第三章 地下水资源合理开发利用
第一节 地下水资源的分类与特征
一、地下水资源分类
地下水资源是指有使用价值的各种地下水量的总称，它属于整个地球水资源的一部分。所谓地下水具有使用价值，包括水质和水量两个方面，通常衡量地下水是否能成为有使用价值的资源，首先是看其水质是否符合利用的要求，然后再看可利用的量有多少。因此，研究地下水资源应同时考虑水质和水量。但由于地下水量的计算确定比评价水质复杂，因此考查地下水资源时，一般是指在水质符合要求的前提下的地下水量。
（一）国外地下水资源分类
国外学者为了研究地下水资源形成的基本规律和它的开采利用价值，对地下水资源进行了多方面的研究，提出了各种分类法。如H.A.普洛特尼科夫提出了地下水储量分类法；前苏联的宾德曼等在1973年提出了地下水储量和资源分类法；法国提出了与前苏联不同的地下水储量和资源分类法；美、日等国则提出了侧重研究地下水开采资源的分类法。
20世纪50年代，我国曾采用H.A.普洛特尼科夫的地下水储量分类，将地下水储量分为动储量、调节储量、静储量和开采储量四类。动储量是指单位时间流经含水层横断面的地下水体积，即地下水的天然流量；静储量是指地下水位年变动带以下含水层中储存的重力水体积；调节储量是指地下水位年变动带内重力水的体积；开采储量是指技术经济合理的取水工程能从含水层中取出的水量，并在预定开采期内不至于发生水量减少、水质恶化等不良后果。以上四种储量中前三种储量代表天然条件下含水层中地下水的储量，最后一种代表开采条件下的地下水储量。
上述分类（习惯上称为“四分法”）反映了地下水量在天然状态下的客观规律，在我国地下水资源评价中曾起过一定的作用。但这种分类法存在如下缺点，主要是：①此种分类不适用于松散沉积物中的深层承压水；②分类没有说明水量计算必须按一定的单元进行，因此当按地下含水系统评价时结果较为满意，不考虑全系统而仅就水源地分别计算，往往与实际资源量形成很大误差；③四类储量相互重叠，不易区分，应用时不易掌握；④储量没有明确地下水开发之后补给和排泄条件的变化对补给量的影响。
（二）我国地下水资源分类
在总结“四分法”应用经验教训的基础上，从地下水资源的基本特性出发，我国《供水水文地质勘察规范》（TJ27—78）中将地下水资源分为补给量、储存量和允许开采量（或称可开采量），此种分类法习惯上称为“三分法”，此分类法目前已得到广泛的使用。地下水资源量分类关系见图3-1。
图3-1 地下水资源量分类关系
1.补给量
补给量是指天然状态下或开采条件下，单位时间从各种途径进入单元含水层的水量。包括降水入渗量、地表水渗入量、地下水侧向流入和垂向越流，以及各种人工补给量等。地下水补给量可分为天然补给量和开采补给量（或称补给增量）。实际上许多地区的地下水都已有不同程度的开采，纯天然状态已不复存在，因此所谓天然补给量实际上是现实状态下的补给量。开采补给量是指由于在地下水开采过程中改变了地下水的水文地质条件，从而获得的大于天然补给量的那部分补给量。常见的开采补给量来源于以下几种情况。
（1）来自地表水的补给增量 在靠近地表水体开采地下水时，由于地下水位下降，水力坡度增大，降落漏斗扩展到地表水体时，可使原来补给地下水的地表水补给量增大，或使原来不能补给地下水甚至排泄地下水的地表水体补给主含水层。
（2）来自降水入渗的补给增量 由于开采地下水形成降落漏斗，使漏斗范围内储水空间增大，可接受较大的降水入渗补给量。开采强度较大时，由于地下水分水岭向外扩展，增加了降水入渗补给面积，使原来属于相邻均衡地段或水文地质单元的一部分降水入渗补给量变为本采区的补给量。
（3）来自相邻含水层越流补给增量 由于地下水开采，主含水层的水位降低，与相邻含水层的水位差增大，可使越流量增加，或者使原来向相邻含水层越流排泄转为相邻含水层向主含水层越流补给。
