1. 地下水資源評價方法簡述
在新建任何一個地下水開發利用工程之前，都必須知道研究區有多少地下水資源，預測工程實施之後地下水均衡狀態的變化，判斷相關的地質環境和生態環境是否會惡化。回答這些問題就是地下水資源評價的主要任務。地下水資源評價包括水量評價和水質評價兩個部分，都要在專門的國家規范指導下進行。
水量評價的目標是確定地下水均衡要素的總量，預測不同開采規模對地下水均衡狀態的影響，限定地下水的允許開采量。地下水資源的水量評價一般按以下的步驟來進行。
(1)圈定合理的評價區
根據地表水資源和地下水資源評價一致性的規定，地下水資源的評價也要按照不同級別的江河水系進行流域分區，而不能只限於某個水源工程建築物的覆蓋范圍，也不能限於某個特定的含水層，以「影響半徑」來圈定評價區往往也是不合理的。目前還存在用行政分區作為評價區的習慣，但這樣做只是為某個行政區域的管理者提供參考，其資源數量必須在流域背景下進行合理的劃分。
(2)資料收集、補充勘探
對評價區氣象、地理、水文、含水層特點、水資源利用水平等現狀條件進行調查，收集資料數據。如果現有的資料數據不足或由於年代太老不適應新情況，就需要開展補充勘探，選擇適用的測繪遙感技術、地球物理探測技術、地下水鑽探和試驗技術、同位素示蹤技術等。對全部資料進行系統的分析，按照重要程度排列出評價區所有的地下水補給要素和排泄要素，並確定各種要素對應的評價參數，如降水入滲系數及潛水蒸發極限埋深等。
(3)取多年平均數據或典型水文年數據進行現狀水均衡分析
計算現狀條件下地下水的總補給量和總排泄量，確定當前的水均衡狀態。如果評價區地下水的現狀是零均衡，那麼總補給量或總排泄量都可以作為地下水的資源數量，其單位一般為108m3/a。對於已經存在地下水開採的地區，需要特別注意地下水是否處於負均衡狀態。如果地下水向負均衡狀態演變，應計算其儲存量的年度遞減值，即評價地下水存量資源的消耗速率。由於地下水均衡要素都存在一定程度的不確定性，現狀水資源的計算也要對結果的精度進行評估，並給出不同保證率下的資源量。
(4)對地下水均衡狀態的影響
採用合適的分析模型，按照不同的方案預測新增地下水開發利用工程對地下水均衡狀態的影響。根據問題的復雜程度，可以選取經驗公式、地下水動力學解析理論、數值模擬等手段進行地下水開采動態預測。隨著計算工具的進步，數值模擬越來越成為地下水資源評價的重要方法。但是，使用數值模擬軟體並不能代替對地下水分布和運動規律的認識，必須使模型的建立符合評價區含水層的特點和計算精度要求，充分考慮地下水與地表水的相互作用，考慮地下水均衡狀態變化後可能導致的參數變化。模型預測的時間可以達到10年或20年，但並沒有最長時間的限制，因為10km尺度以上的區域地下水響應時間可以非常長，甚至達到1000年。
(5)確定可開采量
以水資源保護和生態環境保護為約束條件，根據預測結果確定可開采量。地下水開發利用的約束條件在各個地區是不一樣的，並且是隨著時代的發展而變化的，有些地區要防止河流乾涸、泉水斷流、濕地退化，有些地區要防止地面沉降、土壤鹽漬化、海水入侵，還有些地區要避免含水層被疏乾等，應盡可能在分析中考慮周全。新建工程不損害現有地下水開發工程、不損害鄰近地區的用水也是重要的約束條件。可開采量就是滿足上述綜合約束條件的地下水開采規模，其單位一般也是108m3/a。但是，實際可開采量與開采方式(布井位置、布井數量、抽水周期等)也有關系，應在水資源評價報告中加以討論。
