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第十四章 地下水资源与水资源管理 水资源：water resources 地下水资源：groundwater resource 141 作为资源的地下水 1自然资源的概念与分类 （1）概念 自然资源是国民经济与社会发展的重要物质基础，随着人们生活水平的提 高和人口的增长，人类对自然资源的需求日益增大，同时对环境的破坏也日趋 加剧。如何以最低的环境代价确保经济持续增长，同时还能使自然资源可持续 利用，已成为当代所有国家在经济、社会发展过程中所面临的一大难题。 通常人们为了方便将自然资源简称为资源。 辞海中把资源定义为：“天然存在的自然物，不包括人类加工制造的原 料，如土地资源、矿藏资源、水利资源、生物资源和海洋资源等，是生产的 原料来源和布局场所。” 英国大百科全书中把资源定义为：人类可以利用的自然生成物，以及生 成这些成分的环境功能。前者包括土地、水、大气、岩石、矿物、及其群聚 体森林、草地、矿产和海洋等，后者则指太阳能、生态系统的环境机能、地 球物理化学的循环机能等。 1972 年联合国环境规划署指出，资源是指“在一定时间条件下，能够产生 经济价值以提高人类当前和未来福利的自然环境因素的总称。” 我国学者中较为流行的资源定义：自然资源是指人类可以利用的、天然形成 的物质和能量，它是人类生存的物质基础、生产资料和劳动对象。 水文地质学基础：资源是指自然界存在且可被人们利用的一切。 尽管存在着许多种不同的资源定义，但归纳起来有三点值得我们注意（或 相同）： 是天然物质； 可以利用； 能够产生生态价值和经济效益。 （2）分类 按照资源的地理学性质分为：水利资源（含淡水资源）、土地资源、气候资 源、生物资源、矿产资源和海洋资源。 按照自然资源在不同产业部门中所占的主导地位分为：农业资源、工业资源、 能源、旅游景观资源、医药卫生资源、水产资源等。 按自然资源的可更新特征分为：可更新资源和不可更新资源。可更新资源包 括水资源、耕地资源、生物资源等，而不可更新资源主要是矿物资源，特别 是以矿物为主的能源。 为了研究及开发利用上的方便，依据资源的一些共同特征，将资源进行统一 分类（见下图）。 2 2水资源的概念 水资源是人类赖以生存的最重要的物质基础。 关于水资源国内外文献有许多提法，尚未形成公认的定义： 英国大百科全书中定义：“全部自然界任何形态的水，包括气态水、液 态水和固态水的全部量。” 1988 年联合国教科文组织和世界气象组织共同制定的水资源评价活动 国家评价手册中则定义水资源为：“可资利用或可能被利用的水源， 具有足够的数量和可用的质量，并能在某一地点为满足某种用途而可被利用。 ” 在 1988 年通过的中华人民共和国水法中定义：“所谓水资源，是指地 表和地下水。” 作为水资源的水体一般应符合下列条件： 通过工程措施可以直接取用，或者通过生物措施可间接利用； 水质符合用水的要求； 补给条件好，水量可以逐年更新。 水资源主要指与人类社会生产、生活用水密切相关而又能不断更新的淡水， 包括地表水、地下水和土壤水。 地表水资源量通常用河川径流量来表示（按流域计算）；地下水、土壤水 资源量可用补给量来表示（地下水按水文地质单元或地下水系统计算）。 三种水体（地表水、地下水、土壤水）之间密切联系而又互相转化，扣除 3 重复量后的水资源总量相当于同一区域的水资源总量。 地下水是水资源的一个重要组成部分。地下水是一种宝贵的资源。 中国河流中，最重要的有被称为七大江河的松花江、辽河、海河、黄河、 淮河、长江和珠江。 