（4）来自相邻地段含水层增加的侧向补给量 由于降落漏斗的扩展夺取原本属于另一均衡段或水文地质单元的地下水量。这部分补给量要慎重考虑，因为本采区袭夺的补给量过大时会影响到已建水源地的正常开采。
（5）来自人工增加的补给量 由于地下水开采，水位差会增大，各种人工用水的回渗量增加而获得的补给量。
需要注意的是，补给增量的大小不仅与水源地所处的自然环境有关，同时与取水构筑物的类型、结构和开采方案和开采强度有关。当开采条件有利、开采方案合理、开采强度较大时，补给增量可远远大于天补给量。但是，开采时的补给增量不是无限制的，在多数情况下，它实际上是夺取了主含水层以外的或其他均衡区、水文地质单元的地下水量。从区域总水资源的观点看，本水源地的无限制地开采会对其他地区水资源产生不良的影响。因此，在计算补给增量时应全面考虑，合理袭夺补给增量，不能盲目无限制地扩大水源的开采。
2.储存量
储存量是指储存在单元含水层中的重力水体积。根据含水层埋藏条件不同，又可分为容积储存量、弹性储存量，容积储存量又有天然调节储存量和固定储存量之分。
（1）容积储存量 是指在大气压下，含水层空隙中容纳的重力水体积。对于潜水含水层的储存量，只计算容积储存量。
（2）弹性储存量 是指在压力降低到大气压时承压含水层中能够释放出来的重力水体积。对于一个承压含水层，除了容积储存量以外，还有弹性储存量。
（3）天然调节储存量 是指在一个地下水补给周期中，含水层中最高与最低水位之间的容积储存量。天然调节储存量是地下径流的一部分，这是因为在地下水枯水期受天然排泄消耗时天然调节储存量即转化为地下水径流量而被天然排泄，而在丰水期水位上升，可使枯水期被排泄的水量得到补充。此外，当地下水开采量远超过天然补给量时，天然调节储存量将被视为人工调节储存量被开发利用。
（4）固定储存量 是指在一个地下水补给周期中最低水位以下含水层中的容积储存量。还可进一步分为人工调节储存量和永久储存量。所谓人工调节储存量是指在地下水周期补给的条件下，采取人工的方法，暂时支出的固定储存量（也称为暂时储存量），但这部分固定储存量在地下水丰水期或采用人工回灌地下水时，地下水接受大量的补给而可得到补充偿还；所谓永久储存量是指采用经济合理的取水构筑物也无法获得的容积储存量，或者是虽然通过经济合理的取水构筑物能够获得这部分容积储存量，但在整个开采期内地下水的动态（水质和水量）发生恶化和其他危害。
由于地下水的水位常常是随时间而变化的，因而也使地下水储存量随时而异，反映了地下水补给与排泄的不均衡性。在补给时期，地下水的补给量大于排泄量，多余的水便在含水层中储存起来。在非补给季节，地下水的消耗量大于补给量，则减少含水层中的储存量来满足地下水的排泄。可见，地下水的储存量在地下水的运动和在地下水开采过程中起着调节作用。在天然条件下，地下水的储存量呈周期性的变化，多表现为年周期，同时还有不同长短的多年周期。在开采条件下，如果开采量小于补给量，储存量仍能呈现周期性的变化；当开采量超过补给量时，由储存量来补偿这部分超过的开采量，因此储存量会出现逐年减少的趋势性变化。
3.排泄开采量
排泄开采量是指地下水从补给区到排泄区范围内的排泄总量，分为天然排泄量、开采排泄量和人工开采量。天然排泄量是指以天然方式从含水层中消耗的水量。开采排泄量是指开采状态下含水层的排泄量。人工开采量包括实际开采量和允许开采量两种情况。
（1）实际开采量 是指没有考虑后果的前提下，通过一定的取水构筑物从含水层中实际开采出的地下水量。
（2）允许开采量 是指通过技术经济合理的取水构筑物，在整个开采期内出水量不会减少、动水位不超过设计要求、地下水的水质和水温变化在允许范围内、不影响已建水源地的正常开采、不发生危害性的工程地质现象的前提下，单位时间内从水文地质单元或取水地段开采含水层中可以取得的水量。
