『壹』 地下水开发利用的历史与现状
一、地下水开发利用的历史
地下水的开发利用是随着社会经济的发展，用水量的增加及开采技术的提高而越来越高。17世纪中期以前清政府为保护祖先发祥地，对东北地区实施封禁政策，松嫩平原一直处于封禁状态，从1861年起东北陆续开放拉林河流域、伊通河流域、洮儿河流域及嫩江中游。19世纪初，因俄日帝国主义者的侵入，在区内修建了铁路、工厂，城市规模扩大，从而加快了地下水的开发。1908年，长春市在铁北四路建凿了7眼大口井，开始城市供水，日供水能力3000 m3；同年还在胜利公园建井4眼，日供水2000 m3，并同时修建了给水泵站、水塔和供水管线；1932年又在下台子建井14眼，日供水1200 m3，在赵家沟建井7眼，日供水能力4000 m3，并修建水厂，使长春市的地下水开发利用具有了一定规模。1931年白城火车站修建了第一座自来水塔，供机车和铁路职工用水。齐齐哈尔市北市区1949年建起4个自来水厂，日生产能力8000 m3。到1949年时，松嫩平原的人口不过几百万人，生产、生活用水主要开采潜水，取水方式以手压井和大口井为主。新中国成立后，由于松嫩平原是国家重点垦荒种植区，随着农业、工业、油田开发的迅速发展，地下水开始陆续被大规模开采。
20世纪60年代，随着国民经济的发展和对水资源需求的增加，勘探打井技术有了很大进步，城市供水逐步规模化。哈尔滨、大庆、长春、白城等市县先后修建了供水工程。如哈尔滨市到1965年已有开采井250多眼，日开采量达18×104m3左右；长春市在动物园、铁北等地开始有深井4眼，日供水能力2880 m3。白城市有深井2眼，日供水能力5000 m3。
1978年改革开放后，国民经济出现前所未有的快速发展，与此同时，地下水开采也出现了前所未有的规模，掀起了城镇供水勘查高潮，特别是低平原区防病改水工程全面启动，基本实现了病区乡以上居民点的自来水化，大部分重病村屯也安装了自来水，生活用水及工业用水转向以开采第四系和新近系承压水为主，饮用水质量全面提高，饮用高氟潜水的人口逐渐减少，分散居民用水也逐渐转向开采第四系承压水，地下水资源开发利用进入了一个新阶段。
从20世纪70年代未到2004年，地下水开采量增长近3倍。80、90年代是松嫩平原地下水开发的高速增长期，80年代中期到90年代中期，10年地下水开采量增加了9.73×108m3，每年增加近1×108m3；从90年代中期到2004年，每年增加近2×108m3。过去的20年，是地下水开采量增长最快的时期（见图12—1），也是地下水供需矛盾显现和加剧时期，并呈现出越来越紧张的态势。
二、地下水开发利用现状
1999年以来，松嫩平原降水量一直偏少，受其影响地下水补给量也相应减少，降水减少又导致地下水开采量增大，进而引起地下水位下降。原有的地下水下降漏斗进一步扩大，地下水可开采资源减少。目前，全区地下水开采量为58.1594×108m3/a，枯水年全区地下水开采量将达到65×108m3以上。从开采层看，全区以开采潜水为主，占49.2%[图12—2（a）。从行政区看，黑龙江部分地下水开采量为35.6068×108m3/a，占开采总量的61.2%；吉林为21.7924×108m3/a，占37.5%；内蒙古各旗为0.7602×108m3/a，占1.3%。
从供水对象看，农业是用水大户，2004年开采量为42.425×108m3，占总开采量的72.9%；生活用水为8.4026×108m3，占开采量的14.5%；工业用水为7.3317×108m3，占12.6%，见图12—2（b）。
图12—1 松嫩平原近20年来地下水开采量变化
目前，全区有各类开采机井25.6×104眼，平均分布密度为1.01眼/km2，其中黑龙江境内有15.8×104眼，吉林境内有9.8×104眼。分布密度较大的市县有白城、洮南、大庆、长春、甘南、龙江、泰来县和齐齐哈尔，每平方千米机井数都在2.5眼以上。其中白城和洮南机井密度最大，每平方千米达到10眼以上，其次是大庆和甘南县，每平方千米在5眼以上。
图12—2 地下水开采量构成与供水结构图
从地下水开采强度看，开采模数在5×104m3/（km2·a）以上的市县有14个，分别是白城、哈尔滨、绥化、松原、阿城、齐齐哈尔、榆树、绥棱、五常、九台、大庆、德惠、呼兰和长春市，其中白城、哈尔滨、绥化开采模数达10×104m3/（km 2·a）以上。
从地下水系统分析，开采强度最大的是拉林河、阿什河地下水系统，开采模数为5.31×104m3/（km2·a），其次是第二松花江地下水系统，开采模数为4.06×104m3/（km2·a）（见表12—1）。开采量最大是洮儿河、霍林河地下水系统、乌裕尔河、双阳河地下水系统和呼兰河、通肯河地下水系统，年地下水开采量都在11×108m3以上，农业用水量大是这三个地下水系统开采量大的主要原因。
表12—1 各地下水系统现状开采量表
续表
『贰』 地下水资源的污染、治理和保护的研究现状
现在全世界都在关注水资源的危机。1994年在芬兰召开的“地下水资源未来危机”国际学术讨论会主要围绕水质污染及超量开采两大问题。会议认为只要对水资源正确评价，合理规划，严密监测，科学管理，超量开采的问题是可以避免的。而日益严重的水质污染和恶化却成为威胁水资源持久开发的主要危机。国际水文计划（IHP-5）已把“脆弱环境下的水文学与水资源开发”列为1996～2001年的主要研究课题，其中最重要的一个专题，即“地下水资源的未来危机”的内容则包括：地下水污染的研究范畴，探测地下水质的监测策略，包气带地下水供水水质化学作用规律，滨海地区地下水水质恶化，以及城市发展与水质污染等。由此可见，地下水的质量问题是当前水文地质研究的重要内容。
长期以来，人们对地下水资源重开发利用，轻保护。而地下水资源在受到人类活动，如农业生产、垃圾填埋、废水排污等影响时极易被污染。地下水一旦受到污染，其补救和恢复是非常困难的，而且治理费用代价昂贵。因此如何保护地下水不受污染受到各国的重视。
美国于1991年开展了全国水质评价计划。英国、澳大利亚近年来也对地下水水质进行评价研究，对人类活动包括农业活动、工业活动、废物处置、填埋等造成对地下水水质的影响，地质过程与生物相互作用等问题设立了专题研究。
1）地下水的污染和治理
对于已造成地下水污染的地区，国内外许多学者致力于研究污染的物质来源、污染的途径和范围、污染机理等问题，并取得大量研究成果。这些成果为查明地下水污染情况和治理提供了科学依据和方向。
80年代以来，地下水污染研究的重点已从无机物（重金属）的污染转向微量有机物的种类、物化特征及其在环境中的迁移转化，以及污染控制治理技术等。这与整个环境污染的发展进程是一致的。西方国家在治理环境污染的进程中，大致经历了重金属污染、易降解有机物与富营养化污染以及毒害性有机污染3个阶段。目前能基本控制第一、二阶段的污染，开始重视毒害性有机污染的治理。中国无论在有机物污染的理论还是治理技术方面的研究却刚刚开始。有机化合物种类多、数量大，绝大多数难溶于水，在水中含量很低，仅为10-6～10-9级或更低，降解慢，中间产物复杂。它们进入包气带和含水层后，不仅其残留物可维持数十乃至上百年，而且其降解后的中间产物亦对环境有污染。有机污染物通常分为2类：第一类是量大易降解（包括生物降解和化学降解）的有机物；另一类是有毒有害难降解有机化合物。农业活动造成的地下水污染后果也很严重。由于硝酸盐中氮在作物-土壤-水系统中的运动，进入含水层的氮就可能增加。捷克在过去的30年内，地下水中氮含量增加了一倍。现地下水中已发现各种烃类、卤化物、醇、酚、醚、醛、酮等各类有机化合物。据报导，至1987年美国地下水中已发现175种不同的有机物，其中很大部分对人体有毒性效应。荷兰在232个地下水抽水点中检出113种有机物。中国京津唐地区地下水初步调查检出有机物种类达133种，可见地下水有机污染已到了非常严重的地步。
地下水中危害最大而又最为常见的有机污染物为非极性难溶挥发性有机物（VOC’s），主要由氯代脂肪烃（CHC）和单环芳香烃（BTEX）构成。现已查明，多数水溶相VOC’s在地质环境中不易被吸附，具有很强的迁移性，在适当条件下可生物降解。非水溶相VOC’s对微生物有毒性，不易生物降解。非水溶相CHC常在地下水中积聚，其迁移不受地下水运动的控制，因此常汇集在含水层底板；非水溶相BTEX则相反，飘浮于地下水的表面。
第30届国际地质大会就有不少论文涉及地下水污染监测、参数测试；对Pb、Cu、Zn等污染物的实验室研究；污染物运移趋势预测；地质统计方法与随机理论在地下水污染研究中的应用；某些污染物（如氮污染）的研究实例以及一些模拟理论，例如以保护含水层为目的的河流-含水层相互关系模拟；非均质含水层与裂隙岩溶水污染研究；土地利用过程中的水土污染；污水灌溉的环境生态效应等等。其中美国Yun-Sheng Yu运用地质统计法进行地下水中盐污染的研究，大大提高了计算精度，是一个成功的实例。
