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用水紧张是未来的一个重要问题，在美国的许多地区，已经出现了地下水资源耗竭和恶化的状况。这就需要制定相应的管理决策，以更好地利用地下水资源，最终实现水资源的可持续利用，缓解抽取地下水造成的不利影响。美国地质调查局（USGS）与地方政府、州、其它联邦机构以及私人团体合作，开展科学的水文地质研究和水文地质监测，并研究了7个地区的地下水管理问题。研究表明：地表水和地下水的联合利用以及地下水的人工补给都面临着机遇和挑战。如何对水资源进行管理取决于科学的实践和对水资源的深入了解，以及利益相关者所能达成的共识。美国地质调查局于2003年以1247号通告的形式发布了这些研究结果。我们编译了全文，供我国水文地质工作者参考。 一、概 述 地下水是重要的自然资源，它为全美国1.40亿居民（约全国一半的人口）提供生活用水，是农村居民以及某些大城区的主要饮用水源，每天约有500亿加仑的地下水用于农业经济。在中西部的一些州，地下水提供了90%以上的农业用水。同时，地下水对河流径流也起着重要的作用，特别是在干旱期或其它低水位期。另外，在最近几年，地下水在维持河岸、水生和湿地生态系统方面的作用引起了广泛的关注。 1995年以后，全国的地下水总抽水量每天约为800亿加仑，这样大规模地抽取地下水，虽然给社会带来了极大的利益，但是却对环境造成了难以想象的影响，并对一些地区资源的可持续发展造成了威胁。这些影响包括：地下水资源耗竭、地面沉降、咸水入侵、径流量减少、湿地和河岸生态环境的退化等。另外，市政、农业、工业和环境的用水竞争也日益明显。 随着地下水资源需求的不断增加，地下水管理成为一个极为复杂的问题，从而产生了许多新的地下水管理方法。地下水管理问题包括含水层储量恢复、地下水和地表水资源的联合利用、地下水的保护和重复利用以及地下水开采控制等。然而，成功的地下水管理需要全面了解地下水系统的属性和作用，以及采用可以选择的管理计划时可能造成的环境影响和其它后果。鉴于此，就需要将地下水管理作为地下水资源系统中的一个要素。 地下水管理实践包括对地下水系统产生影响的工程、经济和政治等人为因素，如地下水开采和人工补给等。这些施加的水文压力随后会影响地下水系统的响应或输出，如地下水水位、排泄速率和水质等，这些要素反过来又会影响径流速率、水生生态环境和其它环境状况。为了更好地对水资源进行管理，最终需要借助于法律和政治力量。这种系统化的地下水管理方法非常有效，因为同时考虑到了水资源系统中各要素的相互作用和反馈作用。 本报告中的7个实例说明了科学在解决紧迫问题和地下水资源管理实际工作中的作用，展示了如何采用数据采集网、地下水资源评价和预测模型来管理含水层，表明了在地下水资源管理过程中，管理决策、地下水系统的动态特征和不同管理方案的相互作用和影响。 USGS根据目前已经完成和正在搜集的数据对地下水资源进行研究。100多年来，USGS提供了大量支持地下水开发和管理决策的数据和科学分析。USGS在含水层管理中的作用包括基础资料搜集和分析，了解地下水系统的相关信息，开发水资源规划的定量分析工具，开展相关的教育和培训。 地下水管理策略 地下水管理策略包括以下几种方法： l 完全或部分利用当地的地表水和地下水，也可以从其它流域调入地表水和地下水。 l 改变地下水抽水的速率或方式，将现在或潜在的不利影响减至最小。 l 通过管理机构，制定一些指导方针和政策，或采取税收方式来控制或调节地下水抽水量。这些强制性措施可能会限制水的用途、限制抽水量、控制不同时间和空间的关键含水层的水头或水力梯度。 l 通过地表水引入人工补给，无论是饮用水、回收水还是污水，在进入地下后，可以补给地下含水层，增加含水层的储量。可以通过以下方式：（1）增加天然补给量——增加入渗补给，如降水、河流和湖泊入渗，一般是通过地表水道诱发补给；（2）通过工程截留诱发补给——在地表水库中储水，水库的地质条件要满足地下入渗率较高，有益于含水层的补给；（3）直接通过水井注入——通过重力排水或负压将水注入到水井中。 l 通过联合利用地表水和地下水资源的方式，充分利用水资源，并预防单一水资源利用引发的不利后果。 l 通过科学和技术手段，来提高用水效率，确保最有效的长期的经济和社会效益。 l 将废水和处理过的废水重新利用，不作为饮用水，而是作为庄稼、草坪和高尔夫球场的灌溉用水。 l 对地下水库或非饱和带短期（几个月或几年）水量增加和减少进行管理，来调节每年和多年气候因素造成的地表径流和蓄水量的不足或过量。在地表径流充足的阶段，可以通过人工补给的方式将过剩的地表水补充到含水层系统中。相反，在干旱期，可以通过抽取地下水来补充地表供水的不足。耗竭的含水层可以作为潜在的地下水库来储存过剩的地表水。 l 通过咸水淡化利用咸水，来减缓淡水资源需求压力。 这些方法并不互相排斥，在采用某一方法时，不可避免地会涉及到另一方法。例如，许多方法都涉及到了将含水层作为储水水库、联合利用地表水和地下水以及人工补给等。 随着水资源竞争的日益加剧，研究人员对这些基本方法进行改进和相结合。这些方法对水资源开发具有极其重要的作用。也就是说，随着用水方式的改变，水文系统的“安全生产”或“可持续生产”也发生了改变。另外，提供数据、分析和预测方法会面临挑战，这些新的方法可以用于人工补给、水重复利用和地下水与地表水联合利用领域。 通过7个实例来说明这些科学挑战，以及在水资源管理工作中，USGS在信息提供方面的作用，许多实例研究都包括地下水和地表水的联合利用，USGS在亚利桑那州、加利福尼亚州、堪萨斯州、内布拉斯加州、新泽西、俄亥俄州和罗德岛洲进行了实例研究。大多数工作都包括地下水耗竭造成的后果研究：地下水水位降低造成加利福尼亚Owens河流域内原生植被死亡；罗德岛洲Hunt-Anna-Qqatucket-Pettaquamscutt盆地径流减少；在堪萨斯州的Wichita和新泽西开普梅（Cape May）地区，咸水或盐水向淡水含水层入侵；加利福尼亚Antelope valley（莫哈韦沙漠）出现了地面沉降问题。在亚利桑那州的图森，通过天然小河向地下水系统进行补给，是研究实例的重点，根据这些信息可以规划图森的人工补给方式。另一个实例强调利用内布拉斯加州普拉特河和俄亥俄州迈阿密河附近的浅层地下水系统，通过供水系统过滤污染物。根据这些研究和其它工作，可以为当地资源管理者提供一些极具价值的信息，而且也可以应用到具有类似特征和问题的地方。 USGS在人工补给工作中的作用 人工补给是指通过人为活动，为地下水系统增加天然补给，如通过地表渗水盆地、补给井、或地表水入渗等。随着人口的增长和用水需求的增加，在许多地区，人工补给已经成了水管理工作中的一个重要组成部分。全面了解通过人工方式增加地下水资源的机理非常重要，USGS对此开展了长期的研究和实践。 从创立之日起，USGS的工作领域就包括了地下水人工补给领域（Weeks，2002）。例如，C.S.Slichter于1906年，对长岛地区通过人为截留水源增加地下水资源的工作进行了评价（Veatch等，1996）。USGS继续做这方面的工作，并于1959年和1970年编制了关于人工补给的参考书目（Todd，1959；Signor等，1970）。在20世纪60年代和70年代，USGS研究了针对控制南部高平原区高强度用水的农业区的地下水补给过程（Brown等，1978），以及针对沿海城区控制咸水入侵的深井补给过程（Vecchioli和Ku，1972）。这些基础研究工作包括物理控制机理，如水力传导系数的潜在变化；化学控制机理，如化学和细菌堵塞等。 目前和将来研究的动力和目标是更多地了解这一科学问题。尽管在全国的许多地区都进行了人工补给研究工作，但是在某些地区，由于生物、化学和物理堵塞以及运移机制，很难预测补给的长期持续性。USGS不断进行一些基础研究，包括化学成分不同的混和水对周围地下水的物理、化学和微生物作用，含水层堵塞，病毒失活，消毒副产物的产生和降解，区域承压含水层的完整性等。只有不断地进行深入研究，才可以清楚地了解这些科学问题，才可以使管理人员更好地了解和管理供水系统。USGS在不断进行科学研究，以更好地了解和利用人工补给。 地下水管理的科学方法 地下水是水文循环中的重要组成部分，是人类重要的水源。