吉林大学精品课>>专门水文地质学>>教材>>专门水文地质学  §9.2地下水规划与管理 随着人口增加、经济与城市的发展，用水量迅速增加。因而出现了由于大量开发利用地下水而发生的许多环境水文地质问题，如区域地下水位持续下降、水质恶化、土地荒漠化、海水入侵、地面沉降等公害，对人民生活与工农业建设带来了严重影响和巨大损失。因此，如何做到科学开发，统筹兼顾合理采排地下水，防止地下公害的发生与发展，就成为地下水管理的核心任务。 9.2.1水资源规划与管理的含义 水资源管理是对水资源的开发、利用和保护进行相关的组织、协调、监督和调度，包括运用行政、法律、经济、技术和教育等手段，开发利用水资源和防治水旱灾害；协调水资源与经济社会发展之间的关系，制定和执行有关的水资源管理条例和法规；处理各地区、各部门间的用水矛盾；监督并限制各种不合理水资源开发利用和危害水源的行为；制定水资源的合理分配方案，协调上、中、下游，干流与支流，水质与水量，地表水与地下水，开发、保护和利用，提出并执行对供水系统及水源工程优化调度方案；对水量、水位及水质状况进行动态监测与相应设施的管理等（赵宝璋，1994）。 从水资源的特性出发，对水资源的管理还可归纳为：对水资源的开发利用和保护并重，对水量与水质进行统一管理，对地表水和地下水进行综合管理和统一调度，以及尽可能谋求最大的社会、经济和环境效益，制定相应的水资源工作的方针和政策，兴利和减害并重，重视并加强水情监测工作等。 由于水资源管理的内容涉及面很广，它和自然、社会、经济、环境诸系统都有十分密切的关系。因此，水资源规划与管理，从其服务目标出发，可以是只考虑合理开发利用和防止水资源枯竭的单一目标，也可以是综合考虑防止、控制和改善因地下水开发利用而产生的社会、生态、环境负效应和经济技术限制条件的多层次、多目标的管理。但是，不论管理目标是否具多样性，其管理实质是：建立一套适应水资源自然特性和多功能统一性的管理制度，优化水资源的状态（水位、水质等），使有限的水资源实现优化配置和发挥最大的社会经济与环境效益，保障和促进社会经济的可持续工作（王浩等，2001）。 9.2.2水资源管理的技术、经济与行政法律措施 9.2.2.1水资源的管理的技术措施 1、建立节水型社会经济结构体系，严格控制需水量的无限增长 节水是缓解水资源紧缺的重要途径，也是我国为解决水资源问题所确立的基本国策，对许多地区而言，以开源和节流而论，虽然水资源的广度开发仍有潜力，但最大的潜力是节水，这里关键在于节水的深度开发。为此，要严格控制需水量的无限制增长，努力提高全社会节水意识，做到取水有计划，节水有措施，让用水部门在节水中求生存、求发展，逐步建立起一个高效合理用水的节水型社会经济体系。节水型社会经济体系的建立要通过节水型的产业结构、种植结构、技术结构、居民点和工业点结构与空间结构等来实现，它由节水型农业生产体系、工业生产体系和城乡节水型的居民生活体系等组成。 农业用水往往是国民经济中的第一用水大户，以关中地区为例，农业灌溉用水占到整个用水的70—80％，每亩平均用水量达300—500m3，1995年农业实际用水量达到34．46亿方，而水的有效利用系数只有0.3～0.4，个别井灌区也只有0．6左右，而世界公认缺水闻名的美国德克萨斯州和以色列均已达到0．8．以上；从灌溉效益上来看，平均每立方米水生产谷物不足1kg，而以色列已达到2．32kg。这些充分表明，在解决农业干旱问题上，水的如何使用亟待解决的问题，也说明农业节水潜力巨大。农业节水应从五个方面着手： 第一，完善田间工程配套，实现渠道防渗管道化。可节水40～50％；第二，改进田间灌溉技术。在对田间耕地进行平整和细作的基础上，改大水漫灌为小畦灌、沟灌，改长畦为短畦，可节水20～30％。实行以微灌、喷灌、滴灌为代表的先进灌溉技术，可节水40％～70％，还可增产10％～30％，蔬菜、水果、果树及一些经济作物效果更佳，有的成倍增产；第三，优化作物灌溉制度，减少作物的无效蒸腾。这是指对灌溉用水采取优化调度，合理分配等管理措施，结合各种耕作栽培技术，尽量减少对农作物产量形成属非关键期的水分蒸腾，以提高农作物水分的利用效率。根据山西省水利厅赵廷式等研究，一般作物在全生育期的不同生长阶段缺水，对产量影响是很不相同的。以冬小麦为例，播种到越冬前，如缺水50％，将减产28％，而越冬到返青，如缺水50％，只减产7％。由此可见，研究限水灌溉，优化灌溉制度，可提高单方水的效益，达到节水的目的；第四，调整农业生产结构，推广抗旱优良品种，发展多种经营。例如秦岭北坡以及山前洪积倾斜平原是发展果林和饲养业的良好基地。大力发展果林带和养畜业，这样既压缩了农业用水，又增加了农民收入，各地市若能根据各自的情况，因地制宜地调整农业结构，其节水潜力是很大的；第五，要加强节水农业宣传，制定发展节水农业的投入方式，用政策推动节水农业的发展。通过多种资料对比分析，投资与节水比为：渠系衬砌每亩投资约80元，可节水50m3；地下暗管输水每亩投资70～100元左右，可节水80m3；喷灌每亩投资约100～200元，可节水100m3，水的利用率可达80%，作物增长幅度大，一般可达20%～40%，且减少了田间渠系建设与管理维护和平整土地等工作量，有利于加快实现农业机械化、产业化和现代化；塑料软管灌溉每亩投资20～30元，可节水100m3。 