最近美国报道了关于在地下水生态领域里应用无脊椎动物群结构的变化作为浅层地下水/地表水环境污染的指示剂；以及用CFCs确定年轻地下水年龄（50年以内或更小）和用氚/氦-3研究地下水运移时间、水流类型和补给速度，为测试和校核模型提供了有力的工具。此外，在发展生物治理技术方面，通过微生物降解作用、吸收、转化有毒化合物，消除污染，取得显著成效。
地下水的污染治理美国在80年代就先于其它国家开始着手进行。当时以“抽汲处理法”较为普遍，即抽出已被污染的地下水，在地表进行深度处理，但含水层不能彻底净化，且处理费用高。对于大规模的污染治理还没有成功的经验。80年代后期地下生物处理工程技术迅速发展，地下水污染控制理论与技术开始形成一套体系。如“对于包气带污染，可进行原位处理或开挖处理。原位处理包括物理法（通气法、蒸汽法、热趋法……）、化学法（表面活性剂溶液冲洗、特殊化学冲洗）和生物法（驯化生物处理、强化生物处理）；对含水层污染可进行原位处理或抽汲处理，前者又包括物理控制（泥墙、防渗帷幕控制法、水动力控制法、暗渠、井孔收集法），化学处理（表面活性剂溶液冲洗法、试剂法、渗床法）和生物处理。采用何种处理工艺，主要取决于处理的对象、目标、水文地质条件和经济承受能力。”在各种方法中，现场处理技术包括多种形式的好氧处理和厌氧处理，发展较快。
为了进一步发展地下水污染控制理论和技术方法，急需加强引进多种学科如地质微生物学、有机地球化学、表生地球化学的理论和方法，加强对有机污染物的来源、迁移、转化或降解机制，以及它们与腐殖酸、金属元素的相互作用的了解，加强土壤和地下水污染治理的新技术开发利用研究，突破解决目前缺乏能快速准确鉴别有机物种类和定量分析的仪器设备的局面，发展治理工程技术方法。
2）地下水资源的保护
为了防患于未然，首先要防止地下水供水水源地受到污染。一方面是保护水源补给区不受污染，另一方面是设立圈定地下水供水水源地的保护区（带），以加强对潜在污染的限制。这里涉及的主要是点源、井源区保护。而非点源整个水流域的水质监测、保护和污染治理技术要困难得多。
圈定地下水源保护区（带）的研究，由最初为确保饮用水卫生条件防止细菌污染的概念已扩大到防止非降解性有机物以及有毒化学成分的污染为目的，在欧美一些国家取得进展。德国对地下水源保护区的圈定是先将流域分为4个保护带，重点探讨第Ⅱ带随时间变化边界的概念，它采用地下水在50天内运行的距离范围。英国根据50天（一区）和400天（二区）运移时间以及整个汇水盆地（三区）确定出地下水保护区。其它如美、捷、爱尔兰、荷等国研究的主要特点是逐步向应用数学模型的方向发展，以提高成果的精度。德国提出可利用环境同位素3H、14C建立动态模型，用地下水环境同位素的滞留时间作为新的水文地质参数以反映地下水特征，并作出定量污染程度分析。中国也有人用时间滞留法来定量研究确定地下水源地保护区。
不少国家已认识到，地下水资源的保护必须提到战略、政策及管理的高度来认识和实施。捷克专家提出，地下水保护战略是政府部门进行管理、协调、投资和贯彻执行的长期任务，要得到有关法律法规的支持，正规的监督检查，甚至包括对技术负责人员的培训以及对公众教育和提供信息。地下水保护政策的制定取决于地下水资源的价值需求、土地利用规划及经济发展和人体健康等因素。地下水保护的管理目标应是确保饮用水水源的质量、安全和可持续性。
地下水保护管理可分为一般性保护和公共供水方面的综合性保护。前者需要编制地下水脆弱性图件并进行评价。评价地下水脆弱性的主要特征为非饱和带的补给、土壤性质、厚度、渗透性和稀释能力以及饱和含水层的稀释能力。受到综合性保护的地下水保护区的范围主要取决于含水层的渗透性、复杂性和脆弱性、非饱和带的特性及厚度、地下水水流方向、污染源离水井或井田的距离及污染质的特性。英国开展了对地下水资源的脆弱性的全面评价，认为其脆弱性受多种因素制约，如上覆土壤和冲积层的存在和性质，水文地质单元的特性以及非饱和带的厚度，因此需要详细的水文地质现场调查。英国现已编制了1:100万地下水脆弱性图件作为战略性土地利用规划的指导，目前正编制大比例尺图件。美国、意大利、荷兰、德国、瑞典、捷克也都编制了大比例尺的地下水脆弱性图为决策、管理层制定地下水保护的战略和方针服务。90年代美国开始倡导使用水流域的综合保护方法，共同解决水污染和生态环境恶化问题，可收到事半功倍的效果，更好地实现环境综合管理目标。
『叁』 地下水系统研究现状
国外地下水系统研究始于20世纪40年代。1940年，M.K.Hubbert在他的经典文章 “地下水流动理论”中发表了河间地块流网图，指出在排泄区的地下水是自下而上作上升运动的，并尝试建立遵守物质守恒和热力学定律的地下水流动观点及可以实际应用的描述地下水流动的流动方程(Hub-bert，1940;张人权，2002)。1963年，Tóth提出了二维均质各向同性的理论地下水流动模型，将理论的盆地水流模型模拟的水流系统划分为不同的层次:局部水流系统、中间水流系统和区域水流系统，认为它们都有逐渐减弱和上升的水流分支，且存在内部系统滞流区(Tóth，1963;陈梦熊，马凤山，2002)。1966～1967年，Freeze和Witherspoon推而广之将地下水有限差分模型运用到具有复杂边界条件的非均质含水层系统中(Freeze，Witherspoon，1966，1967;张人权，2002)。1978年，Tóth运用电模拟模型再现了反映真实情况的类似水流方式(Tóth，1978)。Engelen等于1980年和1984年发展了Tóth的地下水流动系统理论，并将其全面应用于水文地质研究工作中(Engelen，Jones，1980;Engelen，1980，1984)。Engelen等认为，地下水系统是不同形式的能量输入、代谢和输出的有机体，并且有发生、发展和最终消亡的过程(Engelen，Jones，1986)。1982年美国R·C·希思按照地下水系统的5个特征将美国划分为14个区，这5个特征是:系统的组成要素及其组合关系;主要含水层含水空隙的性质;主要含水层的岩性;主要含水层的贮水与导水性;主要含水层的补排条件。1984年，法国卡斯塔尼在莫斯科举行的第二十七届国际地质大会的分组会的报告中认为，正确的水资源评价必须从水资源保护、防止水资源枯竭、控制地下水污染和保护生态系统平衡出发，对地下水系统进行定量描述;并且指出，每一个地下水系统都具有一定的时空特征及其水动力系统，以及固定的平衡形式和一定的水资源类型(陈梦熊，马凤山，2002)。Engelen在1986年“地下水流系统的发展”(Engelen，Jones，1986)及在1996年“水文系统分析”(Engelen，Kloosterman，1996)中对地下水系统和水文系统的概念、研究方法和应用做了系统的总结。经过Hubbert、Tóth、Engelen等人的理论和实际研究工作，地下水系统的理论和方法得到了广泛应用。
在我国，著名水文地质学家陈梦熊院士早在1984年就在系统收集整理国外有关文献的基础上，编印出版了《地下水系统理论研究论文选编》，向国内介绍国外关于“地下水系统”研究动向;随后，在其发表的《地下水资源与地下水系统研究》(陈梦熊，1987)、《地下水系统分析与概念模型》(陈梦熊，1994)、《中国水文地质环境地质问题研究》(陈梦熊，1998)和《中国地下水资源与环境》(陈梦熊，马凤山，2002)等论著中系统详细地阐述了地下水系统的理论、方法和应用，这促进了我国地下水系统理论的发展和应用。
『肆』 国内外研究现状与趋势
（一）美国百年地下水开发利用史的启示
美国是开展地下水可持续利用性研究比较早的国家。早在1883年美国学者Chamber⁃lin即出版了《自流井》，首次论述了自流井的成井条件和开发理论。1897年Iowa州地质调查局Norton在《Iowa自流井》报告中首次使用“含水层”理念。Todd于1900年提出，过多的自流井将导致自流水量衰减。1923年Meinzer出版了《美国地下水形成与理论探讨》和《地下水文学概要》，系统地总结了水文地质学的研究工作和理论进展，同时首次对全国地下水资源进行了定性评估，阐述了美国地下水发生、补给、排泄、径流、数量、质量、开发利用等各个方面（陈美贞，2006；陈仁升等，2003）。1935年Theis提出非稳定流理论，使许多实际问题得到较好解决。
在地下水开发方面，人们开始意识到地下水资源是有限的。20世纪30年代Tolman及同事发现了地下水开采所引发的海水入侵和地面沉降现象。20世纪60年代中期，以州为单位先后进行了各州地下水资源调查和均衡法地下水资源评价。1963年McGuinness总结了各州及地区地下水资源评价研究成果。
