地下水资源评价综述

胡广录 张克海

(兰州交通大学环境与市政工程学院，甘肃 兰州 730070)

1 地下水资源现状

在气候逐渐变暖和人类生产活动规模不断扩大的背景下，全球约2/3的地区面临着水资源不足的问题。而地下水作为一种可利用水资源，在人们生产生活中扮演的角色也越来越重要。如美国、巴基斯坦和印度等国家灌溉水的50%以上均来自地下水；欧共体各国的居民生活用水主要由地下水供给。由于气候、地质条件不同，地下水禀赋也不尽相同，但其水质相对地表水较好，因此不断地被人们开采利用。如美国和日本等国家虽然地表水资源相对较丰富，但由于地下水资源水质优于地表水资源，两国的地下水开采量也达到全国总用水量的20%以上；法国总用水量的1/3来自于地下水；以色列的日常用水量中，大约有75%来自地下水。从全球平均角度分析，全球地下水资源的开采量在20世纪80年代达到5500亿m3/a，而到20世纪末期，这一数据高达7500亿m3/a[1]。近年来，西亚和亚欧大陆西北区域灌溉井的数量以每年100万余眼的幅度增加，致使地下水的开采量远大于补给量，且这种开采与补给不平衡的区域面积在逐年增大；也门的高平原地区，地下水的开采量超过了其地下水补给量的400%，造成了一系列的生态环境问题，且由于水资源短缺，农业生产年经济损失达上亿美元。南亚地区的地下水资源问题也很突出，如在印度南部山区，由于地下水的开采，单井出水量逐渐减少，含水层逐渐变干，该区域农业收成的近1/4受到了严重威胁，这已影响到该地区不断增长的人口对水资源的需求，进而限制了该地区的经济发展[2]。北美地区地下水的开采强度也非常高，如墨西哥的地下含水层几乎全部处于强过量开采状态，P.Castellazzi et al.[3]对当地一个灌区进行调查后发现，该灌区的地下水水位平均下降速度高达1.79～3.30m/a，致使当地农业活动的正常进行受到了严重的冲击。综上，国外很多地区均存在着地下水开采量和补给量极度不平衡的问题，使得水资源匮乏问题愈发突出，极大地制约着区域社会经济可持续发展的进程。

我国亦是水资源短缺的国家。综合全国各地的情况，我国地下水供给量可达全国总用水量的10%～15%，特别是在2000年以后，随着人口数量剧增和工农业生产规模快速扩大，我国对地下水资源的开采量达到了1091亿m3/a。更为严峻的是，我国各地对地下水开采利用量仍然在逐年递增，致使我国多数城市对地下水的开采量已经接近或达到地下水资源承载力极限，甚至有些城市地下水的开发已经严重超出地下水资源的承载力。据有关资料报道，目前我国共有164片地下水超采区，总面积达18.13万km2，其中严重超采区面积7.70万km2。华北平原作为地下水支撑农业高产的重要粮食产区之一，地下水长期过量开采，区域地下水位持续下降，形成了世界上最大的地下水降落漏斗，引起了国际社会的广泛关注。刘敏等[4]研究认为华北平原66.7%的地区为地下水超采区，其中57.2%的地市均位于超采未超载区，9.5%的地市位于超采超载区。石锦丽[5]对河北省邢台市1964—2000年的水资源开采利用量进行了统计分析，结果表明经过36年的发展，邢台市区人口数量累计增加约42.7万，致使生活取用岩溶水量从200万m3/a上升到1500万m3/a，造成了邢台百泉断流的严重环境生态问题。地下水超采不仅造成局部地下水位下降，改变了地下水的天然流场，进而影响地下水资源的质量，还会引发一系列环境生态负效应，如地面沉降、塌陷、裂缝、海水入侵、生态环境持续恶化等，这些现象在我国各地都有不同程度的发生，尤其北方部分地区更加严重。江苏沿海地区1985—2016年间累积沉降量大于200mm的区域近1.4万km2，响水—灌河口的沉降中心连续3年沉降速率超过40mm/a，是江苏省目前地面沉降最严重的地区。新疆博州平原区地下水超采引起地下水位持续下降、降落漏斗逐年扩大、泉眼消失、湿地萎缩、艾比湖湖面减小、水质变差等一系列环境问题[6]。甘肃省河西走廊地区，水资源极度匮乏，地表水资源可利用量远远达不到当地生产生活的基本需水量要求，为了维持正常的生产活动，当地的地下水资源被大量攫取，致使有些地方出现了“绿洲变荒漠”的严重生态问题，进而加剧了土地荒漠化扩展速度，对当地居民的生活也构成了严重的威胁。与此同时，在我国某些地区由于工业“三废”的不达标排放，农业生产中农药、有机化肥使用量大幅度增加，也导致了地下水的污染程度日趋严重，呈现出由点到面、由浅到深、由城市到农村的扩展态势。另外，我国西北280万km2的干旱地区，大气降雨稀少且蒸发量大，区域水资源的分布及利用极度不平衡，很多地方的水资源严重不足，工农业生产一直受到水资源的严重制约，经济发展缓慢，群众脱贫困难，对地下水资源的过度开采利用所导致的环境问题也显得尤为突出。因此，进行地下水资源评价对干旱地区生态环境保护和经济可持续发展具有更加重要的现实意义。

