项目研究现状及发展趋势

　研究现状及发展趋势~

80年代中后期以来，随着人们对环境问题的重视和可持续发展思想的影响，对地下水的开发利用越来越多地综合考虑社会、经济、环境等制约因素，所建立的管理模型更多地体现了社会、经济、环境协调发展的原则。计算机以及求解管理模型的数学规划算法的进展，也促进了管理模型的发展。从模型的研究内容上，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；从模型结构上，多目标和非线性管理模型是当前及今后研究的重点和难点。
一、地下水-地表水联合调度管理模型
地下水和地表水都是水资源的重要组成部分，并具有有机的联系，从系统的观点来看，在开发利用中必须考虑两者之间的联系，寻求最优联合调度方案，可发挥地表水和地下水各自的特点，来达到充分开发水资源潜力、提高水资源利用率、降低开发成本的目的。联合调度的优点在于：①利用含水层的调节库容和两种水资源时空分布的差异，增大水资源可利用量：②发挥包气带和含水层的过滤和吸附等净化作用，提高供水质量；③利用含水层的保温功能和地表水与地下水的温度差，储存能量，节约能源。
由于两种水资源的分布、运动等特性的差异，建立真正意义上的联合调度模型并不容易。大多数研究者将河流作为源汇项来处理，如Morel-Seytoux（1975）提出了与地下水单位脉冲响应函数类似的河流-含水层响应函数，Daubert and Young（1982）运用该函数建立了地下水经济管理模型。由于地表水存在着明显的随机性，因而建立随机地表水-地下水管理模型更为实用（Maddock,1974）。Onta等（1991）建立多阶段地表水-地下水联合调度模型，利用两个系统时间分布的差异提高水资源利用率。
二、地下水量-水质综合管理模型
水资源的管理包括了水量和水质两个方面，对水质管理模型的重视，主要由于以下三个原因：①可持续发展的要求，人们对地下水环境（污染）问题更加重视；②各种途径对地下水的污染日益严重和显著；③利用包气带和含水层的自然净化能力和巨大的环境容量，研究污水排放和处理的最佳途径，如污水土地处理系统。地下水量-水质综合管理模型可用于确定最优污水排放标准、排放量、水力捕获井的最优布局和抽水量等地下水质控制问题。水质模拟模型本身十分复杂，建模要将地下水水量模拟模型和水质模拟模型一起耦合到水质管理模型之中，这样常产生高度非线性、多阶段、大型数学规划问题，目前对于复杂的地下水质管理模型求解仍十分困难。
Willis（1976a）首先建立地下水稳定水质管理模型，Willis（1976b）和Futagami（1976）用嵌入法建立非稳定地下水水质管理模型，Gorelick和Remson（1982b）使用单位浓度响应矩阵建立地下水水质管理模型，这些模型用来确定污水最优排放标准和最大污染质排放量。Gorelick和Remson（1982a）用迭代法确定最优污水灌注量。近来的遗传算法用于求解高度非线性的水质管理模型，是一种非常有益的尝试。Yoon和Shoemaker（1998）建立了生物恢复地下水水质非线性管理模型，分别用遗传算法、分解随机进化对策算法、直接搜索法和基于导数的优化方法求解同一非线性管理模型，并进行了比较。Sawyer和Lin（1998）对随机约束规划在地下水管理模型中的应用进行了综述，用响应矩阵法建立了地下水污染控制管理模型，由于考虑固定费用问题和约束矩阵及右端项的随机性，使该模型转化为求解确定型混合整数非线性规划问题。这种数学规划问题求解难度较大，该研究用遗传算法求解。
水力捕获（hydraulic capture）控制地下水污染是指被污染含水层适当位置设置抽水井，截获被污染的地下水，阻止部分被污染的地下水向供水水源地流动。通过建立地下水水力管理模型，对地下水水位和流速进行控制，可达到最优控制地下水污染的目的。Misirli和Yazicigil（1997）对用水力捕获法建立管理模型进行了综述，并对一假想的有供水水源、受到污染的含水层建立了六种控制地下水污染、保证供水的地下水管理模型。所建立的模型分别用二次规划、线性规划和混合整数规划求解，并对计算结果进行了比较。
三、地下水可持续开发利用管理模型
地下水系统是一个复杂的自然-人工复合系统，它与社会、经济、环境、生态、地表水系统都有着密切的联系，因此，地下水资源的开发利用和科学管理，要综合考虑以上因素。水资源的开发利用，特别是区域水资源的开发利用是十分复杂的，水量和（或）水质不是追求的唯一目标，更多地考虑社会、经济和环境等对水资源的要求，仅仅用地下水水力或水质管理模型无法解决。从可持续发展角度考虑，建立地下水管理模型的原则可归纳为：①水均衡原则，保证地下水资源的永续利用；②双向选择原则，即水资源的规划和管理应适应地区发展，而地区发展规划应考虑水资源条件；③产业平衡原则，水资源的合理配置应使国民经济按比例协调发展；④经济-环境协调发展原则，水资源的开发利用和经济的发展，不能对环境造成严重破坏。
为了建立地下水可持续开发利用管理模型，不仅要对地下水系统的自然属性进行研究，而且要深入研究地下水的环境效应和社会属性，主要有以下四个方面：①地下水资源-经济研究，研究地下水资源的价值、开发成本及供水效益等；②地下水-环境影响评价，研究地下水开发利用对环境产生的影响，建立地下水环境指标体系；③地下水环境-经济评价，评价地下水环境影响的经济效应，建立环境经济指标体系；④根据区域发展规划和水资源条件，进行水资源供需平衡分析。管理模型的建立，实际就是将地下水、环境和经济三个系统耦合，作为一个整体考虑。
