第六章 地下水资源的利用和管理.ppt

6 地下水资源的利用和管理地下水资源管理：以水文地质学以及有关的环境科学的理论为指导，运用技术、经济、法律和行政的手段，降低人类生产生活活动对地下水资源的危害，协调人类活动与地下水资源之间的关系，达到保护地下水资源、防止在地下水资源开发利用过程中出现不良环境水文地质现象产生的目的。6 地下水资源的利用和管理6.1.1地下水资源管理的内容、任务和目的内容：地下水资源的保护、合理开发与最佳利用具体任务：）确定和控制地下水源的容许抽水量；）制定区域各类供水水质标准；）把地下水资源、经济、人口和环境作为统一系统进行分析和预测，并在地下水资源评价的基础上，编制地下水合理开发利用规划，统筹安排区域地下水资源分配6.1地下水资源管理的基本概念6 地下水资源的利用和管理6.1.1地下水资源管理的内容、任务和目的具体任务：）监测相预报地下水动态，实施地下水水质局部防治措施）协调、监督和管理各部门、各单位之间的计划用水，制止对地下水资源的不合理开发）建立地下水管理模型和管理体系，完善管理系统，采用经济、法律和行政手段，强化管理措施6.1地下水资源管理的基本概念地下水资源管理中应处理好的几个关系地下水资源管理地下水资源管理地下水资源利用和保护的关系地表水和地下水开发利用之间的关系生活、工业和农业用水之间的关系供排水之间的关系6 地下水资源的利用和管理6.1.1地下水资源管理的内容、任务和目的地下水资源管理的主要目的：防止由于人为的不合理活动及不合理的地下水资源开发利用所造成的地下水环境质量的降低，防止地下水资源枯竭，控制地面沉降，阻止盐水入侵，预防土壤的次生盐演化和沼泽化，防止地下水污染，实现地下水资源的可持续利用6.1地下水资源管理的基本概念6 地下水资源的利用和管理需要对地下水资源进行管理的原因：1）地下水作为重要的供水水源在人类生存和国民经济发展中起着十分重要的作用2）地下水资源分布与储存不平衡而需水量过于集中3）目前世界上不少国家面临着在使用地下水方面所引起的一系列问题4）地下水的开发利用是一项十分复杂的工作6.1地下水资源管理的基本概念6.1.2地下水资源管理的必要性允许开采量：1）在水均衡方面安全抽水量一般不应超出年平均补给量 2）经济方面抽水费用不应超过某一标准；3）不应使该抽水量引起水质恶化或地面沉降等公害；4）不能与有关地下水资源法律相抵触。同时满足上述四个条件的抽水量就可被看成是安全抽水量。6.1地下水资源管理的基本概念6.1.3允许开采量的确定6 地下水资源的利用和管理地下水水位区域性持续和大幅度下降的原因：1）过量开采如果建立的管井过于密集，而且集中开采同一含水层，再加之管理不善，盲目开采利用，就必然在主要开采部位形成持续性水位大幅度下降6.2开采地下水产生的公害及防治6.2.1区域性地下水水位大幅度下降2）水文地质条件改变使补给因素减少地下水的动态变化，除了受自然因素影响，人类的生产活动也起着相当重要的支配作用：上游补给区建立水源地、修水库截流或对河流人工改道，都会夺走下游的地下水补给上游区的水土流失、洪水淤积及风沙沉积都能减少含水层的渗入补给，从而造成地下水位的下降矿山疏干抽水也会夺取地下水6.2开采地下水产生的公害及防治6.2.1区域性地下水水位大幅度下降3）开发利用地下水设计规划的过失开发利用地下水资源在科学技术上很复杂，需要周密的计划。如果在制定一个地区经济发展计划时，没有弄清水文地质条件或水资源评价得出错误结论，则会使地下水的利用量超过允许开采量，造成地下水水位持续下降。6.2开采地下水产生的公害及防治6.2.1区域性地下水水位大幅度下降过量地开采地下水使地下水位大幅度下降，同时也导致地下水压力减少，使地下水与沉积物的压力均衡失调，松散堆积物被压缩、地层失水固结从而产生了地面沉降。