水资源系统分析的系统分析方法

系统分析的主要环节是对概化后的水资源系统建立某种数学模型，包括建立目标函数和一些约束条件方程。然后根据数学模型的特性 (线性或非线性、确定性或随机性、静态或动态、单目标或多目标),选择各种不同的优化技术求解数学模型。在建立和求解数学模型时，一般以某种最优化准则（如经济总效益最大，不利影响最小）出发来选定系统中各建设项目及其地点，确定各工程的规模和设计参数，拟定系统所服务的各部门的供水、供电等数量和水质。对于已建系统则拟定某种准则下的联合运行的最优策略，使系统的利用效益最大和不利影响如洪涝灾害损失、环境污染影响最小。系统分析的主要途径有解析法和模拟法两种。解析法常用的有数学规划法、古典最优化法、梯度法等；模拟法指把水利系统输入、输出和系统各单元之间的有机联系以数学式表达，然后在电子计算机上直接模拟计算各种方案下的系统效益，最后比较、权衡选定最优的开发方案或运行策略。

地下水系统理论

20世纪40年代由贝塔朗菲（Ludwig von Bertalan）提出一般系统论以来，系统思想与系统方法广泛地渗透到各学科领域。“地下水系统”这一术语的出现，一方面是系统思想与方法渗入水文地质领域的结果，另一方面则是水文地质学发展的必然产物［104］。

任何一个地下水系统，不论其简单还是复杂，都是由地下水含水系统和地下水流动系统两部分组成。地下水含水系统是指由含水层和隔水或相对隔水岩层圈闭的，具有统一水力联系的含水岩系。这意味着，含水系统作为一个整体对外界的激励做出响应，可作为独立而统一的水均衡单元，用于研究水量、盐量和热量均衡。地下水流动系统是指由源到汇的流面群构成的具有统一时空演变的地下水体［105］。用从源到汇的等势面和流面群来刻画和描述流动系统的特征，由于流面是零通量面，常作为流动系统的边界。含水系统和流动系统分别从地下水赋存和运移的整体性来刻画地下水系统的基本特征，它们都具有整体性、层次性等特性。

关于地下水系统的结构与特征，陈梦熊归纳为［106］：①地下水系统是在一定的边界条件限制下，由若干具有一定独立性，而又互相联系、互相影响的子系统或更次一级不同等级的系统所组成；②每个地下水系统具有统一的水循环系统、水动力系统、水化学系统，并具有各自的特征与演变规律，系统与系统之间通过水流传输作用，进行复杂的物质和能量的交换；③地下水系统是水文系统的一个组成部分，与地表水系统有密切联系，地下水系统的演变，在很大程度上受输入系统与输出系统的制约；④地下水系统的渗流场、水动力场或水化学场所发生的变异，在很大程度上也受到含水体的介质系统或结构系统的影响与制约；⑤地下水系统的时空分布与演变规律，既受天然条件，如地质环境、气候环境、水环境、生态环境等因子控制，又受社会环境、特别是人类各种经济活动、工业化、城市化所造成的影响而发生变化。因此，地下水系统被认为是一个错综复杂、包括各种天然因素、人为因素所控制的，有不同等级的、互相联系又互相影响、在时空分布上具有四维性质和各种功能、不断运动演化的若干独立单元的统一体。

地下水系统由输入、输出和系统实体三部分所组成。具体来说，凡外界对地下水系统施加的物质能量或信息都是输入，如降水入渗补给、人工补给等。在系统工程中，通常称输入为输入变量，它又可分为可控变量和非可控变量，前者是可受人为操作的，又称为决策变量。地下水系统对输入的响应称为输出，在系统工程中，通常将输出称为输出变量。系统实体，又称为水文地质实体，具体反映含水层规模、几何形状、边界条件和水文地质参数等，它决定了输出对输入的响应程度（图2.1）［10］。

图2.1 地下水系统

运用系统科学的方法，把地下水放在系统的水平上加以研究，能够提高分析问题和解决问题的能力，扩展考虑问题的思维空间，也便于把地下水的传统研究方法与现代科技技术接轨。因此，以具有横断性质的系统科学为指导，探讨地下水系统的优化管理，研究地下水资源的最优开发策略，已变得十分重要。