水资源资料 中国水资源（淡水）的总量为 2800km3（2.8 万亿 m3），居世界第 6 位，人 均占有水量仅 2200 m3（或 2400m3），只相当于世界人均占有量的 1/4，居世界 第 109 位。 全国多年平均河川径流量为 27115 亿立方米，多年平均地下水资源量为 8288 亿立方米。扣除重复水量后，全国多年平均年水资源总量为 28124 亿立方 米。 世界水资源研究所提出用四级水平来评估人均占有水资源量的多少：人均 占有水量小于1000 m 3为最低水平，严重缺水；10005000 m 3为低水平，缺水； 500010000 m3为中等水平，不缺水；10000 m3为高水平，水资源丰富。此 外，联合国可持续发展委员会将人均水资源量1750 m 3确定为缺水警告数了。 按照这个标准，中国人均水资源量处于缺水上下限（10005000 m3/人）的 中低值，总体缺水。而且中国的水资源分布也极不均衡。北方地区人均水资源 量仅 988 m3，低于 1000 m3 的重度缺水标准，黄河、淮河、海河流域及内陆河 流域共有 11 个省、市、区的人均水资源拥有量低于 1750 m3 的缺水紧张线，其 中山东为 380 m3，河北为 330 m3，北京不足 300m3，天津仅为 150m3，成为世界 上最缺水的地区之一。更为严峻的，部分地区严重的水污染，造成合格水源减 少，水质性缺水已威胁到我国业已不足的水资源供给。例如，上海的水资源总 量丰富，但由于受污染影响，人均水资源拥有量仅为全国平均水平的 40，实 际可供饮用的水仅占地表水资源的 20。为此，联合国已将中国列为全球 13 个最缺水的国家之一。 地下水是世界许多干旱、半干旱地区以及地表水污染严重地区重要的饮用 和生产水源，全国约有三分之二的城市以地下水为主要供水水源。 3地表水与地下水的比较 作为资源地下水具有一系列优点（与地表水相比）： 空间分布：地表水仅分布于水文网，地下水分布比较广泛。 时间调节性：地表水循环迅速，为了利用它需要筑坝建库，以进行时间上的 调节；地下水受含水介质的阻滞，循环速度远较地表水缓慢，含水系统为具 有天然调节能力的地下水库，地下水的这种时间上的调节性，对于干旱地区 与干旱年份的供水尤为可贵。 水质：地表水易受污染；地下水相对不易受污染，水质一般较好。 可利用性：地表水一般需进行水质处理；地下水一般不需进行水质处理即可 利用。 4地下水资源概念的演变 在相当长的一个时期中，人们对地下水的需求量不大，开采地下水的规模 小，地下水总是能够满足持续而稳定地供应某一定水量的要求。于是，人们在 头脑中把地下水看作是“取之不尽，用之不竭”的，并没有意识到地下水是一 种有限的资源。 随着人口的增长与生产力的发展，人们对地下水需求的增加，首先是在一 些缺乏地表水的干旱半干旱地区，大量而集中地开采地下水，很快引起区域性 4 水位下降，出现地下水资源涸竭的现实威胁。这时，人们才逐渐认识到，地下 水是一种数量有限，值得珍惜的资源，必须查明其数量，有计划地开发利用。 142 地下水资源的特征 1地下水资源的系统性 地表水的系统性比较容易理解。地表水资源总是按水系（或流域）进行计算， 并按水系进行规划利用的。 地下水资源发育于内部具有统一水力联系、与外界相对隔离的地下含水系统 或含水层之中。赋存于含水系统中的地下水具有统一水力联系，在其任一部分 加入或排除地下水，影响将波及整个系统。因此，地下含水系统是地下水资源 评价的基本单元，也是地下水管理的基本单元。 