地下水開采量計算方法概述

李 征

（天津市水文水資源勘測管理中心，天津 300061）

地下水單井開采量計量、區域地下水開采量統計、單井開采量或區域開采量變化特征及規律一直是地下水研究和地下水資源管理方面的難題，也是工作的薄弱環節。國內外同行已經投入大量人力物力開展相關研究和試驗，取得了一些成績，但問題仍沒有解決。實踐證明，在大規模開發利用地下水資源的地區，全面統計地下水開采量對合理管理地下水資源意義重大。然而，實際統計的地下水開采量數據常被認為是相當不準確的，尤其是在干旱半干旱地區灌溉用水占開采水總量比重較大時更是如此。地下水開采量計量特別是區域地下水開采量統計是一項難度很高的工作，單靠幾次大規模調查不能解決所有問題，應該配合科學研究方法，從揭示地下水開采量變化特征和規律方面入手，用調查數據修正開采量變化規律，達到構建合理的地下水開采量序列的目的。

確定區域地下水開采量是當前地下水資源管理工作中主要難題之一，原因在于開采機井數量巨大、單井開采時間隨機、單井出水計量難以實現等，致使長期以來地下水開采量統計存在著較大的誤差，嚴重地影響了區域地下水資源評價的精度、地下水動態預測和地下水科學利用規劃的可信度。顯然，研究多種方法確定區域地下水開采量十分必要，準確查明地下水開采量對地下水資源實行科學管理和控制地質環境惡化具有重要意義。

1 國內外關于地下水開采量的研究現狀

眾所周知，地下水是重要的資源。如今，隨著飲用、灌溉及商業用水量的不斷增加，地下水的開發利用顯得十分重要。不幸的是，由于人口的增加、城市無控制無計劃的擴張及工農業的發展，地下水呈水量減少、水質惡化的趨勢。因此，可持續發展規劃與管理策略應該應用于地下水系統的優化運行中。然而，由于不合理鉆井位置及過量地抽取地下水已導致了嚴重的環境問題（如地下水的衰減），管理策略并不能達到預期的結果（Ayvaz，2008）。

在南非、中東、南亞、中亞、中國北方、北美及澳大利亞的大部和世界其他地區的局部地區，地下水的衰減已成為突出的問題（Konikow and Kendy，2005）。地下水的衰減導致地下水開采成本的提高（Nationa1 Research Counci1，2004），海水的入侵（Er?gi1，2000），河流、湖泊水位的下降（Barto1ino and Cunningham，2003），以及地面的沉降（Ga11oway et a1.，1999；Barto1ino and Cunningham，2003）。因此，確定不合理的抽水井位及抽水量成為最重要的任務，尤其是發展中國家。

在嚴重缺水的中國北方地區地下水資源具有重要的戰略意義，而區域地下水開采量是地下水資源評價準確與否的重要指標，地下水開采量的調查工作是地下水資源評價的主要內容。受管理等諸多因素制約，很多地區在地下水資源評價、地下水開發利用規劃等工作中，區域地下水開采量的統計一直是工作中的難點，由此也影響到其評價、規劃工作的精度。

國內目前主要采用收集資料統計法和開采量調查統計法獲取區域地下水開采量，前者得到的結果可信度較低但工作量小，后者得到的結果可信度較高但工作量大。地下水開采量調查原則有：①真實原則：地下水開采調查方法要力求反映開發利用實際情況；②簡便原則：用比較小的工作量，調查核實地下水開采量，要力求簡單；③全面原則：地下水開采量調查要力求覆蓋整個調查范圍；④代表性原則：選擇的井要力求具有代表性，在試驗和統計分析的基礎上，建立一種切合實際的計算模式。

目前確定地下水開采量方法中還存在著許多問題，主要有：①在農業灌溉中，由于開采井數多，開采井絕大多數露天管理，損壞程度高，難以實現水表計量，逐井計量難以大面積推廣。②影響實際用水量的因素比較多，實際用水量與用水定額有一定誤差，定額法和畝次法計算的用水量與實際開采量有一定誤差。③井的額定出水量受功率、揚程、水文地質條件、井深等多因素影響；另外，每口井的年開采時間難以準確估計，所以額定出水量法和實際出水量法計算的開采量與實際開采量誤差較大。④用耗電量數據推算機電井開采量，對水井進行調查統計時工作量過大；同時，水泵實際運行中因日常維護、使用年限等諸多因素影響，出現功率下降、耗電量增加現象，則用其進行單位能耗出水量計算時可能會帶來一定誤差。⑤水文地質數值法對水文地質勘察要求精度高，資料必須詳細全面系統。如果水文地質條件認識不清，計算誤差將很大。水文地質數值法在實際應用中，目前主要是給定地下水開采量，計算地下水水位的變化過程。而已知地下水水位反求地下水開采量，由于有一定的難度，目前還未見應用實例。

