水资源系统分析方法

‘壹’ 水资源系统分析课程在哪可以看

如果了解简单内容，可以看看初中高中的地理教材，如果要详细了解，就得看一些水资源的专门资料，古一点的如郦道元写的水经注，天工开物等一些农业方面的着作，近一点的可以看一些地方志的资料，里边也有当地水资源的内容

‘贰’ 水资源系统分析的介绍

水资源系统分析用系统分析的方法研究解决水资源的规划、设计、运用和管理等问题，并提出合理的有效方案，水资源系统是指定区域内在水文、水力和水利上互有联系的各种水体和有关水利工程所构成的综合体，它具有紧密的整体关系和地区特色，水资源开发、规划的综目的是促进国民经济发展，改善环境质量。

‘叁’ 水资源开发利用应如何分析

第3章 地下水系统分析 45
3.1 地下水系统概述 45
3.2 含水层系统分析 46
3.3 区域地下水流动系统分析 53
3.4 地下水系统特征与功能 57
3.5 区域地下水系统划分 64
3.6 系统地下水位动态类型及特征 67
第4章 地下水资源潜力评价 71
4.1 评价原则及依据 71
4.2 水文地质模型概化及其数值模拟模型 72
4.3 源汇项数据整理 79
4.4 模型识别 103
4.5 地下水资源计算 113
4.6 地下水资源潜力评价 134
第5章 地下水化学系统分析与水质评价 137
5.1 水文地球化学环境特征 137
5.2 地下水水化学系统分析 142
5.3 地下水化学系统水化学特征 145
5.4 铁锰和主要人为污染组分的分布特征 146
5.5 地下水质量综合评价 147
5.6 地下水水质变化趋势 155

‘肆’ 区域水资源优化配置方法

当今全球性水资源短缺危机严重威胁人类的生存安全，特别是区域性的水资源紧张越来越严重地制约着社会的进步、经济发展和人们生存环境的改善。对于缺水区域而言，水资源是有限的，具有稀缺性，其中部分地区的水资源开发具有竞争性。由此决定了区域水资源必须优化配置，以使其发挥最大的经济、社会、环境效益，保证区域经济社会的可持续发展。徐振辞对区域水资源优化配置方法进行了如下阐述^[5]：

第一，确定优化目标、可行决策方案和约束条件。有时，优化目标只有一个，如可确定水的经济效益最大或供水量最大，也可确定几个目标值，如分别选经济、环境、社会等方面的代表性目标。确定可行决策方案是指水资源系统中所有的可行决策方案，如供用水工程的确定或调配计划可行性等。在分析系统的优化时，也应将所有的约束条件确定，如果约束条件遗漏或设计不正确，优化方案可能是不正确的或不是最优的。

第二，建立数学模型，即用数学模型来模拟描述系统内各影响因素的特征以及相互影响关系和影响力度。在实际规划中，有些决策变量难以用数字表达，应采用特定的技术解决非结构化问题。

第三，数学模型求解，按照选择的数学模型确定模型的计算参数，选择适当的分析计算方法，得出优化解。最后还要进行灵敏度分析，分析模型中所含参数变化范围及其对最优解的影响作用。

第四，计算结果的验证，最好的率定方法是，选取可靠的实际系统记录与模型性能及输出结果进行比较，然后通过调整率定参数，保证模型输出结果准确可靠。

此外，丘林等结合实例，提出了区域水资源优化配置大系统分解协调模型、作物非充分灌溉制度的多目标优化模型和作物间水量优化分配及作物种植结构模型，并进行了区域间水量的优化配置研究^[6]。

