地下水管理模式的发展历史及存在的问题

1959年，托德(1959)在其经典论著《地下水水文学》中明确提出了地下水管理的概念。自20世纪60年代以来，迅速发展的地下水数值模拟模型极大地促进了地下水定量化的研究。现代模拟技术可以建立不稳定、各向异性、非均质、三维地下水流等复杂水文地质条件的地下水系统模拟模型。地下水模拟模型可用于模拟地下水系统的状态(如地下水位、地下水的化学成分)，识别水文地质条件，评价地下水资源和预测地下水系统的状态，为地下水开发利用提供决策依据。

“备选方案法”是确定地下水管理方案的一种相对简单的方法。给定多种条件(如开采方案)，通过多次运行模拟模型，可以得到不同条件下的地下水状态。在给定的目标下，通过多种方案的比较，选择目标较好的方案作为决策方案，这是20世纪70年代以前确定地下水开发利用方案最常用的方法。这种方法由于需要多次运行模型，比较不同方案下的地下水状态，耗时较多。这不是严格意义上的“最优解”，没有用运筹学的方法全面综合考虑管理目标和各种约束条件，从而得不到理论意义上的最优地下水开发利用方案。

将描述地下水状态的数值模拟模型与优化技术相结合，可以形成分布参数地下水管理模型。Deninger(1970)建立了第一个地下水管理模型，Maddock(1972a)推导了地下水系统的单位脉冲响应函数，提出了建立大尺度地下水水力管理模型的最有效方法——响应矩阵法。阿瓜多和雷姆森(1974)首次将地下水数值模型与线性规划相结合，明确提出了建立地下水水力管理模型的嵌入方法。从20世纪70年代到80年代初，国外主要研究地下水水力管理模型，并提出了完善的理论和实用的建模方法。Gorelick(1983)总结了分布参数地下水管理模型，特别是水力管理模型。Yeh(1991)、Bredehoeht(1994)和Wagner(1995)分别对分布参数地下水管理模型中的供水模型、政策评估与分配模型和模拟优化模型进行了详细的总结。

我国在20世纪80年代中后期开始地下水管理模型的研究和应用，最早见于邵的硕士论文(1985)，发表的著作见于林、焦宇的《石家庄市地下水资源的科学管理》(1987)，徐娟明等人(1988)系统论述了分布参数地下水水力管理的建立。现阶段，我国几乎所有以地下水为主要供水水源的大城市都针对不同问题建立了地下水管理模式，如石家庄、Xi、哈尔滨、长春、济南、包头等。一些典型地区还建立了区域地下水管理模式，如河北平原、河西走廊和柴达木盆地。这项研究极大地推动了我国地下水科学管理的进程，但由于当时建模考虑的因素多为水力因素，模型结构相对简单，大多归结为求解线性规划问题，极大地限制了模型的实用性和可操作性。

20世纪90年代以来，随着可持续发展理论的引入、人们对环境问题的关注以及运筹学算法的进步，地下水管理模型无论是管理内容还是建模方法都有了很大的进步。国内外学者致力于研究更实用的地下水管理模型，涉及更多的社会、经济和环境因素，并将多目标、非线性作为模型结构中的热点和难点问题。邵(2000)总结了分布参数地下水管理模型的最新发展，重点研究了地下水水质、多目标和非线性管理模型。

二、存在的问题

国外80年代初和国内80年代末是地下水管理模型研究的高潮，但目前处于稳定或低潮阶段。首先，地下水管理模型的实用性和可操作性有待提高，没有强调可持续发展的建模原则。由于算法的限制，模型过于简化；第二，管理者对地下水管理模型期望过高，要把地下水管理模型摆正位置。它只是水资源管理和规划、区域总体发展规划的决策依据，不能完全替代。具体来说，有如下六个问题:

(1)国外有很多管理模型的理论研究和实例，但很少建立实用的管理模型。比如对于假设的例子，可以建立非常复杂的数学规划问题，但是对于大规模的实际问题，这样的数学规划往往很难求解。我国建模实际问题较多，但模型简单，大多归结为求解线性和单目标规划问题，不能准确描述地下水系统及其管理问题，导致模型实用性和可操作性较差。

(2)基于可持续发展原则的地下水管理模式考虑的因素越来越多，结构也越来越复杂。然而，目前的数学规划方法不能完全满足管理模型的需要，因此在大多数情况下，管理模型必须进行简化，这影响了模型结果的准确性。

(3)考虑建模的因素，一般来说，经济和社会是宏观的，而地下水的相关要素，如水位、抽水能力、水化学成分等是相对微观的。如何处理管理模式中宏观与微观要素的关系，值得进一步研究。

(4)地下水系统是动态的，应建立多阶段(不稳定)的地下水管理模式。而对于分布参数系统，多级意味着系统的决策变量和状态变量大大增加。目前静态数学规划方法无法处理大规模、多阶段的管理问题，动态规划无法处理分布参数系统的优化问题。

(5)通常，数值模拟模型和管理模型耦合形成分布参数地下水管理模型。在管理模型中，地下水状态受模拟模型控制，但数值模拟模型得到的地下水状态(如地下水位)并不是真实水位，一般是单元或网格的平均值。如何纠正管理模式中的这一错误，需要进一步研究。

(6)对于大规模的地下水质量管理模型，特别是对于水量和水质都作为决策变量的不稳定管理模型，由于模型的复杂性，目前还没有有效的建模方法和求解方法。

虽然地下水管理模式还有许多问题需要解决，但应该看到，地下水管理模式的进步和使用极大地促进了地下水的科学管理和开发利用。随着研究的深入和相关学科的进步，地下水管理模型的实用性和可操作性将得到提高，并将在地下水资源的合理开发利用乃至宏观经济决策中发挥更加重要的作用。