國內外水資源評價的研究現狀

劉柱　孫霞　李楠

摘? 要：文章詳細分析國內外水資源評價的研究進展，仔細分析了解析法、水均衡法、數值模擬方法等地下水評價方法的優缺點。水均衡法和數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最廣泛應用的方法。

關鍵詞：水資源評價;評價方法;水均衡法;數值模擬方法

中圖分類號：TV213? ? ? ? ?文獻標志碼：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的主要供水水源造就了條件;加之地下水相較地表水水質不易受到人類活動的直接影響，絕大多數地下水水質良好，使得其作為水源時質量有所保證;且地下水年內和年際變動量一般不大，調蓄能力較強，一系列因素決定了地下水資源的重要性。然而，在一段時間內，地下水的諸多優點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勢不再明顯，這時人類才發現若要繼續使用并永久使用地下水資源，就必須合理開發利用資源。只有清楚水資源評價的研究進展及評價方法，明確當前水資源的狀況，才能為以后的開采提供指導。

地下水資源評價是指從質量、數量以及開發利用條件等三方面對地下水進行評價，地下水資源評價的中心內容是數量評價，而質量評價則是水資源數量評價的前提[1]。

1 國外地下水資源評價研究

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

1856年，達西（法國）通過砂柱滲水實驗發現了達西定律，標志著地下水的研究進入到定量研究階段[2-3]。1883年，裘布依（法國）提出了裘布依假設，在此基礎上推導出了地下水單向流及平面徑向穩定井流公式（裘布依公式），雖然僅能用于簡單問題，但在水文地質學的研究歷程中卻是劃時代的創舉。從二十世紀二十年代開始，地下水在美國被大量開采作為水源，美國當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）推導出承壓水中地下水運動的非穩定井流公式（泰斯公式），是地下水運動理論研究新的里程碑。到上世紀五十年代，雅各布（C.E.Jacob）和漢圖什（MS.Hantush）等提出了存在越流補給條件下的非穩定井流公式，到此地下水運動的理論研究基本上形成了相對完整的體系。隨之又出現了考慮潛水含水層滯后疏干效應的博爾頓（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定流公式，這使得非穩定井流公式得以更加廣泛的應用。

20世紀50年代，已經出現了數值模型求解數值解的思想，只是由于計算量過于龐大，其發展受到限制。20世紀60年代，電子科技急速發展，計算機逐漸被用于大規模數據計算，華爾頓首次對水文地質進行了數值模擬。1970～1980年期間，數值模擬方法的優勢被更多的從業人員所發現，越來越多的地下水資源評價項目都采用數值模擬來完成，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的水資源評價，之后世界其他國家也陸續模仿美國開展。1988年UNESCO與WMO聯合制定了《水資源評價活動-國家評價手冊》，對水資源評價進行明確的定義。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強化了人們合理用水、保護水資源的意識。2000年聯合國發布《世界水發展報告》，水資源評價的必要性和實踐保護水資源的現實意義逐步得到強化。

2 國內地下水資源評價研究

如前所述，中國水資源研究在開始時間上較西方發達國家嚴重脫節，直至上世紀中葉才逐漸起步。然而，中國嚴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，因此水資源評價研究方面的進展也十分迅速，各方面基本工作也都盡力完成。我國于1950～1960年間幾乎完全統計了全國各地較大型河流的河川徑流量;1960～1970年間又統一整編了當時存在的各水文站的基礎性資料;進入八十年代后，整個國家范圍內的水資源評價的全面展開，使全國對水資源現狀有了基本的概念和輪廓。在這段水資源評價理論基礎發展時期，許多行業內的先進人士提出了許多有見地的理論和實踐方法，如賀偉程便明確概括了水資源評價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、包氣帶水轉化關系和評價方法，為后人深入研究奠定了基礎。賈仰文、劉昌明等研究者將引入在水資源評價體系中使用了水文學中的分布式水文模型技術。1999年在《水資源評價導則》指引下形成較完整體系。2001年，“全國水資源綜合規劃”使人們對如何進行水資源評價有更深認識。期間各研究學者相繼開展了水資源評價，如暢明琦采用三水轉化模型對山西辛泉水資源評價，梁秀娟等開展了吉林省西部地區的水資源評價，并有重點地進行當地的三水（地表水、地下水、土壤水）轉化研究。在當代不斷踐行可持續發展的進程中，人類對水資源評價的細節要求越來越高，故而傳統的水資源評價方法由于精細度的欠缺便顯得不和當下時宜，伴隨而生的是一些新型的評價模型體系，如21世紀初提出基于新安江模型、地表-地下資源評價聯合模型的二元動態水循環評價模式等新模型、新方法的提出與應用。因此水資源評價已經由粗陋簡單的測量后修正的簡單靜態形式逐漸演變為“實測-分離-耦合-建模-評價”的多維動態評價的形式。

