杜汉学

DU Han Xue

（吉林省水文地质调查所）

摘要：国内外尚未见到专门论述地下水库库容方面的有关文章文献资料，是理论研究的空白区。理论研究的滞后，严重限制了含水层的合理开发利用。地下水库库容的划分为充分合理的利用含水层调节用水蓄水，提供了理论基础和方法。

本文论述的地下水库库容，一般是指具有蓄水利用价值的大型层状孔隙潜水含水层。分别论述了井群集中开采蓄水条件下的地下水库库容，平均布井开采蓄水条件下的地下水库库容。

从调节用水和蓄水目的出发，结合生产实践中的迫切需要，对含水层的天然库容进行了划分。根据其功能和作用的不同，分别划分出疏干库容、多年调节用水库容、蓄水库容、死库容。

论述了在开采蓄水条件下，各类库容的演化形成过程和形态结构。提出了设计地下水库库容的原则方法。

关键词  地下水库   理论依据   天然库容   疏干库容   多年调节  

用水库容   蓄水库容   原则方法

地下水库是指：“存在于地下的天然大型储水空间。”一般是指：“厚度较大，范围较广的大型层状孔隙潜水含水层”〔1〕。

传统水文地质学虽然认识到含水层天然库容对开采利用地下水天然资源的重要调节用水功能，并在资源评价和开发利用中得到一定利用。但对一些大型含水层潜在的巨大的调节用水功能和蓄水功能的认识仍然不足，缺少专门性的认知论证。致使一些潜在的巨大的蓄水空间得不到开发利用。本文将对蓄水条件下的地下水库库容进行研究探讨。

从蓄水的角度出发，把地下水库的天然库容进一步划分为疏干库容、多年调节用水库容、蓄水库容、死库容。论述在开采蓄水条件下，天然库容演化形成各类库容的过程，各类库容的形态结构和功能。并提出了设计各类库容的原则，指出预报各类库容的方法。

作者简介：杜汉学（1938—   ）男  吉林省梨树县人，吉林省水文地质调查所教授级高级工程师，享受国务院政府特殊津贴，长期从事利用地下水库蓄水理论方法的调查研究工作。

1、天然库容

天然库容是指含水层天然的储水空间。其包括天然调节库容和天然库容两部分。

1.1天然调节库容

在天然状态下，潜水的水位在一个水文年内是随着季节的变化而变化的。每年的枯水期末水位降到最低，到丰水期末水位又升到最高。就这样年复一年，周而复始的变化着。每个水文年的最高水位线和最低水位线之间的水位差称为水位年变幅。水位年变幅内的空间称为天然调节库容。不同年份的水位年变幅之间的差异可能较大。要根据长期观测资料，求得枯水年、平水年、丰水年的天然调节库容。

天然调节库容是潜水的水位变动带。这里一年内地下水补给与排泄的交替变化十分强烈频繁。是潜水的补给和排泄区。

在开采蓄水条件下，天然调节库容的一部分或全部成为疏干库容。

1.2天然库容

地下水库的天然库容是指天然调节库容之下，含水层的全部储水空间。在体积上等于区内地下水的静态总储存量。

天然库容在地下水库的普查阶段和开发利用的前期初步论证阶段，可按含水层的天然范围确定。在技术设计和施工图阶段，可能是天然地下水库的全部或局部。要根据预测的取水影响半径的范围来确定。真正可利用的有效库容只限于井群抽水影响半径范围内。

2、井群集中开采蓄水条件下的地下水库库容

在井群集中开采抽水蓄水条件下，天然库容应划分出疏干库容、多年调节用水库容、蓄水库容、死库容。

2.1疏干库容

含水层在开采抽水过程中必然会形成水位下降漏斗。在开采量不变的条件下，漏斗的形态大小是随着水文气象周期的变化而变化的。遇丰水年开采量小于补给量，地下水位上升，漏斗收缩体积变小。在最丰水年的丰水期末漏斗收缩到最小。在抽水过程中它总是处于疏干状态，形成疏于漏斗（图1漏斗1），其中的疏干空间称为疏干库容。它是高水位状态下形成的体积最小的开采漏斗。受水文气象周期控制，只在丰水年丰水期末才会周期性出现。它的水位降深形态一大小是比较稳定的。

2.2多年调节用水库容

2.2.1  调节用水原理

地下水的补给是不连续的，断断续续的。在一个水文年内，枯水期补给量少或无补给，丰水期有补给，形成时断时续。不同年份的补给量变化也比较大。在一个水文年内，枯水期补给量少，或无补给，丰水期有补给，形成时断时续。不同年份的补给量变化也较大。在一个水文气象周期内，有枯水年、平水年、丰水年，形成不同年份的补给量相差较大。枯水年偏少，平水年居中，丰水年偏多。

