地下水資源研究現(xiàn)狀及展望

張寶 彭志帆 趙鎖志

摘要：地下水資源進(jìn)行準(zhǔn)確評(píng)價(jià)與科學(xué)管理是人類對(duì)地下水資源進(jìn)行有效開發(fā)利用的前提和基礎(chǔ)，當(dāng)今世界面臨的“人口、資源、環(huán)境”三大問題，都直接或間接地與地下水有關(guān)。本文闡述了原蘇聯(lián)、美國、歐共體和我國地下水資源評(píng)價(jià)與管理的現(xiàn)狀，對(duì)水資源管理和保護(hù)發(fā)展趨勢進(jìn)行了展望。

關(guān)鍵詞：地下水資源 評(píng)價(jià) 管理

前言

水和空氣是人類賴以生存的兩種最重的物質(zhì)。據(jù)世界氣象組織和聯(lián)合國教科文組織2000年報(bào)告[1]，全球水消耗量由20世紀(jì)初的5000×108m3/a，到20世紀(jì)末已增長至50000×108m3/a，即增長約10倍，按地區(qū)分布，歐洲和亞洲用水量增長最快，北美洲和非洲居中，南美洲和大洋洲增長最慢。據(jù)法國水文地質(zhì)學(xué)家J.馬爾蓋和印度等最新資料，全球在80年代中后期地下水開采量為5500×108m3/a，其中開采量大于100×108m3/a的美國、印度、中國、巴基斯坦、歐共體、獨(dú)聯(lián)體、伊郎、墨西哥、日本、土耳其等十個(gè)國家和地區(qū)的開采量之和占全球總開采量的85%，地下水年開采量在（10-100）×108m3/a的近30個(gè)國家，其總開采量占全球地下水開采量約10%。上述數(shù)據(jù)說明，全球地下水開發(fā)極度不平衡。這與各國自然條件、人口密度、社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平、開發(fā)利用地下水歷史經(jīng)驗(yàn)等因素有關(guān)。

當(dāng)今世界面臨的“人口、資源、環(huán)境”三大問題，都直接或間接地與地下水有關(guān)。據(jù)美國地質(zhì)調(diào)查局統(tǒng)計(jì)資料，全美有52.5%的人口依賴地下水作為飲用水[1]。我國的情況大致與此相當(dāng)，僅以地表水相對(duì)豐富的江蘇省為例：目前開采地下水的機(jī)井約有12000眼，民井10000眼，地下水開采總量達(dá)到15×108m3/a，可以說對(duì)地下水資源進(jìn)行準(zhǔn)確評(píng)價(jià)與科學(xué)管理是人類對(duì)地下水資源進(jìn)行有效開發(fā)利用的前提和基礎(chǔ)。

1.1原蘇聯(lián)區(qū)域性地下水天然資源和開采資源的評(píng)價(jià)

1960年蘇聯(lián)水文地質(zhì)學(xué)家B.H.庫德林教授在《地下水天然資源區(qū)域評(píng)價(jià)原則》一書中，系統(tǒng)地提出了應(yīng)用水文-水文地質(zhì)綜合方法分解河流水文河流水文圖和評(píng)價(jià)》一書中，系統(tǒng)地提出提出了應(yīng)用水文-水文綜合方法分解河流水文圖和據(jù)此評(píng)價(jià)地下徑流的原理和實(shí)例，1965年B.H.庫德林教授主編了《蘇聯(lián)地下水天然資源圖》（比例尺1/500萬）和《蘇聯(lián)領(lǐng)土的地下徑流》專著[2]，對(duì)于有水文網(wǎng)發(fā)育的廣大領(lǐng)土，采用的主要方法是河流水文圖成因分解法，對(duì)于地下水主要靠降水入滲補(bǔ)給而又主要消耗于蒸發(fā)的地區(qū)，利用地下水動(dòng)態(tài)資料評(píng)價(jià)地下水資源，積極交替帶的地下徑流用多年平均模數(shù)（L/km2·a）在等值線在圖上表示。

