京津冀超采治理區(qū)地下水位預(yù)警研究

朱靜思，王 哲，厲治平

(水利部海河水利委員會水文局，天津 300170)

華北地區(qū)由于長期大規(guī)模開采地下水，地下水累計虧空量達(dá)1800億m3，導(dǎo)致地下水位下降、河湖水面萎縮、地面沉降、海水入侵等生態(tài)赤字[1- 2]。2019年1月，水利部聯(lián)合四部委印發(fā)了《華北地區(qū)地下水超采綜合治理行動方案》，以京津冀地區(qū)為治理重點，通過節(jié)水、結(jié)構(gòu)調(diào)整等措施壓減地下水超采量，同時多渠道增加水源補給，切實解決華北地區(qū)地下水超采問題。在當(dāng)前政策背景下，如何客觀反映治理成效，支撐管理部門科學(xué)決策，是推動行動方案有效落實的關(guān)鍵。

國內(nèi)外在地下水預(yù)警方面開展了大量研究工作，主要方法有統(tǒng)計法、數(shù)值模擬法、多元回歸法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法等。李文鵬等[3]借鑒美國地質(zhì)調(diào)查局在賓夕法尼亞的地下水預(yù)警方法，應(yīng)用統(tǒng)計法對北京平原區(qū)地下水水位實時監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)警等級判定，分別形成潛水、承壓水含水層地下水區(qū)域預(yù)警結(jié)果；王俊等[4]應(yīng)用多元回歸方法對地下水位變化與降水量、取水量之間的關(guān)系進(jìn)行了回歸分析，分別提出了靜態(tài)警戒線和動態(tài)警戒線；龍胤慧等[5]基于地下水動力學(xué)原理，從地下水動態(tài)均衡角度對半干旱平原區(qū)劃定了地下水位適宜變幅；李明良[6- 7]等以河北石家莊為例，提出了水位變幅和臨界水位雙控指標(biāo)的地下水“紅黃藍(lán)”線劃分標(biāo)準(zhǔn)。

由于地下水位是可觀測、可計量的物理數(shù)據(jù)，是評價區(qū)域地下水動態(tài)最直接、最客觀的指標(biāo)，因此地下水超采治理成效主要通過水位修復(fù)來反映。為了動態(tài)評估京津冀超采治理區(qū)地下水水位變化，預(yù)防地下水超采加劇，有必要對華北超采區(qū)地下水水位變化情況開展預(yù)警研究。為與地下水管理工作有效銜接，本文以京津冀超采治理區(qū)作為研究區(qū)，采用數(shù)理統(tǒng)計方法開展現(xiàn)狀地下水位預(yù)警研究，提出地下水位預(yù)警閾值，為支撐超采區(qū)地下水科學(xué)監(jiān)管提供依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

京津冀超采區(qū)地下水類型分為淺層和深層地下水。根據(jù)2012年全國超采評價成果，淺層地下水超采區(qū)位于華北西部太行山、燕山山前平原，涉及北京、保定、石家莊、邢臺、邯鄲等地區(qū)，主要開采潛水和弱承壓水，大部分地區(qū)為一般超采區(qū)；深層地下水超采區(qū)位于中東部平原，涉及天津、廊坊、滄州、衡水、邢臺、邯鄲等地區(qū)，主要開采深層承壓水，大部分地區(qū)為嚴(yán)重超采區(qū)。京津冀淺層地下水受降水和開采影響水位動態(tài)變化較明顯，其中人工開采是主導(dǎo)因素[8- 9]；深層承壓水動態(tài)變化主要受開采影響。一般年最低水位在5—6月，年最高水位在8—9月。京津冀地區(qū)近10年來地下水供水量呈下降趨勢，年均下降率約1.5%[10- 13]。

京津冀超采區(qū)地下水含水層主要為平原區(qū)松散巖類孔隙含水巖系[14]。潛水與弱承壓水含水層組埋藏于第四系頂部第Ⅰ、Ⅱ含水層組，底板埋深一般為40～60m，巖性為卵礫石、中粗砂、中細(xì)砂及粉細(xì)砂。深層承壓水含水層組由第Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ含水層組構(gòu)成。在山前平原，深層承壓水賦存于第Ⅲ和第Ⅳ含水巖組，頂界深度為80～150m，底界為第四系底板，深度一般為140～350m；中部和東部承壓含水層位于咸水體之下，底板埋深350～550m，含水層累計厚200～400m[14- 15]。

2 計算方法

本文采用數(shù)理統(tǒng)計百分位法確定區(qū)域埋深預(yù)警閾值。由于各監(jiān)測點的水位數(shù)據(jù)所采用的高程系不統(tǒng)一，因此本文采用埋深作為預(yù)警指標(biāo)，便于統(tǒng)一分析。百分位法是將數(shù)據(jù)序列進(jìn)行頻率分析，第n百分位數(shù)表示至少有n%的埋深數(shù)據(jù)大于或等于該值，且有(100-n)%的埋深數(shù)據(jù)小于該值[1]，水位則相反。具體計算方法如下：

(1)選擇具有長系列監(jiān)測數(shù)據(jù)的地下水監(jiān)測井作為代表井，對埋深時間序列數(shù)據(jù)進(jìn)行逐月統(tǒng)計排頻，分別計算各月5%、10%、25%的百分位數(shù)埋深及最小值，形成逐月埋深預(yù)警判據(jù)。

(2)根據(jù)各監(jiān)測井實時埋深監(jiān)測數(shù)據(jù)，按照預(yù)警判據(jù)判定地下水埋深的預(yù)警等級，得到單井預(yù)警結(jié)果。