上述地下水补给的时间上的断续性，补给量的不均匀不稳定性的特点，便与开采时间上供水的长期连续性及需水量多又稳定的需求之间，产生了时间差和数量差。枯水期无补给，但开采供水不能停，枯水年补给量少，但开采量不能少。自然产生了供水和天然补给之间的矛盾。

如何解决上述矛盾便成为水文地质供水资源评价中的一个重要课题。

在含水层具有较大调节用水空间的条件下，可采用我的老师原长春地质学院刘金山教授讲述的以丰补欠的评价方法解决上述课题。

以丰补欠评价方法的原理是采用多个水文气象周期多年的长期观测资料，来计算求得多年平均的地下水天然补给量。并把多年平均的天然补给量，作为地下水的天然资源。然后根据开采量必须小于或等于天然资源的评价原则，确定地下水的开采量。

上述评价方法确定的地下水开采量，大于枯水年的补给量，小于丰水年的补给量。在开采的过程中，遇枯水年补给量不够用，就借用含水层的储存量来保证连续稳定供水；遇丰水年补给量大于开采量，多余的补给量就自然补充还给从含水层借用的水量。实现了利用含水层的调节用水空间——调节用水库容进行调节用水。

综上述可见，利用含水层调节用水的原理，成功的解决地下水天然资源补给的断续性和供水的长期稳定性要求之间的矛盾。

2.2.2多年调节用水库容

应着重指出，上述以丰补歉评价水资源的方法、是通过含水层的多年调节用水库容来实现的。多年调节用水库容的存在是以丰补欠评价方法的前提条件。只有规模较大的含水层才能存在多年调节用水库容，才能具备调节用水功能。规模较小的含水层可能不存在多年调节库容，无调节用水功能。

前面已经提到，含水层在开采抽水过程中必然会形成水位下降漏斗。漏斗的形态大小是随水文气象周期的变化而变化的，遇最丰水年丰水期末会形成疏干漏斗，即疏干库容。

这里要论述的是遇枯水年枯水期末，开采漏斗的形态演化过程。遇枯水年份，开采量大于补给量，是借用含水层储存量时期。地下水位下降，开采漏斗体积扩大。在最枯水年枯水期末，形成一个较大漏斗（图1 漏斗2）。在漏斗1和漏斗2的边介线之间以及天然调节库容之下部分，是枯水年向含水层借水用的空间，也是丰水年向含水层天然补给还水的空间，是调节用水空间，故称谓等调节用水库容。由于其具有多年调节用水功能，所以称谓多年调节用水库容。

多年调节用水库容实际上是长期连续开采天然资流形成的地下水水位变动带。

2.3蓄水库容

利用地下水库蓄水的指导思想和利用地表空间蓄水的指导思想是一样的，都是利用空间条件，把过境水尽可能多的留在境内利用。

利用地下水库蓄水就是在地下水库中打井大量取水。动用含水层的储存量，腾出地下空间，再通过人工补给的办法把地表水引入地下，补偿动用的含水层的储存量。有关地下水库“蓄水原理及理论基础详见参考文献〔1〕”

一些大型特大型地下水库的调节用水空间，除能满足充分合理的开发利用地下水的天然补给资源所需的多年调节用水库容外，还有较大剩余调节用水空间，可用于蓄水。可在多年调节用水库容之下，更多的动用地下水储存量，腾出更多地下空间进行人工蓄水。这个蓄水空间称为蓄水库容。

在开采天然资源的基础上，加大开采量。加大开采强度后，抽水降深向下加大，影响半径（R）向外侧扩展增大，开采漏斗体积不断扩大。当动用的储存量和抽水降深达到设计蓄水量和降深后，此时的开采漏斗达到最大（图1 漏斗3）。

上述漏斗2和漏斗3的水位降深线之间，天然调节库容之下的空间，既是调节用水动用储存量的空间，也是蓄水空间，是蓄水库容。

多年调节用水库容和蓄水库容的相同之处是两者都是借用储存量的调节用水空间，都是利用含水层的调节用水功能。不同之处是两者的开发利用目的不同，还水方法不同。前者是为了充分合理的开发利用地下水的天然补给资源，借用的水由丰水年的天然补给量补充偿还，不须人工补给。后者是为引蓄过境的地表水体而开发利用地下空间，借用的水必须要人工补给来偿还。两者的目的功能也不同，一个是合理用水，一个是人工蓄水。

应指出，蓄水库容只是设计确定地下水库蓄水量的决定性要素之一。蓄水库容确定以后，还要根据蓄水水源，蓄水工程措施等因素设计确定蓄水量。蓄水量可小于或等于蓄水库容量。

2.4死库容

地下水库下部不可动用地下水储存量的空间称为死库容。保留足够的死库容是地下水库安全可靠供水蓄水的保证。死库容过小会对库区的自然生态环境产生不利影响。死库容一般占天然库容含水层厚度的1/2—2/3。