國外學者認為，在缺乏直接測量數據的情況下，人們可以用多種方法來估計地下水的開采量。一是定額估算，首先測量出需灌溉農作物面積，然后乘以作物平均需水量，該估算過程包含一些不確定因素，關于這些問題，眾多學者做了大量研究。如，Ca1?era-Be1monte et a1.（1999，2003）利用遙感技術和地理信息系統計算了西班牙中部某地區的作物實際需水量。二是基于能源消耗或其他因素的經濟方法也可以用來估算一個封閉含水系統的地下水開采量，因為在水井抽水量和能源消耗量之間一般存在很強的相關性（Kanazawa，1992；Mukherji，2007；Shah et a1.，2008）；然而，該方法需要全面的數據資料，這就使其變得和直接監測地下水的抽水量一樣困難。三是地下水模型也被用來估算地下水開采量，因其包含眾多動態變量，地下水數值模型可以進行反復試錯估計。利用地下水模型進行地下水開采量估算的限制因素是其需要在空間和時間上充分掌握地下水均衡的所有其他要素。另外，估算抽水量需要調節參數，如果抽水井非常多時，會十分困難。四是地下水開采量也可以根據地下水水位演變進行估算，如利用地下水水位波動法（WTF）來估算地下水開采量，該方法通過貯水參數（對于潛水含水層來說就是給水度）把地下水儲存量的變化與其導致的地下水水位波動聯系在一起。該方法因直截了當、操作簡單和費用相對較低等，經常應用于含水層補給量的研 究（Leduc et a1.，1997；Marécha1 et a1.，2006；Moon et a1.，2004）。

2 不同計算方法概述

2.1 收集資料統計法

這是國內當前較普遍采用的方法。資料來源主要靠區縣一級地下水管理部門組織的調查統計，按調查內容又可分成許多子方法。

（1）水表計量法。利用水表計量，直接從水表上讀取數據，計量準確。這類地下水計量方法主要使用在集中供水的水源地以及向城市工礦企業供水的機井，這類供水長久連續，供水量穩定，主要是配合向城市生活和企業收取水費進行。該方法目前在各城市工業供水和生活供水上均采用。

（2）定額法。依據各行業的用水定額以及工業產品的產量或產值、城市和農村居民人口、農作物種植面積等，估算出需水量作為用水量。該方法易于計算。但實際用水量的影響因素比較多，實際用水量與用水定額有一定誤差，該方法計算的用水量與實際用水量也有一定誤差。在不可能對機井計量的情況下，可采用該方法。孫明等（2001）應用定額法計算了山西太谷的灌溉用水量。

（3）實際出水量法（單機流量歷時法）。根據實際單位小時出水量和開采時間計算出單井出水量，再根據開采井數求得區域地下水開采量。該方法計算簡單，但單機開采時間定量困難。山西省忻州市水文分局2000年對全區農村開采量逐井記錄開機時間和單機流量，全區22個井灌鄉鎮選擇其中觀測記錄比較完整的17個鄉鎮，用單機流量歷時法計算了地下水開采量。

（4）畝次法。適用于農業灌溉開采量計算。根據灌溉面積、農作物灌水定額、灌水次數確定農業灌溉用水量。該方法數據易于得到，但利用灌水定額統一計算存在一定的誤差。山西省忻州市忻府區水利年報上的地下水開采量就是用畝次法計算的。

（5）機井能耗法。該方法推算地下水開采量的基本思路和步驟為：①通過調查統計每眼開采井的配套功率（W）i和出水量（Qi）。②單井單位能耗出水量與水位埋深有關，這時計算出的單井單位能耗的出水量（Qd）數值只能代表現狀，而不同時間不同水位狀況下的單井Qd可以建立Qd與實測地下水水位（H）之間的關系，即推求Qd與H 之間的相關函數關系。③根據地下水水位長觀資料，利用上述函數關系，計算多年間各鄉鎮開采井逐月的單井單位能耗的出水量（Qd）。④以鄉鎮農業用電量數據乘以計算出的Qd值即可計算出地下水的開采量。

2.2 調查統計法

這是國內目前工作量投入較大的一種方法，由省市級地下水資源主管部門組織專業人員開展專門的地下水開采量調查工作。調查內容包括：地下水開采量的分類統計數據、地下水開采的區域分布、開采井基本狀況及其地下水開采歷史沿革、農灌狀況、城鎮抽水井分布和井間干擾情況、大中型水源地開采情況、地下水水質變化、國民經濟規劃與用水量關系、區域地表水的開發利用歷史和現狀等。

調查方法如下：①對開采井數量較少的地區，可采用逐一調查方法，并利用孔口流量計或田間三角堰測定實際出水量。②對于集中供水的城市和工礦企業，開采量調查比較簡單，以總計量數為準，資料可信度較高，收集來的資料基本不用修正，直接作為城市地下水開采量。但要注意個別企業自備井的開采量需要進行校驗。③對于開采井數量巨大的農村地區，尤其在華北農村以開采地下水灌溉為主，逐一調查不太現實，生活用水和灌溉水量開采量可采取收集資料和抽樣調查校核相結合的方法。④目前農田灌溉地下水開采量的統計方法主要有：灌溉定額法，即單井開采量=灌溉定額×保澆面積；額定出水量法，即單井開采量=額定出水量×開采時間；電度法，即單井開采量=單井年用電量×電機功率/額定出水量；實際出水量法，即單井開采量=開采時間×實際單位小時出水量。

