強(qiáng)開放邊界灌區(qū)地下水安全開采量?jī)?nèi)涵與安全保障模式研究

鄭越馨， 戴長(zhǎng)雷，謝世堯，高健超

(1.黑龍江大學(xué)寒區(qū)地下水研究所，哈爾濱 150080；2.黑龍江大學(xué)水利電力學(xué)院，哈爾濱 150080)

由于地下水與地表水相比，具有水量穩(wěn)定且豐富、水質(zhì)好、分布范圍廣、便于就地開采使用、供水量受氣候變化影響較小等優(yōu)點(diǎn)，在我國(guó)北方地區(qū)，地下水是農(nóng)業(yè)灌溉的重要的供水水源，因此，地下水在我國(guó)灌區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展方面有不可或缺的用途。隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的快速發(fā)展，農(nóng)業(yè)灌溉需水量較大，由于超量開采地下水，地下水開采布局不合理及無計(jì)劃地亂采濫用地下水資源，則會(huì)引發(fā)一系列環(huán)境問題，例如，地面沉降和地面塌陷等，使地下水的結(jié)構(gòu)遭到破壞。為使地下水資源有效合理的開發(fā)并且達(dá)到可持續(xù)利用的效果，對(duì)安全開采量、可持續(xù)開采量、疏干性開采量、延續(xù)常年開采量、最大常年開采量的概念進(jìn)行了概述，分析其約束條件，明確滿足約束條件的地下水安全開采量的內(nèi)涵，提出劃定控制性關(guān)鍵水位的方法，在此基礎(chǔ)上，提出一種基于“總量+水位”雙控的安全保障模式。

1 地下水安全開采量的演變歷程

1.1 開采量?jī)?nèi)涵的發(fā)展

國(guó)外學(xué)者提出了地下水開采量的概念，包括安全開采量、疏干性開采量、持續(xù)開采量、延續(xù)常年開采量和最大常年開采量[1]。Meinzer(1920年)[2]將安全開采量定義為“排除了地下水開發(fā)的有害副作用諸如海水入侵、地面沉降等，供人類長(zhǎng)期使用的實(shí)際可能的開采水量”，在天然補(bǔ)給量極小而常年累積存儲(chǔ)的儲(chǔ)存量大的情況下，地下水在符合經(jīng)濟(jì)效益條件下的過量開采叫疏干性開采量。延續(xù)常年開采量則是在滿足經(jīng)濟(jì)允許的條件下使用地下水儲(chǔ)存量。最大常年開采量是指在通過技術(shù)方法和可利用的一切水源來補(bǔ)給含水層，從而達(dá)到可供的最大水量。Thomas(1951年)[3]認(rèn)為持續(xù)開采量是指在沖積含水層作用的特定環(huán)境下，能夠提供的最小開采量。

1.2 安全開采量的評(píng)價(jià)方法

閔泰善等[4]將地下水天然補(bǔ)給量視為地下水允許開采量，可持續(xù)開采量則在地下水允許開采量的基礎(chǔ)上考慮由地下水開采而產(chǎn)生的新的地下水變化與補(bǔ)給，使地下水開采達(dá)到可持續(xù)的效果，安全開采量是在滿足當(dāng)代經(jīng)濟(jì)技術(shù)和自然循環(huán)條件以及生態(tài)環(huán)境等條件下的最大開采量。朱雪芹等[5]認(rèn)為地下水允許開采量由地下水最大補(bǔ)給量獲取，蘇偉杰等[6]認(rèn)為地下水補(bǔ)給量近似看作地下水安全開采量，用地下水預(yù)報(bào)的方法來預(yù)測(cè)地下水埋深變化，為地下水安全開采量提供理論依據(jù)。吳孝航等[7]通過構(gòu)建臨界水位降深數(shù)學(xué)模型，計(jì)算臨界水位降幅，反求計(jì)算開采井的開采量，確定研究區(qū)的安全開采量。王家兵等[8]定義安全開采量為在天然補(bǔ)給量和人工補(bǔ)給量之和與天然排泄量差值范圍內(nèi)的開采量，確定了適宜開采的含水層，從而得到安全水位埋深和地下水安全開采量。羅照華等[9]從地下水動(dòng)態(tài)特征、水文地質(zhì)條件和開采現(xiàn)狀3個(gè)視角對(duì)地下水安全開采量展開研究，并對(duì)擴(kuò)大安全開采量的合理性進(jìn)行探討。王振龍等[10]認(rèn)為安全開采量具有動(dòng)態(tài)特征，計(jì)算區(qū)域的補(bǔ)給量、消耗量和儲(chǔ)存量，根據(jù)儲(chǔ)存量確定地下水位，提出一種水均衡和地下水動(dòng)力學(xué)相結(jié)合的地下水安全開采量的評(píng)價(jià)方法。王琨等[11]回顧了地下水開采資源量的內(nèi)涵，明確了安全開采量的標(biāo)準(zhǔn)，提出地下水安全開采因地制宜的思路。