1977年美国发生了特大干旱，1978年美国地质调查局（USGS）启动了“区域水系统分析项目（RASA）”，历时近20年，调查和研究了全国28个以流域为单元的水系统，采用三维有限差分地下水流数值模型，模拟地下水开发前后地下水动态变化，并于1990～2000年期间编制出版了各个水系统的地下水图集（比例尺为1：250万～1：10万）。
目前，美国的地下水开采量占总用水量的 20.7%。其中，98.3% 的家庭用水、57.4%的牲畜用水和41.5%的灌溉用水都依赖于开采地下水源供给，而且对生态环境的改善和保护意识也越来越强烈。为此，美国正在开展新一轮“地下水资源计划”（GWRP），研究重点已从过去的以州为单位转向整个水系统、水文系统和生态环境系统，从过去偏重地下水的资源供给功能转向地下水的资源功能、生态功能和地质环境功能综合调查评价研究，强调地下水可持续利用性研究。
近百年来美国地下水开发利用史表明，经济社会发展对地下水开发利用理念及其生态-地质环境功能研究具有重大推动作用。在19世纪以前，地下水仅是经济社会发展中一种补充性资源，在水资源中地表水的开发利用研究占主导地位。进入20世纪60年代，地下水成为经济社会发展愈来愈依赖的基础资源，特别是在持续干旱年份，地下水的开发利用得到空前的重视，同时含水层疏干、依赖地下水维持的生态系统急剧退化、地面沉降和海咸水入侵等环境问题日趋显现。据USGS统计，在美国公共供水中，地下水的比重从1950年的26%增到2000年的37%。80年代，地下水保护问题受到重视，美国联邦政府制定了提高污水排放标准和提高用水效率的多项保护法规，到2000年亩均灌水量比1950年减少了30%。在《2000～2010年美国地质调查局地质部科学战略》和《1998～2008年水资源部发展战略》中，突出了地下水的可用性和可持续性研究，包括城市化和市郊化对地下水影响调查、海岸带土地利用和人口增长对地下水影响调查和地下水-地表水相互作用研究。
（二）国内地下水评价研究动态
从20世纪50年代以来，地质矿产部和有关部门在全国范围内开展了大量的地下水及其环境地质问题调查评价工作，包括区域水文地质、供水水文地质、环境水文地质、地下水资源评价与新技术和新方法应用。经过50多年来的水文地质工作，基本查明了我国地下水资源的区域分布规律，并且把西北和华北的地下水勘察研究作为一项主要战略任务做了大量工作，实现了各种信息的采集、处理、存储、传输和交换，并开始把地下水作为水圈、岩石圈的组成部分和重要环境因子，开展地球表层四大圈层相互关系及大陆水循环与全球变化研究，把地下水融入“全球一体化”的大环境中思考，利用大剖面、同位素等研究地下水循环方式，极大地改变着地下水评价的传统思维与方式，尤其是近几年信息技术的发展，加快了对地下水评价的速度。
50多年的地下水评价工作，具有如下特点：①体现国家意志、服从国家目标，成为地下水评价的宗旨；②发挥水文地质工作优势，体现地下水区域性、基础性评价服务于国家建设；③取得的丰富资料和经验，奠定了地下水评价方法研究的基础。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，丰富并突破了传统水文地质学的内容，使地下水评价从定性研究发展到定量研究的新阶段。地下水资源评价的基本理论，从稳定流发展到非稳定流，从二维流发展到三维流，从一般均衡法和比拟法，发展到解析法和有限单元或有限差分数值法及相关分析法。地下水质量评价从单项评价发展到综合评价，从一般数理统计方法发展到聚类、神经网络和灰色系统评价方法。
20世纪80年代后期，地下水资源评价工作开始把主要目标转向管理模型的研究，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问题。
但是，面对21世纪可持续发展的要求，地下水评价工作存在不同程度的不适应新问题。始于20世纪80年代的第一轮全国地下水资源评价，是基于以消耗资源、牺牲环境作为代价的发展过程，在评价指导思想、评价理念和评价方法诸方面，都存在历史的局限性，急需按新的要求进行完善和发展。例如由于受当时认识能力和技术水平的局限，对地下水系统的资源、环境和生态属性功能的基本认识和评价方式中，有关可持续发展思想和水循环理念体现不足，静态思维比较突出。
1.地下水资源分类与概念演变
20世纪50～60年代，我国在地下水资源评价方面普遍采用前苏联的“四大储存量”的概念，即动储存量、静储存量、调节储存量和开采储存量。在欧美一些国家也都使用过这些概念（曲焕林等，1991）。经过水文地质工作者的多年实践，普遍感到应用“四大储存量”的概念评价地下水资源存在许多缺陷（陈雨荪，1982；刘光亚，1982；王强忠等，1982），现在已基本停止使用。
在20世纪70年代提出了“三种水量”的概念，即补给量、储存量、允许开采量，并于1989年纳入国家标准（GBJ27-88）。但是随着实践和理论的发展，其局限性和理论缺陷逐渐暴露出来（徐恒力等，2001）。方案中沿袭以含水层（或水源地）为评价单元的思维模式，没有体现地下水资源整体性和系统性；补给量和储存量的时空概念含糊，容易造成水量重复计算；允许开采量仅仅是一种笼统的提法，在实践中难以操作等。
20世纪80年代“资源”的概念逐渐为人们所接受，欧美、日本等国家和地区先后采用了地下水资源的概念，陆续出现了“潜在可更新资源”（Potential Renewable Resource）、“实际可更新资源”（Actual Renewable Resource）、“可用更新资源”（Available Renewable Resource）、“安全开采量”（Safe Yield）、“可持续开采量”（Sustainable Yield）和“实际可持续开采量”（Practical Sustained Yield）等。
我国学者王大纯教授（1995）等人，从地下水资源自然属性出发，将地下水资源划分为“补给资源”和“储存资源”两类。“补给资源”被定义为“含水系统可以恢复再生的水量”。将含水系统的多年平均补给量作为补给资源量，单位为m3/a。“储存资源”被定义为“含水系统在地质历史时期积累保存下来的水量”。将含水系统多年平均低水位以下的重力水体积作为储存资源量，单位为m3。
陈梦熊院士等1983年提出的、后经过不断调整和补充（2002）的地下水资源分类，也具有广泛代表性。在该分类中，将地下水资源分为“天然资源”和“可采资源”。“天然资源”被定义为“在一个完整的水文地质单元（地下水系统）内，地下水在天然条件下通过各种途径，直接或间接地接受大气降水或地表水入渗补给而形成的具有一定水化学特征、可资利用并按水文周期呈现规律变化的多年平均补给量”，一般可用区域内各项补给量的总和或排泄量的总和来表征。“可采资源”被定义为“在经济技术条件合理、开采过程中不发生水质恶化或其他不良地质现象（如地面沉降、地面塌陷等），并对生态平衡不致造成不利影响的情况下，有保证的可供开采的地下水资源”。
2.地下水资源评价方法研究现状
达西（Darcy）定律和水量均衡是地下水资源数量评价的理论基础，由此产生了两种评价方法，即“地下水系统水量均衡法”和“地下水系统水动力学法”。
“地下水系统水量均衡法”是直接利用质量均衡原理，通过建立地下水系统的补给量、排泄量和储变量之间水量关系，确定地下水资源数量。“地下水系统水量均衡法”既可用于区域地下水资源的水量计算，又可用于局域地下水资源的水量计算；既可估算地下水系统的补给和排泄的总量，又可计算地下水系统的各单项量，是地下水资源评价中最常用的一种基本方法，也是一种比较可靠的方法。
“地下水系统水动力学法”是根据达西定律和水量均衡原理，建立描述地下水运动规律的微分方程，通过求解微分方程，实现对地下水系统水量状态评价。
按照微分方程的解法，划分为“解析法”和“数值法”。解析法是根据地下水井流理论进行地下水量评价，主要适用于均衡区范围较小、水文地质条件简单的均质含水系统。在20世纪50年代之前，解析法在地下水资源评价中发挥了重要作用，迄今仍然是地下水资源评价中确定水文地质参数的主要方法。但是当把解析法应用于大范围水系统时，由于实际的水文地质条件远较解析法所假设的条件要复杂得多，其局限性就暴露了出来（薛禹群等，1986）。
为了解决随地下水开采规模进一步扩大所出现的问题，在20世纪50～60年代，兴起物理模拟（电模拟和砂槽模拟等）技术，但是仍不能很好地解决复杂水文地质条件下区域地下水资源评价所面临的问题。计算机技术和数值计算在地下水资源评价中的应用推广，使一些复杂地下水流模拟成为可能，而且开始考虑含水介质的非均质性和各向异性，对复杂的越流系统和具有不规则形状的各类边界条件，以及多相流和双重介质等问题也开展了深入的研究，在概念模型中更多地保留了实体系统的自然特性。由于数值法既可用于大区域地下水资源评价，又可用于局部的水源地评价；既可处理复杂的水文地质问题，又具有较高的计算精度，因此，逐渐成为地下水资源评价的重要方法，并因其更易实现系统分析的目标而被广泛应用于地下水资源评价和管理工作中。
