对地下水资源的分类目前尚未取得统一和完善,有待进一步研究解决。据GB/T 14157—93,地下水资源为含水层中具有利用价值的地下水水量。按GB/T 14157—93规定,地下水天然资源是指天然条件下,地下水在循环交替过程中,可以得到恢复的那部分水量,即多年平均补给量。依据GB/T 14157—93,地下水开采资源是指在一定的技术经济条件下,在不至于引起严重环境地质问题的前提下,单位时间内可从含水层中提取的地下水量。......
2023-09-18
地下水资源的技术管理及水文地质勘察（第2版）
【摘要】：1.管理目标为使有限的地下水资源发挥最大的经济、环境和社会效益。
9.9.3.1 智能管理系统
中国山东省广饶县由于工农业生产和乡镇企业的迅速发展,对地下水的需求量逐年增多,水资源供需矛盾日渐突出。全县地下水超采量每年都达2600万m3以上,342km2的井灌区已全部成为超采漏斗区,并引发地面塌陷、地裂缝、咸水入侵等一系列环境地质问题。为缓解水资源供需矛盾,该县于1999年首先在用水量较大的草桥油田和华泰集团的20眼井上进行了智能管理系统应用试点[27]。
水资源的智能管理系统是将先进的微电脑控制技术、智能卡技术和自动控制应用于地下水的资源管理,在使用上采取用水户预交水费、凭卡开机用水,管理系统自动计量与计费。若卡中水费用尽时,系统则自动停机,用水单位无法用水[27]。
智能管理系统由一台主机和若干台分机组成。主机包括计算机、发卡系统软件、读写卡器、打印机等;分机包括控制柜和智能水表。主机和分机之间通过智能卡传递数据。
主机(即计算机系统)由水资源管理部门操作使用,负责读写卡系统的维护及查询、统计等工作。分机安装在用水户的深井管道上,用于读卡和控制用水户的用水量。在用水前,用水户需到水资源管理部门购买一定时期的需水量,由管理部门将用水户购买的水量,通过主机写入用水户的智能卡中。用户用水时,将该卡插入系统分机,分机识别正确后,在控制柜显示器上显示分机内的水量总数,用户将卡拔出后,即可正常用水。在使用过程中,分机内的剩余水量随用水量的递增而减少,当剩余水量达到设定的下限水量时,分机会发出报警声提醒用户重新购买水量。若剩余水量用完,分机将自动切断电源,停止供水,直到用户输入新买的水量后才能使用。
该系统具有强大的系统保密性和安全性,有可靠的智能卡操作功能和管理功能。它的适用性强,使用寿命也长。
(1)系统的经济效益。据测算,安装20台智能管理系统,全部投资为7.0万元(不含主机购价2.2万元)。与仅安装普通水表时相比,每眼井年平均节水0.46万m3,按目前水资源费征收标准0.5元/m3计,1.5年即可收回成本,经济效益非常显著[27]。
(2)系统的社会效益。较好地实现了预收水资源费和收费标准、数额公开,用水过程、收费情况随时清晰可见,将水资源管理工作由“静态”变为“动态”,避免了在用水计量和收费上的人为因素和经常发生的纠纷[27]。
9.9.3.2 地下水资源的优化管理模型
地下水资源优化管理模型软件(REMAX软件)是由国际灌溉中心和美国科学软件公司在地下水三维模拟软件(MODFLOW)基础上联合开发研制而成。它共有四大模块组成:模拟模块(Simulation)、预优化模块(Preoptimization)、优化模块(Optimization)和分析模块(Analysis)。可根据区域地下水资源具体的管理方案来确定管理目标和约束条件,输入相应控制文件和参数,逐步运行上述四大模块,就会得到理想的结果。它适用于多层越流含水层系统解决多种复杂地下水资源优化管理问题,是目前国际上地下水资源优化管理模型软件中功能强大的优秀专业软件之一[28]。
REMAX软件目前在全美范围内普及推广应用,在国际上日趋流行。中国科学院长春地理研究所和水利部松辽水利委员会联合首次引进中国,并应用在吉林省西部大安试验区。现以该区为例,说明其使用方法。
1.管理目标
