《地下水利用规划》PPT课件.ppt

第五章 地下水开发利用规划,5.1 地下水开发利用规划的重要性,为我国粮食安全和食物供给提供了重要保障,井灌区对我国粮食的贡献超过全国总量的25，经济作物和蔬菜超过总量的50，为保障我国食安全和食物供给做出了巨大的贡献。,一、开发利用地下水在我国经济社会发展中 的作用,为改善生态环境提供了重要支持,开发利用地下水,既可弥补表水源的不足，又可有效控制地下水位，防止土壤盐碱化，起到以灌代排的作用, 为区域生态环境良性循环提供了支持。,为农业、农村发展及农民增收创造了条件,二、机井建设中存在的主要问题,缺乏科学合理的地下水开发利用规划、地下水超采严重,机井老化报废严重、机井技术落后,管理体制不配套、地下水无序开发,机井建设资金短缺、良性发展困难,为了合理开发利用地下水，提高地下水资源利用的效率和效益，促进社会经济和生态环境的协调发展，必须对地下水开发利用作出规划。,三、地下水开发利用规划的必要性,四、地下水开发利用规划的任务,在地下水资源评价的基础上，结合国民经济发展对水的需求，从地表水、地下水开发利用和生态环境实际出发，确定地下水开发利用的规模，进行合理的机井布局设计。,5.2 规划原则与分区,全面规划 协调发展 可持续利用 因地制宜 依法治水 科学治水,一、规划原则,建议参考的技术细则、规范及资料： 全国水资源综合规划技术大纲 全国水资源综合规划技术细则 机井技术规范（SL256-2000),21世纪初中国地下水资源开发利用 （水利部水资源司，南京水利科学研究院中国水 利水电出版社，2004 ）,二、规划分区,1.分区的目的,地下水开发利用规划分区一般在地下水资源评价类型区划分的基础上，结合规划任务，再将规划区进行详细的划分。,目的是在最末一级分区内，使地下水的埋藏条件和开采条件基本相近，从而使所规划的机井类型、结构、降深、出水量和所配的水泵基本类同和相近。,2.分区依据,（1）一级类型区（大区）：依据地形地貌特征，将规划区划分为平原区和山丘区。 （2）二级类型区（亚区）：依据次一级地形地貌特征，含水层岩性及地下水类型，在一级分区内再划分二级分区。,平原区,一般平原区,内陆盆地平原区,山间平原区,沙漠区,山丘区,一般山丘区,岩溶山区,（3）三级类型区（小区）：依据地下水形埋藏条件和开采条件，并考虑行政区划，在二级类型区内划分小区。,3.规划分区图编绘（附规划分区表）,规划面积小于30km2 ,在1:10000的地形图上编绘规划分区图。 规划面积大于30km2 ,在1:50000的地形图上编绘规划分区图。,地下水开发利用规划，是在综合分析与归纳区内各种基本资料的基础上，根据规划原则，结合规划任务的需要，通过分析、计算得出规划成果。规划需要的基本资料包括:,5.3 基本资料的收集与整理,一、基本资料的收集,1.自然地理概况 2.水文地质条件 3.生态环境状况,4.农业、工业及生活用水现状 5.水资源利用状况及水利工程现状 6.水资源评价成果（尤其是地下水资源评 价成果） 7.社会经济状况及技术条件,二、资料整理与图表编绘,第四纪地质地貌图 综合水文地质图 潜水等水位线图 承压水等水压线图 各分区典型观测孔潜水动态图 各分区抽水试验和有关水文地质参数汇总,5.4 供需水量平衡分析,供需水量平衡分析的目的 分析和解决规划区内，国民经济发展和生态环境保护对水的需求量与水源通过机井可能提供的供水量之间的矛盾。 根据供需平衡关系，确定地下水开发利用的最大规模，以便制定地下水开发利用规划。