允许开采量的大小是由地下水的补给量和储存量的大小决定的，同时还受技术经济条件的限制。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。丰水期补给量大于消耗量，含水层内储存量增加，水位抬高，流速增大；丰水期过后，消耗量大于补给量，储存量减少，水位下降，流速减小。补给与消耗不平衡的发展过程具有一定的周期性（年周期和多年周期），从一个周期的时间来看，这段时间的总补给量和总消耗量是接近相等的。如果不相等，含水层中的水就会逐渐疏干，或者水会储满而溢出地表形成泉水和沼泽。所以在天然条件下地下水的补给和消耗总是处在动态平衡状态。
人工开采地下水时，增加了地下水的排泄点和排泄量，从而改变了地下水的天然排泄条件，使地下水运动也发生变化，即在天然流场上又叠加了一个人工流场。人工开采破坏了补给与消耗之间的天然动态平衡，但随之一种开采状态的动态平衡被建立起来。在开采最初阶段，由于增加了一个人工开采量，地下水的储存量会减少而保持人工开采量，随之开采地段的地下水位下降，形成一个降落漏斗。随着降落漏斗扩大，流场发生了显著变化，则使天然排泄量减少，补给量增加，即获得了补给增量。在开采状态下地下水资源量与水位之间的关系可以用下面的水均衡方程式表示：
（3-1）
式中 Q补——开采前的天然补给量，m3/d；
ΔQ补——开采时的补给增量，m3/d；
Q排——开采前的天然排泄量，m3/d；
ΔQ排——开采时的天然排泄量的减少量，m3/d；
Q开——人工开采量，m3/d；
μ——含水层的给水度；
F——开采时引起水位下降区域的面积，m2；
Δt——开采的时间，d；
Δh——在Δt时间段内开采影响范围内的平均水位降，m。
由于开采前的天然补给量与天然排泄量在一个周期内近似相等，即Q补≈Q排，所以式（3-1）可简化为：
（3-2）
此方程表明开采量实质上是由三部分组成的，即：
①增加的补给量（ΔQ补），也就是开采时夺取的额外补给量。
②减少的天然排泄量（ΔQ排），例如由于开采以后水位下降而蒸发消耗减小，泉流量减少甚至消失，侧向流出量的减少等。这部分量实质上就是由取水构筑物截获的天然补给量，它的最大极限等于天然排泄量，接近于天然补给量。
③可动用的储存量
，是含水层中永久储存量所提供的一部分。
确定地下水的允许开采量时要特别注意以下原则：
①允许开采量中补给增量部分只能合理地夺取，不能影响已建水源地的正常开采和已经开采含水层的水量。
②允许开采量中减少的天然排泄量部分应尽可能地截取，但也应考虑已经被利用的天然排泄量。例如天然排泄量中的泉水如果已被利用，就不允许由于增加开采后泉的流量减小甚至枯竭。
③截取天然补给量的多少与取水构筑物的种类、布置地点、布置方案及开采强度有关。如果开采方案不良，只能截取部分天然补给量，因此应选择最佳开采方案，才能最大限度地截取天然补给量。开采中截取量的最大极限就是天然补给量，所以计算允许开采量时，只要天然排泄量尚未加以利用，就可以用天然补给量或天然排泄量作为开采截取量的部分。
④对于消耗型水源地，允许开采量中可动用的储存量应慎重确定。首先要看永久储存量是否足够大，再看现时的技术设备所及的最大允许降深，然后算出从天然低水位至允许最大降深动水位这段含本层中的储存量，按设计开采期平均分配到每年的开采量中，作为允许开采量的一部分。
（三）地下水资源之间的关系
地下水各种资源量之间相互关联，并且是不断转化、交替的。永久储存量是指储存水的那部分空间始终含有水，而并不是说那部分水本身永久储存不变，它仍然可转化为排泄量而流走，再由补给的水补充。只有极少数在特殊条件下形成的地下水（如处于封闭构造下的沉积水）才得不到补给量。
大多数自然条件下的地下水都是补给量转化为储存量，储存量又转化为排泄量，处在不断的水交替过程中。在开采条件下，开采水都是由储存量中转化而来的，由于储存量的减少可以夺取更多的补给量来补充，同时又截取了部分天然补给量，减少了天然排泄量。