参考文献

[1]水利部.我国水资源合理配置任务[J].中国人口.资源与环境，2003,（2）:124

[2]甘泓，李令跃，尹明万.水资源合理配置浅析[J].中国水利，2000,（4）:20～23

[3]李晓明.浅析水资源优化配置[J].水利发展研究，2003,（12）:25～27

[4]王浩，王建华，秦在庸.流域水资源合理配置的研究进展与发展方向[J].水科学进展，2004,（1）:123～128

[5]徐振辞.区域水资源优化配置理论与方法[J].河北水利，2003,（6）:22～26

[6]丘林，徐建新，陈南祥等.区域水资源可持续利用管理理论与应用[M].河南：黄河水利出版社，2003,79～98

[7]左其亭，陈曦.面向可持续发展的水资源规划与管理[M].北京：中国水利水电出版社，2003,142～143

[8]林洪孝主编.水资源管理理论与实践[M].北京：中国水利水电出版社，2003,288～291

‘伍’ 水资源系统分析的水资源系统

是流域或地区范围内在水文、水力和水利上互有联系的各水体（如河流、湖泊、水库、地下水等）和有关工程建筑所构成的综合体。一个复杂的水资源系统往往是一个包含有多个水体和工程单元（如电站、闸坝等）、多种开发目标 (如防洪、发电、灌溉和航运等)、多种约束(如地质地形条件、河道安全泄量和水质要求等)和多种影响 (政治、经济、社会和生态等)的流域系统。水资源系统一般特性有：①社会政治属性。水是人民生活和社会生产不可缺少的自然资源。随着社会经济的发展对水的需求不断增长，有限的水资源的开发管理涉及国民经济很多部门的利益和发展要求，影响社会环境甚至生态平衡；它关系到国计民生，历来都被认为是全社会的共同责任。水资源分布的地域范围有时与行政区划界线不一致，往往跨区、跨省甚至跨国，存在管理权限、效益得失等矛盾，也必须从政治、政策上加以协调。②经济属性。水资源开发利用和治理目标有防洪、灌溉、水力发电和航运等多目标和综合开发的目的，其中取得最大经济效益常是它的最终目标。③水文特性。主要指水资源系统中水文现象的循环特性、随机特性和异常情况下的跃变特性等。水文现象有规律的变化，决定了水资源管理运行中各种周期（多年、年、季或日）的径流调节；水文现象的随机变化，可使水资源系统的规划和运行带有一定的不确定性和风险；而水文异常现象的出现（如特旱、特涝）又使系统的管理需要考虑非常情况下的应变措施。

‘陆’ 水资源系统分析的简介

水资源系统分析是采用最优化、模拟等手段，使系统状态最优（综合经济效益最大），不利影响如洪涝灾害损失、环境污染最小。水资源系统分析针对概化的水资源系统，在确定的目标函数和一系列约束条件下，选择不同的方法求得最优解。常用的方法有：静态规划或动态规划；线性规划或非线性规划；确定性或随机性模型。根据不同的需要有：单目标规划或多目标规划，此外还有不同类型的谱系化模型等。
在水资源规划或水资源管理中，研究一个流域或地区内各种水源与水利水电工程措施间的相互关系，以取得最大综合经济效益的途径。是水资源开发利用的近代研究手段之一。

‘柒’ 水资源数值模型校验及现状地下水均衡分析

8. 2. 1 模型的校验与识别

利用 1990～2000 年期间的水资源的实际利用量、河流水文、地下水位动态、气象等数据，对中游水资源数值模型进行校验与识别。

该期间实际水资源数据带入模型，模拟出地下水位动态过程、泉水流量过程、正义峡流量过程等模拟数据，将模拟数据与实际数据进行拟合对比，调整模型结构与模型参数，直至达到较好的拟合，即实现了对中游水资源系统的宏观模拟。

地下水位动态数据受地表水文随机因素、开采与灌溉随机性因素的影响，带有一定的随机性成分，某月的地下水位升降，或某季度甚至某年的水位变化趋势，并不一定能够代表区域地下水位的总趋势。因此某季度或某年的地下水下降值一般不能作为模型的校验依据。加之在数据处理中对实际水资源数据进行了一定的简化，简化归纳后的数据也带有微小的随机波动因素。

较理想的用于判断校对模型的数据，最好具有长时间系列、大变幅的特征，若变化幅度远超过随机波动干扰，其实质是将随机干扰 “过滤”掉了，提高模拟识别的可靠性。

中游干流平原区地下水研究程度较高，积累了大量的水利数据，选用 20 世纪 90 年代 10 年的地下水位累积变幅值与正义峡水文站历年 12 月至 2 月径流量数据作为模型校验识别依据 ( 12 月至2 月期间，由于黑河沿程不引水，此期间正义峡径流量基本上是泉水溢出量) ，尽管某年的地下水位动态具有一定的随机性，但累积 10 年的动态数据是非常可靠的。

