數(shù)學評估模型在地下水資源規(guī)劃利用中的應用

【摘要】地下水是一種十分寶貴的資源，同時又是環(huán)境的基本要素，對地下水的研究不僅關系到正確評價水資源、合理布置取水工程的問題，還關系到如何充分利用水資源又不至于引起水資源枯竭、水質(zhì)惡化的問題。基于此，本文主要對數(shù)學評估模型在地下水資源規(guī)劃利用中的應用進行分析探討。

【關鍵詞】數(shù)學評估模型；地下水資源；規(guī)劃利用；應用

1、前言

任何科學技術(shù)的發(fā)展總是與生產(chǎn)實踐的要求緊密聯(lián)系，地下水計算技術(shù)正是隨著人類對地下水需求的不斷增加而發(fā)展。如何合理開發(fā)及科學地利用地下水資源，保證經(jīng)濟社會環(huán)境的可持續(xù)性發(fā)展，對地下水資源進行科學的評價，提出合理的開發(fā)量，這都需要提供可靠的數(shù)量關系上的依據(jù)。

2、地下水資源評價的程序

2.1收集、整理分析資料

包括給水層厚度、給水度μ、土壤的滲透系數(shù)κ等水文地質(zhì)資料。

2.2地下水補給量的確定

（1）降雨量的入滲量：其值可按Pλ=P降·α求得。

其中P降為降雨量，其值可對研究區(qū)域內(nèi)的降雨資料進行分析求得，降雨資料系列應盡可能的長，一般情況下不得少于15a；a為降雨入滲系數(shù)，常規(guī)可運用區(qū)內(nèi)的徑流系數(shù)a1，并建立α=κ（1-α1）的數(shù)學模型；k值的大小與降雨歷時及降雨強度有關。另外文獻1給出的土壤入滲率可同此處的模型作相應參照，其累積入滲量為F（t）=P（t）-R（t），下滲率為f（t）=i（t）-r（t）

式中P（t）為累積降雨量（mm），R（t）為累積徑流量（mm），i（t）為降雨強度（mm/min），r（t）為徑流強度（mm/min）。從補充地下水的目標講，一切人工措施應圍繞減少雨水的流失。

（2）動態(tài)儲量Q動：動儲量Q動是地下水資源評價中的一個重要參數(shù)，也是地下水資源可采量的主體。在規(guī)劃中，動儲量應通過對區(qū)域內(nèi)水文地質(zhì)情況調(diào)查取得相關資料，由數(shù)學Q動=K·H·B·J確定，其中K為含水層滲透系數(shù)，H為含水層平均厚度，B為含水層平均寬度，J為含水層平均水力坡降。

（3）地下水動力學公式：地表水入滲補給量

計算公式

式中Q表為地表水入滲補給量（m3/d），為承壓含水層厚度（m），H為從隔水底板算起的地表水年平均水位（m），為從隔水地板算起的地下水年平均水位（m），為地表水與地下水有聯(lián)系地段的總長度（m），為河渠距觀測孔間的距離（m）。以上的數(shù)據(jù)的采集可通過對區(qū)域內(nèi)現(xiàn)有觀測井的記錄資料中取得，并參照選點抽水試驗確定。

2.3用水需求量的確定

用水量的確定，一般采用概率分析，運用數(shù)學期望值來求得。這要根據(jù)經(jīng)濟社會、工業(yè)、人口、農(nóng)田灌溉、各種氣候下降雨量資料，求出相應的需求概率Pi，求出年均用水量。

用水需求概率可以用統(tǒng)計值經(jīng)驗頻率作為計算公式，取

式中n為用水的總項數(shù)，m為項次，Pi為經(jīng)驗頻率。

3、地下水超采區(qū)評價

對于干旱和半干旱區(qū)，地下水是主要的利用水源，隨著經(jīng)濟社會各方面的發(fā)展，對地下水依賴和過度開發(fā)是較為普遍的現(xiàn)象。對此類情形的調(diào)查和了解是十分重要的，否則盲目放任將導致環(huán)境問題的嚴重惡化。對此，我們提出以下三個指標，對是否過度開發(fā)使用地下水資源給出相應地評價參數(shù)。