开采地下水引起的地面沉降往往发生在河流下游的冲积平原或巨厚松散堆积物发育的大型盆地6.2开采地下水产生的公害及防治6.2.开采地下水引起的地面沉降砂层释水压密为弹性变形，所引起的地面沉降为暂时性的地面沉降粘性土层发生塑性释水压密后，土层固结，即使水位恢复，土层不回弹，所引起的地面沉降是永久性的，不可消除的墨西哥城的地面沉降也许是世界上最严重的，至1950年，该城已下降6米多6.2开采地下水产生的公害及防治6.2.2开采地下水引起的地面沉降(一)咸水入侵近海地区的潜水含水层或承压含水层往往与海水相连在天然状态下陆地的地下淡水向海洋排泄，含水层保持较高的水头，淡水与海水保持某种动态平衡，因而陆地淡水含水层能阻止海水入侵。如果大幅度开发陆地淡水必然破坏原有的平衡，导致含水层中原来保存淡水的空间被海水侵入，而使水质恶化6.2开采地下水产生的公害及防治6.2.3开采地下水引起的咸水入侵6.2开采地下水产生的公害及防治6.2.3开采地下水引起的咸水入侵我国西北及华北某些地区，因地质历史时期的大陆盐化作用，形成咸水含水层由于以后条件发生变迁，又在上部形成淡水含水层，淡水体呈浮于咸水之上的凸镜体状。一旦淡水体因超量开采而厚度变小，就会产生咸水水位的相应上升 我国内陆地区往往在不同深度分布有水质不同的多个含水层，当开采某一含水层时，上部或下部的高TDS水就可能越流补给，或通过隔水层尖灭处绕流补给开采层，使地下水水质混杂而恶化。6.2开采地下水产生的公害及防治6.2.3开采地下水引起的咸水入侵(二)海水入侵的防治在滨海地区防止海水入侵最有效的措施是向含水层中进行回灌，使淡水含水层的水头总是高于海面，形成一道压力墙阻止住海水的推移。也可只在抽水井与海岸线之间打一排回灌井，形成条高出海平面的“压力脊”。当无法进行地下水回灌时，为防止海水入侵，最简单的是减少开采量，使含水层水位不再进步下降6.2开采地下水产生的公害及防治6.2.3开采地下水引起的咸水入侵(二)海水入侵的防治调整抽水井的排列方式，使向海的一侧水位保持在一定高度上就等于是保留了一个压力脊也可在离海岸较近距离处设一排抽水井抽水，形成个较深的水位低槽，就象是一条沟，可暂时阻止海水推移，但沿海岸的抽水井中抽出的地下水水质不会良好，应注意监测。6.2开采地下水产生的公害及防治6.2.3开采地下水引起的咸水入侵 由于强烈开采地下水使水位降低，原先储存地下水的空间被空气所取代，在动水位以上，含氧空气则贯流于土层空隙之间。由于这类空间是属于非常强烈的还原环境，土层中的一些化学成分所进行的氧化还原反应最终会将动水位之上饱气带中的氧气消耗掉，造成缺氧6.2开采地下水产生的公害及防治6.2.地面下空气中的缺氧由于开采条件下地下水的活动，使第四系地层和下伏可溶岩层接触处发生潜蚀作用，随着水动力条件的改变，地下水水位升降频繁，促使风化土和岩溶裂隙中充填的砂、土被潜蚀搬运，当地下水位急剧下降后，对土体的浮托力突减，上覆土层在自重压力作用下，逐步失去稳定性而产生地面塌陷地面塌陷大多发生在可溶岩地区6.2开采地下水产生的公害及防治6.2.5过量开采引起的地面塌陷6 地下水资源的利用和管理 地下水人工补给，又称为地下水人工回灌、人工引渗或地下水回注，是当今各国广泛采用的增加地下淡水补给的措施和方法 其实质就是借助某些工程设施将地表水自流或用压力注入地下含水层，以便增加地下水的补给量。6.3地下水资源的人工补给6 地下水资源的利用和管理地下水人工补给的作用：能有效地稳定住地下水位下降能用来控制地面下降改变地下水的水质建立淡水帷幕，防止海水或污水入侵改变地下水的温度；6.3地下水资源的人工补给6 地下水资源的利用和管理地下水人工补给的作用：保持地热水、天然气含气层或石油层的压力处理地面径流、排泄洪水利用地层的天然自净能力，处理工业污水、使废水更新6.3人工补给地下水的目的1）补充地下水源，增大含水层的储存量，进行季节性和多年性调整人工补给地下水是进行季节性和多年性的地下水资源调节、防止地下水含水层枯竭的行之有效的方法。