地下水的水質評價目標是確定地下水的化學成分作為飲用水源的適宜性，判斷是否受到污染和可能遭受污染的風險。水質評價必須從有代表性的地下水監測孔中提取水樣，進行常規水化學分析、污染物檢測等調查。對於存在地表水滲漏或灌溉水回歸補給的情況，地表水、土壤水的污染程度和地下水接受污染的途徑也在調查之列。地面存在的各種點源和面源污染都應該在地下水污染的風險評價中加以考慮。
地下水的水量評價和水質評價應相互結合。如果評價區地下水的礦化度有差異，需要將其按照淡水區、微鹹水區、鹹水區分別評價水量資源。水量評價的預測模型不僅要計算地下水位的變化，在條件具備的情況下，還可以建立溶質運移模型以便計算地下水礦化度、特定化學組分濃度的變化。
2. 地下水功能評價一般流程
（一）前期准備工作
需要查明工作區下列情況：
1）流域尺度地下水系統的邊界條件、性質、分層及分區帶界線，以及地下水動態變化與氣候、地表水及生態和地質環境之間關系。
2）人口、經濟社會和農業、人工生態、自然生態分布狀況，水資源與地下水開發利用狀況及相關的生態與地質環境問題。
3）地下水調查、評價和研究程度，與地下水相關的規劃情況。
4）地下水的資源數量和質量評價程度，包括地下水的開采資源、儲存資源、補給量、均衡內水位變差、降水量、實際開采量等數字圖系和相關資料庫情況。
5）生態遙感調查、地質環境問題調查和地下水系統衰變狀況調查，包括與地下水位密切相關的陸表植被、湖泊、濕地、土地荒漠化或鹽漬化動態變化情況。
（二）地下水功能評價的主要工作流程（圖5-3）
1.明確評價目的、要求和對象
首先，需要明確評價區域及其系統特徵，為建立研究區地下水系統的層次結構模型和評價指標體系奠定基礎。然後，明確評價目標，包括研究主體的系統結構與組成和評價對象。這里的研究主體是指具有完整水循環特徵的地下水系統，要求具有整體統一性和層次結構之間關聯性的具體描述。評價對象是指具體評價項目，例如主導功能評價或是目標功能評價。不同類型的評價，其過程有所不同。
具體工作包括：
1）確定研究范圍：研究范圍是指評價工作區的范圍，具體表徵為地下水功能評價的系統層所涉及的空間范圍。要求按流域尺度水循環系統確定評價范圍（系統層），應使評價區的地下水系統具有完整性和系統內的層次性，包括分區、分帶性。在此基礎上，建立地下水系統空間結構，並進行層次與特徵分析。
2）為了合理確定研究范圍，需要開展下列基礎工作：①掌握研究區地下水循環的時空演化規律和流域尺度地下水系統空間結構狀況，建立流域尺度地下水系統概念模型，明確系統界面間屬性。②查明水文地質基本條件和地下水流運動過程，包括補給條件、埋藏條件和構造控水狀況，以及地下水系統與地質環境和生態環境之間互動關系狀況，重點查清它們的空間分區和分帶特徵，重視水文地質單元的區位特徵描述。③需要收集研究區的下列資料，包括：區域構造分布圖、水文地質圖、地下水水位及埋深等值線圖、地下水資源及模數分布圖、地下水可利用資源分布圖、地下水資源開采程度與模數分布圖、地面沉降等環境地質問題分布圖、地表水文-生態狀況有關圖件、地表植被狀況分布圖和土地質量及利用狀況分布圖等。
3）明確評價模式是目標功能評價或是主導功能評價，還是二者同時評價。
圖5-3 地下水功能評價主要流程
2.建立統一的評價尺度、標准和體系
不同的評價尺度，對基礎數據的精度和控制點數量要求不同，進行基礎數據處理的要求也不同。一般適宜採用1：25萬～1：5萬比例，開展地下水功能評價。如果比例尺過小，例如1：100萬或1：50萬，則難以比較具體地闡明實際問題；如果比例尺過大，例如1：2萬或1：5000，則數據處理工作量太大。