在地下水资源评价中，常用的方法还有水文分析法、相关分析法、水文地质比拟法等。“水文分析法”是仿照陆地水文学的测流分析，计算地下水补给量的一种方法，主要应用于地下水补给量全部转化为地下水泄流的地区，如岩溶管道流区、全排型岩溶大泉的岩溶水系统或基岩山区裂隙水系统等其他方法难以应用的地区，主要有地下径流模数法和基流分割法。“水文地质比拟法”，常用于实际资料缺乏的地区，主要根据水文地质条件的相似性，用区域内局部地段或相似条件的其他地区的实际资料比拟到全区或研究区进行地下水资源评价，多数用于可采资源的估计。该方法是研究区缺乏资料情况下不得已的选择，其评价结果的精确性较差。“相关分析法”是一种统计学方法，主要用于区域水文地质勘探试验资料不足，但是地下水动态资料较多的地区，应用这种方法进行外推时其可靠性很难保证。“开采试验法”，在地下水的非补给期（枯水期），按接近取水工程设计的开采条件，进行较长时间的抽水实验，然后根据抽水量、水位降深动态或开采条件下的水量均衡方程求解出水源地枯季补给量，并以此作为水源地的允许开采量。该方法主要用于水源地允许开采量的评价，在区域地下水资源评价中主要用该方法求取参数。
纵观国内外地下水评价成果，最常用的方法是“地下水系统水量均衡法”和“数值法”。美国1977年开展的“区域水系统分析计划”（简称RASAP，1978～1995年期间）联合运用数值法和均衡法对全国25个主要地下水系统水资源进行了评价（USGS，1998）。在2000年开始的新一轮地下水资源评价（Ground-water Resources Program）中，仍然以数值法为主（USGS，2001）。欧盟各国联合开展的区域地下水资源评价中，水量均衡法是主要方法（Fried，1982；Rees and Cole，1997）。此外，亚洲、非洲一些国家也大多采用水量均衡法和数值法进行区域地下水资源评价（Leslie B.Smith and Kadri Külm，2002；Shahin，1989；Lloyd，1990；Ulf Thorweihe and Manfred Heinl，2002）。我国在20世纪80年代开展的第一轮全国地下水资源评价中，均衡法和数值法也是主要评价方法。
随着数学地质的发展，最近在国内外地下水评价中出现了一些新的理论方法，如随机理论和神经网络（Kitanidis，1985；Bates，1992；Gelhar，1993；Brannan，1993；杨金忠等，2000），但是这些方法还处于理论探索之中，目前还难以广泛实际应用。
3.地下水质量评价研究现状
我国在早期的地下水质量评价中一般借用外国学者设计的评价模式，如内梅罗（Nemerow N.L.）指数法等。但是在应用过程中，逐渐发现这些评价模式在理论上和实践上的不足，于是我国地下水质量评价工作者，根据自己实践的经验和实际情况，提出了许多适合不同用途的水质量评价方法。如20世纪60年代开始用“环境质量综合指数”定量地表示环境质量状况，发展至今已提出许多种计算综合指数的数学模式，这些模式对环境质量的划分一度起了积极的作用。
早期全国性地下水质量评价，尚无“国家地下水水质标准”，主要依据国家建委和卫生部批准试行的“生活饮用水卫生标准”（TJ20-76），并参考世界卫生组织（WHO）1958年公布的“饮用水水质标准”，个别评价参数考虑地方“饮用水水质标准”。评价方法主要采用指数法、多项参数法和模糊数学法等。在现今的全国地下水质量评价中，虽然在评价项目选定、分类和污染等级划分等方面有所变动，但是其思路和技术方法均沿袭了这一格局。
20世纪80年代以来，随着计算机技术的高速发展和广泛应用，模糊数学、灰色聚类和神经网络等方法在地下水质量评价中广泛应用，且随着方法的改进，人们也越来越重视评价结果的合理性。但是由于影响地下水质量的因素较多，以至各评价方法都存在一些局限性。例如综合污染指标法的“硬性分级划分”，灰色和模糊系统需要设计若干不同的效用函数（灰色系统的白化函数、模糊数学的隶属函数等），以及人为地给定各评价指标的权重（或权函数）等，这些效用函数和指标权重的给定难免不带主观性，造成评价方法难以通用，增加了应用的困难和人为臆断因素对结论的影响。在地下水质量评价方法中，普遍存在“参数权重”问题，例如指数法把各个水质参数等同，模型法在参数选取和参数权重设定中存在较大的主观性。目前，迅速发展的人工神经网络评价方法，拓宽了地下水质量评价方法的视野。
4.地下水脆弱性评价研究现状
自1968年Margat首次提出“地下水脆弱性”这一术语后，虽然经过几十年的发展，但是至今国内外对“地下水脆弱性”概念仍然没有统一的定义，许多学者根据自己所考虑的因素从不同的角度给“地下水脆弱性”以不同的定义。
以1987年为限，“地下水脆弱性”概念的发展过程可划分两个阶段。在1987年以前，有关地下水脆弱性的概念多是从水文地质本身的内部要素这一角度来定义的。1970年Margat与Albiet提出的地下水脆弱性是指在自然条件下污染源从地表渗透与扩散到地下水面的可能性。Olmer与Rezac则认为地下水脆弱性是地下水可能遭受危害的程度，这种危害程度由自然条件决定，而与现有污染源无关。Vrana提出地下水脆弱性是影响污染物进入含水层的地表与地下条件的复杂性。1983年Villumsen等定义地下水脆弱性是指应用中或废弃于地表的化学物质对地下水的危害性。1987年“土壤与地下水脆弱性国际会议”揭开了“地下水脆弱性”研究新阶段的序幕。多数学者主张在定义地下水脆弱性时应考虑含水层本身的易污染性和人类活动与污染源的影响。有的学者提出地下水脆弱性是地下水质量对现在或将来有害于其使用价值的敏感性。
地下水系统脆弱性已经被广泛认同的是指这个系统对来自外部（天然与人类活动）从时间和空间上影响它的状态及性质的处理能力。1991年美国审计署应用“水文地质脆弱性”来表达含水层在自然条件下的易污染性，而用“总脆弱性”来表达含水层在人类活动影响下的易污染性。美国国家科学研究委员会于1993年提出地下水脆弱性是污染物到达最上层含水层之上某特定位置的倾向性与可能性，并将地下水脆弱性分为两类：一类是本质脆弱性，即不考虑人类活动和污染源而只考虑水文地质内部因素的脆弱性；另一类是特殊脆弱性，即地下水对某一特定污染源或污染群体或人类活动的脆弱性。欧洲、北美和澳大利亚等地区，在地下水污染防治工作中，已经以污染治理为重点转变为以防止污染为重点，开展了地下水环境脆弱性评价，并编制了评价图册。
至今国内尚没有明确的“地下水脆弱性”的定义，定义多引用外文资料，多是从水文地质本身内部要素角度出发，针对局部城市或水源地，包括“环境生态脆弱区地下水开发模式及系列编图”工作，研究地下水本质脆弱性，常以“地下水的易污染性”、“污染潜力”、“防污性能”等来代替“地下水脆弱性”这一术语。
5.存在问题
新中国成立以来，地下水评价工作为保障国家经济社会发展的需求提供了重要支撑。但是，从地下水可持续利用角度考虑，地下水评价工作尚存在如下问题：
1）以往的工作，偏重地下水赋存条件的研究，对地下含水层结构和地下水补、径、排条件研究程度有待深入。作为地下水赋存空间的地下水系统结构和地下水动态，是地下水资源评价的基础。
2）地下水与环境保护密切相关，是环境保护的重要制约因素。以往对地下水质量、环境和生态属性功能评价重视不够。
3）地下水资源可持续利用程度及趋势预测研究缺乏深度，不能适应国民经济对地下水前瞻性要求。
4）由于大量的水利工程修建，改变了地表水、地下水循环条件，出现了不少新的水环境问题，特别是地下水补给条件的改变，使得有些地区地下水补给减少，生态环境不断恶化。因此，在新的地下水评价中急需考虑这些变化的影响。
（三）地下水功能评价与区划研究现状
1998年许志荣在《水文地质工程地质》（第五期）上发表了“地下水功能区划分初探”，提出了开展地下水功能区划的必要性。1999年史瑞青等在《工程勘察》（第一期）上介绍了“灰色聚类分析在地下水区划中应用”的技巧。2001年费为进等在《地下水》（第四期）上发表了“快速灰色分级聚类法在地下水功能区划中应用”，提出灰色分级聚类法是地下水功能区划的一种简明方法。这一时期的地下水功能研究都是从地下水资源合理利用角度出发，基于传统地下水资源评价理念。