在不可能對機井逐一調查的情況下，采用調查統計法是完全可以的，但必須對統計資料進行抽樣核查和校正。本項目研究重點在于規范工作流程和計算公式應用條件。

2.3 相關要素動態分析法

由于地下水的資源屬性，人類生產活動中與地下水開采量相關的要素很多，包括工業生產要素、農用生產要素、城鎮生活要素等，這些要素的統計值在地方社會經濟統計年鑒中均有記錄。充分利用這些記錄，在建立起相關關系條件下恢復區域地下水開采量動態過程，對正確認識地下水開發利用現狀十分有效。恢復區域地下水開采量動態過程應考慮兩個方面：其一是方法本身的優缺點；其二是資料能否滿足方法本身的要求。依據統計年鑒中的資料，其相關系數取各要素的定額。

工業用水開采量計算步驟如下：①工業主要產品產量只有全區或全縣，根據定額先計算各區每年總的工業用水量。②減去其他水源對工業的供水量。

生活用水開采量計算步驟如下：①用各區的人口和生活用水定額直接計算。②減去其他水源對生活的供水量。

農田灌溉水開采量計算較復雜，主要方法有：①灌溉定額法：確定主要作物的灌溉定額，利用各種作物的種植面積計算灌溉水量，減去地表水灌溉量和污水灌溉量。②耗電量推算法：從農業用電量中逐步分離出井灌用電量，根據地下水位并利用單位能耗出水量與地下水位的關系計算單位能耗出水量，根據各區灌溉耗電量計算灌溉開采量。

2.4 地下水均衡方程分析法

利用地下水水位波動法（WTF）來估算地下水開采量，該方法通過貯水參數（對于潛水含水層來說就是給水度）把地下水儲存量的變化與其導致的地下水水位波動聯系在一起。該方法因直截了當、操作簡單和費用相對較低等，經常應用于含水層補給量的研究。該方法的關鍵是地質統計技術的應用。多年來，地質統計技術在數值模型與不確定性評價方面的應用日益廣泛，這些方法在不確定情況下估計不同變量空間分布時所發揮的功能足以說明這一切。Weissmann and Fogg（1999）用轉移概率的地質統計方法評價了沖積扇的不均勻性，與此同時Ver?fai11ie et a1.（2006）用多元地質統計方法預測了大陸架上砂顆粒的分布。

其計算過程采用的時間步長為一年。這是因為，水行政管理部門通常以集中的形式提供抽水量數據，而不是按不同區域在不同時間段的抽水量進行統計。換句話說，抽水量記錄數據通常不區分不同季節的抽水量。相比自然年來說，一般首選水文年。一個水文年開始于水體在它們理論上的最低值。假定水文年開始于10月1日，那時夏季和灌溉季節已經結束，秋季降水還沒有補充更新水文系統。水文年符合整個水資源規劃循環，并且可以分布式的形式進行表示。所有水均衡要素已經按照計算要求進行了校正。

2.5 地下水流數值模擬反演法

地下水流模型也被用來估算地下水開采量，因其包含眾多動態變量。地下水流數值模型可以進行反復試錯估計。利用地下水流模型進行地下水開采量估算的限制因素是其需要在空間和時間上充分掌握地下水均衡的所有其他要素。另外，估算抽水量需要調節參數，如果抽水井非常多時，會十分困難。

描述地下水流的數學模型是嚴密的、科學的，其中包括3 個重要變量，即地下水水位、地下水補給排泄量（主要是地下水開采量）、含水層參數。傳統的地下水資源評價在識別模型時將地下水進出量作為確定值處理，通過擬合地下水水位來識別含水層參數。

3 結語

地下水開采量的準確計量和科學計算是實施地下水資源管理的基礎，目前地下水開采量計量主要采用水表計量法和流速流量儀或堰槽法等，前者多用于進行長期計量，后者多用于短期計量。但對于大區域地下水開采來說，由于開采井數量多、布局散、不易管理，難以采用水表計量，多采用其他方法計算。目前國內外對區域地下水開采量的計算，多采用相關要素推算法、耗電量換算法和模型法。

[1]劉花臺，王貴玲，朱延華.地下水開采量調查和校核方法探討[J].水文地質工程地質，2004，（5）：109－111.

[2]孫明，王立琴，薛明霞，等.農業區地下水開采量統計方法研究[J].地下水，2001，24（2）：71－73.

[3]丁國梁，南友梅，范敏.無資料地區地下水開采量的推求[J].干旱環境監測，2008，22（2）：87－90.

[4]郭建.對無資料地區地下水開采量的計算探討[J].工業技術，2007，（16）：53－54.

[5]武美才. 變臺電量法推算地下水開采量初探[J]. 水文，2006，26（6）：65－66.