淺談地下水資源及其環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)

■王立勇

（黑龍江省九〇四水文地質(zhì)工程地質(zhì)勘察院黑龍江哈爾濱150027）

淺談地下水資源及其環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)

■王立勇

（黑龍江省九〇四水文地質(zhì)工程地質(zhì)勘察院黑龍江哈爾濱150027）

水是我們?nèi)祟?lèi)不可缺少的重要資源之一。眾所周知，我國(guó)是一個(gè)人口大國(guó)，雖然幅員遼闊、地大物博，但是人均可用資源有限，尤其是水資源。作為水資源中重要資源之一的地下水資源，有著水質(zhì)好、分布廣泛、便于開(kāi)采利用等多種優(yōu)點(diǎn)。據(jù)有關(guān)部門(mén)統(tǒng)計(jì)，在我國(guó)以地下水作為主要飲用水源的人口大約有70%。近年來(lái)地下水的開(kāi)發(fā)利用規(guī)模日益增大,使地下水位下降而且水質(zhì)變差,這既影響城鄉(xiāng)供水質(zhì)量,危及人體健康,也會(huì)誘發(fā)地質(zhì)環(huán)境問(wèn)題,給經(jīng)濟(jì)建設(shè)帶來(lái)?yè)p失巨大。研究地下水環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)等問(wèn)題并提出綜合防治措施就成了亟待解決的問(wèn)題。地下水環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)研究人類(lèi)活動(dòng)對(duì)地下水質(zhì)的影響,可以確定地下水的污染現(xiàn)狀,也是保護(hù)地下水資源、控制地下水污染的重要手段。水環(huán)境是一個(gè)多因素耦合的復(fù)雜系統(tǒng),目前還沒(méi)有較統(tǒng)一的水質(zhì)評(píng)價(jià)方法。地下水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)中的單項(xiàng)組分評(píng)價(jià)和綜合評(píng)價(jià)過(guò)分強(qiáng)調(diào)污染嚴(yán)重因子的作用。就地下水資源及其環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)，本文作了評(píng)價(jià)。

地下水資源環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)開(kāi)展

1 關(guān)于地下水資源

生產(chǎn)和生活需要利用而又可能利用的地下水，統(tǒng)稱(chēng)地下水資源。是保障生產(chǎn)、生活需要所不可缺少的重要資源。具體來(lái)說(shuō)，地下水資源是指在一定期限內(nèi)，能提供給人類(lèi)使用的，且能逐年得到恢復(fù)的地下淡水量。是水資源的組成部分。通常以地面入滲補(bǔ)給量（包括天然補(bǔ)給量和開(kāi)采補(bǔ)給量）計(jì)算其數(shù)量。因此，地下水資源的開(kāi)采一般不應(yīng)超過(guò)補(bǔ)給量，否則會(huì)給環(huán)境帶來(lái)危害，使生態(tài)條件惡化。

地下水資源主要是由于大氣降水的直接入滲和地表水滲透到地下形成的。因此，一個(gè)地區(qū)的地下水資源豐富與否，首先和地下水所能獲得的補(bǔ)給量與可開(kāi)采的儲(chǔ)存量的多少有關(guān)。在雨量充沛的地方，在適宜的地質(zhì)條件下，地下水能獲得大量的入滲補(bǔ)給，則地下水資源豐富。在干旱地區(qū)，雨量稀少，地下水資源相對(duì)貧乏些。中國(guó)西北干旱區(qū)的地下水有許多是高山融雪水在山前地帶入滲形成的。