6.3.1人工补给地下水的目的6.3地下水资源的人工补给地下水资源的人工补给1）补充地下水源，增大含水层的储存量，进行季节性和多年性调整与地表水库蓄水相比，人工回灌对增加地下水淡水资源，具有更大的优越性。由于地下含水层分布广泛，厚度大，储水的容量也相当大；储存在地下的淡水温度恒定，蒸发损耗很小，具有天然自净能力，取用方便，能防止污染；地下储水不占地表耕地，不需要地面引水工程设施，投资小、经济合理。6.3.1人工补给地下水的目的6.3地下水资源的人工补给地下水资源的人工补给）控制地面沉降 人工回灌可以促进地下水位大幅度上升，增加土层回弹量。国内外许多研究结果说明，采取人工补给是防止地面沉降的有效措施。上海市l966年以来利用深井回灌及其它相应措施，基本控制了地面沉降。到1974年为止，地面标高保持在1965年的水平，并略有回升。6.3.1人工补给地下水的目的6.3地下水资源的人工补给地下水资源的人工补给3）防止或减少海水入侵含水层近年来，因海水入侵严重影响地下水水质的一些地区，陆续采用人工回灌的方法来改变污染状况，已经取得良好的效果。采用人工补给也可控制咸水的越流补给6.3.1人工补给地下水的目的6.3地下水资源的人工补给地下水资源的人工补给4）改变地下水的水质某些地区的地下水水质可能本来就差，也可能是因后来被污染而变坏，使其不能满足工农业生产和生活用水的要求。采用人工回灌方法，向地下输入淡水，与原来的咸水或被污染的地下水混合，并发生离子交换等物理、化学受应，可以使地下水逐渐淡化，水质得到明显改善。6.3.1人工补给地下水的目的6.3地下水资源的人工补给地下水资源的人工补给4）改变地下水的水质某些工厂在生产工艺过程中要求特殊类型的水质。当市政供水系统或直接抽取的地下水不能直接满足水质要求时，也可用回灌的方法改造原来地下水水质，把经专门处理过的水回灌到地下，按一定的比例关系定期抽水和灌水，这种方法比较简单经济6.3.1人工补给地下水的目的6.3地下水资源的人工补给地下水资源的人工补给）改变地下水的温度工业用地下水的目的之，是利用地下水作为冷、热源。夏季用于产品的冷却，调节和降低车间的温度、湿度；冬季利用于车间取暖和锅炉用水。许多工厂利用含水层中地下水流速缓慢和水温变化幅度小的特点，用回灌方法改变地下水的温度，提高地下水的冷热源储存效率。6.3.1人工补给地下水的目的6.3地下水资源的人工补给地下水资源的人工补给）改变地下水的温度具体作法是冬季向地下水灌入温度很低的冷水，到夏天时再开采用于降温，夏季则向地下灌入温度较高的水，到冬季再抽出用于生产或取暖。6.3.1人工补给地下水的目的6.3地下水资源的人工补给地下水资源的人工补给6）保持地热水、天然气和石油地层的压力 在开采石油或水溶性天然气时，由于地层中的油、气、水被大量抽出，而使石油或天然气压力下降，产量降低。向含油层或含气层中高压回灌，以水挤油或气，能保持和增加石油或天然气的有效开采量。此外，在地热区采用人工回灌，可以明显增大地下热水开采量，甚至实现地下热水的人工自流。6.3.1人工补给地下水的目的6.3地下水资源的人工补给地下水资源的人工补给6.3.2人工补给地下水的水源和水质要求用作人工补给地下水的水源有：地表水(江河、湖泊、水库、池塘)、工业回水和工业废水、城镇公共供水(自来水)、地下水等。其中又以地表水为主。人工补给水的水质要求随目的、用途及所处水文地质条件等不同而有所不同6.3地下水资源的人工补给6.3.2人工补给地下水的水源和水质要求确定回灌水源的水质标准时，一般应注意以下3个原则：1）回灌水源的水质要比原地下水的水质好，最好达到饮用水的标准2）回灌后不会引起区域性地下水的水质变坏和受污染；3）回灌水中不应含有能使井管和过滤器腐蚀的特殊离子或气体。