試點(diǎn)地區(qū)地下水控制性關(guān)鍵水位分析研究

梁學(xué)玉，孫天青，崔 亮

（中水北方勘測設(shè)計研究有限責(zé)任公司，天津300222）

試點(diǎn)地區(qū)地下水控制性關(guān)鍵水位分析研究

梁學(xué)玉，孫天青，崔 亮

（中水北方勘測設(shè)計研究有限責(zé)任公司，天津300222）

為了在地下水資源管理中有效地實(shí)施取水總量控制和地下水水位控制的“雙控”管理模式，本文以河北省邯鄲市東部平原區(qū)作為試點(diǎn)研究地區(qū)，提出了地下水紅線水位、管理水位等指標(biāo)，并對其劃定方法進(jìn)行研究，進(jìn)而為開展地下水控制水位劃定工作提供參考。

地下水;雙控;紅線水位;管理水位

1 概 況

為有效緩解因地下水超采引發(fā)的含水層疏干、地面沉降等各種問題，在地下水資源管理中實(shí)施取水總量控制和地下水水位控制的“雙控”管理模式逐漸得到認(rèn)可。由于缺乏具體有效的技術(shù)方法指導(dǎo)，地下水控制性關(guān)鍵水位的劃定尚未得到有效實(shí)施。下面以河北省邯鄲市東部平原區(qū)作為研究區(qū)域，在國內(nèi)外現(xiàn)有研究成果的基礎(chǔ)上，緊密結(jié)合當(dāng)?shù)氐叵滤_發(fā)利用的實(shí)際情況，提出地下水紅線水位、地下水管理水位等指標(biāo)，并對其劃定方法進(jìn)行研究，為開展地下水控制性關(guān)鍵水位劃定工作提供參考。

邯鄲市位于河北省南部，總面積12 047 km2，其中，山區(qū)面積4 460 km2，平原面積7 587 km2。邯鄲市東部平原區(qū)包括永年縣、邯鄲縣、磁縣等共14個區(qū)縣，面積為7 587 km2，占邯鄲市總面積的63.0%。

根據(jù)邯鄲市東部平原區(qū)1980—2010年來的淺層地下水動態(tài)觀測資料，地下水平均埋深由1980年末的7.16 m降到2010年末的22.48 m，下降速率為0.51 m/a。其中，1980—2000年下降速率為0.50 m/a，2001—2010年下降速率為0.54 m/a。

2 地下水控制性關(guān)鍵水位研究

2.1 基本概念

地下水控制性關(guān)鍵水位是指具有明確物理概念的一系列水位值的總稱，對應(yīng)于地下水不同開發(fā)利用狀態(tài)的一系列水位值。此次研究將地下水控制性關(guān)鍵水位劃分為地下水紅線水位、地下水管理水位兩大類。

地下水紅線水位是指地下水處于多年連續(xù)超采狀態(tài)（下降型）或者處于多年連續(xù)過度補(bǔ)充狀態(tài)（上升型）一系列水位值，包括紅線水位上限和紅線水位下限。紅線水位上限是指因地下水埋深過淺而產(chǎn)生潛水無效蒸發(fā)增大、土壤次生鹽漬化、影響城市建筑物基礎(chǔ)等問題時所對應(yīng)的地下水水位。紅線水位下限是指因地下水連續(xù)超采而產(chǎn)生土壤沙化、地面沉降等問題時所對應(yīng)的地下水水位。

地下水管理水位是水行政管理部門為維護(hù)地下水良性循環(huán)不被破壞，根據(jù)規(guī)劃年地下水開發(fā)利用量控制目標(biāo)而設(shè)定的一些水位值，分為管理水位上限和管理水位下限。管理水位上限是針對降水特豐年份或因地下水壓采發(fā)生地下水位過快上升等情況，而設(shè)置的最小地下水埋深。當(dāng)?shù)叵滤裆钚∮诠芾硭簧舷迺r，為防止產(chǎn)生土壤次生鹽漬化、影響城市建筑物地基基礎(chǔ)等問題，須采取增加地下水開采、強(qiáng)制抽排等措施。通常情況下，管理水位上限埋深等于紅線水位上限埋深。管理水位下限是指為防止地下水超采而產(chǎn)生含水層疏干、土壤沙化、地面沉降等問題，水行政管理部門根據(jù)規(guī)劃年淺層地下水開采總量控制目標(biāo)而制定的地下水埋深值。通常情況下，管理水位下限埋深不超過紅線水位下限埋深。

2.2 劃定方法

紅線水位上限和管理水位上限主要從防止土壤鹽漬化、不影響重點(diǎn)地區(qū)現(xiàn)有主要建筑物地基基礎(chǔ)等方面考慮確定；紅線水位下限從避免含水層疏干，根據(jù)地下水位達(dá)到開發(fā)利用目標(biāo)含水層一定厚度時確定；管理水位下限主要采用水均衡法、歷史動態(tài)分析法確定。