3.梳理和確定主要影響因素
影響地下水功能狀況因素涉及驅動因子類、狀態因子類和響應因子類，它們的交互、耦合或疊加影響地下水功能狀況。在三種類型影響因子中，可能包含著幾十個，甚至數百個具體的影響因子，但是起著主導作用或發揮重要作用的影響因子是有限的。因此，該項工作需要按項目的目標和任務的具體要求對影響因子進行調查、資料收集、各種因素對比與分析、甄別，將有限的主要影響因子調查和遴選出來，為建立地下水功能評價指標體系奠定基礎。
要求：①盡可能利用已有數據和資料，適度開展補充性調查。②將所有影響因子歸納為驅動因子、狀態因子和響應因子三種類型，分別建立調查表格和確定具體要求。③按評價需求調查、收集、識別和整理基礎資料。④在上述工作基礎上，按資源功能、生態功能和地質環境功能不同類型，分別進行數據、資料歸類和建檔。⑤根據指標層的要求，分析和遴選，確定主要影響因子，歸納構建D層指標體系的基礎數據。⑥調查工作，還包括查明地下水補給、徑流和排泄條件變化狀況，地下水位變化與開采量之間關系；查明地下水補給條件變化和地下水位動態變化的驅動因素及其互動變化規律，包括地下水位變化與氣候、人口、城鎮發展、工農業發展、土地利用、水利工程建設和科技進步等之間關系，突出地質環境和生態環境對地下水位變化的響應過程與規律（關系）研究。
4.構建區域性評價指標體系（圖5-1）
這里的「區域」是指西北地區、華北平原或東北地區。如果每一個工作區都各自建立自身功能需要的地下水功能評價指標體系，則不同工作區之間將無法進行對比或成果耦合集成。例如在華北平原，如果北京、天津、山東、河北和河南各省市分別採用它們自己的指標體系進行地下水功能評價，就無法集成華北平原地下水功能評價成果，而且各省市地下水功能評價成果也無法進行比對。盡管它們屬於同一地下水系統，評價結果可能統屬「可持續一般」或「資源功能較強」類，但是由於不是採用統一評價指標體系，所以內涵是不同的。如果地下水功能評價成果僅限各省市范圍內使用，僅作為省市一級有關規劃或研究使用，則沒有較大技術問題。
構建指標體系的主要步驟如下：①按項目任務書的要求，並考慮工作區的實際情況和數據獲取難易程度，確定要素指標的數量和具體指標，在歸類基礎上組成要素指標（D）層。②根據地下水功能評價有關規則和技術要求，梳理規則與指標群之間的層次關系和群組關系，然後分別組合成屬性指標（C）層和功能准則（B）層。③在一、二步的基礎上，形成體系。要求：在同一地區，盡可能建立歸一、規范和實用的評價指標體系；由粗至細，逐步完善工作區地下水功能評價指標體系；由上至下構建評價體系的層次結構模型，分為四層結構：即由系統目標層（A）、功能准則層（B）、屬性指標層（C）和要素指標層（D）組成。
5.收集相關基礎數據，進行數據歸類、預處理與分析，建立相關專屬資料庫
這是地下水功能評價最為煩瑣、工作量最大的一個環節，又是評價成果質量的關鍵基礎。其中涉及類似地下水位動態的連續系列點源數據資料、類似開采量的斑塊統計調查資料、生態遙感或地面沉降面狀階段資料、地下水補給資源或儲存資源等條帶區劃資料等。處理上述這些不同類型的資料，採用的方法各不相同，詳見以下有關章節。
6.評價分區及單元
利用MapGIS空間分析技術在數字地理底圖實現評價所需的分區和單元剖分。剖分單元是地下水功能評價的最基本區，單元的大小反映評價成果的解析度。地下水功能評價過程中的分區、分帶和剖分單元，其目的是減少資料分析和評價指數計算過程的盲目性、不必要重復工作和提高針對性，它主要是服務於建立判斷矩陣，與D層資料選取和數據處理以及與單元數據獲取都沒有直接關系。
