地下水水質(zhì)與水位預(yù)警研究進展

地下水水質(zhì)與水位預(yù)警研究進展

地下水是水資源的重要組成部分，是人們生活和生產(chǎn)水的重要來源。隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展,人們對水資源的需求量越來越大。由于對地下水的過量開采,造成地下水水質(zhì)不斷惡化,水位持續(xù)下降。為保證水資源與經(jīng)濟的協(xié)調(diào)發(fā)展,加強對地下水資源的管理,人們用現(xiàn)代的科學(xué)的預(yù)測預(yù)警方法,對地下水進行預(yù)警分析。所謂預(yù)警就是事先發(fā)出警告,是指通過對某一警素的現(xiàn)狀和未來進行測度,預(yù)報不正常狀態(tài)的時空范圍和危害程度,以及提出防范措施的一種管理活動。地下水預(yù)警可分為水質(zhì)預(yù)警與水位預(yù)警兩個方面,根據(jù)地下水水質(zhì)、水位各自不同的特點建立地下水水質(zhì)和水位的預(yù)警的指標(biāo)體系。選擇與地下水系統(tǒng)密切相關(guān)的一系列指標(biāo),作為地下水預(yù)警的指標(biāo),并且根據(jù)相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn),確定地下水水質(zhì)、水位預(yù)警的警度。一、河流水質(zhì)預(yù)警系統(tǒng)對城市軌道交通發(fā)展國外在地下水方面,采用預(yù)警方法來研究和解決地下水問題的理論還不多見。自20世紀(jì)70年以來,隨著突發(fā)性水環(huán)境污染事故的不斷發(fā)生,水質(zhì)預(yù)警預(yù)報方法的研究得到了廣泛的重視,并且發(fā)揮了巨大的社會、經(jīng)濟效益,其中萊茵河流域水污染預(yù)警系統(tǒng)和多瑙河流域水污染預(yù)警系統(tǒng)在區(qū)域水污染控制中都發(fā)揮了重要作用。水質(zhì)預(yù)警預(yù)報方法目前已經(jīng)從單純的物理和化學(xué)指標(biāo)發(fā)展到利用微生物指標(biāo)來預(yù)警。如2001年WilliamH.vanderSchalie采用魚的充氧性指標(biāo)來預(yù)警表征地下水污染狀況。目前在美國、德國、日本、澳大利亞都有技術(shù)成熟的在線水質(zhì)自動監(jiān)測系統(tǒng)。WPMS可盡早發(fā)現(xiàn)水質(zhì)的異常變化,為防止下游水質(zhì)污染迅速做出預(yù)警預(yù)報,及時追蹤污染源,從而為管理決策服務(wù)。因為河流的水質(zhì)變化較快,而較少應(yīng)用于地下水。一些在20世紀(jì)五六十年代被嚴(yán)重污染的河流,如芝加哥河、泰晤士河、萊茵河、魯爾河、俄亥俄河、密西西比河等利用水污染預(yù)警系統(tǒng)后使水體有了根本性的好轉(zhuǎn)。同時也從單一的預(yù)警水環(huán)境問題發(fā)展到利用預(yù)警系統(tǒng)進行農(nóng)業(yè)等生產(chǎn)活動預(yù)警并取得了顯著的成果。二、生態(tài)環(huán)境預(yù)警我國水環(huán)境預(yù)警起步于2000年左右,研究的主要內(nèi)容是對水質(zhì)進行預(yù)警,通過對水質(zhì)的預(yù)警達到對水環(huán)境的預(yù)警。國內(nèi)學(xué)者開始對水環(huán)境中其它指標(biāo)進行單項或復(fù)合預(yù)警的研究。地下水水質(zhì)、水位預(yù)警的研究則主要在2000年以后得以拓展。從理論界來看,1999年,邵東國等人以甘肅省河西走廊疏勒河流域為例,對干旱內(nèi)陸河流域生態(tài)環(huán)境預(yù)警分析問題進行了研究,提出以綠色當(dāng)量面積作為該類流域主要生態(tài)環(huán)境預(yù)警指標(biāo),建立了基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的生態(tài)環(huán)境預(yù)警模型,給出了生態(tài)環(huán)境質(zhì)量量化與預(yù)警分析方法。2002年,吉林大學(xué)楊建強博士對區(qū)域水環(huán)境問題作了一定的研究,對吉林西部平原水資源環(huán)境的現(xiàn)狀與未來進行了預(yù)警研究。2002年洪梅等定義地下水水質(zhì)預(yù)警是對地下水水質(zhì)現(xiàn)狀及變化趨勢適時給出相應(yīng)級別警戒信息的方法,包括狀態(tài)預(yù)警和趨勢預(yù)警兩部分,并以GIS技術(shù)為核心,將水質(zhì)預(yù)警模型與GIS技術(shù)相結(jié)合,建立了地下水水質(zhì)預(yù)警信息系統(tǒng)。