地下水勘察第五章

第五章地下水资源管理第一节地下水资源管理基本含义第二节地下水资源管理的内容第三节地下水管理的技术方法第四节地下水资源管理模型的组成第五节地下水集中参数管理模型第六节地下水分布参数管理模型第一节地下水资源管理基本含义地下水管理是与地下水的存储、传输和抽取的合理规划和利用有关的地下水系统的管理活动。它包括地下水天然补给的防护和人工补给的利用，抽水地点的优选和抽水量随时空变化的设计，地下水水质的保护，废水改良，以及地表水和地下水（包括引进水和资源化水等其他水源）的协调开发和利用等。基本目的把危害地下水可持续开发利用的因素减至最少，其危害程度减至最小，使用水者从环境、经济和技术上获得最大的效益。通过地下水管理进行：1、优选水源；2、未来需水量；3、环境保护措施；4、人工补给；5、水源联合开发等问题进行长远考虑和设计，以满足各用水户的需水要求。第二节地下水管理的内容地下水管理的内容，随着地区和目的不同而不同。但地下水资源管理的基本内容包括：1、地下水水位的控制和优化2、地下水水质的改良、控制及分质供水的调度3、人工补给与地下水库的建立和调蓄4、健全的水资源管理机构和合理的水资源法规一、地下水水位的控制和优化因为地下水开发利用所引起的一系列环境问题，在多数情况下都是地下水位升降的结果。因此，控制和优化地下水水位显然是地下水管理的最基本内容，而地下水动态分析又是优化控制地下水位的研究基础。二、地下水水质的改良、控制及分质供水的调度在地下水水质尚未出现恶化的地区，地下水管理应着重于建立地下水补给区、水源地和水井的卫生防护带，控制三废排放和地下水的过量开采。在地下水已受污染的地区，要严格控制地下水开采量和减少三废排放量，治理污染源。必要时，要调整水井布局，或进行人工补给地下水，以控制和改善地下水水质和环境地质问题。二、地下水水质的改良、控制及分质供水的调度在土壤次生盐碱化区，应尽量采取井灌、井排、井渠相结合的方式，合理开发利用地下水，以降低地下水水位，促进水盐良性循环，达到改良盐碱地的目的。在滨海地区，在开发利用地下水的同时，要监测盐、淡水混合带（界面）的运移方向与速度，模拟其运移规律，为制定或调整沿海地区布井方案提供科学依据。二、地下水水质的改良、控制及分质供水的调度在有不同水质并存的供水地区，从水资源管理角度出发，要加强区内各种水源的合理分配，实行不同标准水质的分级管理，对不同用水户实行分质供水，使区内地表水、地下水、污水、废水、弃水得到充分利用，最终达到改善地区之间，上下游之间和工农业之间的争水局面，缓解、改善水源紧缺的危机。三、人工补给与地下水库的建立人工回灌是地表水和地下水联合运转的纽带。其回灌工程的种类一般分漫灌和井灌两种。人工回灌要注意解决好回灌水源、回灌水质的问题，需对回灌后的地下水水位和水质进行监测，并进行变化趋势预报。最终要评价人工回灌的社会效益、经济效益和环境效益。三、人工补给与地下水库的建立利用地下空间调蓄水资源，在国外已有多年历史。60年代中期，以色列就利用含水层调蓄地区内的水资源，解决了供水水源短缺的问题。美国加州的圣贝纳迪诺水管理区，在1978年曾把加州北部的多余地表水人工补给地下水，在含水层内储存6000多万方水，以备干旱时期抽水使用。三、人工补给与地下水库的建立地下水库开发利用的最佳管理方案是地下水库交替开发的方案，即在旱季，或在停止地表供水的时期取用地下水库的水，而在雨季蓄水。为了充分发挥地下水库的作用，在抽取库水时，其取水量一般可以大于正常开采量，以便为雨季天然或人工蓄水时腾出库容。为专门目的服务的地下水管理内容1、为城市生活和工业用水服务的地下水管理2、矿区供排结合的地下水管理3、为农业用水服务的地下水管理4、区域水资源的统一规划和合理调配为城市生活和工业用水服务的地下水管理1、控制城市发展规模，调整工业结构，合理配置水源地；2、控制地下水过量开采，开发地下水库，进行水资源的时空优化调蓄；3、合理开发利用水资源，努力实行分质供水；4、严格执行地下水资源的保护和开发利用的监督措施。为城市生活和工业用水服务的地下水管理一般来说，地下水水质优良，不易受污染，应主要用来满足居民饮用水的需要，剩余部分可用作特殊工业的生产供水。城市水资源管理部门应对城市工农业、文化娱乐用水的特点进行全面分析，并根据按质论价的水法条例，最终实行分质供水，以达到充分发挥水资源开发的潜力，保证城市供水的需要。矿区供排结合的地下水管理一般情况下，矿区都存在供水和排水问题。尤其是在地下水补给条件好、富水性强的地下采矿地区，实行供排结合的地下水管理尤为重要。区域水资源的统一规划和合理调配区域水资源的统一规划的目的在于对流域内的地表水和地下水（包括再生水），上、下游用水，工农业用水和生活用水，生态环境美化与文化娱乐用水等实行统一规划，以达到合理开发水资源，实现优化配水，提高流域内各用户用水的综合效益的目的。上述各种为专门目的服务的地下水管理内容和要求都可以通过建立和运用专门性的地下水管理模型来实现管理的最终目标。