第壹,找水和供水
早在1980年就在全國開展了水文地質普查,面積約820萬km2,取得了基礎數據,供國家規劃建設和有關工業部門使用。此外,完成了近654.38+0.3萬km2的農牧區供水水文地質勘探,為農田水利規劃、指導井灌區擴大灌溉面積、改良鹽堿地、治理冷浸田提供了科學依據。
20世紀70年代末80年代初以來,我國轉入重點經濟發展區域,如黃淮海平原、濟徐淮地區、長江三角洲、東北經濟區、京津唐地區和西北能源基地,取得了許多重要的研究成果。
自20世紀80年代以來,開展了許多專項調查,如紅層、玄武巖和黃土地區地下水的富集,以及北方巖溶地區和典型巖溶地區的地下水。
在200多個城市不同程度地開展了水文地質調查,在80多個嚴重缺水城市評價了200多個集中地下水補給源,極大地緩解了這些城市的供水緊張狀況。對北京、天津、上海等75個主要城市的水資源進行了預測,並結合城市發展規劃對深圳、廈門、大連、北海等沿海開放城市的水資源進行了論證。北京、天津、福州、拉薩、漳州、湛江、昆明、鄭州等10多個具有地熱資源開發前景的城市開展了地熱田的勘查和研究。
在長期的缺水地區找水實踐中,總結出壹套行之有效的方法和經驗,如“新構造控水”(肖南森)、地下水網絡理論(胡海濤)、蓄水構造理論(劉光亞等、錢學普等),這些都是在基巖地區找水的寶貴探索。
從1995開始實施西北找水專項計劃,在極度缺水的塔克拉瑪幹沙漠腹地和寧夏、陜北、內蒙古偏遠地區找到了可飲用的淡水。隨著國土資源部新壹輪國土資源大調查和西北、西南巖溶山區找水工程的實施,對國家在水資源匱乏的西部大開發具有重要意義
二、地下水資源評價
在水文地質調查的基礎上,針對北京、陜北、豫東、吉林中西部和河西走廊不同類型的地下水,初步總結了大尺度地下水資源評價方法。①對於超采城市北京,分區域預測計算全區降水、河流和地下水資源總量,提出開采量評價和人工調蓄保護永定河地區地下水資源的方案。(2)開展黃土高原農林區地下水資源評價,確認黃土洞穴裂隙潛水和基巖裂隙承壓水是典型黃土高原地區的兩種主要地下水類型。對於黃土這種各向異性、垂向非均質的含水層,除了選擇各種水文地質參數外,還應註意黃土下伏基巖裂隙的相對成層性和承壓性,從而提出黃土高原地區地下水資源評價的完整模型。③結合具體水文地質條件,評價國民經濟重點地區地下水資源。如在吉林省和松嫩平原,充分考慮了多層溢流補給的特點,使評價結果更接近實際情況。河南商丘地區主要考慮包氣帶和水位變動帶的巖性結構,改進了以往確定降水入滲系數、水位變動帶降水給水量和潛水蒸發極限深度的方法。建立了河西走廊6000km2大流域地下水數值模擬模型。在深入分析了各水文流域含水層系統的分布以及地下水補給的條件和過程後,劃定了可供開發利用的含水層區域。(4)開展華北地區水資源評價和開發利用研究。預計區域水資源總量為41.9億m3/a,可利用量為31.0億m3/a,礦化度為2-3g/l的微鹹水和淺層承壓水為53億m3/a,其中京津唐水資源總量為1.1.2。⑤對特殊類型的地下水資源也進行了評價。例如,四川盆地深層地下鹵水可采資源量估計為9.83億m3,剩余可采資源量為7.62億m3。天津地下熱水靜態儲量為5844654.38+0億m3,可采量為8.25億m3。
建國以來已查明地下水源1243處,已開采地下水源832處,其中大型水源(允許開采量在5×1×104 ~ 5×65438以上)和中型水源(允許開采量為1×65438)494處。按含水介質類型劃分,有846種孔隙水類型(68%),315種巖溶水類型(25%),82種裂隙水類型(7%)。
根據地下水資源的特點和分類,作者認為地下水資源具有系統性、流動性、可恢復性和可調控性。這是因為地下水分布在壹定範圍內,可以在含水層中流動,可以定期補給。補給充足時能恢復其原有水量,地下水的儲存在補徑排采過程中起到調節作用。所以它不同於石油、天然氣等固體礦產資源和流體礦產資源。地下水資源分類有多種方案,如自然資源和開采資源、補給、儲存和消耗、補給和儲存資源等等。近年來,在總結以往地下水資源各種分類的基礎上,出現了壹種分類方案,從地下水資源構成角度分為補給資源和儲存資源,從開采角度分為允許開采資源和難以利用資源。在地下水資源評價中,需要計算的地下水實際量包括補給量、存儲量和允許開采量。
