基于臨界水位下地下水“紅黃藍(lán)”分區(qū)劃分研究

程雙虎 ，張曉燁，李明良，謝新民 ，趙 勐

（1.河北省水文水資源勘測局，石家莊050031；2.中國水利水電科學(xué)研究院，北京 100038）

近年來隨著供需矛盾的加劇、地下水環(huán)境的惡化，對水行政主管部門管理的時效性、便捷性提出了更高的要求。但由于地下水的復(fù)雜性，在劃分地下水“紅黃藍(lán)”線或“紅黃藍(lán)”分區(qū)的研究上，以往的成果較少且覆蓋面廣、內(nèi)容繁雜，時效性差，難以滿足水行政主管部門及時管理的需求。該問題的主要難點(diǎn)在于地下水“紅黃藍(lán)”線或“紅黃藍(lán)”分區(qū)劃分既要符合科學(xué)規(guī)律同時也要快速、便捷、易于實(shí)施。開展基于臨界水位下的地下水“紅黃藍(lán)”線及分區(qū)劃分研究十分必要。

1 研究區(qū)地表水和地下水資源現(xiàn)狀

河北省屬于嚴(yán)重資源性缺水地區(qū)，地表水資源匱乏，而平原區(qū)絕大部分屬于環(huán)渤海經(jīng)濟(jì)區(qū)，為了保證經(jīng)濟(jì)社會的持續(xù)發(fā)展，長期超采地下水來滿足用水要求。由于過量超采地下水，使得河北平原區(qū)地下水位大面積持續(xù)下降，地下水漏斗面積達(dá)到4萬km2，同時還引發(fā)了地面沉降、地面塌陷和地裂縫、地下淡水水質(zhì)惡化等嚴(yán)重的生態(tài)與環(huán)境問題。

本文研究區(qū)位于河北省平原東南部的南水北調(diào)受水區(qū)，涉及邯鄲、邢臺、石家莊、保定、廊坊、滄州、衡水共7個省轄市的101個縣市，地勢西高東低，面積6.21萬km2，占全省總面積的33.1%，其中有咸水區(qū)面積3.30萬km2。

研究區(qū)地處暖溫帶半濕潤、半干旱大陸季風(fēng)氣候區(qū)，多年平均降水量529.4mm。降水量年內(nèi)分配不均，80%的降水集中在每年6～9月的汛期，冬季降水量最小，秋季稍多于春季。研究區(qū)內(nèi)水資源總量為64.02億m3，占全省31.2%；其中地表水資源量12.45億m3，占全省10.4%；地下水資源量（礦化度≤地下水資源）為59.53億m3，占全省48.6%。

研究區(qū)有4個含水層組，區(qū)域水文地質(zhì)條件十分復(fù)雜。從開采條件上，地下水開采不僅分為深淺層，且在深淺層地下水之間存在著巨厚的咸水體，影響深層、淺層地下水之間的越流，該區(qū)域開采條件復(fù)雜，研究難度很大，在劃分地下水“紅黃藍(lán)”線或分區(qū)的研究上，目前尚未見到相關(guān)的研究成果。鑒此，本研究采用水位動態(tài)法中的地下水位變幅為指標(biāo)，基于地下水控制性臨界水位來劃分地下水“紅黃藍(lán)”線及其分區(qū)，尋找一個較穩(wěn)定的能反應(yīng)現(xiàn)狀的地下水供水變化情況，為研究不同降水條件下的地下水控制指標(biāo)管理奠定基礎(chǔ)，評定中尺度降水序列資料的代表性和反應(yīng)現(xiàn)狀條件下的地下水供水量變化特征十分必要。

本研究以石家莊為典型區(qū)對全省降水代表性進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)年降水量存在一個10年的周期，該10年系列的相關(guān)參數(shù) （均值、Cv、Cv/Cs和豐平枯組合）均與研究區(qū)長系列降水周期參數(shù)相差或相近，代表性較強(qiáng)[1]。

近年來隨著最嚴(yán)格水資源管理制度的不斷深入，地下水供水量改變了過去增長的趨勢，逐漸穩(wěn)定，能反應(yīng)現(xiàn)狀條件下的地下水開采特征。因此，綜合分析地下水在近期代表降水周期中的動態(tài)變化和開采量變化特征，選定2006～2015年為本次研究區(qū)的研究系列。

2 基于臨界水位下的“紅黃藍(lán)”線及其分區(qū)

地下水“紅黃藍(lán)”線是為實(shí)現(xiàn)地下水資源的科學(xué)管理，依據(jù)水行政主管部門水資源“三條紅線”管理思路，根據(jù)地下水位動態(tài)變化劃分的反映區(qū)域地下水資源承載能力的控制線。

地下水“紅黃藍(lán)”線是為保障供水安全和保護(hù)生態(tài)環(huán)境設(shè)定的預(yù)警線，地下水水位過低和過高都會導(dǎo)致一系列的生態(tài)和地質(zhì)環(huán)境問題。

