1. 地下水资源评价方法简述
在新建任何一个地下水开发利用工程之前，都必须知道研究区有多少地下水资源，预测工程实施之后地下水均衡状态的变化，判断相关的地质环境和生态环境是否会恶化。回答这些问题就是地下水资源评价的主要任务。地下水资源评价包括水量评价和水质评价两个部分，都要在专门的国家规范指导下进行。
水量评价的目标是确定地下水均衡要素的总量，预测不同开采规模对地下水均衡状态的影响，限定地下水的允许开采量。地下水资源的水量评价一般按以下的步骤来进行。
(1)圈定合理的评价区
根据地表水资源和地下水资源评价一致性的规定，地下水资源的评价也要按照不同级别的江河水系进行流域分区，而不能只限于某个水源工程建筑物的覆盖范围，也不能限于某个特定的含水层，以“影响半径”来圈定评价区往往也是不合理的。目前还存在用行政分区作为评价区的习惯，但这样做只是为某个行政区域的管理者提供参考，其资源数量必须在流域背景下进行合理的划分。
(2)资料收集、补充勘探
对评价区气象、地理、水文、含水层特点、水资源利用水平等现状条件进行调查，收集资料数据。如果现有的资料数据不足或由于年代太老不适应新情况，就需要开展补充勘探，选择适用的测绘遥感技术、地球物理探测技术、地下水钻探和试验技术、同位素示踪技术等。对全部资料进行系统的分析，按照重要程度排列出评价区所有的地下水补给要素和排泄要素，并确定各种要素对应的评价参数，如降水入渗系数及潜水蒸发极限埋深等。
(3)取多年平均数据或典型水文年数据进行现状水均衡分析
计算现状条件下地下水的总补给量和总排泄量，确定当前的水均衡状态。如果评价区地下水的现状是零均衡，那么总补给量或总排泄量都可以作为地下水的资源数量，其单位一般为108m3/a。对于已经存在地下水开采的地区，需要特别注意地下水是否处于负均衡状态。如果地下水向负均衡状态演变，应计算其储存量的年度递减值，即评价地下水存量资源的消耗速率。由于地下水均衡要素都存在一定程度的不确定性，现状水资源的计算也要对结果的精度进行评估，并给出不同保证率下的资源量。
(4)对地下水均衡状态的影响
采用合适的分析模型，按照不同的方案预测新增地下水开发利用工程对地下水均衡状态的影响。根据问题的复杂程度，可以选取经验公式、地下水动力学解析理论、数值模拟等手段进行地下水开采动态预测。随着计算工具的进步，数值模拟越来越成为地下水资源评价的重要方法。但是，使用数值模拟软件并不能代替对地下水分布和运动规律的认识，必须使模型的建立符合评价区含水层的特点和计算精度要求，充分考虑地下水与地表水的相互作用，考虑地下水均衡状态变化后可能导致的参数变化。模型预测的时间可以达到10年或20年，但并没有最长时间的限制，因为10km尺度以上的区域地下水响应时间可以非常长，甚至达到1000年。
(5)确定可开采量
以水资源保护和生态环境保护为约束条件，根据预测结果确定可开采量。地下水开发利用的约束条件在各个地区是不一样的，并且是随着时代的发展而变化的，有些地区要防止河流干涸、泉水断流、湿地退化，有些地区要防止地面沉降、土壤盐渍化、海水入侵，还有些地区要避免含水层被疏干等，应尽可能在分析中考虑周全。新建工程不损害现有地下水开发工程、不损害邻近地区的用水也是重要的约束条件。可开采量就是满足上述综合约束条件的地下水开采规模，其单位一般也是108m3/a。但是，实际可开采量与开采方式(布井位置、布井数量、抽水周期等)也有关系，应在水资源评价报告中加以讨论。
地下水的水质评价目标是确定地下水的化学成分作为饮用水源的适宜性，判断是否受到污染和可能遭受污染的风险。水质评价必须从有代表性的地下水监测孔中提取水样，进行常规水化学分析、污染物检测等调查。对于存在地表水渗漏或灌溉水回归补给的情况，地表水、土壤水的污染程度和地下水接受污染的途径也在调查之列。地面存在的各种点源和面源污染都应该在地下水污染的风险评价中加以考虑。
地下水的水量评价和水质评价应相互结合。如果评价区地下水的矿化度有差异，需要将其按照淡水区、微咸水区、咸水区分别评价水量资源。水量评价的预测模型不仅要计算地下水位的变化，在条件具备的情况下，还可以建立溶质运移模型以便计算地下水矿化度、特定化学组分浓度的变化。
2. 地下水功能评价一般流程
（一）前期准备工作