工业节水的重点应放在提高工业用水重复利用率，降低工业产品单位产量或产值的耗水量，从而提高工业用水的利用率；从工业部门来看，节水重点应抓住电力、冶金、化工、石化、纺织和轻工行业的节水；工业用水按用途分为冷却用水、工艺用水、锅炉用水和洗涤用水四大方面，从国内外资料分析，其中冷却用水所占比重最大。因此，从工业用水的用途上讲，节水重点应放在冷却用水上。此外，要改进工艺，减少用水环节，如冶金工业中以气化冷却技术代替水冷却技术以后，可节约用水80％。 城乡生活节水要推广使用节水型卫生设备及净化水处理装置，这是节约城乡生活用水的有效办法，同时生活用水要实行一水多用，循环复用，例如将洗菜、洗脸和洗衣的污水用于冲刷厕所，可达到节约用水的目的。国内一些城市在这方面已取得了成功的经验，如山西省水利勘测设计院，1987年建成一套中水道系统，将污水回用于冲厕所、绿化、冲洗汽车等，节水40％，节水潜力很大。此外要加强对供水管网的管理，杜绝跑、冒、滴、漏现象，把浪费水资源减小到最低程度。 综上所述，无论是农业，还是工业和城乡生活用水，节水潜力巨大，只要投入必要的资金和科技，就有可能将其转化为现实的水资源。其转化条件是高效率的管理。在近期内国家财力有限，很难上大的工程的情况下，节水无疑对解决水资源紧缺有重要的意义。从根本上讲，就是实现了南水北调也不能忘记节水，节水比开源更重要，节水见效快，能够立竿见影。 2、开展地下水人工调蓄，开发利用地下水库。 地下水人工调蓄是人为地利用地下储水库容调节水资源，达到扩大可利用水资源的目的。进行地下水人工调蓄，应根据区域水文地质条件和地下水与地表水转化关系与特点，采取相应措施，提高水资源利用率。 地下水人工调蓄的措施，包括人工补给地下水和修建地下水库两种方式。地下水人工补给是指人们为了一定目的、借助于某些工程措施、把地表水或其他水源人为地注(渗)入含水层中，使地下水得到补充补给或者形成新的地下水资源，改变和改善现有地下水的利用状况。地下水库则是指利用天然的蓄水构造或人工修筑地下水坝，拦截地下潜流，并把多余的地表水储存到含水层中，既可补充被消耗的地下水资源，又可提高水资源的控制能力，减少流失，达到涵养水源的目的。其储水、取水，用水和调节水量方面的功能，与地表水库相同。 3、排供结合和跨流域调配水资源。 根据当地水文地质条件，利用矿区排水于供水。如实行超前取水、以供减排、以供代排、上供下疏等，还可采用帷幕截流，做到内疏外供。矿井涌水量很大的矿床，实行排供结合，应以确保矿山安全开采为前提，并全面评价其技术可行性和经济合理性，制订统一规划、统一管理的实施方案。 在地下水位过高造成土壤盐渍化或沼泽化的地区，也可把抽水排涝与供水结合起来，实行井灌井排，以降低地下水位，加速土壤脱盐，提高防涝能力，改良浅层淡水，达到农业增产的目的。 当一个地区的水资源经过充分调配利用仍不能满足生活和生产需要时，可考虑从水资源有剩余的流域调入地表水。跨流域调水，工程复杂，影响面广，耗资巨大，不仅要修建大量的水利工程，而且将使原来的水均衡条件发生变化，从而影响到气候和生态环境的改变。因而需要进行充分的调查和论证，如对引水量、引水路线、调蓄库容和调蓄方式以及引水后可能发生的环境地质问题，如滑坡、崩塌、次生盐渍化和沼泽化等，进行详细研究和科学预测。 4、污水资源化 实行污水资源化，使大量污水重新变成可利用的水资源，首先要对工业废水中的污染物质进行分类、分级控制。对于重金属要严格控制，在车间或厂内加以处理，达标后才准许排放。对于有机物要实行总量控制，可与城市生活污水合并按区域集中处理。 其次要因地制宜，建立起污水处理系统。进行污水处理的目的，是利用物理、化学、生 物等方法把污水中的污染物质分离出来或转化为无害的物质，使污水得到净化。应根据污水的性质、处理后的用途以及当地的自然条件和经济能力，采取一种或多种处理方法。根据不同的处理程度，把污水处理系统分为一级处理、二级处理和深度处理(也称三级处理)。还要研究并推广处理量大、适用面广、除去率高、运行能耗小、回收率高并见效快的净化设施，例如氧化塘—水生物—污灌系统、臭氧发酵—沼气—废水处理系统等。 5、防止污染，保护水质 根据防治地下水水质恶化的功能，分为预防和治理两类技术措施，预防为主，治理为辅。 预防性技术措施包括减少污染物产生和防止污染物渗入地下水两个方面。具体措施有： (1)对城市发展和水源地建设要做出全面规划，尤其是工业要合理布局。容易引起地下水污染的工厂，应尽可能建在离水源地地下水流出方向较远的地区。矿山污水的排放，或矿砂的堆放，要根据水文地质条件选择合适的地点，并要采取防渗措施。要积极进行技术改造，改进工业企业的生产工艺，尽量采用低污染或无污染的新技术，减少“三废”排放量。同时要完善地下排污系统，污水排放管道要防渗。 (2)新建水源地，必须考虑地下水污染的环境条件，尽量选择在地下水补给区。地质水文地质条件和开采条件，都要有利于防治地下水的污染。为使水源地免受污染，要加强水源地卫生防护，建立卫生防护带制度。一般要建立三级防护带。 (3)开展“三废”资源的综合利用，化害为利。用污水灌溉时，必须防止对地下水的污染。