松散沉积物包含多个含水层和弱透水层，含水层之间通过弱透水层越流发生 水力联系，构成具有统一水力联系的地下含水系统。通常，浅部含水层水力联 系密切，随着深度加大，含水层之间水力联系变差。因此，浅部发育潜水，深 部发育半承压水。浅部水循环更新迅速，深层水循环更新缓慢；开采时，浅部 含水层以疏干方式排水，深部含水层以弹性释放方式释水。开采同等水量情况 下，深部含水层水位下降幅度明显大于浅部。 基岩中存在多个含水层和隔水层时，当隔水层厚度较小，构造破坏较强，含 水层之间水力联系较好时，构成具有统一水力联系的地下含水系统；隔水层厚 度较大，构造作用破坏不明显时，各含水层分别构成独立的系统。 地表水资源的评价：通常按流域，统一评价及规划利用地表水资源。 地下水资源也是按系统形成与分布的，这个系统就是含水层系统。存在于同 一含水系统中的水是一个统一的整体。而某一含水系统作为供水水源利用的地 下水资源，原则上等于补给量。 地下水资源的评价：应当以含水系统为单元，统一评价及规划利用地下水资 源。 2.地下水资源的可再生性 地下水资源分为两类：补给资源及储存资源， 补给资源：参与现代水循环、不断更新再生的水量。 储存资源：不参与现代水循环、不能更新再生的水量。 补给资源是地下含水系统能够不断供应的最大可能水量；补给资源愈大， 供水能力愈强。含水系统的补给资源是其多年平均补给量。 自然资源 可再生资源地下水为可再生资源具有可恢复性 不可再生资源，如固体矿产资源、石油等 5 储存资源是地质历史时期形成的水量，消耗一部分就减少一部分，是无法 持续供应的水量。 补给资源的单位是 m3/a，是个流量概念。储存资源的单位是 m3，是体积。 将一个地下含水系统的储存资源除以补给资源，得出地下水平均贮留时间 Ta，单位为 a；T a 愈大，则地下水“年龄”愈老，交替更新愈慢，可再生能力 愈差。平均贮留时间的倒数 Ta-1，称为水交替系数，单位为 1a，即地下含水 系统中补给资源与储存资源的比值。水交替系数的含义是：地下含水系统中的 水量（注意，是水量，而不是水）每年更新的比例。如果水量在一年中更新交 替一次（T a=1a），则水交替系数为 1；如果 10a 更新交替一次（T a=10a），水 交替系数是 0.1；水交替系数愈大，地下含水系统中资源的更新速度愈快，可再 生能力愈强。 地下水补给的丰枯程度，可用地下水补给模数（groundwater recharge modulus）表征。补给模数每年每平方千米地下水补给量(立方米) ，单位是 m3/akm2。地下水开采强度可用地下水开采模数(groundwater exploitation modulus)表征。地下水开采模数为每年每平方千米开采的地下水量，单位 也是 m3/akm2 。 地下水资源的再生是通过水循环实现的。地下水从大气水与地表水获得补 给，向大气与地表水排泄。在水文循环过程中水量不断再生，水质也不断更新。 一个地区的降水量 从根本上决定一个地区补给量的多少 决定着一 个地区水资 源的多少。 潜水参与水文循环积极，资源具有良好的可恢复性；承压水，水的循环交 替较缓慢，水的更新再生较慢，可恢复性较差。 3 地下水资源的变动性 由于自然及人为原因，地下水资源处于不断变动之中。 几个因素地下水资源处于不断变动 自然原因方面，受季风气候控制的我国，大气降水存在季节、年际以及 多年的周期变化，导致地下水补给资源变动。 人为原因方面，有几个因素影响地下水补给资源变动：土地利用方式的 改变，城市化进程导致的无渗下垫面增多，以及温室气体排放导致的全球变化 (王长申等， 2007；张建云等，2008)。 