6.3地下水资源的人工补给6.3.2人工补给地下水的水源和水质要求6.3地下水资源的人工补给6.3.2人工补给地下水的水源和水质要求确定补给地点时，必须对该地区的水文地质条件进行调查和研究，主要包括：岩石的空隙性；岩石的水理性质及包气带和含水层的厚度、埋藏条件；地下水径流和排泄条件；岩石的化学成分及自净作用等地地下下水水在在冲冲积积层层的的孔孔隙隙介介质质中中径径流流较较缓缓慢慢，回回灌灌的的地地下下水水不不易易消消失失掉掉，且且有有利利于于大大面面积积人人工工补补给给和和开开采采，因因此此人人工工补补给给大大都都在在冲冲积积松松散散物物组组成成的的含含水水层层中进行。中进行。6.3地下水资源的人工补给6.3.3地下水人工补给的方法及适用的水文地质条件6.3地下水资源的人工补给地下水人工补给方法直接法间接法-诱导补给法淹没或灌溉入渗补给法水盆地入渗法沟渠入渗法河流入渗补给法坑井入渗补给法6.3.3地下水人工补给的方法及适用的水文地质条件6.3.3.1直接法（一）地表入渗补给法采用坑塘、渠道、凹地、古河道、矿坑等地表工程设施及淹没灌溉等手段，使地表水自然渗透流入含水层。要求：地表土层应有较好的透水性、包气带厚度以10一20m为宜。优点：工程设施比较简单，基建费用不大，便于施工管理缺点：占地面积大效率较低。6.3地下水资源的人工补给6.3.3地下水人工补给的方法及适用的水文地质条件6.3.3.1直接法（一）地表入渗补给法淹没或灌溉入渗补给6.3地下水资源的人工补给6.3.3地下水人工补给的方法及适用的水文地质条件6.3.3.1直接法（一）地表入渗补给法水盆地渗入法包括水库渗漏、洼地、池溏渗漏补给6.3地下水资源的人工补给6.3.3地下水人工补给的方法及适用的水文地质条件6.3.3.1直接法（一）地表入渗补给法水盆地渗入法6.3地下水资源的人工补给6.3.3地下水人工补给的方法及适用的水文地质条件6.3.3.1直接法（一）地表入渗补给法渠道渗入补给：利用渠道渗水，渠底应挖掉耕作土，铺垫砂石，定期放水渗漏补给地下水。为保持渠底渗透性，应经常清理渠底杂物和淤泥。6.3.3地下水人工补给的方法及适用的水文地质条件6.3.3.1直接法（一）地表入渗补给法渠道渗入补给：为了增大渠道或其它地表水体对地下水的渗入补给，可在地表水体旁边凿井抽取地下水，使地下水位在某些地段降低，增大地表水体水位与地下水位之间的水头差，诱导地面水大量透入6.3.3地下水人工补给的方法及适用的水文地质条件6.3.3.1直接法（一）地表入渗补给法渠道渗入补给：渠道补给也可通过地面、地下相结合的形式引渗补给，在土层透水性差的河流冲积平原和滨海平原地区，可在地面下修筑暗渠引入地表水入渗，这样可以不占耕地，地面渠道最好挖至砂层，使地面水直接与含水层相通6.3.3地下水人工补给的方法及适用的水文地质条件6.3.3.1直接法（一）地表入渗补给法河流渗入补给：利用天然河道，采取一定的工程设施，如：修建拦蓄工程，清理河床，开挖浅井等，扩大河流水面和延长蓄水时间，将洪水季节大部分流失的水通过人工引渗补给地下含水层。这种方法不仅是增大地下水的储存量，也能控制洪水，减少雨季的灾害和土壤流失6.3.3.1直接法（二）井内灌注渗水补给含水层上部若覆盖有不透水层或弱透水层时，地表水渗入补给强度受到限制，为了使补给水能直接进入潜水或深部承压含水层，常采用管井、大口井、竖井和坑道灌水注入地下含水层。6.3.3.1直接法（二）井内灌注渗水补给城市内将再生的工业和生活用水储存于地下，因受场地限制也多采用管井回灌。一般回灌多通过生产管井进行，只是在特殊情况下才修建专门的回灌井。管井回灌的优点：占地少、效率高、可直接回灌深部承压含水层。