2 地下水资源评价

2.1 评价方法

地下水系统是一个包括地质环境、地下水动力学和地下水化学子集的综合系统。由于各地的资源禀赋、地质构造、人口分布、社会经济活动的差异，对区域地下水资源评价所采用的方法也各不相同，且在不断地更新和发展。指标体系法是一种常用的可持续开发利用评价方法，美国、澳大利亚学者考虑天然指标、政策及管理问题建立的指标体系模型(GRA-AHP模型)对有关地区地下水资源的可持续性功能进行了评价[7-8]，评价结果具有一定的针对性和时效性。熵权-密切值法是多目标决策方案的一种优选方法，其基本思想是找出尽可能接近“最优点”而远离“最劣点”的决策点[9]，该方法已在国内外水质评价工作中得到广泛应用，取得了较为理想的结果。此外，水量均衡法、潜力指数法、长期动态分析法、单因子评价法、综合质量评价法、物元分析法、灰色理论法、模糊评价法等方法也被各国学者广泛应用到地下水质量评价中，各方法优缺点并存，限于文章篇幅，不作一一评述。

20世纪90年代后期，随着数学以及计算机技术的不断发展，国外学者开始探索将数学原理与计算机模拟相结合的方式用于地下水资源评价中，如遗传算法、人工神经网络方法及基于运筹学原理的评价方法等。数值模拟的方法主要是关于随机变量的随机地下水管理模型和具有非线性约束的非线性实用性地下水管理模型的建模和求解技术。由于计算机模型可以将地下水系统的数值模拟模型和优化模型有机耦合，因此受到了众多学者的青睐。M.Daniel et al.[10]运用带约束条件的微分动态规划(DDP)成功地实现了多级水库的优化控制，进而为地下水的评价工作提供了新的思路。人工神经网络是由人工神经元经广泛的连接而形成的大规模自适应非线性动力学系统，由于其具有良好的非线性映射功能和自学习功能等特点，为建立大型地下水系统非线性预测和管理模型提供了一条新途径。如M.Saeedi et al.[11]提出的采用误差反向传播算法的BP(Back-Propagation Network)网络模型已在地下水评价工作中得到了广泛的应用。另外，D.Machiwal et al.[12]采用的多元统计分析和基于GIS的地质统计建模技术，能更好地描述地下水质量问题；S.Javadi et al.[13]利用K-均值聚类分析法对含水层的脆弱性进行了分类评价，并提出了相对应的保护措施。

我国的地下水资源评价研究在20世纪80年代后逐渐得到国家和各科研单位的重视。国务院分别于1986年和2002年对全国地下水资源量进行了综合评价，在此期间我国主要运用的是流域水量均衡法。流域水量均衡法是基于某一区域某一时间内地下水的水平衡理论的评价方法，在评价过程中所需含水层参数较少，可结合试验参数进行评价。近年来，我国的科学技术快速发展，在地下水评价工作中结合了计算机技术和数值模拟技术。数值模拟法可以利用实验参数(给水度、渗透系数、降水入渗补给系数等)对形状复杂、边界条件复杂的水文地质单元进行研究[14]。如刘诚[6]在分析新疆博州平原区水文地质条件的基础上，建立了博州平原区水文地质概念模型和地下水流数学模型，进一步利用地下水模型软件Processing Modflow建立了平原区地下水数值模拟模型，并利用地下水位长期监测资料对模型参数进行了识别验证，使模型具有较好的模拟仿真度。此外，还可结合数值模型，摸拟动态条件下各个计算单元的各种补给量和排泄量变化，故此方法目前在我国应用广泛，且取得了较为丰硕的成果。如谢新民等[15]根据华北地区地下水补给、排放规律，参考“四水”转化原理，提出了二元耦合模型，有效改善了地下水资源的运算过程，提高了模拟结果的精确度。在我国的地下水评价工作中，各学者还灵活运用了BP神经网络、SD模型、DRASTIC模型、GIS系统等技术[16-17]，且评价成果显著。

