新方法 ............................................................................................... 211

第十章

国外地下水资源开发利用与管理状况 ............ 213

第一节 地下水开发利用状况 ............................................................................................. 213 一、地下水开发状况 ........................................................................................................... 213 二、地下水利用状况 ........................................................................................................... 214 第二节 地下水开发利用存在问题 ..................................................................................... 215 一、地下水过量开采 ........................................................................................................... 216 二、地下水污染................................................................................................................... 217 三、地下水位偏高 ............................................................................................................... 218 第三节 国外地下水管理的体制 ......................................................................................... 218 一、韩国............................................................................................................................... 219 二、荷兰............................................................................................................................... 219 三、丹麦............................................................................................................................... 220 四、土耳其........................................................................................................................... 220
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地下水资源管理教材

五、德国............................................................................................................................... 220 六、美国............................................................................................................................... 221 七、澳大利亚....................................................................................................................... 221 八、英国............................................................................................................................... 221 九、法国............................................................................................................................... 221 第四节 地下水资源管理的主要措施 ................................................................................. 222 一、技术措施....................................................................................................................... 222 二、法律措施....................................................................................................................... 224 三、行政措施....................................................................................................................... 226 四、经济措施....................................................................................................................... 226 第五节 地下水管理实例研究 ............................................................................................. 227 一、地下水管理实例 1:美国亚利桑那州地下水管理 .................................................... 227 二、地下水管理实例 2:加拿大地下水资源管理 ............................................................ 237 三、地下水管理实例 3:墨西哥地下水管理 .................................................................... 240 四、地下水管理实例 4:以色列地下水管理 .................................................................... 242

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第一章 地下水资源管理概论

第一章
第一节

地下水资源管理概论
地下水资源管理的涵义 地下水资源管理的涵义 资源

水资源是不可替代的自然资源, 是人类生存与社会发展的重要物质基础。 在整个水资源 系统中,地下水是极其重要的组成部分。我国是一个水资源短缺、水旱灾害频繁的国家,水 资源与人口、耕地分布极不协调,特别是北方水少地多,水资源短缺,许多地区对地下水开 发利用产生极大的依赖性。近年来,随着人口增长或经济发展,地下水开采不合理、污染严 重以及由此引发的生态环境问题日趋加剧,受到了全社会的广泛关注。 国家高度重视地下水资源保护,近年来各级水行政主管部门积极理顺水资源管理体制, 依法加强水资源统一管理, 加强水资源评价规划等基础工作和地下水水资源论证和取水许可 管理,推进地下水超采区治理,取得了初步的成效。但从总体上看,我国地下水资源管理依 然较为薄弱,难以适应新形势下加强地下水保护的要求。因此,进一步加强地下水资源的管 理是变化着的生态环境要求,也是我国经济社会发展的的必然趋势。 在讨论地下水资源的管理之前,有必要了解地下水资源的概念和地下水资源管理的涵 义。

一、地下水资源的概念 地下水资源的概念
目前,世界上有关地下水资源的概念尚未统一,这里不去讨论这些问题。本文采用的地 下水资源的概念是我国在地下水资源分类分级标准(GB15218-94)中的定义,即:埋藏于 地表以下各种形式的重力水,其埋藏、富水性、水质等可为当前或未来的技术经济条件开发 利用,具有现实或潜在的经济意义。地下水资源具有流动和可恢复的特点,是水资源的重要 组成部分。地下水资源由补给资源和储存资源构成。 地下水资源是水资源的组成部分, 是构成并影响生态环境的重要因素。 地下水资源分布 广泛,不同区域富水性、补排关系、运动规律、供水价值差异很大,因此,管理上应有所侧 重。

二、地下水资源管理的涵义
(1)涵义 地下水资源管理是在充分了解地下水资源和开发利用状况以及动态变化的前提下, 运用 行政、法律、经济、技术、教育等手段,对地下水资源开发、利用和保护实施组织、协调、

地下水资源管理教材

监督, 实现地下水资源可持续利用和生态环境的有效保护。 这里地下水资源状况是指资源的 赋存、资源的数量和质量;开发利用状况不仅仅是开发利用量,还包括开发利用程度、机井 密度与状况、开发利用中出现的问题等等;动态包括水质、水位和水量的变化。 上述涵义可以理解为广义的地下水资源, 它不仅包括浅层地下水和深层承压水, 还包括 矿泉水、地热水、微咸水和卤水等。 (2)地下水管理工作内容 地下水资源管理是水行政主管部门的重要工作之一,它涉及地下水资源的评价、规划、 合理利用、科学分配、优化配置、地下水资源保护、超采区治理、地下水动态监测等工作。 通过地下水资源管理的实施, 实现科学合理的开发利用地下水资源, 支撑经济社会可持续发 展,保护水资源与生态环境,促进资源节约型环境友好型社会建设。 地下水资源的评价、规划、监测工作技术性强,科学领域广,而且是随时空变化而变化 的,因此带来了很多不确定因素;地下水资源的合理利用、科学分配、资源保护、开采出现 问题的治理,主要是管理工作,同时又有科学问题;总的来说,地下水资源管理不仅仅社会 学和管理学的问题,也涉及到了很多科学技术问题,但是,技术工作是管理的基础、是前期 工作,基础工作越扎实,管理工作则易深入和有成效;反之,科学、高效的管理,不仅可以 保障地下水资源的合理、持续利用,而且可以促进地下水科学与工程学科的发展。

第二节 第二节

我国地下水资源及其开发利用概况

一、我国地下水资源及其开发利用状况
根据最新完成的全国水资源调查评价成果,我国地下水资源量为 8219 亿 m3,其中矿化 度不超过 1g/L 的地下水资源量为 7972 亿 m3, 矿化度 1~2g/L 的地下水资源量为 247 亿 m3。 在全国地下水资源量中,与地表水资源不重复的水量仅 1037 亿 m3,其余大部分为地表水与 地下水之间的重复计算量。地下水分布方面,北方地区占 30%;南方地区占 70%。在水资 源的形成和消耗过程中,地表水与地下水相互转化,水量和水质相互影响。 我国地下水资源的开发利用主 要集中在平原区,而其地下水资源量虽仅 1765 亿 m3, 但占其水资源总量的 62%。我国南北方地区地下水供水量占总供水量的组成差异较大,南 方地区供水以地表水供水为主,北方地区地下水供水占有相当大的比例。长江、珠江、东南 诸河、西南诸河 4 个水资源一级区地表水供水量均占其总供水量的 95%以上。北方地区地 下水供水量占其总供水量的 37%, 其中海河和辽河区地下水供水量分别占其总供水量的 66% 和 55%;松花江区占其总供水量的 40%;黄河和淮河区分别占其总供水量的 35%和 33%; 西北诸河区地下水供水也占一定的比例,有 15%。松花江、辽河、海河、黄河和淮河 5 个 水资源一级区地下水供水量占全国地下水供水量的 80%。

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第一章 地下水资源管理概论

与八十年代初第一次水资源评价成果比较, 我国地下水资源及其开发利用有以下几个特 点: (1)水资源总量变化不大,部分区域变化较大。与第一次评价成果相比,全国地下水 资源总量减少 62 亿 m3,减少了 0.75%,但部分区域变化较大。受降水量减少等因素影响, 辽河平原区和松花江平原区分别增加 7.9%和 9.4%,海河平原区地下水资源量减少 10%, 淮河平原区减少 6%。 (2)地下水供水量呈增长趋势,尤其北方地区增长较快。1980~2000 年,全国供水量 从 4408 亿 m3 增加到 4800 m3,年均增长 1.23%;供水增量中,地表水 736 亿 m3,占 60%, 地下水 456 亿 m3,占 38%;南方主要以地表水为主,其增长量占总增长量 91%;北方地下 水供水量显著增加,年均增长 2.8%,东、中部增长最为显著。 (3)开发利用总体比例上看北方利用率高。我国地下水开发主要集中在北方地区,南 方地区开发利用地下水规模较小。1990~2000 年间,我国北方浅层地下水开采率达到了 43%,其中海河平原区 113%,海河南系高达 134%,海河北系 104%,辽河和黄河平原区 浅层地下水开采率达到 74%和 49%;山东半岛达到 83%。 (4)地下水污染问题较为突出。由于人类活动影响,全国浅层地下水污染呈加重趋势。

二、地下水对保障饮水安全、 地下水对保障饮水安全、经济安全和生态安全具有重要作用 经济安全和生态安全具有重要作用
地下水是我国特别是北方地区重要供水水源, 对保障饮水安全、 经济安全和生态安全中 发挥不可替代的作用。近 20 多年来,随着经济社会的快速发展,地下水供水量以年均 2% 的速度增长。据计算,全国农村生活地下水供水量为 124 亿 m3,城镇生活地下水供水为 95 亿 m3,分别占其总供水量的 44%和 27%。在全国 661 个城市中,利用地下水供水的有 400 多个,地下水供水量占总供水量的 23%,其中海河、辽河、黄河流域城市地下水供水量占 总供水量超过 50%以上。全国 661 个建制市和 1746 个县级城镇(含县城和其他县镇)集中 式地下水水源地 2150 个,占水源地总数的 47.2%。 地下水是我国重要的灌溉水源,全国农业灌溉地下水取水量 666 亿 m3,占全国农田灌 溉总取水量 19%。在地下水实际开采量中,用于农田灌溉的量约占 54.3%,海河流域粮食 主产区地下水灌溉用水占开采总量的 67%,对于保障我国粮食的稳产高产具有极其重要的 意义。此外,由于地下水分布广和储量丰富,调节能力强,因而被用作应急和战备水源。 地下水还具有重要的生态环境功能。地表水生态系统(河道基流、湿地、泉水等)和陆 地非地带性植被都需要地下水的补给和调节。 我国西北地区的平原天然绿洲更是需要地下水 的支撑。地下水位的下降和水质的恶化对地表生态系统均会带来严重影响。此外,地下水尤 其是深层地下水具有维持压力平衡、 防止地面沉降和塌陷的作用。 承压水水位下降过度导致 黏土被压缩,导致地面沉降发生。地下水过度开发导致水位下降,还可引发海水入侵和咸淡 水混合。地下水水位过高,还可引发土壤次生盐碱化。
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地下水资源管理教材

第三节 第三节

地下水资源管理主要内容

地下水资源管理是水资源管理的重要组成部分, 主要指地下水资源权属管理和与权属管 理有关的水资源开发、利用、节约保护的行政管理。包括运用法律、行政、经济、技术等手 段对水资源的分配、开发、利用、调度和保护进行管理,以水资源可持续满足社会经济发展 和生态环境保护的需要。 地下水资源管理涉及内容很广,既包括《中华人民共和国水法》等有关法律法规确立的 管理工作,同时也涉及与地下水管理有关的技术工作内容。就水行政管理方面来讲,地下水 资源管理主要包括以下内容:地下水资源评价、地下水资源规划、地下水资源管理、地下水 资源开发利用监督管理、地下水资源保护、地下水动态监测与信息发布等。 (1)地下水资源调查评价 地下水资源调查评价是水资源管理的重要基础性工作,是制定地下水资源开发利用政 策、编制工作的基础。 地下水资源调查又称水文地质调查, 其目的是查明天然及人为条件下地下水的形成、 赋 存和运移规律,地下水水质水量的变化规律,为地下水资源评价、开发利用、管理保护以及 治理相关生态环境问题提供一手资料。 地下水资源调查主要采用地质调查方法和水资源调查 方法进行。 地下水资源评价包括地下水资源数量评价、质量评价和开发利用评价。它要求在客观、 科学、系统和实用的基础上,遵循地表水与地下水统一评价、水量水质统一评价、地下水资 源利用和保护统一评价等原则。地下水数量评价主要分两种类型:一是为满足局部地区(水 源地) 供水为目的的水资源数量评价; 二是为规划开发利用地下水资源而开展的水文地质单 元或行政区划水资源评价。 (2)地下水资源规划 地下水资源规划是指在开发利用地下水资源活动中, 对地下水资源开发利用目标及其功 能在相互协调的前期下做出的总体部署和安排。 其基本任务是: 地下水资源及其开发利用调 查评价,根据水资源配置方案和地下水开发利用与保护修复的要求,划分地下水功能区;编 制地下水开发利用与保护的方案, 研究提出地下水开发利用与保护的措施和工程布局; 研究 制定地下水管理政策框架。 水行政主管部门对于地下水规划组织编制及贯彻落实地下水资源规划, 是地下水资源管 理的重要内容。 地下水资源规划的目的是科学评价和合理配置地下水资源, 支撑经济社会可 持续发展,改善生态环境,科学合理地利用地下水资源,实现水资源合理开发、经济社会发 展与生态系统保护相协调。 (3)地下水资源管理 我国《宪法》第九条和《水法》第三条规定,水资源属于国家所有,即国家拥有水资源

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第一章 地下水资源管理概论

的所有权。 《水法》第四十八条规定,直接从江河、湖泊或者地下水取用水资源的单位和个 人, 应当按照国家取水许可制度和水资源有偿使用制度的规定, 向水行政主管部门或者流域 管理机构申请领取取水许可证,并缴纳水资源费,取得取水权。由此可见,地下水水权包括 地下水资源所有权和使用权,并对所有权和使用权实行分离管理。我们一般讲的水权,主要 指水的使用权。 按照水利部《水权制度建设框架》 ,地下水权属管理主要包括制度是界定、配置、调整、 保护和行使水权,明确政府之间、政府和用水户之间,以及用水户之间的权、责、利关系, 从法制、体制、机制等方面对水权进行规范和保障。结合地下水资源管理的特点,我国地下 水资源权属管理主要包括: ① 水量分配 将各水文地质单元或含水层的地下水资源可开采总量向行政区域进行逐 级分配或将地下水年度计划开采总量逐级分配, 确定行政区域生活、 生产可消耗的地下水取 水量份额或者取用水水量份额。 ② 根据地下水可持续利用和生态环境保护要求,制定水资源配置政策,确定地下水配 置原则和开采要求, 实施地下水取水总量控制和取水水位控制, 对地下水资源实行预警管理。 ③ 对直接从地下水取水的,实施地下水水资源论证和取水许可管理。 ④ 对地下水水资源费征收管理。 包括取水计量监督、 水资源费标准确定及征收管理等。 ⑤ 地下水取水水权交易监管。 (4)地下水资源开发利用监督管理 地下水开发利用监督管理主要指各级水行政主管部门对行政管理相对人开发利用地下 水活动的监督管理。 主要包括地下水取水工程建设监督管理、 地下水取水工程登记及档案管 理、地下水取水工程运行及报废监督管理等。 (5)地下水资源保护 地下水资源保护是指为防止和治理不恰当开发利用地下水资源或人类活动而造成地下 水超采、污染或破坏,所采取的法律、行政、经济、技术等综合措施。主要包括地下水超采 区治理、 地下水水源地保护、 矿产资源开发区地下水保护、 地下水污染预防、 地下水补给等。 (6)地下水动态监测与信息发布 ① 地下水动态监测 地下水监测是开展地下水资源评价规划、合理开发利用和优化配置调度的重要基础工 作。其地下水动态监测指标主要包括地下水水位、水温、水化学成分以及井、泉的流量等。 地下水监测管理主要包括:一是制定地下水监测站网规划,完善地下水监测井网。在地 下水超采区、大型漏斗区、重要水源地、地表水严重污染区和生态环境保护区,要建设一批 国家重要地下水监测井。二是要做好地下水监测资料的分析。加强地下水动态分析,开展地 下水预测预报,揭示地下水开发利用中存在的问题,提出地下水资源合理开发利用、管理和 保护的建议和措施。

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地下水资源管理教材

② 地下水资源信息发布 地下水资源信息发布, 是按照国家政府信息公开管理有关规定, 向社会发布的地下水资 源信息。主要包括:地下水动态、地下水资源信息、地下水资源开发利用及其管理状况、地 下水资源管理监督检查状况等。目前,我国有关地下水资源信息发布主要形式是《中国北方 平原区地下水通报》和各省、自治区、直辖市水行政主管部门发布的地下水通报。

第四节 第四节

我国地下水资源管理历史沿革及工作进展

一、我国地下水开发利用的历史
人类由逐水而居到凿井取用地下水是人类文明史的一大转折。 我国最早从先秦时期劳动 人民已开始开发地下水作为灌溉水源。 《庄子·天地》和《说苑·反质》都记载,春秋时期已经 有了用桔槔提取地下水进行灌溉的技术。在原始公社末期,劳动人民就已经打出了深达六、 七米、直径达两米的生活用水井。井的大量开掘也表现在凿井技术的进步上,其中瓦圈水井 是这时凿井技术进步的一个标志。 瓦圈水井是在土井内壁里砌筑一个井圈, 井圈是由一节节 的瓦圈叠砌起来的,节间也有子母榫扣。凿井时,随着井深的增加,将瓦井圈层层放入,井 挖好后,井圈也随之筑成。井圈修好后再在井圈与井壁间的间隙中填土夯实,这种水井不仅 施工较为安全,而且提高了井的坚固程度,还可以减少泥沙入井,延长井的使用时间。瓦圈 水井的发明是水井技术的一次重大改革。 随着井的大量开凿,劳动人民对地下水的性质也有了新的认识。 《管子·地员》记载了地 下水埋藏深度、 地下水质和相应的地表土情况, 以及在这种地表土上适于种植的作物品种等 情况,可见当时对土壤性质、地下水质量、埋藏深度以及它们和其上种植作物的关系都有清 晰而具体的认识。 引泉水灌溉是属于地下水利用的一个方面, 《水经注》中多处提到古代利用泉水灌溉, 如山西汾阴(今山西万荣县西)引瀵水种稻,太原晋祠可能已引难老泉,善利泉溉田等。泉水 灌溉的历史约比井灌更早,战国时期随着泉水利用的发展,对泉水的认识也有提高。

二、我国现代地下水资源开发利用管理的发展
(1)地下水开发利用管理阶段 新中国成立以后, 经济和社会的发展对地下水开发利用提出了更大的需求。 为适应大规 模开发地下水需要,国家加强水文地质勘查工作,在北京、西安、包头、上海等城市建立了 地下水供水水源地,农田灌溉机井建设也得到较大的发展。至 20 世纪六十年代末,全国配 套机井总数超过 50 万眼,年开采地下水接近 200 亿 m3。20 世纪 60 年代中期至 70 年代末, 我国北方持续干旱,为加快发展农业,保障粮食自给自足,开始大规模打井。截止到 1979
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第一章 地下水资源管理概论

