水资源利用与保护

课程名称：水资源利用与保护

使用教材：水资源利用与保护

主编：李广贺出版社：中国建筑工业出版社出版时间：2002

专业班级：0402201-2

授课时数：总24课时；实践0课时；其他：2课时

授课教师：李黎武

授课时间：2010学年度第上学期

主要参考文献：

1、中国城市水资源可持续利用，钱易主编，清华大学出版社，20()2年

2、水资源利用工程与保护，李广贺主编，清华大学出版社，1998年

3、流域水资源管理，阮本清等著，水利出版社，2001年

4、城市水资源与水环境，许有鹏著，2001,

5、水利学报

6、水科学进展

7、JournalWaterResourcesPlanningandManagement

课题：绪论

目的要求：掌握水资源的根本含义、特性；

了解水资源研究现状与开展趋势和本课程的主要内容。

教学重点：掌握水资源的根本含义、特性；

资源研究现状与开展趋势；给水排水工程专业学习本课程的目的与意义。

教学课时：2h

教学方法：课堂教学

教学内容与步骤：

第1章绪论

1、水资源的根本含义

水资源(WaterResources)：

■美国地质调查局，1984年设水资源处，范围是地表河川径流和地下水。

■《大不列颠大百科全书》：全部自然界任何形态的水。广义概念

■UNESCO和WT0定义：可以利用或有可能被利用的。狭义概念

《中华人民共和国水法》将水资源认定为“特定时空下可利用的水，是可再利用

资源，不管其质与量，水的可利用性是有限制条件的”

■目前，人们将水资源通常理解为某一区域内可以逐年恢复的淡水数量，其中包括

水质和水量两个局部。水资源量中包含地表水资源和地下水资源两个局部，地表水资源通

常用该地区河川径流量表示，其数量和特征反映了这一地区地表水资源特征，而地下水资

源那么主要是用可以动态更新的浅层地下水资源量来反映。

2、水资源的特性

2.1资源的循环性

2.2储量的有限性

2.3时空分布的不均匀性

2.4利用的多样性

2.5利、害的两重性

3、水资源研究现状与开展趋势

3.1水资源，模拟与模型化：

水资源系统的状态与运行的模型模拟：水资源的信息系统分析、供水工程优化调度、水

资源系统的优化管理与规划。

3.2水资源系统分析多目标化：

(1)在水资源规划过程中，规划问题的特点：

多目标性、多任务性，

(2)解决问题的方法

应用线性规划、动态规划、系统分析的理论。

3.3水资源信息管理系统：

工具：GIS系统，用于水资源的管理与优化调度、水资源状况评价等。

水资源信息管理系统的建立和运行，提高了水资源研究的层次和水平，加速了水资源合

理开发利用和科学管理的进程，成为水资源研究与管理的重要技术支柱。

3.4水环境理论与技术的先进性：

人类大规模的经济和社会活动一一环境和生态一一自然界水资源的变化。例如节水、污

水再生回用、水体污染控制与修复的现代理论与技术的研究取得了显著进展。

4、城市水资源问题及解决途径

4.1城市水系统

包括综合水源（地表水，地下水，雨水等）、供水系统（净水厂、供水管网）、用水系统（家

庭用水、工业用水、生态用水）、排水系统（废水管网、雨水管网、废水处理厂）、水的回用

系统（循环水、回收利用水、雨水贮存和利用）以及相关的废水排放受纳水体。

图中实线局部表示传统的城市水系统的循环，属于单向流动，新鲜水从水源流向供水

系统，然后经城市供水管网流向用户，用户排出的污水经污水排放系统进入受纳水体。从

这个循环可以看出，绝大局部的水在使用之后直接处理和排回自然水体，水资源利用效率

非常低。自然界降水没有有效利用而直接排放。对于我国北方缺水地区来说，雨水是很珍

贵的可用水源，提高雨水的利用效率能有效缓解缺水问题。图中虚线局部对用水系统产生

的废水进行梯级利用、循环使用和处理后回用，对雨水进行贮存、处理和利用，提高了水

资源的利用效率.

水在城市系统中具有五大主要功能角色:水是城市生存和开展的必需品和最大消费品，

是污染物传输和转化的根本载体，是维持城市区域生态平衡的物质根底，是城市景观和文

化的组成局部，是城市平安的风险来源。城市水系统的良性循环是实现水资源可持续利用

和城市可持续开展的重要保障。因此城市水系统的规划具有非常重要的作用

4.1城市水资源问题

城市水资源问题的研究主要是城市水资源的开发利用与保护的研究。

涉及内容有根底水文规律研究、城市水环境保护研究、城市排水和防洪减灾研究。它

涉及自然、社会经济以及生态环境等多个学科，需要加以综合分析研究。主要有：

（1）城市防洪问题。洪水是短时段发生的较大径流，由于城市工业和人民生命财

产高度集中，同样等级的洪水在城市区造成的灾害损失是非常巨大的。开展城市防洪减灾

研究意义重大。同时洪水也是一种资源，在水资源紧缺地区，在条件许可时也可考虑向地

下水回灌，洼地蓄水等措施来储存一局部水量，以便使洪水减少到最小。

（2）城市供水问题城市需水量的增加，原有的供水水源和供水设施已不能满足要求,

必须寻找新水源，改良供水设施并进行地表水地下水联合调度，假设有必要，还要探讨跨

流域调水途径，以解决城市供水缺乏的矛盾。

（3）城市排水问题城市排水系统的状况直接影响到城市的正常运行。在雨季城市涝

课题：水资源的开发利用状况

目的要求：了解地球水量储存与循环；了解水量平衡的根本概念及平衡公式；了解全球水

资源概况及开发利用现状；掌握中国水资源概况及开发利用现状、供水水源的选择原那么

及方法。

教学重点：1、水资源的开发利用现状分析方法；

2、水量平衡方法；

3、供水水源的选择原那么及方法。

教学课时：4h

教学方法：课堂教学

教学内容与步骤：

第1节地球水量储存与循环

1、地球水储量与分布

1.1地球水储量及分布

(1)总水量及分布——13.86亿km3,

海洋水体——13.38亿kn?,占96.5%,水圈面积3.61亿kn?,含盐量35g/L

陆地水体——0.48亿km\占3.5%,水圈面积3.61亿kn?,其中淡水为0.35亿km)占

陆地水储量的73%.