地下水资源量之间的转化关系为：
Q天补-Q天排=±ΔQ储 （3-3）
若在均衡期内ΔQ储→0，则Q天补≈Q天排；
在开采状态下：
Q实开=ΔQ补+ΔQ排+ΔQ储（3-4）
（3-5）
或
（3-6）
式中 Q天补——天然补给量，m3/d；
Q天排——天然排泄量，m3/d；
ΔQ储——储存变化量，m3/d；
Q实开——实际开采量，m3/d；
Q允开——允许开采量，m3/d；
ΔQ补——补给增量或开采夺取量，m3/d；
——合理的开采夺取量，m3/d；
ΔQ排——由于开采而减少的天然排泄量，m3/d；
——可以动用的储存量，m3/d；
——由于开采截取的天然补给量，以Q天补为极限，m3/d。
二、地下水资源特征
分析地下水资源的特征，对于精准把握地下水资源评价原则，合理评价地下水资源，准确计算地下水允许开采量，科学合理地利用地下水资源具有重要意义。根据地下水资源的属性、储存、运移、动态特征等，可得出地下水资源具有如下主要特征。
（1）可宝贵性 绝大部分地下水尤其是浅层地下水均来源于大气降水。大气降水的溶解性总固体很低，一般只有几十毫克/升，在向含水层向下入渗过程中，与周围岩土接触，通过溶滤作用等一系列复杂的物理化学作用，可以使岩土中一些组分转移到水中，而这些组分多半是对人体有益的，从而可使水的溶解性总固体逐渐增加到零点几克/升到1g/L左右，有的甚至超过1g/L。
另外，大气降水和地表水在向地下水渗入的过程中，或在含水层中运动过程中，水中的一些悬浮杂质与细菌可以得到过滤，可达到自然净化。地下水不像地表水那样容易受到污染，而且水温比较恒定，因此，更适合于作为生活饮用和工业用水水源。地下水的分布要比地表水广泛得多，在水文网稀疏不利于设计，甚至地表水资源欠缺的地方，地下含水层的存在往往能弥补地表水之不足。
除了空间分布上的调节作用以外，地下水在供水时间上也有很好的调节作用。一般地说，除有些岩溶和宽大裂隙含水岩组外，水在含水层中运移相当缓慢，接受补给后，以很小的速度运移到排泄区排出，所以在含水层中储留的时间长，有些泉甚至能够长年保持一定的流量，从而延长了供水时间。相比而言，地表水流动快，调节性差，多数河流为季节性河流，只有那些以地下水作为其枯水期补给源的河流才能常年流水，所以必须依靠工程调节设施才能保证持续供水。地下含水层在时间上对水量进行调节，实际上起了地下水库的作用，这对供水是很有利的。这种空间和时间上的调节作用，对缺少降水的干旱地区供水尤为重要。
（2）系统性 地下水在一定的地质、水文地质条件控制下，形成水文地质单元。一个独立的水文地质单元具有共同的补给、径流和排泄方式，具有密切的水力联系，从而形成地下水含水系统，表现出了输入、运移、调节、输出等典型的系统性。
岩溶水的系统性表现得较为典型。在地下水系统的流域范围，即岩溶大泉或泉群的补给范围内都有统一的补给与排泄条件。排泄区岩溶水一般都在地形急剧变化的部位以大泉或泉群的形式排出。由泉口顺水流溯源而上，可以是一条或几条集中的地下脉状相连的通道，有的一直能通向地表。这些区域形成岩溶含水系统的补给、径流区。有时地下通道和地表河流连接，地表水流成为断头河潜入地下，河流的流域也就成为地下水系统流域的一部分。
裂隙水系统大体可分两类：一类是沿断层破碎带发育的带状含水体；另一类是区域性裂隙构成的层状含水体。裂隙水系统的给水能力在很大程度上取决于构造条件，除断层破碎带富水性地段在导水断层及其次级断层附近外，通常多为向斜盆地，单斜断块盆地，或者是被其他弱透水地层掩阻的自流斜地等。
孔隙水的含水系统一般缺乏集中的排泄点，而且含水系统的边界也不容易确定，但是它同样也是按含水系统发育的，因为各种成因类型的沉积物都有其特定的结构，根据沉积条件在一定范围内发育。这个范围有时构成一个单独的含水系统，但更常见的则是不同成因类型沉积物互相衔接，交替发育，但具有统一的补给、径流和排泄方式，从而构成统一的含水系统。
