（水利水电工程专业论文）北方岩溶区建设项目地下水资源论证模式研究.pdf

山东农业大学硕士学位论文 中文摘要 岩溶水( k a r s tw a t e r ) 又称喀斯特水，是贮存于可溶性岩石区( 如石灰 岩、白云岩、大理岩、石膏、岩盐等) 的溶蚀裂隙和溶洞中的地下水，是 岩溶区最常见的富水形式。 岩溶水是我国北方岩溶区主要的地下水资源，也是岩溶区新建、改建、 扩建工业及生活用水建设项目主要取用水源。近年来，为满足北方岩溶区 经济社会的快速发展，岩溶水开采量逐渐增大，导致许多地区岩溶水系统 采补失衡，地下水水位大幅度下降，漏斗面积逐年扩大，相继出现地面沉 降、地面塌陷、水质污染等水文地质环境灾害。因此，对北方岩溶区建设 项目取用岩溶水进行合理论证，成为学术界研究的热点课题。 2 0 0 3 年3 月，水利部、国家发改委颁布了建设项目水资源论证管 理办法( 中华人民共和国水利部和中华人民共和国国家发展计划委员会 令( 第1 5 号) ) ，水利部发布了建设项目水资源论证导则( 试行) ( s l z 3 2 2 2 0 0 5 ) ，标志着我国水资源论证制度的建立。办法以水资源条件 与经济社会建设布局相适应、实现水资源承载能力与经济社会建设规模相 协调为基础，加强水资源管理，深化取水许可管理制度改革，对于促进水 资源的优化配置和可持续利用，保障建设项目的合理用水要求，健全水资 源开发、管理与保护有着重要意义。 目前，对建设项目水资源论证管理的理论和实践总结还存在一些不足 之处，尤其是在水文地质条件复杂的北方岩溶区进行建设项目地下水资源 论证，在区域水资源状况及其开发利用范围、水源范围、取退水影响范围 等方面，存在范围划定难；区域水文地质参数推求误差大，允许开采量评 价结果的准确性不能保证；开采井位确定方法合理性差等问题。 本文在研究建设项目水资源论证管理办法和建设项目水资源论 证导则基础上，结合实际生产经验，针对北方岩溶区独特的水文地质条 u 件，研究了该类型区建设项目地下水资源论证的特点，即与非岩溶水、南 方岩溶区地下水资源论证的不同之处，并且重点研究了这些不同之处的分 析计算和论证方法。 北方岩溶区建设项目地下水资源论证模式研究 该文的特色及创新之处在于( 1 ) 研究了北方岩溶区建设项目地下水 资源论证之区域水资源状况及其开发利用分析范围、水源论证范围、取退 水影响论证范围的确定方法，得出水源论证范围为区域范围，研究了井群 概化改进法，建立了优选岩溶区抽水试验观n - t l 井位的多目标多层次系统 模糊决策模型，并运用半对数拐点法求解整个水源论证范围的区域水文地 质参数，进而形成了区域水文地质参数系统模糊层次决策模型法； ( 2 ) 对水量均衡法加以改进，研究了水量均衡改进法、开采试验法及数值模拟 法在岩溶水可开采量评价中的应用问题，并研究了不同评价方法所得结果 的比选问题； ( 3 ) 应用模糊综合评判理论和模糊聚类分析理论，分析岩 溶水的属性、含水层间的水力联系以及岩溶水的补排关系，进而研究岩溶 区不同水化学特征的影响因素及变化机理，从而研究出开采井位确定水质 因素模糊综合分析法，以综合水量因素分析法，形成合理确定开采井位的 关键技术。 关键词：北方岩溶区；岩溶水；水文地质参数；数值模拟；开采井位 n 山东农业大学硕士学位论文 a b s t r a c t k a r s tw a t e ri sg r o u n d w a t e rw h i c hi ss t o r e di nf i s s u r e sa n dt u n n e lc a v e s o fs o l u b i l i t 、rr o c k sa n dt h em o s tc o m m o nw a t e rr i c ht y p e so fk a r s ta r e a s k a r s tw a t e ri st h em a i ng r o u n dw a t e rr e s o u r c e su s e db yc o n s t r u c t i o n p r o j e c t so fi n d u s t r i a lw a t e ra n dd o m e s t i cw a t e ri nt h ek a r s ta r e ai nn o r t h e r n c h i n a a tp r e s e n t ，i no r d e rt os u p p o r tt h ef a s td e v e l o p m e n to fe c o n o m i ca n d s o c i e t yi nt h ek a r s ta r e ai nn o r t h e r nc h i n a , t h ee x p l o i t a t i o ny i e l do fk a r s t w a t e ri sb e c o m i n gl a r g e ra n dl a r g e r ，w h i c hr e s u l ti nt h em o r eg e o l o g i c a l d i s a s t e r s ，f o re x a m p l e ，t h ed e c