需要查明工作区下列情况：
1）流域尺度地下水系统的边界条件、性质、分层及分区带界线，以及地下水动态变化与气候、地表水及生态和地质环境之间关系。
2）人口、经济社会和农业、人工生态、自然生态分布状况，水资源与地下水开发利用状况及相关的生态与地质环境问题。
3）地下水调查、评价和研究程度，与地下水相关的规划情况。
4）地下水的资源数量和质量评价程度，包括地下水的开采资源、储存资源、补给量、均衡内水位变差、降水量、实际开采量等数字图系和相关数据库情况。
5）生态遥感调查、地质环境问题调查和地下水系统衰变状况调查，包括与地下水位密切相关的陆表植被、湖泊、湿地、土地荒漠化或盐渍化动态变化情况。
（二）地下水功能评价的主要工作流程（图5-3）
1.明确评价目的、要求和对象
首先，需要明确评价区域及其系统特征，为建立研究区地下水系统的层次结构模型和评价指标体系奠定基础。然后，明确评价目标，包括研究主体的系统结构与组成和评价对象。这里的研究主体是指具有完整水循环特征的地下水系统，要求具有整体统一性和层次结构之间关联性的具体描述。评价对象是指具体评价项目，例如主导功能评价或是目标功能评价。不同类型的评价，其过程有所不同。
具体工作包括：
1）确定研究范围：研究范围是指评价工作区的范围，具体表征为地下水功能评价的系统层所涉及的空间范围。要求按流域尺度水循环系统确定评价范围（系统层），应使评价区的地下水系统具有完整性和系统内的层次性，包括分区、分带性。在此基础上，建立地下水系统空间结构，并进行层次与特征分析。
2）为了合理确定研究范围，需要开展下列基础工作：①掌握研究区地下水循环的时空演化规律和流域尺度地下水系统空间结构状况，建立流域尺度地下水系统概念模型，明确系统界面间属性。②查明水文地质基本条件和地下水流运动过程，包括补给条件、埋藏条件和构造控水状况，以及地下水系统与地质环境和生态环境之间互动关系状况，重点查清它们的空间分区和分带特征，重视水文地质单元的区位特征描述。③需要收集研究区的下列资料，包括：区域构造分布图、水文地质图、地下水水位及埋深等值线图、地下水资源及模数分布图、地下水可利用资源分布图、地下水资源开采程度与模数分布图、地面沉降等环境地质问题分布图、地表水文-生态状况有关图件、地表植被状况分布图和土地质量及利用状况分布图等。
3）明确评价模式是目标功能评价或是主导功能评价，还是二者同时评价。
图5-3 地下水功能评价主要流程
2.建立统一的评价尺度、标准和体系
不同的评价尺度，对基础数据的精度和控制点数量要求不同，进行基础数据处理的要求也不同。一般适宜采用1：25万～1：5万比例，开展地下水功能评价。如果比例尺过小，例如1：100万或1：50万，则难以比较具体地阐明实际问题；如果比例尺过大，例如1：2万或1：5000，则数据处理工作量太大。
3.梳理和确定主要影响因素
影响地下水功能状况因素涉及驱动因子类、状态因子类和响应因子类，它们的交互、耦合或叠加影响地下水功能状况。在三种类型影响因子中，可能包含着几十个，甚至数百个具体的影响因子，但是起着主导作用或发挥重要作用的影响因子是有限的。因此，该项工作需要按项目的目标和任务的具体要求对影响因子进行调查、资料收集、各种因素对比与分析、甄别，将有限的主要影响因子调查和遴选出来，为建立地下水功能评价指标体系奠定基础。
要求：①尽可能利用已有数据和资料，适度开展补充性调查。②将所有影响因子归纳为驱动因子、状态因子和响应因子三种类型，分别建立调查表格和确定具体要求。③按评价需求调查、收集、识别和整理基础资料。④在上述工作基础上，按资源功能、生态功能和地质环境功能不同类型，分别进行数据、资料归类和建档。⑤根据指标层的要求，分析和遴选，确定主要影响因子，归纳构建D层指标体系的基础数据。⑥调查工作，还包括查明地下水补给、径流和排泄条件变化状况，地下水位变化与开采量之间关系；查明地下水补给条件变化和地下水位动态变化的驱动因素及其互动变化规律，包括地下水位变化与气候、人口、城镇发展、工农业发展、土地利用、水利工程建设和科技进步等之间关系，突出地质环境和生态环境对地下水位变化的响应过程与规律（关系）研究。
4.构建区域性评价指标体系（图5-1）