俄羅斯水文地質(zhì)學(xué)家H.C.澤克茨爾應(yīng)用類似的方法編制了全歐洲地下徑流模數(shù)圖（1989年），綜合地反映了地形、巖性、降水等因素對(duì)各地的地下徑流形成的控制作用，他還主持完成了國際水文計(jì)劃項(xiàng)目“地下水在水文循環(huán)和大陸水均衡中的作用”，有美國、加拿大、印度等專家參加，該項(xiàng)目成果報(bào)告于1990年出版，并附有世界地下徑流圖（1/100萬）。

60年代中期，為配合制訂“蘇聯(lián)水資源利用總體規(guī)劃”，由當(dāng)時(shí)任全蘇水文地質(zhì)工程地質(zhì)研究所所長的普洛特尼柯夫教授主持編制了“蘇聯(lián)地下水開采資源圖（1/500萬）”，計(jì)算范圍僅包括平原、盆地、丘陵區(qū)，采用的主要方法是按平均布井方案，用解析法預(yù)測在一定允許降深下的可開采量，當(dāng)時(shí)給定的條件是允許動(dòng)用一部分儲(chǔ)存量，但在開采期50年之末，地下水位下降至距地表不超100m，且疏干含水層不得超過其厚度之一半，圖上反映了各地區(qū)地下水開采資源模數(shù)。

1.2美國的區(qū)域含水層系統(tǒng)分析計(jì)劃

美國聯(lián)邦地質(zhì)調(diào)查局（USGS）于70年代后斯開始執(zhí)行區(qū)域含水層系統(tǒng)分析計(jì)劃（RASAP）是一項(xiàng)很有特色的龐大計(jì)劃，1976年和1977年美國西部連續(xù)遇到特大干旱，水資源問題引起全國公眾的關(guān)注，經(jīng)國會(huì)批準(zhǔn)許立項(xiàng)撥款，USGS開始執(zhí)行此項(xiàng)為期17年的計(jì)劃（1978--1994），以研究大面積分布的層狀含水層系統(tǒng)的地下水資源為主要內(nèi)容，對(duì)在全美領(lǐng)土上圈定的28個(gè)區(qū)域含水層系統(tǒng)進(jìn)行評(píng)價(jià)，共分兩大類型，各個(gè)區(qū)域含水層系統(tǒng)是一個(gè)項(xiàng)目，作為“區(qū)域含水層系統(tǒng)計(jì)劃分析”計(jì)劃的一個(gè)組成部分，于1991年提交了第一份大區(qū)域水資源圖集。

此時(shí)，各種數(shù)值計(jì)算法也日趨成熟，為實(shí)現(xiàn)地下水系統(tǒng)的管理提供了良好的基礎(chǔ)。RASAP計(jì)劃采用分布參數(shù)系統(tǒng)的有限差分法評(píng)價(jià)地下水資源，一般采用正方形規(guī)則網(wǎng)格，有些面積大的區(qū)域的網(wǎng)格邊長可達(dá)10km或15km，以綜合整理和分析研究現(xiàn)有資料為主，有的項(xiàng)目也補(bǔ)打少量控制性探孔，取得深部水文地質(zhì)資料和必要的計(jì)算參數(shù)[3,4,5,6,7]。

美國是私有制社會(huì)，在地下水的開發(fā)制度、法律、規(guī)章等方面的與其它國家相比，美國具有豐富的水資源，在其200多年的發(fā)展歷史中，一直占有全國供水充足的良機(jī)[8]。

發(fā)展演變都圍繞著如何解決用水爭端，在用戶中公平地分配地下水，節(jié)約或延長可利用的供水水源等問題。雖然他們早已將地下水看作整個(gè)水資源的一部分，但直到50年代初仍認(rèn)為地下水是一種“局部”資源，水源地仍以泉、單井或小井群供水為主，因此，有關(guān)研究多注重含水層、單井或井群涌水量的評(píng)價(jià)[9,10,11,12]。