年底,全国配套机井总数已达到 229 万眼,年开采地下水达 400 亿 m3 左右。这一时期,在 计划经济为主的管理体制下, 国家各有关部门围绕地下水水开发开展一系列管理工作, 地下 水勘查、 凿井管理等得到了较快的发展。 这一时期的地下水资源管理主要实行分级分部门管 理的体制。 自 20 世纪 80 年代起,随着改革开放政策的实施,我国经济社会得到了快速发展,地下 水开发利用规模不断扩大,原有的分级分部门管理的地下水资源管理体制带来了一系列问 题。 ① 水资源缺乏合理配置。一些地区受自然条件限制,地表水源不足,过度开发地下水; 有的地区地下水严重超采,地表水却大量闲置。有的地区将水质较好的地下水用于工业,水 质较差的水源用于生活用水,没有落实优水优用的原则。 ② 地下水资源管理粗放。一方面,地下水无限制开发,缺乏有效管理。另一方面,在 水资源管理中,忽视地下水的特点管理地下水。地下水资源评价、规划、立法、监测、监督 管理等基础工作滞后。 ③ 重开发、轻保护。忽视地下水的生态环境功能,引发一系列生态环境问题,对地下 水水质保护缺乏有效的监管措施。因大量超采地下水而引发的地面沉降、地面塌陷、海水入 侵、咸水入侵、荒漠化以及水质恶化等生态环境问题。 为解决地下水资源保护存在的问题,从 20 世纪 80 年代初开始,山西、河北、辽宁、山 东等省从加强水资源统一管理入手, 完善水资源管理体制, 实行水资源统一规划、 统一调度、 统一发放取水许可证,着力解决分部门分地区管理带来的问题。1988 年颁布的《中华人民 共和国水法》 确立了国家对水资源实行分级分部门管理体制。 各地开始推行地表水和地下水 统一管理,逐步理顺水资源管理体制。至 2000 年前后,全国基本上理顺了水资源管理体制。 (2)地下水资源管理体系建立阶段 1998 年国务院机构改革,国务院将原地矿部、建设部承担的地下水管理职能划入水利 部,实现了水资源统一规划、统一调度和统一管理。2002 年新修订的《中华人民共和国水 法》 确立了流域与区域相结合的管理体制和国家水资源管理的基本制度。 中国水资源管理制 度主要包括以下几个方面。 ① 国家对水资源实行流域管理与行政区域管理相结合的管理体制。国务院水行政主管 部门负责全国水资源的统一管理和监督工作;国务院水行政主管部门在国家确定的重要江 河、湖泊设立的流域管理机构,在所管辖的范围内行使法律、行政法规规定的和国务院水行 政主管部门授予的水资源管理和监督职责; 县级以上地方人民政府水行政主管部门按照规定 的权限, 负责本行政区域内水资源的统一管理和监督工作。 国务院有关部门以及各级地方人 民政府的有关部门按照职责分工,负责水资源开发、利用、节约和保护的有关工作。 ② 水资源评价和规划制度。开发、利用、节约、保护水资源和防治水害,应当全面规 划、统筹兼顾、标本兼治、综合利用、讲求效益。国家制定全国水资源战略规划;开发、利

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地下水资源管理教材

用、节约、保护水资源和防治水害,应当按照流域、区域统一制定规划,区域规划应当服从 流域规划,专业规划应当服从综合规划;规划一经批准,必须严格执行。确立了流域综合规 划的规划同意书制度。 ③ 水资源论证制度。 新水法规定, 国民经济和社会发展规划以及城市总体规划的编制、 重大建设项目的布局,应当与当地水资源条件和防洪要求相适应,并进行科学论证;在水资 源不足地区,应当对城市规模和建设耗水量大的工业、农业和服务业项目加以限制。 ④ 水中长期供求规划制度。依据水的供求现状、国民经济和社会发展规划、流域规划、 区域规划,按照水资源供需协调、综合平衡、保护生态、厉行节约、合理开源的原则制定水 中长期供求规划。 ⑤ 水资源配置和用水管理制度。包括流域水量分配方案制度、旱情紧急情况下的水量 调度预案制度、总量控制和定额管理制度、计划用水和节约用水制度。 ⑥ 取水许可和水资源费征收管理制度。国家对直接从江河湖泊取水的,实行取水许可 制度和水资源费制度。 ⑦ 水资源保护制度。包括水功能区划制度、入河排污口监督管理制度、水源保护区制 度等。 新《水法》的颁布实施,奠定了我国水资源的制度基础,为促进我国水资源合理开发利 用和保护、推进我国水利工作从传统水利向可持续发展水利转变提供了法律保障。

三、我国地下水管理工作进展
(1)加强地下水开发利用规划工作 按照国务院职能分工,1998 年我部启动了全国地下水资源开发利用规划编制工作。经 过两年多的努力,完成了《全国地下资源开发利用规划》编制,第一次在全国划分了地下水 超采区、采补平衡区和潜力区,明确了地下水管理的目标和任务,为科学制定地下水管理战 略,推进地下水超采区治理奠定了坚实的基础。2002 年,水利部、国家发展改革委会同国 土资源部、建设部、环保总局等七部门,组织开展了全国水资源综合规划编制工作,提出了 新一轮全国水资源调查评价成果。 开展了全国地下水功能区划定和 《全国地下水利用与保护 规划》编制工作。 (2)加强地下水管理与保护的政策法规体系建设 出台了《关于加强地下水超采区水资源管理工作的意见》 ,明确了全国地下水超采区治 理的目标、任务和工作计划。制定了《地下水超采区评价导则》 。辽宁、新疆、江苏等省区 颁布了地下水管理地方法规,部分省区制定了加强地下水保护的相关政策。 (3)开展地下水保护行动试点并取得成效 开展济南保泉行动和河南省地下水保护行动试点, 济南趵突泉复涌, 河南全面启动地下 水保护。 组织开展地下水保护行动试点基础工作, 围绕推进地下水管理政策法规和制度建设
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第一章 地下水资源管理概论

开展了一大批基础工作。 (4)地下水超采区治理取得积极进展 组织地下水超采区的划定和治理, 全国存在地下水超采问题的 24 个省区中, 16 个省 有 区划定地下水超采区,制定和实施了地下水压采行动计划。组织编制了《南水北调(东、中 线)受水区地下水压采方案》 。苏锡常地区全面实施地下水禁采,浙江杭嘉湖等地区地下水 禁采、限采稳步推进,部分地区的地下水超采和水位持续下降的趋势得到遏制。 (5)严格地下水开发利用管理 对北方燃煤电厂建设实行了禁止利用地下水的政策。 严格地下水开发利用, 对地下水超 采区严格地下水开发管理,防止扩大超采。颁布实施了《建设项目水资源论证管理办法》 , 规范、强化地下水取水许可管理。推行地下水开采总量控制和计划管理。 (6)运用经济杠杆促进水资源优化配置和合理开发 按照《水法》和《取水许可和水资源费征收管理条例》规定,北京、河北、山西、山东、 辽宁、陕西、江苏等省(自治区、直辖市)大幅提高了地下水资源费征收标准,经济手段对 地下水资源的合理配置与保护的调控作用不断增强。 (7)地下水管理基础工作得到加强 优化调整了全国地下水动态监测网络,编制完成了《全国地下水动态监测规划》 。编发 了《中国北方平原区地下水通报》 ,向社会公布地下水动态信息。组织开展了全国地下水功 能区划定,全面启动《全国地下水利用与保护规划》编制。

第五节 第五节

当前我国地下水资源管理面临的挑战

地下水的大规模开发,在保障经济社会快速发展的同时,也对资源、环境带来了一系列 问题。对我国地下水资源可持续利用和生态环境保护带来了一系列严峻挑战。主要表现在: (1)地下水资源严重超采 据统计,全国共有 27 个省级行政区发生地下水超采,年超采地下水 117 亿立方米。至 2000 年,全国地下水累计超采已达 1531 亿 m3。地下水超采区从 80 年代初的 56 个发展到 164 个,面积从 8.7 万平方公里扩展到 18 万平方公里,面积大于 1000 平方公里的超采区已 达 31 个,其中严重超采区面积已达 7.2 万平方公里,约占全国超采区面积的 39%。特别是 北方平原地区超采更为严重。海河流域平原区地下水超采区面积达 10 万 km2,占平原区总 面积的 91%,累计超采量达 975 亿 m3。20 世纪 90 年代以来,地下水超采量呈持续上升趋 势。 地下水大规模开发,导致地下水位持续下降,含水层疏干。我国华北地区已成为世界上 最大的地下漏斗群,部分地区含水层几近疏干,地下水源面临枯竭,大量机井报废,造成农 村饮水严重困难。许多地区却盲目大量开发深层承压水,如不加以严格控制管理,深层承压
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地下水资源管理教材

水将面临枯竭的危险。 (2)地下水超采诱发严重的环境地质问题 由于过量开采深层承压水,我国沿海河口三角洲地区、东部和南部沿海地区、华北和东 北平原地区、河谷平原和山间盆地均发生了地面沉降。截止 2000 年,全国地面沉降总面积 超过 6 万平方公里,其中海河平原地面沉降量大于 200mm 的面积达到 48550 平方公里。苏 州、无锡、常州、上海、嘉兴地面沉降面积超过了 9000 平方公里,最大降深达 2630mm。 天津、上海、西安、太原等城市地面沉降中心累积沉降量超过了 2000mm。地面沉降使原有 地面高程下降,降低了防洪(潮)标准,加大了洪涝和风暴潮灾害的威胁;造成建筑物出现 裂缝甚至倒塌,地下管线断裂,威胁人民生命财产安全。地下水超采在隐伏岩溶区引发了地 面塌陷。全国发生地面塌陷已超过 2500 多处,总面积超过 2300 平方公里,最大塌陷深度超 过 30 米。 沿海地区过量开采地下水,还引发了海(咸)水入侵。据初步统计,我国发生海水入侵 面积已超过 1500 平方公里,主要分布在渤海和黄海沿岸。辽宁环渤海地区海水入侵面积达 700 平方公里以上,山东半岛滨海地区海水入侵面积达 600 平方公里以上。部分地区还发生 了咸水入侵,使地下水矿化度增高、水质变差,给工农业生产、饮水安全及生态环境造成了 危害。 (3)加剧了土地沙化荒漠化趋势 我国西北内陆河地区由于地下水位持续下降, 导致天然绿洲退缩和严重退化, 土地沙化 面积不断扩大。如石羊河流域由于地表径流减少,大量开发地下水,地下水位持续下降,造 成河流区外围土地严重沙化,大量土地弃耕,产生大量生态难民。新疆塔里木流域由于过渡 开发利用,导致地下水补给减少,地下水位下降,草场覆灭,大量土地废耕,绿色走廊消失。 (4)地下水污染日渐加剧,水质恶化 据全国水资源调查评价成果, 在评价的 197 万平方公里平原区面积中, Ⅰ类和Ⅱ类水质 的面积仅为 5%,Ⅲ类水质面积占 35%,IV 和 V 类水质面积占 60%。太湖流域、辽河、淮 河、海河区地下水污染最为严重。据对全国 115 个地下水水源地水质评价分析,水质不合格 的比例达 35%,部分地区水源地甚至检出有毒有机物。地下水一旦污染,治理非常困难, 不仅代价高昂,而且时间长久,难以治理,应引起高度警觉和重视。 (5)采矿等开发建设活动造成地下水严重破坏 我国西北、华北、华中、西南等许多地区煤水共生,煤炭开采业发达。煤炭开采不仅疏 干了含水层,采矿过程中形成的巷道和开采后形成的采空区,严重的破坏了地表水、地下水 运移、赋存的天然状态,造成河水断流、地下水位下降、泉水流量锐减甚至干涸、水污染加 重等。 据调查,山西采煤对水资源的破坏面积已达 20352 平方公里,占全省总面积的 13%。 其中,严重破坏区面积占全省面积的 1.7%;一般破坏区面积占全省面积的 6.5%,影响区面

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第一章 地下水资源管理概论

积占全省面积的 4.9%;山西每挖1吨煤损耗 2.48 吨的水资源,全省每年采煤破坏水资源达 12 亿 m3,采煤排水引起矿区水位下降,导致泉水流量下降或断流,导致近 600 万人以及几 十万头大牲畜饮水严重困难。 我国地下水资源管理工作虽然取得了一系列进展,但仍难以满足资源与环境保护要求。 展望未来,我国地下水资源管理必须强化基础,进一步完善管理制度,依法推进地下水资源 管理和保护,不断完善管理手段,提高管理水平,更好地满足经济社会发展和谐社会和生态 文明建设需要。

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第二章 地下水资源管理基础知识

第二章

地下水资源管理基础知识

地下水资源管理基础知识是地下水资源管理工作的理论基础, 是地下水资源管理人员应 掌握的基础知识。我国地下水资源管理工作虽然起步较晚,但得到了各级政府的高度重视, 并取得了显著成绩,为加强地下水基础管理工作,进一步提高我国地下水资源管理水平,真 正做到对地下水资源进行合理开发利用、 有效保护和科学管理, 提高管理人员业务素质和管 理能力。为此,特编写地下水资源管理基础知识供管理人员学习和使用。 地下水资源管理基础知识包括基本概念、地下水的形成、地下水的基本类型及特征、地 热水及矿泉水的相关知识、地下水物理性质与化学成分、有关地下水参数计算公式、地下水 动态、均衡和人类活动对地下水资源的影响。

第一节

基本概念

地下水: 地下水:凡是赋存和运动于地表以下岩(土)层中的重力水都称之为地下水。它与大气 降水、地表水共同组成自然界水循环系统。

一、岩土的空隙性
岩石空隙的多少、大小、连通程度和分布状况等统称为岩土的空隙性。 地下水一部分赋存于地壳的岩(土)空隙中,一部分赋存于岩石“骨架”中(即矿物晶 体内部或其间) 。本文重点介绍是岩(土)空隙中的水(重力水) 将岩(土)中的空隙作为地下水储存场所与运动通道来研究时,可将空隙分为三大类: (1)孔隙:松散岩土是由大小不等的碎屑颗粒组成的,在颗粒与颗粒结合体之间普遍 孔隙: 孔隙 存在着孔状空隙,称为孔隙。 孔隙体积的多少用孔隙度表示。孔隙度是指某一体积岩土(包括孔隙在内)中孔隙体积 所占的比例,可以百分数或小数表示即 V n = n × 100% V 式中: n —岩土的孔隙度:
Vn —岩土中孔隙的体积;
V —包括孔隙在内的岩土体积。

(2-1-1)

岩土孔隙度的大小主要取决于颗粒排列情况及颗粒分选程度。 此外颗粒形状及颗粒胶结 程度也是影响孔隙度的主要因素。 (2)裂隙:固体的坚硬岩石,一般不存在或只保留少量的颗粒间的孔隙,而主要发育 裂隙: 裂隙

地下水资源管理教材

各种应力作用下岩石不破裂后形成的裂缝状空隙,称为裂隙。 裂隙按其成因可分为风化裂隙、 成岩裂隙和构造裂隙, 裂隙的性质及其发育规律与裂隙 成固有密切关系。 裂隙的多少用裂隙 η f 表示,即
Vf V

ηf =

× 100%

(2-1-2)

式中: V f —岩石中裂隙的体积;
V —岩石总体积。

(3)溶隙:可溶性岩石(如岩盐、石膏、石灰度等)在地表水和地下水长期溶蚀下会 溶隙: 溶隙 形成空洞,这种空隙称为溶隙(穴) 。衡量溶隙多少的定量指标称溶隙率,以 Kk 表示,即 VK KK = × 100% (2-1-3) V 式中 V K —岩石中溶隙的体积;
V —岩石总体积。

溶隙发育的规模十分悬殊,较之孔隙和裂隙有很大的不均匀性。大的溶洞宽、高可达几 十米乃至上百米, 小的溶孔仅数毫米。 固此, 在岩石溶发育地区, 往上即使在相距极的两处, 其岩溶率可相差较大。 例如在同一岩性成分的可溶岩层中, 溶蚀带的溶隙率可达百分之几十, 而其附近未溶蚀的段的岩溶率则可接近于零。

二、地下水在岩土中存在的形式
(一)液态水
1. 结合水:受到固相表面的吸引力大于其自身重力的那部分水,称之为结合水。 2. 重力水:距离固相表面更远的水分子,重力对它们的影响大于固体表面对它的吸引

力,因此能在重力作用下运移,这部分水就是重力水。
3. 毛细水:松散岩土中细小孔隙通道可构成毛细管,在毛细力的作用下,地下水沿着

细小孔隙上升到一定高度,这种既受重力又受毛细力作用的水,成为毛细水。 (1)支持毛细水:由于毛细力作用,水从地下水面沿细小岩土孔隙上升到一定高度, 形成一个毛细水带,通常称为上升毛细水,因毛细水带中的毛细水有地下水面支持,故也称 为支持毛细水。 (2)悬着毛细水:在不受地下水补给的情况下,地表上层土壤由于降雨或灌水,借藉 毛细管作用所能保持的地表入渗水分,称为悬着毛细水。 (3)孔角毛细水:包气带中,在土壤颗粒接触间隙,由于构成毛细管而形成弯液面, 从而使水分得以滞留在孔角上,称之为孔角毛细水。

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第二章 地下水资源管理基础知识

(二)气态水
气态水系指以水蒸气状态存在于非饱和含水岩土空隙中的水。

(三)固态水
当岩土温度低于 0℃时,岩土空隙中的液态即凝结为固态水,此时赋存地下水的岩土称 为冻土。

三、岩土的水力特性
岩石(土)的水力特性是指水分贮存和运移有关的岩石(土)性质。主要有容水性、持 水性、给水性和透水性。 (1)容水性:岩石(土)能够容纳一定水量的性质称为岩石(土)的容水性。在数量 上, 容水性以容水度来表示。 容水度是指岩土样能容纳的最大水量体积和岩土样总体积之比。 在数量上容水度近似地等于孔隙度。 (2)持水性:饱水的岩石(土) ,在重力排水后,其内部仍能保持一部分水量的性质叫 岩(土)的持水性。通常用持水度作为岩石(土)样持水性的数量指标。 (3)给水性:饱水岩土在重力作用下通过自由流出的方式释放水分的性能常称为岩土 的给水性(或释水性) 。表征给水性大小的数量指标是给水度μo (4)透水性:岩土透水性是指岩土允许水分透过的性能。度量岩土透水性的指标是渗 透系数。 地下水资源: 含水层中具有利用价值的地下水量称之为地下水资源。 地下水资源包括质 地下水资源: 和量,两个方面。 对地下水资源量的分析计算, 在建国初期, 我国沿用前苏联普洛特尼柯夫提出的储量概 念。普氏分类将地下水储量分成静储量、动储量、调节储量和开采储量四大类。前三者合称 为天然储量,它表示天然状态下含水层中未经取水设备扰动的地下水总量。 (1)静储量(永久储量) 是指潜水位变动带以下潜水层的水体积和承压水层的全部 水体积。因为此体积只随地质年代发生变化,故称静储量,也称永久储量。 (2)动储量 指通过含水层某一横断面上的地下水天然流量。 (3)调节储量 指存在于地下水位年变动带(即年最高水位与最低水位之间)内的含

水层中重力水的体积。 (4)开采储量 指在一定的经济技术条件下,使在整个开采期间不发生明显的水量减

少或水质恶化等不良现象,用取水工程从含水层中所能开采山来的地下水量。 普氏分类法采用“储量”的概念,含有静态不变的涵义,适用于固体矿产。固然,以埋 藏条件来说,地下水储存于多孔介质之中,它与其它矿产储藏于岩体之内一样,可是它们又 有很大的差异,例如地下水的流动性,可恢复性和调节性以及由这些性质所表现出来的量,

