地下水功能评价一般流程
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发布时间：2022-04-24 14:29
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时间：2023-10-16 11:05
（一）前期准备工作
需要查明工作区下列情况：
1）流域尺度地下水系统的边界条件、性质、分层及分区带界线，以及地下水动态变化与气候、地表水及生态和地质环境之间关系。
2）人口、经济社会和农业、人工生态、自然生态分布状况，水资源与地下水开发利用状况及相关的生态与地质环境问题。
3）地下水调查、评价和研究程度，与地下水相关的规划情况。
4）地下水的资源数量和质量评价程度，包括地下水的开采资源、储存资源、补给量、均衡内水位变差、降水量、实际开采量等数字图系和相关数据库情况。
5）生态遥感调查、地质环境问题调查和地下水系统衰变状况调查，包括与地下水位密切相关的陆表植被、湖泊、湿地、土地荒漠化或盐渍化动态变化情况。
（二）地下水功能评价的主要工作流程（图5-3）
1.明确评价目的、要求和对象
首先，需要明确评价区域及其系统特征，为建立研究区地下水系统的层次结构模型和评价指标体系奠定基础。然后，明确评价目标，包括研究主体的系统结构与组成和评价对象。这里的研究主体是指具有完整水循环特征的地下水系统，要求具有整体统一性和层次结构之间关联性的具体描述。评价对象是指具体评价项目，例如主导功能评价或是目标功能评价。不同类型的评价，其过程有所不同。
具体工作包括：
1）确定研究范围：研究范围是指评价工作区的范围，具体表征为地下水功能评价的系统层所涉及的空间范围。要求按流域尺度水循环系统确定评价范围（系统层），应使评价区的地下水系统具有完整性和系统内的层次性，包括分区、分带性。在此基础上，建立地下水系统空间结构，并进行层次与特征分析。
2）为了合理确定研究范围，需要开展下列基础工作：①掌握研究区地下水循环的时空演化规律和流域尺度地下水系统空间结构状况，建立流域尺度地下水系统概念模型，明确系统界面间属性。②查明水文地质基本条件和地下水流运动过程，包括补给条件、埋藏条件和构造控水状况，以及地下水系统与地质环境和生态环境之间互动关系状况，重点查清它们的空间分区和分带特征，重视水文地质单元的区位特征描述。③需要收集研究区的下列资料，包括：区域构造分布图、水文地质图、地下水水位及埋深等值线图、地下水资源及模数分布图、地下水可利用资源分布图、地下水资源开采程度与模数分布图、地面沉降等环境地质问题分布图、地表水文-生态状况有关图件、地表植被状况分布图和土地质量及利用状况分布图等。
3）明确评价模式是目标功能评价或是主导功能评价，还是二者同时评价。
图5-3 地下水功能评价主要流程
2.建立统一的评价尺度、标准和体系
不同的评价尺度，对基础数据的精度和控制点数量要求不同，进行基础数据处理的要求也不同。一般适宜采用1：25万～1：5万比例，开展地下水功能评价。如果比例尺过小，例如1：100万或1：50万，则难以比较具体地阐明实际问题；如果比例尺过大，例如1：2万或1：5000，则数据处理工作量太大。
3.梳理和确定主要影响因素
影响地下水功能状况因素涉及驱动因子类、状态因子类和响应因子类，它们的交互、耦合或叠加影响地下水功能状况。在三种类型影响因子中，可能包含着几十个，甚至数百个具体的影响因子，但是起着主导作用或发挥重要作用的影响因子是有限的。因此，该项工作需要按项目的目标和任务的具体要求对影响因子进行调查、资料收集、各种因素对比与分析、甄别，将有限的主要影响因子调查和遴选出来，为建立地下水功能评价指标体系奠定基础。
要求：①尽可能利用已有数据和资料，适度开展补充性调查。②将所有影响因子归纳为驱动因子、状态因子和响应因子三种类型，分别建立调查表格和确定具体要求。③按评价需求调查、收集、识别和整理基础资料。④在上述工作基础上，按资源功能、生态功能和地质环境功能不同类型，分别进行数据、资料归类和建档。⑤根据指标层的要求，分析和遴选，确定主要影响因子，归纳构建D层指标体系的基础数据。⑥调查工作，还包括查明地下水补给、径流和排泄条件变化状况，地下水位变化与开采量之间关系；查明地下水补给条件变化和地下水位动态变化的驱动因素及其互动变化规律，包括地下水位变化与气候、人口、城镇发展、工农业发展、土地利用、水利工程建设和科技进步等之间关系，突出地质环境和生态环境对地下水位变化的响应过程与规律（关系）研究。