中國(guó)還沒(méi)有統(tǒng)一的地下水資源分類(lèi)方案。根據(jù)1979年頒布試行的《供水水文地質(zhì)勘察規(guī)范TJ27～78（試行）》把地下水資源分成補(bǔ)給量、儲(chǔ)存量和允許開(kāi)采量。補(bǔ)給量指天然狀態(tài)或開(kāi)采條件下，通過(guò)各種途徑在單位時(shí)間內(nèi)進(jìn)入所開(kāi)采的含水層中的水量；儲(chǔ)存量指儲(chǔ)存于含水層內(nèi)的重力水的體積；允許開(kāi)采量指在經(jīng)濟(jì)、合理的條件下，從一個(gè)地下水盆地或一個(gè)水文地質(zhì)單元中單位時(shí)間所能取得的水量。在供水中，補(bǔ)給量提供水源，因而起主導(dǎo)作用。儲(chǔ)存量則起調(diào)節(jié)作用，把補(bǔ)給期間得到的水儲(chǔ)存在含水層中，供干旱時(shí)期取用。當(dāng)補(bǔ)給量和儲(chǔ)存量配合恰當(dāng)時(shí),有較大的允許開(kāi)采量。反之,如只有補(bǔ)給量而無(wú)儲(chǔ)存量，干旱時(shí)期就無(wú)水可供開(kāi)采；只有儲(chǔ)存量而無(wú)補(bǔ)給量，開(kāi)采后水量不斷消耗，導(dǎo)致水源枯竭。

也有些學(xué)者把地下水資源分為天然資源和開(kāi)采資源，在天然條件下可供利用的可恢復(fù)的地下水資源稱(chēng)為天然資源，而實(shí)際能開(kāi)采利用的地下水資源稱(chēng)為開(kāi)采資源。由此將地下水資源分為補(bǔ)給資源與儲(chǔ)存資源。

補(bǔ)給資源指參與現(xiàn)代水循環(huán)、不斷更新再生的水量。補(bǔ)給資源是地下含水系統(tǒng)能夠不斷供應(yīng)的最大可能水量；補(bǔ)給資源愈大，供水能力愈強(qiáng)。含水系統(tǒng)的補(bǔ)給資源是其多年平均補(bǔ)給量。儲(chǔ)存資源指在地質(zhì)歷史時(shí)期中不斷累積貯存于含水體系之中的，不參與現(xiàn)代水循環(huán)、（實(shí)際上）不能更新再生的水量。

2 關(guān)于地下水資源的環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)

2.1 概念及其發(fā)展

說(shuō)到資源則都應(yīng)該說(shuō)下其評(píng)價(jià)問(wèn)題，因資源是對(duì)應(yīng)了人類(lèi)社會(huì)發(fā)展程度而言的，因此對(duì)具動(dòng)態(tài)的可再生特點(diǎn)的地下水資源評(píng)價(jià)，應(yīng)在社會(huì)發(fā)展到不同時(shí)期進(jìn)行再評(píng)價(jià)，做到及時(shí)為國(guó)家發(fā)展規(guī)劃提供科學(xué)依據(jù)。為了合理地、長(zhǎng)期地使用地下水資源，在開(kāi)發(fā)之前，一般均應(yīng)對(duì)其量和質(zhì)作出評(píng)價(jià)，以便據(jù)此制定其開(kāi)發(fā)利用和保護(hù)管理規(guī)劃。地下水資源由大氣降水和地表水轉(zhuǎn)化而來(lái)，在地下運(yùn)移，往往再排出地表成為地表水體的源泉。有時(shí)在一個(gè)地區(qū)發(fā)生多次的地表水和地下水的相互轉(zhuǎn)化。故進(jìn)行區(qū)域水資源評(píng)價(jià)時(shí)，應(yīng)防止重復(fù)計(jì)算。

20世紀(jì)50年代以來(lái)，中國(guó)的水文地質(zhì)工作者評(píng)價(jià)地下水量時(shí)，用了H.A.普洛特尼科夫提出的四個(gè)儲(chǔ)量：靜儲(chǔ)量（某一含水層中地下水的年最小體積）、動(dòng)儲(chǔ)量（通過(guò)含水層某一斷面的流量）、調(diào)節(jié)儲(chǔ)量（地下水位年變幅范圍內(nèi)的水體積）和開(kāi)采儲(chǔ)量（流量不會(huì)衰減，水質(zhì)不會(huì)變壞的開(kāi)采量）。由于這四個(gè)儲(chǔ)量不能完善地反映地下水的數(shù)量，從70年代開(kāi)始引用地下水資源的概念，但儲(chǔ)量的概念也未完全放棄。因此，找出兩者之間的關(guān)系，有利于搞好地下水資源評(píng)價(jià)。