,考虑调配当地全部水资源，在充分利用地表水资源的条件下，提出合理的地下水资源开发利用量。 以供定需，确定需水量；在水资源丰富、开采条件好的分区，可以考虑以需定供。对供需平衡可做多个比选方案，从中选出一个合理方案作为基本平衡方案。,一、供需水量平衡分析的原则,针对不同地区水资源开发利用条件，分析制定不同的供需平衡策略。 供需平衡分析时，供水应优先满足生活供水和重点工业用水，在保护生态环境的基础上，合理安排农田灌溉、林业、牧业和渔业用水。,二、需水量预测,需水量预测要充分考虑不同规划水平年可能采取的节水措施及科技进步对高效用水的影响，合理地确定需水量。,需水量包括生活需水量、农业需水量(农田灌溉需水、林牧渔业需水）、农村牲畜需水量、工业及副业需水量、生态环境需水量等。,1.生活需水量预测,生活需水量包括城镇居民生活和农村居民生活需水量两类，可以用人均日用水量法预测。,2.农业需水量预测,（1）农田灌溉需水量 对于井灌区、井渠结合灌区，应根据节水灌溉规划，分别确定净灌溉定额和毛灌溉定额，再预测不同水平年（降水频率为50、95和95）的农田灌溉需水量。,（2）林牧渔业需水量（林果地灌溉、草场灌溉、鱼塘补水的需水量）,林果地灌溉、草场灌溉需水量：根据当地的试验资料或典型调查，分别确定林果地和草场灌溉的净灌溉定额；再根据灌溉水源和灌溉方式，分别确定渠系水利用系数；最后根据林果地和草场发展面积指标，确定林果地和草场灌溉需水量。,鱼塘补水量：鱼塘维持一定水面面积和水深所需要的补充水量。可根据鱼塘渗漏量及水面蒸发量与降水量的差值确定。,3.农村牲畜需水量预测,农村牲畜需水量可通过实际调查，先确定现状水平年各种牲畜的用水定额、数量，再根据预测发展指标，采用定额法进行计算预测。,4.工、副业需水量预测,工、副业需水量指城镇企业和农村工副业需水。其需水量预测一般通过实际调查，先确定现状水平年不同行业的用水定额（万元产值需水量），再根据行业预测发展指标，用定额法进行预测需水量。,5. 生态环境需水量预测,生态环境需水量是指为维持生态与环境功能和进行生态环境建设所要的最小水量。,将以上各项需水量预测结果汇总，可得出规划区不同水平年的需水量。,三、供水量预测,1. 地表水可供水量,根据规划区可引河流水文站径流资料，通过频率计算分析，确定不同保证率的年径流量及年内分配。 再按流域管理机构与地方政府协议制定的分水比例，计算确定不同水平年、不同保证率的地表水可供水量。,2. 地下水可供水量,以地下水资源评价成果为依据，以各分区地下水可开采量为地下水可供水量控制的上限值，结合不同区域地下水开采潜力，确定不同水平年地下水可供水量。,地下水可开采量：在可预见的时期内，通过经济合理、技术可行的措施，在不引起生态环境恶化的条件下，允许从含水层中获取的最大水量。,四、供需水量平衡计算(以开采地下水灌溉为主的规划区）,供需平衡计算的主要任务,年内调节计算：分析计算规划区或各分区各年需水量与地下水可开采量之间的平衡关系和用水保证程度。,多年调节计算：确定多年调节情况下的最大地下水位降深，并计算所开采的水量能否得到全部回补。如不能完全回补时其差额是多少?灌溉用水保证率可提高至多少?根据当地具体情况，对差额部分水量提出解决的办法。,例7-1 某地下水开发利用规划区，水文地质条件比较简单（可视为一个最末一级规划分区），总土地面积为22.043km2，其中79.96%为耕地面积,即17.626km2，全部耕地都需要灌溉。该区种植小麦、玉米、棉花和其他杂粮,其中以小麦为主，约占70%，复种指数为157%；工业需水量和人、畜用水量占需水总量的百分比很小，可忽略不计。