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地下水资源管理教材

在固体矿产中都不存在。地下水的水质、水量、水位、水温都是不断变化的,在这方面与地 表水却很相似,而且两者同处在一个大的水循环体系之中,既相互联系又相互转化,有时很 难分割,地下蓄水构造与地表水库相似,水文地质单元与地表水流域相似。所以 70 年代初 期将水文学中“水资源”的概念应用于地下水量计算与评价中。按照<<现代汉语词典>>的 解释,所谓“资源”是指“生产资料或生活资料的天然来源”这里包括质和量两个方面的涵 义,地下水能够成为资源,道先是因为它有使用价值,这取决于水质,来源的多少则由数量 来体现。关于“水资源”的各种量的概念,国内外都已研究得很详尽,已有成熟的定义,可 以直接使用,这样有利于“三水”转化的综合评价、开发利用和科学管理。 地下水资源一般划分以下三类,见表 2-1-1。
表 2-1-1 地下水资源分类表 天然补给量 补给资源量 开采补给量 容积储存量 弹性储存量 天然消耗量 开采资源量 允许开采量 地下水径流排泄量、潜水蒸发量、泉水溢出量 (技术条件允许、经济可行、长期开采不发生水量减水,水位不持续下降, 不产生水质恶化等现象) 。多年平均补给量 垂向补给量 大气降水入渗补给量、地表水体渗漏补给量、越流补给量 越流补给量;地下水分水岭,地下水水力梯度增大的补给量;外移增加的补 给量;地表水体补给增加量

储存资源量

含水层: 含水层:能导水的饱水岩层称为含水层。含水层不但储存地下水,而且地下水可以在其 中运移。 构成含水层,必须具备下列条件: (1)透水的空间条件,地下水的分布与岩石的空隙性和水力特性密切相关,空隙愈大, 数量愈多,连通性愈好,则透水性强,重力水易于入渗,水量丰富; (2)储水的地质构造条件,并不是所有的透水岩层都能成为含水层,还必须具备保存 住水的地质构造条件,即下部要有隔水层托住重力水,并在水平方向具有某种隔水边界,使 之不至于完全流失。透水岩层必须与隔水岩层组合起来才能成为含水层; (3)水源补给条件,当上述条件满足后,还要有足够的水源,使储水空间能不断地获 得补给,方能成为含水层。 隔水层: 隔水层:隔水层是指那些不能贮水又不透水的岩层。或透过和给出水数量很少的岩层。 划分含水层和隔水层的标志并不在于岩层是否含水, 关键在于含水的性质。 空隙细小的 岩层,所含的几乎全是结合水,而结合水在通常条件下是不是能运动的,这类岩层起着阻隔 水通过的作用,所以构成隔水层。空隙较大的岩层,则含有重力水,在重力作用下能透过和 给出水,即构成含水层。 含水层和隔水层的划分又是相对的,并不存在截然的界限。例如,粗砂层中的泥质粉砂 夹层,由于粗砂的透水和给水能力比泥质的粉砂强,相对而言,后者可视为隔水层。而同样 的泥质粉砂若夹在粘土地层中,由于其透水和给水的能力比粘土强,又当视为含水层了。
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第二章 地下水资源管理基础知识

含水层和隔水层在一定条件下还可能相互转化。例如,在通常条件下,粘土层由于饱含 结合水而不能透水和给水,起着隔水层的作用。但在较大水头差的作用下,部分结合水发生 运动,也能透过和给出一定数量的水,在这种情况下再称其为隔水层便不恰当了。实际上, 粘土层往往在水力条件发生不大的变化时, 就由隔水层转化为含水层, 这种转化在实际中是 很普通的,对于这类兼具隔水和透水性能的岩层,一般就称为半含水—半隔水层。 含水层只是个形象的名称,对松散岩土是比较合适的,因为松散岩土多呈层状,其间孔 隙的分布连续而均匀, 因此赋存的地下水也呈连续均匀的层状分布。 但对坚硬岩石中的裂隙 及可溶性岩石中的溶隙,由于空隙发育的不均匀性,其中地下水并非为层状为布,而只在岩 层的某些部位,有若干裂隙、溶隙发育且互相连通时,才分布有水。例如(1)当一条大的 断层穿越不同岩性的地层时,只有在断裂带中水的分布连续且比较均匀。 (2)又如在岩溶化 的地层中,只有在溶隙发育的部位才含有水,而并非整个岩层都含有水。因此,在这样一些 情况下,将含水岩体统称为“含水层”是不恰当的,通常就称其为含水系统。所谓系统,是 针对地下水的赋存和运移而言,即指岩体中在一定程度上和在一定范围内相互连通的空隙。 在一个系统中的地下水,可将其看成一个整体,具有统一的水力联系,即当这个系统的某些 部位接受外界水补给时, 整个系统的水量就将增加; 而当系统中任何一处向外排水或人为取 水时,则整个含水系统的水量减少。 水文地质单元: 水文地质单元:具有统一补给边界和补给、径流、排泄条件的地下水系统称之为水文地 质单元。 一个水文地质单元可以是一个联合的或单式的蓄水构造或完整的地下水域, 也可是 一个联合的蓄水构造或完整的地下水域, 也可以是二者结合的水文地质体。 一个完整的水文 地质单元应包含以下四个基本要素: (1)含水层或含水带 它们是地下水储存和径流的场所,如岩溶含水层,裂隙含水层、 断层含水带等; (2)隔水层或隔水围岩 作为边界条件对地下水的储存起约束作用; (3)补给区 地下水接受补给的地区,一般位于地下水径流的上游,地势较高的地方; (4)排泄区 是排泄地下水的地区,一般位于地下水径流下游或地势较低的地方。 地下水域是指地下水流系统的集水范围, 是水文地质单元的一种, 如地下水集中排泄的 地方就是一个地下水流系统。 地下水的循环: 地下水的循环: 自然界的水以气态、 液态和固态分布于地球的大气圈、 水圈和岩石圈中, 各相应圈中的水称为大气水、地表水和地下水。它们彼此之间都有着密切的转化关系,这种 关系主要是通过水的循环来实现。水从海面蒸发,凝结降水至陆地,再以蒸发及径流等形式 返回海洋, 即完成一次循环—称为大循环或外循环。 当海面蒸发又降至海面或由陆地江、 河、 湖蒸发及植物蒸腾又降至陆地,则称为小循环或内循环。 地下水不仅可以参与小的水循环,也同样可以参与大的水循环,即大气降水至地面,一 部分产生地表径流形成地表水, 同时有一部分大气降水经地面入渗形成地下水; 地下水再以

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径流或蒸发的形式,转化为地表水或大气水。大气水、地表水、地下水就是这样不断地进行 着循环,而为人类所利用。

图 2-1-1

自然界水循环示意图

第二节 第二节

地下水的基本类型及其特征

一、不同埋藏条件下的地下水
地下水的形成和分布是千差万别的, 但是它的存在总离不开地质环境。 在水文地质剖面 上,以地下水面为界,可分成包气带和饱水带(或称饱和带) 。自地表到地下水面之间的岩 (土)层为包气带,空隙中既有空气,又含有地下水,这部分地下水称为包气带水;在地下 水面以下的岩(土)层为饱水带,这一带的空隙中充满地下水,按埋藏条件的不同又可分为 潜水和承压水。

(一)包气带水
包气带水存在于包气带中,可分为非重力水和重力水两种。 非重力水主要是指结合水和毛细水,这种水不能直接被人们取用,它是植物的补给水源。 包气带中往往有不透水或弱透水的粘性土 “透镜体” 其上截留有从地表涌入的重力水。 , 它分布的范围不广,当地气候对其影响较大,久旱则枯竭,雨后又出现,是一种临时性的地 下水,通常称之为上层滞水(图 2-2-1) 。 包气带表层的含水量,由于受气象的影响,处于经常变动状态,往下含水量变化趋于稳 定。垂直剖面上含水量的分布可分成三个层次:水分积极交替层、过渡层、毛细水层。

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第二章 地下水资源管理基础知识

图 2-2-1 上层滞水

(二)潜水
潜水是指埋藏在饱水带中第一个连续分布的隔水层以上具有自由表面的重力水(图 2-2-2) 。一般埋深不大,便于开采,是主要的地下水开采水源。

图 2-2-2 潜水埋藏示意图

潜水的自由水面称为潜水面;从潜水面到隔水层顶面的垂直距离称为潜水层的厚度 (H) ;从地面到潜水面的垂直距离称为潜水埋藏深度,简称潜水埋深(Z) ;从潜水面到参 考基准面的垂直距离称为潜水位(h) (图 2-2-3) 。

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图 2-2-3 潜水位示意图

1. 潜水的基本特征 潜水的基本特征相对于承压水而言,表现在以下三个方面: (1)由于潜水面之上,无连续稳定的隔水层存在,因此潜水具有自由表面。当用钻孔 揭露潜水含水层时,初见水位与稳定水位相一致; (2)潜水含水层通过包气带,与地面相通,因而潜水分布区都可以接受大气降水的补 给。补给区和分布区相一致,因此气象因素与地表水文因素的变化将影响潜水的动态; (3)潜水在重力作用下,由潜水位较高的地方向潜水位较低的地方流动,即由势能大 的地方向势能小的地方运移, 其运移的速度取决于势能梯度 (水力坡度) 和含水层的透水性。 综上所述,潜水的基本特点是与大气圈及地表水圈联系密切,积极参与水循环。 2. 潜水的补给和排泄 潜水是大陆水循环系统的一个组成部分,它不断地获得补给,形成径流,又不断地排泄 消耗。 (1)潜水的补给 大气降水垂直渗入是潜水最主要的补给来源,潜水获得降水渗入补给后,潜水位升高, 旱季少雨,水位则下降。 地表水(包括河流、湖泊和水库)的入渗也是潜水补给的重要来源,在干旱地区,如果 离开了河水的补给, 潜水就会很快枯竭。 河水对潜水的补给, 在河流下游最为突出 (图 2-2-4) 。

图 2-2-4 下游河水渗漏

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第二章 地下水资源管理基础知识

例如我国著名的黄河下游黄泛平原现代河床高出两岸地面,大量的河水下渗补给潜水; 在河流中游,河水位与潜水位的关系随季节而变。洪水期河水水位比潜水位高,河水补给潜 水,枯水期则相反;在河流上游,河谷深切,潜水位常年高于河水位,潜水向河流排泄;在 山前地带, 堆积作用加强, 河床抬高, 潜水位埋深较大, 因而冲洪积扇经常是河水补给潜水。 潜水另一个补给是越流补给。 当下部承压含水层测压水头高于潜水位时, 承压水能越过 透水性弱的相对隔水层(弱透水层)补给潜水,这就是越流补给。相对隔水层越薄,两含水 层之间水头差越大,则越流补给量越多。 还有一种越流是下部承压水直接通过“天窗” (相对隔水层的间断部分)补给潜水(图 2-2-5) 。

图 2-2-5 越层补给示意图

凝结水也是潜水的一项补给来源, 凝结水补给潜水主要在高山和沙漠地区昼夜温差大的 地区比较明显。 除上述天然补给外,潜水还得到人工补给,如水库、渠系、田间地区的渗漏补给。不仅 如此,有些地区还专门修建一些工程将大气降水、地表水引入或注入地下,这就是人工回灌 补给地下水。 (2)潜水的排泄 潜水的排泄包括排泄方式和影响排泄的条件。 潜水的排泄方式可分成垂直排泄和水平排泄。 潜水的垂直排泄一个重要途径是潜水蒸发,尤其在河流的中下游平原地区,地形平坦, 沉积物颗粒细小,地下水埋藏浅,径流缓慢,蒸发成为潜水天然消耗的主要途径。 潜水垂直排泄的另一个途径是人工开采。 有些地区人工开采量远远超过潜水蒸发量, 已 成为当地潜水垂直排泄最主要的方式。我国地下水年开采量由 1979 年的 4×108m3 增加到 2004 年的 1032×108m3,短短二十余年的时间开采量变成原来的 258 倍。2007 年我国地下 水开采量已达?×108m3。虽然其中一部分取自深层地下水,还有部分要回归地下水,但是 人工开采量已成为平原地区最主要的排泄方式。
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潜水垂直排泄的再一个途径是越流排泄, 当潜水面高于相邻承压含水层的压力面时, 潜 水有可能透过弱透水层渗入下部承压含水层。 潜水的排泄条件: 潜水的排泄主要受地形和埋深条件的控制, 气候和岩性条件也有一定 的影响。 地形条件是指地形切割程度和排泄基准面的相对位置。 地形的切割程度包括切割深度和水文网密度。河床切割深度越大,河网越密,则潜水水 平排泄条件越好。例如山区河流深切,泉水很多,潜水大量地泄入河谷;在平原地区地势平 坦,河床淤积增高,潜水只能以垂直排泄为主。 潜水水平排泄,一是沿水平方向流出含水层,在地表出露,形成下降泉(图 2-2-6) 。

图 2-2-6 下降泉

排泄基准面是指排泄潜水的河流、 湖泊的枯水位平面。 排泄基准面与潜水补给区的高差 越大,地下水的排泄条件越好。 潜水埋藏越浅, 土的颗粒越细, 气候越干燥, 则潜水的蒸发强度越大。 随着埋深的增大, 蒸发相应减少。 (3)潜水的径流 潜水不断地从补给区流向排泄区形成地下径流。由于地下径流是在一定的补给、运动、 排泄条件下形成的,所以,控制和影响地下水补给、运动、排泄的各种因素也是影响地下径 流的因素,如降水、蒸发、岩石透水性、地形、切割程度等。 地下径流的流向总趋势是由补给区流到排泄区, 从高水位处流向低水位处。 但实际情况 是复杂的,根据其流线形态可分成散流型、汇流型、缓流型和暢流型。 ①散流型 地下水流线在平面上呈放射状分布, 如山前冲洪积扇中的潜水流从出山口流出后以扇形 (放射状)散开。 ②汇流型 与散流型相反,流线由分散趋向集中。如小型山间盆地潜水汇集于出山口;岩溶水集中 于泉口溢出等。 ③缓流型

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第二章 地下水资源管理基础知识

流线平行,水力坡度很小,径流微弱,水交替以垂直方向为主,如河流中下游沉积平原 中的孔隙水。这种地下水矿化度高,水质较差。 ④暢流型 如河谷潜水、地下暗河中的岩溶水。它们的流线在平面上大致平行,但水力坡度较大, 径流畅通,水交替以侧向为主。蒸发微弱,一般水质较好,矿化度低,是良好的地下淡水资 源。 但是, 野外实际情况错综复杂, 不一定是单一的径流形态, 往往是过渡的或复合的类型。

(三)承压水
承压水是指充满于两个隔水层(弱透水层)之间的含水层中的地下水。上部隔水层(弱 透水层)的底面称为隔水项板,下部隔水层的项面(弱透水层)称为隔水底板。如果其间含 水层充满了地下水, 这种含水层称为承压含水层 (图 2-2-7) 如果含水层未能被地下水充满, 。 其中地下水性质则与浅水相似,称为无压层间水。

图 2-2-7 承压水示意图

承压含水层隔水顶板到底板的垂直距离称为含水层厚度(M) ;当钻孔刚开始凿穿隔水 顶板时,在钻孔中出现的水位称为承压水初见水位(H1) ,这个水位等于隔水顶板的高程; 如果继续钻进, 承压水将沿钻孔上升, 最后稳定的水位即为该处的测压水位或称承压水位 (H (图 2) 2-2-8) ;自隔水顶板到测压水面之间的垂直距离称为该处的测压管高度(h) ,它表示

该点隔水顶板所承受的水压力值。测压水位高于地表时,钻孔能自喷出水。

图 2-2-8 承压水测压水位

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1. 承压水的基本特征 承压水与潜水相比,主要特征有: (1)承压含水层具有连续完整的隔水顶板,而没有自由水面,钻孔中的稳定水位高于 初见水位; (2)承压水补给区与分布区不一致,补给区位于承压水的一侧,排泄区在另一侧。由 于受上部隔水层的限制,承压分布区的水量、水质、水温受气候影响较小,季节性变化与年 际变化都不大,它的动态具有相对稳定性; (3)承压性是承压水的最重要的一个特征。由于补给区位置较高,水从补给区进入分 布区后,受到上部覆盖层的约束,使地下水承受压力,水也以一定的压力反作用于隔水顶板 上。这一点,钻孔中的测压水位高于隔水顶板是最好的见证。 2. 承压水的补给、排泄 承压水的补给、 承压水的补给来源,主要也是大气降水和地表水。补给范围越广,则水量越大,且流量 稳定。当上下顶底板为弱透水层时,只要有足够的水头差,也可以通过弱透水层与其上下的 水体发生水力联系,获得越流补给。 承压水的排泄,主要以上升泉的形式在排泄区溢出。与地表水体(如河、湖、海洋)相 通时即转化成地表水,如与潜水含水层沟通,则以补给潜水方式排泄承压水。 承压水的补给和排泄是通过径流来完成的, 径流条件受补给区和排泄区的水头差、 含水 层的透水性等因素所影响。当补给区和排泄区的水头差越大,含水层透水性越强,则径流畅 通,反之则差。 承压含水层补给区的形成、 排泄区的出露、 径流的畅通与否在很大程度上受地质构造因 素的控制。在分析承压水的补给、排泄、径流的关系时,必须抓住地质构造这一环节,然后 综合因素进行分析,才能得出正确的结论。 3. 承压含水层形成条件 由隔水层与含水层组合而成的能够富集地下水的地质构造形体称为蓄水构造。 承压水的 蓄水构造,有下列三个基本要素: (1)上、下相对隔水层,构成承压蓄水构造的隔水边界; (2)透水的岩层或岩体,构成承压蓄水构造的含水介质; (3)补给区水位高于排泄区,形成地下水流的承压性。 按地质构造的不同,大体上承压蓄水构造有:承压向斜蓄水构造和承压单斜蓄水构造、 承压断裂蓄水构造。

二、不同含水介质中的地下水
赋存地下水的岩土称含水介质。含水介质内部的空隙已如前述,按其性质可分为孔隙、

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第二章 地下水资源管理基础知识

裂隙和溶隙。 据此, 将赋存于其中的地下水亦相应分为孔隙水、 裂隙水和岩溶水 (喀斯特水) 等三类。 由于含水介质的岩层所受的地质历程和地质作用不同, 因此赋存其间的地下水的富 集程度和分布规律也各异。