Gorelick（1983）将这类模型称为地下水政策评价与分配模型，从建模方法上又分为三种：水力-经济响应模型、模拟-优化耦合模型和谱系模型。谢新民（1991）、朱文彬等（1994）运用大系统理论建立地下水资源系统经济管理模型，邵景力等（1994）将国民经济投入产出模型与地下水管理模型耦合，所得到的管理方案不仅是地下水最优开采方案，而且还有与水有关的产业结构调整方案和地表水取水方案。这类模型涉及因素众多，管理模型通常是多目标和（或）非线性的大型数学规划问题（见下文）。
四、多目标地下水管理模型
多目标管理模型更能体现地下水系统层次性和多目标性，模型不仅能提供地下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。70年代以来，多目标管理模型用于解决水资源的规划问题（Haimes和Hall,1974;Co-hon和Marks,1975），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。与单目标相比，多目标地下水管理模型有如下特点（邵景力等，1998）：
（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。
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。一个特例是线性层次目标规划可用于解决大型多目标规划问题，该方法是目前最常用的多目标规划方法。邵景力等（1998）运用线性目标规划求解包头市地下水-经济-环境多目标管理模型。Willis和Liu（1984）首次用响应矩阵法建立多目标地下水管理模型。Datta和Peralta（1986）将代替价值交换法用于地下水-地表水联合调度的多目标管理问题中，两个相互矛盾的目标为最小抽水费用和最大抽水量。Bogardi等（1991）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、抽水降深最小和总抽水费用最低。El Magnouni和Treichel（1994）建立了线性多目标地下水管理模型，他们采用逐段线性规划求出最佳协调解，这种方法也可通过迭代求解类似潜水含水层管理这样的非线性多目标规划问题。Ritzel等（1994）用遗传算法求解多目标地下水污染控制问题。
五、非线性地下水管理模型
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由两个，其一是系统状态的非线性，由于分布参数管理模型要与地下水系统模拟模型联立形成数学规划问题，产生了非线性的管理模型。如潜水含水层模拟模型即为非线性的，地下水流场非稳定和（或）未知条件下，对流-弥散方程中有速度和浓度的乘积，为非线性项。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。非线性管理模型能更精确地描述地下水系统及其管理问题，因而提高可模型结果的精度和可信度。但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，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。
线性化是解决非线性问题最简单的方法，如Bear（1979）、Gorelick和Remson（1982b）、Ratzlaff（1992）等。通过迭代将非线性管理模型转化为求解一系列线性规划模型亦是解决非线性问题的有效方法之一，如Aguado和Remson（1974）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（1977）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；Willis（1983）通过反复运用潜水含水层模拟模型校正单位脉冲响应矩阵，解决潜水含水层的管理问题；Gorelick和Remson（1982a）迭代求解线性规划得到最优污水灌注量。
对于目标函数往往是决策变量的二次多项式，若模拟模型和其他约束条件为线性的，则形成二次规划问题。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Aguada和Remson（1980）、Lefkoff和Gorelick（1986）、Misirli和Yazicigil（1997）等均是用二次规划求解管理模型。
在管理模型为高度非线性条件下，上述方法均不是有效的算法，这类问题是目前地下水管理模型研究的热点和难点。人工智能算法（又称进化算法，evolutionary algorithms,EA）为求解高度非线性规划问题开拓了广阔的前景，其优点是可得到全局最优解，通用性强，缺点是这些算法均为并行计算，计算工作量巨大，规模稍大的管理模型用一般PC机无法完成计算工作。这类方法主要包括遗传算法（genetic algorithm,GA）、分解随机进化对策（derandomized evolutionary strategy,DES）、模拟退火法（simulated annealing）等，在地下水管理模型中的应用可参阅有关文献（Dougherty和Marryott,1991;Ritzel和Eheart,1994;Rogers和Dowla,1994;McKinney和Lin,1994;Taghavi等，1994;Morshed和Kaluarachchi,1998；邵景力等，1999）等研究。此外，常用于解非线性规划的方法还有直接搜索法（主要有修整单纯形法、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）。这方面研究可参阅有关文献（Karatzas和Pinder,1993;Varljen和Shafer,1993;Minsker和shoemaker,1996;Emch和Yeh,1998）。

