地下水代谢与水资源保护_钱家忠

地下水代谢与水资源保护

钱家忠1

,朱学愚1

,孙峰根

2

(1.南京大学,江苏南京　210093;　2.焦作工学院,河南焦作　454000)

摘要:本文从系统的观点出发,提出了地球水循环过程中地下水代谢的概念,分析了地下水代谢过程,建立了地下水极限代谢条件方程,进一步阐述了解决水资源问题的根本出路在于最大限度地发挥水资源的恢复功能、调节功能与重复利用功能。地下水代谢在水资源保护、尤其在发挥水资源恢复功能与调节功能中起重要作用,在水资源保护中应当充分利用。

关键词:地下水代谢;水资源保护;水资源功能;极限代谢方程中图分类号:P 641.8

文献标识码:A

Abstract :Star ted from the s ystem atic point of view the concept of metabolism of groundw ater in th e proces s of natural w ater cycle

is proposed.The metabolic process of groun d w ater is an alyzed.Th e u ltimate metabolic equation of ground w ater is establis hed.It is stated that the basic s olution of w ater resources is to mak e full play of the restoring,the regulating an d the reus ing functions of th e w ater resources.The metabolism of ground water plays an important role in protecting the w ater res ources,especially for the restoring and r egulating functions .It should be fully used in the p rotection of w ater r esour ces .

Key words :metabolis m of groundw ater;protection of w ater res ou rces;fu nction of w ater resources ;ultimate m etabolic equation

收稿日期:1999-10-15

基金项目:河南省自然科学基金项目部分研究成果(974071400)

作者简介:钱学忠(1968),男(汉族),安徽凤阳人,在读博

士,讲师。

水资源是一种宝贵的自然资源。水资源不足是多数国家所面临的时代挑战。1991年3月25日在纽约召开的联合国自然资源委员会第十二次会议就曾提出:“当前,占世界人口40%的80个国家有缺水问题,发展中国家有12亿人口需要安全的饮用水,而在2000年人口增至60亿,这对有限的水资源是

个很大的压力[1]

。”我国人均水资源量较少,被联合国列入12个贫水国家之一。人口增加、经济的发展以及水利用不当(如无控制地抽取地下水)、不见明显收敛的水污染等,还会加剧水资源不足,若不采取有效措施,将会造成严重后果。水资源与人类生存、社会发展的关系,比其他任何自然资源更密切,影响更直接,水资源不足所造成的后果将比目前困扰各地的环境问题更严重和难以治理[2,3]。

水资源是一种可再生的资源。它既不同于其它固体和液体矿产,如煤、石油等,具有不可再生性,也不是“取之不尽,用之不竭”的。水资源具有自身的特点,如可恢复性、可调节性以及与周围环境的密切相关性。水资源的可恢复性、可调节性以及可重复利用的性质被称为水资源的三大功能[4]。本文将讨论如何充分利用水资源的功能来保护水资源。1　地下水的代谢条件方程

绝大部分地下水是地球水循环进行在地壳岩石

空间过程中的水,不断地从外界得到水、在岩石空隙

中运动和向外界失去水的过程中维持其在岩石中的存在。地下水的这三个过程就是地下水的补给、迳流

和排泄,合称地下水的代谢[4]

。地下水的代谢状态决定地下水的量与质,而且地下水的许多性能,如水运动、水储存、水质变化、物质交流、能量转换等,都与地下水代谢相关或由代谢造就。地下水代谢对水的利用与保护也有重要意义。

据系统内水量增减状态,地下水代谢分为正代谢、负代谢和平衡代谢。使系统内水量增加、减少和维持平衡的代谢分别称为正、负和平衡代谢。在地下水资源保护中主要研究的是负代谢。

长期的负代谢会把地下水系统内的水量不断减少,水质恶化,直至地下水资源被破坏。保持地下水资源就是要在取用地下水的情况下,使地下水系统内的水量保持在大于最小控制存储量的状态,即

W c +$W c ≥W c min (1)

式中　W c ——地下水系统内现存水量;$W c ——系统内水量变化值,增加为正,减少为负;W c min ——系

统的最小控制存储水量。

地下水系统的最小控制存储水量就是满足水资源与环境保护要求的下限存储水量,根据当地具体条件确定,以水位核定较方便。

在取用地下水的情况下,系统内水量变化值$W c与补给水量W b、消耗水量W x、取用水回收量W h之间的关系为:

$W c=W b+W h-W x(2) 水资源是宏观概念,水变成其他物质或其他物质变成水的量可以忽略不计,所以对一个地下水系统而言,消耗水量W x只有蒸发量W′z、流出水量W l 与取出的水量W q,即有:

W x=W′z+W l+W q(3) 而取出的水量的去向有:蒸发消耗量W″z、浸润消耗量W j和返回到地下水系统的回收水量W h,即有:

W q=W″z+W j+W h

记W z=W′z+W″z,则据式(2)、(3)和(4),式(1)可写为:

W c+W b-(W z+W j+W l)≥W c min(5) 这就是地下水系统在取用水情况下的代谢条件方程。保护地下水资源使各个地下水系统都须满足该方程,所以该方程也可以称为地下水资源保护条件方程。

在地下水系统内存储水量减少到最小控制存储水量的情况下,即W c=W c min时,式(5)变为:

W b≥W z+W j+W l(6) 这就是在取用水情况下地下水资源保护的极限代谢条件方程。该式说明对地下水资源保护具有重要意义的如下事实:

(1)保护地下水资源必须使地下水系统保持一定的补给水量。由式(6)可以看出,即使W j和W l 为零,但W z不可能为零,所以式(6)成立的条件始终是W b不为零且W b≥W z。也就是说一个地下系统的存储水量减少到最小存储水量之后,必须保证W b≥W z,否则水资源即开始向遭受破坏的方向发展。

(2)减少蒸发量对解决水资源不足、充分利用并保护水资源系统将是一种具有巨大潜力的途径。如对一个地下水子系统而言,W b的增加是有限的,W j 与W l亦如此,所以左右式(6)的主要是W z,即蒸发量。而这一点,在实际工作中,甚至在指导思想上常常被忽略[5]。据甘肃农业科学研究院定西试验站所做的试验:在半干旱地区,休闲期土壤蒸发可占到同期降水量的60～80%,半干旱偏旱地区达到72～98%,在半湿润地区达到60%[6]。可见,因蒸发而产生的水资源无为损失量十分巨大。

2　水资源的三大功能

自然界的水有许多功能,其中在水资源利用方面具有重要价值的有恢复功能、调节功能与重复利用功能,称为水资源的三大基本功能[4]。前两者是水在自然存在与运动中表现出的功能,而后者则是水资源被人们使用时表现出的功能。水资源的恢复功能与调节功能是有限的和以一定条件来支撑的。恢复能力与调节能力大小主要决定于当地的气候、地形与地质条件。恢复功能与调节功能的长期维持则以这些自然条件不遭破坏为前提。水利用不当(如过量抽取地下水)、不适当的工程建设等常常降低甚至破坏水资源恢复功能与调节功能。水的重复利用包括两个方面:使水在水源地与用户之间循环,在此过程中反复使用;取出水后在不返回水源地的情况下,以循环方式反复使用。通常说的重复利用主要指后者。尽管由于水量损失不可避免,所以不可能把一定量的水永久重复利用,但把重复利用率大大提高是可以办到的。提高重复利用率对解决水资源不足问题来说是比起开发、调节投资少、时间短、效果明显的途径。我国的水资源重复利用率多在20～50%左右,若提高到70%,则相当于把水资源量增加了1倍,即把全国的现用水源地扩大了1倍,可见有巨大潜力。

由于经济发展与人口增加,需水量的增加将是不可避免的。但是各地的天然水资源总量统计平均值却是基本不变。这就是造成水资源不足且不断加剧的病结所在。要解决水资源不足,则必须通过我们的努力改变这种不平衡状态。其途径有:充分开发利用当地水资源;增加当地水资源量;提高水资源利用率。而要做到这几点,只有一条路可走,那就是充分发挥水资源的三大功能。也就是说,解决水资源不足问题的根本出路在于最大限度地发挥水资源的恢复功能、调节功能与重复利用功能。

发挥水资源三大功能,必须把握3个要点:统筹规划、实施工程和全面监控。三大功能之间相互联系,所以对一个地区应根据当地具体条件,统一规划,以使三大功能相辅相成,充分发挥其作用。要充分发挥三大功能,需要建立一些工程。具体实施何类