2002年中国地质调查局水环部从生态、地质环境保护角度，作为约束条件，提出开展“地下水功能评价专题研究”，由中国地质科学院水文地质环境地质研究所张光辉研究员主持开展有关地下水功能理念、评价理论与方法探索性研究，于2003年提出了地下水功能评价基本框架和评价指标体系。2004年6月该项目组完成了“地下水的资源功能、生态功能和地质环境功能评价的科学体系”构建和论证，包括基本理念、评价理论、评价指标体系和评价关键技术等，编制了“地下水功能评价与区划技术”，编入中国地质调查局《全国地下水资源及其环境问题调查评价技术要求系列》（二、三）中，并先后在兰州、武汉、石家庄、北京、沈阳和呼和浩特主办“地下水功能评价与区划”技术骨干培训班，在我国西北、华北和东北地区全面推广应用。2004年唐克旺等在《水资源保护》（第五期）上发表了“地下水功能区划分浅谈”，介绍了水利部门进行地下水功能区划的基本思路。2005年水利部下发了《关于开展全国地下水功能区划定工作的通知》。2006年张光辉等在《水文地质工程地质》（第四期）上发表了“区域地下水功能及可持续利用性评价理论与方法”一文，全面阐述了地下水功能评价理论和方法；黄鹏飞等在《中国环境管理》（2006年第二期）上发表了“层次分析法在民勤绿洲地下水功能评价中应用”，介绍了地下水的资源功能、生态功能和地质环境功能状况。2007年罗育池等在《中国农村水利水电》（第九期）上发表了“基于MapGIS的河南省浅层地下水功能评价与区划”；吕红等在《水文》（2007年第三期）上发表了“山东省地下水功能区划初探”，指出地下水功能区划是政府行使管理职能的重要基础；闫成云等在《水文地质工程地质》（2007年第三、四期）上发表了“疏勒河流域中下游盆地地下水功能评价与区划”，引用大量实例阐述了地下水功能评价与区划的实际效用。2007年范伟完成了“吉林省平原区地下水功能评价”硕士学位论文。张光辉等在《地质通报》（2008年第六期）上论证了地下水功能评价与地下水可持续开采量的关系。
（四）地下水开发利用研究现状与趋势
地下水开发利用研究总的趋势是学科内涵不断拓展、生态-地质环境保护优先、安全保障能力建设为重点、与经济社会和谐可持续发展是根本。
1）资源和环境、生态并重，已成为地下水开发利用研究的主题。地下水可持续利用既要保障社会稳定的水供给，又不能牺牲生态-地质环境效益，同时不影响未来长远的水资源利用。恢复由于人类影响而退化的地下水功能、地下水疏干区定量跟踪和调控、增强地下水含水层获得补给途径和机制、地表水与地下水联合调蓄和协调开发、地下水利用和分配的社会-经济规律及管理模式等是当前重要的研究课题。
2）地球表层系统的水文地质过程研究，已成为现代地下水科学演化的重要专题。土壤、包气带、浅层地下水、湿地与湖泊、绿洲、河流和农业用地等，与地下水可持续利用性研究密切相关。包气带是介于潜水面和地表之间的多孔介质，化学风化、有机质分解、氮素固定等其他化学物质循环过程均发生在包气带，也是地下水补给、污染物向地下水运移的必经之路。包气带中所发生的物理、化学和生物过程与水文地质学、土壤学、生态学和环境学关联性愈来愈紧密（甘肃地调院，2007）。
3）建立高效的地下水动态监测、状况调查和突发应急机制，经济社会发展的需求愈来愈迫切。1996年国际水文计划工作组将“可持续水资源利用”定义为“支承从现在到未来社会及其福利要求，而不破坏他们赖以生存的水文循环及生态系统完整性的水的管理和使用”。要求在水资源规划、开发和管理中，寻求经济发展、环境保护和人类社会福利之间的最佳联系与协调，强调未来变化、社会福利、水文循环、生态系统保护的完整性，使“未来遗憾可能性达到最小”。2000年在美国召开的“水资源综合管理研讨会”上，达成一个共识：流域统一管理是防止土地退化、保护淡水资源与生物多样性、实现水资源可持续利用的必然抉择。
4）可持续性（Sustainability）是当今地下水开发利用中最为人们关注的核心。它指地下水时空上能够连续下去。Serageldin and Steer将“可持续性”概化为“可持续性弱”、“可持续性适度”、“可持续性强”和“可持续性过强”。“可持续性弱”不关心局部、只关心整体；“可持续性适度”主要以维持系统的整体性为目的，但也适当关照其组分；“可持续性强”要求保持系统组分的良好状态，同时也关照到系统整体，各组分不可互相替换，而且根据某些理解，即使是在组分内部，可替换性也是受到限制的；“可持续性过强”就是保持系统的所有要素完好无损且无任何损耗。
『伍』 地下水数值模拟研究现状
1.2.1.1 解地下水流问题的数值方法
随着现代应用数学以及计算机技术的发展和广泛应用，数值模拟逐渐成为研究地下水运动规律、定量评价地下水资源以及模拟一些水文地质过程发生发展的主要手段。其研究范畴，由单纯研究地下水系统与自然环境系统之间的相互关系，扩大到研究与社会经济系统的相互关系；其研究内容，涉及饱和带、非饱和带和饱和-非饱和带［1］。
在计算机上利用数值法可以模拟各种复杂的水文地质条件，虽然用这种方式求出的数值解仍然是近似值，但仍能满足人们生产研究的要求［2］。和其他方法比较，数值模拟有很多优点，主要有［3］：①模拟在计算机上进行，不需要像物理模拟那样建立专门的一套设备；②有广泛的适用性，可以用于水量计算、水位预报以及地面沉降等的计算，各种复杂的含水层、边界条件、水流情况都能模拟出来；③修改算法、修改模型比较方便；④可以程序化，只要编好软件，对不同的具体问题只要按要求整理数据就能上机计算，并立即得到相应的结果。它的不足之处是不如物理模拟来得逼真、直观，且计算工作量大。
目前，解地下水流问题的数值方法有很多，但最通用的还是有限差分法（Finite Difference Method）和有限元法（Finite Element Method）。这两种方法的根本区别在于有限差分法是建立在用差商近似表示导数的基础上的，而有限元法是建立在直接求函数的近似解基础上的。除了这两种方法以外，还有特征线法（Method of Characteristics）、边界元法（Boundary Element Method）等，在此不再详述。
20世纪50年代有限差分法主要用于石油流动领域的计算，60年代中期拓宽了应用领域，用于解地下水流问题。有限差分法有许多优点：①对于简单问题（如均质各向同性含水层中的一维、二维稳定流问题）的数学表达式和计算过程比较直观、易懂；②有相应高效的算法；③对一般的地下水流问题来说解的精度比较高；④有广泛使用的商用软件，如MODFLOW、PLASM等。需要注意的是，对某些自然边界条件，有限差分法必须进行特殊处理，灵活性一般说来相对要差一些。因此，标准的有限差分法在近似不规则边界上不如有限元法方便（积分有限差分法能和有限元法一样处理不规则边界），对内部边界如断层带的处理以及模拟点源（汇）、渗出面和移动着的地下水面等，有限差分法也不如有限元法好。
有限元法于20世纪60年代后期引入地下水计算中。这种方法的优点有：①程序的统一性。有限元法对各种地下水流和溶质、热量运移问题，计算过程基本相同，程序编写比较方便，很多例子表明从解某一类问题的程序转换为解另一类问题的程序比较简单；②对不规则边界或曲线边界、各向异性和非均质含水层的处理比较方便；③单元大小比较随意，同一计算区内可以视需要采用多种单元形状和多种插值函数以适应水头、浓度等变量的变化或精度要求；④水流问题、溶质运移问题的解精度一般比较高。有限元法虽然有上述这些优点，也有一些缺陷，主要是局部区域质量不守恒，有时会影响计算结果。另一个是和有限差分法等共有的缺陷，即渗流速度、流量只能在先求出水头后，再由Darcy定律算出渗流速度，渗流速度乘以过水断面面积再得到流量［3］。这样做误差大，算不准，至今尚未彻底解决。2004年薛禹群等［4］、YE 等［5］又把数学上新出现的多尺度有限元法引入地下水领域，并得到初步应用，它不仅可以大量减少单元数，还能提高计算精度。因此，多尺度有限元是一种很有应用前景的方法。
1.2.1.2 地下水数值模拟软件
随着计算机技术的快速发展，使得复杂含水层系统中的地下水流运动及溶质运移的数值模拟变为可能。近年来，在人机交互、计算机图形学和科学可视化等技术的推动下，地下水数值模拟软件在质量上有了较大的发展和提高［6］。其中较有影响地位的有Visual MODFLOW、FEFLOW、GMS。
（1）Visual MODFLOW：由加拿大Waterloo水文地质公司在MODFLOW的基础上开发研制的Visual MODFLOW软件，是目前较流行且被各国同行一致认可的三维地下水流和溶质运移模拟评价的标准可视化专业软件系统［7］。该软件主要包括MODFLOW（水流模拟）、Modpath（平面和剖面流线示踪分析）、MT3D（溶质运移模拟）和Zone Budget（水量均衡计算）四大模块。界面设计包括三大彼此联系但又相对独立的模块，即前处理模块、计算模块和后处理模块。Visual MODFLOW以其求解方法的简单适用、适应范围的广泛及可视化功能的强大成为较有影响的地下水数值模拟软件，其使用范围越来越大。然而实践证明，它往往并不适合某些复杂的地质条件，如不饱和流、密度变化的水流（海水入侵）、热对流等棘手的问题。