同年,董志穎等對水質(zhì)預(yù)警理論進行了初步研究。2003年7月,李宏卿等人采用VisualModflow對長春城區(qū)的地下水位、C1-濃度進行模擬和預(yù)報。國內(nèi)學(xué)者湯潔、張蕾、朱平、李升等人在地下水預(yù)警研究上都有建樹。三、地下水預(yù)警方法總結(jié)1.地下水預(yù)警結(jié)構(gòu)(1)地下水水質(zhì)水位明確警義是指確定研究對象即警素的劃分。警素是構(gòu)成警情的指標(biāo),也就是地下水水質(zhì)水位出現(xiàn)了什么樣的警情。地下水水質(zhì)水位預(yù)警就是要將地下水水質(zhì)、水位產(chǎn)生影響的各要素變化過程中要出現(xiàn)的“危險點”或“危險區(qū)”做出預(yù)計,發(fā)出警報,從而為地下水管理、控制、決策提供依據(jù)。(2)地下水系統(tǒng)警情植物產(chǎn)生的原因警源是警情產(chǎn)生的根源。由于警源的存在,使地下水資源系統(tǒng)始終存在著產(chǎn)生危機的可能性,警源的異常變化可以通過破壞地下水系統(tǒng)正常的外部條件與內(nèi)部機制導(dǎo)致地下水系統(tǒng)出現(xiàn)警情。警源可分為兩類:內(nèi)源(內(nèi)因)與外源(外因),警情往往是內(nèi)外因結(jié)合起作用的結(jié)果。(3)生警源的原則分辨警兆是預(yù)警過程中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。警情產(chǎn)生于警源,警源只有經(jīng)過一定的量變和質(zhì)變過程,才能導(dǎo)致警情的爆發(fā)。在這一過程中包含著警情孕育、發(fā)展、擴大和爆發(fā)。(4)建立模型的建立預(yù)報警度是預(yù)警的目的。警度預(yù)報有兩種方法:一是建立關(guān)于警素的普通模型,先作出預(yù)測,然后根據(jù)警限轉(zhuǎn)化為警度。一是建立關(guān)于警素的警度模型,直接由警兆的警級預(yù)測警素的警度。(5)利用宏觀調(diào)控工具根據(jù)預(yù)報的警度來采取相應(yīng)的措施,運用宏觀調(diào)控工具,對有預(yù)警的地下水質(zhì)水位及時采取適用于當(dāng)?shù)氐臏p災(zāi)、防災(zāi)、控制等措施,使地下水步入良性循環(huán)的發(fā)展軌道。2.識別風(fēng)險的一般要求地下水水質(zhì)水位的變化是可測定的。預(yù)警指標(biāo)的選擇首先應(yīng)該是容易實行量化處理的指標(biāo),不要選擇抽象程度過高或過廣的因素;其次具備可靠性與靈敏性,能夠及時識別面臨的風(fēng)險;最后要選擇那些在顯示地下水水質(zhì)水位風(fēng)險方面具有較強的代表性或難于替代的指標(biāo),從而構(gòu)建出一個能夠滿足風(fēng)險監(jiān)測與預(yù)警需要的最小完備指標(biāo)集。3.環(huán)境分析方法地下水預(yù)警研究是地下水研究的新領(lǐng)域,地下水預(yù)警的方法依據(jù)其機制可分為黑色、黃色、紅色、綠色、白色預(yù)警方法。每一種預(yù)警方法都有一套基本完整的預(yù)警程序,只是在具體應(yīng)用方面有所不同。黑色預(yù)警方法:根據(jù)警素的時間序列波動規(guī)律直接預(yù)警。這種預(yù)警方法不引入警兆等自變量,只考慮警情指標(biāo)的時間序列變化規(guī)律。黃色預(yù)警方法:也稱作灰色分析。它根據(jù)警兆的警級預(yù)報警素的警度,是一種由內(nèi)因或外因到結(jié)果的分析。紅色預(yù)警方法:依據(jù)警兆以及各種環(huán)境社會因素進行估計。這是一種重視定性分析的環(huán)境分析方法,主要是對影響警情指標(biāo)變動的有利因素與不利因素進行全面分析,然后進行不同時期的對比研究,最后結(jié)合預(yù)測者的直覺、經(jīng)驗以及其他專家學(xué)者的估計進行預(yù)警。綠色預(yù)警方法:依據(jù)警素的生長態(tài)勢,特別是地下水系統(tǒng)趨勢變化的“綠色”程度,預(yù)測地下水環(huán)境系統(tǒng)的未來狀況。白色預(yù)警方法:在基本掌握警因的條件下用計量技術(shù)進行預(yù)測。粗糙集理論(RS)、支持向量機理論(SVM)、灰色理論模型(GreyModel)、混沌(chaos)理論、ARMA模型理論、突變論理論(CatastrophicTheory)和地理信息系統(tǒng)理論等對于地下水預(yù)警研究都有指導(dǎo)性和工具性作用。四、優(yōu)缺點進行完善我國地下水預(yù)警研究已經(jīng)形成了一定的理論框架,在預(yù)警的過程中會不斷地探索出一些新的實用方法并且還應(yīng)該對預(yù)警理論的缺點進行完善。目前水質(zhì)水位