土地利用方式改变影响地下水资源变动，主要表现为土地种植方式的变 化，随着作物单产及复种指数增大，土壤水消耗增多，降水的更多份额被包气 带截留，补给地下水的份额减少。 随着城市化进程，城镇、厂矿、道路的无渗化，使降水的更多份额转化 为地表水或者直接进入排水管网，从而减少地下水补给。 温室气体排放导致的全球变化，全球气候变暖将加速大气环流和水文循 环过程，引起水资源量及其时空分布变化加剧，进而可能导致水资源短缺问题 更加突出、生态环境问题进一步恶化、洪涝灾害威胁更加严重等。 4地下水资源的可调节性 对供水水源的一个基本要求是保证经常稳定地供应某一水量（不论丰水年还 是枯水年）。 6 地表水，通过修建水库，将一部分丰水季节与年份的地表水贮存起来，以供 枯水季节与年份之用，从时间上调节水量。 地下水含水系统是具有时间上调节水量功能的天然的“地下水库”。利用有 利的地质结构蓄存地下水，或利用含水介质滞留水。含水系统的贮存水量可维 持枯水季节或年份的供水，并在丰水季节得到补偿。 含水系统的调节能力取决于滞留水量的能力，一般上层滞水调节能力差；潜 水含水层通常厚度不大，储存水量有限，一般只有年内或隔年调节能力，遇到 连续干旱缺水，供水往往难以保证；承压含水层厚度通常较大，地质结构也有 利于蓄存水量，常具多年调节功能。 143 地下水资源的分类及其供水意义 1. 地下水资源分类 补给资源量（补给量）含水系统的地下水多年平均年补给量为其补 给资源量（m 3/a）。 储存资源量（储存量，静储量）含水系统地下水多年平均低水位以 下的重力水体积为其储存资源量（m 3）。 允许开采量就是用合理的取水工程能从含水层中取得出来，还不会 引起一切不良后果的最大出水量（m 3/d 或 m3/h）。 作为供水水源的含水系统，必须同时有一定数量的补给资源与储存资源，补 给资源可以保持供水的长期持续，储存资源则保证供水的均衡稳定。 2. 地下水储存资源及其供水意义 在正常供水中，被消耗利用的水量乃是其补给量，并不消耗储存资源。在 干旱季节与年份可动用部分储存资源，以调节供水水量，被动用的储存资源， 原则上应当在一定时期内予以补偿，这样才能经常保持含水系统的调节能力， 长期保证供水的均衡稳定（调节供水水量或调节平衡）。 如果得不到补偿，就会造成地下水位下降，地面沉降，水质恶化等环境问 题。 储存资源作用使用要求：保持一定的含水层厚度，从而保证取水建筑物(井、 钻孔等)具有一定的出水能力，对于补给资源较为丰富而含水层薄的浅层地下水， 此点尤为重要；含水系统获得的补给量在时间上不稳定，存在季节变化和年 际变化，因此，在补给不足的季节与年份，为了保证稳定供水，必须动用储存 资源以资调节；对于今后有望获得替代性稳定供水来源(例如，从外部调水) 的情况下，在不损害生态环境的前提下，可以在一定时期内借用储存资源供水； 作为非常时期的战略后备应急水源，应对特殊情况。 储存资源对于保持岩土体应力平衡，保持地下水天然流场，以及维护依赖 于地下水的生态系统，均有重要意义。 地下水资源 补给资源：经常与外界交换的水量 （可以恢复再生的水量） 储存资源：保持于含水系统中的水量 （地质历史时期积累保存下来的水量） 7 借用储存资源，也将付出技术经济乃至生态环境的代价：由于消耗储存 资源，地下水位降低，导致提水成本增加；孔隙含水系统浅部储存资源的消 耗，导致地下水位降低，使依赖于地下水的生态系统退化乃至消失，引发土地 沙漠化等；孔隙含水系统深部储存资源的消耗，使粘性土层塑性压密(粘性土 压密属于消耗不可恢复的储存资源，一旦消耗，不可逆转)，将引发地面沉降、 地裂缝等地质灾害；由于借用储存资源改变地下水一地表水关系，导致依赖 于地表水的生态系统退化；借用储存资源改变地下水流场，导致海水或咸水 入侵淡水含水层。 