固体废弃物可用以发电或制造建筑材料。 地下水己受污染后，就要进行治理。首先要查明污染源，并针对其特点予以清除或防止进入地下水。从水文地质角度的技术治理措施有人工补给和抽水等，以加速稀释和净化被污染的地下水或阻止劣质水体的入侵。 6、调整供水水源结构，实行分质供水与水的循环使用 水资源缺乏，尤其优质水源有限。因此在水源利用上应根据工农业产业结构对水质的要求，开展分质供水、优质优用，这是综合利用有限水资源的有效措施。生活用水立足于地下水或优质地表水；工业用水大体上可分为锅炉、洗涤和冷却用水。锅炉用水对水质有特殊要求，可选用地表水或地下水；洗涤用水可利用地表水；对水质要求不高的冷却用水和市政用水，可利用回用水。对于有苦咸水分布地段可适量开采部分苦咸水进行农田灌溉，以补充农业用水不足。同时，行业间用水统筹安排，循环使用。为实现节水，综合利用，应打破条块分割，农业用水、城市用水相互兼顾，城市中加强用水单位的横向联系，打破行业用水界限，采用废水处理重复使用的综合利用模式，逐步推广一水多用。例如火电用水尽量与农田灌溉相互重复使用，用火电热水发展冬季温室蔬菜栽培，火电排水进一步与供暖、渔业等用水相结合。 7、调整产业结构，优化区域生产力布局 目前，水资源已成为生产建设规划布局的制约条件，为此，要根据水资源条件、调整和优化产业结构，合理对区域生产力布局，形成节水型经济结构，实现水资源与国民经济合理布局，促使经济效益和环境效益最优。 产业结构调整方面在保证规划目标产值的条件下，通过产业结构的优化与调整，使有限的水资源在经济系统中合理分配，以发挥最大效益，把“以水定工业”做为产业结构调整与生产力布局的一个基本原则，这也是合理利用有限水资源的必要手段。要发展机械、电子、食品、通讯、信息等低耗水的产业，限制大耗水低产值的产业和容易造成污染的产业。 在工业生产布局上，要充分考虑水资源条件，实行以源定供，以供定需，从更大的宏观范围来考虑规划经济发展问题，充分发挥经济协作区的互补协调作用，把耗水大的工业放置在水资源较丰富的地段，使之成为卫星城市，做到就地开发，就地使用，这既可减轻城区供水的压力，还可以避免由于城市工业过渡集中，需水量不断增加，地下水的开采强度远远超过允许开采量，而引起的环境负效应，同时也减少了长途输水的费用，可取得巨大的社会经济和环境效益。 城市的发展，受水资源、环境容量等自然条件的制约，面对水资源紧缺的局面，要控制城市中心区的发展规模，充分发展中、小城市和卫星城镇，建立分散型的供水系统，这是缓解水资源供需矛盾的关键性措施。 农业在粮食、棉花、油料稳定增长的前提下，因地制宜，充分发挥各地区资源优势，合理安排农林牧副渔发展比例。 8、加强水资源管理的科学研究 要加强水资源合理开发利用的科学研究，运用系统工程，在综合考虑水资源系统与社会经济基础上，建立可供实际操作调度的水资源管理模型和信息联作系统、决策支持系统和预警系统等，逐步建立健全科学的水资源管理控制体系。 9.2.2.2水资源管理的经济措施 经济措施主要有以下三项： 1、把水资源管理纳入社会和国民经济发展计划。 （1）在制定经济发展计划时，要高瞻远瞩，统盘规划，合理利用有限的水资源。 （2）要调整水资源消耗与养护的关系，扭转长期存在的地下水资源消耗大于养护的现象。搞好水土保持、涵养水资源、节约用水、提高水质、扩大绿化面积等综合性措施。 （3）把水资源管理纳入经济管理体制。生产建设要符合水资源保护的要求，要符合自然规律与经济规律的要求。不能只管发展，不管环境，只考虑眼前的直接的经济效果，不顾及对社会和生态的影响；不能只从本企业、本部门计算经济效益，而必须从社会整体出发，衡量其经济效益；不仅要算生产产品的账，还要算水环境的损失账和治理水污染的消耗账。 2、运用经济手段进行水资源管理。 （1）收取水费、水资源费和排污费。依法征费，可调动用水单位保护水资源的积极性，加快水环境污染治理的步伐，还能节约水资源。 （2）把水资源保护与用水单位领导和职工的经济利益紧密结合起来，节约用水有奖，浪费水受罚。谁破坏或污染水资源，就必须个人承担治理和赔偿损害的经济责任，个人支付罚款和赔偿的一部分或大部分，不能全用公款支付。 （3）在有条件的地方可实行“浮动价格，枯水高价，丰水低价，超计划用水加价，按质论价”的政策，努力做到“以水养水”。国内外经验，水价提高10%，用水量下降5%。 3、加强水资源经济管理模型的研究 水资源开发利用规划的总目标是促进国民经济发展，改善环境质量，所以必须加强水资源经济管理模型的研究，为有关部门提供决策手段和能力，以便有效地进行水资源管理。 9.2.2.3 水资源管理的行政、法律措施 1、地下水资源管理的行政组织措施 从中央到地方建立统一的、赋有行政和法律权力的水资源管理机构，是进行水资源管理工作不可缺少的组织保证。 （1）水资源管理机构具有行政职能和专业技术管理职能。其行政职能包括：在防止地下水污染和地面沉降等方面，贯彻并监督执行国家有关水资源的方针、政策、法律、法令，检查有关水资源开发、利用、保护的各项规划及各项法律、法令的实施情况，对于违法者切实予以经济制裁、行政处分和法律诉讼；在法律授权范围内，会同有关部门制定水资源开发与保护的某些条例、规定、标准和经济技术政策；统一管理所属范围内水资源的合理开发与保护工作，指挥和协调各有关部门的工作：负责审批用水单位的建井申请，征收水费等日常管理事务。 （2）水资源管理机构的专业技术管理职能包括：对管理区域内各种水资源进行正确统计，制定审批地下水开采方案，管理建井工作：负责水资源量和质方面的动态观测，资料的统计积累和分析整理工作，定期预报地下水量和水质的变化和发展趋势，提出改善措施，制定对水资源和环境保护的技术对策，为有关水资源的法令、法律条款的建立和修订提供技术论证；组织有关水资源评价、监测、开发、利用、保护等各项专题科研工作的实施，积极引进推广国内外地下水资源管理的先进经验和技术。 我国由国务院水行政主管部门负责全国水资源的统一管理工作。有些省、市、自治区或地区、县设立了水资源管理委员会，具体实行对所管辖地区的水资源管理。 2、水资源管理的法律措施 国外现代水法共同性的内容为：提倡水归公共所有，归社会所有，共同使用，并加强政府对水的管理和控制；开发与保护相结合，与控制污染、维持生态平衡相结合：兴利与除害相结合，对预防或减轻水的有害影响，对防洪、防止水土流失、防止含盐量增加、防止污染等做出规定；对地表水、地下水和大气水联合管理；实行用水许可与水权登记制度；征收水费和水税。 国外水环境和水资源管理法规有以下六种：国际性水法(包括国际河流或边界河流流域诸国间的协议以及跨国调水输水协议)；把水资源和水环境保护内容直接写入国家宪法；地表水与地下水结合在一起的综合水资源法；把地表水法扩大到地下水资源的管理；对地表水和地卜水分别制定法规；为某个重要水源地单独制定法规。 我国在1984年和1988年也分别颁布了中华人民共和国水污染防治法和中华人民共和国水法。地方性水法(如北京、上海、哈尔滨、济南、天津、郑州等市，河北、山西、吉林、贵州，内蒙古等省区)与全国水法无原则上的差别，只是针对区内具体情况作些补充规定。我国水法的内容和特点既包括国外水法的共同性内容，符合现代水法的趋势，又有我国自己的特色，概括起来有以下几点： （1）内容全面，体现了兴利与除害相结合，开发利用与保护相结合。水法内容既有开源，也有节流：既考虑经济效益，也考虑社会和环境效益，同时十分强调生态环境的保护。 （2）强调按科学方法办事。强调开发利用水资源必须进行综合科学考察和调查评价，兴建跨流域的引水工程必须进行全面规划和科学论证。 （3）水法是在总结我国多年来治水实践经验教训的基础上制定的。针对以往规划的失误，水法特别强调开发利用水资源和防治水害，应按流域或区域统一规划。还规定，经批准的规划是开发利用水资源和防治水害活动的基本依据。并强调开发利用水资源时，要使水资源发挥多种功能和综合效益。 （4）水法充分注意到我国水资源、时空分布不均匀的特点。把计划用水和节约用水作为国家一项基本政策列入水法的总则，包括制定水的长期供求计划，跨行政区域的水量进行宏观调配，实行取水许可证制度和有偿用水制度，以及解决水纠纷的原则和程序等。这些对利用我国有限的水资源具有十分重要的现实意义和深远意义。 要落实地下水资源管理的上述各项措施，实现地下水资源的科学管理，必须切实提高各级人员特别是领导人员的素质，包括其道德、哲学和科学修养。这是管理好地下水资源的根本保证。 9.2.3 地下水管理模型 9.2.3.1地下水管理模型的构成 地下水管理模型就是运用系统分析原理，采用运筹学的方法，为达到某既定管理目标所建立的求解地下水最优管理决策的数学模型。通常，它是由地下水系统的状态模拟模型和优化模型耦合而成，这样组成的地下水管理模型，可以在寻求最优决策的运转过程中严格服从地下水的运动规律，实现水文地质概念模型的仿真要求（林学钰，1995） 地下水管理模型由决策变量、目标函数和约束条件三部分构成。其数学表达式为： (7) 其中 ；；表示极小化向量目标函数，对于极大化向量目标函数的情况，用表示；为约束函数；为目标函数向量集，对于多目标问题p>2，当p=l时为单目标规划问题；为n个决策变量向量。 1、决策变量 决策变量是为达到系统目标而对系统进行的控制和操作，属于可控变量。根据水资源管理决策的特点，水资源管理模型主要决策变量可以概括为如下四种类型： （1）区域经济与社会发展决策变量 水资源开发利用与区域经济有着密切的关系，因此在水资源管理模型建立时常常需要根据解决问题的性质不同，要涉及到经济发展的一些决策变量。如GDP增长速度、产业发展比例、人口发展规模、投资分配比例、农林牧比例、灌溉面积、作物种植比例、就业率等。 （2）运行决策变量 用来确定具体水资源开发利用方案，如地下水、地表水最优开采量，最优污水回供利用量，跨流域调入或调出水量，引泉水量，水库外调水库容与区域发展策略相适应的地表水与地下水开发比例，当地水与外调水的使用比例，开源与节流的比例等。 （3）工程设施决策变量 即确定与水资源开发利用有关的工程设施建设与否，建设的位置、时间等。如地下水库、地下水源地、地下水回灌设施是否上马等。在水资源管理模型中，这些决策变量常常是整数变量。这类变量的管理模型通常要用整数规划或混合整数规划来求解。 （4）生态环境决策变量 生态环境决策变量通常包括污水排放量，污水处理量、生态用水量、绿洲面积等。 