2.2 评价内容

地下水资源评价内容主要包括水量和水质两个方面，其中水量评价即对地下水资源可开采量进行评估，对各种水资源量进行计算，确定允许开采量及用水保证率。而水质评价则主要是对含水层的水资源污染状况进行考察，动态监测水质的优劣，最终研判地下水资源的实用性以及所要采取的保护对策。通过水质和水量评价可对长时间开采条件下引起的不良环境地质问题进行深入研究和分析，并制定出科学有效的防治建议。

2.2.1 水量评价

地下水可开采量的评价方法主要有实际开采量调查法、可开采系数法和多年调节计算法。地下水水量的评价核心目标是对其允许开采量进行评估。因此对地下水水量评价时要坚持以下两个原则：ⓐ水量平衡原则，即在枯水季或枯水年可对地下储存的水进行一定程度的开采利用，而在丰水季或丰水年再对其进行补充，但最基本的要求是对地下水的开采量不能超过多年平均补给量；ⓑ可持续利用原则，即确保能够长期持续稳定地开采地下水资源，使得水资源开发利用的环境、经济效益科学化、合理化。李贵宝等[18]对韩国的地下水储存量进行了评估，计算结果表明韩国地下水资源量为132.6亿m3，地下水含水层分为冲积层含水层和岩石含水层两类。岩雪松[19]通过对日本的地下水资源进行评估，认为日本地下水可采量为138.0亿m3/a。尹书乐等[20]的研究表明，2018年我国总用水量为6015.5亿m3，其中地下水的供给量达到了13%，部分地方出现了严重的地下水超采现象。王小军等[21]的研究表明，在1994—2010年共计17年中，我国北方平原地区的地下水储存量除1994年和1998年外均呈现减小趋势，且17年中地下水储存量累计减少600亿m3。张生海等[22]利用水量均衡法在对山东省莱州市地下水资源在枯水年、多年平均及丰水年降水入渗补给量进行计算的基础上，得出研究区地下水允许开采量为3916万m3/a，除王河水文地质区松散岩类孔隙水地下水资源开采潜力较大外，其余区域地下水资源开采潜力一般，应有限制地开采。有研究计算得出，甘肃省地下水天然补给资源量为132.79亿m3/a，而可开采量为53.89亿m3/a，但实际开采量远远超过这一极限，出现了一系列如地面漏斗、地基沉降和河流断流的严重生态环境问题[23]。我国干旱地区长年缺水，导致人类的生存和生产活动受到了严重的限制，因此对我国干旱地区的地下水资源量进行科学评价是促进干旱地区经济可持续发展的基础。李爱军[24]计算了河西走廊段疏勒河、黑河、石羊河三大流域上中下游地区面积约30万km2的地下水资源量，结果显示河西走廊地下水资源总量为5.58亿m3/a，其中疏勒河流域为1.61亿m3/a，黑河流域为2.66亿m3/a，石羊河流域为1.31亿m3/a。魏晓妹等[25]对石羊河流域绿洲农业发展对地表水与地下水转化影响研究表明，20世纪50—90年代，受流域气候变暖、河道外引水量增加及渠系水利用系数提高的影响，流域平原区地下水补给量减少了45.7%，而随开采量的增加，武威盆地泉水溢出量削减了73.5%。因此，对我国北方干旱半干旱区的地下水量进行全面地评估，已经迫在眉睫。通过对当地的地下水资源量进行科学评价并进行地下水资源开采利用程度的区域划分，可为当地政府及相关部门合理制定地下水资源管理制度提供理论依据。