研究课题申报中“目前的研究状况”是指研究课题目前国内外有些什么研究成果，以及对这些成果的观点综述。“发展趋势”是指对本课题领域一些新的观点的评价，包括多数学者意见、比较统一的看法等等。

从世界范围看，干旱－半干旱地区开发利用地下水已有悠久的历史。尤其是最近几十年来，随着一些干旱－半干旱国家或地区社会经济的不断发展，用水量日益增长，从而促使他们加快了地下水资源勘查评价及有关水文地质工作的步伐，并由此取得了突破和进展。

地下水(包括深层地下水)资源的大量开发利用，一方面不仅保证了干旱地区人民的生活用水需求，而且有力地促进了干旱地区的社会进步和经济发展。另一方面，地下水资源由于受补给所限，尤其是深层承压水基本上是一种非再生的水资源，如果无计划或不科学地过度开采，将会带来一系列生态－环境地质问题，如导致含水层枯竭、水质恶化、土地沙化和土地盐碱化等，甚至还可能危及子孙后代的“水安全”和经济社会的可持续发展。有的国家或地区由于过度开采地下水资源，已开始出现地下水资源枯竭、水质变差、供水能力逐渐下降、土地沙化和盐碱化等严重问题。所幸的是，水的问题许多干旱国家或地区都已经意识到并采取措施开始着手解决这些问题，他们在不断加强地下水资源勘查评价的基础上，越来越重视地下水开发利用战略的制定与选择、地下水储蓄和调配工程的建设以及地下水资源的管理和立法，从而使地下水资源利用正进入到一个更加科学、合理的新阶段。

20世纪90年代以来，国际上关于区域沉积盆地地下水的赋存规律和运移机制有两种截然不同的观点:一是以水力连续性为基础的水文模型———径流模型;二是以水力不连续性为基础的滞留(Stagnant)模型，提出了“滞留含水层”的概念。

