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1、第十三章地下水资源13. 1作为资源的地下水13. 1. 1地表水与地下水的比较资源是指自然界存在且可被人类利用的一切。地下水是一种宝贵的资源。地下水资源是水资源的一个组成部分。地下水与大气水、地表水在水文循环过程中相互 转化，因此，一个地区的水资源是一个密切联系的有机整体。作为资源的地下水，是能被人类所利用的一种物质。因此，它不仅具有自然属性，必然 还具有社会属性，在分析处理地下水资源问题时，必须注意到这一点柴崎达雄，1982)。作为资源，地下水具有一系列较地表水优越之处(贝尔，1985。(1)空间分布：地表水的分布局限于稀疏的水文网。地下水则在广阔的范围里普遍分 布。地下水在空间赋存上弥补
2、了地表水分布的不均匀性，使自然界的水资源能够被人类利用 得更为充分。(2)时间调节性：地表水循环迅速，其流量与水位在时间上变化显著，干旱半干旱地 区的地表水往往在急需用水的旱季断流；为了利用它往往需要筑坝建库以进行时间上的调 节。流动于岩土空隙中的地下水，受到含水介质的阻滞，循环速度远较地表水为缓慢；再加 上有利的地质结构能够储存地下水；因此，含水系统实际上是具有天然调节功能的地下水库。 地下水的这种时间调节性，对于干旱地区与干旱年份的供水尤为可贵。(3)水质：只有水质符合一定要求的水才是可利用的资源。地表水容易受到污染使水 质恶化，水温变化大，有时还可能结冰。地下水在入渗与渗流过程中，由于岩
3、层的过滤，水 质比较洁净，水温恒定，不容易被污染；当然，地下水一旦遭受污染后，再度净化要比地表 水困难得多。(4)可利用性：利用地表水一般需进行水质处理，往往需要在某些地段修建水工建筑 物以导流引水或蓄水调节，然后再用管道输送到用水地段。因此，利用地表水的一次性投资 大，一个地区的各个用水单位需要统筹修建供水工程设施。地下水分布广，且含水层起着输 布水的作用。利用时不需要修建集中的水工设施，一般也不需铺设引水管道，不需要处理水 质；每个用户可以打井从含水层直接抽取需用的水，一次性投资低，且可随需水量增加而逐 步增加水井。然而，为了把地下水提升到地表要消耗能量，运用费用较高；不适当地开发利 用地
4、下水会造成严重的环境问题；由于用户分散打井取水，地下水的管理较地表水为困难。13 . 1 . 2地下水资源概念的演变作为资源，地下水主要用于供水，而对供水水源的一个基本要求是：能够持续而稳定地 供应某一数量的水。这就要求含水系统能够获得外界水的足够补充，并在含水系统中经常保 持一定水量。在相当长一个时期中，人们对地下水的需求不大，开采地下水的规模小，地下水总是 能够满足持续而稳定地供应某一定水量的要求。于是，人们在头脑中把地下水看作是“取之 不尽，用之不竭”的，并没有意识到地下水是一种数量有限的资源。随着人口增长与生产力 的发展，人们对地下水的需求增加，首先是在一些缺乏地表水的干旱半干旱地区，
5、大量而集 中地开采地下水，很快引起区域性水位下降，出现地下水资源涸竭的现实威胁。这时，人们 才逐渐认识到，地下水是一种数量有限、值得珍贵的资源，必须查明其数量，有计划地开发 利用。为了避免地下水位不断下降，开始时只是限制水井的井距、深度与采水量。显然，这 样做并不能解决问题。1915年在美国首次提出以含水层或地下水盆地（含水系统）为单元 的安全抽水量的概念：“所谓安全抽水量，是在不致引起含水层发生危险的涸竭的情况下， 能正常而持续地抽水的界限水量”（转引自柴崎达雄，1982）。上述定义隐含的意思是：某一 含水层或含水系统的地下水开采量不应超过其补给量。后采，人们又发现，开采地下水会引 起诸如地