為了合理控制實物工作量，同時又能夠較客觀地表徵流域尺度地下水功能評價系統的空間分布規律，需要在單元剖分之前進行評價分區或分帶劃分。分區、分帶的范圍都不宜過大，或過小，應以能夠較客觀地表徵流域尺度地下水功能評價系統的空間分布規律為准則。
（1）分區基本原則與編號規則
分區基本原則：①在區域地下水資源評價的基礎上，進行地下水功能評價的分區。②一般按地下水資源評價的分區要求，確定評價范圍，不宜割裂地下水循環系統的完整性和相對獨立性。③主要依據是自然地理、地貌、地下水埋藏狀況及其補給-徑流-排泄等條件，包括地下水資源和水文地球化學分布規律。分區的要求是確保地下水循環系統的完整性、相對獨立性和分帶性。在分區基礎上，進行單元剖分。④可將完整的流域尺度地下水循環系統劃分至第4級區，其中上、中、下游段作為第一級分區；在各一級分區內，根據水文地質條件，劃分第二級分區；然後根據各二級分區的補給、徑流和排泄以及地下水埋藏狀況，劃分入滲補給帶、徑流儲存帶、滯留儲存帶等，作為第三級分區；在第三級分區內，根據項目對成果精度的要求，網格剖分大小適宜的單元，作為評價中數據處理的基本區。⑤對於難以劃分上、中、下游段的地下水循環系統，可直接劃分區帶，然後剖分基本單元。
分區編號規則：①分區編號，必須按自上而下、由左至右的順序進行，否則計算程序難以識別和信息反饋。②分區編號的數值，必須按1，2，3……的整數序列連續進行，否則計算程序無法辨認。
（2）單元剖分原則與編號規則
單元剖分原則：①單元是基礎數據代表的最小面積區，它反映成果的評價精度，所以單元剖分是地下水功能評價所必須完成的基礎工作。②一般可採用正方形網格剖分，單元間距可根據項目的精度要求、評價區域的大小、數據資料豐富程度和研究區水文地質條件的復雜程度確定。③在條件復雜、資料較齊全的地區，剖分間隔盡可能地小，滿足項目對精度的要求。④剖分網格間距可以是等間距，也可以根據實際情況，在條件復雜地段加密網格。一般在水平方向地層相變復雜或分區邊界地帶，或地下水位降落漏斗區迫降較大地帶，應加密網格。
單元編號規則：①單元編號順序，按劃分的最小等級區域，即第4級分區進行；按分區的順序進行編號，以便在計算時程序可以根據編號區分不同的區域。②剖分單元編號，由小至大，連續編碼；同一分區的單元編號必須連續。③相鄰分區的末、首兩個單元的編碼，必須連續。④剖分單元編號不能重復，需為整數，如圖5-4所示。
圖5-4 評價區剖分及單元編號示意圖
7.單元數據獲取及數據管理
（1）單元數據獲取
在地下水功能評價中，單元數據獲取的主要來源有：紙質圖件、電子圖件和原始數值數據三類，這些數據又分「連續漸變型數字數據」（即規律性數據，記作CR類數據）、非規律性數字數據（記作NR類數據）和非數字性的定性數據（記作NF類數據）三類。
關於上述數據的前期處理見本章的第三節和第五章，由此可知資料來源的不同，數據獲取的方法也不同。各種數據提取的過程，都是較繁瑣的。為了減少數據獲取的工作量，要求盡可能地在MapGIS環境下進行單元數據的提取，具體提取過程和方法如第五章所述。
（2）基礎數據管理及資料庫建立
將每個單元的所有數據，以單元編號為索引，分別建立單元數據表（表5-12），然後將每個單元中所有數據集合成第i單元資料庫。在單元資料庫基礎上，組建工作區地下水功能評價的資料庫。