管井回灌的缺点：费用高、设备复杂6.3.3.1直接法（二）井内灌注渗水补给 井内灌注补给可分为自由注入式和加压注入式(真空回灌、压力回灌)两大类型。1）自流回灌：将回灌水导入回灌井中，使回灌井中的水位与地下水水位间始终保持一个水头差，形成水力坡度，以促使不断渗流补给地下水。但含水层必须保证水路通畅，具有一定透水能力。这种方法投资小，但效率也低。6.3.3.1直接法（二）井内灌注渗水补给2）真空回灌：也叫负压回灌，适用于地下水位埋藏较深（静水位埋藏深度大于10m），含水层渗透性能较好的地区，对回灌量不大的深井也可适用。6.3.3.1直接法（二）井内灌注渗水补给3）压力回灌：适用于地下水位埋深小和渗透性能较差的含水层。为了有效地保持井的回灌能力，回灌期间必须定期回扬，以便清除堵塞含水层和回灌井的杂质。6.3.3地下水人工补给的方法及适用的水文地质条件6.3.3.2间接法诱导补给法诱导补给法是一种间接的人工补给地下水方法。在河流或其它地表水体(如渠道、池塘、湖泊等)附近凿井，抽取地下水，使地下水位降低，从而增大地表水和地下水之间的水头差，诱导地面水大量渗入。此法一般在砂、卵石地层效果较好。6.3.3地下水人工补给的方法及适用的水文地质条件6.3.3.2间接法诱导补给法位于河流沿岸的地表水取水设施都是直接引用河水。如果河水混浊、含泥砂量大，建立过滤澄清工程需要巨大耗资。但若河床是冲积的砂卵石组成，与地下水有密切的水力联系，则在河边开凿几口浅井，大规模汲取地下水就能诱导河水大量渗入补给地下水。6.3.3地下水人工补给的方法及适用的水文地质条件6.3.3.2间接法诱导补给法通过天然过滤后不仅可清除河水的杂质、悬浮物等，而且河水中某些有害化学成分也会在渗流过程中被吸附，取水工程改变为抽取地下水后也大大降低了投资。6.3.3地下水人工补给的方法及适用的水文地质条件6.3.3.2间接法诱导补给法一般地表水的矿化度要比地下水的低，通过诱导补给使地下水与地表水相互混合来改善地下水水质。只要含水层透水性好且有一定厚度，并与地表水体有良好的水力联系，通过诱导补给均能建立为水量丰富、水质好的地下水水源。6 地下水资源的利用和管理6.4.1地下水资源管理模型及其应用地下水资源管理是一项非常复杂的系统工程，如何量化地下水资源管理的目标及有效地实施，巳成为地下水资源管理的关键内容。地下水资源管理模型的建立与运用在一定程度上实现了管理目标的定量化，提高了管理方案的实施效果。6.地下水资源管理模型及管理方案的制定总之，地下水管理模型就是以一定的形式预测出系统响应的能力地下水规律模型：揭示持定条件下地下水的运动规律地下水管理模型地下水管理模型决策模型：在认识地下水运动规律的基础上能动地控制系统的运动，使系统在一定程度上反映保持地下水资源的合理开发和可持续利用的基本要求，以达到所确定的管理目标建立地下水管理模型，重要的是设立管理目标。目标是在不同范围内作出规定，如对整个地下水系统，或是对局部地区；为控制水量、保护地下水资源，或是保护环境和提高环境质量等。目标不一定是单一的，可以是多目标的。因此，地下水资源管理问题包括选择一个能实现一个特定目标(单目标管理)，或同时实现一组目标(多目标管理)的优化决策方案6.地下水资源管理模型及管理方案的制定6.4.1地下水资源管理模型及其应用一些目标可以定量表示，而另一些目标则难于定量化。衡量各种备选方案有效性的决策变量的数量函数称为目标函数。一般作为决策变量所考虑的因素：水量的时空分布水质的时空分布与含水层有水力联系的地面水或泉流量人工补给或灌溉回水的水量和水质时空分布6.地下水资源管理模型及管理方案的制定6.4.1地下水资源管理模型及其应用可以考虑的约束条件：在空间上，或规定的区域，地下水水位不应超过规定的最高或最低水位地下水中的污染物浓度不允许超过所规定的标准为控制地面沉降，不允许超过的容许界限水位开采地下水不应使泉的流量小于规定的指标6.