为使有限的地下水资源发挥最大的经济、环境和社会效益。实验区拟定地下水资源管理的具体目标为:①在优化农业井开采布局的条件下,最大限度满足农业需水量,为农业安全生产提供水量保证;②控制“水田种稻区”地下水位降落漏斗的扩展,扼制地下水位不断下降的趋势;③调控潜水位埋深,防止次生盐碱化发生[28]。
2.管理模型
该优化管理模型的建模方法是将有限差数值计算方法与最优化技术相结合,采用地下水分布参数系统值模拟和线性规划方法耦合建模,耦合方式采用响应矩阵法;确定在有地下水位降深约束下各管理区总开采量最大为管理模型的目标函数;在水动约束、资源约束、社会效益约束、生态环境约束等条件下建立该区地下水系统三维优化管理模型。
(1)决策变量。决策变量是研究系统状态的输出变量。根据前述的管理目标,取管理亚区开采量为模型的决策变量,即,Q(i,k)代表第i管理亚区在第k管理时段末地下水的开采量,m3/d,i=1,2,3,4,5;k=1,2,…。
(2)目标函数。根据本管理区的目标规划,为各管理亚区规划开采量之和最大。管理目标函数用下列数学公式表达[28]:
式中:NC为管理亚区总数;NT为管理时段总数。
(3)约束条件。约束条件是指决策变量及相关变量的限制范围。也就是说水资源科学管理的优化过程必须在一定的约束条件下进行,本研究区考虑了水位约束、生态环境约束以及水资源量约束。
(4)水位约束。是保证管理亚区内各目标结点水位降深值不超过最大允许降深值Smax。考虑到研究区含水层系统的出水能力和开采井的抽水能力,并经过长期调查观测最后确定:区内稻田井水位最大允许降深值为6m,潜水井水位最大允许降深值为7m,旱田机井水位最大允许降深值为15m[28]。
式中:S(j,n)表示j点、n管理时段末的水位降深值,m;Smax(j)表示j点水位最大允许降深值,m。
对于线性含水层系统,水位降深和抽水量之间的关系可通过响应矩阵线性来表示[28]:
式中:β(i,j,n-k+1)表示在抽水时段k内,当i井(亚区)以单位脉冲时,在时段n-k+1末,在j点处的水位降深,也称为响应系数。
于是式(9-49)可表示为[28]:
(5)生态环境约束。生态环境约束主要将潜水含水层地下水位控制在产生次生盐碱化临界水位埋深3m以下,以防止次生盐碱化发生,保护生态环境。
吉林省西部大安试验区共设有336个控制水位井点[28]。
(6)供水指标约束。为了满足本区5片稻田区的需水要求,应使各亚区的开采量之和达到供水指标[28]。
式中:D(k)表示不同管理期的规划供水指标,m3/d。
考虑到含水层的出水能力,所以各亚区的开采量之和不能超过含水层的极限开采量。
式中:Dmax(k)为第k管理期地下水最大供水量,m3/d。
上述目标函数式(9-48)和约束条件式(9-51)～式(9-54)构成了线性规划模型[28]。
3.区域的剖分和模型的求解
把试验区的计算区域在空间上剖分为5层、54行、50列,共13500个正方体单元。其中,计算单元为10875个,第一类边界单元为985个,无效计算单元1640个,每个单元的行间距和列间距均为500m,即每个单元面积均为0.25km2。
模型求解调用了MODFLOW模拟软件中的数据文件,以及REMAX系统软件中的数据文件分别见表9-12和表9-13[28]。
表9-12 MODFLOW模拟软件中的数据文件(据 章光新等,2001)
续表
表9-13 REMAX系统软件中的数据文件(据 章光新等,2001)
4.模型的计算结果和建议
针对吉林省西部大安试验区水资源开发利用现状及其未来用水规划,计算结果认为,该区不宜继续开发水田。建议在现有的水田面积上,积极开展和推广节水灌溉技术,提高水资源利用效率,用节约的水资源来植树种草,搞生态环境建设。此外,还应合理布置井距和井群规模,优化配置水资源,最大限度地发挥水资源的潜力和价值,更好地为农业生产和生态环境建设服务[28]。
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