3.1地下水水位下降速率

式中V為年均地下水水位持續(xù)下降速率（m/a），H1為地下水開采使用時段之初地下水水位（m），H2為地下水開采使用時段之末地下水水位（m），T為地下水開采使用時段的年數(shù)（a）。對地下水的開發(fā)。當水位下降至設計降深時，應根據(jù)此時地水文地質(zhì)條件重新評價允許開采量，如果按原有規(guī)模繼續(xù)開采，勢必會造成地下水超采和區(qū)域地下水水位持續(xù)下降。

3.2地下水超采系數(shù)

地下水開采資源是指在一定的技術(shù)經(jīng)濟條件下，在不致于引起嚴重的環(huán)境地質(zhì)問題的前提下，單位時間內(nèi)可發(fā)從含水層中取出地下水量，對此我們給出評判指標-地下水超采系數(shù)

式中k為年均超采系數(shù)，Q1為地下水開采時段內(nèi)年均地下水開采量（萬m3），Q2為平均地下水可采量（萬m3）。

對水資源的管理上，首先必須樹立“量水而行”的指導思想，即確定一個水資源利用的上限，一旦水資源的利用率達到上限就不能再繼續(xù)增加用水量，而是在考慮采用其它措施來節(jié)約和限制用水，不能無節(jié)制的增加用水量，要保證生態(tài)環(huán)境的最低需水量，確保社會、生態(tài)、環(huán)境、經(jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展。

3.3水量平衡數(shù)學方程

水量平衡方程是根據(jù)水量平衡原理建立數(shù)學方程來進行地下水資源評價的方法。評價水量的一切方法都離不開水量平衡原理， 在一個地下水均衡單元內(nèi)，地下水在補給和消耗的動態(tài)平衡發(fā)展過程中，任一時段補給量和消耗量之差等于該時段內(nèi)單元含水層儲存水量的變化量，這就是水量平衡原理。公式包括：

Q’補=Q'排+ΔQ儲

式中Q'補為地下水的天然補給量，Q'排為地下水的天然排泄量，ΔQ儲為該時段內(nèi)地下水儲存量的變化。從多年平均值考慮，可以近似地表示為

Q’補≈Q'排

當?shù)叵滤_采后引起了天然狀態(tài)下補排關系的變化，補給量增加了，人工排泄量也增加了，這時地下水均衡方程式如下

Q開=Q補-Q排-ΔQ儲

式中Q開為地下水開采量，Q補為地下水開采狀態(tài)下的補給量，Q排為地下水開采狀態(tài)下的排泄量。

對地下水開采量的控制應以合理的技術(shù)經(jīng)濟開采方案，在不引起開采條件惡化和環(huán)境地質(zhì)問題前提下，單位時間內(nèi)可以從含水層中取出的最大水量，常用于表征集中地下水源地的可開采水量。另一重要指標為地下水位的變幅Δ下降。對于西北內(nèi)陸地區(qū)，主要的環(huán)境地質(zhì)問題是土地沙漠化--即由區(qū)域地下水位下降引起植被退化和土地沙漠化。水資源和環(huán)境的保護相互依存、相互制約，以可持續(xù)發(fā)展的觀點水資源的開發(fā)利用與水環(huán)境的保護是水資源永續(xù)利用的核心因素。

4、結(jié)語

水資源作為一種基礎性自然資源和戰(zhàn)略性經(jīng)濟資源，是一種人類生存與發(fā)展中不可替代的自然資源。由于經(jīng)濟社會發(fā)展中對水資源的競爭利用、時空分配的不穩(wěn)定性、人口增長和水污染造成的水質(zhì)缺水日益嚴重等因素的影響，水資源在經(jīng)濟發(fā)展過程中所體現(xiàn)的經(jīng)濟價值不斷上升，比其在人類公平生存權(quán)下所體現(xiàn)的經(jīng)濟價值更引起人們的關注。

參考文獻：

[1] 武強，徐華.地下水模擬的可視化設計環(huán)境[J].計算機工程，2003，29（6）：69-70.