这里的“区域”是指西北地区、华北平原或东北地区。如果每一个工作区都各自建立自身功能需要的地下水功能评价指标体系，则不同工作区之间将无法进行对比或成果耦合集成。例如在华北平原，如果北京、天津、山东、河北和河南各省市分别采用它们自己的指标体系进行地下水功能评价，就无法集成华北平原地下水功能评价成果，而且各省市地下水功能评价成果也无法进行比对。尽管它们属于同一地下水系统，评价结果可能统属“可持续一般”或“资源功能较强”类，但是由于不是采用统一评价指标体系，所以内涵是不同的。如果地下水功能评价成果仅限各省市范围内使用，仅作为省市一级有关规划或研究使用，则没有较大技术问题。
构建指标体系的主要步骤如下：①按项目任务书的要求，并考虑工作区的实际情况和数据获取难易程度，确定要素指标的数量和具体指标，在归类基础上组成要素指标（D）层。②根据地下水功能评价有关规则和技术要求，梳理规则与指标群之间的层次关系和群组关系，然后分别组合成属性指标（C）层和功能准则（B）层。③在一、二步的基础上，形成体系。要求：在同一地区，尽可能建立归一、规范和实用的评价指标体系；由粗至细，逐步完善工作区地下水功能评价指标体系；由上至下构建评价体系的层次结构模型，分为四层结构：即由系统目标层（A）、功能准则层（B）、属性指标层（C）和要素指标层（D）组成。
5.收集相关基础数据，进行数据归类、预处理与分析，建立相关专属数据库
这是地下水功能评价最为烦琐、工作量最大的一个环节，又是评价成果质量的关键基础。其中涉及类似地下水位动态的连续系列点源数据资料、类似开采量的斑块统计调查资料、生态遥感或地面沉降面状阶段资料、地下水补给资源或储存资源等条带区划资料等。处理上述这些不同类型的资料，采用的方法各不相同，详见以下有关章节。
6.评价分区及单元
利用MapGIS空间分析技术在数字地理底图实现评价所需的分区和单元剖分。剖分单元是地下水功能评价的最基本区，单元的大小反映评价成果的分辨率。地下水功能评价过程中的分区、分带和剖分单元，其目的是减少资料分析和评价指数计算过程的盲目性、不必要重复工作和提高针对性，它主要是服务于建立判断矩阵，与D层资料选取和数据处理以及与单元数据获取都没有直接关系。
为了合理控制实物工作量，同时又能够较客观地表征流域尺度地下水功能评价系统的空间分布规律，需要在单元剖分之前进行评价分区或分带划分。分区、分带的范围都不宜过大，或过小，应以能够较客观地表征流域尺度地下水功能评价系统的空间分布规律为准则。
（1）分区基本原则与编号规则
分区基本原则：①在区域地下水资源评价的基础上，进行地下水功能评价的分区。②一般按地下水资源评价的分区要求，确定评价范围，不宜割裂地下水循环系统的完整性和相对独立性。③主要依据是自然地理、地貌、地下水埋藏状况及其补给-径流-排泄等条件，包括地下水资源和水文地球化学分布规律。分区的要求是确保地下水循环系统的完整性、相对独立性和分带性。在分区基础上，进行单元剖分。④可将完整的流域尺度地下水循环系统划分至第4级区，其中上、中、下游段作为第一级分区；在各一级分区内，根据水文地质条件，划分第二级分区；然后根据各二级分区的补给、径流和排泄以及地下水埋藏状况，划分入渗补给带、径流储存带、滞留储存带等，作为第三级分区；在第三级分区内，根据项目对成果精度的要求，网格剖分大小适宜的单元，作为评价中数据处理的基本区。⑤对于难以划分上、中、下游段的地下水循环系统，可直接划分区带，然后剖分基本单元。
分区编号规则：①分区编号，必须按自上而下、由左至右的顺序进行，否则计算程序难以识别和信息反馈。②分区编号的数值，必须按1，2，3……的整数序列连续进行，否则计算程序无法辨认。
（2）单元剖分原则与编号规则
单元剖分原则：①单元是基础数据代表的最小面积区，它反映成果的评价精度，所以单元剖分是地下水功能评价所必须完成的基础工作。②一般可采用正方形网格剖分，单元间距可根据项目的精度要求、评价区域的大小、数据资料丰富程度和研究区水文地质条件的复杂程度确定。③在条件复杂、资料较齐全的地区，剖分间隔尽可能地小，满足项目对精度的要求。④剖分网格间距可以是等间距，也可以根据实际情况，在条件复杂地段加密网格。一般在水平方向地层相变复杂或分区边界地带，或地下水位降落漏斗区迫降较大地带，应加密网格。
