巖溶水資源評價方法第一頁，共三十頁，2022年，8月28日巖溶水資源評價方法研究的必要性近年來由于用水量的增加,無節制地開采地下水,水資源管理不善,在長期開采地下水過程中,引發了區域地下水位下降、抽水井單井涌水量減小、水質惡化、巖溶塌陷等一系列環境地質問題。目前這些問題還有繼續加劇的趨勢。水資源已成為經濟建設發展的制約因素。巖溶水是優質的供水水源，針對巖溶水特點，進行水資源評價，合理開發利用和管理水資源，是亟待解決的關鍵問題。巖溶水評價是目前地下水資源評價中的一個難題。由于巖溶水分布規律和運動途徑一般不易查清,運動規律研究得還不夠,因而到目前為止尚未找到能正確表征巖溶水運動規律的方程。2第二頁，共三十頁，2022年，8月28日巖溶水資源分布及特點巖溶水資源分布碳酸鹽巖出露面積約占全國陸地面積的十分之一左右全國巖溶水天然資源約占全國地下水天然資源的四分之一巖溶水天然資源絕大部分集中分布于濕潤的南方,云南、廣西、四川、貴州、湖南和湖北等省裸露和半裸露巖溶地區3第三頁，共三十頁，2022年，8月28日巖溶水資源分布及特點巖溶水資源特點

一個地區巖溶地下水資源的形成是含水結構、補給條件、水動力條件、水化學條件等綜合作用的結果。巖溶水含水結構復雜,補給方式多樣,富水不均勻性強,水動力條件復雜、因此,應該從獨立的水文地質單元出發,把其視為一個完整的系統,研究其特有的結構、邊界條件及完整的補徑排體系。水資源管理難度大

--碳酸鹽巖特有的不同巖性結構,經巖溶化作用的結果,形成不同形狀，大小和不同性質的含水空間。再加上巖層構造上的差異，使含水空間分布極不均勻，富水性差異大。巖溶水系統的邊界條件

--接受地表水補給或向地表排泄的邊界，與可溶巖接觸的隔水邊界，有地下分水嶺存在的隔水邊界，斷層隔水或阻水邊界，地下徑流進出口邊界4第四頁，共三十頁，2022年，8月28日巖溶水資源分布及特點巖溶水資源特點巖溶水補徑排條件

--巖溶含水層構造、埋藏條件及邊界條件的差異決定了巖溶水補徑排方式的多樣化。南方巖溶水特點

--南方碳酸鹽巖分布廣,質純,厚度大,巖溶發育強烈而不均勻,廣泛發育有地下暗河。水量豐富,水位和水量變化大,補給、徑流和排泄較迅速,巖溶水資源形成周期較短,常具有月調節特征，其開發利用程度較低。北方巖溶水特點

--北方巖溶發育相對較弱,以溶蝕裂隙為主。含水體具有統一地下水面,儲水和調節庫容較大,具有多年調節特征。巖溶水多以泉群形式集中排泄,泉水流量大而穩定，其開發利用程度較高。5第五頁，共三十頁，2022年，8月28日巖溶地下水資源評價研究意義巖溶地下水系統是一個開放、半封閉體系，它與外界環境有物質、能力以及信息的交換。所以對于巖溶水的研究應該綜合考慮自身及外界的影響，使研究成果具有更大置信度和更好精度。巖溶地下水富水性是指地下水系統的儲存能力和巖溶水的分布規律，反應了水資源空間分配和時間分配情況，是合理開發水資源和有效調度水資源的理論依據。如何能準確評價地下水的富水性，對水資源的有效利用有著重要的現實意義。6第六頁，共三十頁，2022年，8月28日巖溶水資源評價的研究現狀