2.2 地下水資源評(píng)價(jià)和地下水資源計(jì)算的區(qū)別

地下水資源評(píng)價(jià)和地下水資源計(jì)算（或地下水水量計(jì)算）是兩個(gè)詞義相近但在實(shí)質(zhì)上又有區(qū)別的概念。地下水資源計(jì)算，實(shí)際上就是選用某種公式，計(jì)算出某種類(lèi)型水資源的數(shù)量。而地下水資源評(píng)價(jià)，應(yīng)該包括計(jì)算區(qū)水文地質(zhì)模型的概化、水量計(jì)算模型的選取和水量計(jì)算、對(duì)計(jì)算結(jié)果可靠性的評(píng)價(jià)和允許開(kāi)采資源級(jí)別的確定等一系列的內(nèi)容。

地下水資源計(jì)算方法種類(lèi)繁多，從簡(jiǎn)單的水文地質(zhì)比擬法到復(fù)雜的地下水?dāng)?shù)值模擬；從理論計(jì)算到實(shí)際抽水方法。常用的地下水資源計(jì)算方法有經(jīng)驗(yàn)方法（水文地質(zhì)比擬法）、Q-S曲線方程法、數(shù)值法、水均衡法、動(dòng)態(tài)均衡法、解析法等。

2.3 地下水資源評(píng)價(jià)的開(kāi)展

地下水環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)研究人類(lèi)活動(dòng)對(duì)地下水質(zhì)的影響,可以確定地下水的污染現(xiàn)狀,也是保護(hù)地下水資源、控制地下水污染的重要手段。水環(huán)境是一個(gè)多因素耦合的復(fù)雜系統(tǒng),目前還沒(méi)有較統(tǒng)一的水質(zhì)評(píng)價(jià)方法。地下水資源評(píng)價(jià)包括兩方面內(nèi)容，即水質(zhì)評(píng)價(jià)和水量評(píng)價(jià)。

水質(zhì)評(píng)價(jià)通常采取地下水的樣品送實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行水質(zhì)分析，根據(jù)地下水應(yīng)用的目的，將其和各種水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)（如飲用水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)、各種工業(yè)用水的水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)、灌溉用水的水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)等）相比較，以評(píng)定地下水的適用程度。

一切不符合質(zhì)量要求的地下水都不能作為水資源。為了保障人民身體健康和工農(nóng)業(yè)用水需要，很多國(guó)家已頒發(fā)統(tǒng)一的飲用水、工業(yè)用水及灌溉用水等的水質(zhì)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)（見(jiàn)用水水質(zhì)）。地下水質(zhì)評(píng)價(jià)一般應(yīng)分兩部分：①用取樣分析化驗(yàn)的方法查清地下水的水質(zhì)，對(duì)照水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)評(píng)價(jià)其適用性；②若在水文地質(zhì)勘察過(guò)程中發(fā)現(xiàn)水質(zhì)已受污染或有受污染的可能，則應(yīng)查清污染物質(zhì)及其來(lái)源、污染途徑與污染規(guī)律，在此基礎(chǔ)上預(yù)測(cè)將來(lái)水質(zhì)的變化趨勢(shì)和對(duì)水源地的影響。水質(zhì)變化的預(yù)測(cè)，須通過(guò)由彌散方程、連續(xù)方程、運(yùn)動(dòng)方程和狀態(tài)方程組成的數(shù)學(xué)模型，即彌散系統(tǒng)，用數(shù)值法解算出污染物質(zhì)的濃度隨時(shí)間和地點(diǎn)的變化，從而提出地下水資源的防護(hù)措施。

在巖土中賦存和運(yùn)移的、質(zhì)和量具有一定利用價(jià)值的水。是地球水資源的一部分，與大氣降水資源和地表水資源密切聯(lián)系，互相轉(zhuǎn)化。