经过调整模型结构参数与地层参数，使模拟水位与实际水位降深达到了较好的区域拟合，尤其是 10 年的累积水位变化量，相对拟合精度接近 90%。由此可以说明两方面的问题: 一是水资源数值模型的概化比较合理，二是该模型可较好地模拟水资源各要素之间的相互影响。经识别后的数值模型，可用于水资源调控预测及模拟分析，以科学合理配置中游地区的水资源。

8. 2. 2 地下水均衡分析

通过数值模拟，得到黑河干流中游平原区不同时期的地下水资源均衡结果 ( 表 8. 1) ，以及累计 10 年 ( 1990～1999 年) 地下水位降深模拟图 ( 图 8. 3) 。

图 8. 3 黑河干流中游平原区累计 10 年 ( 1990～1999 年) 地下水位降深模拟图

表 8. 1 中游平原地区地下水模拟均衡分析表 单位: 108m3/ a

由表 8. 1 分析可知，20 世纪 90 年代初、2000 年 ( 现状年) 两个典型时期的地下水总补给资源量分别为16. 627×10⁸m³/ a 和 14. 632×10⁸m³/ a，10 年间减少近 2×10⁸m³/ a，其中渠系渗漏与田间灌溉渗漏减少 2. 125×10⁸m³/ a。按整个中游平原计算区进行粗略统计，20 世纪 90 年代初干、支、斗渠的渠系利用系数约为 60%，田间灌溉入渗系数约为 15%～20%，到 2000 年，由于加强渠道防渗，干、支、斗三级渠系利用系数平均提高到 80%左右，地下水补给量大幅度减少，从而使地下水总补给量明显减少。

90 年代初至 2000 年这 10 余年间，为解决春旱问题，对地下水开采量有较大幅度提高，由0. 65×10⁸m³/ a 逐步提高到 2. 476×10⁸m³/ a，从而引起各地下水排泄要素重新调整，河水与泉水的溢出量及地下水蒸发量相应变小，河泉水溢出量由 90 年代初的 12. 131×10⁸m³/ a 逐渐 减少 到11. 537×10⁸m³/ a，减少了 0. 594×10⁸m³/ a; 地下水蒸发量由 90 年代初的 4. 417×10⁸m³/ a 逐渐减少到 2. 849×10⁸m³/ a，减少了 1. 568×10⁸m³/ a。

由图 8. 3 累计 10 年降深分布表明，地下水位降深大的位置，并没有大强度的地下水开采，显然不是开采地下水引起的。降深大的区域可超过 4m，最大值发生在民乐县洪水河与童子坝河山前的洪积扇上部，降深值超过十余米，其他降深大的位置，均沿南部山前埋深大且没有地下水开采的部位分布 ( 骆驼城地下水开采灌区除外) 。

在模型校正过程中，为寻求区域地下水降深的影响机制，对多种可能机制进行了大量组合模拟分析，经综合分析后得出结论: 产生如此形状降深场有两个主要的原因，其中最主要的原因是各灌区 “面状分布”渗漏量或灌溉回归补给量减少，即近十年来加强渠道衬砌防渗及逐步推广较省水灌溉方式形成的; 另一主要原因是山区拦蓄洪水使地下水山前补给量不断减少。

模拟结果同时表明，山前拦蓄洪水对地下水产生的后续影响将持续数十年甚至上百年才能达到新的平衡。

黑河是中游平原区最低的排泄基准面，在该种特定条件下，相对于泉水和蒸发排泄来说，河流溢出排泄量是相对稳定的，即增加地下水开采量，或者由于水利工程措施使地下水补给量减少，最先受到影响的应该是泉水上游的源头区溢出量与浅埋带地下水的蒸发量。由此，河流溢出量的衰减具有明显的滞后性，响应滞后周期长，而位于相对上游的泉水及浅埋带地下水蒸发，响应滞后周期较短，即泉水流量衰减相对较快。多年来的实际数据与模型模拟结论都证明了这一点，这与地下潜水的循环规律是相一致的。河流溢出量的大小，主要取决于河流附近的局部水力坡度，只要黑河附近地下水流场 ( 或坡度) 没有大的变化，河水溢出量就不会大幅度减少。当地下水埋深较小时，由于蒸发与埋深之间的非线性关系，地下水蒸发强度随地下水埋深急剧变化，虽然近十年来浅埋带地下水位下降幅度并不大，但地下水蒸发量却有较明显变化，尤其是在埋深小于 2m地区更为明显。当地下水位埋深超过 3m 后，降低地下水位所能夺取的地下水蒸发量有限。