“紅黃藍(lán)”預(yù)警線是根據(jù)地下水實(shí)際監(jiān)測資料分析地下水采補(bǔ)平衡、水質(zhì)狀況及其引發(fā)的地質(zhì)環(huán)境問題的危害程度，綜合判斷地下水情，以合適當(dāng)?shù)氐刭|(zhì)環(huán)境下的臨界地下水水位為極限值，在臨界水位范圍內(nèi)劃分地下水“紅黃藍(lán)”預(yù)警線。其中，紅線為地下水資源管理的最終預(yù)警線，藍(lán)線為初始預(yù)警線，黃線介于紅、藍(lán)線之間為中期預(yù)警線；根據(jù)地下水“紅黃藍(lán)”線可以將區(qū)域劃分為“紅、黃、藍(lán)、白”4個分區(qū)，分別對應(yīng)越過紅線區(qū)（紅區(qū)）、越過黃線不到紅線區(qū)（黃區(qū)）、越過藍(lán)線不到黃線區(qū)（藍(lán)區(qū)）、不到藍(lán)線區(qū)（白區(qū)）。

其中紅線為水資源管理中的底線，越過紅線的區(qū)域均為嚴(yán)重超采區(qū)，包括了禁采區(qū)和限采區(qū)，屬于水資源供需矛盾最為尖銳的地區(qū)；藍(lán)線為非超采區(qū)和超采區(qū)的界限，一旦越過藍(lán)線將進(jìn)入水資源管理的嚴(yán)格限制區(qū)，屬于限采區(qū)；而黃線是為了方便水行政主管部門的管理，在限采區(qū)內(nèi)設(shè)置一道警戒線，來防止一般超采區(qū)內(nèi)的地下水超采繼續(xù)加重，適時給予預(yù)警。

2.1 地下水控制性臨界水位

由于對地下水過量超采，導(dǎo)致一些區(qū)域的地下水位大幅度下降，造成地面沉降、塌陷、地裂縫、海（咸）水入侵，以及表層土壤水分含量降低、植物凋萎、植被退化以至自然死亡，從而進(jìn)一步加劇土壤沙化和沙漠化的發(fā)展。另一方面，由于地表水過量引用（大水漫灌等落后的灌溉方式），加之灌區(qū)灌排設(shè)施不配套和不注重排水，或者地下水開采強(qiáng)度過小等，導(dǎo)致地下水位區(qū)域性抬升，引起土壤次生鹽漬（堿）化、沼澤化或者城區(qū)地下工程進(jìn)水、被淹等問題的發(fā)生和發(fā)展[2-3]。

本研究針對不同的水文地質(zhì)分區(qū)（單元），分析和確定避免可能產(chǎn)生的各類資源、生態(tài)和地質(zhì)環(huán)境問題或?yàn)?zāi)害的臨界水位，簡稱地下水控制性臨界水位[4-10]。

結(jié)合河北省實(shí)際情況，根據(jù)臨界埋深（水位）的確定依據(jù)，綜合考慮已有成果、地下水功能、水文地質(zhì)條件、超采區(qū)評價、含水層厚度等因素確定監(jiān)測井的臨界埋深（水位），將地下水控制性臨界水位類別可細(xì)劃分為抬升型臨界水位（或稱上限臨界水位）和下降型臨界水位（或稱下限臨界水位）兩種。綜合考慮國內(nèi)外學(xué)者相關(guān)研究成果、資料和實(shí)驗(yàn)結(jié)果[16-20]進(jìn)行研究。

地下水位是地下水系統(tǒng)變化的直觀表現(xiàn)形式，受到不同巖性滲透系數(shù)、給水度等參數(shù)大小的影響，不同含水層組臨界水位有所不同。一般地下水開采最大降深不應(yīng)超過含水層厚度的1/2～2/3。本次通過水文地質(zhì)資料確定各管理分區(qū)的含水層平均厚度，從供水安全及避免地質(zhì)災(zāi)害的角度考慮，采用含水層厚度的1/2對臨界下限埋深值進(jìn)行校核，即當(dāng)下限埋深初步成果大于含水層厚度1/2時，用含水層厚度的1/2作為下限埋深。

地下水的過量開采導(dǎo)致地下水位持續(xù)下降，進(jìn)而制約天然植被的生長，引起濕地和綠洲的生態(tài)系統(tǒng)失衡。

2.1.1 沿海地區(qū)

因地下水資源的不合理開發(fā)利用，降低了地下水位，破壞了咸淡水界面的平衡，引發(fā)咸水入侵等問題。

2.1.2 平原區(qū)

在封停地下水自備井后，水位得到了恢復(fù)，潛水蒸發(fā)能力增強(qiáng)，同時也引起了土壤鹽漬化等問題。

2.1.3 建成區(qū)

地下水位的回升還給地鐵等地下工程的施工和防滲帶來不便。

綜上，在地下水資源強(qiáng)烈開采下，河北省受水區(qū)各縣市出現(xiàn)了不同程度的降落漏斗，漏斗中心或其附近位置因含水層的塑性變形，造成地面沉降、地裂縫等地質(zhì)災(zāi)害[11-15]。

2.2 地下水“紅黃藍(lán)”線及其分區(qū)劃分標(biāo)準(zhǔn)

