地下水超采區(qū)評價(jià)方法芻議

陳 飛，丁躍元，于麗麗，唐世南，孫逢玥，吳一凡，劉 飛

(1.水利部水利水電規(guī)劃設(shè)計(jì)總院，北京 100120;2.鄭州大學(xué)，河南 鄭州 450001)

地下水具有重要的資源供給與生態(tài)維系功能，在保障居民生活和生產(chǎn)供水、維持地表植被、調(diào)節(jié)江河徑流、維系生態(tài)環(huán)境方面具有不可替代的作用。一些地區(qū)長期過量開采地下水，導(dǎo)致地下水嚴(yán)重超采，并引發(fā)或加重了地下水資源枯竭、生態(tài)系統(tǒng)退化等問題，給經(jīng)濟(jì)社會可持續(xù)發(fā)展和生態(tài)環(huán)境帶來了嚴(yán)重危害[1- 4]。國家高度重視地下水管理與保護(hù)，明確要求開展地下水超采治理[5- 6]。治理地下水超采問題，首先要準(zhǔn)確地掌握地下水超采狀況，摸清地下水超采范圍，核定地下水超采量。水利部先后組織開展了兩次全國地下水超采區(qū)評價(jià)工作，制定出臺了地下水超采區(qū)評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，明確了地下水超采區(qū)評價(jià)方法，為推進(jìn)地下水超采治理、加強(qiáng)地下水管理與保護(hù)奠定了基礎(chǔ)[7- 9]。

隨著地下水超采治理工作不斷推進(jìn)，超采區(qū)治理成效逐漸顯現(xiàn)。為了更新超采區(qū)范圍，一些地區(qū)啟動(dòng)了新一輪地下水超采區(qū)評價(jià)工作。筆者在開展超采區(qū)評價(jià)工作中，發(fā)現(xiàn)現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)中地下水超采區(qū)評價(jià)方法存在若干問題或值得商榷之處。本文以最近開展的京津冀地下水超采區(qū)評價(jià)工作為基礎(chǔ)，圍繞地下水超采區(qū)評價(jià)方法，分析了現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)中可能存在的問題，并針對上述問題開展了技術(shù)分析與論證，提出了地下水超采區(qū)評價(jià)方法完善建議，以更合理地完成京津冀超采區(qū)評價(jià)以及支撐新一輪全國地下水超采區(qū)評價(jià)工作。

1 現(xiàn)行地下水超采區(qū)評價(jià)方法

根據(jù)GB/T34968—2017《地下水超采區(qū)評價(jià)導(dǎo)則》(以下簡稱《導(dǎo)則》)，現(xiàn)行的地下水超采區(qū)評價(jià)方法主要有三種，分別為開采系數(shù)法、水位下降速率法和引發(fā)問題法[10]?！秾?dǎo)則》規(guī)定，在劃定超采區(qū)時(shí)，應(yīng)同時(shí)采用上述3種方法，并在3種方法劃定結(jié)果基礎(chǔ)上綜合判定超采區(qū)范圍。3種評價(jià)方法與綜合判定方法具體如下：

1.1 開采系數(shù)法

以區(qū)域的地下水開采系數(shù)判斷其是否存在超采問題，若地下水開采系數(shù)大于1，則認(rèn)為存在超采；否則不超采。計(jì)算時(shí)宜以行政區(qū)或地下水開采區(qū)作為計(jì)算單元，以經(jīng)過批復(fù)的地下水資源評價(jià)成果為依據(jù)確定地下水可開采量，評價(jià)期內(nèi)資源狀況發(fā)生重大變化的應(yīng)進(jìn)行補(bǔ)充計(jì)算。地下水開采系數(shù)為地下水實(shí)際開采量與可開采量的比值，可按式(1)計(jì)算。

(1)