到了19世纪，一些定量分析地下水运移的方法得到了发展，可以提供一些资源管理的有益信息。 在地下水开采管理工作中，需要了解地下水系统的状态和开采对地下水的影响。为了了解地下水系统的状态，需要对地质结构、边界条件、水头分布、水力传导性、储水性和化学性质有一定的了解。通常需要通过区域调查研究获得这些数据。所有的定量分析都取决于数据的可靠性和根据这些数据建立的概念模型，这样可以更好地了解影响地下水运动的因素。 在评价开采造成的影响时，很大程度上取决于根据物理原则建立的数学方程。每一个地下水系统都是独特的，流经系统的水源和水量与外部因素有关，如降水率、河流和其它地表水体的位置以及蒸发蒸腾量。另外，每个地区的地质结构和含水层性质也都是独特的。对所有的地下水系统而言，一个共同的原则就是必须确保系统的输入、输出和储存水量保持平衡。人为活动，如灌溉和抽水会改变天然水流方式，在计算可以利用的水资源时，必须考虑这些变化（Alley等，1999）。 在过去的几十年，分析地下水和地表水系统中水流和溶质运移的计算机模拟模型在评价地下水开发和管理工作中起着极为重要的作用。人们尝试根据数学模拟，采用地下水模型来表示真实的地下水系统特征。而建立模型的基础是需要很好地了解描述地下水流动和运移的物理、化学和生物学规律，可以对特定系统进行准确描述，并可以定量描述与该系统的因果联系。尽管在模型模拟的基础上对将来事件的预测具有高度的不确定性，但是一般可以表示给定时间内最佳的决策信息。 随着搜集到的资料越来越多，计算机模拟方法在不断完善，对地下水流动和运移系统的了解也在不断地深入。通过对数据搜集和分析，也可以说明信息的缺乏和模拟方法的不足。之后根据上一次的分析结果再搜集资料，用改进的模拟方法对资料进行分析。通过不断搜集和分析数据的方法来改进管理决策方法是科学的核心，需要长期的获取可靠的数据和改进分析的方法。 二、案例研究 （一）加利福尼亚Owens河流域的地下水模型及管理方案 Owens河是洛杉矶市的主要水源，20世纪初，主要是作为灌溉用水。在1913年后，Owens河流域的洛杉矶引水渠建成，该流域的水资源配置发生了极大的改变。在1970年，在洛杉矶的第二个引水渠建成，增加了引水渠系统的水量。从Owens河调配更多的地表水为洛杉矶市增加供水，同时减少了灌溉用水量，而且抽取地下水补充到河流（引水渠）系统中。由于地下水位不断下降，到1981年，依靠浅层地下水的农田面积缩减了20～100%，约有26000英亩。自1970年开始，随着水量的减少，该流域的居民和当地旅游业都受到了影响，环境质量也有所下降。在1982年，USGS与Inyo和洛杉矶市开展了为期6年的合作研究项目，来评价流域的地质条件、水资源和本土植被。由USGS负责进行水文地质调查和建立数字地下水流动模型，以确定地下水开采对本土植被的影响。Inyo和洛杉矶市根据这些研究结果，制定了流域的地下水管理计划。采用地下水模型，对4个管理方案进行了检验。模拟结果表明，按照1988年的运行条件不断开采地下水，会造成地下水水位的持续下降，这样就会导致本土植被数量减少。根据模拟结果，需要减少50%的地下水开采量，来维持水位和保护植被。 建立区域地下水流动模型：管理工具 建立流域范围内的地下水流动模型，不但可以将含水层系统的结构和物理性质综合起来，定量分析含水层系统的补给和排泄量，而且可以对管理决策的效果进行评价。选择不同的模拟周期对模型进行校正，并预测1988年以后含水层系统的状况。1970年后，流域的用水发生了明显变化，如地下水开采量在增加，而农业和牧场的用水量在减少。选择1963年作为水文年在平衡（稳定流）状态下对模型进行校正，选择1963～1984年作为水文年在非平衡（瞬时流）状态下对模型进行校正。根据最后的稳定态模拟结果来确定含水层系统的均衡，如果能够一直延续1988年地下水补给量和开采量的良好均衡状态，那么就能确保含水层系统的均衡。 模拟结果表明，自1985年以来增加地下水开采量，造成了水位下降，减少了蒸发蒸腾率。大多数水位下降区都位于西部的冲积扇和生产井附近地区。由于水文地质的缓冲作用，如蒸发蒸腾、泉等，低于流域底板的水位会保持相对稳定。这些缓冲作用对含水层系统的水量交换具有调节作用，有效地减少了地下水水位的变化。自1970年以来，尽管地下水排泄的类型和位置发生了显著变化，但地下水位一直保持相对稳定，主要原因是水文地质缓冲作用。 1988年的模型模拟结果表明含水层系统，特别是排泄，自1970年以来，随着地下水抽水量的增加，发生了明显的改变。尽管1970年以来，用水和地表水分配情况也发生了相应的改变，但含水层系统的大多数变化最初都是由于增加地下水开采量而引起的。1970年后，对增加地下水的补给量也作了一定努力，但是并不能补偿增加的抽水量。 水管理方案评价 Owens河流域的水管理目标是，第一，为家庭、牧场、市政、本土植被和洛杉矶提供充足的用水；第二，缓减水井附近地区抽水对植被的影响，恢复流域目标区的本土植被数量。如果继续采用其它的管理方案，也可以实现第二个目标，但流域内其它地区的植被数量可能会减少。自1970年以来一直进行的一个管理目标是减少牧场的耗水量和土地出租面积，以更有效地利用水资源。实现每一个目标都受不同因素的制约，从而影响了流域的水管理措施，主要的制约因素如下： （1）区域供水 Owens Valley是一个非常大的供水、运输和用水网。在加利福尼亚南部地区，目前获取用水受很大限制，主要水源是加利福尼亚北部地区的科罗拉多河和Owens河。减少Owens 河的输出量会影响洛杉矶和加利福尼亚南部地区的区域供水网络。 （2）地表水和地下水输出量 Owens河到洛杉矶的水蒸发量引发了许多争论甚至是诉讼。加利福尼亚水法曾经规定要实现水资源的最大利用价值（加利福尼亚州，1992）。早在20世纪初，与此相似的实现土地在农业、工业和市政方面的最大利用价值的法律就已经存在了。约在1970年后，水资源的有价值利用受到了不同的环境问题的影响，如保护Owens河流域的地下水湿生植物植被和维持Mono盆地的湖水位为野生动物提供生存环境等。 Mono盆地和洛杉矶之间的许多地表水库和地下水盆地用于调节水流量和储存水，但储量很有限。自1970年开始从Owens河附近开采地下水来增加地表水量，这样，在低于平均径流的年份，流域中地下水的输出量很显著增加。 （3）地区用水 在Owens河流域的用水区主要为：4个主要城镇、4个美国印第安人保留地、3个鱼苗繁殖场和许多牧场（Danskin，1988；Hollett等，1991）。采用其它的地表水和地下水保证用水和缓减用水矛盾，维持牧场、野生动物生境和河岸植被的用水需求。 Owens河的水管理也受到了诉讼的影响，特别是“山坡法令”的影响（洛杉矶和Inyo County，1990）。这些法律禁令要求在Bishop地区开采的地下水要用于Bishop以北到克朗代克湖以北的地区，这一地区称为“山坡地区”，不能将该区的地下水输出到流域的其它地区，或洛杉矶。这样就限制了流域作为一个整体来制定水管理政策，而仅仅是保护Bishop地区。 （4）水文地质条件限制 Owens河流域的水管理也受到了物理条件的限制2或排泄到地下水系统中。在较干旱的年份里，需要在支流中保证有最低的水量，来维持鱼类生存，地下水补给工作受到了限制。一些支流，如Oak Creek，排泄量很大，但是对于地下水补给来说，却是一个相对较小的冲积扇。另一些河流，如Shepherd Creek河，尽管是一个较大的冲积扇，但是河流的排泄量很小。 采用流域范围的地下水流动模型来评价流域内的4个地下水管理方案（Danskin，1988）。流域的居民和水管理者主要关心的是：继续1988年的工作的长期影响（方案1）；长期气候变化导致径流减少的影响（方案2）；平均抽水量长期变动的影响（方案3）；缓减严重干旱的影响和充分利用多雨状况的方法（方案4）。采用稳定态的校正流域模型来模拟前两个方案；采用瞬时流模拟模型来检验后两个方案。 采用1984年的资料来评价水管理“方案1”，当时地下水盆地几乎是“满的”，与1988年运行条件下对系统的压力进行比较。与预期的结果一样，由于增加抽水量，造成了整个流域的水位下降（与1984年相比），大多数预期的变化出现在冲积扇地区。由于水文地质缓冲作用，这些水位变化值略低于流域底板。 对水管理“方案2”进行评价的结果表明，在Owens河长期的平均径流量变动过程中，有10%的变动量不会对水位造成影响。