6、面沉降、海水入侵、咸水入侵等造成巨大经济损失的环境损害。于是，地下水盆地 安全抽水量（safe yield of groundwater basin）的定义又被修改为：“能从某一地下水盆地中 连续地、不至于引起不良结果地抽取的地下水量转引自柴崎达雄，1982）。人们利用资源 是为了获得利益。如果开发地下水造成的损失大于利益，当然是不可取的。因此，允许利用 的地下水资源量，不仅受到自然条件的制约，还受到技术、经济、社会乃至法律条件的制约。13. 2地下水资源的特征地下水资源具有系统性，可恢复性及调节性。13. 2. 1地下水资源的系统性地表水可以直接观察，所以地表水的系统性很容易被人们所理解：降
7、水落到地表，汇入 细小的支流，逐级汇入较大的支流，最终汇入干流，这就形成一个水系。一个水系占有某一 流域。地表水资源总是按水系进行计算，并按水系进行规划利用的。其实，地下水资源也是按系统形成与分布的，这个系统就是含水系统。前已述及，存在 于同一含水系统中的水是个统一的整体，在含水系统的任一部分注入或排除水量，其影响均 将波及整个含水系统。而某一含水系统可以长期持续作为供水水源利用的地下水资源，原则 上等于它所获得的补给量。不论在同一个含水系统中打井的地下水用户有多少，所能开采的 地下水量的总和原则上不应超过此系统的补给量。这就是说，应当以含水系统为单元，统一 评价及规划利用地下水资源。由于含水
8、系统存在于地下，不像地表水系那样可以直接观察到，人们往往不自觉地忽略 地下水资源发育与分布的系统性，而以集中采水的水源地作为计算单元；后者往往只是含水 系统的一个部分，有时甚至跨越若干含水系统。对处于同一含水系统的若干水源地分别求算 其可开采利用水量，会造成水量重复计算；按这样的水量各自为政地开采地下水，必然超过 含水系统的补给量，而造成区域性地下水位持续下降。需要注意的是，有时在一个含水系统内同时进行供水与排水（例如为采矿进行矿坑排 水），这时，供水与排水必须统筹考虑，供水开采加上排水抽取的水量的总和不应超过含水 系统的补给量。只有正确地认识到地下水资源的系统性，按照含水系统计算地下水资源，
9、并以含水系统 或相对隔水层妨碍它与外界发生水力联系，水的循环交替缓慢。愈往深部的承压含水层，循 环的距离愈长，流径的相对隔水层愈多，与外界的联系愈微弱，更新再生愈慢。深部承压水 的平均贮留时间可以达到数千年甚至数万年。被良好隔水层圈闭的构造封闭条件下的承压含 水系统，与外界不发生水力联系，赋存着地质历史时期形成的地下水。这种情况下的地下水 乃是不可再生的资源（图8-5e） o一个含水系统能够长期持续供应的水量，原则上等于其从外界获得的补给量。因此，从 供水角度出发，地下水资源的可恢复性是其长期持续供水的保证。即使是规模巨大、储存水 量十分丰富的含水系统，如果赋存其中的水不具有可恢复性，则储存水
10、量将逐渐消耗，最终 供水无以为继。不可再生的地下水资源就像油田中的石油一样，经过一定年限的开采便不复 存在。华北平原深层孔隙承压水资源实际上恢复再生能力很差，但是由于其含水层厚度大， 渗透性好，水头高，单井出水量大，人们对其资源潜力抱有很大期望，认为它“资源丰富”。 集中开采几年以后，深层孔隙承压水形成大面积的区域性地下水位下降漏斗。漏斗中心达到 数十米，并且每年大致以12m的速率下降，井的出水量不断减少，甚至吊泵断流。这时 人们才普遍接受“华北平原深层孔隙承压水资源贫乏”的结论。产生这一失误的原因是人们 只看到深层孔隙承压水丰富的储存资源，而没有同时注意它不良的恢复再生能力，或者对其 恢复再