（2）FEFLOW：FEFLOW是由德国水资源规划与系统研究所（WASY）历时20多年的研究，开发出来的地下水流动及物质迁移模拟软件系统［8］。软件问世以来，在理论研究和实际问题的处理上，经过了不断的发展、修改、扩充、提高，日趋完善。从20世纪70年代末至今，FEFLOW 经过了大量的测试和检验，成功地解决了一系列与地下水有关的实质性问题，如判断污染物迁移途径、追溯污染物的来源、海水入侵等，是功能较齐全的三维地下水模拟分析软件。
（3）GMS：GMS是由Brigham Young大学环境模拟研究实验室开发的较先进的、基于概念模型的地下水系统模拟软件［9］。GMS是唯一支持Tins、solids、钻孔数据、2D 或者3D地质统计学的系统，它也包括2D和3D的有限单元和有限差分模型。此外，它还封装了基于MODFLOW的水流模型、溶质运移模型MODPATH、MT3D和RT3D，以及基于有限单元法的FEMWATER模型等。其主要优点体现于：在前处理过程中，GMS软件可以采用MODFLOW 等模块的输入数据，同时MODFLOW 等模块的计算结果又可以直接导入GMS中进行后处理，实现计算结果的可视化。
『陆』 地下水资源评价和管理的研究进展现状
为满足社会、经济持续发展的需要，必须对有限的地下水资源实行科学的管理；而科学管理则建立在对地下水资源正确的评价基础之上。
1）地下水资源的评价
地下水资源量通常分为天然资源和开采资源两部分。几十年来随着评价方法不断的改进，许多国家都多次对区域地下水资源重新进行评价，提高其精度。如原苏联在1977年发布的地下水天然资源为7044×108m3/a，开采资源约为3185×108m3/a。中国在80年代进行了全国地下水资源的评价工作。汇总结果：天然资源约为8700×108m3/a，开采资源约为2900×108m3/a。90年代对各重点国土规划片和大的自然单元的地下水资源进行了更详细的计算和评价。美国从1978～1994年专门立项研究大面积分布的层状含水层系统的地下水资源，共圈定328个区域含水层系统。这项“区域含水层系统分析计划”（RASAP）采用分布参数系统的有限差分法评价地下水资源。欧共体9个成员国，包括英、法、联邦德国、爱尔兰、丹麦、荷、比、卢、意于80年代联合对区域地下水开采资源进行了评价，编制了38幅1:50万的图幅，地下水超采区占丹麦国土的16%，占英国国土的4%。由此可见，在区域地下水资源的定量评价方面已取得重要的可供应用的研究成果。
2）地下水资源的管理
地下水资源的管理不仅是一个技术性问题，而且还是一个社会性的问题。因为提出一个地区或一个城市的最佳或最优化地下水开发方案和管理模型，是专业人员可以做到的，而能否实施在很大程度上取决于地方行政管理部门的重视程度、管理体制和相应的政策法律保证。所以地下水资源的管理是一个统筹兼顾的系统性工程。不仅要解决当地的水资源问题，也要解决整个流域的水均衡问题；既要预测地下水动态的变化对环境自然条件的影响，也要从经济社会发展角度评价规划水资源的开发和管理。在管理目标上不是单纯考虑含水层特性，而是多目标的，即社会、经济等多种因素。为改善水资源的管理状况，国际上一些国家开始重视研究地下水的经济价值，以提高其使用和分配的合理性；研究用水市场和水的转让，以提高其经济使用效益，如美国、智利、墨西哥都在积极推行水资源管理新的运行机制。
50年代后期国外开始用模型的方法管理水资源，中国则始于80年代后期。水资源管理模型研究经历了模型理论摸索、发展、推广应用和实用性研究4个发展阶段。90年代主要研究如何利用水资源，在保证最大经济效益的同时，保持良好的生态环境和社会环境。模型的目标函数除了普遍考虑经济目标外，水质、环境和社会目标也在考虑之中，并且随机性的水质管理模型明显增多。在已建模型中地下水管理模型居多。
由上可见，地下水管理从单一的水力学管理模型发展到综合考虑社会、经济和环境的地下水主要管理模型，从单一的地下水管理发展到地表水、地下水联合管理，从地下水水量合理开发到综合考虑水质、水量管理一体化模型，从集中参数管理到分布参数管理。今后地下水管理明显的发展趋势是（贺学海，1997）：①以水资源的可持续发展为中心，即对水资源的开发利用必须与人口、经济、资源、环境协调发展；②大系统、多目标、多级优化的综合管理趋势，水资源系统是一个高度复杂的非线性系统，其功能和作用是多方面、多层次所决定的；③随机、动态、智能化的趋势，从以前的趋势性、确定性评价方法转向随机性和模糊性的评价方法，发展非线性的解法并建立智能化的模型。
对于如何解决淡水资源，尤其是地下淡水资源的科学管理和利用，1992年“水与环境：21世纪的发展问题”的国际会议，总结了世界各地淡水资源合理利用和管理中正反两个方面的经验，呼吁建立评价、开发和管理淡水资源的新途径：①强调岩石圈-水圈-生物圈-大气圈之间的相互作用；②建立资源节约型发展战略；③检验淡水资源管理的有效程度取决于社会和经济的可持续发展和生态环境的保护与改善；④决策管理部门、广大用户、科研工程技术人员、单位等共同参与管理；⑤强调基础建设、能力建设及其相应的研究。会议提出加强淡水资源的管理研究应从基础研究和实际应用两方面着手。而“研究岩石圈-水圈-生物圈-大气圈之间的相互作用，研究水文循环以及生物地球化学循环之间的相互作用，包括质和量两个方面，在全球、地区和局部地方等不同空间尺度范围内进行并互相比较”，被认为是淡水资源管理研究的重大基础研究方向，可以从根本上帮助弄清淡水资源的形成、演变以及在人类活动影响下的变化。
『柒』 国内外研究现状及动态
从全球来看，在中低纬度的岩溶区，如：东亚和地中海地区，尤其是我国的西南岩溶石山地区，坚硬致密的碳酸盐岩层极少或无冰川沉积覆盖，成土缓慢，土壤缺乏，而岩溶双层结构空间发育，新生代地壳上升强烈，水源漏失严重，加上干湿分明的季风气候，导致生态环境脆弱，普遍干旱缺水，石漠化严重[18]。在俄罗斯西伯利亚平原的岩溶区，广泛覆盖于碳酸盐岩层之上的冰川及河流冲积层，有利于土壤的形成，而下伏碳酸盐岩中的岩溶空隙有利于排除沼泽地区过多的积水，偏碱性的碳酸盐岩也有利于中和酸性环境。因此，高纬度的岩溶区都成了主要的农业基地。而在东南亚、美国东南部和中美洲广泛分布的第三系碳酸盐岩层，具有高达16%～44%的孔隙度，含水量很高，干旱缺水和石漠化较弱[19]。所以，受生态地质环境条件影响和供水需求的带动，欧洲国家和我国都比较重视对岩溶及岩溶水勘查开发技术的研究。而且，我国岩溶不但分布面积广，并且由于一系列地域优势条件所决定，许多岩溶类型在全球有范例性，客观上使得我国的岩溶研究能够依托地域优势，为全球岩溶学科发展作出更大的贡献[20]。联合国教科文组织国际地质对比计划(IGCP)中有关岩溶的3个项目：IGCP299-地质、气候、水文与岩溶形成(1990～1994)；IGCP379-岩溶作用与碳循环(1995～1999)；IGCP448-全球岩溶生态系统对比(2000～2004)，均由我国提出并组织领导，一直由我国科学家袁道先院士担任项目工作组主席。2004年2月，联合国教科文组织IGCP执行局第32届理事会还通过了世界岩溶研究中心(IRCK)设在中国的提案，充分体现了我国岩溶研究水平在国际学术界的权威地位。
在岩溶水的勘查研究程度方面，目前发达国家对岩溶区都作了系统的水文地质调查，工作的内容和程序与国内基本相似。但对每个岩溶泉或暗河流域投入的勘探、试验工作和所达到的控制程度普遍高于国内。他们对于每一个可能的落水洞与泉、暗河出口或钻孔之间都作了示踪试验，对各个岩溶水径流通道间的联系和展布方向、流速、流域边界掌握很确切。对主要的岩溶暗河、大泉、供水水源地都建立了长期自动监测系统和预报及管理模型，实现了定量化的预测预报。而且近些年来，国外地下水模拟软件不论是在数量还是质量上都有了巨大的发展和提高，前后处理的可视化功能日益强大[21]，公益性、基础性的地下水数据库建设也很完善和普及[22]。
在地下水勘查技术研究与应用方面，地球物理探测技术是主要的技术手段，在半个多世纪的发展历程中，大致经历了三个主要阶段。20世纪50～60年代地球物理方法就已被应用于地下水勘查领域，方法以直流电测深、激发极化法、电测井为主，勘探的目标主要为第四系松散岩类孔隙水，方法成熟简单，目前许多地质勘查单位仍以其为主要勘探手段。70～80年代期间，找水工作开始面向勘查难度较大的基岩裂隙水、岩溶水，相应的物探技术方法也有了新的发展，如音频大地电场法、甚低频法、放射性法、综合测井等方法的应用，取得了明显的效果，并形成有特色的系列找水技术。从90年代至今，由于地下水勘查的内容和范围不断扩大，研究的问题更加深入，更具有针对性，所采用的技术方法通常都以综合物探手段为主，包括常规手段以及先进的电磁法、高分辨率地震技术等。
