地下水水質與水位預警研究進展

地下水水質與水位預警研究進展

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)調發(fā)展,加強對地下水資源的管理,人們用現(xiàn)代的科學的預測預警方法,對地下水進行預警分析。所謂預警就是事先發(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。地下水預警可分為水質預警與水位預警兩個方面,根據(jù)地下水水質、水位各自不同的特點建立地下水水質和水位的預警的指標體系。選擇與地下水系統(tǒng)密切相關的一系列指標,作為地下水預警的指標,并且根據(jù)相關的標準,確定地下水水質、水位預警的警度。一、河流水質預警系統(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,水質預警預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警系統(tǒng)和多瑙河流域水污染預警系統(tǒng)在區(qū)域水污染控制中都發(fā)揮了重要作用。水質預警預報方法目前已經(jīng)從單純的物理和化學指標發(fā)展到利用微生物指標來預警。如2001年WilliamH.vanderSchalie采用魚的充氧性指標來預警表征地下水污染狀況。目前在美國、德國、日本、澳大利亞都有技術成熟的在線水質自動監(jiān)測系統(tǒng)。WPMS可盡早發(fā)現(xiàn)水質的異常變化,為防止下游水質污染迅速做出預警預報,及時追蹤污染源,從而為管理決策服務。因為河流的水質變化較快,而較少應用于地下水。一些在20世紀五六十年代被嚴重污染的河流,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警系統(tǒng)后使水體有了根本性的好轉。同時也從單一的預警水環(huán)境問題發(fā)展到利用預警系統(tǒng)進行農業(yè)等生產(chǎn)活動預警并取得了顯著的成果。二、生態(tài)環(huán)境預警我國水環(huán)境預警起步于2000年左右,研究的主要內容是對水質進行預警,通過對水質的預警達到對水環(huán)境的預警。國內學者開始對水環(huán)境中其它指標進行單項或復合預警的研究。地下水水質、水位預警的研究則主要在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,對干旱內陸河流域生態(tài)環(huán)境預警分析問題進行了研究,提出以綠色當量面積作為該類流域主要生態(tài)環(huán)境預警指標,建立了基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡的生態(tài)環(huán)境預警模型,給出了生態(tài)環(huán)境質量量化與預警分析方法。2002年,吉林大學楊建強博士對區(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)狀與未來進行了預警研究。2002年洪梅等定義地下水水質預警是對地下水水質現(xiàn)狀及變化趨勢適時給出相應級別警戒信息的方法,包括狀態(tài)預警和趨勢預警兩部分,并以GIS技術為核心,將水質預警模型與GIS技術相結合,建立了地下水水質預警信息系統(tǒng)。同年,董志穎等對水質預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-濃度進行模擬和預報。國內學者湯潔、張蕾、朱平、李升等人在地下水預警研究上都有建樹。三、地下水預警方法總結1.地下水預警結構(1)地下水水質水位明確警義是指確定研究對象即警素的劃分。警素是構成警情的指標,也就是地下水水質水位出現(xiàn)了什么樣的警情。地下水水質水位預警就是要將地下水水質、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部機制導致地下水系統(tǒng)出現(xiàn)警情。警源可分為兩類:內源(內因)與外源(外因),警情往往是內外因結合起作用的結果。(3)生警源的原則分辨警兆是預警過程中的關鍵環(huán)節(jié)。警情產(chǎn)生于警源,警源只有經(jīng)過一定的量變和質變過程,才能導致警情的爆發(fā)。在這一過程中包含著警情孕育、發(fā)展、擴大和爆發(fā)。(4)建立模型的建立預報警度是預警的目的。警度預報有兩種方法:一是建立關于警素的普通模型,先作出預測,然后根據(jù)警限轉化為警度。一是建立關于警素的警度模型,直接由警兆的警級預測警素的警度。(5)利用宏觀調控工具根據(jù)預報的警度來采取相應的措施,運用宏觀調控工具,對有預警的地下水質水位及時采取適用于當?shù)氐臏p災、防災、控制等措施,使地下水步入良性循環(huán)的發(fā)展軌道。2.識別風險的一般要求地下水水質水位的變化是可測定的。預警指標的選擇首先應該是容易實行量化處理的指標,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險;最后要選擇那些在顯示地下水水質水位風險方面具有較強的代表性或難于替代的指標,從而構建出一個能夠滿足風險監(jiān)測與預警需要的最小完備指標集。3.環(huán)境分析方法地下水預警研究是地下水研究的新領域,地下水預警的方法依據(jù)其機制可分為黑色、黃色、紅色、綠色、白色預警方法。每一種預警方法都有一套基本完整的預警程序,只是在具體應用方面有所不同。黑色預警方法:根據(jù)警素的時間序列波動規(guī)律直接預警。這種預警方法不引入警兆等自變量,只考慮警情指標的時間序列變化規(guī)律。黃色預警方法:也稱作灰色分析。它根據(jù)警兆的警級預報警素的警度,是一種由內因或外因到結果的分析。紅色預警方法: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,最后結合預測者的直覺、經(jīng)驗以及其他專家學者的估計進行預警。綠色預警方法: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,預測地下水環(huán)境系統(tǒng)的未來狀況。白色預警方法:在基本掌握警因的條件下用計量技術進行預測。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警研究都有指導性和工具性作用。四、優(yōu)缺點進行完善我國地下水預警研究已經(jīng)形成了一定的理論框架,在預警的過程中會不斷地探索出一些新的實用方法并且還應該對預警理論的缺點進行完善。目前水質水位