基于地下水安全的采補均衡曲線研究

孫 明 楊麗霞 薛明霞

（1.山西省水文水資源勘測局 山西太原 030001；2.山西省水利水電科學研究院 山西太原 030002；3.山西省水文水資源勘測局太谷均衡實驗站 山西太谷 030800）

近年來水資源情勢發(fā)生了顯著變化，區(qū)域性水資源量明顯減少，同時受到現(xiàn)有水利工程調蓄能力、供水保障程度的限制，水資源供需矛盾日益嚴重。為了維持經濟社會的可持續(xù)發(fā)展，不得不大量開采地下水，導致地下水開采量呈持續(xù)增長趨勢[1]，形成了以城市水源地和農灌井片為中心的大面積地下水降落漏斗。

山西省呂梁市平川區(qū)分布于呂梁市的孝義市、汾陽市、文水縣和交城縣境內，位于太原盆地的西部邊緣，屬半干旱暖溫帶大陸性季風氣候區(qū)。四縣（市）總面積4959km2，其中平川區(qū)面積1379km2，是水資源緊缺的地區(qū)。多年平均降水量528.0mm，多年平均水資源總量3.07億m3，多年平均供水總量0.86億m3，地下水開采量占供水總量的55.8%，局部形成了地下水超采。

本文選擇呂梁市平川區(qū)為研究區(qū)，通過對《山西省水資源公報》、《山西省呂梁市水資源公報》2001～2012年降水量、地下水補給量及開采量等統(tǒng)計數據進行分析，繪制地下水補給曲線、地下水開采曲線及地下水采補均衡曲線，分析得出研究區(qū)地下水采補均衡曲線的性質與作用，對合理確定地下水可持續(xù)開采量具有重要的指導意義[2]。

1 地下水補給曲線

地下水補給是含水層或含水系統(tǒng)從外界獲得水量的整個作用過程。補給來源有大氣降水、地表水、凝結水、灌溉回歸水、含水層的越流及專門的人工回灌補給等，在諸多補給來源中，降水入滲補給是主要來源[3]。研究降水量與地下水補給量的關系，可概化為地下水補給曲線。

當非降水因素不變，降水量發(fā)生變化時，地下水補給量也發(fā)生變化。降水量增加，地下水補給量增加；降水量減少，地下水補給量減少；這種變化稱為補給量的變動。

當降水量不變，非降水因素發(fā)生變化，如：地下水埋深、非飽和帶巖性、地貌特征、引水量等發(fā)生變化時，地下水補給曲線就會發(fā)生位移，這個位移稱之為補給的變動。

分析研究區(qū)2001～2012年降水量與地下水補給量的關系，得到其地下水補給曲線，見圖1。

圖1 研究區(qū)地下水補給曲線

圖1中，研究區(qū)2001～2012年的地下水補給曲線明顯分為2001～2007年和2008～2012年兩條地下水補給曲線。它們都是從左下方向右上方傾斜的曲線，均可反映補給量的變動，即非降水因素不變，地下水補給量隨降水量的變化而變化。而研究區(qū)2001～2012年的地下水補給曲線被分成兩條，是由于從2008年開始，研究區(qū)從境外引水進行灌溉，增加了灌溉回歸補給。兩條補給曲線反映了補給的變動，即降水量不變，非降水因素發(fā)生變化（如用來灌溉的引水量增加），地下水補給曲線會發(fā)生位移。

2 地下水開采曲線

地下水開采是指利用取水構筑物從含水層中提取地下水的過程。地下水開采量與降水量、經濟社會、自然環(huán)境、產業(yè)結構等有密切關系。研究降水量與地下水開采量的關系，可概化為地下水開采曲線。

當非降水因素不變，降水量發(fā)生變化時，開采量也發(fā)生變化。降水量增加，開采量減??；降水量減少，開采量增加；這種變化稱為開采量的變動。

當降水量不變，非降水因素發(fā)生變化，如：節(jié)水灌溉、種植結構變化、城市化水平提高、擴大工業(yè)規(guī)模、跨區(qū)域調水、用水戶增加等變化時，開采曲線就會發(fā)生位移，這個位移稱之為開采變動。