(一)孔隙水
孔隙水是指埋藏和运动于松散沉积物颗粒间孔隙中的重力水。 在我国东部及北部河谷地区和山前倾斜平原,如松辽平原、黄淮海平原、江汉平原、河 流三角洲等地区, 广泛分布着各种成因类型的第四纪未胶结的沉积物, 其中埋藏着丰富的地 下水,已成为这些地区具有十分重要意义的工农业供水水源。 孔隙水的基本特征是分布较均匀,呈层状,含水层内水力联系密切,具有统一的潜水面 或测压面,这是孔隙含水层中孔隙分布较均匀、连通性较好所致。 但孔隙水的这些特征是相对的, 由于含水层所处的地貌单元、 岩性成因类型和水文气象 条件不同,还是有较大的差异。因此,孔隙水可分成以下几类: 1. 河谷地下水 河流所流经的谷地,呈带状的地形,第四系松散沉积物发育的地区为河谷地区,包括谷 坡、阶地、河漫滩和河床。河谷地区的沉积物:一是山麓地带坡积物;二是谷地内部山口的 小型冲洪积锥沉积物;三是阶地、牛轭湖、古河道等沉积物;四是河床相和河漫滩相组合而 成二元结构沉积层,这是河谷主要堆积物。 河谷沉积物中砂砾石分选性比较好,磨圆度高,孔隙度大,透水性强时就成为良好的透 水介质,谷底一般是不透水的基岩,形成隔水层。这样上部是透水介质,下部为隔水层,接 纳降水和河水的补给后即组合成含水层。 一般情况下,河谷地下水埋藏不深,径流交替强烈,水质较好。其富水条件取决于集水 面积,松散沉积物空间展布及其透水性大小等。 2. 山前倾斜平原地区地下水 在我国松辽平原、黄淮海平原等周边山麓地带,广泛分布冲洪积成因的扇形堆积物,其 中有丰富的地下水资源。它们是这样形成的:山区洪流流出山口后,地形开阔,坡度骤降, 流速猛减,大量的推移质和悬移质堆积下来,在山前地带形成围绕山麓倾斜的扇形堆积体, 这就是冲洪积扇。各个出山口的扇与扇相连,在平面上宛如“衣裙”那样分布,就形成沿山 麓分布的山前倾斜平原。 山前地带受现代构造运动的影响,通常是山区上升,平原下降。在山前地带堆积很厚的 向平原倾斜的沉积物构成良好的含水介质,冲洪积扇上部粗粒物质(如砂砾、卵石)接受降 水和地表水的渗入, 由不透水或弱透水的基岩衬托而形成良好的蓄水条件。 从扇顶到边缘纵 向变化的总规律是地形坡度由陡变缓,岩性由粗变细;沉积层次由少变多,径流条件由强变 弱,水质由好变差。典型的冲洪积扇可分为三个水文地质带。
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⑴ 径流带 此带位于扇的上游地段,沉积物以粗粒土为主,如卵石、砾石、砂等,透 水性强,厚度大,潜水埋藏深。地下水补给来源一是地表河水的渗漏;二是山区地下水径流 的流入;三是大气降水的入渗,此带是冲洪积扇地下水的主要补给区。由于此带岩土透水性 强,径流畅通,水平交替强烈,蒸发作用很小,潜水矿化作用以溶滤为主,因此,此带又称 溶滤带,矿化度一般底于 1g/L,水化学类型以重碳酸型水为主。 ⑵ 溢出带 此带位于冲洪积扇的中部,宽度较小,与上、下带无明显的界限。其水文 地质特征是岩性由砂砾石逐渐过渡为细砂、亚砂土和亚粘土。含水层延伸远近不一,与亚粘 土层交错沉积。潜水渗入此地带后,由于颗粒变细,透水性变差,水平径流不畅,地下水被 迫提高,埋深变浅,在粘性土阻挡处,沿扇形分布,溢出地表,形成沼泽或洼地。华北平原 上的白洋淀等都是在这种洼地的基础上形成的湖泊。 溢出带潜水由于埋藏浅易蒸发, 尤其在 干旱和半干旱地区更为强烈,使潜水浓缩,矿化度增高,一般为 1-3g/L。水化学类型为重碳 酸-硫酸或氯化物-硫酸型水。 ⑶ 垂直交替带 位于冲洪积扇的下游边缘,表层大部分是细粒土(如亚粘土、粘土) , 透水性极弱,径流缓慢,潜水主要消耗蒸发,并接受下部承压水的顶托补给,故称为垂直交 替带。潜水受蒸发作用而强烈浓缩,矿化度高达 10g/L,有时竟达 30g/L 以上,发生土壤次 生盐渍化。水化学类型为氯化物型水。 在溢出带和垂直交替带的下部往往有水质良好的承压含水层,甚至能从钻孔中喷出地 表。 这种承压含水层是由于含水砂层被粘土层交错穿插而趋于尖灭所致, 承压水水质一般为 淡水,矿化度小于 1g/L。 3. 冲积平原地下水 在大河下游一般都形成冲积平原, 它是在地壳沉降时期, 河水所携带的物质不断堆积而 成的。沉降幅度大,堆积深厚;沉降幅度小,则堆积浅薄。 冲积平原的沉积物以冲积物为主,有河床相(砂、砂砾石) ;河漫滩相(细粒土) 、牛轭 湖相和湖沼相沉积(淤泥和淤泥质土) 。粗粒的砂、砂砾石是冲积平原的透水介质;河漫滩 相和湖沼相沉积物的透水性差,给水性甚小,它们构成相对隔水层。 冲积平原地下水的形成和分布除受岩性和地形条件的控制外, 还受水文、 气象等因素的 影响。 平原河流的沉积物的岩性特点是颗粒细小, 即使靠近河槽部位也多为中、 细砂或粉砂, 再加地形坡度平缓,因此,地下水埋藏浅,径流缓慢,垂直交替在数量上占相当大的比重, 在我国北方干旱和半干旱地区, 甚至成为主要的天然排泄方式。 这是平原区地下水重要的动 态特征。 沉降幅度较大的平原,河流发育过程中,又往往多次泛滥并改道以及冲积扇的重迭,使 粗细沉积物互相迭置,呈现多层结构,具有粗细相间的多次沉积韵律。在垂直剖面上,大部 分含水层有承压性, 形成有若干承压含水层。 例如我国黄淮海平原等大型平原都具有多元结 构含水层。
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第二章 地下水资源管理基础知识

沉降幅度较小,相对稳定的冲积平原,冲积层一般以二元结构为基本特点,下部为河床 相冲积物,透水性强,富水性好;上层较细,属河漫滩相。例如我国南方长江、钱塘江、珠 江下游冲积层厚度一般较薄,只有 20~50m 左右,这是因为第四纪时期地壳沉降较小,所以 河流下游仍有基岩孤山零星分布,经河流搬运的粗粒风化物(如砂砾、卵石等)堆积成透水 性较强的冲积层。南方气候湿润、补给充沛,这些砂砾层常成为富水性良好的地下含水层, 其上部覆盖着厚层粘性土层。 4. 滨海平原地下水 我国滨海平原主要分布在渤海、黄海和东海的滨海地带以及黄海、长江三角洲等地。它 由河流平原所携带的冲积物和海相沉积物交互沉积而成。 滨海平原地下水最重要的特征是矿化度高,从平原到滨海的方向上,地下水矿化度由 0.5~1.0 g/L,渐变为 1~3 g/L,甚至大于 30 g/L。总的趋势是咸水层厚度愈靠近海岸愈大。这 是滨海地区地下水径流滞缓,盐分积聚和海水入侵影响的结果。 滨海平原的深部往往有淡水体,一种是冲淡型,另一种是封存型。 滨海平原的表层,现代河流沿线,可能获得淡水补给,形成浅层河道带淡水(矿化度小 于 1 g/L) 。因此,在这些地方的垂直剖面上构成了浅部淡水——浅中部咸水——深部淡水的 多层次水文地质结构。 5. 黄土地下水 黄土 (包括黄土状土层) 是第四纪形成的风成堆积物, 我国黄土主要在黄河中游的山西、 陕西、 宁夏和甘肃及其邻近省区, 连续延展, 成为完整统一的地表覆盖层。 一般厚达数十米, 陕西和陇东局部地区达 150 米左右。 黄土地下水的积聚和分布是与黄土岩性特征和地貌条件分不开的。 黄土以粉砂颗粒 (粒 径为 0.005~0.05mm)为主,占土样总重量的 60%以上,这种粒组所形成的孔隙极其微小, 所以,黄土的透水性和给水性很弱,持水性较强。但在它的堆积过程中,有多次间断和成壤 作用,土中富含的盐类易被溶解,从而在内部形成许多空洞和垂直裂隙,为地下水的蓄集和 运移提供了有利条件。 黄土中的孔洞和裂隙在垂直方向上特别发育, 而水平方向上发育较差。 据有关研究资料表明,垂直方向的渗透系数比水平方向上的大 50~100 倍。这种性质有利于 接受大气降水、灌溉水的渗入、从而在黄土中形成地下水。黄土岩性愈往下愈坚实,孔隙随 深度加大而减弱。 在离石黄土 (为黄土的主体层) 的下部埋藏着多层古土壤层和钙质结核层, 透水性较弱,成为相对隔水层(弱透水层) ,常托住渗入水形成上层滞水和潜水。 黄土地貌在景观上的表现很别致。它在新构造运动的影响下,地盘上升,起伏连绵的黄 土层被流水强烈侵蚀,造成沟谷纵横,地形破碎,切割成无数块段。其中经现代沟谷切割后 存留下来,范围较大的桌状地形称为塬;呈长条状的垅岗称为梁;浑园形的土丘称为峁。这 种塬、梁、峁与沟谷相间的地貌,使潜水埋藏很深,往往有数十米,个别地方达 100 米左右。

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图 2-2-9 黄土地貌

依据黄土地貌特点, 黄土含水层地下水可划分为黄土塬地下水和梁、 峁地下水两种类型: ⑴ 黄土塬地下水 塬区地面宽阔平坦,受水面积较大,降落到塬面上的雨水有相当数量渗入黄土层中,遇 到相对隔水层便蓄集起来。由于塬周被沟谷深切,潜水在塬边沟谷中以下降泉的形式排泄。 沟谷往往切割到相对隔水层以下很深的部位, 泉水出露点的标高可能高于沟谷水面, 形成悬 挂泉。一个黄土塬就是一个独立的水文地质单元。黄土塬区中心部位潜水埋藏浅、沟边水位 埋藏深,补给区和径流区也就是贮存区和排泄区,这是黄土塬潜水基本的埋藏特征。 黄土潜水的动态特征是无明显的补给期和非补给期之分,因而无明显的季节性变化。 ⑵ 梁峁区局部分布黄土地下水 梁、峁区潜水分布于黄土塬以外的广大地区,但由于水文网切割强烈,地形破碎,潜水 受大气降水补给面积很小,又因梁、峁坡度大,入渗系数很小,因而潜水的补给和蓄存条件 极差,成为缺水区。 但在梁峁之间宽浅沟谷,往往含有潜水,埋深十余米,成为当地居民的可贵水源。

(二)裂隙水
裂隙水是指埋藏在第四纪以前的坚硬和半坚硬岩层裂隙中的地下水。 岩石中的大小裂隙互相切割、交叉、构成疏密相间的裂隙网脉,地下水就赋存在大大小 小的裂隙网脉中。大的破碎带或溶洞,地下水在其中流动快,储存量也丰富。而细小的裂隙 网脉,地下水在其中流动慢,水量少。基岩裂隙水主要分布和运动在这些大的张开的裂隙发 育带中。 基岩含水和隔水边界的分布,在多数情况下,不受岩层和岩体形态控制。我们知道,松 散沉积物含水层、隔水层一般与岩层边界是一致的,但在基岩中,不仅有与岩层层位相一致 的层间裂隙含水层,还有完全不受层位限制的含水破碎带,它切穿不同的岩层。在基岩裂隙 水的研究中,除了使用“含水层”这一术语外,还应当确立“含水带”的概念,而且含水带 是基岩地下水分布的主要形式。 凡是地下水埋藏分布与岩层分布一致者称为含水层; 凡是不受岩层层位限制的而主要受
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第二章 地下水资源管理基础知识

地质构造控制的含水形式,均称为含水带。 1. 基岩裂隙水特征 (1)不均匀性 基岩裂隙水的埋藏和分布具有不均匀性。在岩层裂隙发育的部位上,透水性强,含水也 多;裂隙不发育的地方,透水性差,含水也少。在基岩地下水勘探中有时会遇到这种情况, 两个钻孔相距不远, 出水量却相差悬殊。 这种不均匀性就是裂隙水与孔隙水在埋藏和分布特 征方面最主要的区别之一。 (2)方向性 由地质构造作用控制的断裂破碎带总是沿一定方向延伸, 因此赋存其中的裂隙水也具有 一定的方向性。在山区找水过程中,对含水层(或含水带)倾角和倾向判断错误,常常是导 致水井开凿失败的主要原因。 (3)分段、分带性 在同一含水裂隙带中裂隙水的富集程度也是千差万别的, 各种方向的大断裂常常互相交 叉,在交叉部位,裂隙特别发育,从而出现构造裂隙发育状况的分段差异,形成裂隙水的成 带分布与分段集中的特性。 2. 基岩裂隙水分类 基岩裂隙水的形成、分布和运动受岩性、地质构造和地貌条件的控制,裂隙是地下水赖 以赋存的地质基础。传统上按照岩石中裂隙的成因,分成成岩裂隙、构造裂隙和风化裂隙, 这些裂隙虽有各自发生发展的地质历史, 但是在漫长的地质年代中, 不可能不受到构造作用 和风化作用的改造和破坏,而形成各种各样的裂隙组合。根据裂隙组合的特点,可将裂隙水 划分为网状裂隙水、层状裂隙水和脉状裂隙水三种类型。 (1)网状裂隙水 网状裂隙水主要分布在基岩的表层风化带中。 网状裂隙水往往具有潜水的特征, 有统一的潜水面。 其补给来源主要是大气降水和冰雪 融化后入渗的水分。网状裂隙水水质较好,一般多为低矿化的重碳酸钙型淡水。 (2)层状裂隙水 层状裂隙水是指埋藏和运动在与岩层分布相一致的呈层状裂隙带中的地下水。 层状裂隙水形成和水量的大小与岩性有密切关系。 自然界岩石由于组成的矿物在力学性 质上的不同,可分为柔性和脆性两类,前者如页岩、泥岩、等受力后主要发生塑性形变、裂 隙微小而闭合,对地下水贮存和运动有意义的有效裂隙数量很少,因而它们常成隔水层;而 后者如石灰岩、 砂岩等受力后, 塑性形变阶段很短暂, 容易发生脆性断裂, 产生张开性裂隙。 当柔性岩层与脆性互层时, 在地壳运动过程中, 柔性岩层能塑性延展, 而脆性岩层塑变很弱, 形成应力集中作用于脆性岩层,从而产生密集的张开性裂隙,成为储水空间。 层状裂隙水的富集与运移是受地质构造与地貌条件的控制。 层状裂隙水一般在平缓的向
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斜要比陡立的向斜富水,因为在宽缓向斜翼部容易接受较大的降水补给,径流条件也好。 层状裂隙的水质,随埋深的不同而变,一般在浅部主要为重碳酸型水,向下逐渐过渡为 重碳酸-硫酸盐型水,再向下深部为氯化物型水,总矿化度随深度而增高。 (3)脉状裂隙水 脉状裂隙水赋存于呈脉状分布的断层破碎带和岩浆岩侵入体与围岩的接触带以及岩脉 裂隙带中,尤其是构造断裂带是山区找水的主要方向之一.脉状裂隙水常随断裂带和侵入体接 触带的延伸方向分布,具有一定的方向性;它往往切穿不同时代、不同岩性的地层;在断裂 交叉部位,局部应力集中,裂隙密集,岩石破碎,通常是富水地段,其它部位可能含水较少, 脉状含水带的富水性在空间分布上具有不均匀特征。 脉状裂隙水的补给源较远,循环深度较大,水量和水位稳定,有时具有承压性。

(三)岩溶水
凡是埋藏和运动于可溶性岩石中的重力水统称岩溶水。 可溶性岩类中的碳酸盐岩在我国分布广泛,裸露面积约 125 万 Km2,约占全国总面积 的 1/8,如果包括覆盖和深埋的面积,则达 200 万 Km2 以上,差不多全国各个大区都有碳酸 盐岩分布,尤以广西、贵州和云南东部分布广泛。 碳酸盐岩地区最引人注目的是它特异的地貌,又称喀斯特地貌,如峰丛、峰林、孤峰、 残丘、溶蚀洼地、落水洞、溶洞和地下暗河等,特别是长期处于湿热环境的我国南方,这种 岩溶地貌特别发育,它不仅以风景优美引人入胜,而且以其贮存汇集大量的地下水,对工农 业生产、人民生活具有十分重要的意义,为人们所重视。 1. 岩溶发育的基本条件 岩溶地貌是水和岩石相互作用的结果。具有可溶性和透水性的岩石是它发育的物质基 础,水的溶蚀性和流动性是必不可少的条件。 (1)岩石的可溶性 岩石的可溶性取决于岩石的成分和结构。 岩石的成分是指岩石的矿物成分, 通常所说的 碳酸盐岩主要是以方解石( CaCO3 )或白云岩( CaMgCO3 )组成的岩石,前者称为石灰 岩。后者为白云岩。这两种矿物都是可溶于水的,有一定的溶解度和溶解速度。在一般自然 条件下,如果岩石中的水能不断循环交替,溶解度和溶解速度相比,后者对岩溶的发育起着 更显著的作用。例如,对四川东部下三迭统嘉陵江灰岩经化学分析表明:纯质灰岩的溶解速 度是白云岩的 2~3 倍,其中岩溶发育强烈。 岩石结构对岩溶作用具有更大的意义。岩石结构是指组成岩石的矿物颗粒(或晶粒)大 小、形状、排列以及岩石胶结情况。 结晶结构的灰岩, 一般是晶粒愈小, 溶解度越大, 细晶质和隐晶质的溶解度高于粗晶质。 碎屑结构的灰岩,原始粒间存在孔隙,碎屑颗粒愈大,孔隙也愈大,这些孔隙成为溶孔发育

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第二章 地下水资源管理基础知识

的基础。 岩石的胶结物质不仅直接影响岩溶发育, 而且影响岩溶的形态类型。 岩溶形态类型大致 可分为以溶蚀裂隙为主的岩溶类型和以蜂窝状溶孔为主的岩溶类型。 (2)岩石的透水性 岩石的透水性取决于它的空隙性,对可溶性岩石来说,裂隙比孔隙更为重要,而裂隙的 发育主要受岩性和地质构造控制。质地较纯的灰岩,脆性大,产生张开性裂隙,透水性好, 有利于岩溶发育;泥灰岩等柔性岩石,裂隙虽多,但一般为闭合的、透水性差,甚至因残留 粘性土物质而将裂隙堵塞,不利于岩溶发育。地壳构造运动产生各种褶皱和断裂,导致岩石 破碎, 为水进入可溶性岩石内部提供了原始通路, 增大了水与岩石的接触面和岩溶发育的可 能性。岩溶发育的基本格局大都是沿节理裂隙发育带和构造断裂带分布的。 (3)水的溶蚀性 水的溶蚀力是岩溶发育必不可少的条件。 纯水的溶蚀力是极其微弱的。 当水中含有 CO 2 时溶蚀力将大为提高。含有 CO 2 的水对可溶性灰岩的溶蚀作用可用下列化学反应式表达:
? CaCO3 + H 2 O + CO2 → Ca 2+ + 2HCO3 ?