干旱区地下淡水勘探技术的进展主要表现在遥感技术与GIS的结合、不断完善的物探技术及其解译技术的计算机化。

总之，干旱区水文地质研究是水文地质学的一个重要研究领域，也是各国水文地质学家关注的热点之一，特别是20世纪80年代以来系统工程理论和方法的引入，同位素技术、遥感技术、计算机等的应用，地球物理勘探(磁法、核磁共振)、钻探水平的提高，大大推进了干旱区水文地质研究的发展。目前，许多国家日益重视干旱区水资源的持续利用，将地下水资源与生态－地质环境保护结合在一起进行研究评价。

为了满足我国国民经济发展的需要，从1956年起，地质部在河西走廊进行了1∶20万地质、水文地质综合测绘。与此同时，地质部水文地质工程地质研究所阎锡屿、段永侯等人，结合当时生产需要及我国12年科学规划，开始了我国干旱及半干旱地区水文地质条件的研究，并发表了有关重要的论著，阐明了我国西北内陆盆地山前冲洪积平原水平分带特征。1956～1958年期间，陕西、甘肃、青海、新疆等省、自治区相继建立了水文地质工程地质队，开始了1∶50万、1∶20万水文地质调查。水利部门和中科院系统也进行过许多与水土资源开发利用有关的考察和研究工作。具代表性的工作有:①甘肃省地质研究所范锡朋教授主笔的《甘肃省河西走廊地下水资源分布规律和合理开发利用报告》;②地质矿产部“七五”科技攻关项目“西北地区地下水资源评价及合理开发利用研究”;③1996～1999年，中国科学院兰州冰川冻土研究所国家“九五”攻关专题“黑河流域水资源合理利用与社会经济和生态协调发展研究”。

近20年来，随着系统理论分析方法的引入和同位素、遥感、计算机技术和先进物探手段等的应用，内陆干旱区的地下水勘查与研究得到迅速发展。通过“九五”攻关项目的整体研究，对上中下游兼顾，水资源开发与生态环境保护并重，地表水和地下水联合调度得到了更广泛的共识，取得了不少重要的成果，但很多方面研究深度还不够，尤其是一些可操作的实施方案尚待进一步研究。鉴于西北内流盆地水资源的形成、演化和分布规律，甚至水资源的开发方式及其存在的生态－环境地质问题都具有很大的相似性，在流域尺度上，开展西北地区典型流域水资源利用与生态－地质环境保护试验和示范工程的研究，将具有很好的代表性和推广应用的前景。

干旱地区社会经济－水资源－生态环境之间如何协调发展等问题，已引起了国际社会的广泛关注和高度重视。近年来，日益频繁的国际合作与学术交流为开展本项目提供了许多可借鉴的新技术和新思路。瑞士苏黎世工业大学水力学与水资源研究所(EHT)承担全球可持续发展项目Alliance for Global Sustainability(AGS)，与美国麻省理工学院和日本东京大学联合开发了水资源持续管理系统的模型和方法，特别重视农业用水和干旱区盐分的运移。同时新的环境同位素示踪技术(CFC，T/3He，稳定同位素)，与示踪元素和盐分运移耦合的水循环模拟，利用卫星影像识别蒸发强度，校验模型参数，确定水资源开发战略的优化方法在干旱地区取得了良好的效果。尤其是荷兰德尔福特(Delft)国际建设、水利与环境工程学院(International Institute of Infrastructure，hydraulics and Environment Engineering)和荷兰应用地学研究所开发的区域地下水地理信息系统(REGIS)，为地下水资源的开发与管理提供了有力的工具。