地下水资源的系统性除地下水含水系统本身外，由于含水系统的补给、径流与排泄过程中都要与外界发生水力联系，如大气降水入渗补给的含水系统，其储存量、排泄量以及允许开采量与降水量、降水频率以及入渗条件等密切相关。这种系统性增加了含水系统的复杂性。
既然地下水是按一定的含水系统发育，而同一含水系统的水是一个整体，那么地下水资源评价也应按整个含水系统，即以完整的水文地质单元来进行。同时，由于地下水含水系统与外界环境密切关联，因此在对整个含水系统进行资源评价时，一定要用系统理论的观点去分析研究。
（3）流动性 地下水在含水层中流动的方向是从补给区至排泄区，但其径流过程却并不是按直线方向，有些含水层是裂隙，水的流动沿着裂隙发育的方向进行；交替发育的松散含水层局部存在隔水层或者隔水边界时水流便会受阻而改变方向；断层存在的裂隙岩溶水可能受到断层的导水沿着断裂带流动，阻水断层则可将水的流动局部阻隔。
地下水的流动性使得它不仅可以在补给区开采，也可以在径流区或排泄区开采。由于人工开采地下水资源后，其补给条件和边界条件可能发生变化，使地下水流动状态也发生改变，形成新的动态平衡系统。所以，地下水的天然流量，也不能完全反映地下水资源可被开采利用的数量。当采取合理的开采方案和取水构筑物后，地下水允许开采量可大大超过其天然径流量。
地下水的流动速度决定于补给区至排泄区的水位差和径流路径，还与含水层的空隙、结构、边界条件等密切相关，因此通常以地下水的水力坡度和含水层的渗透系数表征其流动速度。
由于地下水的流动性，才使地下水资源实现补给量、储存量、排泄开采量的转化，才能取得激发补给量，从而获得区外的额外补给，得到最大允许开采量，有利于持续取水。
（4）储存和调蓄性 含水介质是地下水的储存空间，地下水储存运移于含水介质的空隙中。在参与自然界水循环的过程中，受补给与排泄的动态平衡的控制，含水介质不仅为这种动态过程提供了场所，而且通过地下水储存量的变化维持补排的动态平衡过程。
地下水资源的储存容量与含水系统的空间规模、含水层空隙类型及空隙发育程度等因素有关。地下水的调蓄能力直接受其储存量的影响。因此如果储存容量大，在补给期，尤其是丰水期就能大量地储存水，可在枯水期正常供水开采。反之，若储存容量小，则调蓄功能就弱，枯水期它所能提供的水量必定随季节和年份有较大的波动，甚至地下水位下降幅度增大，井群的降落漏斗不断扩大，此时地下水含水层不能提供正常的设计开采量。
地下水储水空间巨大、流动缓慢的特性使得地下水资源具有较强的调蓄性。如山西临汾龙子祠泉，泉水流量出现高峰比雨季滞后半年；又如娘子关泉，当年的泉水流量和前7年的降雨量有关；一些地区浅部裂隙泉水，流量变化与前2～3年的降雨量有关。地下水资源的这一特征，可以保证常年连续供水。在枯水期，当供水量较大时，可以采用合理的开采方案，使地下水的开采量大于补给量，腾出地下库容；在丰水期，除维持正常供水开采量外，含水层水量还能得以补充。当然，这种“以丰补歉”型的开采模式要在充分论证地下水资源动态平衡的前提下进行，否则容易出现资源不足，地下水位持续下降的严重后果。
（5）可恢复性 地下水含水系统具有一定的储水能力，地下水在参与自然界水循环的过程中，其质与量都经常同外界进行着相互间的交替，因此，地下水资源可以通过大气降水入渗，地表水入渗，或从相邻含水系统的流入等途径不断地得到补给和更新，在合理开采的条件下，地下水资源可以得到恢复。