目前，国外地下水地球物理探测技术发展迅速，电法已经从直流电阻率法发展到仪器轻便、分辨率高的电磁法，包括频率测深、音频大地电磁测深、瞬变电磁测深、可控源大地电磁测深等高灵敏度方法。美国、俄罗斯、澳大利亚、加拿大等国地球物理技术研究实力和仪器开发能力基础雄厚，工艺先进，先后研制了多系列的电磁法仪器，如美国Zong公司研制开发的GDP电磁法勘查系列，加拿大Geonics公司研制开发的EM瞬变电磁系列，加拿大Phoenix公司研制开发的V5、V6电磁法勘查系列，澳大利亚Geoinstru Ments公司研制开发的Sirotem电磁勘查系列以及俄罗斯研制的建场测深法系列等。德国、法国、日本等国在非洲、南亚地区有专门从事地下水勘探的地球物理公司，应用的方法主要为电磁剖面法、甚低频法、频率域电磁测深法，瞬变电磁法等[23]。另外，白俄罗斯和法国生产的核磁共振直接找水技术更是地下水地球物理探测技术的一大进步，其实质也属电磁法勘探范畴。它不仅能直接反映地下含水层的特征，而且还能提供如孔隙度、渗透率、导水性等水文地质参数，是最具发展潜力的一种地下水探测新技术。
我国在地下水地球物理探测方面，也经历了从直流电法到电磁法的发展过程，目前拥有相当数量的上述大型电磁法勘查设备，但均为引进设备，自行研制能力较差，但在应用研究方面成果突出。先后开展了多项专项技术研究，如中国地质调查局组织实施的音频大地电场仪及找水研究、综合物探技术寻找基岩裂隙水应用研究、西北沙漠和黄土地区EH-4电导率成像系统勘查地下水技术研究、西北严重缺水地区地下水勘查战略研究等都是以电磁法为主流的应用研究。另外，在应用方面以电磁法为主开展了地质条件复杂、找水难度大、环境恶劣的一些生态地质环境条件下的地下水勘查工作，例如：罗布泊及塔里木盆地的松散岩类孔隙水、西部山地基岩裂隙水、西南岩溶石山地区岩溶水的勘查等，积累了较丰富的实践经验。不难看出，上述国内外地球物理探测技术的发展现状表明：信息量大、分辨率高、勘探深度大的电磁法探测技术已成为地下水地球物理探测技术的主要手段，在地下水资源勘查中发挥着重要的作用[24]。众所周知，物探结果仅是地层物性层空间分布特性的反映，解释结果是多解性的。如何将具有多解性的物探结果进行合理的地质解译，提高解释精度，这是水文地质和物探工作者必须深入研究的课题之一。实践证明，研究水文地质条件、掌握岩溶发育规律及地层岩性与物性之间的关系，从而建立合理的地质—地球物理模型与解释标准，是解决地质问题的核心。另外，任何一种物探方法都有其独特的优点，但也存在一定的缺陷，国内外的地球物理学家都共同认识到，在岩溶水勘查工作中，不能仅仅依靠某一种物探方法来解决问题，应该充分考虑实际水文地质条件，研究选择适宜不同地质环境条件和探测对象的方法组合和实施方案，多方法探测和综合解释，才能提高解释精度，取得更为理想的效果。由于我国岩溶面积广阔，岩溶类型多样，条件复杂。所以国内的水文地质和物探工作者，利用传统技术方法与引进的部分新技术设备结合，加强水文地质条件和岩溶发育规律研究，结合自身的经验，在找水的准确性上，也有很大的进步，积累了许多成功的经验，在应用研究的深度和广度方面居于世界前列。
在岩溶水的开发技术方面，国内外引、提、堵、蓄的技术原理都基本上相同。欧洲岩溶水的开发方式，过去曾经以钻井取水为主，实行就地分散供水。20世纪后期，随着调查研究的深入，水文地质学家认为，一个岩溶泉流系统的各部分存在着密切的水力联系，水流的大部分最终都将汇集到泉口集中排泄，加之泉域面积较小，地形高差不大，在经济允许的情况下，按泉域统一规划和集中开发与调配更有利于岩溶水资源的管理和保护。因此，随着经济的发展，目前开发方式已经逐渐演变为以泉为水源，建设水厂，集中布设管网供水为主，仅在部分边远的地区还保留着一些分散供水井。在岩溶防渗成库技术上，在欧洲的法国和前南斯拉夫等国的岩溶分布区，自20世纪70年代或更早的时期，就建设了多个岩溶暗河开发工程和利用岩溶谷地建库建设水电站，解决岩溶区缺水困难和能源短缺问题，取得了岩溶水资源开发和水能开发带动农业、工业和城市发展的成功经验，如法国的拉苏斯城市供水水源地、特里波罗农业区的夏特里赫暗河开发工程、前南斯拉夫的特例比西尼察、涅列特瓦岩溶流域的水能开发等[25][26]。在钻井技术上，国外的技术设备远比国内的先进，能够满足干旱岩溶石山地区无冲洗液钻进的要求，钻进速度和自动化程度都高得多。
我国政府十分重视西部地区地下找水工作，20世纪70～80年代，组织完成了大部分地区1：20万的水文地质普查，80～90年代，又组织开展了部分城市和重要经济区1：10万至1：2.5万的水文地质普查。之后，在20世纪末开展的“西北地区地下水资源特别计划”、“西北地区地下水勘查战略研究”、“西南贫困岩溶石山地区扶贫找水计划”等一系列工作的基础上，中国地质调查局2001年组织实施了“西部严重缺水地区人畜饮用水地下水紧急勘查工程”，2002年实施了“西部严重缺水地区地下水勘查示范工程”。其目的是通过对不同缺水类型地区水文地质条件的野外调查及分析，找出解决农村生活和生产用水困难的找水方向与途径，并通过适量的勘探工作加以验证，取得不同缺水类型区的找水经验，指导当地解决干旱缺水问题。探采结合示范井的实施，不仅获得了找水与取水的先进技术方法及经验，还直接解决部分严重缺水地区的人畜饮用水困难。“九五”期间直到2002年西部找水工作施工探采结合井约400眼，施工小口径浅井约3000眼，直接解决约120×104人饮用水困难。在岩溶水开发工程技术上，国内如蒙自五里冲这样的工程，也创造了超高防渗帷幕、超高超薄防渗墙、加密高压灌浆技术处理特殊复杂的溶塌堆积体等国际领先技术。还有许多颇具特色的岩溶石山区分散中小型岩溶泉和暗河引、提、堵、蓄工程技术。
现代地下水勘查已成为一项巨大而复杂的工作，其涉及的内容广泛，包括地质学、水文地质学、工程地质、环境地质、地球物理学、数学、计算机等。从单一方法向地质测绘、地面物探和综合测井、“3S”技术等综合方法密切配合方向发展。在不同岩溶水源地类型的勘查中，不断提高岩溶水文地质调查研究程度，加深岩溶水赋存规律的研究，开展地球物理探测技术的优化组合示范研究及应用，使地下水勘查工作达到快速高效之目的，已成为国内主要的研究方向之一。在开发技术上，根据岩溶石山地区的需水特点，大型与中小型工程技术的研究与实践并举，特别是西部大开发及扶贫找水的推动，促使中小型工程的技术研究与应用得到了空前广泛地开展，取得了巨大的进步。目前，急需系统地研究总结和推广。国外的岩溶水探测技术主要朝着进一步提高精度、简便易行的方向发展，开发新的方法和设备，改进已有的设备，开发功能更全面和强大的解译软件。同时不断研究与改进岩溶水开发、水处理的工程技术设备，提高对复杂的岩溶地质环境的实用性和效率。另外，随着岩溶水开发程度的提高，一些地区由于不合理的开发导致发生了岩溶塌陷、泉水疏干、地下水污染等不良环境地质问题，引起了社会对岩溶水资源的合理利用和保护上的关注。因此，对岩溶水的脆弱性、环境监测预报与保护技术的研究，也已成为水文地质及环境地质研究工作的一个主要方向。
『捌』 地下水管理模型研究现状
1959年，Todd在他的经典论著《Ground Water Hydrology》中明确提出了地下水管理的概念，20世纪60年代以来，迅速发展起来的地下水数值模拟模型大大推进了地下水的定量化研究［10］。“备选方案法”是一种比较简单的确定地下水管理方案的方法。通常给定多种条件（如开采方案），多次运行数值模拟模型，可以得到不同条件下的地下水状态，在给定的目标下，通过比较各种方案，可选择目标较优的方案作为决策方案，这是20世纪70年代以前最常用的优选地下水开发利用方案的方法。由于要多次运行模拟模型，比较不同方案下的地下水状态，这种方法耗时较多。这不是严格意义上的“最优解”，没有运用运筹学的方法全面、综合地考虑管理的目标和各种约束，从而得不到理论意义上的最优地下水开发利用方案。
地下水管理模型通常由地下水系统的数值模拟模型和优化模型耦合而成。Maddock［11］推导出地下水系统单位脉冲响应函数，提出了建立大规模地下水水力管理模型有效的方法——响应矩阵法。而Aguado和Remson［12］首次将地下水数值模拟模型与线性规划联立，明确提出了建立地下水水力管理模型的嵌入法。20世纪70年代到80年代初，国外以研究地下水水力管理模型为主，并提出了完善的理论和实用的建模方法，Gorelick［13］对分布参数地下水管理模型，特别是水力管理模型进行了综述。