l i n e dg r o u n d w a t e rl e v e l ，t h ee x p a n d i n gf u n n e l a r e a , l a n ds u b s i d e n c e ，g r o u n dc o l l a p s e s ，w a t e rp o l l u t i o na n ds oo n s o ，t h ej o b o fu n d e r g r o u n dw a t e rr e s o u r c e sd e m o n s t r a t i o no fc o n s t r u c t i o np r o j e c t si nt h e k a r s ta r e ai nn o r t h e r nc h i n ah a sb e c o m em o r ea n dm o r ei m p o r t a n ta n dt h e k e yt o p i cf o rs t u d y 1 1 1 砀口m a n a g e m e n tm e t h o d so fc o n s t r u c t i o np r o j e c t sw a t e rr e s o u r c e d e m o n s t r a t i o n ，锄i n i s t r yo f w a t e rr e s o u r c e sa n d t h en a t i o n a ld e v e l o p m e n ta n d r e f o r mc o m m i s s i o nd o c u m e n t1 5 t h ) a n dt h e r u l e so fc o n s t r u c t i o np r o j e c t s w a t e rr e s o u r c ed e m o n s t r a t i o n( s u z3 2 2 2 0 0 5 ) h a db e e ni s s u e db yt h e m i n i s t r yo f w a t e rr e s o u r c e sa n dt h en a t i o n a ld e v e l o p m e n ta n dr e f o r m c o m m i s s i o n ，w h i c hm a r k st h ed e v e l o p m e n tw a t e rr e s o u r c e sa s s e s s m e n ts y s t e m t i l i sm e t h o dm a d eb a s i sf o rd e e p e n i n gt h el i c e n s es y s t e mo fw a t e r d i v e r s i o n ，s t r e n g t h e n i n gw a t e rr e s o u r c em a n a g e m e n t ，s t u d y i n gw a t e rr i g h t t h e o r i e sa n dw a t e rm a r k e tt h e o r i e s ，m a k i n gs u r ei n i t i a lw a t e rr i g h t , w h i c h a r es i g n i f i c a n tf o rw a t e rr e s o u r c e sa l l o c a t i o no p t i m i z a t i o na n ds u s t a i n a b l e u t i l i z a t i o n ,g u a r a n t e e i n g w a t e rd e m a n do fc o n s t r u c t i o n p r o j e c t ， a n d d e v e l o p m e n t ，u t i l i z a t i o na n da d m i n i s t r a t i o no fw a t e r r e s o u r c e ss oo n a tp r e s e n t ，w a t e rr e s o u r c e sd e m o n s t r a t i o nf o rc o n s t r u c t i o np r o j e c th a s s o m ed r a w b a c k s ，e s p e c i a l l yi nt h ea s p e c t so fu n d e r g r o u n dw a t e rr e s o u r c e s d e m o n s t r a t i o no fc o n s t r u c t i o np r o j e c t si nt h ek a r s ta r e ai nn o r t h e r nc h i n a w h e r ec o n d i t i o n so fh y d r o l o g i c a