4.构建区域性评价指标体系（图5-1）
这里的“区域”是指西北地区、华北平原或东北地区。如果每一个工作区都各自建立自身功能需要的地下水功能评价指标体系，则不同工作区之间将无法进行对比或成果耦合集成。例如在华北平原，如果北京、天津、山东、河北和河南各省市分别采用它们自己的指标体系进行地下水功能评价，就无法集成华北平原地下水功能评价成果，而且各省市地下水功能评价成果也无法进行比对。尽管它们属于同一地下水系统，评价结果可能统属“可持续一般”或“资源功能较强”类，但是由于不是采用统一评价指标体系，所以内涵是不同的。如果地下水功能评价成果仅限各省市范围内使用，仅作为省市一级有关规划或研究使用，则没有较大技术问题。
构建指标体系的主要步骤如下：①按项目任务书的要求，并考虑工作区的实际情况和数据获取难易程度，确定要素指标的数量和具体指标，在归类基础上组成要素指标（D）层。②根据地下水功能评价有关规则和技术要求，梳理规则与指标群之间的层次关系和群组关系，然后分别组合成属性指标（C）层和功能准则（B）层。③在一、二步的基础上，形成体系。要求：在同一地区，尽可能建立归一、规范和实用的评价指标体系；由粗至细，逐步完善工作区地下水功能评价指标体系；由上至下构建评价体系的层次结构模型，分为四层结构：即由系统目标层（A）、功能准则层（B）、属性指标层（C）和要素指标层（D）组成。
5.收集相关基础数据，进行数据归类、预处理与分析，建立相关专属数据库
这是地下水功能评价最为烦琐、工作量最大的一个环节，又是评价成果质量的关键基础。其中涉及类似地下水位动态的连续系列点源数据资料、类似开采量的斑块统计调查资料、生态遥感或地面沉降面状阶段资料、地下水补给资源或储存资源等条带区划资料等。处理上述这些不同类型的资料，采用的方法各不相同，详见以下有关章节。
6.评价分区及单元
利用MapGIS空间分析技术在数字地理底图实现评价所需的分区和单元剖分。剖分单元是地下水功能评价的最基本区，单元的大小反映评价成果的分辨率。地下水功能评价过程中的分区、分带和剖分单元，其目的是减少资料分析和评价指数计算过程的盲目性、不必要重复工作和提高针对性，它主要是服务于建立判断矩阵，与D层资料选取和数据处理以及与单元数据获取都没有直接关系。
为了合理控制实物工作量，同时又能够较客观地表征流域尺度地下水功能评价系统的空间分布规律，需要在单元剖分之前进行评价分区或分带划分。分区、分带的范围都不宜过大，或过小，应以能够较客观地表征流域尺度地下水功能评价系统的空间分布规律为准则。
（1）分区基本原则与编号规则
分区基本原则：①在区域地下水资源评价的基础上，进行地下水功能评价的分区。②一般按地下水资源评价的分区要求，确定评价范围，不宜割裂地下水循环系统的完整性和相对性。③主要依据是自然地理、地貌、地下水埋藏状况及其补给-径流-排泄等条件，包括地下水资源和水文地球化学分布规律。分区的要求是确保地下水循环系统的完整性、相对性和分带性。在分区基础上，进行单元剖分。④可将完整的流域尺度地下水循环系统划分至第4级区，其中上、中、下游段作为第一级分区；在各一级分区内，根据水文地质条件，划分第二级分区；然后根据各二级分区的补给、径流和排泄以及地下水埋藏状况，划分入渗补给带、径流储存带、滞留储存带等，作为第*分区；在第*分区内，根据项目对成果精度的要求，网格剖分大小适宜的单元，作为评价中数据处理的基本区。⑤对于难以划分上、中、下游段的地下水循环系统，可直接划分区带，然后剖分基本单元。
分区编号规则：①分区编号，必须按自上而下、由左至右的顺序进行，否则计算程序难以识别和信息反馈。②分区编号的数值，必须按1，2，3……的整数序列连续进行，否则计算程序无法辨认。
（2）单元剖分原则与编号规则
单元剖分原则：①单元是基础数据代表的最小面积区，它反映成果的评价精度，所以单元剖分是地下水功能评价所必须完成的基础工作。②一般可采用正方形网格剖分，单元间距可根据项目的精度要求、评价区域的大小、数据资料丰富程度和研究区水文地质条件的复杂程度确定。③在条件复杂、资料较齐全的地区，剖分间隔尽可能地小，满足项目对精度的要求。④剖分网格间距可以是等间距，也可以根据实际情况，在条件复杂地段加密网格。一般在水平方向地层相变复杂或分区边界地带，或地下水位降落漏斗区迫降较大地带，应加密网格。