第三节地下水管理的技术方法一、水文地质勘查技术方法二、地下水信息的现代化管理方法三、地下水优化管理与决策的技术方法一、水文地质勘查技术方法1、已有成果和资料的收集工作(1)水资源开发利用现状及未来供水规划(2)含水层的特征及地下水资源的形成条件(3)环境、生态条件(4)水均衡项目和水的均衡状态2、补充勘查工作(1)补充勘探工作(2)各种水文地质试验工作(3)动态观测工作(4)水文地质图件的编制二、地下水信息的现代化管理方法1、地下水数据库系统2、地下水管理信息系统（GroundwaterManagementInformationSystem）3、专家系统在地下水管理中的应用三、地下水优化管理与决策的技术方法1、数学模型法（1）水文地质问题与数学模型（2）地下水数学模型的建立与应用2、优化规划法（1）线性规划法（2）非线性规划法（3）动态规划法（4）多目标规划法3、系统动力学（SD）方法4、层次分析法第四节地下水资源管理模型的组成一、决策变量二、目标函数三、约束条件一、决策变量通过操纵可控变量，可对地下水系统进行调配，并使系统的目标最终达到最优。该可控变量称为决策变量。对于地下水资源管理，可能的决策变量有：1、抽水量在空间和时间上的分布；2、人工补给量在空间和时间上的分布；3、与含水层有联系的地表水体的水位；4、所开采地下水的水质；5、新增加的抽水井和人工补给设施的出水能力及其地点和使用时间等。在实际工作中，可根据具体的管理目标和当地的水文地质条件，选取决策变量。二、目标函数在地下水资源管理中，每一个问题都有一个明确的目标。这个目标以决策变量的函数式来表示，称为目标函数。最常用的目标函数如下：1、使供水系统在运营期限内所得的净利润的总值达到极大值；2、使单位体积水的供水成本（或开发水资源投资）达到极小值；3、为控制地下水位持续下降，使管理区内各结点水位总降深最小，或采用人工回灌时，地下水位回升最大；4、在规定的降深下，求出水量最大，等等。三、约束条件在地下水管理工作中，解决每一个问题时都要受到一定条件的约束。它常用决策变量的数学表达式表示，称为约束条件。包括：1、水量约束2、水位约束3、水质约束4、均衡约束1、水量约束如管理区内用水量之和不得大于当地总供水量指标（包括由外区引进水量）；抽水量不应超过抽水设备的出水能力；管理区内各亚区的开采量要保证满足当地工农业和生活用水的需求，等。2、水位约束包括为防止、控制和改善管理区内各种环境地质问题（如水位持续下降、含水层疏干、泉水减少或断流、地面沉降、海水入侵、水质恶化、土壤盐碱化等）的产生和发展的地下水位升、降数值的限定约束。3、水质约束包括根据不同供水（人工补给）目的，要求抽出的地下水（回灌水源）中的某（些）化学组分和物理性质不得超过相应的水质标准的约束，以及污水排放的水质限制约束等等。4、均衡约束多以地下水流状态方程或联合地下水溶质运移方程作为水均衡约束的等式约束条件。其目的在于保证地下水管理模型在寻优运转过程中必须服从地下水运动的客观规律。根据具体情况的不同，可以取以上各项中有关的项目作为约束条件。此外，还可能有社会、经济等约束条件。根据地下水系统的参数分布形式，将地下水管理模型划分为：1、集中参数管理模型：主要用于地下水系统的宏观规划和控制；2、分布参数管理模型：用于水文地质研究程度较高的地区，进行具体的地下水资源调配和管理。第五节地下水集中参数管理模型集中参数系统的地下水管理模型主要用于宏观地控制地下水的开发和利用。其管理模型也是由目标函数和约束条件构成，与分布参数管理模型的区别在于其中的水均衡约束要通过集中参数系统的地下水模拟模型来确定，然后将其与优化模型相结合，即形成管理模型。常见的模拟模型有以下几种：1、区域地下水均衡模型：可确定地下水库的最佳水位变幅和库容，评价地下水资源量，求出区域地下水的最佳开采量。2、回归分析模型：如泉流量与降水量、地下水水位与地下水开采量、地下水水位与降水量之间等的一元或多元回归模型。3、时间序列模型：自回归（AR）模型、自回归滑动平均（ARMA）模型、自回归积分滑动平均（ARIMA）模型和调和分析模型等。4、灰色系统模型：5、其它模型：Markov模型、Mante-Carlo模型等。第六节地下水分布参数管理模型地下水分布参数管理模型，由于可模拟地下水系统内不同时间各空间点上的地下水状态，从而大大提高了管理模型的精度及实用性。地下水分布参数管理模型是目前应用最广泛的地下水管理模型。如前所述，地下水资源管理模型是一种耦合模型。目前，实现耦合的方法有两种，即响应矩阵（methodofresponsematrix）和嵌入法（embeddingmethod）。一、响应矩阵法根据线性系统原理，地下水位降深是开采量与地下水位降深响应系数的卷积积分。它表达了地下水系统内脉冲（开采量或注水量）与响应（地下水位升、降）之间的关系。其中响应系数常以矩阵形式表达，并作为优化管理模型中一组约束条件，以实现与优化模型的耦合，故称为响应矩阵法。这种方法是将地下水流模拟模型与优化管理模型分开求解，便于在微型计算机上实现，所以它得到越来越广泛的应用。二、嵌入法把地下水水流模拟模型用一个线性代数方程组表示，然后把这个方程组作为优化管理模型的一部分约束条件，来实现模拟模型与优化模型的耦合。用嵌入法建立的地下水管理模型，其地下水水流与管理模型运行是同时进行的，二者一步完成。对于用数值法建立的地下水水流模拟模型，要把数值离散后形成的线性代数方程组，以约束条件的形式“嵌入”到管理模型中。