lg e o l o g ya r ec o m p l i c a t e d i nt h e s ea r e a , a n a l y s i sa r e a so f w a t e rr e s o u r c e ss i t u a t i o n , d e v e l o p m e n ta n du t i l i z a t i o n , s c o p e o fw a t e rr e s o u r c e sd e m o n s t r a t i o n ，a n ds c o p eo fi n f e c t i o na r g u m e n t a t i o na r e n o tm a d es u r es i m p l y a n di ti s v e r yd i f j f i c u l tt o d e t e r m i n et h ea r e a h y d r o g e o l o g yp a r a m e t e r s ，w h i c hi n s u l ti nt h er e s u l to fa l l o w a b l ew i t h d r a w a lo f i i i 北方岩溶区建设项目地下水资源论证模式研究 g r o u n d w a t e ra r g u m e n t a t i o na n dc o n f i r m i n gm e t h o d so ft h ep u m p i n gw e l l p l a c ea r en o tr e a s o n a b l e o nt h eb a s i so ft h em a n a g e m e n tm e t h o d so fc o n s t r u c t i o np r o j e c t sw a t e r r e s o u r c ed e m o n s t r a t i o na n dt h er u l e so fc o n s t r u c t i o np r o j e c t sw a t e rr e s o u r c e d e m o n s t r a t i o n , c o m b i n i n gt h ef a c ta n dt h eh y d r o g e o l o g i c a lc o n d i t i o nf e a t u r e o fk a r s ta r e ai nn o r t h e r nc h i n a , t h et e x ts t u d i e dt h ef e a t u r eo fu n d e r g r o u n d w a t e rr e s o u r c e sd e m o n s t r a t i o no fc o n s t r u c t i o np r o j e c t si nt h ek a r s ta r e ai n n o r t h e r nc h i n a , w h i c hi n c l u d e st h ed i f f e r e n c e so fo t h e ru n d e r g r o u n dw a t e r r e s o u r c e sd e m o n s t r a t i o na n de s p e c i a l l yt h em e t h o d so ft h ed i f f e r e n c e s t h ef e a t u r ea n di n n o v a t i o no ft h i sa r t i c l ei sl i k et h i s ( 1 ) t h ed e c i d i n g m e t h o d so fa n a l y s i sa r e a so fw a t e rr e s o u r c e ss i t u a t i o n ，d e v e l o p m e n ta n d u t i l i z a t i o n ，s c o p eo fw a t e rr e s o u r c e sd e m o n s t r a t i o n ，a n ds c o p eo fi n f e c t i o n a r g u m e n t a t i o ni nt h ek a r s ta r e ai nn o r t h e r nc h i n aw e r es t u d i e d ，m u l t i p l ew e l l g e n e r a l i z e dm e t h o dw e r es t u d i e d ，af u z z yd e c i s i o np a t t e r no fm u l f i l a y e ra n d m u l t i - o b j e e t i v es y s t e mw e r es e tu p ，s e m i - l o g a r i t h mm e t h o dw