1.3歐共體地下水資源綜合研究的基本作法

歐共體各國聯(lián)合在區(qū)域地下水開采資源評(píng)價(jià)方面作了有益的嘗試，1982年出版了由聯(lián)邦德國水文地質(zhì)學(xué)家佛利德主編《歐共體地下水資源》綜合報(bào)告，此項(xiàng)成果是為提供給供水管理和計(jì)劃當(dāng)局使用，也供國家和地方政府決策者使用，范圍包括了當(dāng)時(shí)的歐共體九個(gè)成員國。項(xiàng)目共分四個(gè)專題，每個(gè)專題建立了數(shù)據(jù)庫。第四專題的思路和作法有借鑒之處。該專題討論全區(qū)“潛在可擴(kuò)大開采的資源量（potential additional resource）”，反映當(dāng)時(shí)水文地質(zhì)學(xué)家試圖在總結(jié)水文地質(zhì)條件和地下水開采 現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，定量評(píng)價(jià)全區(qū)各地的潛在可擴(kuò)大開采的地下水資源量，以便更好地為供水規(guī)劃和管理服務(wù)。

該專題中首先對(duì)“含水層系統(tǒng)的資源量”給出了如下的定主義：“對(duì)于一個(gè)含水層系統(tǒng)，資源量等于多年平均補(bǔ)給量減去為滿足各種經(jīng)濟(jì)的、技術(shù)的、生態(tài)的限制條件所需的水量”。這個(gè)定義表示，只考慮利用地下水含水層的調(diào)節(jié)能力并不破壞環(huán)境的條件下可抽出的地下水量，是受一定技術(shù)和經(jīng)濟(jì)條件限制的，但未考慮消耗儲(chǔ)存量，并以非承壓含水層為主的計(jì)算和評(píng)價(jià)對(duì)象。

其次對(duì)“潛在可擴(kuò)大開采的資源量”作了說明，資源量減去現(xiàn)狀開采量等于“可擴(kuò)大開采的資源量”。此項(xiàng)研究認(rèn)為，地下水補(bǔ)給量應(yīng)滿足多年的水均衡方程式：

I+QS=P-ETR

式中：I—降水入滲補(bǔ)量；QS—地表徑流量；P—降水量；ETR—蒸發(fā)蒸騰量。

計(jì)算“潛在可擴(kuò)大開采的資源量”后，得出了全區(qū)地下水潛力的總體概念，共可劃分五種類型的地區(qū)：（1）可擴(kuò)大開采的資源為正值，有擴(kuò)大開采地下水潛力的地區(qū)（2）引值為零，可維持現(xiàn)狀開采的地區(qū)（3）此值為負(fù)數(shù)，地下水已超采的地區(qū)（4）具有局部有供水意義的地下水資源的地區(qū)（5）無地下水資源地區(qū)。此次計(jì)算的結(jié)果表明：地下水水超采區(qū)占丹麥國土的16%，占英國國土的4%。

1.4我國地下水資源評(píng)價(jià)的現(xiàn)狀及展望

自20世紀(jì)70年代以來，由于應(yīng)用數(shù)學(xué)和地下水動(dòng)力學(xué)的相互滲透，以及電算技術(shù)的推廣和應(yīng)用，大大豐富和突破了傳統(tǒng)水文地質(zhì)學(xué)的內(nèi)容，使水文地質(zhì)從定性研究發(fā)展到定量研究的新階段。地下水資源計(jì)算的基本理論，從穩(wěn)定流發(fā)展到非穩(wěn)定流，從二維流發(fā)展到三維流，從一般均衡法、比擬法進(jìn)到解析解、數(shù)值解。舉凡有限單元或有限差分法、相關(guān)分析法以及解析法等，在地下水資源評(píng)價(jià)中得到普遍應(yīng)用，因而不論在理論上和具體計(jì)算技術(shù)上，都較以前提高到一個(gè)新的水平。

