胡廣錄 張克海

(蘭州交通大學(xué)環(huán)境與市政工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730070)

1 地下水資源現(xiàn)狀

在氣候逐漸變暖和人類生產(chǎn)活動規(guī)模不斷擴大的背景下，全球約2/3的地區(qū)面臨著水資源不足的問題。而地下水作為一種可利用水資源，在人們生產(chǎn)生活中扮演的角色也越來越重要。如美國、巴基斯坦和印度等國家灌溉水的50%以上均來自地下水；歐共體各國的居民生活用水主要由地下水供給。由于氣候、地質(zhì)條件不同，地下水稟賦也不盡相同，但其水質(zhì)相對地表水較好，因此不斷地被人們開采利用。如美國和日本等國家雖然地表水資源相對較豐富，但由于地下水資源水質(zhì)優(yōu)于地表水資源，兩國的地下水開采量也達到全國總用水量的20%以上；法國總用水量的1/3來自于地下水；以色列的日常用水量中，大約有75%來自地下水。從全球平均角度分析，全球地下水資源的開采量在20世紀80年代達到5500億m3/a，而到20世紀末期，這一數(shù)據(jù)高達7500億m3/a[1]。近年來，西亞和亞歐大陸西北區(qū)域灌溉井的數(shù)量以每年100萬余眼的幅度增加，致使地下水的開采量遠大于補給量，且這種開采與補給不平衡的區(qū)域面積在逐年增大；也門的高平原地區(qū)，地下水的開采量超過了其地下水補給量的400%，造成了一系列的生態(tài)環(huán)境問題，且由于水資源短缺，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)年經(jīng)濟損失達上億美元。南亞地區(qū)的地下水資源問題也很突出，如在印度南部山區(qū)，由于地下水的開采，單井出水量逐漸減少，含水層逐漸變干，該區(qū)域農(nóng)業(yè)收成的近1/4受到了嚴重威脅，這已影響到該地區(qū)不斷增長的人口對水資源的需求，進而限制了該地區(qū)的經(jīng)濟發(fā)展[2]。北美地區(qū)地下水的開采強度也非常高，如墨西哥的地下含水層幾乎全部處于強過量開采狀態(tài)，P.Castellazzi et al.[3]對當?shù)匾粋€灌區(qū)進行調(diào)查后發(fā)現(xiàn)，該灌區(qū)的地下水水位平均下降速度高達1.79～3.30m/a，致使當?shù)剞r(nóng)業(yè)活動的正常進行受到了嚴重的沖擊。綜上，國外很多地區(qū)均存在著地下水開采量和補給量極度不平衡的問題，使得水資源匱乏問題愈發(fā)突出，極大地制約著區(qū)域社會經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展的進程。