我国科技人员于20世纪80年代中后期开始地下水管理模型的研究与应用工作，公开发表的论著如林学钰、焦雨著《石家庄市地下水资源的科学管理》［14］，许涓铭等［15］系统论述了建立分布参数地下水水力管理模型的基本理论和方法。在这一阶段，我国几乎所有以地下水为主要供水水源的大城市，针对不同的问题，都建立了地下水管理模型，如石家庄、西安、哈尔滨、长春、济南、包头等。一些典型地区也建立了区域地下水管理模型，如河北平原、河西走廊、柴达木盆地等。这些研究大大推进了我国地下水科学管理的进程，但由于当时建模所考虑的因素多为水力要素，模型结构也比较简单，多归结为求解线性规划问题，这大大限制了模型的实用性和可操作性。
20世纪90年代以来，由于数值模拟和计算机技术以及数学方法在地下水资源优化开发方面的理论与方法日臻完善，使复杂的水资源管理问题得以有效的解决。这不但促进了地下水管理学科的迅速发展，并在推动水文地质学从定性研究进入定量化研究的过程中作出了应有的贡献。从模型的研究内容看，主要集中在地表水-地下水联合调度、地下水量-水质综合管理、地下水可持续利用管理模型的研究上；从模型的结构看，主要是以非线性规划、动态规划和多目标规划管理模型为研究的热点和难点问题。
1.2.2.1 地下水非线性管理模型研究进展
地下水管理模型的非线性问题是普遍存在的，产生非线性的原因主要有两个：其一是系统状态的非线性，如潜水含水层模拟模型的非线性；其二是管理问题的非线性，如目标函数和某些特殊约束条件的非线性。真实的地下水系统管理问题大多数是非线性的，因此非线性管理模型能更精确地描述这类地下水系统及其管理问题，因而提高模型结果的精度和可信度。由于非线性规划问题没有统一的模式，在可行域内有可能存在多个局部最优解，因而到目前为止，还没有通用的、高效的求解方法，要根据管理模型的结构特点和规模，选择合适的求解方法［10］。
线性化是解决非线性问题最简单的方法，如Gorelick和Remson［16］、Ratzlaff［17］等都应用这种方法解决这类问题。迭代法也是解决非线性问题的有效方法之一，如Aguado和Remson［18］用预测-校正法通过反复迭代求解潜水含水层地下水管理问题；Willis 和Newman［19］用求解一系列线性规划替代非线性目标函数、线性约束条件的非线性规划问题。王洪涛提出了非线性多含水层地下水资源管理的处理方法，并把这一方法应用到唐山市以防治岩溶地面塌陷为目的的水资源管理中［20］。
若非线性规划的目标函数是决策变量的二次多项式，并且模拟模型和其他约束条件又全是线性的，则称这种非线性规划为二次规划。二次规划有统一的表示形式和通用解法，是非线性管理模型中最常用的求解方法之一。如Lefkoff和Gorelick［21］、Misirli和Yazicigil［22］等均是用二次规划求解管理模型。
此外，常用于解非线性规划的方法还有直接搜索法（主要有修正单纯形法、Nelder-Mead单纯形法、并行方向搜索法）和基于导数的优化方法（如约束优化的隐式筛选法等）。人工智能算法（又称进化算法，evolutionary algorithms，EA）也为求解高度非线性规划问题开拓了广阔的前景。
1.2.2.2 地下水动态规划管理模型研究进展
地下水系统本身是一个高度复杂的动态系统。由于管理区的自然条件和人为作用等均在不断地发生变化，尤其当水源地的地下水要进行长期开采时，地下水资源管理模型必须随着时间推进做定期的修正以保证模型的精确性和可靠性，地下水动态规划管理模型的提法便应运而生［23］。这方面的研究可参阅有关文献，如Yakowitz，Andricevic［24，25］等。动态规划方法本身还不够完善，在高维的情况下会产生所谓的“维数灾”问题，目前在求解地下水动态规划管理模型中，用的较普遍的方法是微分动态规划方法，它是由Jacobson和Mayne［26］提出的。微分动态规划方法是一种多维动态规划的改进算法，不需要进行状态变量和决策变量的离散化，克服了计算量呈维数增长这一障碍。因此，它提供了一种解算大型、多时段、非稳态流的地下水资源管理模型的可行的分析计算方法［27］。
Murry 等［28］运用带约束条件的微分动态规划方法成功地实现了多级水库的优化控制；Jones等［29］利用微分动态规划方法求解了最优控制模型，成功地解决了理想模型中8个假设井的最优开采量分配问题；Culver等［30］建立了地下水水质模拟模型并应用有限元法求解，通过应用微分动态规划方法和Quasi-Newton近似法，确定了含水层不同时期的最优抽水方案；Chang等［31］应用微分动态规划方法解决了时变地下水系统污染修复最优控制问题；Chang等［32］联合应用微分动态规划方法和遗传算法解决了地下水管理问题；Chu 等［33］应用人工神经网络方法和微分动态规划方法解决了大规模地下水系统的管理问题。我国学者李文渊等［34］建立了以抽水费用最小为目标的地下水管理模型，应用微分动态规划方法求解，并编制了计算机程序；郝永红等［35］结合阳泉市岩溶地下水系统的实际，应用微分动态规划方法为阳泉市岩溶水的开发提出了最优开采方案；王浩然［36］以位于山东省淄博市境内的孝妇河流域上游地区的地下水系统为研究对象，构造了地下水开采条件下的控制模型，采用微分动态规划方法求解，获得了比较符合实际且容易实施的地下水优化开采量。
1.2.2.3 地下水多目标管理模型研究进展
地下水多目标管理模型是以地下水模拟模型为基础，由两个或两个以上的目标函数及其约束条件组成的，用于对地下水进行统筹规划和有效保护的管理模型。地下水多目标管理模型更能体现地下水系统的层次性和多目标性，模型不仅能提供地下水合理开发利用最优方案，而且可作为宏观经济和环境规划的决策依据，因而更具实用性和可操作性［37］。由于多目标问题类型多，无统一的数学形式，故没有通用的求解方法。针对不同的管理模型和目标评价准则，应采用相应的解法。
20世纪70年代以来，多目标管理模型用于解决水资源的规划问题［38，39］；80年代以后，随着对地下水系统研究的不断深入、地下水模拟技术及其与管理模型耦合技术的发展，多目标规划才出现在地下水管理问题中。Willis等［40］首次建立了地下水多目标管理模型；Bogardi等［41］采用一种交互式多目标决策方法求解地下水多目标管理问题，有三个目标函数：总抽水量最大、抽水降深最小以及总抽水费用最低；Ritzel等［42］用遗传算法求解多目标地下水污染控制问题；Park等［43］运用多目标遗传算法对沿海含水层中的抽水量和井位进行优化，以防止海水入侵；Kollat等［44］对4种多目标优化算法进行了对比研究；邵景力等［45，46］运用线性规划方法对包头市地下水多目标管理模型进行了求解，他们还建立了包头市地下水-地表水联合调度多目标管理模型，模型最终归结为求解线性目标规划问题；代振学等［47］建立了济宁-兖州矿区地下水多目标管理模型，采用模糊线性规划法求得了管理模型的最优解，最后通过灵敏度分析和流场模拟，证实了最优解的正确性；孟庆国等［48］进行了城市地下水多目标管理模型的相关研究，建立了内蒙古呼和浩特市地下水多目标管理模型，采用多阶段目标规划法对模型进行求解；王来生等［49］建立了哈尔滨市地下水资源多目标规划管理模型，将求解多目标最优化问题的约束法和线性加权法相结合，给出了一种综合解法；王红旗等［32］根据大庆市西部地区地下水系统的特点，构建了地下水资源多目标动态规划管理模型，采用多目标规划的改进线性加权法和微分动态规划方法相结合的方法进行求解，通过管理模型的运算得出三种规划方案下的地下水最优开采量，并根据管理模型的运算结果对研究区的地下水资源开发利用规划提出合理化建议；贺北方等［50］建立了区域水资源多目标优化配置模型，目标有3个：区域供水净效益最大、区域重要污染物排放量最小、供水系统缺水量最小，应用遗传算法求解了此管理模型。
与单目标管理模型相比，地下水多目标管理模型有如下特点［51］：
（1）各目标间的度量单位多是不可公度的，有些目标甚至很难给出定量指标，如供水的社会效益、环境效应等。用单目标优化方法很难处理不可公度的多目标问题。
（2）各目标间的权益通常是相互矛盾的，这是构成多目标问题存在的基本特征。多目标问题总是以牺牲一部分目标的利益来换取另一些目标的改善。单一目标的最优并不代表系统整体最优。
（3）多目标问题的优化解不是唯一的。多目标规划的任务是考虑经济、社会、环境、技术等因素，权衡各目标的利弊，从多个“有效解”中寻求各目标都能接受的“满意解”。
（4）多目标规划可以充分发挥分析者和决策者各自的作用。在现代管理中，分析者的任务是根据决策者的要求建立管理模型，提供多个各有利弊的方案，作为决策者决策的依据。决策者的任务是站在更高的层次上，兼顾各方面利益，从众多可选方案中确定决策方案。