2、目标函数 目标函数是管理者或决策者为追求系统目标的数学表达式。这个目标以决策变量的线性或非线性函数表示。目标不同，目标函数表达式不同，根据解决的管理问题，可以是求极大值，亦可以是求极小值。根据水资源管理决策的特点及目的和要求，目标函数有如下三种类型： （1）经济效益目标 经济效益目标是实现区域经济持续增长，人民生活水平提高，投资最小效益最大。例如，供水系统在运行期间内净利润最大；单位供水成本最低；与水资源开发相关部门的工农业产值最大；开发水资源投资最小：流域灌溉总净收入最多；各规划水平年粮食产量、工农业产值与其目标水平的偏差值之和最小等。 （2）环境质量目标 经济高速发展与环境质量的改善是规划者和决策者最关心的问题，为此常需要考虑环境质量目标。如管理期内地下水位下降最小或采用人工回灌时地下水位回升值最大，通过污水处理和地层自净后的污水排放量最大，以地下水溶质为目标，控制地下水溶质最佳分布等。 （3）系统运行目标 如在满足一定约束条件下地下水开釆或回灌量最大，开采井数最少，地表水与地下水利用量最大，考虑地表水与地下水联合运用时寻求最优的运行规则和水量分配等都属于这种类型的目标函数。 3、约束条件 在水资源管理决策中，每一个问题在解决时都要受到一定条件的约束。它们是描述系统对参数和变量进行操作时所依据的定律、法则和规定。包括资源约束、需求约束、水资源运移规律的动力学约束、工程投资约束、生态环境约束等方面。 （1）资源约束 即每一时期所需的资源量，不能大于该时期最大可提供资源量。包括土地资源约束、 可利用水资源总量约束等。 （2）需求约束 即最优决策应满足各类用户(部门)对水资源的基本需求。 （3）水资源运移规律的动力学约束 以质量、能量守衡为基础的连续性方程或平衡方程作为等式约束条件，体现了决策变量与系统状态之间的关系。对于地表水典型年来水量、长系列来水过程、连续枯水年来水过程等可由地表水模拟模型计算提供。地下水运动受地质、水文地质、水文气象和环境等多方面因素的影响，其复杂程度远远大于地表水。为此，要依据给定条件下地下水运动的定解问题，通过响应矩阵或嵌入法的形式将地下水模拟模型转入到优化模型中，使优化技术与模拟模型相结合，从而体现了优化计算受到地下水运动规律的制约，地下水资源开发利用过程中各项量的变化与转换又可通过优化模型而反应。 （4）环境约束 从水资源开发利用与环境协调发展的角度考虑，对水资源的开发利用，需保证一定的环境效益或环境容量。如为防止、控制和改善管理区内各种环境地质问题的产生和发展的地下水位升、降值的限定约束、取出（或回灌）的水中某些化学组分和物理性质不能超过相应的水质要求等。 （5）工程投资约束 保证区内水资源开发投资与运行费不超过预算标准等。在实际工作中，可根据问题目标要求如水力、水质的、经济的、环境的等建立不同类型管理模型，并运用相应的方法进行求解。 （6）其他约束 根据具体条件，还可以设置其他必要的约束条件。 9.2.3.2地下水管理模型的分类 地下水管理模型的分类方法很多，目前常用的几种地下水模型分类如下： 1．根据地下水系统的参数分布形式划分为集中参数系统管理模型和分布参数系统管理模型。集中参数系统管理模型主要用于地下水系统的宏观规划和控制；分布参数系统管理模型主要用于水文地质研究程度较高的地区，进行具体的地下水资源调配和管理。 2．根据系统的状态和时间的关系划分为稳态管理模型和非稳态管理模型。稳态管理模型中模型的状态变量不随时间而变化；非稳态管理模型中模型的状态变量是时间的函数。 3．根据系统的管理目的划分为水力管理模型、水质管理模型和经济管理模型。水力管理模型是以地下水和地表水的水力要素为主要的状态变量和决策变量而建立的管理模型，主要用于解决水量分配和水位控制问题；水质管理模型主要用来解决地下水水质管理和污染控制问题而建立的管理模型，通常，水力模型是其重要组成部分；经济管理模型则更多地考虑了有关的经济因素(如成井及修建地表、地下水库的费用，设备及设施的折旧费等)，而水力模型和水质模型常是该模型中的一个组成部分或子模型。 4．根据系统管理问题的目标个数划分为单目标管理模型和多目标管理模型。当水资源优化决策过程中所追求的目标为单一目标时所建立的管理模型为单目标管理模型；当水资源优化决策过程中所追求的目标为多个目标时所建立的管理模型则为多目标管理模型。 在实际工作中，可根据研究课题的任务、目标的要求以及实际资料所能提供的研究条件来选择管理模型的种类。 9.2.3.3地下水系统模型化与最优化耦合技术 一般来讲，地下水系统的模拟模型刻划了系统性质和状态的变化，可用于对地下水系统进行预测，但运用模拟模型对不同设计方案反复运转企图达到预计目标，寻求最优方案是困难的，不同的方案，会得到不同的模拟结果，而这些结果并不一定是最优。因而地下水管理模型应该是地下水系统模拟模型与最优化模型的耦合。实际模拟模型与最优化模型耦合的方法有两种，即嵌入法（embedding method）和响应矩阵法（method of response matrix） 1 嵌入法 嵌入法又叫做嵌套法或镶嵌法，由Bredehoeft和Young在1974年初次提出。