(2)陆地淡水

不可利用----冰川、多年积雪、两极和多年冰土中，0.24亿kn?,占69.6%

可利用一一600m深度以内的含水层、湖泊、河流、土壤中,0.10.65亿kn?,占30.4%

(3)淡水资源的分布

世界上水资源最丰富的大洲一一南美洲，其中尤以赤道地区水资源最为丰富。相反，热

带和亚热带地区差不多只有陆地水资源总量的1%。

1.2结论

(1)可供人类利用的水资源是极为有限的一一节约水资源；

(2)水资源是地区的开展的制约因素；

(3)水资源的分布不均匀一一优化配置。

2、地球上水循环

地球上的水储量只是在某瞬间储存在地球上不同空间位置上水的体积，以此来衡量不

同类型水体之间量的多少。在自然界中，水体并非静止不动，而是处在不断的运动过程中,

不断地循环、交替与更新，因此在衡量地球上水储量时，更注意其时空性和变动性。

2.1大循环一水在大气圈、水圈、岩石圈之间的循环过程

具体表现为：海洋中的水蒸发到大气中以后，一局部飘移到大陆上空形成积云，然后以

降水的形式降落到地面。降落到地面的水，其中一局部形成地表径流，通过江河汇流入海

洋；另一局部那么渗入地下形成地下水，又以地下径流或泉流的形式慢慢地注入江河或海

洋。

2.2小循环一陆地或者海洋本身的水单独进行循环的过程。

陆地上的水，通过蒸发作用(包括江、河、湖、水库等水面蒸发、潜水蒸发、陆面蒸发

及植物蒸腾等)上升到大气中形成积云，然后以降水的形式降落到陆地外表形成径流。

海洋本身的水循环主要是海水通过蒸发成水蒸气而上升，然后再以降水的方式降落到海

洋中。

参与全球动态平衡的循环水量占全球水储量的0.049%o

23水的社会循环

取水一一工业、农业、生活用水一一排水一一水体

24水的自然循环的作用

(1)输送热量和调节气候的作用；

(2)淡水资源的不断再生提供条件，有利于开采利用；

(3)影响地貌的形成。

2.5水的更替周期〔T〕——在补给停止的条件下，各类水从水体中排干所需要的时间。

(1)估算公式：

式中：T一水的更替周期；

q⑴——单位时间内水体中参与循环的水量；

Q(t)---某一时刻水体中储存的水量。

(2)公式说明

T越小说明水越活泼，有利于开发利用。

冰川、深层地下水和海洋水的更替周期很长，一般都在千年以上。河水更替16天左右。

在各种水体中，以大气水、河川水和上壤水最为活泼。周期较短，平均因此在开发利用水

资源过程中，应该充分考虑不同水体的更替周期和活泼程度，合理开发，以防止由于更替

周期长或补给不及时，造成水资源的枯竭。

3、水量平衡

——从全球角度来认识水的自然循环过程，其总水量是平衡的。

一一仟一区域在一定时间内，进入的水量与输出水量之差等于该区域内的蓄水变化量，

这一关系称为水量平衡。是质量守恒定律在水文循环中的特定表现形式

——进行水量平衡的研究，有助于了解水循环各要素的数量关系，估计地区水资源数量,

以及分析水循环各要素之间的相互转化关系，确定水资源的合理利用量。

3.1全球水量平衡

假设以地球陆地作为研究范围，其水量平衡方程为：

式中：EL----陆地蒸发量；

PL——陆地降水量；

R一一入海径流量；

DS,.陆—地研究时段内蓄水量的变量。

在短时期内，时段蓄水量的变量DS,‘可正可负。当观测年数趋近无穷大时，DSL的累计

和接近于零。因此，多年平均水量平衡方程式为：

陆地：EL=PL-R

海洋：E,=P„+R

全球：瓦+瓦=2+2

3.2流域水量平衡

根据水量平衡原理，对于非闭合流域，即地下分水线与地面分水线不相重合的流域，可

列出如下水量平衡方程式：

式中：P——降水量时段内区域的降水量；

心七一一时段内的水蒸气凝结量和蒸发量；

Rh,R」一一时段内地面径流和地下径流流入量;