2.2.1 水均衡法

淺層地下水埋深的變化直接反映含水層中地下水資源量的增減情況。地下水埋深減小表示總?cè)霛B補(bǔ)給量大于總排泄量，含水層中地下水資源量增加；地下水埋深增加表示總?cè)霛B補(bǔ)給量小于總排泄量，含水層中地下水資源量減少。水均衡方程為：

式中：Q總補(bǔ)——計算時段內(nèi)計算區(qū)總補(bǔ)給量，萬m3；Q總排——計算時段內(nèi)計算區(qū)總排泄量，萬m3；△h——計算時段地下水水位降深，m；μ——地下水水位變幅帶給水度（無因次）；F——計算面積，km2。

2.2.2 歷史動態(tài)分析法

利用地下水開采量與地下水埋深的歷史數(shù)據(jù)，分析區(qū)域年開采量和可開采量差值的累積值（或地下水累積開采量）與地下水埋深之間的關(guān)系，以此確定區(qū)域規(guī)劃年地下水開采量指標(biāo)對應(yīng)的地下水埋深。

2.3 劃定成果

2.3.1 管理水位上限

考慮到邯鄲市東部平原區(qū)由西向東包氣帶的變化，山前沖洪積平原區(qū)管理水位上限平均埋深較淺，中東部沖積湖積平原區(qū)管理水位上限平均埋深相對略有增加。2015年8月實(shí)地調(diào)研了解到，目前邯鄲市東部平原區(qū)不存在鹽漬化問題。由此，根據(jù)包氣帶巖性、北方平原區(qū)潛水蒸發(fā)系數(shù)和各區(qū)縣地下水位監(jiān)測資料，初步確定邯鄲市東部平原區(qū)14個區(qū)縣的管理水位上限埋深基本在2.6～ 3.4 m之間。

邯鄲市區(qū)住宅樓以5～6層為主，城區(qū)綜合商業(yè)區(qū)以多層、高層建筑群為主，高層建筑層數(shù)集中在20～33層之間。邯鄲市區(qū)地下空間主要利用淺層空間（距離地面以下10 m)，城區(qū)建筑物多數(shù)設(shè)有1～2層地下室，基坑深度一般小于6 m，少數(shù)為6～10 m；其他縣均以 5～6層住宅樓為主，基礎(chǔ)埋深相對較淺；廣大農(nóng)村地區(qū)以平房為主，部分也有了2～5層左右的建筑。由此確定邯鄲市區(qū)管理水位上限埋深為8 m，其他各縣城區(qū)管理水位上限埋深為5 m，各區(qū)縣紅線水位上限取值與管理水位上限埋深一致。

2.3.2 管理水位下限

邯鄲市東部平原區(qū)管理水位下限根據(jù)邯鄲市制定的地下水壓采目標(biāo)，考慮超采區(qū)和非超采區(qū)兩種情況，采用水均衡法、歷史動態(tài)分析法綜合確定。其中曲周縣和邱縣為非超采區(qū)，其他區(qū)縣均為超采區(qū)。

1）非超采區(qū)

根據(jù)邯鄲市東部平原區(qū)14個區(qū)縣2001—2010年歷年淺層地下水實(shí)際開采量、地下水埋深和年降水量的歷史數(shù)據(jù)，曲周縣、邱縣2001年、2002年發(fā)生連續(xù)干旱，其中曲周縣2002年、邱縣2001年降水量最少。由于降水入滲補(bǔ)給量連續(xù)減少，導(dǎo)致2003年初地下水埋深最大。隨后因降水增多，地下水埋深比2003年有所減少，并隨歷年地下水開采量的增減處于上下波動狀態(tài)（見圖1）。

圖1 各縣歷年淺層地下水平均埋深年際變化圖

考慮到東部平原區(qū)自1956年以來1986，1992，1997等年份降水量均小于2002年，尤其是1992年降水量最少，為276 mm。故可在2003年初埋深基礎(chǔ)上，根據(jù)2002年與1992年降水入滲補(bǔ)給量差值，采用水均衡法計算得到地下水埋深增量，兩者相加作為規(guī)劃年2020年、2030年曲周縣、邱縣管理水位下限的埋深，成果見表1。

2）超采區(qū)

根據(jù)超采區(qū)各區(qū)縣2001—2010年歷年淺層地下水實(shí)際開采量、地下水埋深資料，考慮是否超過地下水可開采量和地下水埋深變化趨勢（埋深持續(xù)增加或上下波動），將超采區(qū)內(nèi)各區(qū)縣分以下3種情況進(jìn)行分析：