在水管理“方案3”中，需要减少1988年地下水开采量的50%，年平均开采量为每年 对于管理“方案4”，对9年的瞬时流进行了模拟，包括干旱、平均和湿润年份，结果表明，在干旱季节增加抽水量，即使之后可以接受平均或平均值以上的径流补给，含水层系统需要几年才能恢复。 从选定的支流对冲积扇地区进行额外调水，在井场附近增加人工补给，并且为Bishop地区分配更多的补给量，可能有助于缓解由于干旱和短期抽水量增加对植被造成的不利影响。 对所有的水井进行一年的模拟分析结果表明，利用控制现有的水井开采量来减小地下水水位下降，并不能明显减轻对本土植被的不利影响。在一些开采量大的水井区域，如Thibaut-Sawmill地区，从冲积扇海拔较高的地区如Bishop地区，或者是在灌溉区附近的地区，如Big Pine地区，抽取地下水可能会有所帮助。采用这些技术，可以根据不同年份的特点灵活地管理水资源，但是并不能解决基本问题，即增加地下水抽水量会造成蒸发和蒸腾量减少，同时也会造成本土植被的减少。另外，如果含水层系统导水性强，则在几年内会将抽水造成的不利影响带到流域的其它敏感区。 地下水流动模型有助于解决流域范围内的区域用水、地下水流动、地表水和地下水相互作用问题。将含水层系统概念化为整个流域提供了相容、合理的模型基础。从定性概念转换为定量检验，是建立流域模型的主要目标。在合作的研究过程中，模型起着客观的技术仲裁者作用，提供可能的预测结果和解决具有争论的用水问题。将USGS的研究和其它研究结果获取的数据相结合，可以更好地了解本土植被对地下水、地质条件的依赖性，植被对地下水运移的影响，以及地表水和地下水的相互作用。根据USGS的研究结果，可以评价抽取地下水对本土植被的影响，而且这些研究结果还可以作为导则和技术参考，对Owens河流域的水文系统进行管理。 （二）罗得岛州Hunt-Annaquatucket-Pettaquamscutt流域地下水管理模拟优化模型 在美国许多地方，浅层地下水系统都是重要的供水水源。这些系统通常与地表水体存在水力联系和水量交换。由于这种联系，开采地下水一般会减少地表水系统的流量，从而对水生和河滨生态环境造成不利影响。许多团体正在研究如何平衡地下水开采和河流保护之间的冲突。采用的一个最重要的方法就是模拟－优化模型。这一模型同时考虑到了水文地质系统的物理过程和管理问题。USGS开发的模拟－优化模型有助于供水机构和自然资源机构评价罗得岛州Hunt-Annaquatucket-Pettaquamscutt流域的地下水和地表水资源的联合管理政策。 罗得岛州中部的Hunt-Annaquatucket-Pettaquamscutt（HAP）含水层是北金斯敦（Kingstown）、沃里克（Warwick）、东格林威治（East Greenwich）和纳拉甘塞特（Narragansett）的重要水源。在1993～1998年的用水高峰期，地下水开采量超过了800万加仑/天（Mgal/d），而且还提议要加大开采量以满足用水需求。尽管含水层提供了大量优质水，但地下水开采导致HAP流域的河流量减少。河流量减少的原因是该流域的河流和池塘与含水层之间存在水力联系，并且其中大部分的水都来自于地下水的补给。地下水开采引起的河水流量减少会对水生和河滨生态环境造成不利的影响，特别是在夏季河流量较小的时候（7～9月）。 自然资源机构对HAP流域地下水开采对河流量的影响的关注，促进了流域范围内的模拟－优化模型的开发，为供水机构和自然资源机构评价地下水开采和河流量减少之间的平衡提供信息。该模型是由USGS、罗得岛州水资源部、北金斯敦、罗得岛州环境管理局、罗得岛州经济发展公司共同开发的（Dickerman和Barlow，1997；Barlow和Dickerman，2001）。 水文地质系统 HAP流域面积为40平方英里，其中大约一半面积分布有HAP含水层。含水层由几千年前冰雪融水沉积下来的成层砂砾石沉积物组成，渗透性很好。流域的其它部分是一些丘陵高地，下伏冰碛物、岩床和小型的成层砂砾石沉积物透镜体。 HAP含水层的上部边界是潜水位，在河流、池塘和湿地附近，埋深不足1英尺，而在丘陵地区，埋深可以达到70英尺。含水层的补给来源有大气降水、河流入渗、山区的侧向径流和少量的污水。 补给含水层的大部分水最终会排泄到流域的河流、小溪和池塘中。地下水也会通过潜水蒸发、植物蒸腾和供水井排泄。HAP流域总的河流量大约是50Mgal/d，其中Hunt河的流量最大，为30Mgal/d。 模拟－优化模型 自上世纪60年代以来，模拟模型逐渐成为分析地下水系统的一种重要手段。一般采用这些模型对特定的水资源管理规划进行验证，如地下水抽水方案对河流量和特定流域的地下水水位的影响。近年来，研究人员将模拟模型和优化技术相结合，来确定针对特定管理目标和约束条件的最佳水资源管理对策。优化技术是将资源最合理分配给用户的一些数学方法。对于地下水管理问题而言，资源包括流域内的地下水和地表水资源，以及依赖水的社会团体的经济资源。模拟－优化模型已经被用来解决各种不同的地下水资源管理问题，包括控制可能因地下水开采导致的地下水水位下降和地面沉降、地下水和地表水系统的联合管理、污染羽的控制和海水入侵问题等。 模拟－优化模型最重要的特征之一是需要明确水资源问题的目标和约束条件，先用语言来描述，之后要以数学方法明确。数学问题的三个要素是决策变量、目标函数和约束条件。决策变量是设计出来的水资源控制条件（如地下水开采量）（Ahfeld和Mulligan，2000）。决策变量是未知量，需要求解模拟－优化模型来确定。目标函数可以根据需要管理的水资源（如实现地下水的最大开采量）或根据成本效益原则（如开发地下水资源获取最大的效益）来建立。约束条件包括限制决策变量和目标函数的物理、经济和法律因素。一些求解模拟－优化模型的方法得到了发展（如Willis和Yeh，1987；Gorelick等，1993；Ahfeld和Mulligan，2000）。最常用的方法之一就是响应矩阵法，这是一种基于线性系统理论的方法，它利用了地下水开采和含水层响应之间经常出现的线性关系。建立地下水系统模拟－优化
图1 建立地下水系统模拟－优化模型的方法 针对HAP流域开发的模拟－优化模型，由2个相互关联的部分组成，即校正模拟模型和优化模型。模拟模型用数学方法描述水文地质系统，模拟含水层中的地下水流动，说明该水文地质系统最重要的特征，包括地下水的补给、开采以及地下水和地表水之间的相互作用。模拟模型的输出包括含水层的计算水位和Hunt河、Annaquatucket河以及Pettaquamscutt河的流量。 优化模型解决的是流域内的水资源管理问题，即为满足不断增加的用水需求而产生的地下水供水问题，Hunt河、Annaquatucket河和Pettaquamscutt河的流量减少问题。优化模型由水资源规划目标和一系列的约束条件组成。规划目标是在夏季从HAP含水层抽取最大的水量（7～9月），而规划约束需要考虑如下几点：（1）Hunt河、Annaquatucket河和Pettaquamscutt河的最小流量；（2）地下水开采量等于或大于1993～1998年的平均供水需求；（3）每口供水井的最大抽水量。 模拟－优化模型同时考虑了水文地质系统的物理过程以及水资源的管理目标和约束条件。由于两者之间的这种联系，因此该模型可以用于评价如何平衡地下水开采量的增加和Hunt河、Annaquatucket河和Pettaquamscutt河的最小流量要求。 HAP流域模型的应用 模型的几个应用实例可以说明其如何协助解决HAP流域的水资源管理问题。将模型的结果与地下水平均开采量和1993～1998年夏季的河流量进行比较。当时从含水层开采的地下水量平均为5.5Mgal/d，估计由于抽水造成的河流流量减少程度如下：Hunt河为3.0Mgal/d，Annaquatucket河为1.6Mgal/d，Pettaquamscutt河为0.3Mgal/d。由于开采地下水已经对Hunt河造成了非常大的影响，所以模型中规定Hunt河流量的减少量不得超过1993～1998年的估计值。 对Annaquatucket河和Pettaquamscutt河的3种流量方案进行了评价。在“方案A”中，夏季流量保持1993～1998年的平均水平，也就是说，任何一条河流的流量都不允许再减少。