目前有很多模型、方法或技術應用于巖溶水資源的評價。但是基于地下巖溶條件的復雜性和多變性，采用怎樣的方法進行評價，一直為人們所討論。在以往包括現有的巖溶水資源評價的研究中存在很多的局限和不足，但是人們一直在不斷的探索和嘗試新的方法，針對不同的巖溶研究區，建立適合該區的水資源評價體系。隨著數學及計算機技術的普及，越來越多的新方法新理論被嘗試應用于巖溶水資源的評價中，例如人工神經網絡方法、時間序列法、層次分析法、系統分析法，GIS方法等。并且隨著地質監測手段的不斷發展，許多依賴于準確含水層參數的定量評價方法也逐漸的受到關注，數值模擬的方法綜合了地質條件、數學以及計算機技術，該方法在巖溶水資源評價方面將有很大的發展前景。

7第七頁，共三十頁，2022年，8月28日巖溶水資源評價方法及實例應用GIS原理評價巖溶水資源評價層次分析法人工神經網絡方法水均衡原理定量評價巖溶水資源系統分析法8第八頁，共三十頁，2022年，8月28日巖溶水資源評價方法

（1）基于GIS原理評價巖溶地下水富水性

巖溶地下水富水性評價GIS方法原理GIS空間分析方法原理

--GIS以地理空間數據庫庫為基礎，運用系統工程和信息科學的理論，采用地理模型分析方法，通過提供多種空間和動態的地理信息，產生對資源環境、災害防治、區域規劃和管理決策等方面的有用信息。

巖溶地下水資源評價GIS方法原理

--該方法的基本思想是獲取巖溶地下水富水性的決定因素，將其分類歸納，利用GIS分別建立影響因子的柵格要素曾，按照影響因子的影響性大小，進行空間疊加分析，最終得到綜合評價下的富水性分布規律。9第九頁，共三十頁，2022年，8月28日巖溶水資源評價方法

（1）基于GIS原理評價巖溶地下水富水性

巖溶地下水資源影響因子水文地質環境因子

--包括巖溶地下水的補給、排泄和徑流區的劃分，巖溶發育程度，巖性，含水層類型及含水層厚度構造環境因子

--包括斷層、斷裂富水性分帶，向斜、背斜富水性等氣象環境因子

--包括降雨、蒸發的時空分布其他環境因子

--地下水動態、人工開采、生態環境

10第十頁，共三十頁，2022年，8月28日巖溶水資源評價方法

（1）基于GIS原理評價巖溶地下水富水性

獲取巖溶地下水富水性的決定因素建立評價模型利用GIS分別建立各影響因子的柵格數據層按因子影響性大小進行空間疊加分析得出綜合評價下的富水性分布規律巖溶水資源評價GIS方法步驟影響因子的選擇與獲取11第十一頁，共三十頁，2022年，8月28日巖溶水資源評價方法

（1）基于GIS原理評價巖溶地下水富水性實例

2006年邱士利將GIS方法與地質統計學以及非線性模型相結合，選取了廣西黎塘地區為研究區，定量評價了巖溶地下水富水性。定量分析了巖溶發育程度、斷層構造、地下河系、地貌類型、含水層組和地下水水位變幅六個影響因子。確定各影響因子的影響權重建立了該區巖溶地下水富水性評價模型對黎塘地區巖溶水資源進行定量評價12第十二頁，共三十頁，2022年，8月28日巖溶水資源評價方法

（2）基于層次分析法的巖溶水資源評價

找出巖溶水資源的控制因素氣候、巖溶發育程度、巖溶帶的連續性和阻水性結構、巖層傾角、地形地貌、植被覆蓋率等確定各影響因子的權重確立隸屬關系、建立正互反矩陣、歸一化處理、一致性檢驗計算表層巖溶水調節系數參照標準，確定因子的分值，結合權重計算出特征分值，即為調節系數巖溶水資源計算13第十三頁，共三十頁，2022年，8月28日巖溶水資源評價方法

（2）基于層次分析法評價巖溶水資源實例

王偉等2007年將基于層次分析法的表層巖溶水資源評價方法引入到貴州高原的大小井流域。用該方法量化了影響表層巖溶帶系統調節表層巖溶水能力的主要因素以大小井流域的巖溶泉作為比擬對象最終計算出區域表層的巖溶水資源量并進行模擬分析14第十四頁，共三十頁，2022年，8月28日巖溶水資源評價方法