地下水资源管理模型及管理方案的制定6.4.1地下水资源管理模型及其应用可以考虑的约束条件：盐水入侵带的数值不应超过的规定值人工补给含水层的水，抽水之前在含水层中贮留的时间，应超过的最短期限总之，目标函数的确定是以地下水的最小开采量，换来最大的经济、社会、环境效益。6.地下水资源管理模型及管理方案的制定6.4.1地下水资源管理模型及其应用）确立地下水管理计划的目标）确定地下水资源管理的范围3）选定水均衡期间，建立水均衡模型4）搜集已有井孔资料及其管理范围内全部地质、地貌、河流水文、水文地质、气象等方面资料。必要时需设置新井或补充一些新观测孔，力求整个管理范围的各部分都在监测之下。6.地下水资源管理模型及管理方案的制定6.4.2地下水资源管理的工作程序5）划分含水层单元，确定边界条件。含水层单元的划分应按管理范围的形状和观测井孔的分布情况来进行，各单元的边界形状尽可能规则，以便于进行有关水文地质计算。各单元的地下水位及水质特点也应能通过观测井孔反映出来。6.地下水资源管理模型及管理方案的制定6.4.2地下水资源管理的工作程序6）有关参数的确定各种不同类型的管理模型中，水文地质参数的采用情况有所差异，但某些水文地质参数却是必备的，如渗透系数、储水系数等。在模拟过程中要对有关参数进行反复修正，才能逐渐接近实际情况。6.地下水资源管理模型及管理方案的制定6.4.2地下水资源管理的工作程序 7）进行水均衡模拟实验将所求出的有关参数带入水均衡模型进行试算，最终求出地下水位变化、水质变化等值，再与多年观测数值进行比较。若两者差距较明显，应重新核实、校定有关参数，直至误差达到所要求精度时，才可将模拟系统付诸使用。如果反复计算、运转后仍不能得到满意结果，就应修改模型本身。6.地下水资源管理模型及管理方案的制定6.4.2地下水资源管理的工作程序8）水均衡的未来预测在完成一个地区的水均衡模型后，可把未来的抽水计划有关数值代入计算，观察模型动态，预测未来的用水过程中含水层水位、水质的变化情况，从而更科学、合理地确定该地区未来的抽水量及人工补给量。6.地下水资源管理模型及管理方案的制定6.4.2地下水资源管理的工作程序9）管理方案的选用各种地下水资源利用方案经过模拟实验对比后，选取最佳者作为可行方案，以是否能满足允许抽水量作为评定标准。6.地下水资源管理模型及管理方案的制定6.4.2地下水资源管理的工作程序10）综合考虑各种因素通过上述的模拟实验所得出的地下水开采规划，只是从技术和自然环境的因素来考虑的。由于地下水与国民经济的密切联系，在开发过程中势必与当地人民的生活、安全有关，并牵连到社会、经济、法律等一系列问题。因此在计划方案具体实施之前必须做下述几方面的考虑：6.地下水资源管理模型及管理方案的制定6.4.2地下水资源管理的工作程序10）综合考虑各种因素经济因素：衡量开采地下水产生的效益与投资费用相比是否合理。计算投资费用时，不仅要考虑抽水成本，因抽水引起的公害所造成的经济损失也应计算在内。6.地下水资源管理模型及管理方案的制定6.4.2地下水资源管理的工作程序10）综合考虑各种因素法律因素：一切设计规划必须服从国家水资源利用和水资源保护法，此外，还应解决好地下水开发利用计划与水权、土地权及其它特殊法律问题和规约的关系。6.地下水资源管理模型及管理方案的制定6.4.2地下水资源管理的工作程序10）综合考虑各种因素社会和体制问题：方案必须为社会所接受，这就需要在规划过程中得到社会组织的广泛介入和支持，解除当地居民在心理上的怀疑和忧虑。要确保规划的实施不仅将为当地居民带来巨大福利，而且也能保障居民的安全和生存权。6.地下水资源管理模型及管理方案的制定6.4.2地下水资源管理的工作程序