单元编号规则：①单元编号顺序，按划分的最小等级区域，即第4级分区进行；按分区的顺序进行编号，以便在计算时程序可以根据编号区分不同的区域。②剖分单元编号，由小至大，连续编码；同一分区的单元编号必须连续。③相邻分区的末、首两个单元的编码，必须连续。④剖分单元编号不能重复，需为整数，如图5-4所示。
图5-4 评价区剖分及单元编号示意图
7.单元数据获取及数据管理
（1）单元数据获取
在地下水功能评价中，单元数据获取的主要来源有：纸质图件、电子图件和原始数值数据三类，这些数据又分“连续渐变型数字数据”（即规律性数据，记作CR类数据）、非规律性数字数据（记作NR类数据）和非数字性的定性数据（记作NF类数据）三类。
关于上述数据的前期处理见本章的第三节和第五章，由此可知资料来源的不同，数据获取的方法也不同。各种数据提取的过程，都是较繁琐的。为了减少数据获取的工作量，要求尽可能地在MapGIS环境下进行单元数据的提取，具体提取过程和方法如第五章所述。
（2）基础数据管理及数据库建立
将每个单元的所有数据，以单元编号为索引，分别建立单元数据表（表5-12），然后将每个单元中所有数据集合成第i单元数据库。在单元数据库基础上，组建工作区地下水功能评价的数据库。
建立数据库的要求：①以MapGIS系统为工作平台；②根据项目的要求和有关技术规范，选择适宜精度的数字地理底图；③在数字地理地图上，圈定评价范围，确定边界及其坐标参数；④根据地理、地质和水文地质条件，圈定地下水功能评价中建立判断矩阵所需要的分区、分带；⑤按预定网格的剖分方案，进行单元剖分；⑥将剖分的单元转化成面元，并将单元编号作为各面元的“ID”属性赋值；⑦将单元的各种指标值分别赋予各单元的属性值赋予单元，建立单元属性库。
表5-12 地下水功能评价的基础数据归类表（示例）
（3）单元数据预处理
地下水功能评价所用数据的类型和量纲各不相同，这给统一体系下进行相同分析和对比带来许多困难，所以单元数据的前期预处理是地下水功能评价的一个重要环节。就是为了在统一评价体系内对不同数据进行比较和运算，在评价之前对数据进行标准化（规格化）处理，将数据转化为［0，1］之间的无量纲数值。
数据标准化的处理方法，视数据类型的不同而不同。
A.直接赋值法
对于非数字型的数据，一般可根据划分等级直接赋予一个［0，1］之间的数值。
以地下水质量等级为例，按照国家有关标准，地下水质量划分为Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ，Ⅳ，Ⅴ级5个等级，分别与地下水功能评价的属性层5个分级（好、较好、一般、较差、差）相对应（表5-13），则可以将属性指数的中间值赋予相应的地下水质量等级。
表5-13 数据等级赋值表
B.归一化处理
对于数字型数据必须进行归一化处理，其方法较多，有统计标准化、极值标准化、定基转化、环基转化和修正极值标准化等方法。在众多的归一化方法中，通过对比研究（详见第二章第三节）表明，修正极值标准化方法适宜地下水功能评价中各种数据的归一，它可较好地保留地下水系统变化规律特征，所以建议采用该方法。
修正极值标准化法是找出所有单元同一指标数据的最大值和最小值，然后按下式计算各单元该指标的归一化值：
区域地下水功能可持续性评价理论与方法研究
式中：x′i为第i单元归一化后的值；xi为第i单元实际值；xmin为所有单元某指标的最小值；xmax为所有单元某指标的最大值；a，b为修正系数。
应用“地下水功能计算系统”（GFS）进行计算，建立相应阶段成果数据库。有关GFS软件组成、功能和使用方法，详见第七章。
GFS系统运行结果，给出研究区所有剖分有效单元的，包括系统层、功能层和属性层三个层次的所有评价指标的权重和综合指数，以及它们相应判断矩阵的一致性评估参数。即具体评价结果是有关A层、各B层和各C层的一系列R值。
分析计算各剖分单元的各属性和各功能状况和综合可持续性评价指数，再应用MapGIS或其他软件，绘制GFS计算结果的等值线分布图或分区图。最后，野外效验后，通过地下水功能区划，阐明各分区优势功能和脆弱功能，确定各分区地下水主导功能，求算各分区生态、地质环境所需最低水量，提出地下水合理开发利用和生态与环境保护方案。