以色列是一个严重干旱缺水的国家，大部地区属于干旱或半干旱区，其中干旱区面积占国土面积的60%。水资源时空分布不均，北部和西部年均降雨量400～800mm，向东向南急剧减少，南部的内盖夫沙漠地区降水量在50mm以下;降雨主要发生在冬季(11月至次年3月)。以色列水资源的调控经验是:充分利用地表水资源，实施调水工程;充分利用边际水资源(污水、咸水、海水及暴雨洪水);在沿海平原含水层建立地下水库;从国外进口水;采用先进的节水灌溉技术;重视水资源的管理。其中北水南调工程把以色列唯一的淡水湖———北部的加利利湖的水引到干旱的南部地区，使南部的不毛之地变成了一片片绿洲，称为国家输水工程(National Water Carrier)。该工程于1964年建成并投入运转，输水管道包括地下管线、明渠、中继性水库和暗渠隧道。年供水量4×108m3。沿途设多座泵站加压，并吸纳全国主要地表水和地下水源，同时向外辐射出供水管道，与各地区的供水管网相连通，形成全国统一的调配水系统。这条输水管道不仅是主要的供水系统，而且还能接纳北部冬天和早春多余的水，向沿海地区的含水层补给水源，有效地防止因地下水位下降造成的海水倒灌。在沿海平原含水层建立地下水库。以色列沿海平原含水层储水潜力大，且其东部地区大部分含水层是未饱和的。以色列在沿海平原建立地下水库用于贮存冬季(或降水大的年份)多余的雨水、灌溉渗漏水及回收污水，在需要用水时，再抽出来使用。以色列的滴灌技术给农业灌溉赋予了新概念，为世界干旱区农业发展树立了榜样。该技术由计算机系统自动控制。相对于其他灌溉方式，滴灌是最有效的节水方法，水分利用率(WUE)可达95%，而表面灌溉只有45%，喷灌为75%。滴灌技术的采用使以色列的农业用水大大减少，可以腾出更多的水用于其他用途。

众所周知，美国水资源地区分布不均，西部地区气候较为干旱，年降水量不足200mm，最低的仅为50mm。中西部地区地下水受到严重超采，地下水位持续下降，引起了地面沉降、海水入侵等严重问题。美国对水资源的调控措施是:在西部干旱区修建引水工程;限制地下水开采量，进行地下水人工补给;重视废水循环利用;普遍推广农业节水灌溉;重视水资源的管理。为开发西部，仅1933～1943年联邦政府就批准兴建了34个灌溉与调水工程。加利福尼亚州南部地区原本是沙漠地区，年降雨量很少，在美国西部开发中，通过从科罗拉多河引水，供应加利福尼亚州南部地区的用水需求。20世纪50年代，加利福尼亚州进一步实施了北水南调工程，将加利福尼亚州北部的水引到南部，为南部地区的发展提供了坚实的基础。美国西南部亚利桑那州的盆岭地区极为干旱，建设了中亚利桑那工程(CAP)，该工程从科罗拉多河引水到亚利桑那州的盆岭地区，工程渠道总长540km，每年输水22×10⁸m³。

近十余年来，地表水和地下水联合调蓄与优化利用已成为流域尺度水资源科学利用研究的热点，国际上含水层储存与利用(Aquifer Storage and Recovery，简称ASR)研究越来越受到重视，而且得到广泛应用。美国佛罗里达州夏灌冬用，解决了冬季渡假用水不足;荷兰利用沿海沙丘区，用净化后的莱茵河水回灌沙丘含水层，再回采用于海牙和阿姆斯特丹两大城市供水，回采水量占到回灌水量的80%，并有效地控制了海水入侵;瑞士苏黎世市采用傍河取水—回灌含水层—再回采利用模式，使水源通过含水层再自净，既减少了化学处理费用，也杜绝了化学处理可能导致的二次污染，达到优质供水的目的。我国北方沿海城市利用河流盆地构筑地下水库，也取得了很好的效果。到目前为止，最难解决的问题依然是可供回灌的水量不足及可供回灌的时间有限，加之地下水补给过程中的气滞阻水，使多数回灌补给效率不高。

总之，流域尺度的水土资源利用、经济社会可持续发展、生态环境保护三位一体的综合研究和实践，越来越受到社会和学者的重视，已成为多学科综合研究与工程示范的热点问题之一。

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