3. 地下水补给资源及供水意义 补给资源是一个含水系统的可再生资源量；开采量不超过补给资源量，可 以避免地下水资源耗竭；因此，人们曾经认为，开采量不超过补给资源量，就 是合理的开采量。基于可持续发展理念，不但必须保证水资源的永续利用，还 要保证生态环境的永续优化，避免开发地下水引起的地质灾害，因此，含水系 统的开采量小于补给资源，只是必要条件，而不是充分条件。当开发补给资源 会导致不可承受的生态环境损害时，这种情况下，补给资源属于不可利用的地 下水资源。 例如，孔隙含水系统深层地下水，补给资源很小，具有半承压水的特征， 弹性给水度很小，开发时容易造成大范围深层地下水降落漏斗，引起地面沉降、 地裂缝等地质灾害；因此，从可持续发展理念出发，孔隙含水系统深层地下水 补给资源，属于不可利用的地下水资源。 补给资源保证着作为供水水源所能长期持续提供的水量（保证供水的长期持 续性）。 开采条件下补给量可能发生变化，如： 地下水位下降时，地表水补给地下水的量会增加； 地下水位下降时包气带变厚，地下水补给量减少。 4 补给资源评价方法 补给资源可以利用降水入渗系数、水均衡法、数学模拟、同位素技术、化 学元素和基流分割等方法求取。 以往的地下水资源评价广泛采用数值模拟方法。通过调试参数，数值模拟 结果与地下水动态观测资料拟合，作为判别数学模型是否正确的主要依据。但 是，参数调试具有很大自由度，数值模拟得出的并非唯一解。 多种方法结合，尤其是将数值模拟与同位素技术结合，求取补给资源，更 为可信。利用同位素技术定年，获得地下水平均贮留时间，与数值模拟结果校 核，可以得到更为可靠的结果。 14.4 地下水可持续开采量的含义与评价方法探讨 地下水资源评价的最终目的，在于确定地下含水系统的合理开采量。随着地 下水开发加强，人们对于地下水资源的认识不断提高，“合理”开采量的含义 不断改变，当前普遍接受的观点是，可持续开采量(sustainable yield)才是“合理” 的开采量。 1.可持续开采量的由来与含义 远古的人们利用地下水天然露头泉作为供水水源，大致在新石器时代 8 早期，开始打井取水，进入水文地质学的萌芽时期。那时，人们认为地下水是 “取之不尽，用之不竭”的，并没有地下水资源的概念。 1915 年，Lee 提出安全开采量的概念。1925 年，经 Meinzer 等补充完善， 有了比较完整的含义。2007 年，王长申等人提出，安全开采量，即在经济、合 法、不破坏原来水质、不产生不良环境后果的前提下，可以从含水系统中开采 的水量。 意味着人们开始认识到，一个地下含水系统可以开发利用的水量是有限的，地 下水资源的概念从此形成。 随着可持续发展理念的提出，Sophocleous 等指出，安全开采量是一个有缺 陷的概念，建议采用可持续开采量替代。地下水补给量的一部分，需要用来维 护河流、泉、湿地以及依赖于地下水的生态系统的水量和水质，因此，可持续 开采量将显著小于地下含水系统的补给量。 与安全开采量相比较，可持续开采量突出了维护生态环境的需求，兼顾资 源的永续利用及良性生态环境的永续维护，体现了可持续发展的要求。 与安全开采量相比较，可持续开采量不但考虑地下水本身的质量平衡，还 考虑地下水与相关生态环境系统的动态平衡。 参考 Sophocleous(2000)及王长申等（ 2007）的观点，暂且将可持续开采量定 义如下：可持续开采量是资源及生态环境承载力允许条件下可以永续开采 的水量。