地下水作為重要的供水水源，按取水用途一般分為農業(yè)灌溉用水、農村生活用水、工業(yè)用水和城鎮(zhèn)生活用水（包括生態(tài)用水）四大類，對研究區(qū)2001～2012年不同用途的地下水統(tǒng)計分析，農村生活、工業(yè)和城鎮(zhèn)生活用水的地下水開采不受降雨量影響，農業(yè)灌溉用水受降水量的影響，降水量大，灌溉用水就小，反之降水量小，灌溉用水就大。由此概化出研究區(qū)2001～2012年地下水開采量，分析其與降水量的關系，得到研究區(qū)概化后的地下水開采曲線，見圖2。

圖2 研究區(qū)地下水開采曲線

圖2中，研究區(qū)2001～2012年的地下水開采曲線明顯分為2001～2004年、2005～2007年、2008～2010年和2011～2012年四條地下水開采曲線。它們都是從左上方向右下方傾斜的曲線，均可反映開采量的變動，即非降水因素不變，開采量隨降水量的變化而變化。而研究區(qū)2001～2012年的地下水開采曲線被分成四條，是由于地下水開采量與研究區(qū)工農業(yè)生產、人民生活和生態(tài)環(huán)境對地下水的需求程度有關，當需求量變化較大時，地下水開采曲線就會出現(xiàn)位移，即開采的變動。 圖中從2001～2004年、2005～2007年、2008～2010到2011～2012年的四條地下水開采曲線，反映了在2001～2012年的12年間，研究區(qū)發(fā)生了三次開采的變動。

3 地下水采補均衡曲線

前述地下水開采曲線、地下水補給曲線的形成過程，具有地下水開采量、地下水補給量隨降水量增減變化呈互逆的特征[4]，因此，地下水開采曲線和地下水補給曲線的交點決定了地下水補給、徑流、儲存、開采過程中的均衡狀態(tài)。地下水開采、補給曲線本身與區(qū)域氣候條件、地質條件、經濟社會需求、生態(tài)環(huán)境等因素有關，如果這些因素發(fā)生變化，則地下水開采、補給曲線就會移動，見圖3，從而導致其交點即地下水的均衡狀態(tài)發(fā)生變化。地下水均衡狀態(tài)的“軌跡”則形成所謂的“地下水采補均衡曲線”，見圖4。

圖3 地下水開采、補給曲線變化關系圖

圖4 地下水采補均衡曲線

由圖3可見，地下水開采曲線和補給曲線可以看成是地下水采補均衡曲線的“特例”，即當地下水開采、補給雙方有一方保持不變時即為地下水采補均衡曲線。例如，當地下水補給曲線保持不變而只有地下水開采曲線變化時，地下水采補均衡曲線“退化”為地下水補給曲線；當地下水開采曲線保持不變而只有地下水補給曲線變化時，地下水采補均衡曲線“退化”為地下水開采曲線。除此之外，地下水采補均衡曲線都將不同于地下水開采曲線和補給曲線。

3.1 地下水采補均衡曲線的性質

（1）時間性：在地下水采補均衡曲線上，每一個點都可以看成是某個特定時期的地下水開采曲線與補給曲線的交點，因而代表了該特定時期的降水、補給、開采的均衡組合。圖4中采補均衡曲線上的箭頭意味著研究區(qū)的地下水采補均衡狀態(tài)從2001～2012年隨時間變化而變化的“歷史”過程。因此，地下水采補均衡曲線不僅反映歷史時期地下水的采補均衡狀態(tài)，也可預測將來開采需求形成的新的均衡狀態(tài)。

（2）全面性：在地下水采補均衡曲線中，地下水的均衡狀態(tài)以及均衡狀態(tài)的變化反映的是所有因素參與變化的結果，描述了地下水開采與補給關系的真實歷史發(fā)展過程。

（3）具體性：在某一區(qū)域的特定時期地下水開采曲線與補給曲線具有其特定的規(guī)律性和穩(wěn)定性，因此，地下水采補均衡曲線也存在確定的規(guī)律性和穩(wěn)定性。不同區(qū)域需根據地下水的開采與補給特點進行具體分析。

（4）有限性：地下水采補均衡曲線是有限曲線，它是降水量的函數，Q=f（P）（Q為地下水均衡采補水量，P為降水量），在某一區(qū)域的特定時期內，P值存在最大值和最小值，因此，對應的Q也存在最大值和最小值。