2.2.2 水质评价

随着人类生活条件的不断改善，农业生产技术不断提升，有机化肥、农药的使用量大幅度增加，工业生产中的化学废品的排放量也大幅度增加，致使地表水资源和地下水资源的污染问题日益严重。甘肃省河西走廊疏勒河灌区地下水开发利用以农业用水为主，由于农业生产大量使用氮肥，氨氮指标最大值超Ⅲ类标准0.7倍，是造成灌区地下水面源污染的主要因素[26]。制药废水在排放过程中污水管道发生渗漏所造成的地下水污染问题一直备受关注，也是目前地下水污染中较难解决的问题之一。新郑市某制药厂废水排放过程中管道渗漏，地下水中污染物CODCr浓度严重超标，污染晕随地下水的流向而扩散，造成场区周围地下水明显污染[27]。由于地下水污染通常是由工业、农业、人类生活所造成的，因此全球各地均存在着地下水污染的问题。美国西部、中西部和东北部部分地区地下水砷含量均超过了世卫组织规定的饮用水水质标准(10ug/L)[28]；截至2002年底，日本地下水污染事例累计达到3719件，且井眼超出地下水环境基准的污染事件高达2509例[29]。各国针对所面临的地下水污染问题，建立了纵横交错的地下水监测站网，如美国地下水水质监测站网密度为0.40站/100km2，英国地下水水质监测站网密度为0.40站/100km2，荷兰地下水水质监测站网密度为1.07站/100km2，而我国地下水水质监测站网密度仅为0.01站/100km2[30]。我国由于大面积的地下水污染使得可利用地下水资源量大大减少，这更加剧了我国的水资源紧缺程度，尤其干旱地区，使得区域生态环境进一步恶化。刘基等[31]的研究表明呼伦贝尔煤电基地的潜水和承压水均属于碱性水，具有较高的矿化度，平均硬度值分别为254.81mg/L和208.22mg/L，水化学特征主要受含钠和钙硅酸盐的溶滤作用影响，致使区域生活用水、农业用水受到一定程度的限制。于登高[32]采用单项组分评价法和综合评价法对定西市内官水源地地下水水质进行了评价，结果表明1999—2010年区域内地下水由于过度开采造成地下水位线呈波状式递减，大量化肥农药的施用使水质从上游到下游逐渐变差，常规化学组分的增加导致溶解性总固体和总硬度升高，水质逐年恶化明显，水质属于较差—极差类，不适用人饮要求。周斌[33]对敦煌市的地下水资源及其生态环境效应的研究表明，目前绿洲灌区盐渍化面积达1000hm2以上，迫使部分土地弃耕；受土地沙化、盐渍化及水资源供给不足的影响，绿洲部分地区农作物因缺水而减产10%～15%，有些地方的部分树木因生态水供给不足而出现枯死现象，生态环境有进一步恶化的危险。2017年《中国水资源公报》对我国2145个地下水监测点的数据统计表明，我国地下水水质总体较差，水质优良的测站仅有20个，水质良好的测站为504个，无水质较好的测站，水质较差的测站高达1307个，水质极差的测站有314个。因此，在人类生活条件不断提高的社会背景下，全面摸查和评价地下水水质状况是保障区域地下水可供生产生活利用的先决条件，是区域地下水资源有效管理的基础，对促进区域生态环境改善也具有重要意义。

3 展 望

地下水资源评价的理念、方法及技术都不是一成不变的。随着全球气候变暖和人类生产条件的不断变化、先进技术的不断涌现，地下水资源的评价工作也须不断革新。因此未来应加强以下几个方面的研究：

a.由于大气过程、地表水文过程及地下水文过程之间具有密切的联系，且人类活动对三者的过程均具有严重影响，这使得人们在日常生产活动中只是片面地认识到某一个或某一方面的问题，致使人们对“三水”转化机理的认识存在一定的局限性，故不能综合考量地下水超采所带来的相关水环境问题。因此，建立气候、陆地水文、地下水文之间的耦合模型，科学评估地下水资源储存量、补给量和可利用量之间的平衡关系是未来开展研究的重中之重。

b.在生态系统遭到人类活动剧烈影响的情况下，维持人类发展与生态环境之间的平衡是当前的研究关键。地下水资源对生态系统的平衡起着至关重要的作用，进行地下水资源的开发利用须考虑生态平衡问题。故建立地下水资源评价模型和生态系统评价模型的耦合机制是当前地下水资源评价中急需解决的科学问题之一。

c.水质监测是地下水资源评价的基础工作，水质的恶化就意味着可利用水量的减少。加之我国各流域跨度大，管理工作受到地域的限制，因此在以后的地下水资源管理工作中，应加强区域化、流域化的管理，建立健全全流域长效水质监测机制，从流域尺度出发制定因地制宜的地下水管理制度，进而从源头上控制地下水污染，保证地下水质量，提高可利用的地下水水量。

d.随着国家水信息系统的逐步公开，以及3S技术的推广应用，未来地下水评价研究中应充分将云计算技术、GIS技术、虚拟仿真技术等与水资源评估模型、水文及水资源管理信息库有效结合，借助先进的计算机技术平台大力提升地下水资源评价工作的效率和质量。

e.随着工业化、城市化进程的加快，大量工业未列入地下水水质监测的痕量有机污染物进入地下水环境，对生态环境和人类健康造成新的威胁。加强对地下水水化学特征的重新认识，是事关国民经济和人民生活安全的重大问题，未来水文地球化学分析与同位素示踪技术相结合将在研究地下水中痕量有机污染物的来源、迁移转化等方面发挥重要作用。