1.2 水位下降速率法

以區(qū)域地下水水位下降速率判定超采情況，若因地下水開采造成地下水水位呈持續(xù)下降趨勢，則認(rèn)為存在超采；否則不超采。以水位下降速率為標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行劃分時(shí)宜以水文地質(zhì)單元作為計(jì)算單元，可與行政區(qū)相結(jié)合。根據(jù)同一監(jiān)測站在評價(jià)期初和評價(jià)期末相同監(jiān)測時(shí)段的水位值，計(jì)算評價(jià)期水位變化速率。各監(jiān)測站地下水水位年均變化速率可按式(2)計(jì)算。

(2)

式中,v—地下水水位年均下降速率，m/s；H1—評價(jià)期初地下水水位,m；H2—評價(jià)期末地下水水位,m；Δt—評價(jià)期時(shí)間段長度，a。

1.3 引發(fā)問題法

因地下水開發(fā)引發(fā)了一定的生態(tài)地質(zhì)環(huán)境問題，則判定為地下水超采區(qū)。以地面沉降為例，通過年均沉降速率判定是否超采，若年均沉降速率大于0，則判定為超采區(qū)。年均地面沉降速率可按式(3)計(jì)算。

(3)

式中,va—評價(jià)期內(nèi)年均地面沉降速率，mm/a；Δh—評價(jià)期內(nèi)地面沉降量，mm；Δt—評價(jià)期時(shí)間段長度，a。

1.4 超采區(qū)綜合判定

在綜合確定地下水超采區(qū)范圍時(shí)，采用上述三種不同評價(jià)方法初步圈出的超采邊界進(jìn)行疊加，圈出圍括最大面積的外包線。綜合考慮地下水開發(fā)利用實(shí)際情況、水文地質(zhì)條件、超采區(qū)劃分精度、基礎(chǔ)資料的可靠性、評價(jià)期前地下水超采情況等因素，對圈出的邊界進(jìn)行調(diào)整和修正，確定超采區(qū)分布范圍。

2 存在問題與完善建議

2.1 關(guān)于地下水開采系數(shù)法

在使用地下水開采系數(shù)法時(shí)，《導(dǎo)則》規(guī)定“采用自現(xiàn)狀年前不短于10a的資料系列”“評價(jià)期內(nèi)年均地下水實(shí)際開采量”。在實(shí)際評價(jià)工作中發(fā)現(xiàn)，若嚴(yán)格按照評價(jià)期內(nèi)年均地下水實(shí)際開采量來計(jì)算地下水開采系數(shù)，對于一些區(qū)域會出現(xiàn)不適用的問題，不能客觀反映評價(jià)期內(nèi)降水的豐枯變化，以及近年來各地開展的地下水超采治理工作對開采量的影響，易出現(xiàn)評價(jià)結(jié)果偏大或者偏小的情況。

以天津市為例，若按照《導(dǎo)則》規(guī)定的不短于10a的系列(2001—2017)平均值分析計(jì)算超采量，則得出其深層承壓水年均超采量為3.13億m3[11]。但是，考慮到天津市近年來深層承壓水開發(fā)利用量呈遞減趨勢，如圖1所示，使用不短于10a的系列(2001—2017)平均值分析計(jì)算的超采量顯然不能反映當(dāng)前最新的超采狀況。按照最近幾年系列(2015—2018年)地下水開發(fā)利用情況評價(jià)超采量結(jié)果為1.74億m3，更符合實(shí)際超采狀況。

相對風(fēng)險(xiǎn)度(Relative Risk, RR)是借用流行病學(xué)中“相對危險(xiǎn)度”的概念，指在其他條件一定時(shí)，特定人群人均醫(yī)藥費(fèi)是觀察人群人均醫(yī)藥費(fèi)的倍數(shù)[7]。為消除不同人群收入差異的影響，以矯正相對風(fēng)險(xiǎn)度來反映不同收入水平人群之間疾病經(jīng)濟(jì)風(fēng)險(xiǎn)的高低[8]。