此K时段内地面径流和地下径流流出量；

S[$——时段初和时段末的蓄水量。

E=E2-耳令代表净蒸发量，那么上式成为：

对于闭合流域：令居=&+Rd-=&+%，

R=R2-RitDS=S2・£有

第2节全球水资源

人类对水资源的开发利用的认识过程。

古代一一努力适应水环境变化，力图到达趋利避害、增利减害的目的；

近代一一兴利除害，追求对水资源进行多目标开发；

现代一一对水资源的利用进入了密切协调社会与自然关系的阶段，更加注意社会、经济

效益和生态平衡，以期获得最大的综合效益。

1、全球水资源开发利用状况

在过去300年，人类用水量增加35倍，近几十年，取水量年递增4%〜8%,开展中国家

增幅大，工业化国家趋于稳定。稳定。

由于世界各地人口、社会经济开展及水资源数量的差异性，人均年用水量地区性差异较

大，兴旺地区（如北美）的人均年用水总量高达17003800】/,是开展中地区和工农业落

后地区（如亚洲、非洲）的3倍~8倍。

1.1农业用水

农业用水一直占全部用水量2/3以上。不同自然条件、不同作物组成、不同的灌溉方式,

用水量的差异十分显著。随着灌溉面积的增加，用水量大幅度增加。而灌溉方式的改变，

在一定程度上降低了农田灌溉水量。

1.2工业用水

工业用水是全球水资源利用的一个重要组成局部。工业用水取水量约为全球1/4左右。

工业用水的组成是十分复杂的，用水量的多少取决于各类总取水量的工业的生产方式、用

水管理、设备水平和自然条件等，同时取决于各国的工业化水平。

兴旺国家一一80年代初呈现零增长状态。而工业用水回收利用率持续提高。

开展中国家一一随着工业化进程加快，工业用水量还有较大的增长空间。

1.2生活用水

年居民生活用水是随着人口的增加和生活水平的提高而增加。尤其是生活水平的提高对

水资源的数量和质量均具有较高的要求。总体说来，全球的生活用水量仅占全球总用水量

的8%左右。对用水总量零增长趋势影响不大。

2、全球水资源面临问题

根据地球水储量与分布，人类可利用的淡水资源是有限的水资源也很难再分配，巴西、

俄罗斯、中国、加个家已经占去了这些拿大、印度尼西亚、美国、印度、哥伦比亚和扎伊

尔等。从未来的开展趋势看，由于社会对水的需求不断增加，而自然界水资源的所能提供

的可利用的水资源又有一定限度，突出的供需矛盾使水资源已成为国民经济开展的重要制

约因素，主要表现在：

21、水量短缺严重，供需矛盾锋利

随着社会需水量的大幅度增加，水资源供需矛盾日益突出，水资源量短缺现象非常严重。

全球已有1/4的人口面临着一场为得到足够的饮用水、灌溉用水和工业用水；

2050年预测有2/3的人口面临着严重缺水的局面。

22、水源污染严重，“水质型缺水”突出

随着经济、技术和城市化的开展，排放到环境中的污水量日益增多。据统计，目前全世

界每年约有420多kn?污水排入江河湖海，污染了5500101?的淡水，约占全球径流总量的

14%以上。由于人口的增加和工业的开展，排出的污水量将日益增加。污、废水根本不经

处理即排入地表水体，造成全世界的水质日趋恶化。

卫生学家估计，目前世界上有1/3人口患病是由水污染引起的。据不完全统计，开展中

国家每年有250()万人死于饮用不洁净的水，占所有开展中国家死亡人数的1/3。

23、全球水资源开发利用趋势

(1)农业用水量及农业用水中不可复原的水量最高。

图中可见，农业用水量在总用水量中所占的比例在逐年降低，但农业用水量基数大，仍

然是当今相当长一段时间内的水资源开发利用大户。尤为重要的是，农业用水的不可恢

复水量占用水量的比例又远远大于工业和生活用水的不可恢复水量的比例。

结论：农业用水方式和节水措施将是克服水资源短缺的重要方面，而且节水的潜力巨大。

(2)工业用水由于不可恢复的水量最低，将更加重视提高工业用水技术，降

低用水定额，加大节水力度，大幅度提高用水重复利用率。

(2)水资源的开发将更为重视经济、环境与生态的良性协调开展。

由过去只单一强调最大限度获取天然径流量，无视水资源开发过程中可能引发的环境与

生态灾害，将更为重视水资源的合理分配与调度，“开源与节流”并重，优先开展污水再生

回用，实现水资源的合理开发，永续利用。

3、中国水资源

31中国水资源量概况

根据《中国水资源公报1997》，我国淡水资源相比照较丰富，属于丰水国家。但我国人

口基数和耕地面积基数大，人均和每公顷平均经济量相对要小，相当于世界平均水平的1/4,

处于严重的缺水边缘。

其中天津、上海、宁夏、北京、河北、河南、山东、山西、江苏、辽宁等十个省市区人

的水量低于生存起码线。

32中国水资源时空分布特征

我国的水资源特征主要表现为时空变化极大，分布极不均匀。

3.2.1空间分布特征

(1)降水、河流分布的不均匀性

我国水资源空间分布的特征主要表现为：降水和河川径流的地区分布不均匀，水土资源

组合很不平衡。一个地区水资源的丰富程度主要取决于降水量的多寡。根据降水量空间的

丰度和径流深度可将全国地域分为五个不同水量级的化流地带。

我国河流的主要径流量分布在东南和中南地区，与降水量的分布具有高度一致性。说明

河流径流量与降水量之间的密切关系。

(2)地下水资源分布的不均匀性

地形、降水的分布的地域差异性，使我国不仅在地表水资源上表现为南多北少的局面，

而且地下水资源仍具有南方丰富、北方贫乏的特征。

3.2.2时间分布特征

我国的水资源不仅在地域上分布很不均匀。而且在时间分配上也很不均匀，无论年际或

年内分配都是如此。

我国大局部地区受季风影响明显，降水年内分配不均匀，年际变化大，枯水年和丰水年

连续发生。许多河流发生过3~8年的连丰、连枯期，如黄河在1922~1932年连续11年枯

水，1943〜1952年连续9年丰水。

以黄河为例。黄河源区地表水资源的

年际变化从1955〜2005年黄河沿年平均流量

变化可见

•黄河沿年平均流量总体上呈现出明

显的逐年减少趋势，其气候倾向率达-1.9

1955-2005年黄河沿历年平均流址年际变化曲线

.Curvesofinterannualvariationibrmeanannualdischargem3/s/10ao

atHuanghcyanHydrologicalStationin1955-2005

♦但就年际变化而言，其丰枯变化十分

频繁，1955~2005年的51年中至少出现了5〜6次丰枯转换，功率谱分析得出年平均流量存

在14年的显著性周期。假设以流量距平百分率的绝对值(20%为正常年，距平百分率＞20%

和＜-20%分别为丰水年和枯水年，那么51年当中黄河源区年平均流量丰水年出现了16年,

而枯水年那么为29年，正常年仅为6年，枯水年为丰水年的1.8倍，尤其是20世纪90年代

以来的15年中枯水年出现了1年，丰水年仅为1年。在51年中有1961、1980、2000、2001

和2004年黄河源出现了短时断流，20世纪90年代以来断流次数占总次数的60%,同样表

现得较为突出。

•图中多项式拟合的趋势也反映出20世纪90年代以来年平均流量的显著减少趋势。

分析黄河源区四季平均流量的变化趋势得出其气候倾向率分别为:冬季-1.292m3/s/10a,春季

-0.925m3/s/10a,夏季・1.5751113/5/10'秋季-4.217m3/s/10a,可见四季平均流量均出现了一致

的减少趋势，并以秋季减幅最为明显,且显著性水平最高，这一特点与黄河上游年平均流量

的季节变化特点是相似的。

结论:

(1)我国水资源在地域上和时间上分配不均匀，造成有些地方或某一时间内水资源充

裕，而另一些地方或时间内水资源贫乏。因此，在水资源开发利用、管理与规划中，水资

源的时空的再分配将成为克服我国水资源分布不均、灾害频繁状况，实现水资源最大限度

有效利用的关键内容之一。

(2)我国降水量年内分配的极不均匀性以及水资源合理开发利用的难度，充分说明我

国地表水和地下水资源统一管理、联合调度的重要性和迫切性。

4、中国水资源开发利用

据1997年水利部对全国用水量调查结果km3

总用水量：556.6

农业工业生活

392.70.4%112.120.2%52.59.4%

与兴旺国家相比，我国工业和城市生活用水所占的比例较低，农业用水占的比例过大。

随着工业化、城市化的开展及用水结构的调整，工业和城市生活用水所占的比例将会进一

步的提高。

41农业用水

农业是我国用水大户，占总用水的比重较高。农业用水主要包括农田、林业、牧业的灌

溉用水及水产养殖业、农村工副业和人畜生活等用水。农田灌溉用水是农业的主要用水和

耗水对象，占90%以上。

4.2工业和生活用水

近20年来，我国工业和生活用水量具有显著的提高，所占总用水量的比例有大幅度的

增加。

工业化国家的工业与生活用水量占5()%以上。(预测与计算较困难)

我国人均日用水量为114L,但不同区域和不同城方的生活用水量差异较大。城镇居民

生活日用水量略有增加。

地下水在我国城镇生活用水中占据重要的不可替代的地位。

5、中国水资源面临主要问题

5.1面临主要问题

(1)水资源开发过度，生态破坏严重

人口的增加，经济的开展，工农业生产与城市生活对水资源的需求逐年在增加。由此，

迨成水资源的开发程度偏高，局部地区超过水资源的最大允许开发限度。伴随而至的环境

与生态恶化愈发严重。

(2)城市供水集中，供需矛盾锋利

在城市地区，工业和人口集中，供水地点范围有限，常年持续供水，同时要求供水保证

率高。随着城市和工业的迅猛开展，大中城市供需矛盾日趋锋利。中国666座城市中，缺

水城市就达333座，其中严重缺水106座，主要集中在北方。原因：

■水资源分布与人口、土地分布的极不平衡;

■工农业开展迅速，人口成倍增长，人类对水的需求量超出可供的水资源量；

■天然存在的劣质水体，以及水资源污染所造成的污染水体所占资源的比例较高，造

成严重的“水质型”缺水；

■水资源开发利用不合理，水资源利用效率低下，水浪费现象十分普遍，在不兴旺或

欠兴旺地区尤为如此。

(3)地下水过量开采，环境地质问题突出

•区域地下水位持续下降，降落漏斗面积不断扩大。

•泉水流量衰减或断流

•地面沉降。

超量集中开采深层地下水造成水位大幅度下降后，多孔介质释水土层压密，导致了地面

沉降，如北方的天津、北京、太原、沧州、邯郸、保定、衡水、德州、许昌等城市，南方

的上海、常州、苏州、无锡、宁波、嘉兴、阜阳、南昌、湛江等20多个城市。地面沉降

造成城市雨后地面积水、建筑物破坏等严重危害。

•由于超量开采地下水，造成水位大幅下降，地面失衡，在覆盖型岩溶水

•源地和矿区产生地面塌陷。

•海水入侵。

沿海城市和地区在滨海含水层中超量开采地下水，造成海水入侵含水层、地下水水质恶

化及矿化度和氯离了•浓度增加，如辽宁省大连市、锦西市，河北省秦皇岛市，山东省莱州

湾、青岛市、烟台市，福建厦门市等地。海水入侵破坏了地下淡水资源，加剧了沿海地区

水资源紧张的局面。

(4)水资源污染严重、水环境日益恶化

■点源污染

全国污废水年排放量370多亿nf,约85%未经处理，直接排入江河或渗入地下，使流

经城市的河流两岸受到污染的纳污河流各项污染物平均值不同程度超标。

■面源污染

一是我国有机氯农药使得农业区面源污染日趋严重。二是乡镇企业生活污水和工业废水

的大量排放，构成了我国水体的另一个重要污染源。

(5)水资源开发利用缺乏统筹规划和有效管理

目前，对地下水与地表水、上游与下游、城市工业用水与农业灌溉用水、城市和工业规

划布局及水资源条件等尚缺乏合理综合规划。地下水开发利用的监督管理工作薄弱，地下

水和地质环境监测系统不健全。

措施：水资源数量与质量的正确评价，供需平衡的合理分析、水资源开发利用工程的合

理布局、节水技术与措施的有效实施，实现防止、控制和治理水污染，缓解水资源短缺的

压力，实现水资源的有效保护、持续利用和良性循环。

5.2从可持续性的角度，城市水系统规划应遵循以下准那么

■实现水的可持续及有效利用

■尽量提高水利用效率，例如节约用水、雨水利用、废水回用等

■保障公共卫生和平安，例如饮用水平安、防洪抗灾等

■具有本钱效益和社会可接受

■减轻和防止环境污染

■尽量减少自然资源使用（水、能量、物质）

■水系统设施要稳定可靠并可适应未来长期的开展

Lundin等人提出的城市水系统可持续开展指标

环境技术系统尺度推荐指标单位

取水年取水量/年可用水量%

水源水质磷浓度mgL-'

水源保护受保护的水源比例%

用水人均日用水量rrPcapTd"