（3）基于人工神經網絡評價巖溶水資源人工神經網絡評價方法的引入巖溶水評價中存在的問題--巖溶水評價是目前地下水評價中的一個難題。但是巖溶水分布規律和運動途徑一般不易查清，運動規律研究的不夠，因而到目前為止尚未找到確切刻畫巖溶水運動規律的方程，

這就使得巖溶水評價數學模型往往借用多孔介質或雙重介質模型,影響評價精度。

人工神經網絡方法用于巖溶水資源評價的引入

--人工神經網絡具有自組織、自適應和自學習能力，其中BP網絡是一種非線性映射人工神經網絡，對于任何閉區間連續函數都可以用一個隱層的BP網絡來逼近。因此可用一個三層BP網絡逼近模擬巖溶地下水系統。15第十五頁，共三十頁，2022年，8月28日巖溶水資源評價方法

（3）基于人工神經網絡評價巖溶水資源BP網絡模擬巖溶地下水系統的原理網絡的建立人工神經網絡拓撲結構圖輸入層有Ni個結點，隱含層有Nh個結點，輸出層有N0個結點，其中Ni由影響地下水系統的因素個數決定，N0由地下水系統響應的個數決定。16第十六頁，共三十頁，2022年，8月28日巖溶水資源評價方法

（3）基于人工神經網絡評價巖溶水資源BP網絡模擬巖溶地下水系統的原理網絡的建立Nh的范圍由以下三個方程決定式中：p—樣本數；-為大于1小于10的整數上圖中Wi,j表示輸入層與隱含層之間權值；Wkj表示隱含層和輸出層之間的權值。17第十七頁，共三十頁，2022年，8月28日巖溶水資源評價方法

（3）基于人工神經網絡評價巖溶水資源BP網絡模擬巖溶地下水系統的原理學習原理設有P個樣本，則對于第P個樣本，某一個結點，其輸入為Xp，i，輸出為Op，j，則：用權值調整公式，對于輸出層和隱含層分別為：18第十八頁，共三十頁，2022年，8月28日巖溶水資源評價方法

（3）基于人工神經網絡評價巖溶水資源BP網絡模擬巖溶地下水系統的應用實例以濟南市為例，對網絡模型進行訓練和擬合。設定該區地下水位主要由大氣降水和開采量決定建立一個兩個輸入點、一個輸出結點的3層BP網絡模型，隱層取三個結點。取研究區1959-1980年的降雨量、開采量輸入，地下水位作為輸出，對資料進行處理、計算、擬合。19第十九頁，共三十頁，2022年，8月28日巖溶水資源評價方法

（4）水均衡原理定量評價巖溶水資源水均衡法引入的原因

鑒于現有的模型很難在巖溶地區推廣應用，都具有一定的局限性，例如地下水動力學方法大多是建立在含水層過分理想化的基礎上，而巖溶介質的特征與理想條件差距甚遠，含水層厚度變化無常，空間展布不規則，含水介質不連續，非均質性明顯。數值模型是以精確的數學為基礎，但是依賴于含水層系統精確的參數，邊界條件，補徑排關系等，需要投入大量的資金和勘察工作。統計模型需要掌握大量時間序列資料而以水均衡原理為基礎的巖溶水資源評價方法，不需要考慮含水層的空間展布和內部結構，具有較大的適應性。

20第二十頁，共三十頁，2022年，8月28日巖溶水資源評價方法

（4）水均衡原理定量評價巖溶水資源水均衡法原理水均衡方程

對于含水層中任一單元體，某時段內凈流入的水量等于引起該單元體在該時段內水頭變化所需的水量。對某一研究對象，流入－流出＝體系內質量變化量。21第二十一頁，共三十頁，2022年，8月28日巖溶水資源評價方法