可持续开采量，是在满足生态环境永续性良性维护以及地下水资源永 续利用前提下，含水系统中允许开发利用的可再生水量的一部分，其数量具有 不确定性和动态性的特点。 2 可持续开采量评价原理探讨 迄今为止，还没有成熟的可持续开采量评价方法。瓶颈在于，如何确定地 下水直接支撑的生态系统需水量，如何确定由地下水基流维护的地表水生态需 水量。 开采地下水，实质上就是用人工排泄取代部分或全部原来的天然排泄。有 时，开采地下水还可能导致地表水由接受地下水补给而转为补给地下水。 地下水含水系统的开采量超过补给资源时，必将消耗储存资源，引起地下 水水位下降、地表水基流减少乃至消失等，进而损害直接及间接依赖于地下水 的生态系统。 然而，即使地下含水系统的开采量等于或小于补给资源时，也会消耗储存 资源，从而损害地下水直接及间接支撑的生态系统。只要开采地下水，就无法 避免储存资源的消耗。开采初期，尚未影响到补给与排泄边界时，消耗的全是 储存资源；只有当开采影响达到补给和排泄边界，使得排泄减量和补给增量与 开采量平衡时，才有可能达到稳定状态；当开采量大于补给资源时，储存资源 将持续消耗（陈崇希，1983；Frans 等，2005；王旭升等， 2005）。 由此可见，认为只有当开采量大于补给资源才是超采，是不正确，如此定 义的“超采”，不能用来指导地下水合理开发。 不同的地下水开采动态引起的生态效应不同。城镇厂矿供水时，地下水开 采动态相对稳定，旱季需要动用部分储存资源，地下水位下降有可能损害地下 水直接及间接支撑的生态系统。农业供水时，旱季集中开采地下水，地下水位 达到最低值，不但增加了地下水直接支撑的生态系统的损害风险，而且，在地 表水最需要基流补给以维护有关生态系统时，减少基流供应，甚至夺取地表水 枯季水量，使得间接依赖于地下水的生态系统受到更大损害。 9 寻求可持续开采量的评价方法，需要建立整合地下水、地表水、气候、土地 利用和生态系统等为一个复合系统，采用数值模拟、地球化学和同位素方法相 结合，以遥感、地理信息系统等技术方法为支撑，寻求多目标多约束下的求解。 为此，需要完善地下水动态监测网以及生态环境的监测。 14.5 水资源管理及地下水资源管理 水资源管理以及地下水资源管理，是涉及科学技术及人文社会多学科交叉 的复杂课题，在此，仅就某些原则略作讨论。 水资源发育具有自然流域特性；水资源不仅是社会生活生产资料，还是生 态环境不可缺少的要素，因此，水资源具有多重功能，不同用户对水资源利用 的要求相互冲突。有限的水资源与无限的需求，是一个长期存在而不断扩大的 矛盾；所有这些，决定着水资源管理的复杂性。 水资源管理需要遵循以下原则： 1)水资源管理的终极目标是：实现水资源永续利用，实观良性生态环境的 永续性维护，支撑社会经济可持续发展。 2)水资源必须以流域为单元，实行地表水和地下水一体化管理。 3)鉴于水资源的稀缺以及水资源供求矛盾的激化，必须摒弃传统的“按求 供应”，代之以“按供应求”。 4)节流为主节流开源并举是水资源管理的方向。 5)水资源体制、政策法规及能力建设是实现水资源管理目标的关键。 当前，与发达国家比较，我国的决策者及公众对水的稀缺性以及生态环境 价值认识不足，水资源管理水平还比较低，水资源管理体制没有理顺，水资源 法规不够健全，水资源浪费与水质污染尚未得到有效控制，推动节约用水尚缺 乏有效的激励机制。 我国节约用水的潜力很大。例如，我国农业用水占总用水量的 61.9%，但 用水效率较低，平均水分生产率为 1m 3，远低于以色列 1989