我國亦是水資源短缺的國家。綜合全國各地的情況，我國地下水供給量可達全國總用水量的10%～15%，特別是在2000年以后，隨著人口數(shù)量劇增和工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)規(guī)模快速擴大，我國對地下水資源的開采量達到了1091億m3/a。更為嚴峻的是，我國各地對地下水開采利用量仍然在逐年遞增，致使我國多數(shù)城市對地下水的開采量已經(jīng)接近或達到地下水資源承載力極限，甚至有些城市地下水的開發(fā)已經(jīng)嚴重超出地下水資源的承載力。據(jù)有關(guān)資料報道，目前我國共有164片地下水超采區(qū)，總面積達18.13萬km2，其中嚴重超采區(qū)面積7.70萬km2。華北平原作為地下水支撐農(nóng)業(yè)高產(chǎn)的重要糧食產(chǎn)區(qū)之一，地下水長期過量開采，區(qū)域地下水位持續(xù)下降，形成了世界上最大的地下水降落漏斗，引起了國際社會的廣泛關(guān)注。劉敏等[4]研究認為華北平原66.7%的地區(qū)為地下水超采區(qū)，其中57.2%的地市均位于超采未超載區(qū)，9.5%的地市位于超采超載區(qū)。石錦麗[5]對河北省邢臺市1964—2000年的水資源開采利用量進行了統(tǒng)計分析，結(jié)果表明經(jīng)過36年的發(fā)展，邢臺市區(qū)人口數(shù)量累計增加約42.7萬，致使生活取用巖溶水量從200萬m3/a上升到1500萬m3/a，造成了邢臺百泉斷流的嚴重環(huán)境生態(tài)問題。地下水超采不僅造成局部地下水位下降，改變了地下水的天然流場，進而影響地下水資源的質(zhì)量，還會引發(fā)一系列環(huán)境生態(tài)負效應(yīng)，如地面沉降、塌陷、裂縫、海水入侵、生態(tài)環(huán)境持續(xù)惡化等，這些現(xiàn)象在我國各地都有不同程度的發(fā)生，尤其北方部分地區(qū)更加嚴重。江蘇沿海地區(qū)1985—2016年間累積沉降量大于200mm的區(qū)域近1.4萬km2，響水—灌河口的沉降中心連續(xù)3年沉降速率超過40mm/a，是江蘇省目前地面沉降最嚴重的地區(qū)。新疆博州平原區(qū)地下水超采引起地下水位持續(xù)下降、降落漏斗逐年擴大、泉眼消失、濕地萎縮、艾比湖湖面減小、水質(zhì)變差等一系列環(huán)境問題[6]。甘肅省河西走廊地區(qū)，水資源極度匱乏，地表水資源可利用量遠遠達不到當?shù)厣a(chǎn)生活的基本需水量要求，為了維持正常的生產(chǎn)活動，當?shù)氐牡叵滤Y源被大量攫取，致使有些地方出現(xiàn)了“綠洲變荒漠”的嚴重生態(tài)問題，進而加劇了土地荒漠化擴展速度，對當?shù)鼐用竦纳钜矘?gòu)成了嚴重的威脅。與此同時，在我國某些地區(qū)由于工業(yè)“三廢”的不達標排放，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中農(nóng)藥、有機化肥使用量大幅度增加，也導(dǎo)致了地下水的污染程度日趨嚴重，呈現(xiàn)出由點到面、由淺到深、由城市到農(nóng)村的擴展態(tài)勢。另外，我國西北280萬km2的干旱地區(qū)，大氣降雨稀少且蒸發(fā)量大，區(qū)域水資源的分布及利用極度不平衡，很多地方的水資源嚴重不足，工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)一直受到水資源的嚴重制約，經(jīng)濟發(fā)展緩慢，群眾脫貧困難，對地下水資源的過度開采利用所導(dǎo)致的環(huán)境問題也顯得尤為突出。因此，進行地下水資源評價對干旱地區(qū)生態(tài)環(huán)境保護和經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展具有更加重要的現(xiàn)實意義。

2 地下水資源評價

2.1 評價方法

地下水系統(tǒng)是一個包括地質(zhì)環(huán)境、地下水動力學(xué)和地下水化學(xué)子集的綜合系統(tǒng)。由于各地的資源稟賦、地質(zhì)構(gòu)造、人口分布、社會經(jīng)濟活動的差異，對區(qū)域地下水資源評價所采用的方法也各不相同，且在不斷地更新和發(fā)展。指標體系法是一種常用的可持續(xù)開發(fā)利用評價方法，美國、澳大利亞學(xué)者考慮天然指標、政策及管理問題建立的指標體系模型(GRA-AHP模型)對有關(guān)地區(qū)地下水資源的可持續(xù)性功能進行了評價[7-8]，評價結(jié)果具有一定的針對性和時效性。熵權(quán)-密切值法是多目標決策方案的一種優(yōu)選方法，其基本思想是找出盡可能接近“最優(yōu)點”而遠離“最劣點”的決策點[9]，該方法已在國內(nèi)外水質(zhì)評價工作中得到廣泛應(yīng)用，取得了較為理想的結(jié)果。此外，水量均衡法、潛力指數(shù)法、長期動態(tài)分析法、單因子評價法、綜合質(zhì)量評價法、物元分析法、灰色理論法、模糊評價法等方法也被各國學(xué)者廣泛應(yīng)用到地下水質(zhì)量評價中，各方法優(yōu)缺點并存，限于文章篇幅，不作一一評述。