為保持與地下水超采區(qū)評價成果的一致性，且實(shí)現(xiàn)地下水資源管理的快速、高效管理，依據(jù)地下水“紅黃藍(lán)”線及其分區(qū)的定義，以水位動態(tài)法中的地下水位變幅為指標(biāo)，基于地下水控制性臨界水位來進(jìn)行地下水“紅黃藍(lán)”線及其分區(qū)的劃分[21-24]。

2.2.1 靜態(tài)劃分指標(biāo)

（1）淺層地下水上限埋深為：山前平原2.5m，一般平原區(qū)2m。

（2）下限埋深為：山前平原區(qū)15m，一般平原區(qū)10m。

2.2.2 動態(tài)劃分指標(biāo)

以水位動態(tài)法為基礎(chǔ)，根據(jù)超采區(qū)劃分標(biāo)準(zhǔn)。

（1）紅線為嚴(yán)重超采區(qū)與一般超采區(qū)界限，淺層地下水年均下降值為1m。

（2）藍(lán)線為非超采區(qū)與一般超采區(qū)界限，淺層地下水年均下降值為0m。

（3）黃線為紅線值的1/2，即淺層地下水位年均下降值為0.5m。

本研究以地下水位紅、黃、藍(lán)線劃分標(biāo)準(zhǔn)為依據(jù)，根據(jù)地下水位下降速率，以縣級行政區(qū)為單元，劃分地下水紅、黃、藍(lán)、白分區(qū)。其中，紅區(qū)為淺層地下水位下降速率大于1m/a的區(qū)域；黃區(qū)為淺層地下水位下降速率0.5～1m/a的區(qū)域；藍(lán)區(qū)為淺層地下水位下降速率0～0.5m/a的區(qū)域；白區(qū)為淺層地下水位下降速率小于0m/a的區(qū)域，如表1。

表1 淺層地下水“紅黃藍(lán)”區(qū)劃分標(biāo)準(zhǔn)

3 指標(biāo)體系現(xiàn)狀成果及分析

借鑒河北省地下水超采區(qū)劃分成果[25]，采用各管理分區(qū)淺層地下水代表性監(jiān)測627眼共10年（2006～2015年）的年末水位數(shù)據(jù)，計(jì)算全省地下水位下降速率，在地下水控制性臨界水位范圍內(nèi)，依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)來劃分河北省現(xiàn)狀評價期內(nèi)地下水紅、黃、藍(lán)、白分區(qū)。淺層地下水現(xiàn)狀下降速率如圖1。

圖1 淺層地下水下降速率分布

從圖1可以看出，紅區(qū)位于保定市以南西部地區(qū)，黃區(qū)位于紅區(qū)外圍且分布范圍較廣，藍(lán)區(qū)分布山前平原區(qū)東部邊緣，白區(qū)分布在中東部平原及濱海平原區(qū)。整個預(yù)警區(qū)與2010年超采區(qū)劃分成果相比，整體呈現(xiàn)加重趨勢，范圍擴(kuò)大且紅區(qū)的比例加大，反映了在維持目前開采現(xiàn)狀情況下，地下水惡化的趨勢仍在持續(xù)，迫切需要進(jìn)行綜合治理。

4 結(jié)語

（1）采用水位動態(tài)法，提出了動態(tài)指標(biāo)和靜態(tài)指標(biāo)雙控的劃分指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)，利用地下水年下降速率，劃分了紅、黃、藍(lán)、白分區(qū)。該系統(tǒng)具有簡單、高效的特征，為有效控制地下水超采提供了科學(xué)依據(jù)。

（2）依據(jù)河北省地下水超采區(qū)劃分成果，并給出了河北省現(xiàn)狀評價期內(nèi)地下水紅、黃、藍(lán)、白分區(qū)的系列成果，為河北省主管部門實(shí)施最嚴(yán)格水資源管理制度提供技術(shù)支撐。

（3）通過紅、黃、藍(lán)線的劃分，可以動態(tài)掌握地下水變化情況。當(dāng)?shù)叵滤惶幱诳刂菩陨舷匏恢匣蚩刂菩韵孪匏恢聦儆跇O端情況，利用上述方法，白區(qū)地下水位不變或上升，結(jié)合地下水控制性上限水位，可避免發(fā)生由于地下水位上升而導(dǎo)致的生態(tài)與地質(zhì)環(huán)境問題。

（4）紅區(qū)、藍(lán)區(qū)均為地下水位下降的區(qū)域，當(dāng)紅區(qū)、藍(lán)區(qū)地下水位位于地下水控制性下限臨界水位時，仍屬于控制開采的區(qū)域。

（5）未來隨著水資源開發(fā)利用格局的改變和下墊面條件及地下水補(bǔ)排關(guān)系的變化，要實(shí)時修正新條件下的紅黃藍(lán)分區(qū)成果。近期代表降水周期和《地下水超采區(qū)評價導(dǎo)則》的評價期均為10年，故采用逐年更新的方法實(shí)現(xiàn)動態(tài)評價管理模式，以便逐年對供用水策略進(jìn)行實(shí)時調(diào)整。