三。地下水資源管理
20世紀80年代以來,地下水資源研究的壹個重要標誌是逐步將主要目標轉向管理模式的研究,即在掌握地下水資源分布和數量的基礎上,研究如何合理開發、利用和保護地下水資源,使其處於對人類生活和生產最有利的狀態,以獲得最大的經濟、社會和環境效益。它涉及自然環境、社會環境、技術經濟環境等與地下水開發活動相關的問題。通過地下水流動的數學模型和優化技術,建立地下水管理模型,實現管理目標。地下水資源管理研究進展迅速。從管理模型的類型來看,有集中參數模型、分布參數模型、水量管理模型、水質管理模型、經濟模型和上述模型的組合模型、單目標規劃模型和多目標規劃模型、單壹地下水管理模型或地表水管理模型、地表水和地下水聯合管理模型。從管理內容上,從過去的壹般水政、水平衡管理發展到地下水動態和水資源(包括水量、水質)管理,地表水和地下水聯合運行管理,控制地質災害的土地利用和地下水動態控制管理,綜合考慮水資源開發利用引起的生態環境副作用和經濟技術約束的預防、控制和改善的多層次、多目標管理。地下水資源管理理論已經成熟。
我國地下水資源管理的研究起步稍晚,但發展非常迅速,出現了大量針對不同地區、不同管理問題的地下水資源管理研究成果。如石家莊市地下水資源管理模型,基於系統化、模型化、優化化的總體理念,將水量模型、水質模型、優化模型融為壹體,為控制石家莊市地下水降落漏鬥發展、防止水質惡化提供了可行的綜合管理決策方案。本文采用多目標規劃方法,建立了以經濟產值最大化為目標的農業用水分析模型和跨流域調水模型。針對新鄉、平頂山、北京、Xi、沈陽、唐山、邯鄲、北海等城市,根據不同的目標和要求,建立了以城市供水為目標的水資源管理模式或水質水量聯合模式、地表水和地下水聯合調度模式、全流域工農業生活用水優化分配的規劃管理模式,取得了重要的研究成果。
四、地下水資源開發引發的環境問題
20世紀70年代以來,由於城市的快速發展和城市供水量的不斷增加,過度開采地下水引起的環境地質問題(或負環境效應或地質災害),如水源枯竭(如地下水位持續下降、大泉流量逐日減少等。)、地面變形(如地面沈降、巖溶塌陷、地裂縫等。)、水質惡化(如海水入侵等。)和生態環境惡化,已引起廣泛關註。在中國,許多城市開展了地質災害勘查。通過對地質災害形成機理的分析和地下水管理模式的研究,提出了調整開采布局或人工補給等措施來預防或治理地質災害。
上海、天津、Xi、蘇州、無錫、常州等城市開展了地面沈降研究,並取得了不同程度的進展。比如上海的地面沈降,從60年代開始研究,基本摸清了地面沈降的機理,采取了人工回灌等綜合治理措施,從70年代開始基本得到控制。20世紀80年代以來,基於準三維地下水流模型和描述地面沈降的壹維模型,通過數值模擬預測了不同采補比下可能發生的沈降。因此,地面沈降的研究已經從定性轉向定量。
在我國,無論是北方還是南方,對巖溶塌陷都進行了深入的研究,對巖溶塌陷的類型、特征、形成條件和形成機理進行了系統的分析和總結,並提出了具體的防治措施。壹些研究人員也對巖溶塌陷的預測進行了嘗試性的研究。
遼寧大連、萊州、龍口、煙臺、青島、廣西北海等地對沿海地區海水入侵問題進行了詳細研究。描述海水入侵的數學模型經歷了從鹹淡水突變界面模型到過渡帶溶質彌散模型,從二維模型到三維模型,從不考慮密度變化的模型到考慮過渡帶水密度變化的模型的發展,並趨於完善。在防治對策方面,提出了調整開采量、人工回灌、設置防水帷幕等措施。除了調整濱海含水層地下水開采量,其他控制措施在國內並不多見。
此外,地裂縫是另壹種與地下水開采有關的特殊地面變形現象。例如,Xi安有許多地裂縫,對城市建築造成了嚴重的危害。經過長期深入研究,認為新構造運動是地裂縫形成的內因,而大量開采地下水是主要外因,對地裂縫的發展起了激發作用。