被溶解的 CaCO3 , Ca 2+ 和 HCO3 离子状态随水流走, 以 从而使灰岩受到溶蚀,使裂隙、 溶孔等不断扩大,结果,在岩石内形成各种形状与大小的洞穴和廊道。 上述化学式呈可逆反应,当(相对)平衡时,呈游离状态的 CO 2 ,一部分始终保持化 学式的平衡,这部分 CO 2 称为平衡 CO 2 ;满足平衡后所多余的 CO 2 ,则称为侵蚀性 CO 2 , 因为它将溶蚀 CaCO3 。当水中的 CO 2 含量低于平衡状态应有的数量时,上述化学反应将反 向移动而发生 CaCO3 沉淀,即产生石钟乳等灰华堆积。 水的溶蚀力强弱,主要决定于水中侵蚀性 CO 2 的含量,它在水中含量愈高,灰岩被溶 蚀的速度愈快。 CO 2 的来源较复杂,目前我们所了解,一是来自大气,二是来自土壤层, 三是火山活动时, CaCO3 在高温条件下被分解成为 CaO 和 CO 2 。 (4)水的流动性 水的溶蚀性依赖水的流动性, 水的流动交替是岩溶发育必不可少的条件。 水的流动性应 具备下列三个条件:一是地形高差,即补给区与排泄区之间要有足够的高度差;二是岩石透 水;三是补给水源。 2. 岩溶水的基本特征 在大面积巨厚的碳酸盐岩分布区, 由于岩溶分布和发育的不均匀, 有的地方成为岩溶发 育带,另一些地方岩溶不发育。岩溶发育带成为含水空间,岩溶不发育带则可视为相对隔水 边界,再加上补给条件就构成岩溶蓄水构造。岩溶蓄水构造中的地下水在分布、流动方式和 动态等方面与孔隙水、裂隙水相比,它具有不同的特征。 (1)岩溶水的分布具有不均匀性; (2)岩溶水的流动方式基本上可分为网络状渗流和洞穴性管道流。
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3. 岩溶水的水文动态 岩溶水的水量、水位的动态呈现明显的不稳定性,它的水位过程线和流量过程线,常呈 尖峰与尖谷, 这在孔隙水中是没有的。 岩溶水的上述动态特点, 主要是由于气候因素的影响, 其次是岩溶地区地表水转化成地下水的速度较快所造成。

第三节

地下水物理性质与化学成分

地下水作为资源包括质和量两个方面的涵义, 水质不好的地下水, 不但失去资源的经济 价值,而且会酿成公害,危害人民身体健康。所以,对地下水水质进行调查、分析、评价是 很重要的。 地下水水质调查包括对其物理性质、 化学成分和微生物存在状况等方面的测定, 然后根 据生活饮用水,农田灌溉用水以及工业用水的水质标准,进行水质综合评价。

一、地下水物理性质
地下水的物理性质,包括比重、温度、透明度、颜色、嗅味、导电性和放射性等。 (1)温度 地下水的温度主要受太阳热与地热的影响, 并随自然地理、 地质条件以及循环深度的不 同而变化。 (2)比重 地下水的比重决定于其中所溶解盐类的含量。 地下水的比重一般为 1 左右, 水中溶解盐 类愈多,其比重愈大。 (3)透明度 地下水的透明度与水中矿物质、有机质、胶体物质的含量有关。常见的地下水含量一般 是透明的。按透明度可将地下水分为四级:透明、半透明、微透明和不透明。 (4)颜色 地下水的颜色取决于某些化学成分及杂质的存在, 通常地下水是无色的。 含有低价铁和 硫化氢的水呈翠绿色,含氧化铁的水呈红褐色。 (5)气味 地下水的气味取决于所含气体成分和有机质。例如,硫化氢气体使水具有“臭鸡蛋味” , 腐植质使地下水具有“沼泽气味” 。嗅味的强弱与水温有关,一般低温下,不易辨别,而在 40℃左右气味最显著。 (6)口味 地下水的味道与它的化学成分有关。含有 CO 2 时,地下水清凉可口,含氯化钠的水具 有咸味,含有机质的水稍有甜味。测定口味时应将水加热至 20~30℃进行测定。
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第二章 地下水资源管理基础知识

(7)导电性 地下水导电性直接由所含电解质数量与性质而定。离子含量愈多,离子价愈高,则水的 导电性愈强。除此之外,也与温度有关。 (8)放射性 地下水在不同程度上多少都具有放射性, 但一般地下水的放射性极微弱。 埋藏并运动于 放射性矿体及酸性岩浆岩地区的地下水,其放射性相应增强。

二、地下水化学成分
(一)地下水化学成分
地下水化学成分系指地下水所溶解的盐分和气体。 从理论上讲, 地下水可以含有地壳中 所有元素。现已查明,地下水中有 60 多种元素分别呈离子状态、胶体状态、气体状态存在 于地下水中。这些元素中分布最广、含量较多的离子有七种,分别为:
? Cl?、SO 2 ?、HCO3、 +、Na +、Ca 2 +、 2+ ,这些成分决定着地下水化学成分的基本类 Mg K 4

Fe PO 型和特点。含量较少的有: H 、NH 4、Fe 、 、OH 、NO3、 4 等,气体成分有 O2、CO 2、 4、H 2S 以及镭的射气(氡)等。 CH
1. 氯离子( Cl? ) 氯离子( 氯离子是地下水中分布最广的离子, 几乎所有地下水中都含有氯离子。 但其含量变化很 大,每升水从几毫克至几百毫克不等。其来源有二:一为无机成因,来自岩盐矿床及含氯沉 积岩的溶解,岩浆岩中含氯矿物如方纳石、氯磷灰石的风化和分解;二为有机成因,即来自 废水、污水、动物的排泄等。因此,居民及工业点附近地下水中氯离子含量较多。 2. 硫酸根离子( SO 4 ) 硫酸根离子(
2?

+

+

2+

3+

?

?

3?

SO2 ? 也是广泛存在于地下水中的化学成分,其含量仅次于 Cl? ,每升水的含量由不足 4
1 毫克至几百毫克不等。主要来自石膏和硫酸盐岩的溶解。 3. 重碳酸根离子( HCO3 ) 重碳酸根离子(
? HCO3 在地下水中分布很广,但其绝对含量不高,一般每升水中仅含 1 克左右,主要 ?

来自碳酸盐的溶解。
? CaCO3 + H 2 O + CO2 → Ca 2+ + 2HCO3

在地下水中的主要阳离子成分中,由于氯化物的溶解度高,因此其含量很大,每升水中 含量可达几百克,而碳酸盐的溶解度很小,只有在水中有 CO 2 ,存在时,才较易溶于水, 因此,在含盐量大的水中,以 Cl? 占优势,在含盐量小的地下水中,相对的 HCO3 的才显得 占有重要地位。当 HCO3 在地下水中成为主要成分时,水中总的含盐量很低,属于地下淡 水。
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? ?

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4. 钠离子( Na + ) 钠离子(

Na + 是地下水中分布很广且含量较高的阳离子,其最大含量可达每升 100 克以上。地
下水中 Na + 的来源,一是岩盐矿床的溶解;二是岩浆岩、变质岩中含钠矿物的风化溶解。

Na + 在地下水中主要与 Cl? 伴存,有时也与硫酸根离子、重碳酸根离子共生。
5. 钾离子( K + ) 钾离子(

K + 的来源,基本上与 Na + 相同,钾盐的溶解度也很大,但在地下水中的含量不多,这
是因为 K + 容易被粘性土颗粒吸附和植物吸收,而且 K + 在原生矿物风化过程中易于形成次 生矿物。 6. 钙离子( Ca 2 + ) 钙离子( 地下水中 Ca 2 + 主要来自碳酸盐岩的溶解,它也象重碳酸根离子一样,分布广泛,但绝 对含量不高,两者常伴生。 7. 镁离子( Mg 2+ ) 镁离子( 地下水中 Mg 2+ 分布也很广泛,但绝对含量也不高,其主要来源为白云岩以及基性岩含 镁矿物的风化和分解。镁盐的溶解度高于钙盐,可是在地下水中 Mg 2+ 的含量低于 Ca 2 + , 主要原因是 Mg 2+ 更易被粘性土颗粒和植物摄取。Mg2+在地下水中也是跟重碳酸根离子伴 生。 地下水中除含有上述离子之外,还含有许多气体,常见的有 O 2、N 2、CO 2、H 2S 等。

O2 和 N 2 主要来源于大气,因此,在浅层上部地下水中它们的含量较大,愈往深处,含量
愈低。人们常将 O 2 和 N 2 含量较多的地下水认作来自大气降水入渗补给的一个标志。

(二)地下水的化学性质
地下水的化学性质包括氢离子浓度、总硬度和矿化度等。 1. 氢离子浓度(PH 值) 氢离子浓度( 水的酸碱性决定于水中 H + 含量和 OH ? 含量的对比关系。当水中 H + 浓度大于 OH ? 浓 度时,水呈酸性;反之,则呈碱性。 通常用 PH 值来反映水中 H + 浓度。当 PH 值小于 7 时为酸性,PH 值大于 7 时为碱性, PH 值等于 7 时为中性。在自然界中地下水多呈弱酸性、中性或弱碱性,强酸性和强碱性是 少见的。 H + 对混凝土具有侵蚀性,因此,研究地下水的 PH 值具有重要的意义。
表 2-3-1 水的酸碱度分类表 酸碱度 PH 值 强酸性 <5 弱酸性 5~7 中性 7 弱碱性 7~9 强碱性 >9

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第二章 地下水资源管理基础知识

含 Ca 2 + 和 Mg 2+ 较多的水叫硬水,其中含 Ca ( HCO3 ) 2 和 Mg ( HCO3 )2 的水叫暂时硬 水。水经煮沸后,水中的 Ca 2 + 和 Mg 2+ 将与 HCO3 生成 CaCO3 或 MgCO3 而沉淀下来。含 钙、镁的硫酸盐或氯化物的水叫永久硬水。在药物、印染等工业上,使用硬水会影响质量, 若用硬水供给锅炉使用,会生成很坚硬的锅垢,既浪费燃料而且有引起锅炉爆炸的危险。化 学上,以硬度作为水中所含钙镁离子数量的指标。水的硬度可分为三种,即总硬度、暂时硬 度和永久硬度。 水中所含 Ca 2 + 和 Mg 2+ 的总量称为总硬度。将水煮沸后,由于形成碳酸盐沉淀,使水 失去一部分 Ca 2 + 和 Mg 2+ ,这部分 Ca 2 + 和 Mg 2+ 的数量称为暂时硬度。总硬度与暂时硬度 之差称为永久硬度,即水经煮沸后仍存留的 Ca 2 + 和 Mg 2+ 的含量。硬度的表示方法很多, 目前,我国常用德国度来表示。一个德国度相当于 1 升水中含有 10mg 的 CaO 。在化学分 析中通常是以 Ca 2 + 和 Mg 2+ 含量的毫克/升或毫克当量/升表示的。 1 升水中含有 1 毫克当 当 量的 Ca 2 + (即 20.04mg/l 的 Ca 2 + )或含有 1 毫克当量的 Mg 2+ (即 12.16mg/l 的 Mg 2+ )时, 就等于 2.8 德国度。根据硬度数值可将地下水分成 5 种类型。
表 2-3-2 水按硬度分类 类型 极软水 软水 微硬水 硬水 极硬水 Ca+Mg <1.5 1.5~3.0 3.0~6.0 6.0~9.0 >9.0 德国度 <4.2 4.2~8.4 8.4~16.8 16.8~25.2 >25.2
?

2. 硬度

3. 总矿化度 水中所含的离子、分子和各种化合物的(不含气体)的总量称为总矿化度,以 g/l 表示。 总矿化度表示水中所含盐分的多寡,是评价水质好坏的重要指标。水的总矿化度通常以 105~110℃时将水蒸干后所得的干涸残余物的重量来衡量。也可以根据水质分析的资料,用 离子、化合物等含量计算(即用阴阳离子的总和)而得。但计算时,重碳酸根离子只能用它 含量的一半,因为当水被蒸干时,一部分重碳酸根离子将分解成为 CO 2 逸走,逸走的数量 接近其含量的一半。 这两种方法所得的总矿化度都是近似值, 这是由于水中有些物质不是都 能分析得出,而且在蒸发条件下,某些物质可挥发掉,有机物将会被氧化等缘故。 根据地下水总矿化度大小,可将地下水分为 5 类(表 2-3-3) 。水的总矿化度与化学成分 有密切关系,低矿化淡水常以重碳酸根离子为主要成分,高矿化度则以氯离子为主要成分。

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地下水资源管理教材

表 2-3-3 地下水按矿化度分类 水的分类 淡水 微咸水 咸水 盐水 卤水 干涸残余物 g/l ≤1.0 1~3.0 3~10.0 10~50 >50

(三)地下水化学分析类型及分析项目
为了判别地下水的水质,采取水样进行化学成分分析。在实际工作中,根据目的和要求 不同,对水质分析的项目和方法也有所不同,在一般性的地下水调查中,主要有简分析、全 分析和专项分析三类。 简分析要求在野外进行,以了解工作区内各含水层的化学成分的概貌。这种分析,一般 项目少,精度要求低,简便快捷,技术容易掌握。简分析项目中要求定量测定的有:
? Cl?、SO 2 ?、HCO3、 2 +、Mg 2 + 含量和 PH 值; Ca 4

全分析的目的主要在于提高简分析的精度, 并增加一些分析项目, 以便对简分析资料进 行 复 查 , 全 分 析 除 测 定 必 要 的 物 理 性 质 外 , 一 般 包 括 下 列 项 目 :
? 2 ? Cl?、SO2 ?、HCO3、K +、Na +、Ca 2 +、Mg 2 +、Fe2 +、Fe3+、Pb 2+、CO3 ?、NO3、NH +、 4 4

H 2S ,侵蚀性 CO 2 、游离 CO 2 、游离 O2、PH、总硬度、永久硬度、暂时硬度、耗氧量、
总矿化度。 专项分析系指某一专门目的而进行的某些项目的水化学分析。 如为了评价饮用水质的好 坏,需进行有毒成分 As、Pb、F、Cd 等的分析。 、 污染分析:地下水污染物种类繁多,按其性质,大致可分为三类: (1)化学污染物 化学污染物分为两为类,一是无机污染物,一是有机污染物。无机污染物中 NO3 是最 普遍、浓度最高、污染面积最大的污染物,其次是 Cl? 、硬度( Ca 2 + 和 Mg 2+ ) SO 4 、 、 及总溶解固体(TDS)等。无机污染物的微量组分主要是 F-和 As(非金属) 、Cr、Hg 和 Pb (重金属)等。 有机污染物目前已在地下水中发现有 100 多种, 其中经常出现的是卤代烃类挥发性有机 物,诸如二氯乙烯、三氯乙烯、四氯乙烯、二氯乙烷、氯仿等。 (2)生物污染物 它们包括细菌、病毒和寄生虫三类,以前两类为主。在人和动物类粪便中有 400 多种细 菌,已鉴定出的病毒细菌 100 多种,它们都有可能进入含水层。但由于监测手段所限,目前 地下水中发现的 细菌和病毒仅 20 多种。
2?

?

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第二章 地下水资源管理基础知识

(3)放射性污染物 主要是 Ra-226、Sr-90、Pu-239、Cs-137 等。

(四)地下水环境质量评价
对地下水水化学成分分析以后,必须对水质进行评价,不同的用途,对水质的要求是不 同的,因而水质评价标准也是有所不同。 1. 生活饮用水水质评价 生活饮用水应是无色、 无味、 无臭、 不能含有水生物及人类嫌恶的物质。 从化学成分上, 要求有毒的成分如铅、锌、砷、汞不得超过规定的标准。1 升水中,大肠杆菌不得超过 3 个, 细菌总数不得超过 100 个。生活饮用水评价参照国标 GB5749-2006。 2. 农田灌溉用水的水质评价 农田灌溉用水的地下水水质评价主要从水温、矿化度及水中盐类成分三个方面来考虑。 灌溉用水的水温一般不宜过低或过高,北方小麦作物要求水温一般在 10~15℃为宜, 南方水稻则要求在 15~20℃为宜。 矿化度过高的水对农作物和土壤都会产生有害的影响, 一般灌溉用水的矿化度以不超过 1.7g/l 为好,但是,往往很难达到这个要求,目前最大允许值不超过 5g/l。 水中盐类成分不同,对农作物有不同的影响,有些盐类,如 CaCO3 和 MgCO3 对作物 生长并无害处,有的甚至有益,如硝酸盐和磷酸盐具有肥效。对农作物生长危害最大的是钠 盐,尤其以 Na 2 CO3 危害最大,它腐蚀作物的根部,使作物死亡,同是破坏土壤的团粒结 构, 其次是 NaCl , 它使土壤盐化, 对于易透水的土壤来说, 钠盐的允许含量一般是 Na 2 CO3 应小于 1g/l, NaCl 含量应小于 5g/l,如果两者同时存在,则其允许值应更低一些。 3. 地下水环境质量评价 地下水环境质量评价主要包括以下三个方面:地下水污染现状评价,地下水(环境)质 量评价及地下水(环境)质量影响的评价。 (1)地下水污染现状评价 评价目的旨在说明地下水的污染程度及范围, 并不说明地下水的适用性, 受污染的地下 水并不一定影响其使用。 评价标准是背景值或对照值。超过标准者视为污染。 背景值是不受人类活动影响的地下水有关组分的天然含量。 背景值的一个明显特点是具 有区域差异性,它随地质、水文地质条件而变。因此,在确定各区的背景值时,必须进行环 境水文地质分区,分别确定各区的背景值。分区时应注意区内地层岩性、水文地质条件及环 境状况大致类似。计算背景值的方法常用的公式是 Y=X ± S 式中: Y 为背景值; X 为算术平均值; S 为标准偏差。 背景值不是一个单值,应该是一个区间值。在研究区内,往往没有可以利用的背景值数
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据,因此人们常常用对照值作为评价标准。对照值可以是历史水质数据,或者是区内无明显 污染源的水质数据,或者邻区水文地质条件相似的水质数据。 (2)地下水环境质量评价 评价目的旨在说明质量的好坏及其适用性。 评价标准是各种水质标准。 诸如评价作为生活饮用水的适用性, 用生活饮用水水质标准, 评价矿泉水的适用性,用矿泉水水质标准(包括热水及医用矿泉水) 。 在评价污染时,一般都根据(综合)污染指数进行污染程度的分级,诸如分为未污染、 轻污染、中等污染及重污染等;在评价其(环境)质量时,一般也根据(综合)水质指数进 行质量好坏的分级,诸如很好、好、中等、坏、极坏等

