國內(nèi)外水資源評價(jià)的研究現(xiàn)狀

劉柱　孫霞　李楠

摘? 要：文章詳細(xì)分析國內(nèi)外水資源評價(jià)的研究進(jìn)展，仔細(xì)分析了解析法、水均衡法、數(shù)值模擬方法等地下水評價(jià)方法的優(yōu)缺點(diǎn)。水均衡法和數(shù)值模擬方法雖然各存在一定的缺陷，但兩者仍是目前地下水資源評價(jià)最廣泛應(yīng)用的方法。

關(guān)鍵詞：水資源評價(jià);評價(jià)方法;水均衡法;數(shù)值模擬方法

中圖分類號：TV213? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ?文章編號：2095-2945（2020）17-0053-02

Abstract： This paper makes a detailed analysis of the research progress of water resources evaluation at home and abroad， and carefully analyzes the advantages and disadvantages of groundwater evaluation methods， such as analytical method， water balance method， numerical simulation method and so on. Although water balance method and numerical simulation method have some defects， they are still the most widely used methods for groundwater resources evaluation at present.

Keywords： water resources evaluation; evaluation method; water balance method; numerical simulation method

地下水是重要的淡水資源，在我國水資源整體分布不一致的地域因素條件下，地下水由于其埋藏屬性就相對分布均勻，這為其成為我國尤其是北方各省大部分地區(qū)的主要供水水源造就了條件;加之地下水相較地表水水質(zhì)不易受到人類活動的直接影響，絕大多數(shù)地下水水質(zhì)良好，使得其作為水源時(shí)質(zhì)量有所保證;且地下水年內(nèi)和年際變動量一般不大，調(diào)蓄能力較強(qiáng)，一系列因素決定了地下水資源的重要性。然而，在一段時(shí)間內(nèi)，地下水的諸多優(yōu)點(diǎn)也招致人類大肆無顧忌地開采，使得本文所述的地下水資源的優(yōu)勢不再明顯，這時(shí)人類才發(fā)現(xiàn)若要繼續(xù)使用并永久使用地下水資源，就必須合理開發(fā)利用資源。只有清楚水資源評價(jià)的研究進(jìn)展及評價(jià)方法，明確當(dāng)前水資源的狀況，才能為以后的開采提供指導(dǎo)。

地下水資源評價(jià)是指從質(zhì)量、數(shù)量以及開發(fā)利用條件等三方面對地下水進(jìn)行評價(jià)，地下水資源評價(jià)的中心內(nèi)容是數(shù)量評價(jià)，而質(zhì)量評價(jià)則是水資源數(shù)量評價(jià)的前提[1]。

1 國外地下水資源評價(jià)研究

鑒于我國對自然科學(xué)的多數(shù)領(lǐng)域的研究晚于西方國家，對地下水資源評價(jià)研究在西方國家也大大早于我國，然而局限于較低的生產(chǎn)力水平，加之地下水研究具有相當(dāng)高的繁雜性，在1856年之前，人類對地下水始終停留在定性研究上。

1856年，達(dá)西（法國）通過砂柱滲水實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)了達(dá)西定律，標(biāo)志著地下水的研究進(jìn)入到定量研究階段[2-3]。1883年，裘布依（法國）提出了裘布依假設(shè)，在此基礎(chǔ)上推導(dǎo)出了地下水單向流及平面徑向穩(wěn)定井流公式（裘布依公式），雖然僅能用于簡單問題，但在水文地質(zhì)學(xué)的研究歷程中卻是劃時(shí)代的創(chuàng)舉。從二十世紀(jì)二十年代開始，地下水在美國被大量開采作為水源，美國當(dāng)局開始意識到地下水資源的重要性。三十年代中期，泰斯（美國）推導(dǎo)出承壓水中地下水運(yùn)動的非穩(wěn)定井流公式（泰斯公式），是地下水運(yùn)動理論研究新的里程碑。到上世紀(jì)五十年代，雅各布（C.E.Jacob）和漢圖什（MS.Hantush）等提出了存在越流補(bǔ)給條件下的非穩(wěn)定井流公式，到此地下水運(yùn)動的理論研究基本上形成了相對完整的體系。隨之又出現(xiàn)了考慮潛水含水層滯后疏干效應(yīng)的博爾頓（N.SJBoulton）公式、考慮潛水三位流和潛水含水層彈性釋水的紐曼（Neuman）公式以及非完整井的非穩(wěn)定流公式，這使得非穩(wěn)定井流公式得以更加廣泛的應(yīng)用。

20世紀(jì)50年代，已經(jīng)出現(xiàn)了數(shù)值模型求解數(shù)值解的思想，只是由于計(jì)算量過于龐大，其發(fā)展受到限制。20世紀(jì)60年代，電子科技急速發(fā)展，計(jì)算機(jī)逐漸被用于大規(guī)模數(shù)據(jù)計(jì)算，華爾頓首次對水文地質(zhì)進(jìn)行了數(shù)值模擬。1970～1980年期間，數(shù)值模擬方法的優(yōu)勢被更多的從業(yè)人員所發(fā)現(xiàn)，越來越多的地下水資源評價(jià)項(xiàng)目都采用數(shù)值模擬來完成，該法一度成為解決繁雜問題的常用方法。