饮用水处理要求处理的程度Wcap-1

供水泄漏率（实际供水量/产水量%

饮用水

供水距离水源到水厂的距离m

水质大肠杆菌数No

水的再利用回用水量/总用水量%

废水的产生废水的日产量m^cap'd-1

废水收集系统废水的产量/用水量%

处理能力B0D5、磷和氮的排放浓度mgL/

废水

受纳水体负荷B0D5、磷和氮的浓度kg

废水处理中资源使用去除单位磷的化学药剂用量kg(kgp)d

废水处理能量使用量去除单位BOD＞的化学药剂用量kgcap'y_1

污泥处置/再利用污泥处置或再利用的数量kgcap''y'1

污泥营养物质循环再用磷和氮的循环量/污泥中磷和氮%

的总量

污泥质量污泥上的镉含量mgCdkg-1

能源再利用热能和电能的再利用Wcap-1

污泥运输分散营养物质所需的运输距离m

第3章水资源量评价

误题：水资源量评价

目的要求：掌握河流径流计算，以及地表水资源量评价方法和地下水资源量评价方法。

教学重点：地表水资源量评价方法

地下水资源量评价方法

教学课时：6h

教学方法：课堂教学，讨论水资源的形成、影响因素及变化，讲解水资源量评价方法。

教学内容与步骤：

水资源评价是保证水资源持续开展的前提，是水资源开发利用的根底。水资源评价包

括水资源数量评价、水资源质量评价和水资源利用评价及综合评价。

水资源数量评价是水资源评价的重要组成局部，通过水资源数量评价可以确定可利用

的水资源的数量，因此水资源评价是水资源开发利用与管理的重要依据。

水资源评价的原那么：遵循地表水与地下水统一评价、水量水质并重、水资源可持续

利用与社会经济开展和生态环境保护相协调的原那么，客观、科学、系统、实用地对水资

源进行评价。

43.1水资源的形成

1、地表水资源的形成与类型

地表水为河流、冰川、湖泊、沼泽等水体的总称。

决定区域水资源状态的三要素：降水、径流和蒸发等。

1.1降水

降水作为水资源的收入项，决定着不同区域和时间条件下地表水资源的丰富程度和

空间分布状态，制约着水资源的可利用程度与数量。正如前述，我国的降水主要表现为时

空分布的极端不均匀性。降水量的年际变化程度常用年降水量的极值比或年降水量的变

差系数值来表示。年降水量的极值比

(1)年降水量的极值比尤：幺=』

式中：与ax一一年最大降雨量；

xinin-----年最小降雨量；

说明：尤值越小，降水量年际变化小，水资源年度分布均匀，有利于水资源的开发利用；

(值越大，降水量年际变化越大，容易造成水害，如旱、涝灾害。

(2)年降水量变差系数g

变差系数(离差系数或离势系数)一一数理统计中用均方差与均值之比作为衡量系列数

据相对离散程度的参数，变差系数为一无量纲的数。

B、均方差d

式中：d——均方差；

X----均值，x=—

C、变差系数q.

年降水量变差系数g值越大，表示年降水量的年际变化越大，反之就越小。

1.2、径流

1.2.1河流径流的补给

河流径流的水情和年内分配主要取决于补给来源。我国河流的补给可分为雨水补给、地

下水补给和积雪、冰川融水补给。

(1)雨水补给

雨水补给是指降水以雨水形式降落，当降雨强度大于土壤入渗强度后产生地表径流，雨

水汇入溪流和江河之中，使河水流量得到补充的过程。我国绝大局部河流补给都以雨水补

给为主。此类河流受降水年际和年内分配的影响明显。

⑵地下水补给

地下水对河川径流的补给是又一种补给类型。从水源上分析，地下水同样来自大气降水

补给，但与降水对河川补给的最大差异在于地下水补给是经过地下水的调节作用后再对河

川径流的补给，这样就使河川径流的水情和季节分配发生了重要变化。据全国水资源评价

时分割基流的分析结果，地下水补给河道的水量约占年径。不同地区由于河道下切深度、

岩性特征、植被等因素的影流总量的响，地下水的补给量差异较大。除此之外，在我国广

西壮族自治区，云南省、贵州省著名的岩溶区，常常有暗河和明流交替出现的情况，这是

种特殊的地下水补给类型。

(3)冰川、融雪水补给

冰川、融雪水补给是指大气降水以固态形式降落到地表后不立即补给河道，在气候变暖、

气温升高时，冰川和积雪融化补给河道的过程。此种补给类型在全国所占比重不大，占9%。

1.2.2、径流的时空分布

(1)径流的区域分布

从全国范围看，年径流深度分伟的总体趋势是由东南向西北递减。

(2)径流量的动态变化

变差系数值c,来表示径流量的动态变化。径流量的年际变化有丰枯交替的特点，连续丰

枯的情况更值得注意。

(3)年径流量的季节变化

径流量的季节变化，关键取决于河川径流补给来源的性质和变化规律。地下水补给来源

的河川径流量的季节变化相比照较小；而以降水作为主要补给来源的我国大局部河流的径

流量的季节变化取决于降水量的变化，相比照较大。

1.2.3河流径流的表示方法

(1)根本概念

河流径流，简称径流一一流域上的降水，除去损失以后，经由地面和地下途径汇入河网，

形成流域出口断面的水流

径流过程一一径流随时间的变化过程。

(2)径流的特征值

流量Q——单位时间内通过河流某一断面的水量，m3/S表示。由实测的各时刻流量可绘

出流量随时间的变化过程Q-t线称流量过程线。

径流总量W(——一定的时段内通过河流过水断面的总水量，单位为n?。

径流深度一一将径流总量平铺在整个流域面积所得的水深，单位为径流深

径流模数一一单位流域面积上产生的流量。

径流系数一一a=-

P

1.3、蒸发

蒸发主要包括水面蒸发和陆面蒸发

(1)水面蒸发主要反映当地的大气蒸发能力。

(2)陆地实际蒸发量一一指某地区或流域内河流、湖泊、塘坝、沼泽等水体蒸发、

土壤蒸发以及植物蒸腾量的总和。

高桥浩一郎公式：陆面蒸发量E是一个依赖于降雨和温度的可计算的量

其中，A,B,C为经验系数,分别为3100,118,3414o该公式是经验公式，但在物理

上考虑了两个影响实际蒸发量的最主要因子，并有实际观测资料作依据，因此能较好地

反映实际蒸发的变化情况。

由英国H.L.彭曼提出的计算蒸发能力(水面蒸发)E0的半经验半理论公式

E0=(A(R/L)+YEa)/(A+y)