①年均實(shí)際開采量大于可開采量，且埋深持續(xù)增加

經(jīng)分析，永年縣、雞澤縣、肥鄉(xiāng)縣、臨漳縣、成安縣、廣平縣6個縣近10年年均開采量均大于地下水可開采量，且地下水埋深呈持續(xù)增加趨勢（見圖1）。點(diǎn)繪以上6個縣歷年年開采量和可開采量差值的累積值與地下水埋深之間的關(guān)系（見圖2），二者相關(guān)性較高。通過累積超采量～地下水埋深關(guān)系，根據(jù)規(guī)劃年各縣淺層地下水開采量目標(biāo)，預(yù)測得2020年、2030年地下水埋深作為管理水位下限。在點(diǎn)繪累積超采量～地下水埋深關(guān)系時，根據(jù)點(diǎn)據(jù)分布情況，設(shè)定上下兩條趨勢線，地下水埋深預(yù)測結(jié)果取下限值，成果見表1。

表1 各區(qū)縣規(guī)劃年地下水管理水位下限 m

②年均實(shí)際開采量小于可開采量，且埋深持續(xù)增加

經(jīng)分析，魏縣、大名縣近10年年均開采量均小于地下水可開采量，但地下水埋深呈持續(xù)增加趨勢（見圖1）。點(diǎn)繪魏縣、大名縣歷年年開采量累積值與地下水埋深之間的關(guān)系（見圖3），二者相關(guān)性較高。通過累積開采量～地下水埋深關(guān)系，根據(jù)規(guī)劃年各縣淺層地下水開采量目標(biāo)，預(yù)測得2020年、2030年地下水埋深作為管理水位下限，見表1。

③部分年份實(shí)際開采量大于或小于可開采量，埋深呈上下波動

經(jīng)分析，邯鄲縣部分年份、磁縣近10年年均開采量均小于地下水可開采量，地下水埋深呈上下波動狀態(tài)（見圖2）；館陶縣2001—2006年年均開采量均大于地下水可開采量，2007年以后年均開采量均小于地下水可開采量，地下水埋深近10年基本在20 m附近呈上下波動狀態(tài)（見圖2）；邯鄲市區(qū)近10年年均開采量均小于地下水可開采量，因?qū)嵤┑叵滤畨翰桑?010年以來邯鄲市區(qū)已經(jīng)逐步關(guān)停地下水取水井，規(guī)劃年邯鄲市區(qū)淺層地下水取水量為0，因此邯鄲市區(qū)規(guī)劃年地下水管理水位取值與邯鄲縣保持一致。以上 區(qū)縣規(guī)劃年2020年、2030年地下水管理水位下限取值采用非超采區(qū)方法確定，見表1。

圖2 永年等6縣地下水累積超采量與地下水埋深關(guān)系圖

續(xù)圖2 永年等6縣地下水累積超采量與地下水埋深關(guān)系圖

2.3.3 紅線水位下限

根據(jù)各區(qū)縣淺層含水層隔水底板埋深資料（見表3），各區(qū)縣2020年管理水位下限埋深占各區(qū)縣淺層含水層隔水底板埋深的比例在0.14～0.46之間，到2030年所占比例在0.14～0.52之間。

圖3 魏縣、大名縣地下水累積開采量與地下水埋深關(guān)系圖

由各區(qū)縣淺層含水層隔水底板埋深資料與規(guī)劃年管理水位埋深成果可知，依據(jù)目前邯鄲市東部平原區(qū)制定的地下水開采量目標(biāo)，臨漳縣2030年管理水位的埋深將達(dá)到淺層含水層隔水底板埋深的0.52；永年縣、雞澤縣、成安縣2030年管理水位埋深將達(dá)到各自淺層含水層隔水底板埋深的0.41，0.46，0.47；其他區(qū)縣2030年管理水位埋深在各自淺層含水層隔水底板埋深的0.34以內(nèi)。為防止含水層被疏干，各區(qū)縣地下水紅線水位下限埋深取各自淺層含水層隔水底板埋深的0.6，各縣紅線下限埋深值見表2。

表2 各區(qū)縣管理水位下限占含水層隔水底板埋深比例及紅線下限埋深

3 結(jié)語

本文通過分析研究，提出地下水紅線水位上限、紅線水位下限、管理水位上限、管理水位下限等指標(biāo)體系和相應(yīng)的劃定方法。并以河北省邯鄲市東部平原區(qū)為例，提出了地下水紅線水位和管理水位的初步成果：各區(qū)縣地下水紅線上限和管理水位上限埋深在2.6～3.4 m之間，主城區(qū)5～8 m；2020年、2030年各區(qū)縣管理水位下限埋深分別在8.81～41.38 m、8.81～48.96 m之間。各縣紅線水位下限埋深取各自淺層含水層隔水底板埋深的0.6，分別在28.44～71.64 m之間。

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2016-09-22