1.3 安全開采量的發(fā)展歷程

開采量反應(yīng)了取水工程的產(chǎn)水能力，且開采量小于含水系統(tǒng)的允許開采量，而允許開采量則是在滿足技術(shù)、經(jīng)濟(jì)、環(huán)境的條件下，單位時(shí)間內(nèi)從含水系統(tǒng)中取出的水量[12]。地下水允許開采量近似等于天然補(bǔ)給量。符合允許開采量的限定條件下，地下水系統(tǒng)因地下水開采發(fā)生新的采補(bǔ)平衡，從含水系統(tǒng)中得到采補(bǔ)平衡后的水量被定義為可持續(xù)開采量。在滿足社會(huì)經(jīng)濟(jì)、技術(shù)水平、地質(zhì)與生態(tài)環(huán)境的前提條件下，地下水資源達(dá)到可持續(xù)合理開發(fā)利用時(shí)，允許取出的最大開采量為安全開采量。安全開采量的發(fā)展歷程見圖1。

圖1 安全開采量的發(fā)展歷程

2 強(qiáng)開放邊界灌區(qū)安全開采量與地下水關(guān)鍵水位的劃定

2.1 強(qiáng)開放邊界灌區(qū)的內(nèi)涵

含水層邊界的滲透性良好且含水層能在物質(zhì)、能量和信息等方面與外部環(huán)境進(jìn)行交換，具有較強(qiáng)的水力聯(lián)系[13]。強(qiáng)開放邊界含水層多指地下水系統(tǒng)的自然邊界沒有明顯的界定，或者含水層具有過小的水文地質(zhì)單元。黑龍江西部屬于強(qiáng)開放邊界含水層且處于半干旱地區(qū)，灌區(qū)的季節(jié)性干旱較為嚴(yán)重且水分利用效率不高，農(nóng)業(yè)灌溉需水依賴地下水[14]，有必要在技術(shù)保障、資源量和社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益約束條件下，提出一個(gè)適用于強(qiáng)開放邊界灌區(qū)且保障高效灌溉和地下水系統(tǒng)安全的地下水安全開采量的內(nèi)涵。

2.2 安全開采量的約束條件

安全開采量與開采量的不同之處在于開采量反應(yīng)取水工程的取水能力，而安全開采量是在滿足約束條件下所允許的最大開采量。地下水安全開采量的約束條件為技術(shù)保障、地下水資源量和社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益，在此基礎(chǔ)上，明確強(qiáng)開放邊界灌區(qū)地下水安全開采量的概念，為強(qiáng)開放邊界灌區(qū)地下水安全開采量提供科學(xué)依據(jù)和技術(shù)支撐。