建立資料庫的要求：①以MapGIS系統為工作平台；②根據項目的要求和有關技術規范，選擇適宜精度的數字地理底圖；③在數字地理地圖上，圈定評價范圍，確定邊界及其坐標參數；④根據地理、地質和水文地質條件，圈定地下水功能評價中建立判斷矩陣所需要的分區、分帶；⑤按預定網格的剖分方案，進行單元剖分；⑥將剖分的單元轉化成面元，並將單元編號作為各面元的「ID」屬性賦值；⑦將單元的各種指標值分別賦予各單元的屬性值賦予單元，建立單元屬性庫。
表5-12 地下水功能評價的基礎數據歸類表（示例）
（3）單元數據預處理
地下水功能評價所用數據的類型和量綱各不相同，這給統一體系下進行相同分析和對比帶來許多困難，所以單元數據的前期預處理是地下水功能評價的一個重要環節。就是為了在統一評價體系內對不同數據進行比較和運算，在評價之前對數據進行標准化（規格化）處理，將數據轉化為［0，1］之間的無量綱數值。
數據標准化的處理方法，視數據類型的不同而不同。
A.直接賦值法
對於非數字型的數據，一般可根據劃分等級直接賦予一個［0，1］之間的數值。
以地下水質量等級為例，按照國家有關標准，地下水質量劃分為Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ，Ⅳ，Ⅴ級5個等級，分別與地下水功能評價的屬性層5個分級（好、較好、一般、較差、差）相對應（表5-13），則可以將屬性指數的中間值賦予相應的地下水質量等級。
表5-13 數據等級賦值表
B.歸一化處理
對於數字型數據必須進行歸一化處理，其方法較多，有統計標准化、極值標准化、定基轉化、環基轉化和修正極值標准化等方法。在眾多的歸一化方法中，通過對比研究（詳見第二章第三節）表明，修正極值標准化方法適宜地下水功能評價中各種數據的歸一，它可較好地保留地下水系統變化規律特徵，所以建議採用該方法。
修正極值標准化法是找出所有單元同一指標數據的最大值和最小值，然後按下式計算各單元該指標的歸一化值：
區域地下水功能可持續性評價理論與方法研究
式中：x′i為第i單元歸一化後的值；xi為第i單元實際值；xmin為所有單元某指標的最小值；xmax為所有單元某指標的最大值；a，b為修正系數。
應用「地下水功能計算系統」（GFS）進行計算，建立相應階段成果資料庫。有關GFS軟體組成、功能和使用方法，詳見第七章。
GFS系統運行結果，給出研究區所有剖分有效單元的，包括系統層、功能層和屬性層三個層次的所有評價指標的權重和綜合指數，以及它們相應判斷矩陣的一致性評估參數。即具體評價結果是有關A層、各B層和各C層的一系列R值。
分析計算各剖分單元的各屬性和各功能狀況和綜合可持續性評價指數，再應用MapGIS或其他軟體，繪制GFS計算結果的等值線分布圖或分區圖。最後，野外效驗後，通過地下水功能區劃，闡明各分區優勢功能和脆弱功能，確定各分區地下水主導功能，求算各分區生態、地質環境所需最低水量，提出地下水合理開發利用和生態與環境保護方案。
成果綜合分析，針對評價的優勢功能和脆弱功能分布特徵，以及區劃結果，研究對策和編制報告書。
3. 地下水資源評價及評價原則
地下水資源評價就是對地下水資源的數量、質量、時空分布特徵和開發利用條件作出科學的、全面的分析和評估。地下水資源評價包括水質評價和水量評價兩個方面，水質評價是水量評價的前提，水量評價是地下水資源評價的核心。通常所說的地下水資源評價是指對地下水資源的數量進行評價。
地下水資源評價，可分為兩種主要類型：①局部水源地地下水資源評價。即在局部地段（水源地）影響范圍內，為保證某具體部門的供水而評價地下水資源；②區域地下水資源評價。即大面積范圍內（如某一水文地質單元或某一行政區劃內），為規劃開發利用地下水或綜合利用自然資源而評價地下水資源。