其中△=(es-ea)/(Ts-Ta)为饱和水汽压对温度的导数，即在平均气温Ta时饱和水

汽压曲线的斜率，只是温度的函数；

R为辐射平衡，根据英国和瑞典的资料建立经验计算公式

R=Ra11—a)(0.18+0.55n/N)—oTa(0.56—0.092ed)(0.10+0.90n/N)Ra

是天文辐射，a是蒸发面反射率，n/N是日照百分率，。是斯蒂芬-波尔兹曼常数，Ta是

以绝对温度表示的气温；L为蒸发潜热；Y为干湿表常数，数值上等于CpPa/0.622L,Cp

是定压比热，Pa为大气压；Ea为空气枯燥力，它与空气饱和差和道尔顿蒸发风速函数有

关。

(3)干旱指数一一年水面蒸发量/年降水量

2、地下水资源的形成与类型

2.1地下水的形成

(1)岩石的空隙性：空隙类、空隙网络连接形式影响地下水分布及流动。

(2)岩石中水的存在形式

■结合水一一分子引力及静电引力作用，在颗粒外表形成很薄的水膜。

■重力水一一在重力作用下在空隙中自上而下自由运行的水；

■毛细水一一细小空隙中因毛细管作用形成一定上升高度的毛细水带

(3)含水层与隔水层

含水层一一能够透过并给出相当数量水的岩层，

隔水层一一指不具透水和给水能力的岩层。

含水层与隔水层是地下水形成和储存的重要和根本条件。

形成含水层的根本条件为：

■岩层要具有能容纳重力水的空隙

■具有储存和聚集地下水的地质条件

■具有充足的补给来源

(4)地下水的分类

地下水类型概念图

(5)地下水的循环一一补给、径流、排泄决定着含水层或含水系统的水量与水质在空

间和时间上的变化

补给一一大气降水和地表水的渗入，水汽的凝结，人工补给。

排泄一一泉、河流、蒸发、人工排泄

2

地下径流率也称为地下径流模数一一Iknf含水层面积上地下水流量(nf/s•km)o

式中：A一一地下水径流面积，km2

Q------年内在面积A上的地下径流量，n?

2.2地下水运动的特点及其根本规律

(1)地下水运动特征：缓慢的流速、层流和紊流、非稳定、缓变流运动

(2)地下水运动的根本规

■地下水运动的根本规一一达西定律(雷诺数小于1~10)