地下水水量評(píng)價(jià)方法比較多，大體上可歸納為四類(lèi)。這四類(lèi)分別為：

第一，數(shù)學(xué)模型求解法。這一類(lèi)方法的實(shí)質(zhì)是把水文地質(zhì)條件進(jìn)行概化，用數(shù)學(xué)關(guān)系式表達(dá)，通過(guò)求解這些數(shù)學(xué)公式來(lái)評(píng)價(jià)水量。常用的有兩類(lèi)模型：一類(lèi)為確定性模型，它通常是根據(jù)質(zhì)量守恒原理建立的，包括一個(gè)微分方程(或積分方程)和一組定解條件。適用于地下水運(yùn)動(dòng)的機(jī)理和水文地質(zhì)條件比較清楚時(shí)。另一類(lèi)為隨機(jī)模型,模型中包含有一個(gè)或數(shù)個(gè)隨機(jī)變量,常用在水文地質(zhì)條件尚未查清，但積累的實(shí)際觀測(cè)資料較多時(shí)（見(jiàn)地下水?dāng)?shù)學(xué)模擬）。利用數(shù)學(xué)模型評(píng)價(jià)地下水資源，自始至終是和水文地質(zhì)勘察、地下水資源管理密切結(jié)合進(jìn)行的。在水文地質(zhì)勘察之初,根據(jù)已收集到的資料,初步建立數(shù)學(xué)模型并用它指導(dǎo)勘察工作。在勘察過(guò)程中，一面根據(jù)已查明的水文地質(zhì)條件，對(duì)模型進(jìn)行必要的修改，同時(shí)通過(guò)勘察，取得求解模型所必需的參數(shù)，直到勘察工作結(jié)束。建立了合適的數(shù)學(xué)模型以后，不僅可用來(lái)進(jìn)行地下水資源評(píng)價(jià)，還可指導(dǎo)地下水的合理開(kāi)發(fā)和地下水資源管理。

第二，水量平衡法。也稱(chēng)水均衡法。它是通過(guò)建立水量平衡方程式，并測(cè)定方程式中有關(guān)的收入項(xiàng)和支出項(xiàng)，來(lái)評(píng)價(jià)地下水資源（見(jiàn)地下水動(dòng)態(tài)）。在大面積地下水資源評(píng)價(jià)時(shí)比較適用。為了提高評(píng)價(jià)的準(zhǔn)確度，建立水量平衡方程式時(shí)要全面考慮當(dāng)?shù)氐乃牡刭|(zhì)條件，防止重復(fù)計(jì)算和漏算，水量平衡要素的測(cè)定要準(zhǔn)確并且有代表性。

第三，經(jīng)驗(yàn)比擬法。利用水文地質(zhì)條件類(lèi)似的已開(kāi)采的地區(qū)的資料進(jìn)行比擬，評(píng)價(jià)未知地區(qū)的地下水資源。多用在條件尚未充分查清而評(píng)價(jià)的精度要求又不高的情況下，初步估算地下水資源。

第四，開(kāi)采試驗(yàn)法。適用于小型的水源地。當(dāng)水文地質(zhì)條件復(fù)雜而一時(shí)又難以查清、需水量不大、急需作出評(píng)價(jià)時(shí),可打勘探開(kāi)采井,用接近于未來(lái)的開(kāi)采條件進(jìn)行抽水試驗(yàn)，直接根據(jù)開(kāi)采試驗(yàn)的水量評(píng)價(jià)水源地所能提供的水量。

2.4 地下水資源評(píng)價(jià)時(shí)需注意的因素

地下水資源是由地下水的儲(chǔ)存量和補(bǔ)給量組成的，評(píng)價(jià)時(shí)還須考慮排泄量和開(kāi)采量。

儲(chǔ)存量指當(dāng)前儲(chǔ)存在地下巖層中的水的總量（以體積計(jì)）。它是在長(zhǎng)期的補(bǔ)給和排泄作用下，逐漸在地層中儲(chǔ)積起來(lái)的。與其他流體礦藏不同，地下水的儲(chǔ)存量經(jīng)常處于流動(dòng)中，但速度極為緩慢，甚至一年地下水流動(dòng)不到一米遠(yuǎn)。當(dāng)補(bǔ)給和排泄處于平衡時(shí)，儲(chǔ)存量的數(shù)量保持不變；而當(dāng)補(bǔ)給呈周期性變化時(shí)，儲(chǔ)存量則相應(yīng)地呈周期變化。儲(chǔ)存量的大小，主要取決于含水層的分布面積與其充水和釋水的體積百分比。還與地下水的排泄類(lèi)型（垂直蒸發(fā)、水平溢出）和排泄基準(zhǔn)面（地下水蒸發(fā)的極限深度，地下水溢出面的標(biāo)高或抽水井、渠的開(kāi)采水位，統(tǒng)稱(chēng)排泄基準(zhǔn)面）的高低有關(guān)。在排泄基準(zhǔn)面以下的儲(chǔ)存量,即使斷絕了補(bǔ)給源也能長(zhǎng)期保存,故稱(chēng)之為最小儲(chǔ)存量。