地下水開采主要取水工程為水井，井的類型主要有管井、筒井、輻射井和特殊類型的坎兒井。黑龍江省西部是典型的強(qiáng)開放邊界旱灌區(qū)，管井是農(nóng)業(yè)灌溉的主要供水設(shè)備。需要對(duì)管井的技術(shù)保障進(jìn)行分析，井的結(jié)構(gòu)、材料、成井工藝則是考慮的重要因素[15]，井口、井身、濾水管和沉砂管是管井重要的結(jié)構(gòu)要素，高度及長(zhǎng)度的設(shè)定需因地制宜。井管的材料多數(shù)采用鋼筋混凝土，耐腐蝕性好，濾水材料依據(jù)研究區(qū)的含水層巖性來選定濾水材料，黏土的止水效果好，粘結(jié)材料從操作難度和適用度來選擇，并根據(jù)井的類型和需水量確定取水設(shè)備的型號(hào)，其中，安裝方式、鉆探方法和清洗方法是成井工藝主要考慮的因素。并根據(jù)研究區(qū)的需水量來選用合適的取水設(shè)備，利用Theis公式計(jì)算單井的出水量[16]，對(duì)其資源量進(jìn)行預(yù)估和判斷。綜合管井的結(jié)構(gòu)、材料、成井工藝分析其經(jīng)濟(jì)效益，打井的項(xiàng)目費(fèi)用參數(shù)包含井管材料，黏結(jié)、濾水、止水料，取水設(shè)備，井房建設(shè)和人工費(fèi)的投入，開采的地下水主要用于農(nóng)業(yè)灌溉，根據(jù)研究區(qū)主要農(nóng)業(yè)農(nóng)作物的產(chǎn)量、所需水量和收成，從經(jīng)濟(jì)效益的角度分析，從而定義該研究區(qū)的地下水安全開采量。

2.3 地下水關(guān)鍵水位的劃定依據(jù)

目前，國(guó)內(nèi)的地下水管理模式僅是單一的考慮地下水可開采量，在地下水開采量允許的范圍內(nèi)進(jìn)行開采仍會(huì)造成地下水超采，地下水可開采量作為主要控制因素，應(yīng)合理開采并優(yōu)化地下水位[17]，進(jìn)行流域內(nèi)整體的水均衡和水動(dòng)態(tài)預(yù)測(cè)才是合理的地下水管理模式研究[18]。地下水水位是地下水管理的控制性指標(biāo)，同時(shí)也約束著地下水總量，進(jìn)行地下水管理時(shí)首先要分析研究區(qū)地下水動(dòng)態(tài)特征、計(jì)算研究區(qū)的地下水允許開采量、通過分析含水層的結(jié)構(gòu)，為例更好地控制地下水總量，給出地下水控制性關(guān)鍵水位的劃分依據(jù)。

潛水蒸發(fā)量隨著地下水埋深的減小而增加，地下水位過高時(shí)會(huì)引發(fā)土壤次生鹽漬化和建筑物塌陷，地下水開采過量會(huì)導(dǎo)致地下水位下降，形成漏斗，引起地面下沉等環(huán)境危害。根據(jù)地下水的不同用途，將地下水位劃分為11種，見表1。

當(dāng)?shù)叵滤惶幱谏霞t線水位時(shí)，由于蒸發(fā)量過大，極易引起土壤此生鹽漬化，地下水應(yīng)強(qiáng)制開發(fā)利用，當(dāng)?shù)叵滤惶幱谏宵S線水位時(shí)，應(yīng)鼓勵(lì)性的開發(fā)利用地下水；地下水位處于藍(lán)線水位時(shí)，應(yīng)合理開發(fā)且高效利用地下水，此時(shí)地下水達(dá)到開采量與補(bǔ)給量平衡的狀態(tài)，當(dāng)?shù)叵滤幱谙曼S線水位時(shí)，地下水水資源量即將疏干，應(yīng)限制開采，當(dāng)水位處于下紅線水位時(shí)，地下水實(shí)際開采量超過了允許開采量的范圍，應(yīng)及時(shí)采取相應(yīng)的防護(hù)措施，禁止開發(fā)利用地下水。

表1 地下水關(guān)鍵水位劃定依據(jù)