之后，Aguad和Remson进一步用有限差分法离散地下水流运动方程，并将所形成的线性代数方程组作为一组约束条件，构成线性规划模型，在满足一定供水要求条件下，以使含水层中特定位置的水头最高为目标，确定出最佳抽水量分配和水头分布。Alley ，Aguad和Remson又于1976年对非稳定流问题，分步建立了一系列管理模型，从而使嵌入法趋于成熟，并得到一定的应用。 1）基本原理 嵌入法是把地下水系统水流或水质模拟模型用一个代数方程组（线性或非线性）表示。然后，把这个方程组作为规划模型的一部分约束条件，完成模拟摸型与优化模型的耦合。用嵌入法建立的规划管理模型，其模拟模型与管理模型的运行是同时进行的，二者一步完成。 2）嵌入法建模方法 把模型进行数值离散，形成线性和非线性数值方程组，以约束条件的形式“嵌入”到优化模型中，完成地下水管理模型的建立。用嵌入法建立的地下水线性规划管理模型可表示为如下形式： (8) 其中：C—价值系数向量； A—地下水流模拟模型离散后形成的线性方程组的系数矩阵； H—由状态变量水位（头）或其降深构成的向量； B—单位对角矩阵； Q——可控的开采量向量； D——方程右端常数项向量； ——决策变量H或Q构成的函数向量； —约束条件左端表达式向量； ——约束条件右端常数项向量。 3)适用范围 嵌入法对于地表水或地下水资源管理中管理期限短、时段少及计算面积小的稳定流问题和一些非稳定流问题比较有效。而对于区域性多期规划管理问题，由它建立的管理模型求解困难，这使嵌入法在实际应用中受到一定的限制。 4)举例 下面以确定地下水最佳开采量的管理模型的建立为例来说明嵌入法的使用。 在地下水资源评价中，以往常用“允许开采量”这个概念。但在开发地下水资源过程中，地下水开采量是与许多因素有关的一个变化值，有时在一定条件下还要超量开采。因此，近来广泛应用“最佳开采量”这个概念。它定义为在地下水资源开发利用和规划管理中，为追求一定的经济和技术目标，在一定的自然、环境、技术等因素的约束条件下，从地下含水系统中开采出来的最佳水量。最佳开采量是地下水系统时间和空间的函数。 在考虑到控制和改善地面沉降、建筑物基础浸没、地下水蒸发损失及土壤盐渍化等要求的同时，为满足供水实施、抽水扬程能力及地下水水位降深等限制条件下，确定地下水的最佳总开采量。用嵌人法可表达为： 约束于 (9) 式中：Q——最佳抽水量列向量： H——地下水水位列向量； U——单位行向量U=(1，1，…，1)； H1和H2-——分别为水位下限和上限向量； Qs—各抽水井抽水能力限制向量； QT—总供水指标； 其余符号同前。 2．响应矩阵法 根据线性系统原理，地下水水位降深是开采量与地下水水位降深响应系数的卷积。它表达了地下水系统输人脉冲信号(单位时间的开采量或注水量)与响应(地下水水位升降)之间的关系。其中，响应系数常以矩阵形式表达，并将用其表示的一组方程作为管理模型的一组约束条件，以实现地下水模拟模型与优化模型的耦合，故称为响应矩阵法。这种方法是将地下水流模拟模型与优化管理模型分开求解，便于在微型计算机上实现，所以得到越来越广泛的应用 1)叠加原理 要想建立响应矩阵，首先要了解它的理论基础—叠加原理(principal of superposion)。若和分别为非齐次线性偏微分方程和的通解，则其和，或一般地为、的任意线性组合（式中：、为常数）也是非齐次线性偏微分方程的一个解。 例如，描述二维承压含水层系统中的线性算子可写为：  (10) 对于初边值条件为非齐次的定解问题：  (11) 可利用叠加原理将此问题分为两个问题：  (12) 和  (13) 式中：h—承压水头； Ｔ１、Ｔ２——导水系数 Ｓ—贮水系数 Γ1—类边界 定解问题(12)的解与(13)的解之和，即为定解问题(11)的解。 因此，利用叠加原理可将一个问题分解为求解几个较简单的子问题来解决。在地下水流问题中，由几个分散而同时单独工作的源或汇对某点或某一地区产生作用的代数和，即为各源或汇同时共同作用的效果；若干单个边界对计算区内地下水水位作用之和，等同于总边界的综合作用结果。 若地下水系统为线性系统，则描述含水层中地下水流的数学方程为线性式，它满足叠加原理。而潜水系统为非线性系统，方程需经过线性变化后才能应用叠加原理来解决。 2)地下水水位响应矩阵 对于一个具有齐次初边值条件的线性地下水水流系统，在给其中某些源或汇施加脉冲后，在系统中的某一点产生的水位总响应，可以由各源或汇单独施加脉冲对该点所产生的响应的代数和求得。这里，脉冲是指能够激发地下水系统使其内部状态变化的离散输入信号，例如地下水的抽水或注水量；响应就是在系统中施加脉冲后，系统状态发生变化而产生的输出，例如地下水位变化。 线性系统中响应与脉冲的关系可用卷积积分的形式表示：  (14) 式中：——t时刻在i点产生的响应值； —在时刻作用于j点的地下水脉冲量； β(i,j,t-τ)—单位脉冲响应系数，表示由于τ时刻在j点施加单位脉冲值时，在t时刻对i点产生的响应值； i,j——区内的两个点； t—时间 式14称为地下水水位响应系数，有人称之为代数技术函数（algebratic technological function）。式中的响应系数β(i,j,t-τ)是一个函数，它表示从t＝０开始在j施加单位脉冲后，在t=t时刻各完整井i处产生的一系列水位响应。 