a su s e d ，a n di n t h ee n dt h ez o n eh y d r o g e o l o g i c a lp a r a m e t e r ss y s t e mf u z z yl a y e rd e c i s i o n m o d e lw e r ef o r m e d ；( 2 ) t h ew a t e rv o l u m ee q u i l i b r i u mm e t h o dw a sa d v a n c e d ， a p p l i c a t i o no fw a t e rv o l u m ee q u i l i b r i u mm e t h o d ，e x p l o i t a t i o ne x p e r i m e n t m e t h o da n dn u m e r i c a ls i m u l a t i o nm e t h o di nt h e p e r m i s s i v e k a r s tw a t e r e x p l o i t a t i o ny i e l da s s e s s m e n tw e r eu s e d ，t h ec o m b i n e dm e t h o do fe v a l u a t i o n o fk a r s tw a t e re x p l o i t a b l ey i e l dw a sf o r m e d ，a n dt h ec h o o s i n go fa l lr e s u l t s w e r es t u d i e d ；( 3 ) t h em a t h e m a t i c a lm o d e lo fk a r s tg r o u n d w a t e re n v i r o n m e n t q u a l i t ye v a l u a t i o nw a se s t a b l i s h e db yt h ef u z z yc o m p r e h e n s i v ee v a l u a t i o n m e t h o da n dt h ea s s e s s m e n to fk a r s tg r o u n d w a t e re n v i r o n m e n tq u a l i t yo f p r e p a r e dp u m p i n gw e l l sw e r em a d eu p ，a n dt h eh y d r o c h e m i c a lc l a s s i f i c a t i o n o fa l lp r e p a r e dp u m p i n gw e l l sw e r em a d eu pb yt h ef u z z yc l u s t e r i n ga n a l y s i s m e t h o d , v a r i o u sp r o p e r t i e so fg r o u n d w a t e r , h y d r a u l i cr e l a t i o n s h i p sa m o n g w a t e rs o u r c es i t e s ，a n dc o r r e l a t i o no fs u p p l e m e n ta n dd i s c h a r g ew e r es t u d i e d i nt e r m s o fo b t a i n e dr e s u l t s ，i nt h ee n d ，c o n s i d e r i n gt h ef a c t o ro f w a t e r q u a n t i t y , t h ek e yt e c h n o l o g yo fc o n f i n i n gt h ep u m p i n gw e l lp l a c ew a sf o r m e d k e y w o r d s ：k a r s ta r e ai nn o r t h e r nc h i n a ；k a r s tw a t e r ；h y d r o g e o l o g i c a l p a r a m e t e r s ；n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ；p u m p i n gw e l lp l a c e i v 关于学位论文原创性和使用授权的声明 本人所呈交的学位论文，是在导师指导下，独立进行科 学研究所取得的成果。对在论文研究期间给予指导、帮助和 做出重要贡献的个人或集体，均在文中明确说明。本声明的 法律责任由本人承担。 本人完全了解山东农业大学有关保留和使用学位论文的 觇定，同意学校保留和按要求向国家有关部门或机构送交论 文纸质本和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权山东 农业大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据 库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文 和汇编本学位论文。 