（4）水均衡原理定量評價巖溶水資源水均衡法方程中各參數的含義

式中：Q補、Q開、Q雨、Q河、Q灌分別代表巖溶水補給量、開采量、降雨入滲補給量、河水滲漏補給量和灌溉入滲補給量(m3)，α-降雨入滲補給系數，β-灌溉入滲補給系數，μ-巖溶巖層綜合給水度，λ-河水入滲補給強度（m3/d）,△H-水位變幅，△t-均衡時間段d，F-巖溶區面積km2，T-河水位補給時段d，P-降雨量mm，A-降雨入滲補給面積km2，G-田間灌溉水量m3.22第二十二頁，共三十頁，2022年，8月28日巖溶水資源評價方法

（4）水均衡原理定量評價巖溶水資源實例選取山東鄒城電廠附近的供水水源地兩城水源地，運用水均衡方法對其巖溶水資源量進行研究評價。具體如下：收集研究區長期的降雨蒸發資料以及地質資料。得到研究區的基本參數，例如降雨入滲系數、灌溉入滲系數、河流入滲補給量，計算區面積等。設定補給天數，根據水文地質系數，求取研究區的補給資源和開采資源量。確定研究區的水資源特征，判斷該區的供水潛力。

23第二十三頁，共三十頁，2022年，8月28日巖溶水資源評價方法

（5）系統分析法系統分析法的引入巖溶水資源已經被廣泛的開發利用，由于巖溶水賦存和運動的復雜性，使得巖溶水資源的評價方法一致為人們所探討。以往多把巖溶水介質等效視為孔隙介質，采用孔隙含水層的評價方法。利用分布參數的確定性模型要求獲取評價區的水文地質參數和邊界條件等等。于是系統理論法就被引入了水資源評價的領域

24第二十四頁，共三十頁，2022年，8月28日巖溶水資源評價方法

（5）系統分析法系統分析法的原理

系統理論法是將一個完整的水文地質單元作為一個系統考慮,并將進入系統的水量作為輸入信息,將流出系統的水量作為輸出信息,根據輸入與輸出變量之間的因果關系應用數理統計的方法建立統計模型或者隨機模型進行水位、水量預測。巖溶水的形成受很多因素的影響，其間的關系要借助于數理統計方法建立相關分析方程進行動態預測，而在復雜的巖溶水系統中，變量眾多的情況下，運用逐步歸回分析效果更好。25第二十五頁，共三十頁，2022年，8月28日巖溶水系統劃分原則⑴以大的河流、流域作為一個系統，一、二、三級系統（單元）按水利部門劃分的流域分級；⑵以完整大泉、地下河流域具有完整獨立輸入、輸出體系的地質體作為子系統；⑶四級及四級以下系統（基本單元）必須是具有完整補、逕、排過程的一個地下水系統。編制地下水資源評價流域系統分區圖26第二十六頁，共三十頁，2022年，8月28日巖溶水資源評價方法

（5）系統分析法逐步回歸分析方法的原理及方法

對于研究的變量y（流量或水位）,雖然從物理意義上選出一些對y有影響的因子,但由于變量y構成的復雜性,其影響因子對y影響的顯著程度,單從物理分析很難判斷,其中有些可能對y影響顯著，有些影響很小，為了避免遺漏影響顯著的因子,在初步選因子時,往往考慮要多一些,再優選出影響較大的一些因子,構成一個“最優線性回歸方程”。原理方法逐步回歸方程的建立是將考慮的因子一個個引入,該引進因子偏回歸平方和經檢驗是顯著的。同時每引入一個新因子后,對老因子逐個檢驗,將偏回歸平方和變化不顯著的因子剔除,此過程直到沒有顯著的因子可以引人為止。27第二十七頁，共三十頁，2022年，8月28日巖溶水資源評價方法

（5）系統分析法逐步回歸分析方法的步驟

確定輸入和輸出信息大氣降雨作為輸入信息，排泄作用的泉群為輸出信息建立系統輸入輸出響應方程式Q-輸出響應，P-輸入響應，W-系統權函數水文地質條件的概化將含水體、降雨量、泉排量看成是一個線性不隨時間改變的單輸入輸出集中參數系統求解模型對方程進行離散，確定權序列，解出權函