在方案C中，2条河流的夏季流量都允许减少地下水开采之前的最大流量的25%。之所以选择25%，是因为该值等于1993～1998年Hunt河流量减少的百分比。在“方案B”中，Annaquatucket河和Pettaquamscutt河的夏季流量介于“方案A”和“方案C”之间。 根据模拟－优化模型对3种方案进行评价的结果表明，在夏季，采用目前的供水井网，从HAP含水层开采的地下水量可以增加0.4～2.2Mgal/d；如果采用改进后的供水井网，则可能增加1.0～2.8Mgal/d。改进后的井网由目前的供水井网和2口新井组成，这2口新井是Annaquatucket河流域的供水井。这些增加量，相当于1993～1998年平均开采量5.5Mgal/d的50%，而且不会再减少Hunt河的夏季流量。对当前每口井的抽水方案进行修改，可以增加整个供水井网的总抽水能力，同时也增加了Annaquatucket河和Pettaquamscutt河的排泄量。含水层夏季增加的开采量相当于当年10月到第2年6月的河流量的增长量，这期间的河流量一般比夏季高。应用该模型还表明，如果Annaquatucket河和Pettaquamscutt河的流量减少到“方案B”和“方案C”规定的那样，Hunt河的夏季流量可以增加1.0Mgal/d。 建立地下水系统模拟－优化模型的主要步骤 模拟－优化方法提供了一种结构手段来评价不同的水资源管理目标和特定管理计划的实施结果。对于特定的地表水和地下水联合管理的实例，可以采用模拟－优化模型来权衡地下水不同开采强度和最小河流量之间的关系。在USGS的研究当中，管理机构和其它利益相关者为水资源管理目标和约束提供信息。USGS提供了客观的科学信息，通过开发最先进的模型模拟地下水系统的物理过程，并提供关于优化模型技术的专业知识，来帮助确定一个最佳的折衷方案。 Rillito Creek河位于亚利桑那州图森市的北部，是美国西北部干旱环境下典型的暂时性河流。在一年中的大部分时间里，河流都是干涸的，然而，在持续的或者强度很大的降雨之后，河中就有流动的水了。河水的一部分逐渐从它与Santa Cruz河的汇合处向东后退。在河流后退的这个时期内，站在Rillito Creek河的桥上，可以看到从河床的中部，水流就停止了。看到河水在河床消失后，会想到以下几个问题：水到何处去了？水仅仅是蒸发了，还是被生长在河流附近的各种植物利用了？或是一些水渗透补给了含水层，如果这样的话，那么有多少水补给了含水层？如何测量补给量？为了回答这些问题及其它相关问题，USGS与亚利桑那州水资源局合作研究了Rillito Creek河对地下水的补给。 为了满足不断增长的城市人口的需求，地下水利用强度增加了，由此导致图森市下伏的一部分含水层中的水位下降了200多英尺。水位的下降可能会造成地面沉降和水质下降。亚利桑那州水资源部（ADWR）将图森市作为一个重点加强的管理区域（Active Management Areas，简称AMA）。为了缓解地下水开采的压力，提出在Rillito Creek河中安装一个补给设施。 尽管已确知西南部的暂时性河流有河水的入渗现象，但对暂时性河流入渗补给地下水的过程却了解甚少。了解入渗过程能够提高河流补给设施的效率。为了获得这方面的认识，USGS与亚利桑那州水资源部合作，正着手研究Rillito Creek河下段 通过现有的63口井的资料对河道和下伏的流域充填沉积物的分布进行了分析（Hoffmann等，2002）。河道沉积物的厚度在15～40英尺之间，由比例相近的砂和砾石组成，只含有少量的粉砂和粘土。流域充填的沉积物也主要由砂和砾石组成，但是粉砂和粘土的含量相对要多一些。水位埋深一般在地表以下100～135英尺，但是在Craycroft Road附近的Rillito Creek河上游地带，水位埋深很浅，只有 当水向下渗透到达水位之前，必须通过一个变化的渗透带。这一变化渗透带的非饱和水力传导系数与土壤湿度有很大关系，比饱和水力传导系数小几个数量级。与流域充填沉积物相比，河道沉积物的非饱和水力传导系数一般会更小一些。平均饱和水平水力传导系数约是饱和垂直水力传导系数的2倍。 亚利桑那州地下水管理法规 在历史上，亚利桑那州的许多居民都将地下水作为主要的水源。例如，直到最近的亚利桑那州中部项目工程竣工之前，图森仍将地下水作为唯一的水源，这个项目工程将科罗拉多河的水调到亚利桑那州中部和西南地区。自上世纪40年代末以来，该州的许多地方面临着地下水位下降的问题，导致地下水水质恶化、地面沉降和地裂缝。 1980年，为解决这些问题并帮助州政府在未来更好地管理地下水资源，制定了亚利桑那州地下水管理法规。 法规的主要目标是： l 控制地下水水位下降； l 提供最为有效的水资源分配方案，来满足全州的用水需求； l 开发新的水源，增加亚利桑那州的地下水量。 为了实现这些目标，根据法规建立了一个全面的管理框架，并成立了亚利桑那州水资源部来执行法规规定。 根据不同的地下水条件，法规中制定了3级水资源管理规划。最低一级管理规划是应用于全州的一般规定；次一级管理规划是应用于非膨胀灌溉区（Irrigation Non-Expansion Area，简称INA）；最高一级管理规划应用于加强管理区（AMA），这些地区地下水水位下降最为严重。AMA拥有亚利桑那州总人口的80%。 AMA和INA的边界是由地下水盆地，而非行政边界决定。目前确定了5个AMA，分别是菲尼克斯、Pinal、Prescott、图森和圣克鲁斯。INAs建立在地下水问题不太严重的农村地区，目前确定了3个INA，分别是Douglas、Joseph和Harquahala。如果必须保护某些地区地下水，或根据当地居民的意愿，亚利桑那州水资源部可以指定新的AMA和INA。 在菲尼克斯、Prescott和图森AMA，主要的管理目标是到2025年实现“安全生产”。法令规定的“安全生产”定义为：在AMA，地下水年开采量与年天然和人工补给量可以达到长期平衡。圣克鲁斯AMA存在重要的国际、河滨和地下水（地表水）问题，其管理目标是维持安全生产，防止水位长期下降；在Pinal AMA，农业经济占支配地位，其管理目标是发展非农业用水，尽可能实现农业经济的持续发展，并为将来的非农业供水。 法规包含6个关键的管理规划： l 制定地下水水权和开采许可计划； l 规定在AMA和INA中不允许增加农业灌溉用水； l 制定水管理计划，强制保护每个AMA的地下水使用需求； l 主要以可更新供水为基础，需要为新的用水需求论证供水的必要性； l 需要监测所有大井的抽水量； l 实行年抽水量和年用水量报告计划，并对这些报告进行审查，保证用水与法规和管理规划的目标一致。对违反用水规定者要进行处罚。 USGS将继续与亚利桑那州水资源部合作，评价该州有限的水资源，并提供方法和资料来管理这些资源。 采用实时重力测量法来评价1992年12月至1994年1月的地下水储存量和Rillito Creek河附近井的给水度（Pool和Schmidt，1997）。在50个流域补给点，重复测量与岩床基底处重力相关的重力参数。在1992～1993年冬季，暂时性河流入渗补给使水位上升，地下水储存量的增加使Rillito Creek河附近的重力增加。当井水位上升 选择Rillito Creek的3个点作为监测温度变化和入渗过程的监测站（Bailey和Hoffmann，2000）。监测网一般包括：测压计监测网（布设在饱和带或非饱和带）、温度传感器监测网（埋在河道的不同深度处）。利用在不同的饱和沉积物中测得的平流热流与液体流结合来模拟入渗过程。采用计算机程序VS2DH（Healy和Ronan，1996）来模拟沿Rillito Creek的河道沉积物的能量传输（热流）和液体流（Bailey和Hoffmann，2000）。模拟模型需要的时间资料包括河水位和温度、变化的饱和沉积物温度和水位高程。模型利用的物理参数包括：沉积物的孔隙度、饱和水力传导系数、持水度、沉积物的热传导系数、干土壤的热容量等，这些参数需要取土样或岩芯进行分析。自1999年6月以来，每30分钟都会记录一次河流和沉积物的温度。对Craycroft Road监测站最初的校正结果表明，自1999年6月以来，当水流通过该站点时，地表流入渗的平均值为 根据以上的测量方法，可以估计图森地区的Rillito Creek的入渗和补给量。