鑒于此，建議在地下水開采系數(shù)法中，使用地下水開采量計(jì)算開采系數(shù)時(shí)，應(yīng)綜合考慮評價(jià)期內(nèi)降水豐枯變化、地下水開采利用情況變化，以及地下水超采治理效果，具體可分為以下兩種情況進(jìn)行分析：

(1)評價(jià)期內(nèi)地下水開采量基本穩(wěn)定(或波動(dòng)穩(wěn)定)

可按照評價(jià)期地下水開采量平均值作為評價(jià)期地下水實(shí)際開采量，進(jìn)行開采系數(shù)計(jì)算；

(2)評價(jià)期內(nèi)地下水開采量單調(diào)遞減(或遞增)

這種情況符合目前大多數(shù)地區(qū)地下水開采量變化趨勢。為反映最新的地下水超采情況，應(yīng)結(jié)合降水豐枯情況，選擇最近的2～3a地下水開采量平均值，計(jì)算地下水開采系數(shù)。

圖1 天津市深層承壓水開發(fā)利用情況

2.2 關(guān)于地下水水位下降法

按照《導(dǎo)則》規(guī)定，當(dāng)使用地下水水位下降法，計(jì)算年均水位下降速率時(shí)，使用評價(jià)期初和評價(jià)期末直接相減后除以時(shí)段長度得到。可以看出，計(jì)算結(jié)果反映了地下水水位在評價(jià)期初和評價(jià)期末兩個(gè)時(shí)間點(diǎn)的變化情況，但并沒有體現(xiàn)評價(jià)期內(nèi)地下水水位變化過程，不足以全面反映地下水水位變化趨勢。以北京市為例，如圖2所示，若以評價(jià)期初和評價(jià)期末時(shí)間點(diǎn)來分析的話，地下水水位處于下降態(tài)勢，但2014年南水北調(diào)通水后，北京市地下水水位下降趨勢得到遏制，很多區(qū)縣地下水水位在2014年后呈持續(xù)回升狀態(tài)[12]。在評價(jià)期后半段，降水總體為平水情況下，對于地下水水位持續(xù)回升3a以上的地區(qū)，地下水已經(jīng)處于采補(bǔ)平衡甚至補(bǔ)大于采的狀態(tài)，筆者認(rèn)為可以不判定為地下水超采區(qū)。

圖2 北京市部分地區(qū)地下水水位變化情況

因此，建議在地下水水位下降法中，計(jì)算地下水水位下降速率時(shí)，應(yīng)綜合考慮評價(jià)期內(nèi)降水豐枯變化、地下水水位變化過程。一般情況下，評價(jià)期內(nèi)地下水水位變化趨勢存在下列幾種情況：①基本穩(wěn)定(或波動(dòng)穩(wěn)定)；②持續(xù)回升(或波動(dòng)回升)；③持續(xù)下降(或波動(dòng)下降)；④先降后升；⑤先升后降。

對于前三種情況，可采用式(2)計(jì)算地下水水位變化速率，并據(jù)此判定超采狀態(tài)；對于第④、⑤種情況，應(yīng)分析評價(jià)期地下水水位變化過程，在評價(jià)期內(nèi)選擇合理的時(shí)段，結(jié)合降水豐枯變化、地下水超采治理成效，綜合判定地下水是否超采。

2.3 關(guān)于引發(fā)問題法

對于引發(fā)問題法評價(jià)地下水超采區(qū)及其分級標(biāo)準(zhǔn)，《導(dǎo)則》規(guī)定：因地下水開采引發(fā)了地面沉降，年均地面沉降速率大于10mm/a為嚴(yán)重超采區(qū)，其他為一般超采區(qū)。

而自然資源部相關(guān)文件關(guān)于地面沉降的判定和分級標(biāo)準(zhǔn)主要包括兩種，具體如下：

(1)根據(jù)DZ/T 0286—2015《地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性評估規(guī)范》，將地面沉降發(fā)育程度分級如下[13]：①沉降速率≤10mm/a，發(fā)育程度為弱；②10mm/a<沉降速率≤30mm/a，發(fā)育程度為中等；③沉降速率>30mm/a，發(fā)育程度為強(qiáng)。

