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综述当前国内外水资源评价

2020-06-09 845 上传者：管理员

摘要：文章详细分析国内外水资源评价的研究进展，仔细分析了解析法、水均衡法、数值模拟方法等地下水评价方法的优缺点。水均衡法和数值模拟方法虽然各存在一定的缺陷，但两者仍是目前地下水资源评价最广泛应用的方法。

关键词：
数值模拟方法
水均衡法
水资源
水资源评价
评价方法
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地下水是重要的淡水资源，在我国水资源整体分布不一致的地域因素条件下，地下水由于其埋藏属性就相对分布均匀，这为其成为我国尤其是北方各省大部分地区的主要供水水源造就了条件；加之地下水相较地表水水质不易受到人类活动的直接影响，绝大多数地下水水质良好，使得其作为水源时质量有所保证；且地下水年内和年际变动量一般不大，调蓄能力较强，一系列因素决定了地下水资源的重要性。然而，在一段时间内，地下水的诸多优点也招致人类大肆无顾忌地开采，使得本文所述的地下水资源的优势不再明显，这时人类才发现若要继续使用并永久使用地下水资源，就必须合理开发利用资源。只有清楚水资源评价的研究进展及评价方法，明确当前水资源的状况，才能为以后的开采提供指导。

地下水资源评价是指从质量、数量以及开发利用条件等三方面对地下水进行评价，地下水资源评价的中心内容是数量评价，而质量评价则是水资源数量评价的前提[1]。

1、国外地下水资源评价研究

鉴于我国对自然科学的多数领域的研究晚于西方国家，对地下水资源评价研究在西方国家也大大早于我国，然而局限于较低的生产力水平，加之地下水研究具有相当高的繁杂性，在1856年之前，人类对地下水始终停留在定性研究上。

1856年，达西（法国）通过砂柱渗水实验发现了达西定律，标志着地下水的研究进入到定量研究阶段[2,3]。1883年，裘布依（法国）提出了裘布依假设，在此基础上推导出了地下水单向流及平面径向稳定井流公式（裘布依公式），虽然仅能用于简单问题，但在水文地质学的研究历程中却是划时代的创举。从二十世纪二十年代开始，地下水在美国被大量开采作为水源，美国当局开始意识到地下水资源的重要性。三十年代中期，泰斯（美国）推导出承压水中地下水运动的非稳定井流公式（泰斯公式），是地下水运动理论研究新的里程碑。到上世纪五十年代，雅各布（C.E.Jacob）和汉图什（MS.Hantush）等提出了存在越流补给条件下的非稳定井流公式，到此地下水运动的理论研究基本上形成了相对完整的体系。随之又出现了考虑潜水含水层滞后疏干效应的博尔顿（N.SJBoulton）公式、考虑潜水三位流和潜水含水层弹性释水的纽曼（Neuman）公式以及非完整井的非稳定流公式，这使得非稳定井流公式得以更加广泛的应用。

20世纪50年代，已经出现了数值模型求解数值解的思想，只是由于计算量过于庞大，其发展受到限制。20世纪60年代，电子科技急速发展，计算机逐渐被用于大规模数据计算，华尔顿首次对水文地质进行了数值模拟。1970～1980年期间，数值模拟方法的优势被更多的从业人员所发现，越来越多的地下水资源评价项目都采用数值模拟来完成，该法一度成为解决繁杂问题的常用方法。

美国于1968年展开首次全国范围内的水资源评价，之后世界其他国家也陆续模仿美国开展。1988年UNESCO与WMO联合制定了《水资源评价活动-国家评价手册》，对水资源评价进行明确的定义。随后1990年的《新德里宣言》、1992年的《都柏林宣言》和1997年1届水论坛等在全世界范围内强化了人们合理用水、保护水资源的意识。2000年联合国发布《世界水发展报告》，水资源评价的必要性和实践保护水资源的现实意义逐步得到强化。

2、国内地下水资源评价研究

如前所述，中国水资源研究在开始时间上较西方发达国家严重脱节，直至上世纪中叶才逐渐起步。然而，中国严重的总水资源量不足和地域分布不均不容我们不奋起直追，因此水资源评价研究方面的进展也十分迅速，各方面基本工作也都尽力完成。我国于1950～1960年间几乎完全统计了全国各地较大型河流的河川径流量；1960～1970年间又统一整编了当时存在的各水文站的基础性资料；进入八十年代后，整个国家范围内的水资源评价的全面展开，使全国对水资源现状有了基本的概念和轮廓。在这段水资源评价理论基础发展时期，许多行业内的先进人士提出了许多有见地的理论和实践方法，如贺伟程便明确概括了水资源评价过程的一系列完整的步骤，并明确地下水与地表水、大气降水、包气带水转化关系和评价方法，为后人深入研究奠定了基础。贾仰文、刘昌明等研究者将引入在水资源评价体系中使用了水文学中的分布式水文模型技术。1999年在《水资源评价导则》指引下形成较完整体系。2001年，“全国水资源综合规划”使人们对如何进行水资源评价有更深认识。期间各研究学者相继开展了水资源评价，如畅明琦采用三水转化模型对山西辛泉水资源评价，梁秀娟等开展了吉林省西部地区的水资源评价，并有重点地进行当地的三水（地表水、地下水、土壤水）转化研究。在当代不断践行可持续发展的进程中，人类对水资源评价的细节要求越来越高，故而传统的水资源评价方法由于精细度的欠缺便显得不和当下时宜，伴随而生的是一些新型的评价模型体系，如21世纪初提出基于新安江模型、地表-地下资源评价联合模型的二元动态水循环评价模式等新模型、新方法的提出与应用。因此水资源评价已经由粗陋简单的测量后修正的简单静态形式逐渐演变为“实测-分离-耦合-建模-评价”的多维动态评价的形式。