通过这项研究获得的方法也可以应用于西南地区的其它暂时性河流的研究当中。 重力测量法测量含水层储量及水量变化 准确地说明含水层的储水性质一般需要通过长期的含水层试验才能完成，而这一工作成本很高而且难以完成和分析，另外，试验结果对整个含水层系统而言，也可能不具有代表性。但是，在非承压含水层中，可以根据牛顿的万有引力定律，通过测量含水层的重力变化来估计储存量的变化。在非承压含水层中，由于地下水体积和质量的变化会造成局部重力场的变化，因此可以应用牛顿定律来分析。如果同时可以测定水位，则可以确定非承压含水层的给水度。这一方法最早由Eaton（1974）提出，然而，当时并没有得到应用，因为当时的重力计不够精确。随着更为精确的重力计的出现，可以采用这一方法来分析水资源管理问题。 应用重力理论来测量水量随时间变化的原理很简单。选择在稳定岩床基底，建立重力参考站，设置重力参考点，测量重力的变化，可以假定储水量的变化非常小。含水层中的重力站位于河道以下或河道附近，这里水量的变化与补给量和含水层的储存量有关。在一段时间（如在降雨前后）之后进行重复调查，来确定观测重力的变化趋势。参考重力站与含水层之间必须保持足够远的距离，这样含水层中水量的变化对参考站点的重力影响就可以忽略不计。 采用不同的微重力计和采用水平仪的研究类似。在任意一段时间之后进行重复研究，来确定水量的变化。 非承压含水层储水量的变化与重力变化有关。13微伽左右的重力变化相当于 热传递理论和地下水流动模拟 热量可以很好地用来跟踪地表水与地下水的交换作用，大气温度变化可以作为地表水体每日或季节性的温度信号。通过热传递，河流的温度变化传递到下伏沉积物。热量从河流到下伏沉积物的传递过程主要包括热传导和对流。热传导是热通过动能扩散沿温度梯度传递，热传递速率与河流沉积物的热传导系数成正比。热对流是指通过水在沉积物中的运动传递热量。热对流在热传递中的作用与流体通量或入渗率具有直接的联系。应用热交换原理可以间接确定地下水的流速、补给区和排泄区的范围以及含水层的水力性质（Lapham，1989）。入渗量的每日和季节性变化与河流的温度变化具有直接联系（Lapham，1989；Constantz等，1994）。 可以利用控制多孔介质中热量和地下水流动的耦合方程来模拟河流和下伏沉积物之间的热交换。根据模拟的热对流和热交换量来确定入渗率。USGS的计算机程序VS2DH（Healy和Eonan，1996）是二维变量的饱和地下水流和溶质运移模型，用于模拟多孔介质中由于热传导和对流引起的热传递。 能量交换方程是用于溶质运移模型中的对流－弥散方程的一种形式，这个方程是根据多孔介质中存贮能量的平衡变化推导出来的。在利用对流和热传导来模拟热交换中，VS2DH求解对流－弥散方程，这个程序把存贮能量随时间的变化与通过热传导、热机械弥散、对流热交换以及热源汇项发生的热交换联系起来。对流－弥散方程与非饱和地下水流动方程具有一定联系。 将参数估计程序与VS2DH结合起来，可以对沉积物温度和水头模型进行校正。参数估计程序采用最优化算法来估计模型的参数，使模拟和观测值的方差和最小。在目前的研究中，校正时采用的参数是温度。初始和边界条件利用了在Rillito Creek采集的数据，包括河水位、地下水水位、河流和地温。在参数估计程序中输入物理意义合理的水力参数和热参数作为初始假设和约束条件。当流动条件和河流下伏沉积物的水力传导系数使用了估计的参数时，模型就得到了校正。通过最小化模拟和观测的温度差来确定最佳的饱和河床水力传导系数。 （四）内布拉斯加州和俄亥俄州的岸滤作用（bank filtration） 联合利用水资源是指将两种水源，例如地表水和地下水结合起来解决特定的问题。在将地下水和地表水相结合作为供水水源时，可以充分发挥每一种资源的优势，从而可以提高水质、增加水量。地表水的水质会迅速改变，地表水中含有短期存活的细菌，沉淀物和微粒物质，在供水之前通常需要经过处理。相比之下，地下水的水质通常变化更慢一些，当地下水在孔隙介质中流动时通过过滤作用或化学作用会去除一些污染物。通过水井获取大量的地下水要受地理位置的影响，而要通过水井或井场获取高质量的地下水通常很难。充分发挥地下水和地表水两种资源各自优势的一个联合利用的例子就是岸滤。 岸滤是指利用位于地表水体附近的供水井引导河水透过岸边砂砾层而进行过滤的过程。多年来采用这一方法去除地表水中潜在的污染物，它是一种预处理方法，可以提高水质。美国主要饮用水的相关规章制度已经对公共用水系统需要过滤地表水资源，或受地表水直接影响的地下水资源的情况作出了规定（美国联邦法规，2000）。过滤是当水通过多孔介质时去除微粒物质的过程。受地表水直接影响的地下水定义为：所有容易出现昆虫、其它有机物、藻类、蓝氏贾第虫（Giardia lamblia）和隐孢子虫（Cryptosporidium）等大的病原体、或水的性质迅速发生改变（如浊度、温度、传导系数或pH值，这些因素与气象条件或地表水密切相关）的地下水。受地表水影响的地下水源必须通过常规的过滤技术进行处理，或利用结合了消毒措施的其它过滤技术。后一种处理方法的使用必须得到公共供水系统所在州的批准，而且必须得到认证：使蓝氏贾第虫的去除率达到99.9%并（或）失去活性；病毒的去除率达到99.99%，并（或）失去活性；孢子虫的去除率达到99%。天然岸滤作用属于后一种处理方法。 地表水中的污染物浓度会在短期内发生变化。进入供水井的污染物浓度与污染物穿过河岸和含水层时的归宿和运移有关。影响污染物归宿和运移的因素包括污染物的化学性质、河岸和含水层的矿物和化学性质、水从河流到水井的运移时间、进入水井的地表水量。 为了确定“岸滤”的效果，对进入水井的地表水量进行了定量研究。了解供水井中污染物的浓度变化有助于水管理者利用岸滤，更好地利用水资源。USGS在内布拉斯加州和俄亥俄州对岸滤作用进行了深入研究。 内布拉斯加州的普拉特河 为内布拉斯加州林肯市提供处理水的是一个拥有40口生产井的井场，位于阿什兰（Ashland）附近。其中有两口井是位于普拉特河的一个岛屿上（Verstraeten，2000）。在强降雨之后，农业区的地表径流会使普拉特河中的除草剂浓度增加。当河水通过河床和附近含水层沉积物的过滤，以及与其它水混和后，集水井中除草剂的最大浓度会减少50～80%（Verstraeten，2000）。 在1997年5月末至6月初，河流和集水井中的除草剂浓度达到最高的滞后时间为5～7天。根据这一资料，水管理者可以确定与普拉特河中除草剂的浓度相比，从集水井抽取的水中除草剂的浓度会发生怎样的变化，从而可以在关键期选择拥有最佳水质的井，从而可以使需处理的水量最小。 俄亥俄州的迈阿密河
利用监测井和河流的电导率资料作时间序列的统计分析确定一个回归系数，来说明不同的滞后时间内，井水的电导率与河水的电导率的相关关系。最显著的滞后是由最大的回归系数确定的。回归系数为1.0，表示两个序列相关性非常好，只是时间上有所偏移。 研究者在河流和水井之间不同的滞后时间下，计算了每一口监测井的回归系数。将相关系数最高的滞后时间作为“平均”时间，即可以在某一口井中检测出迈阿密River电导率减小的时间。大多数监测井的相关系数表明在某一滞后时间，井水的电导率与河水的电导率高度相关。滞后时间的范围从监测井I的29小时到监测井C的235小时（10天）。最深的监测井D的数据的相关性并不是很高。监测井D的电导率与河水的电导率之间的相关性较差，说明在生产井抽水时，滤水管顶部附近的大部分水都来自于迈阿密River，而滤水管底部附近的大部分水来自于地下水的区域流动系统。 在内布拉斯加州普拉特河和俄亥俄州迈阿密River的研究成果，对于确定影响岸滤作用的水文地质因素以及认识这些因素对水质变化的影响具有重要的作用。根据这一客观的科学资料和对这些因素的深入了解，水管理者可以更好地利用岸滤作用为用户提供优质的饮用水。 （五）堪萨斯州威奇托市Equus含水层地下水人工补给示范项目 在许多地区，由于地下水的利用量的增加，导致了地下水的耗竭。减轻地下水耗竭的方法之一，是通过人工的方式补给含水层一些额外的水量。自19世纪以来，将多余的地表水以人工的方式补给到地下水的概念引起了广泛关注，该方法于1810年首次在苏格兰的格拉斯哥进行了试验。20世纪初，在美国的加利福尼亚州，人工补给的方法得到广泛应用。