美國于1968年展開首次全國范圍內(nèi)的水資源評價(jià)，之后世界其他國家也陸續(xù)模仿美國開展。1988年UNESCO與WMO聯(lián)合制定了《水資源評價(jià)活動-國家評價(jià)手冊》，對水資源評價(jià)進(jìn)行明確的定義。隨后1990年的《新德里宣言》、1992年的《都柏林宣言》和1997年1屆水論壇等在全世界范圍內(nèi)強(qiáng)化了人們合理用水、保護(hù)水資源的意識。2000年聯(lián)合國發(fā)布《世界水發(fā)展報(bào)告》，水資源評價(jià)的必要性和實(shí)踐保護(hù)水資源的現(xiàn)實(shí)意義逐步得到強(qiáng)化。

2 國內(nèi)地下水資源評價(jià)研究

如前所述，中國水資源研究在開始時(shí)間上較西方發(fā)達(dá)國家嚴(yán)重脫節(jié)，直至上世紀(jì)中葉才逐漸起步。然而，中國嚴(yán)重的總水資源量不足和地域分布不均不容我們不奮起直追，因此水資源評價(jià)研究方面的進(jìn)展也十分迅速，各方面基本工作也都盡力完成。我國于1950～1960年間幾乎完全統(tǒng)計(jì)了全國各地較大型河流的河川徑流量;1960～1970年間又統(tǒng)一整編了當(dāng)時(shí)存在的各水文站的基礎(chǔ)性資料;進(jìn)入八十年代后，整個(gè)國家范圍內(nèi)的水資源評價(jià)的全面展開，使全國對水資源現(xiàn)狀有了基本的概念和輪廓。在這段水資源評價(jià)理論基礎(chǔ)發(fā)展時(shí)期，許多行業(yè)內(nèi)的先進(jìn)人士提出了許多有見地的理論和實(shí)踐方法，如賀偉程便明確概括了水資源評價(jià)過程的一系列完整的步驟，并明確地下水與地表水、大氣降水、包氣帶水轉(zhuǎn)化關(guān)系和評價(jià)方法，為后人深入研究奠定了基礎(chǔ)。賈仰文、劉昌明等研究者將引入在水資源評價(jià)體系中使用了水文學(xué)中的分布式水文模型技術(shù)。1999年在《水資源評價(jià)導(dǎo)則》指引下形成較完整體系。2001年，“全國水資源綜合規(guī)劃”使人們對如何進(jìn)行水資源評價(jià)有更深認(rèn)識。期間各研究學(xué)者相繼開展了水資源評價(jià)，如暢明琦采用三水轉(zhuǎn)化模型對山西辛泉水資源評價(jià)，梁秀娟等開展了吉林省西部地區(qū)的水資源評價(jià)，并有重點(diǎn)地進(jìn)行當(dāng)?shù)氐娜ǖ乇硭⒌叵滤?、土壤水）轉(zhuǎn)化研究。在當(dāng)代不斷踐行可持續(xù)發(fā)展的進(jìn)程中，人類對水資源評價(jià)的細(xì)節(jié)要求越來越高，故而傳統(tǒng)的水資源評價(jià)方法由于精細(xì)度的欠缺便顯得不和當(dāng)下時(shí)宜，伴隨而生的是一些新型的評價(jià)模型體系，如21世紀(jì)初提出基于新安江模型、地表-地下資源評價(jià)聯(lián)合模型的二元動態(tài)水循環(huán)評價(jià)模式等新模型、新方法的提出與應(yīng)用。因此水資源評價(jià)已經(jīng)由粗陋簡單的測量后修正的簡單靜態(tài)形式逐漸演變?yōu)椤皩?shí)測-分離-耦合-建模-評價(jià)”的多維動態(tài)評價(jià)的形式。

3 地下水資源評價(jià)方法

3.1 解析法

解析法簡而言之是以地下水運(yùn)動的基本動力學(xué)公式為基礎(chǔ)，以偏微分方程的解析解為形式，最終得到允許開采量的結(jié)果。雖然解析法的體系已趨于成熟，公式較全面，然而由于公式是簡化模型而得，其使用的前提往往苛刻，大多數(shù)的實(shí)際情況與其前提相去甚遠(yuǎn)，本應(yīng)嚴(yán)密、精確的解析解變得與實(shí)際情況相差較大，準(zhǔn)確解變?yōu)榻平狻?/p>