20世紀90年代后期，隨著數(shù)學(xué)以及計算機技術(shù)的不斷發(fā)展，國外學(xué)者開始探索將數(shù)學(xué)原理與計算機模擬相結(jié)合的方式用于地下水資源評價中，如遺傳算法、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法及基于運籌學(xué)原理的評價方法等。數(shù)值模擬的方法主要是關(guān)于隨機變量的隨機地下水管理模型和具有非線性約束的非線性實用性地下水管理模型的建模和求解技術(shù)。由于計算機模型可以將地下水系統(tǒng)的數(shù)值模擬模型和優(yōu)化模型有機耦合，因此受到了眾多學(xué)者的青睞。M.Daniel et al.[10]運用帶約束條件的微分動態(tài)規(guī)劃(DDP)成功地實現(xiàn)了多級水庫的優(yōu)化控制，進而為地下水的評價工作提供了新的思路。人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是由人工神經(jīng)元經(jīng)廣泛的連接而形成的大規(guī)模自適應(yīng)非線性動力學(xué)系統(tǒng)，由于其具有良好的非線性映射功能和自學(xué)習(xí)功能等特點，為建立大型地下水系統(tǒng)非線性預(yù)測和管理模型提供了一條新途徑。如M.Saeedi et al.[11]提出的采用誤差反向傳播算法的BP(Back-Propagation Network)網(wǎng)絡(luò)模型已在地下水評價工作中得到了廣泛的應(yīng)用。另外，D.Machiwal et al.[12]采用的多元統(tǒng)計分析和基于GIS的地質(zhì)統(tǒng)計建模技術(shù)，能更好地描述地下水質(zhì)量問題；S.Javadi et al.[13]利用K-均值聚類分析法對含水層的脆弱性進行了分類評價，并提出了相對應(yīng)的保護措施。

我國的地下水資源評價研究在20世紀80年代后逐漸得到國家和各科研單位的重視。國務(wù)院分別于1986年和2002年對全國地下水資源量進行了綜合評價，在此期間我國主要運用的是流域水量均衡法。流域水量均衡法是基于某一區(qū)域某一時間內(nèi)地下水的水平衡理論的評價方法，在評價過程中所需含水層參數(shù)較少，可結(jié)合試驗參數(shù)進行評價。近年來，我國的科學(xué)技術(shù)快速發(fā)展，在地下水評價工作中結(jié)合了計算機技術(shù)和數(shù)值模擬技術(shù)。數(shù)值模擬法可以利用實驗參數(shù)(給水度、滲透系數(shù)、降水入滲補給系數(shù)等)對形狀復(fù)雜、邊界條件復(fù)雜的水文地質(zhì)單元進行研究[14]。如劉誠[6]在分析新疆博州平原區(qū)水文地質(zhì)條件的基礎(chǔ)上，建立了博州平原區(qū)水文地質(zhì)概念模型和地下水流數(shù)學(xué)模型，進一步利用地下水模型軟件Processing Modflow建立了平原區(qū)地下水數(shù)值模擬模型，并利用地下水位長期監(jiān)測資料對模型參數(shù)進行了識別驗證，使模型具有較好的模擬仿真度。此外，還可結(jié)合數(shù)值模型，摸擬動態(tài)條件下各個計算單元的各種補給量和排泄量變化，故此方法目前在我國應(yīng)用廣泛，且取得了較為豐碩的成果。如謝新民等[15]根據(jù)華北地區(qū)地下水補給、排放規(guī)律，參考“四水”轉(zhuǎn)化原理，提出了二元耦合模型，有效改善了地下水資源的運算過程，提高了模擬結(jié)果的精確度。在我國的地下水評價工作中，各學(xué)者還靈活運用了BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、SD模型、DRASTIC模型、GIS系統(tǒng)等技術(shù)[16-17]，且評價成果顯著。