3 安全保障模式的研究

3.1 地下水安全保障模式研究現(xiàn)狀

澳大利亞是統(tǒng)一調(diào)控地表水與地下水，目的是使水資源更好地得以利用，通過建立水權(quán)和用水制度，允許用戶之間進(jìn)行有償?shù)霓D(zhuǎn)讓水資源，從而有效的控制地下水總量。以色列采取高度集中的地下水管理模式，運(yùn)用先進(jìn)的地下水水流模型等技術(shù)，對(duì)地下水資源量采取控制手段，從而提高地下水的管理水平。韓國(guó)建立了地下水法以此更好地調(diào)配地下水。荷蘭主要以地下水為主，地下水的利用率極高，為了更好地對(duì)地下水進(jìn)行管理，荷蘭建立了地下水稅，限制了地下水的使用量。英國(guó)提出了風(fēng)險(xiǎn)決策的概念，建立地下水保護(hù)區(qū)是地下水管理的重要措施之一。德國(guó)通過限制地下水的開采量從而達(dá)到地下水管理的目的[19]。

國(guó)內(nèi)的地下水安全保障模式是以不同區(qū)域需水量和地下水水位作為地下水管理及開發(fā)利用的控制性指標(biāo)[20]，從社會(huì)經(jīng)濟(jì)、技術(shù)水平、環(huán)境等多個(gè)角度為限制條件構(gòu)建的保障地下水安全的開采方案集合[21]。

3.2 基于“總量+水位”雙控的地下水安全保障模式

地下水安全保障模式的關(guān)鍵在于通過約束條件控制地下水的開發(fā)利用，使含水層達(dá)到安全狀態(tài)[22]。構(gòu)建地下水安全保障模式的前提是預(yù)測(cè)研究區(qū)的需水量，擬定不同的地下水開采方案，計(jì)算地下水允許開采量，并通過“以量定位”的原則，劃定地下水控制性關(guān)鍵水位，采用水量均衡法對(duì)地下水資源量進(jìn)行評(píng)價(jià)，包括天然補(bǔ)給量、激發(fā)補(bǔ)給量和儲(chǔ)存量，強(qiáng)開放邊界旱灌區(qū)的地下水位主要受降水量、側(cè)向徑流量和開采量影響，并考慮約束條件，建立地下水總量、地下水水位及約束條件之間的關(guān)系，數(shù)學(xué)方程如下式。

(1)

以地下水水位為控制性指標(biāo)，保證地下水水位埋深不得超過含水層厚度的2/3，且含水層不能遭到破壞，滿足當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)政策需求，從而構(gòu)建區(qū)域地下水安全保障模式，有利于地下水資源的可持續(xù)利用。

4 結(jié) 語

國(guó)內(nèi)外對(duì)安全開采量的內(nèi)涵由來已久，對(duì)地下水管理國(guó)外采用水權(quán)和稅法等制度限制開采，近年來國(guó)內(nèi)衍生出的地下水安全保障模式方法單一，提出一種以地下水總量和地下水位雙控管理的地下水安全保障模式。

(1)結(jié)合強(qiáng)開放邊界灌區(qū)特點(diǎn)，明確了安全開采量的內(nèi)涵。梳理安全開采量的概念和評(píng)價(jià)方法，技術(shù)保障以管井為取水設(shè)備，從井的結(jié)構(gòu)、材料、成井工藝3個(gè)因素綜合分析，利用Theis公式計(jì)算單井的出水量，對(duì)其資源量進(jìn)行了預(yù)估和判斷，并考慮經(jīng)濟(jì)效益。

(2)提出了控制性關(guān)鍵水位的劃定方法?？刂菩躁P(guān)鍵水位有3種用途，描述地下水預(yù)警狀態(tài)；指導(dǎo)地下水開發(fā)利用；地下水動(dòng)態(tài)的管理，劃定了11種地下水位，論述了其劃定依據(jù)，給出存在的狀態(tài)。

(3)提出基于“總量+水位”雙控的地下水安全保障模式。通過在研究區(qū)設(shè)定不同的地下水開采方案，并通過“以量定位”的原則，對(duì)地下水控制性關(guān)鍵水位合理的劃分，建立地下水總量、地下水位及約束條件之間的聯(lián)系，構(gòu)建地下水安全保障模式。