己有14年(19641977年)的观测资料，要求进行供需水量分析计算（潜水含水层的给水度=0.13）。,解：1.确定灌溉需水量 根据试验资料并参考当地井灌经验，不同水文年的需水量列入下表。,表5-1 不同水文年灌溉需水量表,2. 确定地下水可开采量 根据水均衡法计算的各年度潜水可开采量列入下表。,表5-2 不同年度潜水可开采量表,为了计算在年内调节条件下的灌溉用水保证率，将14年的潜水可开采量，从大到小依次排列，具体计算表5-3。,3.年内调节水量平衡计算和用水保证率确定,灌溉用水保证率，采用经验频率公式计算： P=m/(1+n) 式中：P灌溉用水保证率（); m计算年份的排序； n资料系列的长度。,表5-3 年内调节水量平衡和灌溉用水保证率计算表,在年内调节的情况下，灌溉用水保证率仅为53.3%，相当于满足平水年灌溉保证率的水平，远未达到旱涝保收、高产稳产的水平（灌溉保证率达到75%以上） 。 在保证灌溉的年份内，又有多余的地下水未被充分利用，这样就未能发挥地下含水层的多年调蓄作用。因此，需要进行多年调节计算。,分析表5-3得出的结论,4.多年调节水量平衡计算,适用条件：地下水研究程度比较高，资料系列较长；侧向径流微弱，潜水埋深较浅的平原区。 多年调节计算的基本原理：把地下含水层视为一个多年调节的地下水库，把地下水可开采量（由补给量转化而来）作为该地下水库的来水，而把需水量作为用水，根据水量平衡原理，进行多年调节计算。,计算内容：根据各年地下水来水与用水平衡差，逐年计算年末的地下水位埋深；分析满足一定灌溉用水保证率要求，多年达到的最大地下水位降深和干旱年份动用的地下水储存量能否在丰水年份能够得到回补。,（1）多年调节计算 多年调节水量平衡计算采用时历列表法进行。,表5-4 多年调节水量平衡计算表,* 起调埋深采用未开采条件下的多年平均潜水埋深10.00m,11.30,14.79,（2) 灌溉用水保证率计算,将多年调节水量平衡计算表中的第6栏和第8栏的值按由小到大的顺序排列，进行频率计算，便可得到不同开采深度(潜水埋深)下的灌溉用水保证率。,表5-5 不同开采深度的灌溉用水保证率表,图5-2 开采深度与灌溉用水保证率关系图,要求的灌溉用水保证率越高，潜水的开采深度也就越大。合理的潜水开采深度，应在供需水量平衡的前提下，用技术经济指标(或最大经济效益)来衡量，同时还要考虑在潜水位下降后，是否会引起其他不良影响。,开采深度与灌溉用水保 证率关系图分析结论,在多年调节条件下的潜水位平衡差为-1.3m，从多年调节的最大开采深度(13.66m)减去该差值(1.3m)后，得到供需平衡时的最大开采深度为12.36m，相应的灌溉用水保证率为86.4%，比年内调节的灌溉用水保证率53.3%提高了33.1%。表明多年调节计算能够充分利用地下含水层的调蓄作用，使灌溉保证率比年调节情况有大幅度提高。,在年调节和多年调节条件下，当灌溉用水保证率为86.4%时，旱季末最大开采深度为14.3m，用该值可以作为选配水泵时的参考依据。,多年调节供需水量平衡计算应该注意的问题,在多年调节供需水量平衡计算中，只能确定规划区内的平均开采深度（用水量均衡法计算），该深度既不不代表某一点的水位埋深，也不能反映集中开采情况下形成的降落漏斗。因此，规划中要求尽可能均匀布井。 该方法所依据的地下水可开采量，是按照大规模开采前的地下水补排条件来计算的，而开采后会引起补排条件的变化。因此，在灌区规划实施后，还应该补充进行地下水资源评价工作和供需水量平衡计算。