式中：Q——即单位时间的内渗过砂体的地下水量，m3/d

H2——在渗流途径L长度上上下游过水断面上的水头损失，

L一一渗流途径长度，m；

----渗流的过水断面面积，m2

K一一渗透系数，反映各种岩石透水性能的参数，m/d,

■非线性渗透定律一一谢才公式

自3.2地表水资源量评价

1、水资源的分区

(1)分区原那么

■区域地理环境条件的相似性与差异性

■流域完整性

■考虑行政与经济区划界线

■与其他区划尽可能协调

(2)水资源分区方法

■根据各地气候条件和地质条件分区

■根据天然流域分区

■根据行政区划分区

2、地表水资源量评价的内容

1)单站径流资料统计分析；

2)主要河流年径流量计算：

3)分区地表水资源量计算；

4)地表水资源时空分布特征分析；

5)地表水资源可利用量估算；

6)人类活动对河流径流的影响分析。

3、河流径流计算

3.1河流水文现象的根本特征及计算方法

河流水文现象的根本特征

河流水文现象的影响因素：气象因素和地质、地貌、植被等下垫面因素以及人类活动的

综合影响。

分析方法：对河流水文现象的长期观察和分析研究一一统计分析。

(1)周期性

河流水文现象的周期性是指其在随着时间推移的过程中具有周期变化的特征。如以年为

周期的丰水期、枯水期交替的变化规律。

(2)确定性和随机性

河流水文现象在某个时刻或时段由于其确定的客观原因而表现出确定性的特征。某河流

断面下一个年份的最大流量、最高水位及最小流量、最低水位等数值及其发生时刻是不能

够完全确定的，具有一定的随机性。

(3)区域性

由于气象因素和地理因素具有区域性变化规律，因此，受其影响的河流水文现象在一定

程度上也具有区域性的特征。假设自然地理因素相近似，那么水文现象的变化规律具有近

似性。

河流水文计算的方法

定量或定性的描述河流水文特征的变化规律的根底是进行长期的、系统的观测工作，收

集和掌握充分的河流水文资料，然后根据不同的研究对象和资料条件，采取各种有效的分

析研究方法。

(I)成因分析法

河流在任一时刻所呈现的水文现象都是一定客观因素条件下的必然结果。因分析法就是

通过对观测资料或实验资料的分析，建立某一水文特征值与其影响因素之间的函数关系，

从而预测未来的水文情势。

(2)地理综合法

河流水文现象具有区域性的特征，其变化在区域内的分布具有一定的规律，因此河流水

文观测资料比较少的地区可以借用邻近地区的资料来进行推算。

(3)数理统计法

数理统计法就是根据河流水文现象的随机性特征，运用概率论和数理统计的方法，分析

河流水文特征值系列的统计规律，并进行概率预估，从而得出水资源开发利用工程所需的

设计水文特征值。

河流水文计算的概率与数理统计方法

即用概率论来研究随机现象统计规律，根据随机现象的一局部资料，应用数理统计方法

去研究总表达象的数字特征和规律。

根据观测数据(有几十年)，分析各实测值的出现频率及其抽样误差一一降水和径流现

象的特征值一一反映总体的规律性。但数理统计的结果应予以检验和修正。

.1频率计算

(1)计算步骤—经验频率曲线―

理论频率曲线

外延确定不同频率下水文恃征值

⑵经验频率

(3)计算实例

.2河流水文随机变量的统计参数

(1)均值

-L^Xd加一"2d

(2)变差系数Cy=

反映奈刻在均值两』的对竦程度。

(3)偏差系数一-

式中：K,——模比系数K产土

x

(4)频率与重现期的关系

重现期是指某随机变量的取值在长时期内平均多少年出现一次，又称为多少年

一遇。

1)当为了防洪研究暴雨洪水问题时，一般设计频率小于50%：

2)当考虑保证灌溉、发电及给水等用水建筑物时，设计频率P常大于50%：

3.13.3样本资料要求和资料的审查及插补延展

(1)样本资料要求

■一致性

■代表性

■可靠性

■独立性

(2)资料的审查

寻找规律可循；特大、特小值要注意分析原因；突出点的数值对测站位置和地形影响等

也要进行审查、分析。

(3)资料的插补延展

展延资料的年数不宜过长，最多不超过实测年数；相关曲线外延局部一般不超过实测点

距变幅的30%o

插补延展资料系列经常便用的一种方法是相关分析法。求出年降水和年径流量之间的相

关关系；利用邻近站同期年降水量资料或年径流量资料，相关分析的内容一般包括三个方

面：

①判断变量之间是否存在相关关系，对这种关系的潸切程度进行显著性检验；

②确定变量间的数量关系一一回归方程式；

③根据自变量的值，插补或延展研究变量的值，并对其进行误差估计。

3.1.3.4年径流量分析

(1)年径流量的根本概念

■年径流量

一个年度内通过河流某断面的水量，称为该断面以上流域的年径流量。

■多年平均年径流量

天然河道的径流量随气候不断变化，不同的年份，径流量也不同。为了反映

河流水资源情况，通常利用数理统计方法求出实测各年径流量的均值，称为多年

平均年径流量，或平均年径流量。

■正常年径流量

随着统计实测资料年数的增加，年径流量的均值将趋于一个稳定的数值，此值称为正常

年径流量。代表能最大限度开发利用的地表水资源量，是水文、水力计算中的一个重要

特征值。

■设计年径流量

指定断面对应于设计频率的年径流量。

(2)平均年径流量计算

■资料充分时年径流量的推求——叱二

计算年径流量均值，其误差大小取决于：

①年份值越大，误差越小；。

②河流年径流量的变差系数值的大小。大那么误差可能较大；

③资料总体的代表性。例如资料系列中丰水年份较多，那么计算值就偏大。

(3)资料缺乏时年径流量的推求

如果实测资料系列较短，不到20年，代表性较差，那么需延展的资料系列提高其

代表性。方法有：

①与本站在成因上有密切联系的相邻其他站点的实测年径流量；

②本站或与本站在成因上有密切联系的相邻其他站点的年降水量。

(4)缺乏实测资料情况下年径流量的推求

①等值线图法

②水文比较法

Ro—Rrtf或&=KRp

拟建的山东海阳核电厂拟采用盘石、里店两中型水库作为淡水供水水源，山于盘石、里

店两中型水库没有实测水文资料，但流域附近有龙角山大型水库流域下垫面条件与盘石、

里店两水库相似，降雨特性相似，且有较长系列的径流资料，采用水文比较法计算两水库的天

然年径流量,复原为现状来水量，通过时历法多年调节计算，计算出水库向核电厂的供水量。

为了检验盘石、里店两水库设计枯水年时向核电厂供水的可靠性，对用水文比较法求得的

两水库的天然年径流量序列〔以下简称为样本序列)进行随机过程分析,根据天然年径流量序

列的相关结构特性，建立相应的随机水文序列模型，与成模拟序列，并对其作长系列可供

水量调节计算，以与样本序列的成果作比较。

3.1.3.5某一频率下的设计年径流

（1）有实测资料情况下设计年径流量的计算

①分析实测资料有无代表性，对少于年的短系列必须加以延展（可采用相

关分析法）；

②计算经验频率，绘制经验频率曲线；

③计算径流量均值

④用适线法确定理论频率曲线；

⑤推求不同设计频率的年径流量。

（2）缺乏实测资料时设计年径流量的计算

3.1.3.6径流复原计算

人类活动对径流在空间和时间上变化的影响；实测资料是在不同的根底条件下取得的，

资料系列之间缺乏一致性。为全面、准确地估算各流域、地区的河流径流，需对实测水文

资料进行复原计算。常用的径流复原计算的方法有分项调查法和降水径流模式法。

（1）分项调查法一一分项调查法是针对影响径流变化的各项人类活动，逐项进行调查,

分析确定各自影响径流的程度，然后逐项复原计算。要求有比较充足的分项调查统计资料,

工作量大。

复原计算的水量需进行合理化检查后才能应用于河流水文计算。检验的方法为

根据水岐平衡基本原理

Q天/二Q宣甯+Qim+Q工业+Q.+Q引++Q.+Q分供

式中Q天然一还原后的天然径流量，m7s；

。实用一水文站实测径流量，mJ/s；

——灌溉耗水量，m7s；

Qrjt—工业和城市生活耗水量，m'/§；

Q.——计算时段始末落水I：程带水变量，带水量增加使该值为正值，减少

时则为负值，m7s；

Q引一跨流域（地区）引水增加或减少的测站控制水量，增加水量为负值，

减少水量为正值，m7s；

——落水1：程水而蒸发后和相应陆地蒸发量的差值，m7s；

Q.蓄水工程的渗漏M,m3/s；

3

Q分於河道分洪水鼠，m/s0

♦对工农业、牧业、城市用水定额和实耗水量，应结合影响因素，进行部门之间、城市

之间和年际之间的比较；

♦复原计算后的年径流量进行上下游、干支流、地区之间的综合平衡；

♦复原计算前后的降水径流关系进行比照分析。

(2)降水径流模式法一一建立降水和径流的关系模式。

第一步通过建立未受人类活动显著影响时期的降水经流之间的关系，

第二步修正因受人类活动显著影响而改变的径流量值，得到天然径流量。

实例——SCS模型：

目前，计算径流量众多的经验模型中，美国农业部土壤保持局(USDASCS)开发的用来估算

无资料区径流量和洪峰流量的经验模型一一SCS模型已得到公认和普遍推广。

径流方程：

Q一—为径流深

S--------潜在最大入渗量:nun)

P-------------次降雨的总量血口)

由此式可得:CN值越大,S值越小，越易产生径流。决定CN的主要因素为土壤前期湿度、土

壤类型、植被覆盖类型、管理状况和水文条件，同时坡度也对CN有一定影响。高的CN值意味

着高径流量和低渗透量,相反地，低的CN值意味着低的径流量和高的渗透量。

6、分区地表水资源量评价

内容：在求得年径流系列的根底上，计算各分区和全评价区同步系列的统计参数和不同频

率的年径流量。

U)有水文站：根据控制站〔或代表站〕天然年径流量系列，按面积比修正为该分区天然

年径流量系列。

假设区内控制站上下游降水量相差较大，可按上下游的单位面积平均降雨量与面积之比，

加权计算分区的年径流量。计算公式为：

(2)区内河流没有水文站控制

①利用水文模型计算径流量系列；

②相似的邻近地区的降水、径流关系，由降水系列推求径流系列；

③借助邻近同步期径流深等值线图，求分区年径流量系列，和比值，然后乘以邻近分区径

流系列，得出本区径流量系列，并经合理性分析后采用。

7、地表水资源时空分布特征

(1)地表水资源的地区分布特征

水文站(300〜5000km2)—►天然年径流系列一＞平均年径流深和Cv等俏线

(2)径流量的年际变化

变差系数、极值比、丰枯周期

(3〕径流的年内分配

典型年法进行径流的年内分配计算

・选择年径流量接近平均年径流量或对应某一频率的设计年径流量的年份

・选择分配情况不利的年份作为典型年。

43.2地下水资源量评价

1、地下水资源分类

(1〕地下水“资源”与“储量”的根本概念

地下水资源是指有使用价值的各种地下水量的总称

20世纪50〜60年代，我国曾广泛使用“储量”的概念，目前以地下水资源取代地下水储量的概

念，以反映地下水的可恢复性特征。

(3)地下水资源分类的国家标准

(4)《供水水文地质勘察标准》(GBJ27-88)