从资源均衡的角度纵观中游干流平原地区地下水均衡，虽然整个计算区是负均衡的，但负均衡主要发生在远离黑河、泉及蒸发浅埋区的近山地带，具体表现为山前平原区地下水位的下降较多，黑河、泉及蒸发浅埋带水位降深小。以 2000 年均衡为例，在东南部 ( 民乐县) ，因地下水位持续下降而逐渐疏干上游区含水层，使该局部区域地下水负均衡量接近 1. 5×10⁸m³/ a; 而靠近河流与泉水溢出带地区及地下水浅埋蒸发带，由于地下水排泄的 “自适应”调节作用 ( 当补给量减少时，排泄量将会自动缩减) ，地下水负均衡量较小，即在排泄带局部范围内，地下水补排大致平衡。

河流与泉水溢出量的响应滞后特征，容易给人们一种错觉，当某些水利工程运转之后，增加了部分地表水资源利用量，同时地下水补给量也随之减少。由于河流与或泉水响应滞后特性，其溢出量没有马上减少，表面上可利用的总水资源量 ( 地表水+地下水) 似乎增加了。这仅仅是短期的表现，实际情况是含水层 “地下水库”逐渐消耗，在较长的时期后，地下水溢出量减少会逐步表现出来，严重者使地下水资源枯竭。

以黑河中游平原东南部 ( 民乐县) 为例，地下水位比张掖附近的黑河水位高出 200 多米，当灌区地下水位下降不太大时，如 10m，相对于整个地下水位落差来说，其总体水力坡度变化还不到 10%，即在短期内，上游地带通过含水层向下游输送的地下水量不会明显减少 ( 短期内几乎是一个 “常数”) ，但要以不断疏干上游含水层为代价，据模拟均衡计算结果，现状条件下，每年疏干消耗民乐地区含水层地下水量约 ( 1. 5～2) ×10⁸m³。从可持续发展的观点来看，长时期的疏干消耗上游含水层，一方面生态环境的极大改变不允许，同时将会导致地下水资源枯竭。这种开发利用方式可谓 “寅吃卯粮”，不能长时期持续。

随着渠道防渗工程的完善及节水技术的推广，使可利用的水量有所增加，应利用丰水年或丰水季节 “多余的”水资源对上游区进行回补，以阻止或减缓地下水资源向枯竭的方向演化，而不要盲目地扩大耕地面积，使水资源循环向合理可持续的状态转化。

‘捌’ 水资源系统分析的特征

水资源系统的特性还在于它具有十分紧密的整体关系和地区特色。河流、水库、湖泊、地下水等各种水体间和河流的上下游、干支流间常具有一定的水力联系；水资源的多目标的开发和综合利用会形成一定的水利联系；水资源开发利用受到自然地理和人类社会影响各种条件的相互制约；水资源系统的开发利用要求取得最大经济效益的综合目标；这一切使水资源和水利水电各种工程措施构成一个有机整体。此外，由于不同地区水资源分布、水文和社会经济条件千差万别，水资源系统又具有不同的地区特点。

‘玖’ 地下水系统研究方法

地下水系统研究的总目标主要是研究地下水系统各要素之间及与环境之间的定性或定量关系，建立地下水系统的概念模型，进而建立地下水系统的数学模型，用以进行地下水资源评价和科学管理。在实现总目标的过程中，除了传统的水文地质理论方法和技术外，还需要应用地下水系统和系统工程的思想，紧紧围绕地下水系统各要素之间及与环境之间的主要关系展开研究。主要的研究内容和研究方法有以下几个方面。

