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地下水资源研究现状及展望

来源:用户上传      作者: 张宝 彭志帆 赵锁志

  摘要:地下水资源进行准确评价与科学管理是人类对地下水资源进行有效开发利用的前提和基础,当今世界面临的“人口、资源、环境”三大问题,都直接或间接地与地下水有关。本文阐述了原苏联、美国、欧共体和我国地下水资源评价与管理的现状,对水资源管理和保护发展趋势进行了展望。
  
  关键词:地下水资源 评价 管理
  
  前言
  水和空气是人类赖以生存的两种最重的物质。据世界气象组织和联合国教科文组织2000年报告[1],全球水消耗量由20世纪初的5000×108m3/a,到20世纪末已增长至50000×108m3/a,即增长约10倍,按地区分布,欧洲和亚洲用水量增长最快,北美洲和非洲居中,南美洲和大洋洲增长最慢。据法国水文地质学家J.马尔盖和印度等最新资料,全球在80年代中后期地下水开采量为5500×108m3/a,其中开采量大于100×108m3/a的美国、印度、中国、巴基斯坦、欧共体、独联体、伊郎、墨西哥、日本、土耳其等十个国家和地区的开采量之和占全球总开采量的85%,地下水年开采量在(10-100)×108m3/a的近30个国家,其总开采量占全球地下水开采量约10%。上述数据说明,全球地下水开发极度不平衡。这与各国自然条件、人口密度、社会经济发展水平、开发利用地下水历史经验等因素有关。
  当今世界面临的“人口、资源、环境”三大问题,都直接或间接地与地下水有关。据美国地质调查局统计资料,全美有52.5%的人口依赖地下水作为饮用水[1]。我国的情况大致与此相当,仅以地表水相对丰富的江苏省为例:目前开采地下水的机井约有12000眼,民井10000眼,地下水开采总量达到15×108m3/a,可以说对地下水资源进行准确评价与科学管理是人类对地下水资源进行有效开发利用的前提和基础。
  1.1原苏联区域性地下水天然资源和开采资源的评价
  1960年苏联水文地质学家B.H.库德林教授在《地下水天然资源区域评价原则》一书中,系统地提出了应用水文-水文地质综合方法分解河流水文河流水文图和评价》一书中,系统地提出提出了应用水文-水文综合方法分解河流水文图和据此评价地下径流的原理和实例,1965年B.H.库德林教授主编了《苏联地下水天然资源图》(比例尺1/500万)和《苏联领土的地下径流》专著[2],对于有水文网发育的广大领土,采用的主要方法是河流水文图成因分解法,对于地下水主要靠降水入渗补给而又主要消耗于蒸发的地区,利用地下水动态资料评价地下水资源,积极交替带的地下径流用多年平均模数(L/km2・a)在等值线在图上表示。
  俄罗斯水文地质学家H.C.泽克茨尔应用类似的方法编制了全欧洲地下径流模数图(1989年),综合地反映了地形、岩性、降水等因素对各地的地下径流形成的控制作用,他还主持完成了国际水文计划项目“地下水在水文循环和大陆水均衡中的作用”,有美国、加拿大、印度等专家参加,该项目成果报告于1990年出版,并附有世界地下径流图(1/100万)。
  60年代中期,为配合制订“苏联水资源利用总体规划”,由当时任全苏水文地质工程地质研究所所长的普洛特尼柯夫教授主持编制了“苏联地下水开采资源图(1/500万)”,计算范围仅包括平原、盆地、丘陵区,采用的主要方法是按平均布井方案,用解析法预测在一定允许降深下的可开采量,当时给定的条件是允许动用一部分储存量,但在开采期50年之末,地下水位下降至距地表不超100m,且疏干含水层不得超过其厚度之一半,图上反映了各地区地下水开采资源模数。
  1.2美国的区域含水层系统分析计划
  美国联邦地质调查局(USGS)于70年代后斯开始执行区域含水层系统分析计划(RASAP)是一项很有特色的庞大计划,1976年和1977年美国西部连续遇到特大干旱,水资源问题引起全国公众的关注,经国会批准许立项拨款,USGS开始执行此项为期17年的计划(1978--1994),以研究大面积分布的层状含水层系统的地下水资源为主要内容,对在全美领土上圈定的28个区域含水层系统进行评价,共分两大类型,各个区域含水层系统是一个项目,作为“区域含水层系统计划分析”计划的一个组成部分,于1991年提交了第一份大区域水资源图集。
  此时,各种数值计算法也日趋成熟,为实现地下水系统的管理提供了良好的基础。RASAP计划采用分布参数系统的有限差分法评价地下水资源,一般采用正方形规则网格,有些面积大的区域的网格边长可达10km或15km,以综合整理和分析研究现有资料为主,有的项目也补打少量控制性探孔,取得深部水文地质资料和必要的计算参数[3,4,5,6,7]。
  美国是私有制社会,在地下水的开发制度、法律、规章等方面的与其它国家相比,美国具有丰富的水资源,在其200多年的发展历史中,一直占有全国供水充足的良机[8]。
  发展演变都围绕着如何解决用水争端,在用户中公平地分配地下水,节约或延长可利用的供水水源等问题。虽然他们早已将地下水看作整个水资源的一部分,但直到50年代初仍认为地下水是一种“局部”资源,水源地仍以泉、单井或小井群供水为主,因此,有关研究多注重含水层、单井或井群涌水量的评价[9,10,11,12]。
