地下水模型对地下水管理和保护的技术分析

地下水模型对地下水管理和保护的技术

分析

摘要：现阶段，我国地下淡水天然资源量占国内水资源总量的 1/3，受气候

变化和人类活动影响，地下水开采量占可采量比例持续增长，很多地区地下水处

于超采状态。因此，在水利高质量发展的新阶段，亟须推出具有自主知识产权的

地下水通用模型，解决“卡脖子”技术问题，同时开展全国地下水模型应用推广，为加强地下水管理和保护提供技术支撑。

关键词：地下水模型；地下水管理；保护。

1 地下水资源的一般模式

除第四系浅层地下水外，地下水一般分为孔隙水、裂隙水和岩溶水，当前技

术条件下，位于砂岩、砾岩中的孔隙水和位于石灰岩、白云岩中的岩溶水是得到

较为广泛开采利用的深层地下水，裂隙水因为分布条件较为复杂，只在少数极端

缺水地区进行开采，多作为浅层水、孔隙水、岩溶水的交叉补给通道。除极端干

旱地区外，绝大多数第四系发育地区，均会在第四系地层下部形成浅层地下水，

这部分地下水是地表植被的根系发育区域。早期人类对地下水的开发过程，也主

要是对浅层地下水的开采过程。具有岩溶地层的区域，岩溶地层本身具有一定的

阻水特性，但其可溶性容易形成暗河和岩溶湖等小规模岩溶结构。中国西南地区

等因地下水埋深较大产生的缺水地区，重点在于对岩溶水的开采过程。而砾岩、

砂岩、白云岩等产生的承压水可能沿补给通道上行，在地表形成承压泉。通过对

上述地下水赋存模式的调查，可以形成基于地理信息系统（GIS）坐标系网格的

地下水储量及深度分布数据，但此数据并不能直接对区域经济发展赋能。而需要

考察区域地下水开发体系，即分析该区域内的地下水开采利用能力，近期可实现

的地下水开采能力、中远期地下水开采规划，地下水循环过程中地下水的补给能力。通过地下水赋存模式的调查，可以形成基于地理信息系统（Geographic Information Sys⁃tem，GIS）坐标系网格的地下水储量及深度分布数据，但此数

据并不能直接对区域经济发展赋能。而需要考察区域地下水开发体系，即分析该

区域内的地下水开采利用能力，近期可实现的地下水开采能力、中远期地下水开

采规划，地下水循环过程中地下水的补给能力如图1所示。本文结合上述问题给

出了评价模型，其地下水储量（可利用、预期可采、远期可用、不可采）因子、

地下水开采能力因子、地下水补给能力因子等共同构成了当地地下水资源的评价

指标。

图1地下水循环过程图

2 地下水污染物分类

地下水资源的脆弱性日益增加，使其不适于农业和家庭生活使用。各种人类

活动，加上现有的水文地质特征均威胁到地下水资源。除了已知的污染源以外，

其他因素，例如人口增加、气候变化、广泛使用的杀虫剂和化学肥料等，以及工

业化程度的提高，都对地下水资源构成威胁。本研究拟根据部分不同类型的污染物，来简述地下水污染的来源、危害及其去除方法[1]。

2.1无机盐污染物

无机污染物是地下水污染物的主要污染物之一，包括盐离子、重金属离子等。它们大多来自于地球化学环境以及因人为的采矿、冶金、工业废水、垃圾堆放填

埋等进入地下环境。

2.2 有机污染物

地下水中有机污染物的存在主要源于人类活动，如地下储存罐泄漏，使用的

废水污泥，非法和不当倾倒化学品，使用各种农药和肥料、杀虫剂，畜牧业或工

业排放等。近年来，新的有机污染物（Contaminants，Docs），例如：抗生类药品、杀虫剂及其在环境中的转化产品，由于其高持久性、毒性和生物累积潜力，

已引起人类健康和水生生态系统的关注。有机物污染源分为点源和非点源。废水

源被认为是水环境中大规模有机物的重要点源之一，包括城市污水处理厂的排放、工业排放、意外泄漏和垃圾填埋等。相比之下，非点源污染是由广大地区的污染

造成的，往往不容易确定来自单一或确定的来源。在施用化肥和其他农用化学品

的灌溉地区，农业是地下水污染的主要非点源污染源。

2.3重金属污染物

2.3.1砷

砷在地下水中的存在通常与地球化学环境有关，例如来自冲积湖泊的盆地充

填沉积物、火山沉积物、来自地热资源的输入、采矿废物和填埋场等。砷的人为

来源包括除草剂（甲基胂酸钠盐）、木材防腐剂（铬化砷酸铜）和工业活动，包

括金属冶炼、药物、杀虫剂、化学品和石油炼制。由于富含硫化物的煤中存在少

量黄铁矿，因此燃烧煤也可能导致砷在空气中的存在。化石燃料燃烧、冶金排放、水泥窑和化学制造工业也会向大气中释放砷。

2.3.2铁、锰

铁和锰在地下水中含量较高，常常相伴存在。铁一般被认为对健康没有显著

的不良影响，但其形成的红色氢氧沉淀物往往会导致水色偏红或堵塞输水管道。

2.3.3镉

镉是地下水中最有害的微量金属之一，镉会在人体各个器官中累积，其水平

升高会导致肾小管功能障碍、骨软化和骨质疏松症，引起葡萄糖代谢紊乱、肺癌、心力衰竭和脑梗死。镉主要以二价Cd2+阳离子形式存在于水相中，地下水中的镉

来源主要有两种，一是采矿区中矿渣，废水，其次是废弃的镀镉产品中造成的污染，通过土壤渗滤液渗透进入地下水。含有镉污染的地下水灌溉植物会导致镉在

植物中积累，侵入食物链，经过生物放大作用，对最高营养级物种尤其危害巨大。

2.3.4汞

汞是一种有毒的重金属，其中Hg2+被证明是主要的有毒离子形式，能够对肺

部和肾脏造成损害。在人为来源中，燃烧化石燃料占估计排放量24%，主要来自

燃煤。

2.3.5铅

铅是一种高密度、柔软的蓝灰色金属，是原子量最大的非放射性重金属。温

度超过400℃时即有大量铅蒸气逸出，在空气中迅速氧化成氧化铅烟。

3 地下水模型对地下水管理和保护的技术措施

当前地下水新技术、新方法的开发主要由欧美发达国家主导，这些问题和我

们的基础相对薄弱有关。新阶段通过科技创新加强地下水管理与保护，建立全国

尺度地下水模型是关键技术因素。

3.1 地下水模型技术方面

目前全国各重点地区都构建了地下水模型，但所用技术大都是国外模型且各

有不同，很难统一。建议加快研发具有自主知识产权的地下水通用模型技术问题。

3.2 全国尺度地下水模型基础数据方面

构建模型需要大量的基础数据，如水文地质条件、地下水水位、地下水取用

水量等，一是建议水利部、自然资源部等多部门协调合作，基础数据共享，使模

型计算更加精确；二是建议加快推进国家地下水监测工程二期，在空间上提供更

紧密的地下水位监测，更好地服务于模型的构建与验证，模型也可以反馈监测工

程的实效性。

3.3 建立全国尺度地下水模型方面

我国地形复杂多样，水文地质条件差异性较大，然而全国重点平原和盆地区

位置分散，地下水系统各自基本不影响。建议在重点平原和盆地分区建立模型，

再集成为全国尺度地下水模型。

结论