,5.5 机井和工程规划,一、井型的选择及设计,选择井型主要根据规划区（小区）含水层类型、埋藏条件和技术经济条件，同时还应考虑用水特点等因素确定。,1.井型选择,当潜水含水层埋深在3050m时，可选用=0.8 1.5m的筒井；当含水层厚度较大且富水性较强时，宜采用=23m大口井。 当含水层埋深大于50m时，无论潜水还是承压含水层均选用管井。,各种建议井型及适用条件,当上层潜水含水层的富水性较差或较薄，而下部有良好的承压含水层且水头较低时，可采用筒管井混合开采。 对埋深小于50m的黄土含水层或厚度较薄的弱含水层，可采用辐射井。,注意：在几种井型均可采用时，需要进行技术经济比较，从中选用投资少、施工方便、出水量大的井型。,2.典型井型设计,在规划最末一级分区内，根据所选井型、可用管材、所需出水量、施工机具和施工方法等确定典型井，并进行典型井设计（结构设计、出水量计算或测试、配套设备和投资估算）。,二、单井灌溉面积和井距、井数的确定,1.单井灌溉面积（单井实际控制的灌溉面积）,单井灌溉面积是农业供水机井规划中最重要的技术指标。若单井灌溉面积偏小，会增大工程规模，增加投资；相反则造成干旱季节不能满足作物需水要求。 影响单井灌溉面积的因素有单井出水量、灌溉技术和方法、作物种植结构、土壤及农田平整情况等。,单井灌溉面积的计算公式：,式中: F单井灌溉面积（亩）； Q不受干扰的单井稳定出水量（m3/h）； t灌溉期间开机时间（h/d），通常为162Oh/d； T每次轮灌期的天数（d），如以伏天抗旱为标准， 可采用T=71Od； 灌溉水有效利用系数，一般0.9； 干扰抽水的水量削减系数，若没有干扰，=0 ； m每亩次平均综合灌水定额（m3/亩）。,（5-2）,2.井距与井数的初步确定,（1）=0或0.01的情况,农业供水机井规划区的井网一般按梅花型或正方形布设。,井距是农业供水机井规划中的一个非常重要的参数，直接影响着机井之间的干扰程度。因此，合理井距的确定是一个经济、技术条件比较的优选过程。,(5-3),梅花型布井,如果井网按梅花型（三眼井之间为等边三角形）布井，则单井控制的面积按矩形考虑。,井距,排距,式中：F为单井灌溉面积（亩）；a为井距 （m)；b为排距（m)。,a,b,正方形布井,如果井网按正方形布井（井距等于排拒），则单井控制的面积按正方形考虑。,a,a,井距,排距,式中;F为单井灌溉面积（亩）；a为井距（m)；b为排距（m)。,图5-4 正方型布井示意图,当单井灌溉面积确定后，某一规划分区内应布置的井数为：,式中： n 某一规划分区内同型机井的数量; F1某一规划分区总面积（亩）; 该规划分区的土地利用率； F 单井灌溉面积（亩）。,若规划分区有若干个时，应分别计算，最后全区进行汇总。,（5-4）,（2）0.01的情况,在农业供水机井规划中，一般在规划区内需要布置井群开采地下水，井与井之间存在一定的干扰。若井距较小时，强烈的干扰作用引起的水井流量消减必须予以考虑。,强烈干扰情况下，井距、井数的确定方法参考地下水利用教材（第三版）的相关内容。,提出一个设计降深所对应的不同井距方案（S, ai，i=1m ); 计算不同井距所对应的单井理论控制灌溉面积;,梅花型布井,正方形布井,利用干扰井公式，确定不同井距ai所对应的流量消减系数i;,计算不同干扰条件i下，单井的实际灌溉面积fi和实际井距ai，即,梅花型布井,正方形布井,将同一抽水降深时的单井理论控制灌溉面积fi和设计井距ai与实际单井灌溉面积fi和井距ai进行比较，从中选择相同或基本相近者，作为所求的单井灌溉面积和井距。