3.2 水均衡法

水均衡法的根據(jù)是基本的物理定律——質(zhì)量守恒與能量守恒，具體做法是調(diào)查所研究地區(qū)在所選取的均衡時(shí)段內(nèi)的各項(xiàng)補(bǔ)給項(xiàng)和排泄項(xiàng)，以及實(shí)際的地下水儲量變化量，通過水資源均衡方程驗(yàn)證均衡可靠性。確定均衡誤差在允許范圍內(nèi)時(shí)，即可利用相關(guān)項(xiàng)得出允許開采量。水均衡法的關(guān)鍵在于要合理確定水文地質(zhì)參數(shù)以獲得準(zhǔn)確的均衡項(xiàng)，方法優(yōu)點(diǎn)是依據(jù)可靠、不需要繁雜的微分方程、開展起來迅捷方便，可以在較大范圍內(nèi)使用，水均衡法不僅通過數(shù)據(jù)顯示各均衡項(xiàng)的具體值及其對當(dāng)?shù)厮Y源的影響，而且以計(jì)算驗(yàn)證均衡可靠性的方式進(jìn)行自我修正，同時(shí)所得結(jié)果可作為水資源評價(jià)結(jié)果，雖然也有準(zhǔn)確度上的缺陷，但在當(dāng)前社會發(fā)展階段該法仍不失為評價(jià)地下水允許開采量的佳途。隨著問題復(fù)雜程度不斷升級，不少研究學(xué)者對水均衡法進(jìn)行了改進(jìn)和補(bǔ)充。Brown L.J 將地下水同位素法融入到水均衡方法，使得地下水可持續(xù)開采資源量的評價(jià)的精度大大地提高了。Sophocleous及Frans在原有水均衡方法基礎(chǔ)上有所創(chuàng)新，運(yùn)用Theis（1940）公式中的動態(tài)研究方法，由此形成了動態(tài)平衡原理，使得水均衡方法克服其一部分缺陷，充分發(fā)揮其優(yōu)勢。

水均衡法用于水資源評價(jià)適用的情形較多，但由于其不精確的缺陷，范圍越小，水循環(huán)條件越繁復(fù)，各均衡項(xiàng)不確定性越大，則該方法計(jì)算的誤差越大;且該方法所算得的允許開采量只能作為參考值，不能作為最終規(guī)劃使用的準(zhǔn)確結(jié)果。

另外，隨著研究者廣泛使用水均衡法用于各種不同水文地質(zhì)條件地區(qū)的水資源評價(jià)，大家發(fā)現(xiàn)了水均衡法受補(bǔ)給量影響的一個(gè)缺陷，即如果補(bǔ)給量較之其他均衡項(xiàng)小很多時(shí)，補(bǔ)給量極易受到蒸發(fā)量微妙變化的杠桿作用而發(fā)生極大變化，其可靠性便變得極低。所以，水均衡法又多了一條在氣候方面的限制條件。

3.3 數(shù)值模擬方法

數(shù)值模擬方法是運(yùn)用計(jì)算機(jī)技術(shù)將研究區(qū)進(jìn)行剖分，對剖分單元內(nèi)進(jìn)行均衡計(jì)算。常用的數(shù)值模擬法有邊界元法、有限差分法、有限元法、有限體積法等模擬方法。數(shù)值模擬方法計(jì)算理論與方法比較嚴(yán)謹(jǐn)，可以適應(yīng)數(shù)據(jù)耦合、模擬連續(xù)性、時(shí)空剖分方法等多個(gè)方面的變化。

現(xiàn)階段較普遍使用的地下水模擬模型有：MODFLOW、FEMWATER、GMS、BREATH和SWIM等。地下水模擬系統(tǒng)（Groundwater Modeling System），簡稱GMS，是一個(gè)功能齊全的、方便可視化的、匯集各模擬模塊的圖形界面軟件。GMS軟件不僅可以模擬地下水流場，用以計(jì)算水資源補(bǔ)給和排泄量，而且可以模擬污染物溶質(zhì)在地下水中的運(yùn)移過程，用以解決地下水污染預(yù)測問題。除GMS外，其他較常用的模擬軟件有MODFLOW、Mod IME和Visual Modflow，但與GMS相比，這些軟件或在功能項(xiàng)上有所欠缺，或在具體模擬過程中不盡完善。

數(shù)值模擬方法的優(yōu)點(diǎn)在于與實(shí)際境況差別小、所得結(jié)論可以可視化呈現(xiàn)、數(shù)據(jù)可以直接呈現(xiàn)等;然而，研究區(qū)差異參數(shù)概化處理導(dǎo)致的誤差是數(shù)值模擬的主要缺陷。使的所做出的結(jié)果出現(xiàn)模型與實(shí)際差別較大，模擬過程分散而效率低下，以及模擬過程與基礎(chǔ)性調(diào)查嚴(yán)重不契合等現(xiàn)象。

4 結(jié)束語

詳細(xì)分析水資源評價(jià)的研究進(jìn)展，不難發(fā)現(xiàn)中國水資源研究在開始時(shí)間上較西方發(fā)達(dá)國家嚴(yán)重脫節(jié)，直至上世紀(jì)中葉才逐漸起步，最后經(jīng)過幾代人的努力提出了類似于“實(shí)測-分離-耦合-建模-評價(jià)”的多維動態(tài)評價(jià)方法。本文仔細(xì)分析了解析法、水均衡法、數(shù)值模擬方法等地下水評價(jià)方法的優(yōu)缺點(diǎn)。水均衡法和數(shù)值模擬方法雖然各存在一定的缺陷，但兩者仍是目前地下水資源評價(jià)最廣泛應(yīng)用的方法。

參考文獻(xiàn)：

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