3.2 地下水采補均衡曲線的作用

地下水采補均衡是借鑒質量守恒定律進行水量平衡分析并發(fā)展出來的一個概念。最一般的意義是地下水資源的支撐能力與經濟社會持續(xù)發(fā)展、生態(tài)環(huán)境健康的相互制約下所達到的一種相對靜止并保持不變的狀態(tài)。因此，通過尋找并研究趨于靜止的均衡狀態(tài)，以揭示地下水開采、補給關系實現(xiàn)均衡的條件以及相應的變化規(guī)律。

（1）直觀判斷作用

圖5為研究區(qū)2001～2012年12年的地下水實際開采量與其地下水采補均衡曲線的分布圖。

圖5 地下水開采量與采補均衡曲線分布圖

由圖5可見，地下水采補均衡曲線將圖分為左上、右下兩部分，兩個部分的意義具有質的差異。如果某年開采量位于其均衡曲線左上區(qū)域，則該年對地下水的開采為超量開采；如果某年開采量位于其均衡曲線右下區(qū)域，則該年對地下水的開采為節(jié)余開采。圖中2001年和2004年的地下水開采量位于2001～2004年到2005～2007年的均衡曲線左上區(qū)域，因此2001年和2004年對地下水的開采為超采；2005年的地下水開采量位于2005～2007年到2008～2010年的均衡曲線左上區(qū)域，因此2005年對地下水的開采為超采；其他年份對地下水的開采為節(jié)余。

（2）對地下水進行安全規(guī)劃

對地下水的認識從“取之不盡、用之不竭”到高于能源危機到提到戰(zhàn)略資源高度，說明地下水安全問題的重要性。地下水采補均衡是地下水開采量等于地下水補給量的一種狀態(tài)。在這種狀態(tài)下能保持地下水資源、生態(tài)環(huán)境和地質環(huán)境等功能，支撐社會可持續(xù)發(fā)展的需要。

地下水采補均衡曲線將地下水開采與地下水補給系統(tǒng)化。在維持社會可持續(xù)發(fā)展和生態(tài)環(huán)境健康的條件下，根據地下水采補均衡曲線形成機制和采補均衡曲線的性質，利用采補均衡狀態(tài)的均衡采補水量劃定地下水開采量的可持續(xù)性，以采補均衡曲線的最大值、最小值為控制可持續(xù)開采量的上、下限，確定地下水開采曲線，作為當地可持續(xù)開采管理目標的約束條件。

4 結論

地下水資源作為重要戰(zhàn)略資源，對地下水合理的開發(fā)利用，科學的規(guī)劃配置顯得日益重要，本文將地下水開采與補給關系系統(tǒng)化，提出的地下水采補均衡曲線，力求為地下水資源安全管理提供認識途徑，以供參考和討論。

1）根據研究區(qū)地下水補給規(guī)律和地下水開采規(guī)律，利用地下水補給量、地下水開采量隨降水量增減呈互逆變化特征，提出了地下水采補均衡曲線。

2）地下水采補均衡曲線具有時間性、全面性、具體性和有限性。因此，具有區(qū)域性和階段性特征。

3）根據地下水采補均衡曲線形成機制和采補均衡曲線的性質，利用采補均衡狀態(tài)的均衡采補水量劃定地下水開采量的可持續(xù)性，以采補均衡曲線的最大值、最小值為控制可持續(xù)開采量的上、下限，確定地下水開采曲線，作為當地可持續(xù)開采管理目標的約束條件。

4）文中提出的地下水采補均衡曲線的概念，地下水采補均衡曲線形成機理，作為地下水安全保護的規(guī)劃計算方法，以往尚未有定義，作者意在引起討論,旨在使我國的地下水利用規(guī)劃工作在已有基礎上再前進一步。

[1]王小軍，趙 輝，耿 直.我國地下水開發(fā)利用現(xiàn)狀及保護對策[J].中國水利.2010（13）:38-39.

[2]王 琨，束龍倉，劉 波，劉 革.地下水安全開采量的內涵及安全開采控制水位劃定[J].水資源保護，2014,30（ 6） ：7-12.

[3]林柞頂.我國地下水開發(fā)利用狀況及其分析[J].水文，2004，24（1） ：18-21.

[4]張光輝，費宇紅，楊麗芝，郝明亮，申建梅.地下水補給與開采量對降水變化響應特征：以京津以南河北平原為例[J].地球科學，2006，31（ 6）：879-884.