2.2 評價內(nèi)容

地下水資源評價內(nèi)容主要包括水量和水質(zhì)兩個方面，其中水量評價即對地下水資源可開采量進行評估，對各種水資源量進行計算，確定允許開采量及用水保證率。而水質(zhì)評價則主要是對含水層的水資源污染狀況進行考察，動態(tài)監(jiān)測水質(zhì)的優(yōu)劣，最終研判地下水資源的實用性以及所要采取的保護對策。通過水質(zhì)和水量評價可對長時間開采條件下引起的不良環(huán)境地質(zhì)問題進行深入研究和分析，并制定出科學(xué)有效的防治建議。

2.2.1 水量評價

地下水可開采量的評價方法主要有實際開采量調(diào)查法、可開采系數(shù)法和多年調(diào)節(jié)計算法。地下水水量的評價核心目標是對其允許開采量進行評估。因此對地下水水量評價時要堅持以下兩個原則：?水量平衡原則，即在枯水季或枯水年可對地下儲存的水進行一定程度的開采利用，而在豐水季或豐水年再對其進行補充，但最基本的要求是對地下水的開采量不能超過多年平均補給量；?可持續(xù)利用原則，即確保能夠長期持續(xù)穩(wěn)定地開采地下水資源，使得水資源開發(fā)利用的環(huán)境、經(jīng)濟效益科學(xué)化、合理化。李貴寶等[18]對韓國的地下水儲存量進行了評估，計算結(jié)果表明韓國地下水資源量為132.6億m3，地下水含水層分為沖積層含水層和巖石含水層兩類。巖雪松[19]通過對日本的地下水資源進行評估，認為日本地下水可采量為138.0億m3/a。尹書樂等[20]的研究表明，2018年我國總用水量為6015.5億m3，其中地下水的供給量達到了13%，部分地方出現(xiàn)了嚴重的地下水超采現(xiàn)象。王小軍等[21]的研究表明，在1994—2010年共計17年中，我國北方平原地區(qū)的地下水儲存量除1994年和1998年外均呈現(xiàn)減小趨勢，且17年中地下水儲存量累計減少600億m3。張生海等[22]利用水量均衡法在對山東省萊州市地下水資源在枯水年、多年平均及豐水年降水入滲補給量進行計算的基礎(chǔ)上，得出研究區(qū)地下水允許開采量為3916萬m3/a，除王河水文地質(zhì)區(qū)松散巖類孔隙水地下水資源開采潛力較大外，其余區(qū)域地下水資源開采潛力一般，應(yīng)有限制地開采。有研究計算得出，甘肅省地下水天然補給資源量為132.79億m3/a，而可開采量為53.89億m3/a，但實際開采量遠遠超過這一極限，出現(xiàn)了一系列如地面漏斗、地基沉降和河流斷流的嚴重生態(tài)環(huán)境問題[23]。我國干旱地區(qū)長年缺水，導(dǎo)致人類的生存和生產(chǎn)活動受到了嚴重的限制，因此對我國干旱地區(qū)的地下水資源量進行科學(xué)評價是促進干旱地區(qū)經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展的基礎(chǔ)。李愛軍[24]計算了河西走廊段疏勒河、黑河、石羊河三大流域上中下游地區(qū)面積約30萬km2的地下水資源量，結(jié)果顯示河西走廊地下水資源總量為5.58億m3/a，其中疏勒河流域為1.61億m3/a，黑河流域為2.66億m3/a，石羊河流域為1.31億m3/a。魏曉妹等[25]對石羊河流域綠洲農(nóng)業(yè)發(fā)展對地表水與地下水轉(zhuǎn)化影響研究表明，20世紀50—90年代，受流域氣候變暖、河道外引水量增加及渠系水利用系數(shù)提高的影響，流域平原區(qū)地下水補給量減少了45.7%，而隨開采量的增加，武威盆地泉水溢出量削減了73.5%。因此，對我國北方干旱半干旱區(qū)的地下水量進行全面地評估，已經(jīng)迫在眉睫。通過對當?shù)氐牡叵滤Y源量進行科學(xué)評價并進行地下水資源開采利用程度的區(qū)域劃分，可為當?shù)卣跋嚓P(guān)部門合理制定地下水資源管理制度提供理論依據(jù)。