地下水的补给绝大部分来自大气降水，由于大气降水在时间分配上不连续，在空间分布上不均匀，在入渗过程中，又受到地形、植被、表土覆盖，以及包气带岩层的透水性等诸因素的影响，使不同地区和不同时间内地下水获得的补给量相差极大。在地表水补给的情况下，地下水的补给量则受到地表水体规模大小、稳定性和互通条件等因素控制。因此，在一定的条件下，地下水资源从外界只能获得有限的补给。所以，所谓地下水资源的可恢复性绝不是无限的。它一方面取决于补给量的多少；另一方面还决定于含水介质本身的性质，如降水或地表入渗系数、含水层的孔隙性等。如果开采期内不合理开采造成严重的地面沉降，说明含水介质骨架已被压密，尽管丰水期补给量很多，但地下没有足够的储水空间，这时含水层也不能有效地得到恢复。
（6）储能性 地下水来源于降水入渗和地下水入渗补给，由于水具有较高的热焓，大气降水和地表水受太阳辐射影响储存了热量，随着入渗将热能带入地下含水层中。含水岩组由松散岩石组成，热传导性较差，使得含水岩组具有隔热保温的作用，可将水中热能储存于地下水中。
对于循环于侵入岩体、断层等地下热源附近的地下水，受地下高温热源的传热，将地下热源储存于地下水中，这便形成地下热水。
目前，以上两种热源均被利用，前者通过地源热泵和水源热泵系统应用于城市供热和制冷，后者通过地热井开采，利用于发电、供热、蔬菜大棚等，成为清洁的新能源应用典范。
（7）水质稳定性 地下水储存和运移于地下含水层中，与地表相对隔绝，因此与地表水相比，不与污染物直接接触，具有不易污染的特点。尽管地下水与大气降水具有补给联系，但其入渗一般通过包气带，一些污染成分通过被吸附而降低浓度，甚至去除，而含水层之上还有隔水层存在，因而污染物较难进入含水层而污染地下水。对于地表水补给地下水的情况，主要通过含水层的自净作用降低地下水被污染的概率。
此外，地下水的化学成分与水的循环、地质环境密切相关，天然状态下不同成因的地下水具有相对稳定的含量比值，反过来也可通过这种比值判断地下水的成因。
总之，一方面地下水具有天然防护功能而不易被污染；另一方面，地下水具有与其成因相关的化学成分，因此，地下水具有良好的水质稳定性。
（8）复杂性 地下水资源储存于地下，其资源形成过程与分布情况无法直接从地面观察到，只能通过地下水露头点和勘探揭露才能以点的形式观察到，要了解整体的分布情况，必须靠每点上的数据分析、推断来确定，有的必须依靠长期观测的资料加以分析判断。然而，由于技术、设备和资金所限，这些露头点的调查和勘探孔数量十分有限，勘探精度往往达不到全面了解地下水的分布特征。以降水入渗补给地下水为例，这一过程是看不见的，只能根据泉流量的变化，井及钻孔等水位的变化等综合判断这一过程。由于影响降水入渗的因素很多，因此入渗补给量往往不容易作出精确的判定。但是，因为影响降水入渗的各种气象和水文要素虽然每年有所变化，可是从长期来看，任何地区都可以得出代表其平均状态的多年平均值，利用这种规律，通过长期不间断的观测，仍能取得基本符合实际情况的数据，但这一工作所消耗的时间和资金相当大。
地下水资源的形成过程和储存运移也非常复杂，因而增加了勘查工作的复杂性。还以降水入渗为例，地下水接受的渗入补给不仅取决于降水本身的性质，而且与地质结构、含水系统的储蓄能力，以及人工开采等因素有关，因此要准确查明地下水资源的形成及其时空变化规律是极为困难的。通常为了查明水在含水层中运移的情况，首先应判定其运移方向，其次测定其渗透速度或实际流速，以及渗透断面，通过这些数据表征含水系统某一区段的导水性质，试图计算渗流的水量。这些工作比在地表水流中直接测定流速及流量要复杂得多。当含水系统被开采时，等于增加了新的排泄点，这一人为增加的排泄量，破坏了含水系统原有的均衡状态，在补排量与储存量的关系控制下，建立新的均衡。这一过程比天然状态下的过程复杂程度大大提高。
此外，从地下水水质来看，由于地下水从补给区至排泄区的运动过程中，地下水所处的环境（如酸碱环境、氧化还原环境等）会发生变化，地下水中原有的化学成分，以及与含水介质发生交替后的化学成分之间会发生一系列的物理化学作用，从而导致地下水化学成分的复杂性。