一、地下水系统环境分析

环境通常是指存在于系统外的与系统有密切联系的物质的、经济的、信息的和人际的相关因素的总称。环境的变化将通过输入使系统发生变化，系统本身活动也可通过输出引起环境发生变化。与地下水系统有密切联系的环境分为三类:自然环境、技术经济环境和社会环境。自然环境包括生态环境、地质环境、地表水系统和相邻地下水系统等。天然条件下，地下水系统一般通过自然边界(如断层边界、含水层与不透水层的接触界面、含水层上覆的透水层接触界面等)与环境处于动平衡状态。地下水系统从环境中获得降水入渗或河水渗漏等补给，而又以泉等形式排泄于地表水系统。人类开发地下水之后，地下水与系统的动态平衡被打破，带来一系列环境问题，导致地下水系统的输入和输出发生变化。技术经济环境包括技术水平、经济实力和科技发展因素。这些因素直接影响对地下水的开采，如受抽水设备和抽水费用限制，抽水井中地下水的降深不能大于一定的允许降深，地下水埋藏深的地区不宜开采等。社会环境包括政治、法律、政策、制度和经济发展规划等因素，要求地下水的开发利用要注重社会效益，如为保证下游河流一定的河流量等。

地下水系统环境分析的目的在于:①划分地下水系统的边界;②确定地下系统的输入、输出变量;③论证地下水系统与环境之间的相互关联、相互制约的关系，如果需要建立地下水系统管理模型，则需进一步确定地下水系统最优管理模型的约束条件(周仰效，1987)。

二、地下水系统结构分析

地下水系统结构分析的主要内容为地下水系统的组成要素、各要素之间的关系以及地下水系统的层次性和整体性分析。分析方法是依据水文地质调查、勘探、试验、观测所取得的资料，综合运用水力学、水化学和同位素、水温度学方法系统分析，分析的结果是建立地下水系统的概念模型，目的是为地下水系统的模型化和最优化提供可靠的水文地质模型基础。

地下水系统最基础的组成要素为渗透水流、含水层、弱透水层、隔水层和边界。这些基本要素的空间分布和组合形式及其相互间的水力联系构成最低层次的地下水系统。如潜水含水层系统、承压含水层系统和越流含水层系统。低层次的地下水系统相互配置又可组成高一层次的地下水系统，如局部地下水系统、过渡带地下水流系统和区域地下水流系统等。渗透水流与含水层之间的关系表现在地下水的运动规律和水文地质参数。如多孔介质中地下水的层流运动服从达西定律、溶质运移服从水动力弥散规律、温度变化服从热传导定律等。导水系数和贮水系数(或给水度)反映了含水层系统在水力方面的两个主要功能:传输作用和调蓄作用。边界包括侧向边界和垂向边界，它决定了地下水系统与环境相互联系的形式，也决定了地下水系统天然补给与排泄的方式。实际的地下水系统非常复杂，我们所获得的有关地下水系统的信息有限，需要对所获得的资料综合应用各种方法进行分析和判断，建立地下水系统概念模型。

三、地下水流动系统分析

水文系统分析从整体上研究区域水循环，主要由输入系统分析，区域地下水系统分析和输出系统分析3部分组成。输入系统分析主要包括降水、外区流入或本区自产的地表水、外区流入的地下径流(包括淡水及咸水)等要素分析;地下水系统分析主要包括包气带、浅层水系统、中层水系统、深层水系统以及极深层水系统之间地下水循环特征，以及水动力场、水化学场演变分析;输出系统主要包括天然排出的地表水系统和通过人工抽吸排水的地表水系统分析。

地下水流动系统分析是区域地下水系统分析中一个关键环节 。地下水流动系统理论以势场和介质场的分析为基础，将渗流场、水化学场与温度场等本来似乎互不关联的地下水各方面的表现联系在一起，纳入一个地下水空间与时间连续演变的有序结构中，形成一个统一的整体。地下水流动系统分析主要在水文地质调查、试验、观测所取得的资料的基础上，通过综合运用水力学、水化学和同位素等方法进行系统分析，研究地下水循环特征以及水动力场、水化学场、水温度场特征，查明地下水的循环模式和地下水流的运动状态。地下水流动系统分析的结果是建立地下水流动系统的概念模型和数值模型。和地下水系统结构分析的目的一样，地下水流动系统分析的最终目的也是为地下水系统的模型化和最优化提供可靠的水文地质模型基础。