为了求解地下水水位响应函数，对式14进行离散后，得  (15) 式中：—由于第j点脉冲的作用，在第n时段末第i点的水位响应； ）—由于第j点在第k时段内单位脉冲的作用，在第n时段末刻第i观测井的响应，即单位脉冲响应函数； —第k时段第j井的脉冲量；其他符号意义同前。 式15以线性方程的形式表达了地下水系统中脉冲和响应的关系。如果在地下水渗流场中有Ｎ个源或汇点同时抽或注水，对Ｍ个观测点的作用，就在一个时段内形成Ｍ×Ｎ个单位脉冲的响应系数，组成Ｍ×Ｎ阶响应矩阵。若有Ｌ个时段，则形成Ｍ×Ｎ×Ｌ阶响应矩阵。 可见，地下水水位响应矩阵反映了地下水系统本身的特征，包括含水层类型、内部结构、边界性质和形状、源汇点的空间分布位置等，与地下水系统的输入和输出无关。 3)地下水水位响应矩阵的建立 地下水水位响应矩阵是以地下水流模拟模型为基础，对地下水系统施加单位脉冲量时所得到的地下水系统的水位响应值组成的矩阵。因此，地下水流模拟模型的建立方法不同，其确定方法也有所不同，常见的有数值法、解析法等。但目前人们常用数值法来建立，所以，下面介绍如何应用数值法来建立地下水水位响应矩阵。 (1)齐次初边值条件下响应矩阵的建立。如果地下渗流场的初边值条件均为齐次，即初始条件和边界条件均为零，则可采取以下步骤来建立响应矩阵:①对渗流场进行剖分，对管理期进行时间剖分；②在剖分基础上，利用一定的原理和方法建立地下水数值模拟模型；③在第一时段内，第一口井以单位流量抽水，其余井不抽(注)水，计算各个观测孔(结点)的水位降深值，然后第二口井以单位流量抽水，其余井不抽(注)水，再计算各个观测孔的水位降深值……依次类推，直至N个抽水井全部循环完毕，这样每次求得M个观测孔(结点)上的水位降落值，即得M×N个水位降深响应值，构成M×N阶响应矩阵；④对各时段按③步进行循环求解，直至L个时段全部算完，则得M×N×L个响应系数，构成M×N×L阶三维响应矩阵。 (2)非齐次初边值条件下响应矩阵的建立。对于具有天然补给或排泄(不可控量)和非齐次初边值条件的地下水系统，为建立响应矩阵，可用在可控脉冲量形成的降深场上附加一在天然补、径、排和初边值条件作用下的形成的降深场来模拟实际流场，即通过分解渗流场，将非齐次初边值条件化为齐次的，然后，在齐次初边值条件下确定单位脉冲响应系数，形成响应矩阵。 下面以平面二维流问题为例，说明其建立过程。 设一个承压含水系统中平面二维流问题可用下列偏微分方程的定解问题描述：  (16) 式中：h(x,y,t)—承压水头分布； Ｔ，μ*—分别为导水系数与贮水系数； Γ１，Γ２—分别为一类边界和二类边界； g０(x,y)—承压水头分布初始值； g1(x,y,t)—一类边界值； g2(x,y,t)—二类边界值； P(x,y,t)—位于点（x,y）的可控制抽水量； ε(x,y,t)—不可控量的代数和； （x,y）—平面位置坐标； Ｄ—地下水渗流场区域． 其中，初始条件、边界条件和系统不可控输入输出量均不为零，即该系统是一个非齐次线性系统，因此，不能直接应用叠加原理来确定单位脉冲响应系数。为了解决此问题，可把定解问题（16）分解为下列两个定解问题：  (17) 和  (18) 根据数理方程原理有： 式中：h——由定解问题(16)所确定的实际水头值； H——由没有可控制脉冲量而仅由于初始流场、边界条件和天然补给排泄所形成的水头分布，即由定解问题(17)确定的天然水头分布； S——在齐次边界条件，无不可控制输入输出因素影响，仅由可控脉冲(抽、注水)形成的水头降深或回升，即定解问题(18)确定的水头降深或回升。 这样，按齐次初边值条件下确定单位脉冲响应系数方法，形成响应矩阵。 4)适用范围 响应矩阵法可应用于大、小区域地下水非稳定流模拟模型与优化模型的耦合，建立多时段地下水资源管理模型。 5)举例 问题：在地下水开发中，每口井的开采量受出水能力的限制；总开采量要满足人们的需求；为了保护环境，水位降深不得超过一定极限值。在上述约束条件下要求获得最大的地下水开采量。下面利用响应矩阵法建立这个追求地下水系统最大开采量的管理模型。 首先，应用所建的地下水模拟模型，按上述方法求得单位脉冲响应系数β(i，j,n-k+1)，形成响应矩阵，则在N口抽水井作用下，第i点第n时段末实际的地下水水位降深Ｓt(i,n)为 　　　　　　　(19) —仅由初边值条件和天然补、径、排条件确定的第i点第n时段末的水位附加降深值；其他符号意义同前。 然后，将应用式（19），将优化模型中的水位与开采量联系起来，建立起如下的地下水管理模型： 目标函数 约束条件  (20) 式中：ＱT—地下水需水量指标； Ｑ０—各规划阶段各井出水能力； ＳＴ——地下水水位降深极限；其他符号义同前 以上是以地下水水流模拟模型为约束条件的线性规划模型为例来说明嵌入法和响应矩阵法的。对于以溶质运移模型为约束条件的线性规划模型上述方法同样成立，只是溶质浓度代替了水位。对于其他优化模型(如非线性规划、动态规划等)上述方法也适用。 3．嵌入法和响应矩阵法的特点对比 (1)响应矩阵法是将建模分为两大计算步骤，即首先用模拟模型计算出响应矩阵，然后把响应矩阵与决策变量关系式作为规划管理模型的约束条件。