3、地下水资源评价方法

3.1解析法

解析法简而言之是以地下水运动的基本动力学公式为基础，以偏微分方程的解析解为形式，最终得到允许开采量的结果。虽然解析法的体系已趋于成熟，公式较全面，然而由于公式是简化模型而得，其使用的前提往往苛刻，大多数的实际情况与其前提相去甚远，本应严密、精确的解析解变得与实际情况相差较大，准确解变为近似解。

3.2水均衡法

水均衡法的根据是基本的物理定律———质量守恒与能量守恒，具体做法是调查所研究地区在所选取的均衡时段内的各项补给项和排泄项，以及实际的地下水储量变化量，通过水资源均衡方程验证均衡可靠性。确定均衡误差在允许范围内时，即可利用相关项得出允许开采量。水均衡法的关键在于要合理确定水文地质参数以获得准确的均衡项，方法优点是依据可靠、不需要繁杂的微分方程、开展起来迅捷方便，可以在较大范围内使用，水均衡法不仅通过数据显示各均衡项的具体值及其对当地水资源的影响，而且以计算验证均衡可靠性的方式进行自我修正，同时所得结果可作为水资源评价结果，虽然也有准确度上的缺陷，但在当前社会发展阶段该法仍不失为评价地下水允许开采量的佳途。随着问题复杂程度不断升级，不少研究学者对水均衡法进行了改进和补充。BrownL.J将地下水同位素法融入到水均衡方法，使得地下水可持续开采资源量的评价的精度大大地提高了。Sophocleous及Frans在原有水均衡方法基础上有所创新，运用Theis(1940）公式中的动态研究方法，由此形成了动态平衡原理，使得水均衡方法克服其一部分缺陷，充分发挥其优势。

水均衡法用于水资源评价适用的情形较多，但由于其不精确的缺陷，范围越小，水循环条件越繁复，各均衡项不确定性越大，则该方法计算的误差越大；且该方法所算得的允许开采量只能作为参考值，不能作为最终规划使用的准确结果。

另外，随着研究者广泛使用水均衡法用于各种不同水文地质条件地区的水资源评价，大家发现了水均衡法受补给量影响的一个缺陷，即如果补给量较之其他均衡项小很多时，补给量极易受到蒸发量微妙变化的杠杆作用而发生极大变化，其可靠性便变得极低。所以，水均衡法又多了一条在气候方面的限制条件。

3.3数值模拟方法

数值模拟方法是运用计算机技术将研究区进行剖分，对剖分单元内进行均衡计算。常用的数值模拟法有边界元法、有限差分法、有限元法、有限体积法等模拟方法。数值模拟方法计算理论与方法比较严谨，可以适应数据耦合、模拟连续性、时空剖分方法等多个方面的变化。

现阶段较普遍使用的地下水模拟模型有：MODFLOW、FEMWATER、GMS、BREATH和SWIM等。地下水模拟系统（GroundwaterModelingSystem），简称GMS，是一个功能齐全的、方便可视化的、汇集各模拟模块的图形界面软件。GMS软件不仅可以模拟地下水流场，用以计算水资源补给和排泄量，而且可以模拟污染物溶质在地下水中的运移过程，用以解决地下水污染预测问题。除GMS外，其他较常用的模拟软件有MODFLOW、ModIME和VisualModflow，但与GMS相比，这些软件或在功能项上有所欠缺，或在具体模拟过程中不尽完善。

数值模拟方法的优点在于与实际境况差别小、所得结论可以可视化呈现、数据可以直接呈现等；然而，研究区差异参数概化处理导致的误差是数值模拟的主要缺陷。使的所做出的结果出现模型与实际差别较大，模拟过程分散而效率低下，以及模拟过程与基础性调查严重不契合等现象。

4、结束语

详细分析水资源评价的研究进展，不难发现中国水资源研究在开始时间上较西方发达国家严重脱节，直至上世纪中叶才逐渐起步，最后经过几代人的努力提出了类似于“实测-分离-耦合-建模-评价”的多维动态评价方法。本文仔细分析了解析法、水均衡法、数值模拟方法等地下水评价方法的优缺点。水均衡法和数值模拟方法虽然各存在一定的缺陷，但两者仍是目前地下水资源评价最广泛应用的方法。

参考文献：

[1]曹剑峰,迟宝明,王文科.专门水文地质学[M].科学出版社,2006.

[2]薛禹群.中国地下水数值模拟的现状与展望[J].高校地质学报,2010,16(1):4-6.

[3]郭晓东,田辉,张梅桂,等.我国地下水数值模拟软件应用进展[J].地下水,2010,32(4):5-7.

刘柱,孙霞,李楠.国内外水资源评价的研究现状[J].科技创新与应用,2020(17):53-54.