(3)根據(jù)各監(jiān)測井所處的含水層區(qū)域，通過插值形成淺層、深層含水層區(qū)域埋深預(yù)警結(jié)果。

(4)進(jìn)行逐月計算，形成動態(tài)預(yù)警結(jié)果。

埋深預(yù)警閾值標(biāo)準(zhǔn)為：①最小值至5%的區(qū)間為紅色預(yù)警區(qū)，表示緊急狀態(tài)；②5%～10%的區(qū)間為黃色預(yù)警區(qū)，表示干旱狀態(tài)；③10%～25%的區(qū)間為藍(lán)色預(yù)警區(qū)，表示低于正常狀態(tài)。

根據(jù)歷史資料的代表性，淺層超采區(qū)選擇290眼監(jiān)測井，深層超采區(qū)選擇460眼監(jiān)測井。由于2014年南水北調(diào)通水后，北京、天津、河北一些地區(qū)地下水水位持續(xù)回升，因此根據(jù)京津冀地下水超采治理開展情況，選擇數(shù)據(jù)系列年份為2014—2019年。

3 預(yù)警判據(jù)

根據(jù)預(yù)警閾值計算方法，逐月計算京津冀淺層，深層超采區(qū)藍(lán)色、黃色、紅色三級埋深預(yù)警閾值，形成淺層、深層超采區(qū)月埋深預(yù)警判據(jù)，如圖1—2所示。表1為月埋深預(yù)警閾值。

(1)京津冀淺層超采區(qū)地下水埋深的歷史極低值在70～80m范圍內(nèi)，紅色預(yù)警范圍平均為42～72m，黃色預(yù)警范圍平均為36～42m，藍(lán)色預(yù)警范圍平均為26～36m。

(2)京津冀深層超采區(qū)地下水埋深的歷史極低值在100～110m范圍內(nèi)，紅色預(yù)警閾值平均為96～104m，黃色預(yù)警閾值平均為87m～96m，藍(lán)色預(yù)警閾值平均為73m～87m。

由圖1—2可知：淺層地下水水位波動較明顯，在一個水文年內(nèi)有2個上升期和2個下降期。3—6月水位呈波動下降，7—9月水位呈波動上升，9—10月水位下降，11月—次年2月水位呈波動上升。深層地下水水位基本穩(wěn)定，3—6月為水位下降期。

圖1 淺層地下水逐月埋深預(yù)警判據(jù)

圖2 深層地下水逐月埋深預(yù)警判據(jù)

表1 月埋深預(yù)警閾值

4 預(yù)警成果及分析

以京津冀超采治理區(qū)2018、2019、2020年1月平均埋深作為現(xiàn)狀埋深，按照預(yù)警判據(jù)確定各監(jiān)測井預(yù)警等級。根據(jù)監(jiān)測井所處的層位，分析形成淺層、深層含水層的區(qū)域預(yù)警結(jié)果，如圖3—4所示。

(1)根據(jù)淺層埋深預(yù)警結(jié)果：預(yù)警地區(qū)主要位于河北保定東南部、石家莊東部、邢臺西部，淺層地下水埋深較大。2018年1月，保定容城縣、安新縣、蠡縣，石家莊部分城區(qū)、趙縣，邢臺部分城區(qū)處于紅色預(yù)警區(qū)，表明這些地區(qū)地下水位已達(dá)到了歷史水位低值前5%范圍以內(nèi)；2019年1月，紅色預(yù)警區(qū)域縮小，僅石家莊部分城區(qū)、趙縣處于紅色預(yù)警區(qū)；2020年1月，紅色預(yù)警區(qū)域進(jìn)一步縮小，石家莊城區(qū)局地、邢臺部分城區(qū)處于紅色預(yù)警區(qū)。

(2)根據(jù)深層埋深預(yù)警結(jié)果：預(yù)警地區(qū)主要位于河北滄州、衡水的東部地區(qū)，深層地下水埋深較大。自2018年1月至2020年1月，達(dá)到紅色預(yù)警閾值的單井較少，未形成紅色預(yù)警區(qū)域。在衡水市東南部分地區(qū)地下水水位呈下降趨勢。

圖3 京津冀超采區(qū)淺層埋深預(yù)警結(jié)果

圖4 京津冀超采區(qū)深層埋深預(yù)警結(jié)果

近年來受地下水壓采和生態(tài)補水的影響，京津冀淺層含水層地下水水位回升態(tài)勢明顯，但深層含水層由于地表水補給緩慢、地下水持續(xù)開采等原因，水位變化不顯著，衡水部分地區(qū)水位呈下降的趨勢。通過以上分析，利用預(yù)警成果可以有效識別不同含水層區(qū)域的地下水現(xiàn)狀埋深特征和變化趨勢。

5 結(jié)語

(1)本文以京津冀超采治理區(qū)為研究區(qū)，采用數(shù)理統(tǒng)計百分位法，以地下水埋深系列的5%、10%、25%作為紅、黃、藍(lán)三級埋深預(yù)警閾值，形成了逐月預(yù)警判據(jù)，為準(zhǔn)確識別地下水位變化，支撐地下水科學(xué)監(jiān)管提供了依據(jù)。

(2)根據(jù)2018年以來監(jiān)測數(shù)據(jù)預(yù)警分析成果，京津冀超采治理范圍內(nèi)保定東南部、石家莊東部、邢臺西部淺層地下水埋深較大，滄州、衡水的東部深層地下水埋深較大，淺層地下水水位回升顯著，深層水位變化不明顯。

為全面反映地下水變化特征，地下水預(yù)警需要結(jié)合水位、開采量、水質(zhì)進(jìn)行綜合預(yù)警，下一步筆者將深入探索地下水綜合預(yù)警指標(biāo)體系。