3、平均布井开采蓄水条件下的地下水库库容

在平均布井条件下，抽水井群中，相邻井的影响丰径相重叠，相互干扰。在水位降深作用下水位相互消减。群井抽水引起的水位下降不能形成明显的水位下降漏斗，而形成区域性的水位下降。在剖面上显示出近于一条直线。本文称为区域水位下降线。

在采用以丰补欠的评价方法开采利用地下水的天然资源条件下，区域水位下降线是不稳定的，上下升降变化着的。假如开采量为地下水多年天然补给量的平均值，在库区开采量不变的情况下，区域水位下降线是随着不同水文年份的天然补给量大小而

生变化的。前面已经提到枯水年开采量大于补给量，要向含水层借用储存量来保证正常开采供水，属于区域水位下降期。丰水年补给量大于开采量。剩余的补给量就自然补充偿还从含水层中借用的水量。借用的水量开始得到补充偿还后，区域水位下降线逐渐上升。在最丰水年的丰水期未，区域水位下降线升到最高（图2）。在最丰水年丰水期的最高天然水位线和区域下降水位线的最高水位线之间的空间，在抽水供水蓄水过程中始终处于疏干状态，形成疏干库容。

上述区域水位下降线上下升降波动，形成一个近于水平的带状空间。这个带状空间是枯水年向含水层借水用的空间，又是丰水期丰水年向含水层还水用的空间。具有多年调节用水动能，形成带状多年调节用水库容。

在天然库容足够大的条件下，还可在多年调节用水库容之下，设计出蓄水库容，保留足够大的死库容。

在大量开采地下水的情况下，天然调节库容可能被疏干，成为疏干库容的一部分。

综上所述可见，在平均布井的条件下，地下水库的库容从上向下以次为疏干库容，多年调节用水库容、蓄水库容、死库容。

4、地下水库库容的设计原则方法

拟蓄水和已蓄水的地下水库都应在天然库容中，设计出疏干库容，多年调节用水库容、蓄水库容、死库容。

4.1设计原则

1、选择含水层厚度较大，范围较广，透水性强，富水性好单井涌量大的地段，作为蓄水库区。

2、首先设计出开采天然资源所需要的疏干库容、多年调节用水库容，剩余空间再设计蓄水库容。

3、蓄水库容要尽量满足最大可能蓄水量的要求。

4、在一般条件下井群中心井的最大水位降深不能超过含水厚度的1/3—1/2。

5、死库容的厚度要占含水层厚度的1/2—2/3。

4.2设计方法

本文只指出井群集中开采蓄水条件下地下水库库容的设计方法。平均布井开采蓄水的地下水库库容可参照此法设计。

本文所说的开采是指开采地下水天然资源和设计蓄水量，蓄水是指向含水层引蓄地表水。从图1上看，各类库容的最大厚度都在井群开采漏斗中心井的水位降深线间显现出来。漏斗1的最大水位降深是疏干库容的最大厚度。漏斗2的最大水位降深减去漏斗1的最大水位降深是多年调节用水库容的最大厚度。漏斗3的最大水位降深减去漏斗2的最大水位降深是蓄水库容的最大厚度。可见，只要能分别预报出上述三个位降落漏斗的最大水位降深，就很容易计算求得上述几类库容的最大厚度。就能设计出各类库容。

下面指出预报上述三个漏斗最大水位降深的方法。

4.2.1漏斗1的最大水位降深。

前面已经指出，它是高水位状态下形成的体积最小的开采漏斗，它的水位降深是比较稳定的。可采用“地下水动力学”【2】中稳定流理论干扰井群公式计算求得。计算时应注意的是要选用库区内地下水天然资源开采量和丰水年丰水期末含水层的厚度，分别作为计算公式中的开采量和含水层厚度参数。

4.2.2漏斗2和漏斗3的最大水位降深

漏斗2和漏斗3的最大水位降深，可采用“地下水动力学”中非稳定流理论干扰井群的水位予报方法求得。一般可采用“有限单元法”【2】。

应指出，在预报中要选用库区内的地下水天然资源开采量，作为予测漏斗2的最大水位降深的水量参数，求得漏斗2的最大水位降深。漏斗2的最大水位降深减去漏斗1的最大水位降深，则求得多年调节用水库容的最大厚度。天然资源开采量加上设计蓄水量作为予报漏斗3最大水位降深的水量参数，求得漏斗3的最大水位降深。漏斗3的最大水位降深，减去漏斗2的最大水位降深，求得蓄水库容的最大厚度。

地下水库库容的分类，深化了对含水层功能的认识。为充分合理的利用地下水库调节用水和蓄水提供理论依据，丰富了理论基础。对蓄水实践有一定指导意义。

参考文献

【1】杜汉学  利用地下水库蓄水的初步认识【J】  水科学进展  2002年第13卷第9期

【2】薛禹群  地下水动力学【M】北京地质出版社 1997年

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                                            2014.12.8日

注解：本来文中有附图，可以一目了然，奈何本人电脑不行，传不上来。稍后试试吧。