单元编号规则：①单元编号顺序，按划分的最小等级区域，即第4级分区进行；按分区的顺序进行编号，以便在计算时程序可以根据编号区分不同的区域。②剖分单元编号，由小至大，连续编码；同一分区的单元编号必须连续。③相邻分区的末、首两个单元的编码，必须连续。④剖分单元编号不能重复，需为整数，如图5-4所示。
图5-4 评价区剖分及单元编号示意图
7.单元数据获取及数据管理
（1）单元数据获取
在地下水功能评价中，单元数据获取的主要来源有：纸质图件、电子图件和原始数值数据三类，这些数据又分“连续渐变型数字数据”（即规律性数据，记作CR类数据）、非规律性数字数据（记作NR类数据）和非数字性的定性数据（记作NF类数据）三类。
关于上述数据的前期处理见本章的第三节和第五章，由此可知资料来源的不同，数据获取的方法也不同。各种数据提取的过程，都是较繁琐的。为了减少数据获取的工作量，要求尽可能地在MapGIS环境下进行单元数据的提取，具体提取过程和方法如第五章所述。
（2）基础数据管理及数据库建立
将每个单元的所有数据，以单元编号为索引，分别建立单元数据表（表5-12），然后将每个单元中所有数据集合成第i单元数据库。在单元数据库基础上，组建工作区地下水功能评价的数据库。
建立数据库的要求：①以MapGIS系统为工作平台；②根据项目的要求和有关技术规范，选择适宜精度的数字地理底图；③在数字地理地图上，圈定评价范围，确定边界及其坐标参数；④根据地理、地质和水文地质条件，圈定地下水功能评价中建立判断矩阵所需要的分区、分带；⑤按预定网格的剖分方案，进行单元剖分；⑥将剖分的单元转化成面元，并将单元编号作为各面元的“ID”属性赋值；⑦将单元的各种指标值分别赋予各单元的属性值赋予单元，建立单元属性库。
表5-12 地下水功能评价的基础数据归类表（示例）
（3）单元数据预处理
地下水功能评价所用数据的类型和量纲各不相同，这给统一体系下进行相同分析和对比带来许多困难，所以单元数据的前期预处理是地下水功能评价的一个重要环节。就是为了在统一评价体系内对不同数据进行比较和运算，在评价之前对数据进行标准化（规格化）处理，将数据转化为［0，1］之间的无量纲数值。
数据标准化的处理方法，视数据类型的不同而不同。
A.直接赋值法
对于非数字型的数据，一般可根据划分等级直接赋予一个［0，1］之间的数值。
以地下水质量等级为例，按照国家有关标准，地下水质量划分为Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ，Ⅳ，Ⅴ级5个等级，分别与地下水功能评价的属性层5个分级（好、较好、一般、较差、差）相对应（表5-13），则可以将属性指数的中间值赋予相应的地下水质量等级。
表5-13 数据等级赋值表
B.归一化处理
对于数字型数据必须进行归一化处理，其方法较多，有统计标准化、极值标准化、定基转化、环基转化和修正极值标准化等方法。在众多的归一化方法中，通过对比研究（详见第二章第三节）表明，修正极值标准化方法适宜地下水功能评价中各种数据的归一，它可较好地保留地下水系统变化规律特征，所以建议采用该方法。
修正极值标准化法是找出所有单元同一指标数据的最大值和最小值，然后按下式计算各单元该指标的归一化值：
区域地下水功能可持续性评价理论与方法研究
式中：x′i为第i单元归一化后的值；xi为第i单元实际值；xmin为所有单元某指标的最小值；xmax为所有单元某指标的最大值；a，b为修正系数。
应用“地下水功能计算系统”（GFS）进行计算，建立相应阶段成果数据库。有关GFS软件组成、功能和使用方法，详见第七章。
GFS系统运行结果，给出研究区所有剖分有效单元的，包括系统层、功能层和属性层三个层次的所有评价指标的权重和综合指数，以及它们相应判断矩阵的一致性评估参数。即具体评价结果是有关A层、各B层和各C层的一系列R值。
分析计算各剖分单元的各属性和各功能状况和综合可持续性评价指数，再应用MapGIS或其他软件，绘制GFS计算结果的等值线分布图或分区图。最后，野外效验后，通过地下水功能区划，阐明各分区优势功能和脆弱功能，确定各分区地下水主导功能，求算各分区生态、地质环境所需最低水量，提出地下水合理开发利用和生态与环境保护方案。
成果综合分析，针对评价的优势功能和脆弱功能分布特征，以及区划结果，研究对策和编制报告书。