  1.3欧共体地下水资源综合研究的基本作法
  欧共体各国联合在区域地下水开采资源评价方面作了有益的尝试,1982年出版了由联邦德国水文地质学家佛利德主编《欧共体地下水资源》综合报告,此项成果是为提供给供水管理和计划当局使用,也供国家和地方政府决策者使用,范围包括了当时的欧共体九个成员国。项目共分四个专题,每个专题建立了数据库。第四专题的思路和作法有借鉴之处。该专题讨论全区“潜在可扩大开采的资源量(potential additional resource)”,反映当时水文地质学家试图在总结水文地质条件和地下水开采 现状的基础上,定量评价全区各地的潜在可扩大开采的地下水资源量,以便更好地为供水规划和管理服务。
  该专题中首先对“含水层系统的资源量”给出了如下的定主义:“对于一个含水层系统,资源量等于多年平均补给量减去为满足各种经济的、技术的、生态的限制条件所需的水量”。这个定义表示,只考虑利用地下水含水层的调节能力并不破坏环境的条件下可抽出的地下水量,是受一定技术和经济条件限制的,但未考虑消耗储存量,并以非承压含水层为主的计算和评价对象。
  其次对“潜在可扩大开采的资源量”作了说明,资源量减去现状开采量等于“可扩大开采的资源量”。此项研究认为,地下水补给量应满足多年的水均衡方程式:
  I+QS=P-ETR
  式中:I―降水入渗补量;QS―地表径流量;P―降水量;ETR―蒸发蒸腾量。
  计算“潜在可扩大开采的资源量”后,得出了全区地下水潜力的总体概念,共可划分五种类型的地区:(1)可扩大开采的资源为正值,有扩大开采地下水潜力的地区(2)引值为零,可维持现状开采的地区(3)此值为负数,地下水已超采的地区(4)具有局部有供水意义的地下水资源的地区(5)无地下水资源地区。此次计算的结果表明:地下水水超采区占丹麦国土的16%,占英国国土的4%。
  1.4我国地下水资源评价的现状及展望
  自20世纪70年代以来,由于应用数学和地下水动力学的相互渗透,以及电算技术的推广和应用,大大丰富和突破了传统水文地质学的内容,使水文地质从定性研究发展到定量研究的新阶段。地下水资源计算的基本理论,从稳定流发展到非稳定流,从二维流发展到三维流,从一般均衡法、比拟法进到解析解、数值解。举凡有限单元或有限差分法、相关分析法以及解析法等,在地下水资源评价中得到普遍应用,因而不论在理论上和具体计算技术上,都较以前提高到一个新的水平。
  80年代后期是地下水资源研究的一个重要标志,是把主要目标逐渐转向管理模型的研究,即研究如何合理开发、利用、调控和保护地下水资源,使之处于对人类生活与生产最有利状态。因此它不仅涉及水文地质学和各个领域,而且涉及与地下水开发活动有关的自然环境、社会环境和技术经济环境等各方面的问题,通过数学模型和最优化技术,建立地下水管理模型,实现管理目标。
  目前,地下水资源的研究范畴日益扩大,从地下水资源的定义、分类,到地下水系统的研究,发展到地下水系统与自然环境系统和社会经济系统相互关系的研究,从概念模型、数学模型,发展到管理模型的研究,从信息系统发展到专家决策系统的研究,从水资源管理发展到水资源保护的研究等等,所以地下水资源的研究,实际上包括从水资源评价到水资源管理与保护的全过程,逐渐形成了一门独立的分支学科,可以称之为“水资源水文地质学”。展望21世纪,在地下水资源理论研究方面,将以渗流理论为基础,以水资源水文地质学为重点,以模型研究为中心,加快开发三维地理信息系统在模型研究中的应用。
  
  参考文献
  [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,周秀芬译.法国水资源评价方法、数据及地下水分布.水文地质工程地质译丛,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.G.Groundwater Resources Development,1986.
  [7] Bredehoeft,J.D.,et al.Groundwater Models.The Vnesco Press,1982.
  [8] 柴畸达雄著,王秉忱等译.地下水盆地管理(理论与实践).地质出版社,1982.
  [9] 陈梦雄等.我国区域地下水资源评价的若干问题及有关意见.全国地下水资源评价经验交流会论文选.地质出版社,1983.
  [10] 王大纯,张人权,史毅虹.水文地质学基础.地质出版社,1980。
  [11] 机械工业勘测单位编.供水水文地质手册.地质出版社,1983.
  [12] 冶金工业部主编.供水水文地质勘察规范(GBJ17-88).中国计划出版社,1989.
  [13] Margat J.les eaux souteerraines dans le monde.France Orleans:BRGM.1990.
  

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