第四节

地热水

地热水是指高于当地年平均气温的地下水。从广义上讲,热水亦属于矿水的范畴,热水 除具有矿水的一般用途外,因其“热”的特点作为热能资源被人类利用时,常常又把热水称 为矿水。 地热水多形成于热流值或地温梯度高于区域背景值的地热异常区。 大气降水通过岩石的 孔隙或裂隙渗入,在地温梯度的作用下或受熔融岩体(600~900℃)加热,成为具有较高温 度的地下水。地下水在循环过程中与围岩发生溶滤作用,使不同的成分发生混合,变质作用 以及生物化学作用, 使微量元素或重金属元素富集起来, 致使地下水含有某些特殊化学成分 或某些气体成分,或具有较高的矿物质含量。 地热水的形成一般要具备以下四个条件: (1)热储 具备渗透性良好的孔隙、裂隙岩层或断裂系统,使热水或蒸气可以富集; (2)盖层 由不透水岩层组成,直接覆盖于热储之上,起保温隔热作用,能阻碍地球内 部的热能向地表失散; (3)通道 是指地下热水(汽)在静水压力作用下上涌的构造通道; (4)热源 包括水源及水中物质成分的来源,其中热源是热水形成的首要条件。 目前各国对地热水温度下限的确定尚不一致。美国、加拿大高于当地年平均气温 5℃的 地下水划为热水,前苏联将地下热水的温度下限定为 20℃,日本则定为 25℃。 我国地热水温度分类从实际应用出发, 并考虑其存在条件和冷热水的界限, 将地热水的 温度定为 20℃(北方)~25℃(南方) 。

一、地热水的物理特征
地热水的物理特征主要包括以下几方面:

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第二章 地下水资源管理基础知识

(1)比重 地热水的比重决定溶解盐类含量的多少,溶解盐类越多,比重越大。 (2)温度 地热水的温度取决于成因类型,热源、地质构造等。 (3)透明度 地热水的透明度与矿物质、有机质、胶体物质的含量有关,常见的地下热水是透明的。 (4)颜色 地下热水的颜色取决于某些化学成分及杂质的存在, 通常地下热水是无色的, 含低价铁 和硫化氢的水呈绿色,含氧化铁的水呈褐色。 (5)气味 地下热水的气味取决于所含气体成分和有机质。 气味强弱与温度有关, 一般低温不易辨 别,而在 40℃左右气味最显著。 (6)口味 地热水的味道与其所含化学成分有关。水中含 CO2 时,清凉可口;含氯化钠时,具有 咸味,含有机质时稍有甜味。 (7)导电性 地下热水导电性除与它自身温度有关外, 还与水的电解质数量与性质有关, 离子含量越 多,离子价越高,则水的导电性越强。 (8)放射性 地下热水中在不同程度上多少都具有放射性, 但一般都较微弱。 在放射性矿体及酸性岩 浆岩地区活动的地下水,其放射性相应增强。

二、地热水的化学特征
(1)地热水中存在不同成因的气体,对于这些气体成分的研究能够帮助搞清热水形成 的地球化学环境,而且是地下水热开发利用中的宝贵资料。 (2)地热水中气体成分的特征 氢( H 2 ) :在高温高压环境下可富集,在地热流体中出现 CO 2 - H 2 和 CO 2 - H 2S -

H 2 气体组合类型时,是高温热水的标志。
二氧化碳( CO 2 ) :与岩石的热力变质有关。 硫化氢( H 2S ) :它是区分氧化或还原地球化学环境的重要指示剂。 氮( N 2 ) :热水中常含水大量 N 2 (大于 90%) ,这种热水的特点是具碱性,一般是大 气成因。 甲烷( CH 4 ) :埋藏在封闭沉积盆地深部的地下热水中常含有大量的 CH 4 。这种气体 是有机物分解的产物,常与石油伴生。

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地下水资源管理教材

氦(He)及氩(Ar) :是放射性成因的惰性气体。He 在地球内部的含量多于空气中的 含量,Ar 则相反。 氡(Rn) :也是一种惰性气体,它是由 Ra 蜕变生成的。 除上述气体外,地下热水中还溶解有 Hg、As、B、Se、Sb 等挥发性元素。

三、地热水的化学成分
地热水中的化学组分主要是热水同围岩之间的溶解与溶滤作用形成的, 其浓度主要取决 于温度和压力条件。其中有的微量组分除溶滤成因外,与岩浆活动、火山喷发、降水等因素 也有密切的成因联系。 由于在高温高压条件下各种化学反应都能以较快的速度达到平衡, 所以地热流体的化学 特征反映着该系统内热水与固相介质之间达到最终平衡。 地热水含有普通地下水的各种成分,但其主要的特征是 SiO2 含量较高, Na + 占优势, 这是因为钠盐和 SiO2 的溶解度随温度升高而增大。如水温升至 150℃时, SiO2 含量达到 140mg/l。 与一般地下水化学成分相比,地下热水中某些微量组分如 Si、F、B、Li、Rb、Cs、Hg、 As、Al、Mn、Br、NH4 等含量较高,而且温度越高,这些组分含量越大。

四、我国地热水的基本类型及其分布特征
根据地质构造特征及地热水形成条件, 可把我国热水分为隆起带地下热水、 沉降带地下 热水和近期岩浆活动地下热水三种类型。 另外根据我国地质构造特征、地温及温泉分布、区域水文地质条件,采用以“区域温泉 等级”作为基岩山区热水热量指标,以“千米埋深处的地温”作为中新生代沉降覆盖区热水 热量指标的热水带划分原则,将我国地下热水划分为山地热水带和覆盖区热水带。

五、地热水的开发利用
地热水是一种宝贵的天然资源, 它不仅可以向人类提供无污染的热能, 而且还可以作为 供水水源或矿物资源加以开发利用,对国民经济的发展具有重要意义。 地热水资源具有多方面的日益广泛的用途。目前国内外主要用于以下两方面: (1)利用地热发电 世界上利用地热发电主要国家有意大利、新西兰、墨西哥、美国、印度尼西亚、土耳其、 前苏联、萨尔瓦多、肯尼亚、冰岛和日本。我国 1970 年在广东建起了第一座试验热电站后, 又相继建成了天津、河北怀来、西藏羊八井等地的热电站。 (2)地热为其他行业广泛利用
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第二章 地下水资源管理基础知识

地下热水非发电方面利用包括采暖、农业(暖房、养殖、烘干) 、工业(供热、脱盐) 、 医疗等各方面。

第五节

矿泉水

在一定的水文地球化学环境下, 地下水富集了某些特殊的化学组分或某些气体成分, 或 者具有较高的矿物质含量、或具有较高的温度,因而对人体有医疗作用时,这种水便称之为 矿水。由于矿水往往出露地表成泉,习惯上又称矿泉或矿泉水。矿水按用途分类可划分成医 疗矿水和饮用矿泉水两种类型,前者主要利用矿水中含有一定的特殊气体成分与微量元素、 或具有 34℃以上温度对人体有良好的生理医疗作用的地下水称为医疗矿水。本节主要介绍 饮用矿泉水的定义、 标准、 开采条件及其分布特点以及矿泉水中所含特殊成分对人体的作用 等内容。

一、饮用矿泉水
矿泉水系指可作为瓶装饮料的天然矿泉水。 矿泉水包括以下几个要素: (1)来自地下深处的天然露头或经人工揭露的深部循环的地下水; (2)以含有一定量的矿物质和微量元素、或二氧化碳以及温度为特征; (3)在通常情况下,其化学成分、流量、温度等动态相对稳定; (4)应是在保证水源细菌学纯度的条件下,具备特定的卫生措施下采集和罐装。 (5)改变饮用天然矿泉水的特征和主要成分条件下,允许曝气、过滤或除去或加入二 氧化碳。 饮料矿泉水按其矿化度又可分为: (1)低矿化度矿泉水:其矿物盐含量<500mg/l (2)中矿化度矿泉水:其矿物盐含量 500~1500mg/l (3)高矿化度矿泉水:其矿物盐含量>1500mg/l 饮料天然矿泉水按化学成分分类主要有以下两种: (1)碳酸型矿泉水:是游离 CO2>250mg/l 的矿泉水,并以含有可溶性二氧化碳、锶等 微量元素为特征。 (2)含硅、锶等微量元素的淡矿泉水:这类矿泉水多为矿化度小于 1g/l 的重碳酸盐水, 以不含游离 CO2 气体,但多数以含硅、锶或含锌、硒、钴、钼、锗等。

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地下水资源管理教材

二、我国饮用矿泉水标准
国家标准(GB8537-87)对饮用矿泉水的技术要求: 1. 饮用天然矿泉水的限值(见表 2-5-1) ; 2. 感官要求 ⑴ 色:色度不超过 15 度,并不得呈现其它异色; ⑵ 浑浊度:不超过 5 度; ⑶ 嗅和味:不得有异臭、异味,应具有本矿泉水的特征性口味; ⑷ 肉眼可见物:不得含有异物,允许有极少量的天然矿物盐沉淀。 3. 某些元素和组分的限量指标(见表 2-5-2) ; 4. 污染物指标(见表 2-5-3) ; 5. 微生物指标(见表 2-5-4) 。 另外,矿泉水的微生物特征和有害化学成分应符合我国《生活饮用水卫生标准》 (GB8537-87)和世界卫生组织的规定。
饮用天然矿泉水的限值( 表 2-5-1 饮用天然矿泉水的限值(据 GB8537-87) ) 项目 指标(mg/l) 项目 指标(mg/l) 项目 指标(mg/l) 0.2 1 0.01 锂≥ 溴≥ 硒≥ 0.2 0.2 250 锶≥ 碘≥ 游离 CO2≥ 0.2 25.0 1000 锌≥ 偏硅酸≥ 矿化度≥ 注:凡符合表 2-8-1 各项指标之一者,可称为饮用天然矿泉水。但锶含量在 0.2~0.4mg/l 范围和偏硅酸含量 在 25~30mg/l 范围,各自都必须具有水温在 20℃以上或水的同位素测定年龄在 10 年以上的附加条件,方 可称为饮用天然矿泉水。 某些元素和组分的的限量指标( 表 2-5-2 某些元素和组分的的限量指标(据 GB8537-87) ) 项目 指标 项目 0.01 mg/l 镉< 硒 < 0.05 mg/l 铬(V)< 砷 < 0.05 mg/l 铅< 氟化物(以 F 计)< 0.001 mg/l 汞< 耗氧量(以 O2 计)< 0.05 mg/l 银< 硝酸盐(以 NO3 计)< 30.0 mg/l 硼(以 H3BO3 计) 镭 226 放射性 污染物指标表( 表 2-5-3 污染物指标表(据 GB8537-87) )

项目 锂< 锶< 碘< 锌< 铜< 钡<

指标 5 mg/l 5 mg/l 1 mg/l 5 mg/l 1 mg/l 5 mg/l

指标 0.05 mg/l 0.05 mg/l 2.5 mg/l 3.0 mg/l 45 mg/l 1.1Bq/L

项目 酚类化合物(以苯酚计) < 氰化物(以 CN-计) < 亚硝酸盐(以 NO2-计) < 总β-活性 <

指标 0.002 mg/l 0.01 mg/l 0.005 mg/l 1.5Bq/L

微生物指标表( 表 2-5-4 微生物指标表(据 GB8537-87) )

项目 细菌总数< 大肠菌群<

指标 100 个/ml 3 个/ml

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第二章 地下水资源管理基础知识

三、矿泉水的形成条件及其分布
(一)矿泉水的形成条件
矿泉水的形成条件必须具备以下四项主要条件: (1)有利的地质构造,诸如岩石的风化壳、断裂带、褶皱带、侵入体及岩脉的接触带 和火山(岩浆)活动地区; (2)具有能提供形成矿泉水化学成分和气体成分的物质来源; (3)必要的水的补给来源和水在储水构造中的循环条件; (4)在地下深部具有一定的温度和压力,保证水对围岩的充分溶滤。

(二)矿泉水的分布规律
(1)火山(岩浆)活动型 该种类型矿泉水一般分布在中新生代沉积盆地深部,可含有偏硼酸、 锂(Li) 、铷(Rb) 、 铯(Cs)的矿泉水。这种类型矿泉水分布于吉林长白山、云南腾冲、西藏羊八井和黑龙江五 大连池。 (2)沉积盆地型 在中、新生代以来所形成的巨厚堆积盆地或平原中,有相应的隔水层和含水层(含微量 元素) 。 (3)大气降水深循环型 此种矿泉水受火山(岩浆)活动、深大断裂控制,大气降水通过深大断裂及火山通道补 给地下水深循环形成矿泉水。

第六节
一、渗流的基本概念

地下水运动的基本定律

地下水受重力作用在岩土空隙中的运动称为渗透。 渗透水流由于受到岩石隙壁或土粒骨 架的阻碍,运动速度比较缓慢。但是水流质点在空隙中渗透蜿蜒曲折、杂乱无章,分布状况 极其复杂。研究个别质点的运动规律是很困难的,而且实用价值也不大,人们最关心的是渗 透水流的宏观平均效果,而不是空隙中水流质点的微观动态。 (1)渗流简化模型 人们在研究每一门学科时, 总是先建立一个反映事物主要矛盾的物理模型, 以及抓住该 事物的本质展开研究。 对于渗透水流, 我们引入一个简化的渗透模型来代替实际的渗透水流。 所谓渗流简化模型是指边界形状和边界条件保持不变的情况下(即与时间无关) ,假想多孔 介质都被渗透水流所占有, 就好像颗粒骨架根本不存在一样, 用一种流满整个多孔介质空间
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地下水资源管理教材

(包括空隙和骨架的空间) 的假想水流代替仅仅在岩土空隙中运动的真实水流。 这种模型具 有下列性质: 一是通过某一过水断面的流量应等于真实水流通过同一断面的流量; 二是它在 某一过水断面上的侧压水头应等于真实水流的侧压水头; 三是它在运动过程中所受到的阻力 应等于真实水流所受的阻力。满足上述性质的模型化的渗透水流,称为渗流。渗流所占有的 空间称为渗流场。 采用渗流简化模型后, 就可把渗流当做连续水流来研究, 由此得以避免研究个别空隙中 水流质点运动规律的困难, 而可把水力学中水流运动要素的各种概念和成熟的研究方法应用 到渗流中。由于渗流简化模型的流量、侧压水头和运动阻力都跟真实水流一样,所以它的效 果并不真实。 (2)均质含水层与非均质含水层 在含水层的不同位置,其透水性可能是不同的,通常把含水层分为两类,均质含水层和 非均质含水层。 当含水层的透水性到处都一样时就是均质含水层,即渗透系数在任何一点都是相同的; 否则就是非均质含水层。 裂隙和岩溶含水体的非均质性一般要比孔隙含水层的大。 严格的说, 自然界所有含水介质都是非均质的。因为影响渗透系数的因素,如土的颗粒大小与级配,岩 石的片理、层理、节理在空间上都不相同。为了研究方便起见,如果渗透系数随位置变化很 微小时,可认为它是均质。 在均质含水层中, 不同位置上的透水性是相同的, 但不等于同一点上各个方向的透水性 都是相同的。例如,均质黄土层垂直方向透水性大于水平方向的透水性。又如裂隙含水层沿 裂隙方向透水性强,垂直裂隙方向透水性弱。因此,含水层又有各向同性和各向异性之分。

二、渗透基本定律
赋存在岩土空隙中的地下水很少是静止的,而是不断地运动着。地下水运动的方向、速 度和流量对水资源评价、农田排水以及水工建设物渗漏等都是很重要的。因此,对地下水运 动所遵循的基本规律应进行研究。

(一)线性渗透基本定律
1852~1856 年法国水力工程师达西对均质砂土进行了大量的一维(单向)渗透实验研 究,总结出渗流能量损失与渗流速度之间的关系。 (实验从略) 达西分析大量的实验资料,得到圆筒内渗流量 Q 与圆筒断面 A 和水力坡度 I 成正比: Q = K ? A? I (2-6-1) Q 令 V = A 则 V = KI (2-6-2) 3 式中: Q —渗流量(m /d)

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第二章 地下水资源管理基础知识

A —园筒面积(m ) I —水力坡度, I = ?H / ?S
V —渗透速度(m/d) K —比例系数,又称渗透系数(m/d)

2

上式表明,渗流的水力坡度(即单位渗透路程上的水头损失)与渗透流速的一次方成正 比。这就是著名的达西定律,也即线性渗透定律。达西定律是通过实验得出的,它反映了渗 流在空隙中的运动, 遵循自然界物质运动的普遍规律, 即在系统中的物质总是由能量高的地 方向能量低的地方运移, 其运动速度的快慢不取决于两端能量的绝对值, 而取决于单位路程 上能量的消耗值,即能量梯度,在渗流场中也就是水力坡度。 在公式(2-6-1)中,断面面积 A 内有一部分为颗粒所占有,真正的过水面积 A’比 A 小, 因此,实际的真实流速 V’比渗透流速 V 大。渗透流速不过是一种模型引用流速。 在公式(2-6-1)中比例系数 K 是表示岩土空隙容许渗透水流流过的通畅程度,所以称 之为渗透系数,一般情况下,不同岩土具有不同的渗透系数值。它是水资源调查评价的重要 参数。 在公式(2-1)中,水力坡度是表征渗流在单位路程上的水头损失,它永远是正的,在 稳定均匀流中水力坡度是常数。在不均匀流中,它是随位置的改变而改变的,因此,不能再 用平均值(ΔH/ΔS)来表达了,而应为水头 H 对渗透路程 S(坡度很小时,与水平轴上的 投影值相接近)的导数来表示,即

dH H ? H1 ?H = lim 2 = lim ?S → 0 ?S → 0 ?S dS ?S dH 则I = ? dS

(2-6-3)

式中,负号是因为随着渗透路程的增加,水头降低,沿水流方向ΔS 距离上的增量ΔH 总是负值, 而按水力坡度的定义, 它永远是正值, 所以在前面加一下负号, 才等于水力坡度。 达西定律适用范围:试验研究表明,并不是所有层流运动都服从达西定律,只有当雷诺 数 Re =

Vd ≤ (1 ~ 10) 之间的某个数值时, 地下水运动才服从达西定律。 式中: 为雷诺数; Re r

V 为渗透流速(m/d) d 为颗粒有效直径(mm) ; ,可用 d10 来代替(土样中小于某一粒径的

颗粒占土样总重量的 10%,该颗粒直径称为土样的有效粒径) r 为液体运动粘滞性系数 ; (m2/d) 。 为了安全起见,可把 Re=1.0 作为达西定律的适用范围的上限值。

(二)非线性渗透定律
地下水在较大的裂隙和溶隙中流动时, 实际平均流速跟明渠中流动的相似, 属于紊流运 动,它遵守克拉斯诺波利斯基—谢才定律:
Q = K m ? A ? I 1/ 2
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(2-6-4)

地下水资源管理教材

式中 K m —紊流渗透系数(m/d) ; I —水力坡度; 2 。 A —过水面积(m ) 上式表明,当地下水呈紊流状态运动时,渗透流速与水力坡度的 1/2 次方成正比,此即 非线性渗透定律。当渗流介于层流与紊流混合型时,水力坡度指数为 1/m,m 为 1~2 之间 的值。

三、含水层中地下水稳定流运动 含水层中地下水稳定流运动
研究地下水稳定流运动,如同非稳定流运动一样,目的是要计算地下水的流量,水面下 降曲线以及渗透水流的水力梯度和渗透速度。