,某一规划分区内应布置的井数为：,F=fi=fi, ai= ai ,3.井距与井数的校核,当某一规划分区中，不同井型的井距、井数初步确定以后，是否合理还必须用设计典型年（灌溉用水保证率为75%的干旱年）应开采的地下水量（供需平衡中确定的满足一定灌溉保证率要求的开采量）与同期这些机井实际能够开采的地下水量进行比较，以便最终确定合理的井距和井数。,典型年按初算井距、井数布井时，地下水的实际开采量为：,式中:V年实采规划区典型年实际地下水开采量(m3/a)； k 规划机井的类型数； ni 第i种井型机井的初算井数； Qi第i种井型机井的出水量(m3/h)； ti第i种井型机井每天抽水的小时数(h/d)； Ti第i种井型机井在典型年的抽水天数(d/a)。,(5-4),典型年实际开采量与应开采量相比较，可能的结果有：,V年实采V年应采，表明按初算井距、井数布井，能满足典型年的用水需要。因此，可将初算井距、井数作为最终规划方案布井。 V年实采V年应采，表明初算井数不能满足典型年开采地下水的需要，需要适当增加井数。,按所缺水量，适当增加井数，以弥补其不足。应该增加的井数为：,式中：mi 第i种井型应增加机井数量。,（5-5),（5-6),三、机井的布置,1.机井布置原则,机井应布置在规划区内开采条件最优的地段。 机井应尽可能布置在渠道、道路边，既有利于井渠汇流与调水配水，又便于施工与运行管理。 井位应根据具体条件选定，水力坡度较大的地区，沿等水位线交错布井；水力坡度平缓区，应采用梅花形或正方形均匀布井。,2.井群的布置,井群是集中开采地下水的一种形式，允许井与井之间有较大的干扰。根据不同的水文地质条件和自然地理特征，井群的布置形式通常有：,直线型布置：一般在河流岸边、古河道和山前溢出带的附近布置。其布置方向与地下水流向垂直或斜交，以增大其补给带的宽度。 三角形和环形布置：通常布置在池塘和洼地周围，以便增加诱发补给而增大井群出水量。,图5-5 井群布置示意图 (a)沿河岸直线布置井群 (b)垂直地下水流向布置井群 (c)三角形布置井群 (d)环形布置井群 (e)均匀布置井群,3.井网的布置,井网的特点是井与井之间一般不受干扰或干扰较小，且在规划区内大面积分布。对于地形平坦且含水层分布比较广阔的大型井灌区，机井的布置多采用梅花形井网，即等边三角形布置。,井网的布置应以计算的井距作为机井布设依据，但不能机械地套用，必须结合当地农田基本建设规划、地形、地物等因素作适当的调整。,（1）井网布置应注意的问题,（2）井网布置的方法与步骤（6步）,在规划范围内，先从地形最高部分开始，垂直地下水流向，确定井网第一排线。在此排线上，根据己确定的不同井型的井距，初步排列井位。并结合地面建筑物、道路、居民点和地形等，作必要的调整。 再按计算的排距，定出第二、第三、排线，重复以上的方法，确定各排的井位。,初步确定了各种井型的井位后，还需进行检查，使实际布置的井数与计划井数基本相等。允许存在差异，但不宜过大，一般不宜轻易减少井数。限于地形和建筑物的影响，井网中个别井的单井灌溉面积会受到限制，在这种情况下，可适当增加井数，但不能超过计划井数的3%5%。,在规划分区图上经反复调整所提出井网布置方案后，还必须到现场实地查验，对有争议的井位，要充分研究，协商解决。 井网布置时，还应注意各分区内含水层的分布和富水性程度。尽管最末一级分区的水文地质条件比较相近，但仍有一定差别，所以在相对贫水区内可适当少布井。,四、渠道的布设,渠道系统的布置必须与农田基本建设园田化相结合，即井网、方田、条田、道路、林带、电网等相互配合。