11、生能力估计过高。13. 3地下水资源分类及其供水意义13. 3. 1地下水资源分类进行地下水资源分类，既要考虑地下水本身的特性，又要考虑供水的要求。地下水含水系统经常与外界发生水量交换，每年接受一定补给量，并给出一定排泄量； 与此同时，在含水系统中经常保持一定的水量。由此可知，对于一个含水系统，有着性质不 同的两类水量：一类是经常与外界交换的水量，另一类是保持于含水系统中的水量；我们把 前者称为补给资源，把后者称为储存资源。补给资源是含水系统可以恢复再生的水量，这一水量年复一年更新再生。由于气候变化， 含水系统每年获得的补给量与给出的排泄量是有变化的，但从多年平均的角度看，某一含水 系统多年平
12、均的补给量与排泄量相等，其多年平均的年补给量是个定值。因此，我们定义含 水系统的地下水多年平均年补给量为其补给资源量，其单位为m3/ao储存资源是含水系统在地质历史时期积累保存下来的水量。我们定义含水系统地下水多 年平均低水位以下的重力水体积为其储存资源量，其单位是m3o补给资源与储存资源的关系也许可以用工资与存款来比拟，前者是经常性的收入，后者 是长期积累而成的。为了满足生活与生产的需要，对供水水源的基本要求是持续而均衡地供应某一数量的 水。因此，作为供水水源的含水系统，必须同时有一定数量的补给资源与储存资源。补给资 源可以保持供水的长期持续，储存资源则保证供水的均衡稳定。13. 3. 2地
13、下水储存资源及其供水意义在正常的供水实践中，被消耗利用的水量乃是补给资源，并不消耗储存资源。在干旱季 节与年份动用部分储存资源是为了调节供水水量使之在时间上保持稳定均衡。被动用的那部 分储存资源原则上应当在一定时期内予以偿补；这样才能经常保持含水系统的调节能力，长 期保证供水的均衡稳定。从实质上说，动用储存资源并非消耗，而是暂时借用这一部分水量。 从几个方面讲，储存资源都不宜于长期消耗。首先，储存资源是一次性的水量，消耗一些就 减少一些，最终必有涸竭导致赖以供水的生活与生产无以为继的一天。其次，随着储存资源 消耗，含水系统的调节能力也随之降低；储存资源消耗过多，含水系统的调节能力降低，供 水能
14、力也将受到损害。第三，储存资源的动用伴随着地下水位下降，提水的能量消耗上升， 提水机具需要不断更新，并将引起地面沉降、水质恶化等环境损害；动用储存资源要付出必 要的经济与环境方面的代价。短期的适当地动用储存资源是保证供水均衡的需要。但是，长 期以消耗储存资源弥补供水水量的不足，无异于饮鸩止渴，是不可取的。13. 3. 3地下水补给资源及其供水意义从上面的讨论可知，含水系统的补给资源保证着作为供水水源所能长期持续提供的水 量。含水系统作为供水水源的规模是取决于其补给资源的大小的。实际上的问题要比上面所说的复杂。一方面，含水系统开采时水文地质条件发生变化， 其补给量可能大于或小于天然条件下的补给量
15、。另方面，开采地下水引起的环境损害制约着 含水系统的开采量，含水系统实际供应的水量很可能会小于其天然补给量。开采时人工采水代替原有各种天然排泄（如泉的出露，向地表水泄流，向大气蒸发）成 为新的排泄去路，同时使地下水位下降。当地下水位的下降波及地表水体时，原先作为排泄 去路的地表水体反过来成为地下水新的补给来源，含水系统便获得增补的补给资源（相应地， 本区地表水资源减少了地下水泄流及向地下水补给的量），含水系统的允许开采量可能大于 其天然补给量。当开采地下水后含水系统原来的天然排泄仍有部分保持（如仍有部分泉保留， 或地下水位下降不深处仍有蒸发消耗），则开采条件下的补给量便小于天然条件下的补给资 源。允许开采的水量也就小于其补给资源了。再如，开采地下水灌溉农田，会使该地区农作 物的产量或复种指数提高，农作物很可能将消耗更多的土壤水于叶面蒸腾。包气带水分亏缺 增大，降水转化为地下水的份额便变小。含水系统获得的补给量便小于其天然条件下的补给 资源。开采地下水引起各种环境损害时，这时更不能简单地根据补给资源确定允许开采量，必 须在开采地下水获得的利益与环境损害造成的损失之间进行权衡，这种条件下允许开采量的 确定是一个非常复杂的问题。