保密论文在解密后应遵守此规定。 论文作者签名：塞圭：多 导师签名：彬 e l 期：竺坐朋 山东农业大学硕士学位论文 1 绪论 岩溶是岩溶作用及其产生的水文现象和地貌现象。我国岩溶区分布较 广，南方主要分布在广西、贵州、云南等省：北方主要分布在山西的太行 山和吕梁山、北京西山、山东中南部山地等地区。 我国北方地区岩溶水资源量约1 2 8 亿m 3 a ，占全国岩溶水资源量的 6 3 ，其中可开采资源量为1 0 3 6 1 亿m 3 a ，水量充沛，水质良好，便于 开发利用，又由于该地区第四系浅层水大多数遭受污染，因此岩溶水成为 我国北方岩溶区主要的地下水开采类型，特别在一些大中城市( 如太原、 济南、徐州、淄博等) ，岩溶水已成为重要的供水水源。此外，从建设项 目水资源论证的角度出发，取用岩溶区地下水主要用于居民饮用和工业生 产，因此，取水目标绝大多数为水质良好、水量丰富的岩溶水，故该文所 指的岩溶区地下水即岩溶水，岩溶区地下水资源论证即岩溶水水资源论 证。 近年来，随着我国北方岩溶区经济社会的高速发展，各类项目纷纷投 产，导致需水总量不断增加，供需水矛盾日益突出，岩溶水超采现象越发 严重，如鲁中南山地、太行山、吕粱山及山西高原等地区，岩溶水资源量 平均开采率接近可开采量的6 6 ，有的地区甚至超过了7 6 ，属严重超 采区。岩溶水严重超采引发了一系列生态与环境问题： ( 1 ) 北方岩溶区( 如太原：徐州、泰安、济宁等) 地面沉降大面积 发生，使得城市的道路桥梁、地下管线等市政设施遭到破坏，农田废耕、 楼房裂缝，防洪标准降低，给人民群众的生命财产安全造成重大损失。 ( 2 ) 由于岩溶水的过量开采而加重或导致的水环境恶化的事件屡屡 发生。从水量补给上分析，因岩溶水接受第四系浅层水和地表水的补给， 当岩溶水过量开采后，造成补给速率加快，土壤溶虑作用不能充分发挥， 加之我国北方岩溶区第四系浅层水体和地表水体多为严重污染水体，便加 重了岩溶水污染；更有甚者，地表污染水体可通过岩溶塌陷洞穴直接补给 岩溶水而导致水体污染，1 9 9 4 年泰安市郊区许家埠村就曾发生地表污水 通过塌陷洞穴直接灌入岩溶含水层而严重污染岩溶水的事件( 高宗军， 2 0 0 1 ) 。 北方岩溶区建设项目地下水资源论证模式研究 因此，从我国北方岩溶区的自然地理及水文地质条件实际情况出发， 研究适合该区的建设项目地下水资源论证模式，完善岩溶区建设项目地下 水资源论证制度，合理开发、利用、保护岩溶区地下水资源已是迫在眉睫。 1 1 问题的提出 1 1 1 建设项目水资源论证内容及程序 。 建设项目水资源论证，是指依据江河流域或者区域综合规划以及水资 源专项规划，对新建、改建、扩建的建设项目的取水、用水、退水的合理 性以及对水环境和他人合法权益的影响进行综合分析论证的专业活动 ( 建设项目水资源论证导则，2 0 0 5 ) 。它的目的是保证建设项目的合 理用水，提高用水效益和效率，减少建设项目取水和退水对周边产生的不 利影响，从而为取水许可的科学审批提供决策依据。 1 1 1 1 建设项目水资源论证的主要内容建设项目水资源论证的主要内 容包括：建设项目所在区域水资源及其开发利用现状分析、建设项目取用 水合理性论证、建设项目水源论证、建设项目取退水影响分析及相应的补 救或补偿方案论证四部分。 ( 1 ) 区域水资源及其开发利用现状分析建设项目所在区域水资源及 其开发利用现状分析是水资源论证的基础。该部分包括：合理确定一定区 域作为分析范围；分析该范围内自然地理、社会经济、河流水系、气候特 征、水文及水文地质等基本概况；分析研究该范围内水资源开发利用现状、 用水水平以及存在问题；初步确定建设项目水资源开发利用的方向。 ( 2 ) 建设项目取用水合理性论证建设项目取用水合理性分析是贯彻 国家节水产业政策，发展节水产业，建设节水型工业、节水型农业、节水 型服务业和节水型社会，从源头上抓清洁生产、节水减污的重要手段。 该部分包括取水合理性论证和用水合理性论证两方面内容。取水合理 性论证包括：分析建设项目所在区域的现状水资源开发利用背景：分析该 项目与国家及地方产业政策、所在区域水资源分配方案、规划和管理要求 的符合程度。用水合理性论证包括：分析建设项目用水过程、水平衡和用 水指标；评判建设项目用水水平；分析建设项目的节水潜力；提出有针对 性和可操作性的节水措施和建议。 2 山东农业大学硕士学位论文 ( 3 ) 建设项目取水水源论证水源论证包括对地表水源、地下水源和 混合( 多类型) 水源水量与水质的论证。水源论证是水资源论证的最重要内 容，主要包括以下几方面内容：以现状条件下的水资源状况来确定建设项 目水资源开发规模和取水规模，做到以水定产，以水定规模；在现状水质 状况下，论证能否满足建设项目取水的水质要求；合理确定取水位置和取 水方式，包括地下水源取水井群布局、取水层位：解决地表水、地下水的 混合配置问题，论证两种水源的取水规模，提出两种水源开发的推荐意见。 ( 4 ) 建设项目取水和退水影响分析及相应的补救或补偿方案的建议 取水和退水影响分析是指在确定的影响范围内，按照国家和地方有关政 策、法律、法规、标准等规定，综合分析取水和退水对区域水资源、水生 态及第三者的影响。 主要内容包括：根据建设项目所在区域的水资源条件、取水和退水规 模、方案( 取水方式和保证要求，退水量及污染物组成、主要污染物排放 及入河情况、入河排污口设置等) 、受纳水域水资源管理和水功能保护要 求，识别筛出主要的影响对象并确定论证工作等级和范围；在现状调查基 础上，分析预测取水和退水对水资源条件、水域纳污能力使用、水功能和 水生态保护及第三者的影响，并针对性地提出建设项目应采取的工程与非 工程对策措施，以消除或减缓其不利影响，对难以消除和可定量计算的直 接影响，应提出补偿方案建议，而对于难以定量的影响则应定性说明影响 的程度与范围，并提出相应的补偿措施建议；在综合分析建设项目取水和 退水可行性基础上，明确给出建设项目取水和退水影响的评判结论。 1 1 1 2 建设项目水资源论证程序建设项目水资源论证工作主要围绕以 上四部分内容展开，其论证程序依次为准备阶段、工作大纲阶段和报告书 编制阶段，详见下图所示。 3 北方岩溶区建设项目地下水资源论证模式研究 图1 1建设项目水资源论证程序图 f i g 1 一l s t m t u r eo f w a t e rr e s o u r c e sd e m o n s t r a t i o no f c o n s t r u c t i o np r o j e c t s 4 1_iiilliij-一；!一 下一准备阶段丁上；一酣婚姻一 下图i；一酢煳搬一 i _，liillilliii_j ；，上hl；|；一报告书编制阶段|；|；工 - l_-_-_-。-_-_-。l 一 山东农业大学硕士学位论文 1 1 2 建设项目地下水资源论证与区域地下水资源评价的区别 1 1 2 1 内容不同建设项目地下水资源论证包括区域水资源及其开发利 用现状分析、建设项目取用地下水合理性论证、建设项目地下水水源论证、 建设项目取地下水和退水影响分析及相应的补救或补偿方案的建议四部 分内容，是对新建、改建、扩建建设项目的取、用、退地下水的合理性以 及对水环境和他人合法权益的影响进行综合分析论证的专业活动；区域地 下水资源评价是对地下水资源的数量、范围、可依赖程度、水的质量等方 面的确定，并在其基础上评估地下水资源利用和控制的可能性。 1 1 2 2 目的不同建设项目地下水资源论证的目的是判断特定建设项目 取用某区域内地下水源是否合理，为取水许可的科学审批提供决策依据； 区域地下水资源评价是为了查清区域的地下水资源的水账和利用现状、分 析和评价水资源承载能力，是生产和人民生活的规划和管理的基础。 1 1 2 3 两者间的关系不同区域地下水资源评价是建设项目地下水资源 论证的基础，建设项目地下水资源论证要充分利用区域地下水资源评价以 及供水水文地质勘察的成果和资料，并且注意与已有规划相协调。 1 1 3 北方岩溶水的特征 1 1 3 1 岩溶水基本特征从岩溶含水介质、岩溶水运动以及补给、排泄方 面分析岩溶水自身特征。 ( 1 ) 岩溶含水介质特征岩溶含水介质具有不均一性，既有规模巨大、 延伸长达数1 0 k m 的管道溶洞，也有十分细小的裂隙甚至孔隙，它是尺寸 不等的空隙构成的多级次空隙系统( 王大纯，1 9 9 4 ) 。 ( 2 ) 岩溶水运动特征由于岩溶含水介质的空隙尺寸大小悬殊，因此 岩溶水系统通常是层流与紊流共存，裂隙中岩溶水一般作层流运动，而在 大的管道中一般呈紊流运动；岩溶水系统的局部流向与整体流向常常不一 致。 ( 3 ) 岩溶水补给、排泄特征补给方式有岩溶干谷线状补给、侧向径 流补给、灌入式补给、第四系覆盖层面状补给等方式，排泄方式有侧向径 流排泄、开采排泄、越流排泄等方式，补给、排泄过程较其它形式地下水 复杂。 北方岩溶区建设项目地下水资源论证模式研究 1 1 3 2 南北方岩溶水差异以秦岭淮河为界，我国南方与北方的岩溶水存 在着一系列的差异。 南方：( 1 ) 岩溶发育比较充分，岩溶现象比较典型，岩溶具有强烈 管道化和强烈的不均匀性；( 2 ) 岩溶水大多无承压性，以地下暗河形式 存在，岩溶水动态变化大；( 3 ) 灌入式的补给，畅通的径流，集中排泄； 北方：( 1 ) 岩溶以溶蚀裂隙为主，局部可见岩溶管道；( 2 ) 岩溶水 可以是潜水，也可以是承压水，岩溶泉汇水面积大，泉流量相对稳定：( 3 ) 补给和排泄方式多样，径流状态各异。 1 1 4 北方岩溶区建设项目地下水资源论证的特点 由于北方岩溶水与非岩溶水以及南方岩溶水存在差异，导致北方岩溶 区建设项目地下水资源论证与非岩溶水以及南方岩溶区地下水资源论证 相比，有其自身特点。 1 1 4 1 “三个范围”难以确定“三个范围指区域水资源状况及其开发利用 分析范围、水源论证范围和取退水影响论证范围。 ( 1 ) 区域水资源状况及其开发利用分析范围难以确定该范围应覆盖 水源和取退水影响的论证范围，考虑到岩溶水可能只是论证项目取用的多 种水源之一这种情况，故分析范围除岩溶区外，一般还应包括一部分非岩 溶区；且北方岩溶区地下水资源论证的水源和取退水影响论证范围确定难 度大于南方岩溶区地下水资源论证( 见下文分析) ，故与非岩溶水以及南 方岩溶区地下水资源论证相比，北方岩溶区区域水资源状况及其开发利用 分析范围确定难度更大。 ( 2 ) 水源论证范围难以确定北方岩溶较南方岩溶发育不够强烈，缺 少典型的岩溶峰丛注地和峰林平原，因此北方岩溶水多是裂隙岩溶水，且 表现为潜水和承压水。可溶性岩层出露的地区( 如山东省济南市部分地 区) ，岩溶水常是潜水，由于岩溶发育不均匀，岩溶潜水分布亦不均匀， 特点是水量丰富而集中但富水程度不均、与地表水联系密切和具有较大的 动态变化幅度；在可溶性岩层与非可溶性岩层相互成层的地区( 如山东省 济宁市大部分地区) ，则主要是层状岩溶承压水，特点是水量大但纵向含 水不均匀。因此，若拟取用的岩溶水源表现为潜水形式，其水源论证范围 的确定工作较之非岩溶水、南方岩溶区地下水资源论证难度较大。 6 山东农业大学硕士学位论文 ( 3 ) 取退水影响论证范围难以确定在确定取退水影响论证范围时， 要考虑影响论证与水源论证范围的协调性、岩溶水资源与影响范围内其他 形式水资源开发利用的协调性问题，考虑受影响水域水功能区划、水功能 和水生态现状与保护目标、已有的取用岩溶水和入河排污设施、现有水文 和水质资料条件等因素，且由于取水和退水的区域不同( 取水在岩溶区， 但为了保护岩溶水资源，退水区域大都在岩溶区外与岩溶水系统水力联系 较弱的地区) ，论证范围更难确定。 1 1 4 2 区域水文地质参数难以推求由上文分析可知，水源论证范围难以 确定，显然该区域的区域水文地质参数难以推求；即使水源论证范围已确 定，当岩溶水表现为潜水时，此时的岩溶发育不均匀，水文地质条件复杂， 利用单井抽水试验推求区域水文地质参数时，选取代表性抽水井难度较 大，推求结果误差较大；当岩溶水表现为承压水时，可溶性岩层与非可溶 性岩层相互交错成层，出现多个相对隔水层，且分布不均匀，区域整体越 流系数难以利用单井抽水试验推求。综上所述，北方岩溶区区域水文地质 参数难以利用传统方法确定，必须研究更适用于北方岩溶区的推求区域水 文地质参数的新方法。 1 1 4 3 更加注重数值模拟理论的运用北方岩溶水系统的补给、排泄过程 较非岩溶水及南方岩溶水系统复杂，单纯运用水量均衡法评价可开采量难 以达到精度要求。 北方岩溶水系统动态变化较南方岩溶水系统小，与多年降雨补给有 关。据研究，仅个别岩溶水系统的流量与前1 2 年降水有关，一般与前 3 - - 5 年降水有关，少数达5 7 年。岩溶水动态与降水关系相吻合，有年 内、年际的周期性丰枯变化。年内泉水不稳定系数通常在1 5 以内，年际 不稳定系数一般为2 - 3 ，个别达到5 左右。水文过程线与年降水量曲线 呈季节或多年的周期性变化，峰现时间有明显的滞后效应。根据以上特点， 单纯运用开采试验法评价可开采量没有考虑到前期降雨对现在的影响，难 以反映岩溶区年内、年际的周期性丰枯变化情况，所得结果过于保守。 因此，要更加注重数值模拟在岩溶水可开采量评价中的应用，通过模 拟岩溶区补给、排泄过程和岩溶水系统开采条件下多年的动态变化，来评 价岩溶水可开采量，并综合水量均衡法与开采试验法得到最终结果。 7 北方岩溶区建设项目地下水资源论证模式研究 1 1 4 4 开采井位的确定更加注重水质因素分析目前，北方岩溶区环境地 质不断恶化，建设项目取用岩溶水的审批工作越发严格，取用水量较大的 建设项目中，只有密切关系到国计民生的生活用水及工业用水才在审批之 列，这些生活用水及工业用水项目绝大部分对取用水的水质有着严格的要 求，因此在确定开采井位时，不但要考虑备选开采井的出水量因素，而且 要更加注重考虑其水质因素。 由此可见，北方岩溶区建设项目地下水资源论证的特点主要体现在取 水水源论证方面，所以该文将着重围绕该部分展开研究。 1 1 5 国内外研究现状 针对北方岩溶区建设项目地下水资源论证的特点，调查国内外研究现 状。 1 1 5 1 国外研究现状及评价 ( 1 ) 国外研究现状目前国外对岩溶水资源论证的研究主要体现在对 岩溶水资源的评价和开采方法研究上。 1 ) 岩溶水资源的评价方法研究首先利用物探方法确定岩溶水的储存 范围( 如德国科学家b g r 运用多电极地电探测、地面穿透雷达、地面核 磁共振方法综合确定岩溶水平面和空间储存范围( 王字，2 0 0 5 ) ) ；再利 用数值模拟技术对岩溶水资源在不同开采方案下进行水位和流量的预报， 根据约束条件得出岩溶水可开采量评价结果( t h e r r i e n ，2 0 0 1 ；n e v i l l e ， 2 0 0 4 ：r i c h a r d ，2 0 0 5 ) 。 目前的数值模拟法，主要包含了有限差分法和有限单元法( r u b i n ， 1 9 9 0 ：w a l s h ，1 9 9 3 ：w i l t ，1 9 9 4 ：h y n d m a n ，1 9 9 4 ：n e k u t ，l e e ，1 9 9 5 ： 1 9 9 4 ：r e c t o r ，1 9 9 5 ：a l u m b a u g h ，1 9 9 7 ：t i c h e l a a r ，1 9 9 7 ：v a s c o ，1 9 9 7 ： s m i t h ，1 9 9 9 ：k a r a s a k i ，2 0 0 0 ) 。