80年代后期是地下水資源研究的一個(gè)重要標(biāo)志，是把主要目標(biāo)逐漸轉(zhuǎn)向管理模型的研究，即研究如何合理開發(fā)、利用、調(diào)控和保護(hù)地下水資源，使之處于對(duì)人類生活與生產(chǎn)最有利狀態(tài)。因此它不僅涉及水文地質(zhì)學(xué)和各個(gè)領(lǐng)域，而且涉及與地下水開發(fā)活動(dòng)有關(guān)的自然環(huán)境、社會(huì)環(huán)境和技術(shù)經(jīng)濟(jì)環(huán)境等各方面的問題，通過數(shù)學(xué)模型和最優(yōu)化技術(shù)，建立地下水管理模型，實(shí)現(xiàn)管理目標(biāo)。

目前，地下水資源的研究范疇日益擴(kuò)大，從地下水資源的定義、分類，到地下水系統(tǒng)的研究，發(fā)展到地下水系統(tǒng)與自然環(huán)境系統(tǒng)和社會(huì)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)相互關(guān)系的研究，從概念模型、數(shù)學(xué)模型，發(fā)展到管理模型的研究，從信息系統(tǒng)發(fā)展到專家決策系統(tǒng)的研究，從水資源管理發(fā)展到水資源保護(hù)的研究等等，所以地下水資源的研究，實(shí)際上包括從水資源評(píng)價(jià)到水資源管理與保護(hù)的全過程，逐漸形成了一門獨(dú)立的分支學(xué)科，可以稱之為“水資源水文地質(zhì)學(xué)”。展望21世紀(jì)，在地下水資源理論研究方面，將以滲流理論為基礎(chǔ)，以水資源水文地質(zhì)學(xué)為重點(diǎn)，以模型研究為中心，加快開發(fā)三維地理信息系統(tǒng)在模型研究中的應(yīng)用。

參考文獻(xiàn)

[1] WMO/UNESCO.Report on water resources assement. UK Oxford：Words and Publication.1991.

[2] Bindeman，N.N.Yazvin，L.S.The main problems of regional evaluation of exploitation groundwater resources，International symposium on development of groundwater resources，prodeeding Vol.4：427-437，1973.

[3] G.卡斯塔尼，周秀芬譯.法國水資源評(píng)價(jià)方法、數(shù)據(jù)及地下水分布.水文地質(zhì)工程地質(zhì)譯叢，第3期，1981.

[4] Freeze，R.A.and Cherry，J.A. Groundwater.Prentive—Hall Inc.，1979.

[5] Mandel，S.and Shiften，Z.L.Groundwater Resources Investigation and Development.Academic Press，1981.

[6] Hamil，L. and Bell，F(xiàn).G.GroundwaterResources Development，1986.

[7] Bredehoeft，J.D.，et al.Groundwater Models.The Vnesco Press，1982.

[8] 柴畸達(dá)雄著，王秉忱等譯.地下水盆地管理（理論與實(shí)踐）.地質(zhì)出版社，1982.

[9] 陳夢雄等.我國區(qū)域地下水資源評(píng)價(jià)的若干問題及有關(guān)意見.全國地下水資源評(píng)價(jià)經(jīng)驗(yàn)交流會(huì)論文選.地質(zhì)出版社，1983.

[10] 王大純，張人權(quán)，史毅虹.水文地質(zhì)學(xué)基礎(chǔ).地質(zhì)出版社，1980。

[11] 機(jī)械工業(yè)勘測單位編.供水水文地質(zhì)手冊.地質(zhì)出版社，1983.

[12] 冶金工業(yè)部主編.供水水文地質(zhì)勘察規(guī)范（GBJ17-88）.中國計(jì)劃出版社，1989.

[13] Margat J.les eaux souteerraines dans le monde.France Orleans：BRGM.1990.