地下水資源評價應遵循以下原則螞銀：
（1）可持續利用原則。地下水資源評價應以可持續利用為前提。地下水資源的可持續利用，就是在保證生態良性循環的前提下，地下水系統能永久持續提供一定水資源量，以滿足經濟增長、社會發展的需要。在區域地下水資源評價時，應在不發生不良生態和環境效應條件下，提供當今時代和未來時代均可以持續利用的水量。
（2）「三水」聯系，互相轉化，統一評價的原則。地下水、地表水、大氣降水都是水文循環中的一個重要環節，「三水」相互聯系，互相轉化。尤其是地下水與地表水聯系密切，在一定條件下常相互轉化。開采地下水時，使這種轉化更為明顯和加強。因此，在評價區域地下水資源時，特別是在總的水資源不夠豐富的地區，應注意評價在含水層開采條件下，地表徑流的變化值，最好是將該區地表水與地下水統一評價，統一規劃，合理開發利用。
（3）以豐補欠，合理調控的原則。含水層系統具有強大的調蓄能力，可視為地下水庫。合理調控地下水位既可減少甚至避免蒸發損失，又可增大地下水可采資源量。利用這一原則時，應注意區域水資源綜合平衡，合理截取雨洪水，以達到充分利用水資源的目的。實際工作中應注意做到旱年旱季最大水位降不要超過允許降深，且消耗的儲存量豐水年能完全補回。漏絕這一原則的實質是以多年平均補給量作為允許開采量。
（4）考慮人類活動增加或減少的補給量及排供結合的原則。評價地下水資源時，應考慮評價區內有無人工水利工程建設，例如修建水庫、開挖渠道及運河等。這類活動會引起地下水的補給量增加或減少，應考慮如何把這些水用於供水或灌溉的可能性，即考慮供、排結合的可能性。這不僅可以一舉兩得，節約資金，對於地下水資源短缺的地區，也是解決水源不足的一種理想途徑。
（5）安全開采，防止產生不良環境地質後果的原則。開采地下水使水位下降，可能引起一些不良的後果，如土壤乾旱、農作物受損、地面沉降、水質惡化等。因此，在評價地下水資源時，必須對環境地質等不良後果發生的可能性作出評價。對可能產生的不良後果，要作出預測和提出防治措施，悶搜宴以達到安全生產為原則。
（6）以地下水系統為單位的評價原則。為了較准確地計算地下水資源量，避免重復計算，一般來說，應以地下水系統或水文地質單元為單位評價地下水資源，如對淺層水含水系統和深層水含水系統應分開計算評價等。對局部水源地，還應考慮水文地質條件和地下水開采方案相結合，評價地下水資源。
（7）用補給量評價開采量。即用各種方法計算的地下水允許開采量（可開采量）是否有補給保證，還要用補給量進行論證和評價。
4. 水資源核算核算方法
水資源實物量核算方法，遵循區域劃分與水量平衡原則，結合供需用水要求進行。分析區域水資源供需情況，作為水利規劃工作的一部分，需與區域國民經濟和社會發展目標相協調。研究應包括現狀、近期、長期、遠景四個時間階段，提供不同保證率下的水資源賬戶。
水資源價值量核算基於地租理論，採用替代法與機會成本法估算水資源價值。計算分類包括：根據不同地區水資源量與供需平衡分析水資源短缺情況的價值量；根據不同用途，核算河道外用水效用與河道內用水效用的價值量，覆蓋多年平均值與不同來水保證率代表年；考慮水資源消耗性效用，包括地表水資源、地下水資源的潛在可供水量、可開采量，以及具有特殊功能的地熱水資源、礦泉水資源的價值量；以及地表水資源與地下水資源在不同水質情況下的價值量。
綜上所述，水資源實物量與價值量的核算方法，不僅關注水資源的量與質，還注重其在不同階段、用途、水質及保證率下的價值評估，為科學合理利用水資源提供了理論依據與實踐指導。