利用有限差分法制作的软件主要包括美 国地质调查局的m o d f l o w ( 郭卫星，1 9 9 9 ，a n o n ，2 0 0 0 ) ，加拿大 w a t e r l o o 水文地质公司的v i s u a lm o d f l o w ( 武强，1 9 9 9 ：p a r l d a t t r s t ， 1 9 9 9 ：a n o n ，2 0 0 0 ) ，由美国杨百翰大学( b r i g h a my o u n gu n i v e r s i t y ) 与美国陆军工程兵团水道实验站( w e s ) 共同开发研制的系统软件g m s ( 魏林宏，2 0 0 0 ；a n o n ，2 0 0 0 ) 等：利用有限元法制作的软件较为典型 的是德国w a s y 水资源规划和系统研究所开发的f e f l o w ( 贺国平， 8 山东农业大学硕士学位论文 2 0 0 3 ) ，此外还有本文案例分析中应用的由冰岛大学研制的a q u a 3 d ( 李 斌，2 0 0 7 ) 。 2 ) 开采方法研究国外岩溶水的开发方式，过去以钻井取水为主，实 行就地分散供水，本世纪以来，开发方式已经逐渐演变为以泉为水源( 王 宇，2 0 0 5 ) ，建设水厂，集中布设管网供水为主，仅在部分边远的地区仍 保留着部分分散供水井。， 、 ( 2 ) 评价在岩溶水资源的评价方法研究方面，国外研究者将物探技 术和计算机技术运用在岩溶水资源评价上，节省了人力和时间，且考虑到 了水源地投产后岩溶水系统的变化，是一种动态的评价( 钱家忠，2 0 0 3 ) ， 该方法代表了今后岩溶水资源评价的发展方向。但该方法也存在着一些弱 点，如：仅仅依靠物探技术确定岩溶水储存范围，没有充分考虑实际水文 地质条件，不易弄清岩溶水补排关系；单利用数值模拟法进行岩溶水资源 评价，没有其他方法作为参照，易出现“异参同效”现象，造成评价结果失 真。 在开采方法研究方面，国外按泉域统一规划和集中开发的方法( 李宾， 2 0 0 7 ) ，充分考虑了岩溶水系统各单元间的水力联系，更有利于岩溶水资 源的可持续利用。 1 1 5 2 国内研究现状及评价 ( 1 ) “三个范围 确定方法的研究现状及评价目前，人们按照建 设项目水资源论证导则中有关地下水方面的规定进行“三个范围”的确定 工作，这些规定是对所有形式地下水总体考虑而做出的，没有充分考虑北 方岩溶区水文地质特点( 王文生，2 0 0 4 ) 、以及与行政区划相衔接的问题， 导致不能与现有成果及资料相衔接，难以进行水量平衡分析的后果。 ( 2 ) 优选抽水试验抽水孔与观测孔井位的研究现状及评价在选取抽 水孔井位的研究方面，林洪孝建立了优选抽水孔井位的多目标多层次系统 模糊决策模型( 林洪孝，1 9 9 8 ) ，避免了选取的主观性；但在选取观测孔 井位研究方面进展不大，目前只能通过定性分析来选取，缺乏决策的可操 作性和客观合理性。 ( 3 ) 区域水文地质参数推求方法研究现状及评价目前国内多倾向于 利用代表性单井抽水试验资料推求区域水文地质参数( 钱家忠，2 0 0 3 ) 和 9 北方岩溶区建设项目地下水资源论证模式研究 利用数值模拟法反推整个区域不同单元内的水文地质参数，再利用面积加 权法求得区域水文地质参数这两种方法。由上文分析可知，利用单井抽水 试验法推求，不符合北方岩溶区水文地质特点；单纯利用数值模拟法推求， 易产生异参同效”现象，使得推求结果不准确。 ( 4 ) 可开采量评价方法研究现状及评价目前国内主要致力于利用数 值模拟法进行可开采量评价的研究工作，有利于提高可开采量评价结果的 准确性( 朱学愚，2 0 0 0 ；束龙仓，2 0 0 3 ) 。 一 ( 5 ) 开采井位确定方法研究现状及评价目前，主要通过分析抽水试 验资料来确定开采井位置，注重了开采量的保证程度，而对此位置水质分 析却仅限于现状分析，没有充分考虑岩溶水化学特征影响因素及变化机 理，没有对开采后此位置局地水质变化做出详细预测，使得随着水源地的 开采利用，增加了取水水质不达标的风险程度( 刘志峰，2 0 0 7 ) ； 所以，很有必要研究北方岩溶区建设项目地下水资源论证与与菲岩溶 水、南方岩溶区地下水资源论证的不同之处，并且重点研究这些不同之处 的分析计算和论证方法，建立一套更适用于北方岩溶区的建设项目地下水 资源论证模式。 1 2 主要研究内容、目标、方法、技术路线、创新点、意 义 1 2 1 研究内容 针对北方岩溶区独特的水文地质条件和该区建设项目地下水资源论 证的特点，研究与非岩溶水以及南方岩溶区地下水资源论证不同之处的分 析计算和论证方法，即：区域水文地质参数系统模糊层次决策模型法、可 开采量评价法及方案比选以及确定开采井位的关键技术，最终形成北方岩 溶区建设项目地下水资源论证模式。 1 2 1 1 区域水文地质参数系统模糊层次决策模型法在研究建设项目水 资源论证导则基础上，综合考虑北方岩溶区水文地质特点、行政区划、 水功能区划等多方面因素，研究北方岩溶区建设项目地下水资源论证之区 域水资源状况及其开发利用分析范围、水源论证范围和取退水影响论证范 围确定方法，将得到的水源论证范围确定为区域范围；研究井群概化改进 1 0 山东农业大学硕士学位论文 法，确定主抽水孔位置；建立多目标多层次系统模糊决策模型，优选群井 抽水试验的最佳观测孔井位：运