《地下水资源分类分级标准》(GB15218-94)

A级：扩建勘探。用于水源地合理开采以及改建、扩建工程设计。要求掌握连续三年以

上开采动态观测资源，具有解决水源地具体问题所进行的专门研究和试验成果。

B级：勘探阶段。作为水源地及其具体工程建设设计的依据。要求根据一个水文年以上

的地下水动态观测资料和互阻抽水试验或试验性开采抽水试验，结合不同开采方案和枯水

年组合系列，对允许开采量进行比照计算，预测地下水开采期间地下水水位、水量、水质

的变化。

C级：详查阶段。用于水源地及其主体工程的可行性研究。在需水量明显小于

允许开采量的情况下，也可作为水源地建设设计的依据。

D级和E级：分属普查和区调阶段。分别用于水源地规划和大区远景规划，对地下水允

许开采量只要求概算。

■补给量：指天然或开采条件下，单位时间进入含水层(带)中的水量。

■储存量：指储存于含水层内的重力水体积。

■可利用资源(允许开采量)指具有现实意义的地下水资源。不影响已建水源的正常

开采，不发生危害性的环境。

■尚难利用的资源：指具有潜在经济意义的地下水资源

2、地下水资源评价的内容、原那么与一般程序

。〕地下水资源评价的内容

■地下水资源评价

根据水文地质条件和需水量要求一开采方案，补给量、消耗量和可用于调节的储存量，

分析补给量与储存量对开采量的平衡、调节作用，评价开采的稳定性；确定合理的允许开

采量。

■地下水水质评价

综合评价地下水的物理性质、化学成分与卫生条件；分析论证开采过程中水质、水温的变

化趋势，卫生保护和水质管理措施。建立地下水溶质浓度场的数学模型进行水质预测。

■开采技术条件评价

允许水位降。要在计算开采量的同时，计算整个开采过程中，境内不同地段地下水水位的

最大下降值是否满足允许值要求。

■开采后果评价

评价地下水开采对地区生态、环境的影响；地面沉降、地裂、塌陷等环境地质问题：海水

或污水入侵，泉水枯槁，水源地相互影响等不良后果，并论证相应的技术措施。

(2)地下水资源评价的原那么

■“三水”转化，统一考虑与评价的原那么

■利用储存量以丰补欠的调节平衡原那么

■满足允许水位降的前提下，采用枯水期“借”丰水期“补

■考虑人类活动，化害为利的原那么

■不同目的和不同水文地质条件区别对待的原那么

■技术、经济、环境综合考虑的原那么

地下水资源评价必须综合考虑技术、经济、环境三个方面的利弊，要求确定的开采量和开

采方案，既有良好的技术经济效益，乂使开采带来的负面影响降到最低限度，具有合理的

环境效益。

3、地下水资源补给量〔Qb〕和储存量〔W〕计算

(1)地下水流流入量(侧向补给量)

(2)降水渗入补给量

。值的方法较多，目前多采用动态观测法计算、此外还有水平衡法、经验数据。

(3)河、渠渗入补给量

(4)灌溉水渗入补给量

采用地下水位资料计算

利用灌溉定额计算

(5)相邻含水层垂向越流补给量

(6)容积储存量

(7)承压含水层的弹性储存量

4、地下水资源允许开采量计算

(1〕方法选择与计算程序

确定性与非确定性模型、集中参数与分布参数系统模型、线性与非线性模型、单一与耦合

模型等都已得到广泛采用。

定性一定量一定性的过程

水文地质概念模型

B、计算程序

A、计算方法选择

①对水文地质条件的适应性——指其是否正确的表达了水文地质条件；

②对勘察阶段的精度要求，及勘察方法和工程控制程度的适应性一指能否充分的利用勘

探工程提供的各种资料数据，来反映勘察工作的成果，满足计算精度的要求。

■解析法一解析公式计算允许开采量

■数值法一离散化方法将求解非线性的偏微分方程问题，有限单元法和有限差分

法。

③数学模型的选择一二维数学模型、三维数学模型。

以非均质二维非稳定流地下水模型为例

④水文地质条件概化

■含水层结构的概化：包括含水层的空间形态与结构参数分区的概化。

■边界条件的概化：数值法能较真实地模拟复杂的边界条件。

■初始条件的概化：按初始时刻各控制节点实测水位资料绘制的等水位线图，给出

各节点的水位作为初始条件。

⑤计算域的离散

数值法根据分割近似原理，将一个反映实际渗流场的光滑连续的水头曲面，用一个由假设

干彼此衔接无缝不重叠的三角形(有限元法)或方形、矩形1有限差分法)拼凑成的连续

但不九滑的水头折面代替，将非线性问题简化为线性问题求解。

⑥模型的识别与检验

模型识别是用实测水头值及其他条件校正模型的方程、结构参数、边界条件中的某些不确

切的成分，数学运算中称解逆问题。有：

直接法间接法

⑦允许开采量的数值预报

含允许开采量计算是利用经过多层次反基校正和检验的地下水模型，结合选定的开采方案，

用正演计算模拟不同开采方案的地下水流场，以最大允许水位降作为约束条件，进行开采

量的数值预报，在反复模拟调试中，优化开采方案和开采量，直到满足为止。

⑧开采试验法

开采试验法指用探采结合的方法，直接开凿勘探生产井，按开采条件（包括布井方案、开

采降深和开采量）进行一至数月的抽水试验，以其稳定的抽水量（即补给量）直接确定开

采量，它适用于需水量不大，水文地质条件复杂，一时难以查清补给条件，又急需做出评

价的地区。

■稳定状态

动水位到达设计水位降值并趋近稳定状态，抽水量大于或等于需水量；停抽后，水位能较

快地恢复到原始水位。抽水量小于补水量。

■非稳定状态

动水位已超过设计水位下降值，仍未稳定，停抽后水位有所恢复，但达不到天然水位，说

明抽水量已超过开采条件下的补给量

两次不同流量的抽水试验值

核对公式&

年补水量计算

⑨补偿疏干法

补偿疏干法是通过对旱季“空库”与雨季“回填”的含水层机制进行模拟，以此评价最大

允许开采量