2.2.2 水質(zhì)評價

隨著人類生活條件的不斷改善，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)技術(shù)不斷提升，有機化肥、農(nóng)藥的使用量大幅度增加，工業(yè)生產(chǎn)中的化學(xué)廢品的排放量也大幅度增加，致使地表水資源和地下水資源的污染問題日益嚴重。甘肅省河西走廊疏勒河灌區(qū)地下水開發(fā)利用以農(nóng)業(yè)用水為主，由于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)大量使用氮肥，氨氮指標最大值超Ⅲ類標準0.7倍，是造成灌區(qū)地下水面源污染的主要因素[26]。制藥廢水在排放過程中污水管道發(fā)生滲漏所造成的地下水污染問題一直備受關(guān)注，也是目前地下水污染中較難解決的問題之一。新鄭市某制藥廠廢水排放過程中管道滲漏，地下水中污染物CODCr濃度嚴重超標，污染暈隨地下水的流向而擴散，造成場區(qū)周圍地下水明顯污染[27]。由于地下水污染通常是由工業(yè)、農(nóng)業(yè)、人類生活所造成的，因此全球各地均存在著地下水污染的問題。美國西部、中西部和東北部部分地區(qū)地下水砷含量均超過了世衛(wèi)組織規(guī)定的飲用水水質(zhì)標準(10ug/L)[28]；截至2002年底，日本地下水污染事例累計達到3719件，且井眼超出地下水環(huán)境基準的污染事件高達2509例[29]。各國針對所面臨的地下水污染問題，建立了縱橫交錯的地下水監(jiān)測站網(wǎng)，如美國地下水水質(zhì)監(jiān)測站網(wǎng)密度為0.40站/100km2，英國地下水水質(zhì)監(jiān)測站網(wǎng)密度為0.40站/100km2，荷蘭地下水水質(zhì)監(jiān)測站網(wǎng)密度為1.07站/100km2，而我國地下水水質(zhì)監(jiān)測站網(wǎng)密度僅為0.01站/100km2[30]。我國由于大面積的地下水污染使得可利用地下水資源量大大減少，這更加劇了我國的水資源緊缺程度，尤其干旱地區(qū)，使得區(qū)域生態(tài)環(huán)境進一步惡化。劉基等[31]的研究表明呼倫貝爾煤電基地的潛水和承壓水均屬于堿性水，具有較高的礦化度，平均硬度值分別為254.81mg/L和208.22mg/L，水化學(xué)特征主要受含鈉和鈣硅酸鹽的溶濾作用影響，致使區(qū)域生活用水、農(nóng)業(yè)用水受到一定程度的限制。于登高[32]采用單項組分評價法和綜合評價法對定西市內(nèi)官水源地地下水水質(zhì)進行了評價，結(jié)果表明1999—2010年區(qū)域內(nèi)地下水由于過度開采造成地下水位線呈波狀式遞減，大量化肥農(nóng)藥的施用使水質(zhì)從上游到下游逐漸變差，常規(guī)化學(xué)組分的增加導(dǎo)致溶解性總固體和總硬度升高，水質(zhì)逐年惡化明顯，水質(zhì)屬于較差—極差類，不適用人飲要求。周斌[33]對敦煌市的地下水資源及其生態(tài)環(huán)境效應(yīng)的研究表明，目前綠洲灌區(qū)鹽漬化面積達1000hm2以上，迫使部分土地棄耕；受土地沙化、鹽漬化及水資源供給不足的影響，綠洲部分地區(qū)農(nóng)作物因缺水而減產(chǎn)10%～15%，有些地方的部分樹木因生態(tài)水供給不足而出現(xiàn)枯死現(xiàn)象，生態(tài)環(huán)境有進一步惡化的危險。2017年《中國水資源公報》對我國2145個地下水監(jiān)測點的數(shù)據(jù)統(tǒng)計表明，我國地下水水質(zhì)總體較差，水質(zhì)優(yōu)良的測站僅有20個，水質(zhì)良好的測站為504個，無水質(zhì)較好的測站，水質(zhì)較差的測站高達1307個，水質(zhì)極差的測站有314個。因此，在人類生活條件不斷提高的社會背景下，全面摸查和評價地下水水質(zhì)狀況是保障區(qū)域地下水可供生產(chǎn)生活利用的先決條件，是區(qū)域地下水資源有效管理的基礎(chǔ)，對促進區(qū)域生態(tài)環(huán)境改善也具有重要意義。