由于没有考虑到一些影响水向地下水系统流动的物理、化学和（或）生物因素，早期的一些尝试并不成功。每个潜在的人工补给区都具有不同的特征，这样就需要通过详细研究来确定控制人工补给的各个因素，以保证计划的成功。在堪萨斯州威奇托市的Equus含水层开展的地下水补给示范项目，是由联邦和当地政府机构与私人团体合作的一个研究项目，目的是确定通过人工补给来增加该区地下水供水量的可行性。 位于堪萨斯州中南地区的威奇托市目前的供水水源是威奇托井场和Cheney水库。威奇托市地下水赋存于Equus含水层，该含水层是堪萨斯州高平原含水层的最东部分。Equus含水层由冲积砂和砾沉积物组成，其中含有粘土和粉砂夹层。由于埋深较浅，饱和层厚度较大，水质良好，因此该含水层是重要的地下水源地（Ziegler等，1999）。地下水主要作为市政供水和灌溉用水，在1940～1992年之间，含水层的水位下降了 含水层地下水补给示范项目的主要目的是：评价人工补给技术和确定这些技术如何影响地下水水质、设计合理的补给系统、对当地下水从Little Arkansas河进入Equus含水层时可能出现的问题开展研究。初步评价人工补给对水质的影响，有助于确定该项目在技术上和经济上是否可行。需要对三项补给技术进行评价：通过水井直接注入；通过地表渗水盆地（surface-spreading basin）补给；通过补给沟渠补给。在该项目中，同时也对阻止咸水向威奇托迁移可能带来的附加效益进行了评价。 Equus含水层地下水补给实验示范项目由威奇托市、美国垦务局和USGS联合资助，由其它一些相关机构提供专家和技术。 USGS和威奇托市自1940年起开始合作，对Equus含水层和其周围的河流相互作用进行评价。USGS示范项目的目标是：评价人工补给对地下水水质的影响，记录Equus含水层研究区的水位变化，提供有关流量、水质和地下水水位的实时的资料。自1940年从水井中开始抽水以来，威奇托市的工作人员一直都在定期监测100多口水井的水位变化。USGS为这些数据提供了质量保证，而且定期编制水位图，来评价井场的储量变化。自1995年2月以来，USGS开始搜集地表水和地下水资料，计划这一工作至少要持续到2005年9月。通过这一案例研究，可以说明在制定和执行新的水管理对策时，水文地质监测工作的重要性。 补给方法 在Halstead补给示范区，用Little Arkansas河附近的导水井（diversion well）抽水，将地表水人工补给含水层。导水井距补给点约 在Sedgwick补给示范区，人工补给水来自Little Arkansas河。通过活性碳和聚合体去除有机污染物，使其沉淀，对地表水进行处理。之后将处理过的水抽到Sedgwick地区，通过地表渗水盆地和沟渠进行补给，在此过程中，要通过Sedgwick附近的监测井地下水水质和水量，以及水位变化。 1997～2001年间，通过Halstead示范区补给Equus含水层的水量有9.3亿加仑，大部分水是通过补给井进行补给。1997～2000年间，通过Sedgwick示范区补给Equus含水层的水量为1.36亿加仑。 人工补给的水源 人工补给的水源是Halstead附近和Sedgwick附近的Little Arkansas河。根据历史资料，确定河水最小流量和允许开采量。对于Halstead补给系统而言，在 人工补给对含水层水质的影响 Little Arkansas河流域的土地主要是作为农业用地，78%是农田，19%是草地，3%是城市用地和其它用途。为了提高农作物产量，在农田中施用了化学品，包括化肥（如硝酸盐、铵盐和磷酸盐）和农药（以甲草胺和莠去津为主）。在研究区，地表水中的氯离子浓度一般要高于Equus含水层中的氯离子浓度。在局部地区，地下水中的氯离子浓度很高，这是由于在过去的油气活动过程中，阿肯色河的高盐分水向地下迁移和天然盐溶解而引起的。家畜活动和上游排泄的废水，会造成Little Arkansas河大肠菌数量的增加。 如果从Little Arkansas河获取的补给水中含有污染物，会造成含水层中的水质下降。为了对这一问题进行评价，在人工补给前后对地表水和地下水进行取样，来确定人工补给对含水层水质的影响。对Little Arkansas河的Halstead和Sedgwick河段的地表水质进行监测。对29口水井的地下水质进行监测，其中包括Halstead和Sedgwick地区的水井以及在补给之前整个研究区的水井。自1995年2月以来，已经对4000多个水样的400多个组分进行了分析，这些组分包括溶解固体、总无机物、溶解无机物、有机物、细菌、挥发性有机物和放射性核物质等（Ziegler等，2001）。 初步分析表明，在启动补给工作后，一些水井中的某些组分浓度增加，不过低于目前（2003）USEPA的饮用水标准，接近于本底值。在Halstead补给点的一口监测井中，砷浓度超过了饮用水标准。在饮用水标准中，允许的砷最大浓度由50mg/L减至了10mg/L（美国环保局，2002）。 根据对补给水源和地下水中主要离子和微量元素的监测来评价人工补给的有效性。按照溶解氧的浓度来对微量元素进行分析，以确定补给水源进入到Equus含水层后，对氧化还原电位敏感的化学成分是以溶液形式存在，还是会沉淀下来。两个补给水源的化学成分和补给的含水层地下水相近，可能不会造成含水层堵塞，但当补给源中含有锰等其它离子且接触到氧气时，情况就会发生变化。在设计监测井时，需要使其尽可能少与氧气接触，以避免井被堵塞。 实时监测 实时监测可以提高监测的效率。采用这一方法，可以迅速确定水的化学组分的变化，以及是否在补给之前对原水进行处理。可以通过网络在线获取该项目的实时监测数据：http://ks.water./Kansas/equus/equus rtwq.html。 在实时监测时，可以选择一些替代指标来表示补给水成分的变化。例如，通过简单的回归方程，可以用三嗪（triazine）的浓度来表示莠去津浓度（1三莠去津＝0.81三嗪）。同时也建立了导电率与氯离子浓度之间的等式。 （六）加利福尼亚莫哈韦沙漠地区羚羊谷含水层恢复 根据USGS自1911年以来的研究成果，可以很好地了解羚羊谷地区的水文地质条件。为了减小对天然地下水的依赖，预防地下水的进一步耗竭，政府制定了含水层储存和恢复计划，每年需要有6个月以上的时间将地表水注入到选择的水井中。根据这一案例研究，可以说明由于地下水开采造成的地下水耗竭和地面沉降问题，相关的科研成果都和含水层注水实验、地下水流动模拟以及区域含水层存贮和恢复方案的优化模型有关。 羚羊谷位于加利福尼亚莫哈韦沙漠，圣加布里埃尔（San Gabriel）和达蒂黑恰比（Tehachapi）之间，属于干旱半干旱气候，降雨量不足 在20世纪初，小规模的农业灌溉主要依赖于圣加布里埃尔附近变化急剧不稳定的径流，在涡轮和电力设备发展起来之后，灌溉区的规模才越来越大。然而，在此之前，在该山谷中部和北部地区，普遍存在自流井，一个地区通常有多个泉存在，牧草茂盛，许多农户建造天然水井来灌溉农田和为牲畜提供饮水（Johnson，1911；Thompson，1929）。自上世纪30年代以来，人们开始抽取地下水灌溉紫花苜蓿、洋葱和萝卜，在50～60年代，对地下水的开采量达到了最高峰，每年超过30万英亩－英尺（ 在地下水开采达到高峰之后，随着兰喀斯特（Lancaster）、帕尔姆达尔(Palmdale)和爱德华兹（Edwards）空军基地的发展，农业地下水需求量开始下降，而市政和工业用水量开始上升。在上世纪70年代中期，通过州属的水利工程（SWP），加利福尼亚引水渠将主要来自于萨克拉曼多（Sacramento）－圣华金河（san Joaquin）三角洲的地表水引入到山谷，羚羊谷地区的水用户开始有两种重要的可选择水源，即引入的地表水和地下水。 地下水耗竭和地面沉降 地下水开采量一直大于天然补给量的现状造成了山谷含水层地下水水位的明显下降。在兰喀斯特，地下水水位下降了 在兰喀斯特地区，1930～1932年地面沉降量超过了 自上世纪90年代起，地下水的重要性和地表水—地下水资源的联合管理引起了广泛的关注，USGS对此进行了一些研究，提供了一些关于地下水资源的新信息，包括控制水流、储量和水质等。 面临着将来人口的增长，地下水资源的进一步耗竭，可替代的水资源越来越有限，羚羊谷的水管理者正在寻求利用现有水资源的最佳方法。