所謂補(bǔ)給量指通過(guò)多種途徑（如降水入滲,地表水滲漏等），自外界進(jìn)入含水層并轉(zhuǎn)化為儲(chǔ)存量的水量（以單位時(shí)間體積計(jì)）。補(bǔ)給量既隨氣象、水文條件的變化及人類(lèi)生產(chǎn)活動(dòng)的影響而改變，又隨排泄條件的變化而改變。只是當(dāng)補(bǔ)給和排泄條件相對(duì)穩(wěn)定時(shí)，補(bǔ)給量才能保持常量。

排泄量指通過(guò)溢出、蒸發(fā)等形式從含水層中排出的流量（以單位時(shí)間體積計(jì)），雖然這一部分水量已脫離含水層而不再歸屬于地下水的范疇，但它主要來(lái)源于地下水的補(bǔ)給量，故可用以反推補(bǔ)給量。當(dāng)?shù)叵滤畡?dòng)態(tài)穩(wěn)定時(shí)，排泄量恰等于補(bǔ)給量，儲(chǔ)存量不變。當(dāng)?shù)叵滤膭?dòng)態(tài)呈周期性變化時(shí)，則每一周期的補(bǔ)給量應(yīng)等于排泄量和儲(chǔ)存量的增量（正或負(fù)）之和。

開(kāi)采量指通過(guò)井、渠從含水層中取出的流量。開(kāi)采地下水可改變地下水的天然流向，使部分排泄量改從井、渠中排出。也可擴(kuò)大地下水的消耗總量，有可能促使補(bǔ)給量增加。例如在下滲和蒸發(fā)的補(bǔ)給排泄類(lèi)型中，因開(kāi)發(fā)將地下水位降低到極限蒸發(fā)深度之下，可使原來(lái)蒸發(fā)損失的地下水轉(zhuǎn)化為開(kāi)采量，而為人們所用。又如在河水補(bǔ)給地下水的情況下，因開(kāi)采而使原來(lái)的地下水位大幅度降低，促使河水更多地補(bǔ)給地下水。當(dāng)存在著這種相互影響時(shí)，地下水資源評(píng)價(jià)必須和地下水開(kāi)采設(shè)計(jì)一起進(jìn)行。開(kāi)采量又分穩(wěn)定的和不穩(wěn)定的兩種，前者是指流量和水位均穩(wěn)定不變，或僅作周期性的波動(dòng)；后者是指流量或水位持續(xù)變小或下降情況下的開(kāi)采量。不引起地面沉降、地下水水質(zhì)惡化或其他不良現(xiàn)象的穩(wěn)定開(kāi)采量稱(chēng)允許開(kāi)采量。

綜上所述，地下水在我國(guó)人民的生活、生產(chǎn)中起到重要作用，它已然在我國(guó)的可持續(xù)發(fā)展中扮演著重要角色。人們?cè)趯?duì)地下水實(shí)施開(kāi)發(fā)利用的同時(shí)也改變著地下水環(huán)境。因此，我們要做好地下水資源的質(zhì)量評(píng)價(jià)，要積極采用多種水質(zhì)評(píng)價(jià)方法，如神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法、灰色系統(tǒng)法、模糊綜合評(píng)價(jià)法、綜合指數(shù)法和物元分析方法等。而且，隨著時(shí)代的發(fā)展，要將人工智能、迷糊數(shù)學(xué)和灰色系統(tǒng)等理論方法與計(jì)算機(jī)技術(shù)結(jié)合后，使得水環(huán)境評(píng)價(jià)更加便捷、科學(xué)、實(shí)用性更高，水環(huán)境評(píng)價(jià)研究也得以飛速發(fā)展起來(lái)。

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