為了控制地面沈降,調蓄能量,增加地下水補給,天津、上海、北京、煙臺、山東等地開展了人工回灌或相關試驗研究。探討了人工回灌的入滲機理,總結了不同水文地質條件下的回灌經驗以及控制地面沈降或調蓄能量的效果。
動詞 (verb的縮寫)基本概念和基本理論
自20世紀60年代托特提出區域地下水流理論以來,特別是系統觀向科學技術各個領域的滲透,許多水文地質學家嘗試用系統理論研究水文地質問題,先後提出了“地下水水文系統”、“含水層系統”、“地下水系統”、“地下水流系統”、“水文地質系統”等概念,對水文地質學的發展產生了重大影響。然而,由於不同學者所持的觀點和角度不同,對該概念的定義和理解也有所不同。許多學者認為地下水的賦存、分布、運動和演化是系統的,“地下水系統”壹詞被更多的學者提及。地下水系統包括“地下水含水層系統”和“地下水流系統”。前者是指由含水層和隔水或相對隔水的巖石組成的具有統壹水力聯系的含水巖系,後者是指由源到匯的流面群組成的具有統壹時空演化過程的地下水體。它們都具有整體性和層次性的特點。目前,地下水流系統理論在理論和方法上發展迅速。Toth等人側重於研究時空尺度較大的地下水流系統,主要用於預測油氣藏的分布。Toth還提出了“重力跨層流動”的概念,將流動系統理論擴展到非均質介質領域。
隨著基巖地區水的勘探和大規模地下水資源的評價,壹些基礎研究受到重視。如田從現場現象推導並經實驗證明,裂隙水的橫流具有三個重要的水力特征:在十字裂隙中,壹條裂隙中的水通過十字時全部或部分偏轉到另壹條裂隙中;兩個方向的流阻效應不相等;進水量不等於排水量,即出現偏流現象。在此基礎上,推導了基巖區地下水網絡偏差和條件偏差的基本模型。再如,在包氣帶水分特征的研究中,①認為溫度對土壤水分運動的影響取決於土壤表面邊界條件的類型;當土壤表面為壓力水頭邊界時,溫度對土壤水分運動有非常明顯的影響。②滯後主要改變土壤含水量的分布;當吸水和脫水循環發生時,滯後現象對土壤水分運動有顯著影響。③零通量法、中子測量法、WM-I負壓計的研究,以及在巖土水熱梯度特征、非飽和滲透系數、三水轉化過程中持水曲線的規律性等方面的應用,使土壤包氣帶的理論研究達到了較高水平。
其他學科中的壹些新理論,如灰色系統理論、地質統計學、分形理論等,在水文地質研究中得到推廣和應用。地下水系統是壹個具有不確定信息的灰色系統。灰色系統可以用灰色參數、灰色方程和灰色矩陣來描述。灰色系統可以控制在灰域內,即在壹定的上下限內。地質統計學充分考慮了地質變量在壹定空間中的空間相關性,即認為這類隨機變量具有空間結構,因此可以有效利用經典統計學丟失的信息,對地質變量做出更準確的評價。例如,對於空間分布稀疏但觀測時間序列較長的水文地質變量(如地下水位),不僅要充分利用數據的空間結構,還要充分利用其時間結構,利用時空克裏金法繪制水位等值線圖,明顯提高了圖件質量。灰色系統理論和地質統計學都體現了確定性和隨機性的結合。它們的引進和應用產生了壹系列新的水文地質學應用理論。
不及物動詞模型和模擬
五六十年代以來,特別是七十年代以來,由於應用數學和地下水動力學的相互滲透,特別是計算機技術的普及和應用,極大地豐富和突破了傳統水文地質學的內容,地下水的定量研究發展到了壹個新的階段。地下水計算的基本理論,從穩定流到非穩定流,從二維流到三維流,從解析法到數值解法,有限元法和有限差分法已廣泛應用於地下水資源評價和計算。通過模擬計算,進行了模型識別和預測,解決了各種條件下的水文地質計算問題。與地下水模擬計算相關的計算機軟件日益完善。Modflow是近年來國際上最流行的仿真軟件之壹,已經從DOS版本發展到WINDOWS版本。它具有可視化的界面,強大的計算、處理和顯示功能,操作簡單,因此應用廣泛。