,若单井灌溉面积200亩时，渠系采用两级渠道（相当于渠灌区的农渠和毛渠）。 若单井灌溉面积在200500亩时，渠系采用三级渠道（相当于渠灌区的斗、农、毛渠）。,五、道路与林网的布设,井灌区的道路指构成园田化的生产道路。这些道路主要是为了农业生产和管理的需要，同时也是乡镇间的交通公路（宽35m）。道路的设计应该结合新农村建设规划进行。,井灌区的林网主要用于农田、道路和渠道的保护，调节田间小气候，并兼顾绿化环境。林带一般布置在方田周围和渠边路旁，林网的规格和树种需结合当地具体情况选用。,六、电网的布设,在采用电力作为抽水能源的井灌区，其电网主要指l0kV的高压干、支线和400V的低压线。电网布设应与井网、道路、林网等相互配合，务必使线路短、变压器位置适中、损耗小而经济效益高，便于管理。,如规划区内无变电站，而地下水开采规模比较大，可对架设3.5万kV的高压线和变电站进行设计。,七、辅助工程,在富水性较差的区段，单井出水量小，为了提高灌水效率，在井旁规划适当容积的调蓄池，以便调蓄水量，从而增大单井灌溉面积，充分发挥机井效益。 在高寒地区，如地下水温过低（低于16），对某些作物不宜直接灌溉，可利用井旁调蓄池，提高地下水的温度，以适宜于灌溉。,1.井旁调蓄池,2.回灌工程,在供需水量平衡计算中，已显示出需大于供，或灌溉保证程度不高时，在规划中，应该考虑地下水的人工回灌问题。 在集中开采的井群地区、机井密布地区或贫水地区等，可利用规划区内外的闲水、余水和自然地形进行回灌，人工补给地下水，以增加地下水的可开采量。,八、机井自动化管理工程,实行机井自动化管理是灌区机井良性运行的需要，也是灌区提高用水效率的需要。,机井自动化系统的主要作用是对机井实行遥控、遥测和遥信。,机井 自动 化管 理系 统,机井控制终端,中心控制室,信息数据采集、监控机泵运行,对机井智能测控终端实施监管,一、成本分析,1.机井工程投资,机井工程建成所需的一次或分次投入的全部费用，包括机井钻凿费、机泵配套、输配电工程、附属建筑物及自动化控制等费用。,2.年费用,年费用包括年管理运行费和折旧费两部分。,5.6 机井工程效益分析与评价,（1）年管理运行费,（2）折旧费（静态折旧法、动态折旧法计算）,能源消耗费 维修费（日常养护费和定期大修费） 管理费（人员工资、行政管理费、观测及试验费等）,3.供水成本（单位水量成本）,指年费用与年提水量的比值(元/m3)。,机井工程在经济寿命期内每年应摊还的费用。,机 井 工 程 效 益,经济效益,社会效益,环境效益,机井工程运行后 产生的经济增量,机井工程运行后对人 民生活及社会的贡献,机井工程运行后 对生态环境的贡献,二、机井工程效益分析,1.经济效益,（1）农业灌溉效益,农业灌溉效益指机井工程运行后，开发利用地下水灌溉使作物的产量和质量提高而增加的产值。其计算采用从农业产值中扣除农业生产成本的方法推求。,B 机井工程多年平均增产值（元/a）； Ai 灌区第i种作物的种植面积(亩)； yi、y0i第i种作物井灌前后的产量（kg/亩） Vi第i种作物的价格(元/kg)； yi、y0i第i种作物副产品井灌前后的产量(kg/亩）； Vi第i副产品种作物的价格(元/kg)； n 作物种类数； 机井工程效益分摊系数，可按0.20.6进行估算。,（5-7）,（2）排水效益,机井工程建成后，通过竖井的排水作用消除盐碱、渍、涝灾害面积和减轻盐碱、渍、涝灾害程度所产生的效益。一般来说，灌溉的增产效益应包括直接的农业增产和排水效果给农业带来的效