将地表水贮存在地下含水层中是比较有前景的一种方法。在冬季直接将处理过的水注入到含水层系统中，以便于夏季（用水高峰期）利用，这是水资源利用的一种较好方法。 利用直接注入方式将水资源存贮在含水层中 USGS与洛杉矶公共工程部、供水系统和排污维护部（LACDPW），羚羊谷－East Kern 水务局（AVEK），在羚羊谷中南地区进行了一项研究，研究用直接注水方式为大规模的含水层储水的可行性。USGS收集和分析了一些地球物理、地球化学、测量学和其它一些水文地质资料，开发了模拟－优化模型，来评价大尺度范围的注水计划的可能性，以及评价引入到含水层的三卤甲烷（消毒副产物）的归宿。 含水层系统由三个含水层组成：上部、中部和下部含水层（Nishikawa等，2001）。这项研究主要是针对上部和中部含水层，这两个含水层与下部含水层之间无明显的水力联系。 为了评价多井注水项目的可行性和该工程对地下水动力、地面形变和地下水化学性质的影响，在1996～1998年间共进行了三次注水实验。此处所指的注水点包括两个相对新的抽水井，只在上部和中部含水层加了滤网，而且安装了一个嵌套水压计。在距注水点以北 试验方法 在注水点共进行过三次注水试验，此处将每一个试验都称为一个“循环”，具体的试验步骤包括以下几点： l在循环开始之前提前注水恢复水位； l注水； l水位恢复（存贮）； l抽水。 1996年4月启动了第一个循环，注水时间为28天。第二个循环注水时间为5个月，第三个循环注水时间为1.5个月（1998年）。 将处理过的水通过现有的管道注入到注水井中，注水后的恢复（存贮）时间为2～4周，这样可以使水位和含水层系统保持稳定。 通过水井和测压计确定水位响应 在研究区建立了一个水位监测网，包括13口抽水井和4套嵌套水压计（Metzger等，2001）。水位对注水的响应在注水井附近约为 采用重力变化确定水位响应 在“循环2”和“循环3”过程中，采用了不同的微重力方法对研究区的水位变化进行了研究。沿北－南和东－西方向的横剖面，在注水前和注水时进行了精确的重力测量。通过测得的重力变化，根据含水层的单位出水量（0.13）来评价水位变化。在注水井附近，水位的响应最大，随着与注水井距离的增加，水位的响应值相应地在减弱。 地面变形测量 在注水实验中，对地下水水位变化引起的两种地面变形进行了测量，这两种变形分别是地面沉降和暂时性的地面上升。根据地面上升来确定含水层系统的弹性（可逆）应力应变联系，这样就可以计算弹性含水层贮水系数。有几种方法可以测量注水循环中的地面变形量，包括钻孔伸缩仪、水平仪、高精度测量地面倾斜度仪和GPS方法（Metzger等，2001）。此处只讨论钻孔伸缩仪和水平仪。 钻孔伸缩仪 在距注水井以北 水平仪 在注水井附近120个基准点进行重复的水平仪测量，记录了注水过程中的地面变形量。在安装伸缩仪的位置，通过水平仪测量的结果与通过深（ 水化学 在开始第一次试验之前的一年，从注水井抽取地下水，对主要离子成分、微量元素和三卤甲烷（THMs）进行分析，在原水中没有监测到三卤甲烷，氯离子浓度为14mg/L。 在试验过程中注入到含水层系统的水化学性质随时间变化而变化。在“循环1”和“循环2”中，主要是注入萨克拉曼多－圣华金河三角洲的地表水，在“循环3”中，主要注入的是伊莎贝拉湖的水。在“循环1”和“循环2”，注入的三卤甲烷浓度为37µg/L，在“循环3”中，注入的三卤甲烷浓度为29µg/L（Fram等，2002）。 在“循环1”和“循环2”的注水期和贮水期，地下水中注入的三卤甲烷初始浓度高于注水井中测量的最大浓度。这是由于在注入的水中残留的氯会不断与有机碳反应的缘故。在井27P2，“循环1”和“循环2”，峰值浓度分别达到了109µg/L和127µg/L，而注入水的最大浓度只有62µg/L。相反，在“循环2”的抽水初期，在水井27P2的最大氯离子浓度为61mg/L，与注如水中氯的浓度相近（56mg/L），与注水过程测量的最终氯离子浓度相当（57mg/L）。 注入水的恢复——地下水中三卤甲烷的归宿 如果在抽水期不能将注入的水完全抽出，则会对地下水化学性质产生一定影响。对“循环2”氯离子的物质平衡进行计算，结果表明，开采水中，注入水约占51%。在该试验中，注水时间为156天，之后的开采时间是243天。 根据“循环3”的试验结果确定含水层中三卤甲烷的归宿。研究结果表明，生物降解并不是含水层中三卤甲烷衰减的主要机制。三卤甲烷可以作为含水层中的保守示踪剂，影响三卤甲烷浓度的主要作用似乎是注入水与地下水的混和作用。 采用六氟化硫（SF6）对混和作用进行定量分析，SF6是在“循环3”加入到注入水中的一种保守示踪剂。在抽水过程中，抽出的水中三卤甲烷和SF6的浓度不断下降。采用一个简单的数学混合模型来预测抽水阶段SF6、三卤甲烷和氯离子的浓度。 模拟－优化模型 在规划和管理大尺度范围的注水计划时，开发了模拟－优化模型。这是一个采用MODFLOW（McDonald和Harbaugh，1988）进行三维地下水流动模拟的校正数值模型，模拟周期为15年（1995～2010）。模拟模型与线性规划问题相结合，采用MODMA（Greenwald，1993）和LINDO（Schrage，1991）来确定2000～2010年针对给定目标和约束条件的最佳管理方案。这样，模拟－优化模型需要同时考虑含水层系统的物理性质和制度问题（约束条件），才能确定满足目标的最佳方法。 在兰喀斯特地区，注水计划的主要目标是阻止地下水水位下降，甚至恢复长期下降的地下水水位。这要求供水系统和排污维护部（LACDPW）采用现有的和已经规划好的水井和管线，实施五年的发展规划，以满足增长的用水需求。附加的模型约束条件包括，避免将来出现地面沉降问题，并对水井容量和抽水（注水）井的垂直分布情况进行详细说明。在优化方案中考虑了16口现有的水井和13口已经规划好的水井。 模拟－优化模型的初步结果 一般认为模拟－优化模型是一种适应性很强的方法，当对水文地质条件了解不多时，需要获取一些新的信息来改进模拟结果，对目标和（或）约束条件进行调整，以更好地满足将来的需求。采用当前的模型版本（2003）对10年管理周期中假设的几种注水方案结果进行比较。 模拟－优化模型的结果表明，如果地下水的需求量按计划增长，仅采用现有水井的注水计划会对现状有所改善，会有效地防止地面沉降，但是不能解决某些地区（非地面沉降影响范围内）的地下水水位下降问题。这种抽水率非常高的规划或许在实践中并不具有可持续的操作性。进一步的研究结果表明，在水井中配备相应的设施会防止地面沉降，而且在地面沉降影响区范围以外，水位会稳定在约束的最低水位以上，平均开采率较低。于是，分歧就产生了，这就需要在新水井中采用更为折中的方法实现既定目标，在维持水位和提高开采量的同时，避免在沉降区影响范围以外出现含水层系统压实和地面沉降的方法，或许才是解决问题的出路。 供水系统和排污维护部（LACDPW）正利用模拟－优化模型来指导规划，以满足羚羊谷不断增长的用水需求。规划的目标是满足供水需求，缓和将来的地下水耗竭和地面沉降。随着可靠的水文地质信息越来越多，可以对模型进行不断地更新，以便于将模型作为动态的管理工具，来提高将来的水资源管理工作。 （七）新泽西州五月岬市对咸水入侵的控制与预防 在许多海滨城市都存在咸水入侵问题，当抽取地下水时，会造成咸水向供水井的迁移。为了解决这一问题，已经发展了多种方法来控制咸水入侵和预防海滨含水层受咸水入侵的影响。这些方法包括，重新分配地下水开采量、建造水力屏障来阻止海水向陆地入侵、将咸水和盐水进行脱盐处理、通过观测井来监测咸水的运动等。 自上世纪40年代以来，五月岬郡（Cape May）的咸水污染问题已经造成了100多口水井被废弃。受咸水入侵影响最大的一个地区是五月岬市，已经废弃了5口公共供水井中的2口，而且减小了另外两口水井的开采量。在上世纪90年代初，该市启动了脱盐系统，将咸地下水脱盐为可饮用水。预期脱盐系统可以满足将来的用水需求，减缓咸水入侵的速度。 新泽西五月岬郡位于一个天然岛屿中，处于特拉华湾（Delaware Bay）和大西洋海水的包围之中。这是一个著名的旅游景区，居民人口和夏季的游客数量都呈明显的增长趋势。饮用水主要是通过岛上的5个淡水含水层获取，从这些含水层中取水已经造成了地下水水位下降，而且咸水向每个含水层入侵。