地下水資源的計算和動態分析預測采用了多種模型,如確定性模型和隨機模型、集中參數模型和分布參數模型、線性模型和非線性模型、單壹模型和耦合模型等。不同地區根據具體的水文地質條件建立相應的模型,如河南商丘人工調蓄條件下的多年平衡法結合有限元的數學模型;根據甘肅省石羊河流域地下水動態演化規律,采用非標準有限差分法建立數學模型和黃土層中飽和與非飽和地下水聯合數學模型;幹旱半幹旱地區基於地下水彈性效應、地下水延遲供水效應和水位異常效應的數學模型。此外,還有壹些特殊的模型,如選擇放射性廢物處理場的滲流模型、填埋場和地表水庫的汙染物遷移模型等。
七、新技術和新方法的應用
近幾十年來,測量、測試和計算機技術發展迅速,在水文地質調查和研究中得到了廣泛應用,大大提高了水文地質工作研究的效率和所獲數據的質量,也為認識和解釋壹些水文地質問題提供了更加堅實的基礎。
在物探方法方面,在電法測試的基礎上,開展了淺層高分辨率地震、聲波、綜合電磁、音頻地電場、激發極化、甚低頻、靜電a卡、綜合測井、放射性低能譜測量、空間無線電波透視、超聲波成像等多種方法。如利用淺層地震方法確定地下巖溶發育區域,劃分第四系地層,利用ESP地質雷達系統了解松散層的結構、層次及淺部基巖裂隙、溶洞發育情況,以磁法為主輔以電剖面法、淺層測溫、α卡法指導熱水井,利用音頻地電場法、激發極化法、綜合磁法找水,均取得了良好的效果。
在遙感方面,航空紅外成像掃描技術的應用水平得到了提高,使得圖像信息更加豐富,有利於遙感圖像的解譯。遙感方法在尋找地下水和地熱水、探測古河流、繪制水質圖等方面取得了良好的效果。近年來,在常規目視解譯的基礎上,進壹步發展了多品種、多波段、多時相的綜合解譯技術,正朝著多數據復合、動態監測、趨勢預測和計算機定量分析方向發展,取得了許多實用的遙感地質解譯成果。
通過研究地下水的同位素組成,結合水文地質條件等方法,可以確定地下水的來源、年齡、徑流途徑和補給關系,為地下水資源評價、合理開采和防治地下水災害提供科學依據。根據多年的δD和δ18O監測數據,得出中國降水線的線性方程為δD=7.7δ18O+7.5,建立了中國降水氫氧穩定同位素數據庫,並導入IAEA全球降水氫氧穩定同位素數據庫。
地理信息系統(GIS)是近年來發展起來的壹門新技術,在水文地質領域得到了迅速的應用。壹個研究區的水文地質空間信息可分為若幹個獨立的信息層,空間數據(如水系、富水分帶、斷裂構造、控制井、地下水開采、水化學成分等。)可以分層提取。GIS通過邏輯匹配將不同圖層的信息聯系起來,生成新的圖層,輸出新的信息。目前,基於GIS的水資源信息管理系統軟件正在開發中,為水文地質信息的數字化和圖形化提供了便利條件。
八。水文地質信息系統及成果展示
為了提供建立數學模型所需的大量水文地質信息,如有效利用水文地質數據,需要建立相應的信息檢索系統和數據庫。地質礦產信息系統是國民經濟信息系統的壹個子系統,包括“礦產儲量數據庫”和“地下水資源數據庫”。在該國的壹些地方也建立了相關的數據庫。通過對數據管理系統的研究,河南省環境水文地質站近年來開發了“河南省地下水資源數據管理系統”和“地下水均衡測試觀測數據處理系統”。山西省環境水文地質站開發了“山西省地下水動態數據庫管理系統”。秦皇島、石家莊、新鄉也分別建立了數據庫和數據庫管理系統。它們都具有輸入、更改、查詢、計數、打印、繪圖等多種處理功能。
在信息系統研究的基礎上,還研究了城市水資源管理專家決策系統。通過對信息庫、知識庫和推理解釋系統的研究,可以建立城市水資源與環境管理的通用專家系統,使水資源與環境管理這壹復雜的系統工程實現計算機化和自動化,實時分析水資源狀態,實現過程模擬和信息輸出,實現最佳決策選擇。
成果展示上,在水文地質調查資料和地下水資源評價的基礎上,中國各種比例尺水文地質圖的編制工作發展迅速,創造了壹套具有民族特色的水文地質填圖方法,編制出版了許多全國、省、市或地區的圖、圖或圖集,其中1978出版的《中國水文地質圖集》基本上系統地反映了50年代以來中國區域水文地質工作的成果。隨後編制了亞洲水文地質圖(1:800萬),以及具有特殊內容的地圖,如中國溫泉分布圖(1:600萬)、中國北方典型遙感水文地質圖像、中國巖溶地區典型遙感水文地質圖像等。近年來,水文地質研究成果的數字化進展很快,各種圖件都可以用計算機(多媒體)顯示。