3 地下水資源評價方法

3.1 解析法

解析法簡而言之是以地下水運動的基本動力學公式為基礎，以偏微分方程的解析解為形式，最終得到允許開采量的結果。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，大多數的實際情況與其前提相去甚遠，本應嚴密、精確的解析解變得與實際情況相差較大，準確解變為近似解。

3.2 水均衡法

水均衡法的根據是基本的物理定律——質量守恒與能量守恒，具體做法是調查所研究地區在所選取的均衡時段內的各項補給項和排泄項，以及實際的地下水儲量變化量，通過水資源均衡方程驗證均衡可靠性。確定均衡誤差在允許范圍內時，即可利用相關項得出允許開采量。水均衡法的關鍵在于要合理確定水文地質參數以獲得準確的均衡項，方法優點是依據可靠、不需要繁雜的微分方程、開展起來迅捷方便，可以在較大范圍內使用，水均衡法不僅通過數據顯示各均衡項的具體值及其對當地水資源的影響，而且以計算驗證均衡可靠性的方式進行自我修正，同時所得結果可作為水資源評價結果，雖然也有準確度上的缺陷，但在當前社會發展階段該法仍不失為評價地下水允許開采量的佳途。隨著問題復雜程度不斷升級，不少研究學者對水均衡法進行了改進和補充。Brown L.J 將地下水同位素法融入到水均衡方法，使得地下水可持續開采資源量的評價的精度大大地提高了。Sophocleous及Frans在原有水均衡方法基礎上有所創新，運用Theis（1940）公式中的動態研究方法，由此形成了動態平衡原理，使得水均衡方法克服其一部分缺陷，充分發揮其優勢。

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

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條件地區的水資源評價，大家發現了水均衡法受補給量影響的一個缺陷，即如果補給量較之其他均衡項小很多時，補給量極易受到蒸發量微妙變化的杠桿作用而發生極大變化，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 數值模擬方法

數值模擬方法是運用計算機技術將研究區進行剖分，對剖分單元內進行均衡計算。常用的數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。數值模擬方法計算理論與方法比較嚴謹，可以適應數據耦合、模擬連續性、時空剖分方法等多個方面的變化。

現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（Groundwater Modeling System），簡稱GMS，是一個功能齊全的、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，用以計算水資源補給和排泄量，而且可以模擬污染物溶質在地下水中的運移過程，用以解決地下水污染預測問題。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上有所欠缺，或在具體模擬過程中不盡完善。

數值模擬方法的優點在于與實際境況差別小、所得結論可以可視化呈現、數據可以直接呈現等;然而，研究區差異參數概化處理導致的誤差是數值模擬的主要缺陷。使的所做出的結果出現模型與實際差別較大，模擬過程分散而效率低下，以及模擬過程與基礎性調查嚴重不契合等現象。

4 結束語

詳細分析水資源評價的研究進展，不難發現中國水資源研究在開始時間上較西方發達國家嚴重脫節，直至上世紀中葉才逐漸起步，最后經過幾代人的努力提出了類似于“實測-分離-耦合-建模-評價”的多維動態評價方法。本文仔細分析了解析法、水均衡法、數值模擬方法等地下水評價方法的優缺點。水均衡法和數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最廣泛應用的方法。

參考文獻：

[1]曹劍峰，遲寶明，王文科.專門水文地質學[M].科學出版社，2006.

[2]薛禹群.中國地下水數值模擬的現狀與展望[J].高校地質學報，2010，16（1）：4-6.

[3]郭曉東，田輝，張梅桂，等.我國地下水數值模擬軟件應用進展[J].地下水，2010，32（4）：5-7.