成果综合分析，针对评价的优势功能和脆弱功能分布特征，以及区划结果，研究对策和编制报告书。
3. 地下水资源评价及评价原则
地下水资源评价就是对地下水资源的数量、质量、时空分布特征和开发利用条件作出科学的、全面的分析和评估。地下水资源评价包括水质评价和水量评价两个方面，水质评价是水量评价的前提，水量评价是地下水资源评价的核心。通常所说的地下水资源评价是指对地下水资源的数量进行评价。
地下水资源评价，可分为两种主要类型：①局部水源地地下水资源评价。即在局部地段（水源地）影响范围内，为保证某具体部门的供水而评价地下水资源；②区域地下水资源评价。即大面积范围内（如某一水文地质单元或某一行政区划内），为规划开发利用地下水或综合利用自然资源而评价地下水资源。
地下水资源评价应遵循以下原则蚂银：
（1）可持续利用原则。地下水资源评价应以可持续利用为前提。地下水资源的可持续利用，就是在保证生态良性循环的前提下，地下水系统能永久持续提供一定水资源量，以满足经济增长、社会发展的需要。在区域地下水资源评价时，应在不发生不良生态和环境效应条件下，提供当今时代和未来时代均可以持续利用的水量。
（2）“三水”联系，互相转化，统一评价的原则。地下水、地表水、大气降水都是水文循环中的一个重要环节，“三水”相互联系，互相转化。尤其是地下水与地表水联系密切，在一定条件下常相互转化。开采地下水时，使这种转化更为明显和加强。因此，在评价区域地下水资源时，特别是在总的水资源不够丰富的地区，应注意评价在含水层开采条件下，地表径流的变化值，最好是将该区地表水与地下水统一评价，统一规划，合理开发利用。
（3）以丰补欠，合理调控的原则。含水层系统具有强大的调蓄能力，可视为地下水库。合理调控地下水位既可减少甚至避免蒸发损失，又可增大地下水可采资源量。利用这一原则时，应注意区域水资源综合平衡，合理截取雨洪水，以达到充分利用水资源的目的。实际工作中应注意做到旱年旱季最大水位降不要超过允许降深，且消耗的储存量丰水年能完全补回。漏绝这一原则的实质是以多年平均补给量作为允许开采量。
（4）考虑人类活动增加或减少的补给量及排供结合的原则。评价地下水资源时，应考虑评价区内有无人工水利工程建设，例如修建水库、开挖渠道及运河等。这类活动会引起地下水的补给量增加或减少，应考虑如何把这些水用于供水或灌溉的可能性，即考虑供、排结合的可能性。这不仅可以一举两得，节约资金，对于地下水资源短缺的地区，也是解决水源不足的一种理想途径。
（5）安全开采，防止产生不良环境地质后果的原则。开采地下水使水位下降，可能引起一些不良的后果，如土壤干旱、农作物受损、地面沉降、水质恶化等。因此，在评价地下水资源时，必须对环境地质等不良后果发生的可能性作出评价。对可能产生的不良后果，要作出预测和提出防治措施，闷搜宴以达到安全生产为原则。
（6）以地下水系统为单位的评价原则。为了较准确地计算地下水资源量，避免重复计算，一般来说，应以地下水系统或水文地质单元为单位评价地下水资源，如对浅层水含水系统和深层水含水系统应分开计算评价等。对局部水源地，还应考虑水文地质条件和地下水开采方案相结合，评价地下水资源。
（7）用补给量评价开采量。即用各种方法计算的地下水允许开采量（可开采量）是否有补给保证，还要用补给量进行论证和评价。
4. 水资源核算核算方法
水资源实物量核算方法，遵循区域划分与水量平衡原则，结合供需用水要求进行。分析区域水资源供需情况，作为水利规划工作的一部分，需与区域国民经济和社会发展目标相协调。研究应包括现状、近期、长期、远景四个时间阶段，提供不同保证率下的水资源账户。
水资源价值量核算基于地租理论，采用替代法与机会成本法估算水资源价值。计算分类包括：根据不同地区水资源量与供需平衡分析水资源短缺情况的价值量；根据不同用途，核算河道外用水效用与河道内用水效用的价值量，覆盖多年平均值与不同来水保证率代表年；考虑水资源消耗性效用，包括地表水资源、地下水资源的潜在可供水量、可开采量，以及具有特殊功能的地热水资源、矿泉水资源的价值量；以及地表水资源与地下水资源在不同水质情况下的价值量。
综上所述，水资源实物量与价值量的核算方法，不仅关注水资源的量与质，还注重其在不同阶段、用途、水质及保证率下的价值评估，为科学合理利用水资源提供了理论依据与实践指导。