(一)均质承压含水层中的地下水运动
1. 一维流方程 设承压含水层为均质、等厚、隔水底板水平,此时地下水的流线为平行的水平直线,水 头 H 仅是坐标 x 的函数。 (公式推导过程从略,只给出最后推导公式) (H1 ? H 2 ) H = H1 ? ?X l H ? H2 q = KM 1 l 3 式中 q -单宽渗流量(m /d·m) ; ; K —渗透系数(m/d) ; M —含水层的厚度(m) H 1、H 2 —钻孔 1 钻孔 2(过水断面 1、断面 2)的侧压水位(m) ; l —钻孔 1 和钻孔 2 之间的水平距离(m) 。 2. 二维流方程
如果承压含水层不是等厚的话,地下水流将是平面流,即二维流,地下水渗透流速具有 两个方向的分量。当厚度变化不大时,通常采用下式求得近似解:

(2-6-5) (2-6-6)

q=K

( M 1 + M 2 ) ? ( H1 ? H 2 )
2 l

(2-6-7)

上式符号与(2-6-6)同

(一)均质潜水含水层中地下水运动
1. 当隔水层水平时
裘布依方程见(2-6-8)
q=K h12 ? h22 (h + h2 ) (h1 ? h2 ) =K 1 ? l 2l 2

(2-6-8)

h1 + h2 —潜水流平均厚度; 2

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第二章 地下水资源管理基础知识

h1 ? h2 —潜水流平均水力坡度。 l x y = h12 ? ( h12 ? h22 ) l
即可求得不同的 y 值,绘制成浸润曲线。 2. 当隔水层倾斜时 当含水层下部隔水层不是水平时,拟用下式进行近似计算:

(2-6-9)

上式方程为浸润曲线方程, 利用上式计算时, 可在水平距离上取不同的 x 值, 代入上式,

q=K

h1 + h2 H1 ? H 2 ? 2 l
3

(2-6-10)

式中 q —潜水单宽流量(m /d·m) ; ; K —潜水含水层渗透系数(m/d) h1、h2 —断面 1、断面 2 处潜水层厚度(m) ; H 1、H 2 —断面 1、断面 2 处潜水位(m) 。

(三)非均质含水层中地下水运动
1. 地下水流平行于岩层界面流动的平均渗透系数
n

K M + K2 M 2 + L + Kn M n K cp = 1 1 = M1 + M 2 + L + M n
非均质含水层中的单宽流量公式为:

∑K M
i =1 i

i

(2-6-11)

M
(2-6-12)

q = K cp ? M ? I
式中: K i —各层渗透系数; M i —各含水层厚度。

2. 当地下水流垂直于岩层界面流动的平均渗透系数: 当地下水流垂直于岩层界面流动的平均渗透系数:

K cp =

M1 + M 2 + L + M n = M M1 M 2 + +L + n K1 K 2 Kn

M M ∑ Ki i =1 i
n

(2-6-13)

3. 当透水性呈不规则分布的含水层中地下水稳定流运动

q=

K1h1 + K 2 h2 H1 ? H 2 ? 2 l

(2-6-14)

四、地下水向井的稳定流运动
(一)地下水向井的稳定运动
1. 地下水向潜水完整井的稳定流运动公式
假设隔水底板水平,含水层为均质,各向同性,延伸范围很大,同时假设过水断面为近
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地下水资源管理教材

似的圆柱形
Q = 1.366 K (2 H ? S 0 ) S 0 lg( R / r0 ) 0.733Q ? lg( R / r0 ) K= (2 H ? S 0 ) S 0

(2-6-15) (2-6-16)

上式适用单孔抽水试验计算公式。 当有两个观测孔时,潜水井抽水流量计算公式为: (2 H 0 ? S1 ? S 2 )( S1 ? S 2 ) Q = 1.366 K lg( r2 ? r1 )

(2-6-17)

图 2-6-1 带观测井的潜水完整井

2. 地下水向承压完整井的运动 KM ( S 0 ? S ) Q = 2.73 lg( r ? r0 ) lg( R ? r0 ) K = 0.366Q MS 0 上式适用于单孔抽水试验时计算公式 当有两个观测孔时 (S ? S 2 ) Q = 2.73KM 1 lg(r2 ? r1 ) lg(r2 ? r1 ) K = 0.366Q M (S1 ? S 2 ) 浸润曲线方程为
Q r ln 2πKM r0 式中: r —任一点至抽水井中心的距离; S —与抽水井中心距离为 r 的任一点的压力水位降深。 h = h0 +

(2-6-18) (2-6-19)

(2-6-20) (2-6-21)

(2-6-22)

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第二章 地下水资源管理基础知识

图 2-6-2 地下水向承压水完整井的运动

以上只介绍了稳定流方面的基本公式, 非稳定流方面的公式本章不作介绍, 可能参考地 下水动力学以及地下水水文学中的有关非稳定流理论及其公式。 以上各公式主要介绍地下水数学模型的解析解, 解析解的优点在于所得出的地下水运动 情况无论在时间和空间方面都是连续的。 但解析解又有很大的局限性, 它只能处理比较简单 的数学模型,并不得不把含水层人为的理相成均质的,各向同性的,形状简单的含水层。这 样就对现实的含水层作了较大的歪曲, 而这种歪曲大大降低了解析解公式的实用价值。 为了 比较真实反映含水层的复杂面貌, 目前普遍采用数值法; 数值法能把含水层边值和初值条件 复杂的偏微分方程,简化成极为间单的线性代数方程组,随着高速电子计算面的广泛应用, 数值分析法在地下水计算领域的应用证明了它的有效性。 目前, 应用较多的数值方法主要有 两种,一种是物理意义比较直观的有限差分法,另一种是目前比较流行的有限单元法。本文 暂不对数值法作详细介绍, 要想了解数值法详细内容, 请阅读地下水动力学及地下水水文学 等教材及其它有关资料。

第七节

地下水的转化、 地下水的转化、动态和均衡

为深入研究地下水转化关系,常将自然界水分为大气水、地表水、土壤水和地下水,通 称为“四水“,含水层中的地下水与大气水、地表水及土壤水通过相互转化进行水循环。由 大气水和地表水 (或经由土壤水) 转化为地下水, 地下含水层得到补给; 反之, 由地下水 (或 经由土壤水)转化为大气水或地表水,是为地下水排泄。由于地下水的补给和排泄,使储存 在含水层中的地下水得以不断交替、更新和流动。 分析和研究地下水补给和排泄均衡的数量关系称为地下水均衡。 由于地下水补给和排泄 不平衡引起的地下水位、 流量等的变动以及地下水温、 水化学等水文因素的变动过程称为地 下水动态 为研究地下水的动态和均衡,须先讨论地下水的补给、径流和排泄,即应先了解地下水

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地下水资源管理教材

的转化关系。

一、地下水的转化系统
在水循环过程中, 大气降水往往是地表水、 土壤水和地下水的主要源泉, “四水 上述 “转 化关系可由图 2-7 所示的概念性模型加以简要说明

图 2-7-1 四水转化的概念性模型

在天然条件下,大气水通过降水抵达地表,在土壤空隙中凝结的大气水即为土壤水;降 至地表的大气降水,经由地表的调蓄作用,其中一部分直接下渗转化为土壤水,而另外的一 部分则形成为地表流;地表流汇集于河川径流,在汇集沿程又继续下渗转化为土壤水。以上 各项土壤水经包气带调蓄作用,一部分形成壤中流,一部分继续下渗补给地下水。地下水经 含水层调蓄,除转变为静态储存外,并形成地下径流外泄。 由地表流、 壤中流和地下径流汇集成河川径流, 河川径流的渗漏可进入包气带调蓄转化 为土壤水,或直接渗入地下含水层转化为地下水,余下的河川径流则继续向下游宣泄。 另一方面,由地表水、土壤水和地下水通过水面蒸发、叶面蒸腾、土表蒸发和潜水蒸发 等途径可转化为大气水,以汽态水形式返回大气层。 若在人工引用河川径流或提取地下水灌溉的条件下,则灌溉水犹如大气降水施加于地 表。以上仅是“四水“转化途径的概要描述,实际上的“四水”转化关系远较此复杂得多, 它既要受气候、地形、地貌、土壤、植被、地质构造、水文条件等自然因素的综合影响和制 约作用,同时还受到人类活动的影响。

二、大气降水与地下水的相互转化
大气水与地下水的相互转化, 包括大气水转化为地下水以及地下水转化为大气水, 对于
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第二章 地下水资源管理基础知识

地下水而言,前者属于补给,后者属于排泄。

(一)大气降水补给地下水
大气降水抵达地表便向土壤孔隙渗入, 如土壤初始含水率很小, 则渗水首先形成薄膜水, 后又继续充填毛细孔隙形成毛细水, 只有当土壤水含水率超过最大持水量时, 才形成重力水 下渗补给地下水。

(二)水汽凝结补给地下水
空气中的饱和湿度随温度下降而降低,在气温下降时,当其饱和湿度低于实际湿度时, 超出饱和湿度的水汽便凝结成液态水。 在昼夜气温温差较大地区, 白昼土壤空隙温度和气温比较接近, 但到夜晚由于土壤散热 快,土壤空隙温度急剧下降,当其饱和湿度低于土壤空隙中的绝对湿度时,便形成凝结水吸 附于土壤颗粒表面。此时,因气温高于土壤,大气的水汽压高于土壤空隙的水汽压,使水汽 源源流向土壤空隙,土壤空隙湿度不断得到补充。如此不断补给,不断凝结,以致形成重力 水补给地下水。

(三)地下水排泄转化为大气水
地下潜水在土水势的作用下转化为土壤水,移升至包气带,并由土面蒸发和叶面腾发, 转化为水汽泄于大气中。由于蒸发和腾发在天然条件下难以区分,故通常合并为潜水蒸发。 潜水蒸发为地下水的垂直排泄,是浅层地下水转化为土壤和大气水的主要途径。

三、地表水与地下水的相互转化
地表水泛指由江、湖、库、洼乃至海洋等所汇集的水体,这些地表水与地下水的水力联 系都非常密切。由地表水转化为地下水是对地下水的补给;反之,由地下水转化为地表水则 是地下水的排泄。

(一)地表水转化补给地下水
地表水和大气水一样也是地下水的主要补给来源, 但两者在时空分布上的特点各异。 在 空间分布上,大气水转化补给地下水(如降水入渗补给地下水)呈面状补给,范围广且较均 匀;而地表水转化补给地下水(如河渠渗漏补给地下水)一般为线状补给、甚至呈点状补给 (如注水井人工回灌补给地下水) ,补给范围仅限地表水体周边。在时间分布上,大气降水 补给的持续时间有限, 且具有随机性; 而地表水补给的持续时间一般较长, 甚至是经常性的。

(二)地下水排泄转化为地表水
地下水排泄除了转化为大气水外, 也常转化为地表水, 但两者在时空分布上的特点也各

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地下水资源管理教材

不相同,在空间分布上,地下水转化为大气水(如潜水蒸发)一般范围广,且呈面状均匀分 布;而地下水排泄转化为地表水则往往呈线状排泄(如地下水泄流)或点状排泄(如泉水溢 出) 。在时间分布上,以垂直排泄的潜水蒸发一般具有经常性和持续性;而以水平排泄的泄 流如泉水溢出其持续时间长短不一,或具间歇性,取决于补给源含水层的具体条件而定。

(三)地下水排泄转化为地表水的形式
(1)泉:泉是地下水的天然露头,为地下水排泄转化为地表水的主要形式之一。在含 水层或含水通道与地表面相交处即出露或泉, 转化为地表水, 泉常见于山丘区沟谷和坡脚处, 平原区则很少见。 (2)泄流:泄流是地下水排泄转化为地表水的另一种主要形式。在地下水与地表水存 在水力联系时,如地下水位高于地表水面,则地下水可直接不断地渗泄转化为地表水,并从 江河、湖洼岸或底部渗出。

四、地下水的其它转化 地下水的其它转化
地下水的其它转化包括融雪水, 融冻水转化为地下水, 含水层之间的相互转以及人为措 施形成的地下水转化等。

五、地下水的径流交替
地下水由于既有补给又存在排泄, 使贮存在含水层中的地下水得以不断交替和更新, 并 从补给区向排泄区不断地运动而产生地下水径流, 除特殊的封闭条件外, 一般的地下水都有 不同程度的交替和径流。 地下水径流方向与水交替类型,从总体上说,地下水径流方向由高水位向低水位运动, 由补给区向排泄区流动。 根据地下水径流方向的特征,可将地下水交替分为三种类型:即垂向交替、侧向交替、 混合交替三种类型。

六、地下水动态与均衡
地下水动态是指地下水的数量和质量 (包括地下水位、 水量、 水化学成分与水温等要素) 随时间的变化过程。 分析研究某一单元在某一时段内地下水水量、 水质补排收支均衡的数量关系, 即为地下 水的均衡。 地下水动态是含水系统对外界因素作用的一种响应, 由于影响地下水动态的补给过程和 排泄过程都具有连续性、随机性。和周期性的性质,因此地下水动态也必然具有相应的连续

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第二章 地下水资源管理基础知识

性、随机性和周期性的特点。 影响地下水动态的自然因素有如下四种因素,即:气候因素、水文因素、地质因素以及 植被因素。 地下水动态类型大致可分为如下几种类型:即降水入渗型、潜水蒸发型、河流型、人工 开采型、混合型等几种类型。 地下水均衡 地下水均衡是和指以地下水体为对象, 某一地域在某时段内地下水量的收 支均衡状况,所涉及的均衡要素,包括: (1)均衡区 进行地下水均衡分析计算, 首先要选择和界定恰当的均衡单元。 均衡单元的分布范围称 为均衡区。 (2)均衡期 进行均衡计算还要确定计算时段,称为均衡期 (3)收支项 凡在均衡期内,进入均衡区的各种补给量和排泄量统称为收支项 (4)调蓄项 对某均衡区在均衡期内, 地下水量的所有补给项和支出项存在差额即在均衡期始末的水 量差值即表现为地下水贮存量的变化,称为地下水均衡调蓄。

七、人类活动对水资源的影响
地下水作为自然资源, 它有许多特点, 正确认识这种特点, 对合理开发利用是很重要的。 地下水如终处于补给、排泄的过程中,在人工开采条件下,虽然改变了原来的补、排条件, 但水的循环过程是改变不了的,正是因为这样,地下水在被 开采利用后能够得到恢复。但 必须注意到, 水循环的无限性不可能改变特定地区, 一定时段内地下水资源补给量的有限性, 更由于地下水循环速度要比地表水缓慢得多,因此开采速度不宜超过补给速度,否则,地下 水得不到相应的补偿,均衡失调,水位持续下降,水质恶化和水量枯竭。从上世纪 70 年代 以来我国对地下不资源开采日益骤增, 加之管理工作基础薄弱, 管理制度、 政策法规不健全, 人类大量开发地下水资源已造成许多严重的环境地质问题, 诸如华北地区产生大面积地下水 降落漏斗,沿海地区造成海水入浸,江苏、苏锡、常地区以及天津等地产生严重地面沉降, 普遍施用化肥、农药,造成地下水污染严重,泉水枯竭,地表径流减少造成地表水断流,湿 地萎缩等等环境地质灾害,都是人类活动对地下水资源造成直接影响的严重后果,为此,各 级水行政主管部门应加强对地下水资源的管理,对造成严重环境地质灾害的地区要采取限 采、禁采和其它有效管理措施,涵养水源,逐步恢复生态环境,使人和自然(包括地下水) 和谐相处。

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第三章 地下水资源调查评价

第三章

地下水资源调查评价

地下水资源的科学管理需要丰富的知识,它主要涉及水文地质学、构造地质学、数学、 生态学和现代管理学;本章地下水资源评价是地下水管理最基础的工作。 地下水资源是水资源的重要组成部分, 是构成并影响生态环境的重要因素。 从地下水资 源自身特点来看, 其区域性特点很强, 不同地区的补排关系, 运动规律有着很大区别。 因此, 在开发利用某一区域地下水资源时,必须进行多方面的缜密调查,包括水文、气象、地质、 用水要求以及现状条件下的开采情况等,然后进行分析计算,汇总资料,做出科学评价。 从开发利用角度来看, 地下水资源也是我国北方地区及许多城市的重要供水水源, 对当 地经济社会的发展起着十分重要的作用。 然而随着我国经济社会的快速发展, 地下水开采量 剧增,由于缺乏统一规划和有效管理,某些地区对地下水资源盲目开采,导致地下水位大幅 下降,地面沉降,水质污染,海水入侵等一系列生态环境问题,已危及地下水资源的可持续 利用。因此,为了科学规划管理地下水资源,使地下水资源更好地为国民经济发展服务,必 须切实做好地下水资源评价工作,地下水资源评价是合理开发利用地下水的先决条件。 地下水资源评价分为区域性评价和水源地评价两种。

第一节

区域地下水资源评价的任务与原则 区域地下水资源评价的任务与原则 地下水资源

一、工作回顾与简介
我国大规模的开展地下水资源评价共进行四次,其中水利部门两次,国土资源(包括地 矿部)部门两次。两个部门开展的评价的实践及其相近,都是在上个世纪 80 年代和本世纪 初。最近的一次评价始于 2002 年,水利部会同国家发展改革委在全国组织开展了全国水资 源综合规划工作,地下水资源评价是其中的重要工作之一;通过该次地下水资源评价,基本 查清了我国地下水资源的情况, 摸清了地下水资源的开发利用现状, 对超采区和有开发利用 潜力区的分布范围进行了校核, 分析了开发利用中存在的问题及危害, 并明确了继续开发利 用的方式。此次工作对指导全国地下水管理和保护工作发挥了重要作用,为 21 世纪初期我 国地下水资源合理开发利用提供了科学依据。

二、地下水资源评价的任务
本节阐述的地下水资源评价主要是指区域性的, 而地下水水源地的勘查评价将在有关的 章节阐述。 (1)地下水水量评价

地下水资源管理教材

区域地下水资源评价的主要任务是通过区域内地下水资源总补给量的分析计算, 而后确 定可开采量,并对能否满足用水部门的需求以及有多大的保证率,做出恰当的科学评价。 (2)地下水水质评价 根据需水对象对水质的要求,分析评价区的水质,判别地下水的可用性,预测在开采期 限内水质是否将发生变化,并提出水质监测与防护措施。 (3)开采技术条件评价 分析论证在长期开采的条件下是否引起不良地质问题, 并提出相关技术措施。 通过供需 平衡分析,预估近期和远期的可供水量,并与同期需水量相对比,反映水量余缺情况,进而 分析论证是否需要人工补给地下水,提出相应的技术措施。 (4)地下水开发利用评价 分析研究地下水开发的历史、 现状和开发利用程度, 分析地下水开发利用中存在的问题、 出现问题的原因,提出解决这些问题的措施和建议。

三、地下水资源评价的原则
(1)地下水与大气水、地表水综台考虑的原则 在自然界的水循环过程中, 地下水、 大气水和地表水是相互联系、 相互转化的统一水体。 它们在长期的水循环中已形成天然条件下的动平衡状态,开采后,这种平衡将被破坏,从而 建立起新的动平衡。如果在开采前地表水补给地下水,那么开采后,在一定的条件下,地表 水的补给量将明显增加。相反,开采前地下水补给地表水,则开采后补给量就会减少,甚至 出现反补给的情况。 地下水人工开采后,改变了大气降水入渗条件,开采使地下水埋深增加,常常也增加大 气降水的入渗量,使大气水更多地转化为地下水,减少了地表径流。 因此,进行地下水