四、地下水系统模型化

模型化是通过模型来表现地下水系统特征及状态性质。目前常用的地下水系统的模型有概念模型、物理模型和数学模型三大类，如表1-2-2所示。概念模型主要是对地下水系统中含水层系统的空间结构和流动系统的补排特征、边界条件进行概化，它是实行地下水系统模型化的第一步，一般以图表形式表达;物理模型是根据地下水系统的实际情况(原型)，按比例缩小而制成的模型，如以砂制模型表示含水层，以水或其他液体作为它的流体，对地下水系统进行模拟;地下水系统数学模型的建立是定量研究地下水运动规律的关键，数学模型是用一组地下水的连续方程和水流方程，从功能上模拟地下水运动，并显示地下水动态实际数量及数量的时空关系。数学模型中的基本要素是变量、参量、常量以及它们之间的关系。在上述地下水模型中，随着计算技术进步和计算机的推广应用，数学模型是应用日益广泛的一种地下水系统模型。

表1-2-2 地下水系统模型分类

(据周仰效，1987)

地下水系统模型化的过程称为系统识别。它是通过观测系统的输入-输出过程以确定系统的数学模型。根据事先对系统的了解程度，系统识别问题可分为如下两类:完全识别问题———“黑箱法”，部分识别问题———“灰箱法”。当对地下水系统的结构不了解时，不能根据物理定律建立描述地下水系统的数学模型，只能够观测到系统的输入-输出过程时，则可用“黑箱法”;从信息的角度把地下水系统对输入的响应产生输出的过程看作信息传递的过程，通过对信息的加工处理宏观地研究地下水系统的总体行为和功能。当对地下水系统的结构有足够的了解，能够根据能量和质量守恒原理推导出描述地下水系统的数学模型，但要确定模型中的一组未知参数，模型化问题变为参数识别问题，可采用部分识别问题的“灰箱法”。

五、地下水系统最优化

地下水系统的最优化是在地下水系统模型化的基础上通过建立地下水系统的管理模型来实现的。地下水系统管理模型由目标函数和约束条件两部分组成。目标函数表达了地下资源管理所要达到的目的，由决策变量的函数表示。约束条件规定了决策变量的取值范围。地下水系统管理模型的约束条件包括地下水流状态方程约束和环境约束(自然环境、技术经济和社会环境)。地下水流状态方程规定了地下水开采量(人工补给量)与地下水位(或降深)之间的关系，以保证对水位约束能对选择最优开采方案时起约束作用。地下水系统的状态方程可以是地下水均衡方程、地下水井流公式、用数值法离散偏微分方程形成的线性代数方程(嵌套法)，以及降深与开采量之间的卷积方程的离散形式(响应矩阵法)。地下水系统的最优化即是在给定的约束条件下寻求一组最优开采方案，以使目标函数达到最优值。

六、地下水系统评价

地下水系统评价包括地下水系统的资源评价和地下水系统的合理开发利用评价。地下水系统的资源评价主要在环境分析、结构分析和模型化的基础上，获得地下水系统的天然资源量、开采资源量、其时空变化以及成因，获得地下水系统的水质质量及其演化以及成因;目的是阐明地下水系统资源的来源、形成、分布、数量和质量。地下水系统的合理开发利用评价主要在地下水系统的资源评价的基础上，着重依据地下水系统的生态功能、环境功能和社会经济功能，运用系统工程方法，建立地下水系统的开发利用行为与生态、环境、社会经济之间的定量关系，确定地下水系统开发利用的目标函数和约束条件，进而进行若干开发利用方案的优化，得到最优可行的地下水系统开发利用方案。

‘拾’ 水资源系统分析的持点

摘要 您好，很高兴解答您的问题水资源系统分析用系统分析的方法研究解决水资源的规划、设计、运用和管理等问题，并提出合理的有效方案，水资源系统是指定区域内在水文、水力和水利上互有联系的各种水体和有关水利工程所构成的综合体，它具有紧密的整体关系和地区特色，水资源开发、规划的综目的是促进国民经济发展，改善环境质量。希望能帮助到您