咸水入侵范围沿岛屿南部人口集中区分布，包括五月岬角，五月岬市中心，Wildwood 岛屿，Lower Township和市区等（Lacombe和Carleton，1992，2002）。自上世纪40年代以来，咸水入侵问题造成了至少20口公共供水井和工业供水井，以及100多口家庭水井被废弃。 州和当地的水资源规划人员意识到，如果按照目前的开采率从含水层抽水，五月岬的咸水入侵问题会一直持续下去，而且为了满足用水需求加大开采量会加速这一问题。因此，开始研究可以替代的水源和新的供水管理方法。USGS在该区进行的研究，提供了大量水文地质资料。自上世纪40年代以来，USGS、新泽西州、和五月岬市合作，建造了大量的观测井网，来监测地下水水位和咸水入侵。目前（2003），通过75口水井来监测地下水水位变化，通过40口水井来监测咸水入侵。始于上世纪50年代，USGS与州、当地和其它联邦机构合作，对五月岬市的水文地质结构和水资源进行了研究（Gill，1962；Zapecza，1989；Spitz和Barringer，1992；Lacombe和Carleton，1992，2002；Schuster和Hill，1995；Voronin等，1996；Spitz，1996，1998）。这些研究为以后的工作提供了大量的水文地质资料和系统中咸水的运移信息，以及系统对现有和新的供水方案的响应信息等。这些资料收集和水资源调查研究工作，有助于供水者和规划人员设计特别的供水系统。 水文地质环境和咸水入侵历史 五月岬市是新泽西滨海平原水文地质单元的一部分，自南向西由厚的沉积物组成，深度在海平面以下 几乎五月岬市的所有供水都来自于地下水，抽取的地下水主要来自Cohansey和大西洋城地表以下 19世纪90年代，在地下水水位首次降至海平面以下后，在五月岬市开始出现咸水入侵问题（Lacombe和Carleton，1992，2002；Spitz，1998）。在开采地下水之前，每个含水层的水位都在海平面以上，地下水呈放射状地从内陆补给区流向低洼的河流、湿地、特拉华湾和大西洋。地下水开采使得承压含水层的地下水水位降低了100英尺，造成咸水向抽水井迁移。Estuarine砂岩、Cohansey和大西洋地表以下800英尺的砂岩含水层的咸水入侵问题最为严重。 五月岬市的咸水污染具有完整的历史资料（Gill，1962；Lacombe和Carleton，1992，2002；Blair等，1999）。该市主要的淡水来源是通过Cohansey含水层的5口水井开采地下水，从这些水井开采地下水造成了5口水井中的4口受到咸水的污染。该市的前2口水井（井1和井2）分别建于1940和1945年，距大西洋海岸线 在1985～1998年，五月岬市主要是通过这5口水井来满足每年的用水需求。在用水高峰期，从井3抽取的地下水有限，因此与井4和井5抽取的地下水进行混和，来满足用水需求（Blair等，1999）。另外，自1994年以来，启动了通过井4将水存贮在含水层的计划，向Lower Township市政工业局（Municipal utilities authority）购水，在旅游淡季将水注入到井中，在夏季旅游旺季，从水井中抽水。 五月岬市咸化的地下水脱盐 在上世纪90年代中期，五月岬市的工程师认为，到2000年，该市的人口增长会造成用水需求超过可利用的水资源。因此，该市寻求一种经济的替代品，来满足将来旅游业的发展，防止Cohansey含水层水位下降和咸水入侵问题，并在合理的时间周期内实现（Blair等，1999）。考虑了至少15种替代方案，包括从除Cohansey含水层以外的水源抽水、联合利用Cohansey含水层与其它含水层的地下水、联合利用淡水和抽取自大西洋城地表以下 最可行的方案是联合利用淡水和咸地下水。在该方案中，从2口大西洋城地表以下 咸水的淡化可以减轻该市对Cohansey含水层的依赖和咸水向含水层入侵的速度。USGS曾对咸地下水作为五月岬市的水源进行过评价（Spitz，1988）。USGS开发了数值模型来模拟五月岬市的含水层系统，结果表明，从井3抽取咸水，减少井4和井5的抽水量，会使Cohansey含水层咸水锋面的位置稳定，而且可以有效地延缓在将来咸水向井4和井5入侵的速度。 在脱盐系统中，需要建造2Mgal/d容量的脱盐工厂。采用反渗透（RO）膜过滤系统来处理溶解度达到2000mg/L的咸地下水。脱盐系统于1997年运行，当时建造了一个咸水供水井（拟建2口供水井）和一套RO系统。第一口供水井（井6）位于井3附近，第二口水井（井7）建造于1998年，位于井5附近。由于该脱盐系统可以满足用水高峰期的需求，2000年，全国地下水联合会为设计该系统的Metcalf&Eddy公司颁奖。 在设计咸水供水井的过程中，Metcalf&Eddy公司与USGS的水文地质学家协商，研究五月岬市地区大西洋城地表以下 三、地下水管理科学的机遇和挑战 在将来，地下水管理科学同时面临着机遇和挑战。主要的挑战是，地下水管理科学不仅仅是一个地下水管理问题，更重要的是如何对水资源进行全面而综合的管理问题。随着人口的增长，越来越需要充分地利用现有的水资源，并建造相应的水资源基础设施。区域范围的地下水通常是许多社区和行政区共享水资源，这意味着在水资源保护方面也必须承担平等的义务。科学管理地下水的方法只有在良好的社会政治环境下才可能取得成功。 在地方和地区范围内对地下水管理问题进行研究时，特别是当面临着地下水趋于耗竭，或水质恶化的情况下，科学起着极为重要的作用。局部或流域范围内的地下水管理对策得益于对区域地下水流动系统的监测和描述，这是模拟区域地下水流动和管理方案的基础。水文地质监测对于地下水流域管理极为重要，因为它可以提供与系统过去和现在相关的信息，而且可以用于调整管理计划。然而，为了使水文地质监测工作更为有效，同时应当获取地下水补给和排泄的相关资料。根据预测地下水的流动和运移模型，可以制定不同的管理方案。随着对地下水系统的了解加深，可以减少管理的不确定性，并可以提高水资源的利用率。 显然，在强调水资源的有限性时，为了对水资源进行有效的管理，需要将地表水和地下水资源作为一个整体（Winter等，1998）。对这两种资源进行联合管理，以便于能够提供可持续的水源，避免地下水开发过程中引发的不利影响，如案例所述。基于科学分析的有效管理方案应当包括模拟管理模型，根据该模型可以了解流域的地下水和地表水资源对用水和气候变化的响应。在许多流域，都需要具备实时资料和模拟信息，以便于更好地管理水资源。在将来，随着区域范围内准确的气候预测和经济有效的咸水淡化技术的成熟发展，将为改善淡水供应和水资源管理奠定坚实的基础。在美国的许多地区，可利用的饮用水将会不可避免地限制当地的发展，例如，在华盛顿的瑟斯顿，由于不能通过建造新井来获取足够的用水，限制了一些居民区的发展，因为根据濒临绝种动植物法（Endangered Species Act），需要保护溯河产卵的鱼类，必须减少地下水的开采量。 两种优化利用水资源的方法，分别是人工补给和地表水与地下水的联合利用。将过剩的地表水存贮在地下，以便在用水高峰期利用。这种做法的益处是能够确保供水更为稳定，但是同时也存在着缺陷，如地下水水质下降等。所以，不但需要对将要存贮在地下水系统中的补给水（经过处理和未经处理的水）的相关的物理、化学和生物作用进行深入的研究，而且需要对饱和带和非饱和带的流动系统进行分析，以确定水的运移和消毒副产物的归宿。同时，还需要深入了解补给水与天然地下水和岩石（组成含水层系统的结构）的无机和有机地球化学作用，以确保补给水不至于造成地下水水质恶化，保证将来的供水水质。另外，也需要进行微生物研究，保证补给效率，研究地表以下和地下水系统潜在病原体的归宿和运移。 在开发地下水时，可能会诱发地下水环境问题，如地面沉降、含水层储量减少、水生生态系统退化、水质下降等。但是究竟会诱发何种问题、持续时间会有多长、从含水层系统抽取更多的地下水或将水质较差的地表水补给含水层所面临的风险和获取的利益状况如何、以及在评价对地下水进行管理的成本、在可接受的成本和风险范围内，确定地下水资源的可持续利用能力等问题时，科学起着重要的作用。这其中，尽管存在着许多挑战，但是对地下水资源进行保护和优化利用的过程中，不乏更多新的机遇。 |
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