资源评价时,必须“三水”(地下水、地表水与大气水)统一考虑。充分利用均衡单元内部的 水量,合理夺取均衡单元外部的水量。由于地表水与地下水的互相转化,在进行资源量计算 时,要避免水量的重复计算。 (2)地下水质、量、热统一考虑的原则 地下水资源包括地下水的水量、水质及水温等。为此,在进行地下水资源评价时必须统 一考虑这几个方面。 根据国民经济建设的要求,对地下水量、质、热均有一定的使用标推,不符合水质标准 的地下水,即使水量很大,也没有供水的价值,如果确需利用,则应预先进行水质处理,这 就会不可避免地增加开采费用; 反之, 若地下水水质良好, 但水量有限, 则开采意义亦不大。 在进行地下水资源评价时,地下水的质、量、热三者必须统一考虑,充分发挥其效益。 另外还需考虑地下水开采后,由于补给条件的改变,地下水质、量、热可能发生的变化,如 由于大量开发地下水引起海水侵入,水质恶化,虽然水量有了保证,但是降低了水源的使用
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第三章 地下水资源调查评价

价值,情况严重者甚至导致整个水源地报废。 (3)地下水补给、储存、排泄统一考虑的原则 地下水在天然状态下补给,排泄达到某一动平衡,开采后补给、排泄关系就会改变。进 行地下水开采,实际上就是增加地下水的补给、减少天然排泄为人们取用,很显然进行地下 水资源评价时补给、储存、排泄必须同时考虑,才能充分利用当地水资源。 地下水,尤其是浅层地下水的补给,主要来自大气降水的入渗,因此补给量不仅有季节 性变化,而且还有年际的变化。在地下水资源评价中必须选择恰当的补给量。在实践中常选 用年或多年平均补给量作为评价标准。 (4)地下水勘察、开采与管理统一考虑的原则 在进行地下水资源勘察工作中, 除了对该地区的水文地质条件进行研究外, 还必须根据 用水单位的需水量选择经济上合理、 技术上可行的开采方案。 为了更有效地开发利用和保护 地下水资源,防止过量开采造成严重后果,又必须考虑地下水资源的统一管理。 地下水资源评价中勘察、 开采和管理是一个整体。 通过勘察, 查清水源, 提出开采方案, 进一步拟订地下水资源管理实施计划, 向当地水管理机构提出开发申请。 合理的开采方案应 能使有限的地下水资源产生最优的社会经济效益, 因此要考虑多种不同开采方案, 分别进行 计算,并比较其结果,选择最优者。

第二节

区域地下水资源调查评价内容 区域地下水资源调查评价内容

地下水资源评价的概念:根据规定时段内水文、气象以及水文地质条件的变化规律,对 地下水资源的质量、数量、时空分布特征和开发利用条件进行科学的、综合的全面地分析、 计算和预测,这些工作总称之为地下水资源评价。 它是地下水资源合理开发和科学管理的基础。 地下水资源评价的最终目的是要查清可供 开采的, 并符合水质标准的地下水量。 地下水资源评价包括地下水数量评价和质量评价两方 面。

一、地下水水量评价内容
由于调查的目的、阶段性不同,地下水资源量评价的要求和内容也有区别,大体可划分 为区域性的地下水资源量评价和局域(局部)水量评价两种规模或层次。

(一)地下水资源评价分区
地下水的补给、径流、排泄情势受地形地貌、地质构造及水文地质条件的制约,地下水 资源量评价是按照水文地质单元进行, 然后归并到各水资源分区和行政分区。 为确定评价方
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地下水资源管理教材

法和选用水文地质参数,需划分地下水资源评价类型区。评价开始时,应绘制地下水资源评 价类型区分布图,并要求该图列出 I、II 级类型区名称及面积。划分三级区和均衡计算区时, 应考虑评价区的水文地质条件、包气带厚度和岩性、地下水埋深等条件。

地下水资源调查评价

基础工作准备

基本资料收集

地下水水量评价

地下水水质评价

计算分区

矿化度分区

水质现状评价

变化趋势分析

水文地质参数率定

地下水污染分析

平原区地下水 资源量计算

山丘区地下水 资源量计算

重点区域 水质评价

水源地 水质评价

分区汇总计算

水质保护措施

地下水资源评价成果编制
图1 地下水资源评价框图 地下水资源评价框图

(二)区域地下水资源量评价的内容
区域地下水资源量评价一般是在较大的地区, 针对一个或若干个地下水系统如大型山间 盆地、山前倾斜平原、冲积平原、构造盆地、自流斜地等,开展的水量计算和可利用程度的 分析评定工作。 评价的目的是为制定区域地下水资源开发远景规划, 实施科学管理或扩大现 有地下水开发规模,提供地下水资源量的数据和可开采资源的论证依据。 区域地下水资源量评价包括地下水补给资源量、 储存资源量、 可开采资源量的评估和开
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第三章 地下水资源调查评价

采利用条件的分析。
表 3-2-1 地下水资源评价类型区名称及划分依据一览表 I 级类型区 划分依据 名称 划分依据 II 级类型区 名称 III 级类型区 划分依据 名称 均衡计算区 一般平原区 : : : 均衡计算区 : : : : 均衡计算区 : : :

平原区 区域地形地 貌特征

次级地形地貌 特征、含水层岩 性及地下水类 型

内陆盆地平原区

山间平原区 (包括山间盆地平原区、山 间河谷平原区和黄土高原 台塬区) 沙漠区

水文地质条件、 地下水埋深、包 气带岩性特征及 厚度

山丘区

一般山丘区 岩溶山区

均衡计算区 :

1. 计算补给资源量 地下水补给资源量的计算应以地下水系统为单位来进行。 补给资源量是天然条件或人为 开采状态下,地下水系统从外界获得的有补给保证的水量。也就是开采利用后,能够通过现 代水文循环予以补充的水量, 属于地下水资源中可再生的部分。 其数量用地下水系统各项补 给量总和的多年平均值表示。 在未开发地区, 地下水系统往往处于天然的宏观稳定状态, 其多年补给量大体等于多年 的排泄量。当某些补给项不易求得时,可用排泄量的多年均值替代,作为补给资源量。在开 采条件下, 地下水系统的天然补、 排均衡关系会受到干扰, 此时, 不能以排泄量推算补给量。 2. 计算储存资源量 与补给资源量相类似,储存资源量同样是针对一个地下水系统的多年平均状态而言的。 由于不同年份降水的丰、枯变动,储存量也有丰水年、平水年、枯水年的数量差异,而且还 受人为开采的影响。 作为储存量多年平均值的储存资源量, 在计算时应充分考虑地下水动态 的变化。计算储存量的方法目前主要为体积法。 3. 评估可开采资源量 上述地下水资源量是地下水系统的资源拥有量的底数, 由于受各种条件的限制, 这些水 量不可能全部开采出来。为了指导各种采供水活动,制定开采利用规划,在区域水量评价中 还须对各地下水系统可供开发利用的水量做出进一步的估计和论证, 这就涉及到所谓可开采 资源量的问题。
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地下水资源管理教材

决定可开采资源量大小的因素有很多,其中地下水系统的供水功能(包括地下水资源的 数量、分布埋藏条件)及人为采水的技术能力都是重要的因素。除此之外,能够取出的水量 并非都是允许的。在许多地区,稍大的开采强度就会引发明显的环境负效应,如地面沉降、 地面塌陷、海水入侵及生态退化。可见,可开采资源量的大小还受环境条件的制约。所谓地 下水可开采量,是指在可预见的时期内,通过经济合理、技术可行的措施,在不致引起生态 环境恶化条件下允许从含水层中获取的最大水量。 4. 开发利用条件分析 地下水资源开发利用条件分析包括:地下水资源时空分布特征的阐述(各类用水现状及 开发前景、分区供水的需求预测控制);采水工程措施及其效益评估;以及有关的政策性建 议等多方面的内容。 地下水资源时空分布特征分析, 应围绕地下水系统的圈划、 结构分析以及地下水系统与 外界环境的物、 能交换关系来展开。 换句话说, 最终要阐明地下水的分布、 埋藏条件及补给、 径流、排泄的规律及其受人为活动影响的程度。 在已开发地区, 开发利用现状调查是一项基础性工作, 包括用水现状调查和开采现状调 查。用水现状调查一般先从用水行业入手,然后在各行业中选取有代表性的对象,进行实地 调查。开采现状调查是对评价区内已有的地下水取水工程及取水情况的调查,包括民井、机 井、地下水拦截工程等。调查时要了解工程的数目、设计年供水能力、实际取水能力、分布 情况及地下水的动态变化。 区域水量评价的精度与该区水文地质条件研究程度、 计算所采用的原始数据和水文地质 参数有关。为了准确进行评价工作,要尽量收集、充分利用已有的地质,水文地质调查资料 以及气象、水文和地下水动态观测资料;要收集地区的水利规划和国民经济发展规划资料。 开采条件下的区域评价,还应注意收集有关开采量资料,必要时,可通过少量的勘探、试验 工作,验证补充已有的资料。

(三)局域地下水水量评价的内容
局域地下水水量评价一般是在区域水量评价基础上, 对地下水系统的某一子系统进行的 水量计算和成井条件的分析论证。 1. 地下水水量计算 局域水量评价与区域水量评价不同之处,不仅在于评价的范围小,时间序列短,更突出 的是评价区的边界往往更具人为性,如按行政区界线,或人为圈划的均衡区边界来处理。因 此计算出的补给量、 储存量仅仅反映了系统某一局部的水量输入特征和储存状态, 不能代表 地下水系统水资源时空分布的全貌。 补给量的计算首先应根据评价区的水量均衡方程确定各补给项, 包括来自大气降水、 地 表水的入渗补给等通过均衡区边界进入的水量。 其他的补给项主要是周边的侧向径流进入量
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第三章 地下水资源调查评价

(依边界的划分有时包括底部相邻含水层的顶托越流补给) 。 计算所得的各补给量相加就是该评价区在某一时间段和当时特定条件(自然状态或开采 状态)的补给总量。储存量可利用同步期的地下水水位动态资料通过体积法或补给与排泄量 之差推算得出。为了使计算结果反映评价区的平均状态,在资料允许的情况下,应分别计算 不同季节、不同水平年的补给量和储存量,并对计算结果进行分析。 2. 成井条件分析 局域水量评价除了充分查明评价区地下水补给、储存、排泄量的数量关系以论证补给、 径流的强弱外,还需对成井条件做出分析。 成井条件分析包括两个方面:一是对评价区含水层的岩性、厚度、导水能力、补给条件 进行具体分析,以确定最佳的打井地点和取水层位;二是确定拟建水源地的开采能力。 有关水源地开采能力的分析, 一般有两种做法: 一是根据钻探和抽水试验获取的水文地 质资料,按拟建水源地的布井方案,采用解析法、数值法进行计算,以确定符合各项设计要 求情况下的各井抽水量; 二是根据实地较长时间的抽水, 验证并调整方案中各井孔的抽水量, 通过对比,选出最佳水量限额。无论采用哪一种方法,最终都应将井孔的开采总量与局域补 给量进行比较, 以不超过补给量为准。 同时还应利用地下水水位动态资料论证开采期内可能 产生的不良影响,如对邻近现有取水工程的干扰、可能引发的地质环境问题。

二、地下水水质评价内容
地下水水质是指地下水体的物理、化学和生物学特征和性质。地下水水质评价的内容, 包括水质现状评价利水质预测评价;水自然环境评价和水污染环境评价;单指标评价(如水 化学类型、总矿化度以及少量特异指标评价)和综合评价等。对于具体地区,可根据实际情 况确定评价内容和方法。 区域性地下水水质评价内容通常包括地下水化学分类、 地下水现状水质评价以及近期地 下水水质动态变化趋势和地下水污染分析等。 (1)基础资料收集 包括历年地下水水质监测资料,以及历史评价成果。若在地方病区,还应收集特征水质 参数及对人体健康的影响、发病率等。深入调查主要污染物及其对地下水质的影响程度等。 在此基础上确定地下水化学类型。 (2)地下水现状水质评价 按照国家标准 GB/T 14848-93《地下水质量标准》 ,对现状年各计算分区的地下水水质 进行分类。通常评测 pH 值、矿化度(M) 、总硬度(以 CaCO3 计) 、氨氮、挥发性酚类(以 苯酚计) 、高锰酸盐指数、总大肠菌群等共 7 项主要指标。因地区差异,各地也可进一步选 用评价氟化物(以 F 表示) 、氯化物、氰化物、碘化物、砷、硝酸盐、亚硝酸盐、铬(六价) 、

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地下水资源管理教材

汞、铅、锰、铁、镉、化学需氧量以及其它有毒有机物或重金属等水质监测项目。 (3)地下水水质变化趋势分析 在广泛收集各有关部门地下水水质监测资料基础上, 选用质量较好且具有代表性, 尽可 能多年份的地下水水质监测井进行地下水水质变化趋势分析。 综合分析计算分区内地下水水 质监测井各监测项目的变化趋势,作为相应分区的地下水水质变化趋势。 (4)地下水污染分析 调查有可能造成地下水污染的污染源。污染源包括水质低劣的地表水体(如排污河道、 渗井、纳污湖库塘坝等) 、污灌区和农药化肥施用量较高的农田、废弃物堆放场等。地下水 污染分析的重点区域是污染源附近, 尤其是存在污染源的地下水水源地。 个别区域还应调查 分析海水入侵、地下咸水侵入淡水含水层的情况,分析其变化趋势,绘出现状条件下咸淡水 界线。 充分利用地下水水质现状评价和变化趋势分析成果, 密切结合污染源种类、 物质组成和 地理分布特征,通过综合分析,确定地下水现状污染区域界线、主要污染项目和污染程度。 (5)地下水水源地水质评价 对区域内重要水源地, 特别是大型及特大型地下水水源地逐一进行水质评价。 未形成超 采区的,以生产井布井区为评价区;已形成超采区的,以相应超采区为评价区。评价内容包 括地下水水质现状、变化趋势和地下水污染分析,选用监测井应适当加密,并要求充分收集 “三致”物质的检出情况,必要时进行补充监测。 (6)提出水质保护措施 根据评价区地下水水质现状、 变化趋势分析和地下水污染分析成果, 以及各大型及特大 型地下水水源地水质评价成果,提出保护和改善地下水水质的保障措施。

第三节

地下水资源量评价方法

地下水资源量评价的方法很多,在实际应用中,应根据地下水资源量评价的对象、水源 地水文地质条件、需水量、开采方案、研究程度等条件选用合适的评价方法。一般,可根据 具体情况选择适用的多种评价方法,以资进行比较和综合评价,从而得出符合实际的结论。 目前常用的有水均衡法、解析法、数值法、随机模型法、开采试验法、水文分析法等六大类, 各种评价方法的对比参见附表 1。

一、水均衡法
水均衡法也称为水量平衡法或水量均衡法。是全面研究某一地区(均衡区)在一定时间段 内(均衡期,一般用一个水文年)地下水的补给量、储存量和消耗量之间的数量转化关系的平

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第三章 地下水资源调查评价

衡计算,用来评价地下水的允许开采量。它是运用物质不灭原理来分析计算地下水量。实际 上这一原理是评价地下水允许开采量的许多方法的指导思想。

(一)基本原理
对一个均衡区(或地段)的含水层组(或称单元含水层组)来说,地下水在人工开采以前, 由于天然的补给排泄形成一个不稳定的天然流场,在其发展过程中,在任一时段 ?t 内的补 给量和消耗量之差,恒等于这个含水层组中水体积(严格说是质量,如承压水的弹性释放和 储存)的变化量。据此可以建立水均衡方程式: 潜水

Qb ? Qx = ± ? F Qb ? Qx = ± SF

?h ?t ?h ?t

或承压水

式中 Qb :均衡区内计算期间各补给量总和, L3T ?1 ) (

Qx :均衡区内计算期间各消耗量总和, L3T ?1 ) ( ?h ?h ?F 或 SF :均衡区内计算期间储存量的变化, L3T ?1 ) ( ?t ?t
从多年周期变化来看, 均衡区内总补给量和总消耗量是接近相等, 即处在动平衡状态下。 人工开采地下水时,改变了天然流场,建立了开采状态下的动平衡。在开采最初阶段, 由于增加了一个人工开采量,必然使地下水的储存量减少,在开采地段地下水位下降,形成 一个降落漏斗。漏斗扩大.流场发生了变化.则使天然排泄量减少,促使天然补给量增加, 即补给增量。在开采状态下水均衡方程式可表示为:

( Qb + ?Qb ) ? ( Qx ? ?Qx ) ? Q = ? ? F

?h ?t

由于开采前的天然补给量和天然消耗量在一个周期内是近似相等的,则 Qb = Qx ,所以 上式可简化为:

Q = ?Qb + ?Qx + ? F

?h ?t

式中 Q :人工开采量, L3T ?1 ) (

?Qb :开采时增加的补给量, L3T ?1 ) ( ?Qx :开采时减少的消耗量, L3T ?1 ) (
此式表明开采量可由增加的补给量、 减少的天然消耗量和可动用的储存量 (是由静储量 中提供的一部分)三部分水量组成。其中可动用的储存量部分应慎重确定。 如果要求稳定型开采动态,则最大允许开采量为

Q max = ?Qb + ?Q x ≈ Qb + ?Qb
如果是合理的消耗性开采动态,则最大允许开采量为:

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地下水资源管理教材

Q max = ?Qb + ?Q x + ?F

s max s ≈ Qb + ?Qb + ?F max Tk Tk

式中 Qmax :最大允许开采量

S max :最大允许水位降深值 Tk :开采年限
补给量 Qb 和消耗量的组成项目虽然很多, 而且要准确的测得这些数据往往也是困难的, 但对某一个具体的地区来说,常常并不是包含全部项目,有的甚至非常简单,应按具体条件 的分析建立具体的水均衡方程式。

(二)计算步骤
首先应划分均衡区,确定均衡期,建立均衡方程。因为各个均衡要素是随区域的水文地 质条件不同而变化的,特别是计算的面积较大时.均衡要素可能差别较大。所以应将均衡要 素大体一致地区分为一个区,分别计算后再总加起来。划分均衡区时可以从大到小的划分。 (1)一级分区 常以含水介质成因类型和地下水类型的组合作为分区依据。例如在山

前扇形地带,可分为山区基岩裂隙水—承压水区;扇形地顶部孔隙潜水区;中下部的孔隙潜 水—承压水区等。 (2)二级分段 如果同一区内的水文地质条件还有较大差异,可以按不同的定量指标

把区再分为若干段。分段指标通常是:含水层导水系数,给水度,水位埋深和动态变幅,包 气带岩性等,以便于测定均衡要素为原则。 均衡期一般取一年,可将旱季雨季分开来计算,这样可以

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