3 展 望

地下水資源評價的理念、方法及技術(shù)都不是一成不變的。隨著全球氣候變暖和人類生產(chǎn)條件的不斷變化、先進技術(shù)的不斷涌現(xiàn)，地下水資源的評價工作也須不斷革新。因此未來應(yīng)加強以下幾個方面的研究：

a.由于大氣過程、地表水文過程及地下水文過程之間具有密切的聯(lián)系，且人類活動對三者的過程均具有嚴重影響，這使得人們在日常生產(chǎn)活動中只是片面地認識到某一個或某一方面的問題，致使人們對“三水”轉(zhuǎn)化機理的認識存在一定的局限性，故不能綜合考量地下水超采所帶來的相關(guān)水環(huán)境問題。因此，建立氣候、陸地水文、地下水文之間的耦合模型，科學(xué)評估地下水資源儲存量、補給量和可利用量之間的平衡關(guān)系是未來開展研究的重中之重。

b.在生態(tài)系統(tǒng)遭到人類活動劇烈影響的情況下，維持人類發(fā)展與生態(tài)環(huán)境之間的平衡是當前的研究關(guān)鍵。地下水資源對生態(tài)系統(tǒng)的平衡起著至關(guān)重要的作用，進行地下水資源的開發(fā)利用須考慮生態(tài)平衡問題。故建立地下水資源評價模型和生態(tài)系統(tǒng)評價模型的耦合機制是當前地下水資源評價中急需解決的科學(xué)問題之一。

c.水質(zhì)監(jiān)測是地下水資源評價的基礎(chǔ)工作，水質(zhì)的惡化就意味著可利用水量的減少。加之我國各流域跨度大，管理工作受到地域的限制，因此在以后的地下水資源管理工作中，應(yīng)加強區(qū)域化、流域化的管理，建立健全全流域長效水質(zhì)監(jiān)測機制，從流域尺度出發(fā)制定因地制宜的地下水管理制度，進而從源頭上控制地下水污染，保證地下水質(zhì)量，提高可利用的地下水水量。

d.隨著國家水信息系統(tǒng)的逐步公開，以及3S技術(shù)的推廣應(yīng)用，未來地下水評價研究中應(yīng)充分將云計算技術(shù)、GIS技術(shù)、虛擬仿真技術(shù)等與水資源評估模型、水文及水資源管理信息庫有效結(jié)合，借助先進的計算機技術(shù)平臺大力提升地下水資源評價工作的效率和質(zhì)量。

e.隨著工業(yè)化、城市化進程的加快，大量工業(yè)未列入地下水水質(zhì)監(jiān)測的痕量有機污染物進入地下水環(huán)境，對生態(tài)環(huán)境和人類健康造成新的威脅。加強對地下水水化學(xué)特征的重新認識，是事關(guān)國民經(jīng)濟和人民生活安全的重大問題，未來水文地球化學(xué)分析與同位素示蹤技術(shù)相結(jié)合將在研究地下水中痕量有機污染物的來源、遷移轉(zhuǎn)化等方面發(fā)揮重要作用。