嵌入法则为一步法，即把整个离散的水资源状态模拟方程组直接作为优化模型的等式约束条件。 (2)响应矩阵法可针对特定的地下水资源管理问题，对管理区内某些重点区域或时间段上的变量进行约束，不必非对全区所有点进行约束，从而可以减小数学规划的规模。而嵌入法必须将整个模拟模型嵌入优化模型中，特别是对于分布参数系统则要将模拟模型的整个离散方程组作为优化模型的约束条件。 (3)响应矩阵法尤其适用于大区域、多阶段性的非稳定流地下水资源规划管理问题。而嵌入法适合于面积不太大的稳定流地下水资源管理问题。 (4)响应矩阵法在建模和管理运行过程中得到的最佳决策，仅包含决策变量(抽、注水量)或状态变量(水位、浓度)，而后，再通过模拟模型或响应矩阵求得其他量。嵌入法则同时给出决策方案的各种变量结果。 9.2.3.4地下水管理模型的建立步骤 地下水管理是一个广义概念，从技术和经济意义上来说，地下水管理是通过某些工程措施或技术手段把一个或几个地下水流域（或地下水系统）的地下水和地表水联合起来，在满足一定的约束条件下，通过对决策变量的管理运行，使既定的管理目标达到最优，并确定出管理问题的最佳决策方案。这一整体过程可以通过管理模型的建立和运移来完成。因此，地下水管理模型的建立步骤应该包括管理问题的确定，基本资料的收集和分析，地下水系统模型化，管理方案的综合评价，最佳决策方案的实施运行，以及反馈信息的监测和调控等。这六大步骤一环紧扣一环，缺一不可。 1、管理问题的确定 进行地下水管理，首先应明确要解决的问题和要达到的目的．一般应包括下内容。 (1)确定管理目标。根据管理问题和要达到的目的，概括出地下水管理的目标，这里目标是实现目的的具体要求，同时还要确定出与此目标相关联的社会、经济、环境、法律等因素的相互制约和限制条件。目标是一个或多个，也可以是多层次或包含多重含义。 (2)确定管理区范围。管理区范围的大小，原则上应该是一个完整的地下水盆地或水文地质单元。但有时也要考虑地下水管理的行政划分或特定管理需要来圈定管理区范围 (3)选定管理期限。地下水管理的期限长短，应根据管理目标、资料精度、地下水模型及计算方法误差来选定，一般最长的管理期以不超过五年为佳。随着地下水管理模型的运转，管理区的社会、经济、自然条件和人为作用等也在不断变化，因此，管理模型必须在管理期内做定期的修正。当管理期需要延长肘，则更需要对原有管理模型进行全面检查和修正，方可在延长期内继续管理模型的运转，以保证模型的精确度和可靠性。 2、基本资料的收集和分析 这是地下水管理的基础，主要包括对各种资料的收集和对所收集到的有关资料进行分析、整理和合理概化，最终形成水文地质概念模型，以便为地下水管理提供可靠的信息。 3、地下水系统模型化 以水文地质概念模型为基础，对地下水系统的特征和运动规律作进一步研究，并建立地下水模拟模型，继而对地下水系统进行动态预报和优化管理。 1）．建立预报模型——地下水系统的模型化 利用地下水模拟模型对地下水系统进行预报。预报模型可以对地下水水位、水量、水质运移规律及其变化特点等进行预报。 2）．建立管理模型——地下水系统的最优化 运用系统分析原理，综合考虑社会、环境、经济、法律等因素，在地下水系统预报模型基础上，求解并确定地下水资源开发利用的最优决策方案。 4、管理方案的综合评价 通过地下水资源管理模型的建立、求解和结果分析，可以得到若干个地下水管理规划的优化决策方案，或者是这些方案的组合。但是，要决定哪一个或哪几个方案的组合是最合理可行的，则要从技术、经济、环境、社会、法律等方面的效益上对各个决策方案进行综合评价，论述其可行性，最终选定一个或几个最为理想的并且在经济效益、环境效益和社会效益等几个方面达到最佳的优化决策方案，使其纳入地区整体水资源管理规划范畴，以便为地区国民经济建设服务。 5、决策方案的实施运行 要实现地下水管理规划最佳决策的各种效益，就要对管理规划方案进行实施和运行。在真正实施管理规划方案时，由于涉及到技术、经济、社会、环境乃至法律和制度上的问题，而这些问题与管理区的工农业生产和人民生活有直接关系，所以在管理规划实施过程中必须与地方政府密切联系，广泛听取当地人民的意见，积极争取他们的重视和支持，使地下水管理规划方案得以顺利实施。 6、反馈信息的监测调控 为了防止和纠正地下水管理优化决策方案偏离既定的管理目标，需要及时了解地下水系统所处的状态和变化情况。在方案实施阶段，还要对地下水管理模型运转结果进行地下水监测，以便及时掌握各种反馈信息。地下水信息的捕捉方法，除了传统的人工监测、记录、采样分析方法外，目前已有自动化获取、传输和处理地下水各种信息的成套设备，借助于计算机或其他电信装置，可使获得的信息或以灯光、仪表、液晶等显示，或者存入磁盘、磁带，或者以打印成表等方式反馈给管理调控人员，这样就可以及时地对地下水管理规划进行调整、补充、维护，使整个系统完善运行。地下水管理结果的各种监测工作内容和要求，详见第四章，在此不加赘述。 最后需要说明，以上地下水管理的基本工作步骤，仅是一般性论述，在具体应用时，还要根据具体情况有所侧重，有所变化． 地下水管理模型的建立步骤可用框图表示，如图12所示。 图12 地下水模型建立步骤框图