(2)根據(jù)自然資源部地面沉降年報(bào)，按照沉降速率將地面沉降劃分為4個(gè)級別：①沉降速率<10mm/a，為穩(wěn)定或輕微沉降區(qū)；②10mm/a≤沉降速率<30mm/a，為一般沉降區(qū)；③30mm/a≤沉降速率<50mm/a，較嚴(yán)重沉降區(qū)；④沉降速率≥50mm/a，嚴(yán)重沉降區(qū)。

可以看出，《導(dǎo)則》中規(guī)定的地面沉降判定超采及其分類標(biāo)準(zhǔn)，與自然資源部門現(xiàn)行的地面沉降判定和分級標(biāo)準(zhǔn)存在較大出入。作為地面沉降防治主管部門的自然資源部，將地面沉降速率大于30mm/a作為(較)嚴(yán)重地面沉降(或強(qiáng)發(fā)育程度)的判斷標(biāo)準(zhǔn)，而《導(dǎo)則》中規(guī)定地面沉降速率大于10mm/a為嚴(yán)重超采區(qū)，其他為一般超采區(qū)。超采區(qū)判定和分類所依據(jù)的地面沉降標(biāo)準(zhǔn)與地面沉降判定和分類標(biāo)準(zhǔn)不一致，由此確定的超采區(qū)范圍恐不能科學(xué)準(zhǔn)確地反映地面沉降這一重要因素。建議參照自然資源部門地面沉降判定和分級標(biāo)準(zhǔn)，將《導(dǎo)則》中規(guī)定的“地面沉降速率大于10mm/a為嚴(yán)重超采區(qū)，其他為一般超采區(qū)”修改為“地面沉降速率大于30mm/a為嚴(yán)重超采區(qū)，地面沉降速率大于10mm/a為一般超采區(qū)”。

2.4 關(guān)于超采區(qū)綜合判定方法

根據(jù)開采系數(shù)法、水位下降速率法、引發(fā)問題法3種方法劃定結(jié)果，綜合確定地下水超采區(qū)時(shí)，《導(dǎo)則》采用的是將3種方法確定的超采區(qū)邊界進(jìn)行疊加、并入，圈出圍括最大面積的外包線，然后對圈出的邊界進(jìn)行調(diào)整和修正，綜合確定超采區(qū)分布范圍。

根據(jù)京津冀地下水超采區(qū)劃定工作經(jīng)驗(yàn)，經(jīng)過近幾年的超采治理，很多地區(qū)地下水水位呈持續(xù)上升態(tài)勢，但是可能仍然存在地面沉降問題，即地下水水位變化方法與地面沉降方法確定的超采區(qū)范圍存在不一致的情況。筆者認(rèn)為，在這種情況下，不同方法判定超采區(qū)范圍出現(xiàn)不一致的情況時(shí)，不宜將3種方法確定的超采區(qū)進(jìn)行簡單疊加、并入，而應(yīng)以地下水水位動(dòng)態(tài)作為主要的判斷因素，對超采區(qū)綜合界定方法進(jìn)行細(xì)化修訂，明確綜合確定步驟。尤其是對于引發(fā)問題法劃定結(jié)果的處理上，考慮到地面沉降、地裂縫等地質(zhì)環(huán)境問題不一定完全與地下水開采相關(guān)，因此在地下水水位持續(xù)回升、地下水開采量小于可開采量的情況下，對于存在較弱地質(zhì)環(huán)境問題的區(qū)域，可考慮不再劃定地下水超采區(qū)。

2.5 關(guān)于地下水超采量計(jì)算方法

計(jì)算地下水超采量，根據(jù)超采區(qū)的地下水開采量與可開采量做差求得。在確定超采區(qū)的地下水開采量時(shí)，同理應(yīng)參照本文2.1中地下水開采系數(shù)法的修改完善建議，綜合考慮評價(jià)期內(nèi)地下水開采利用變化過程及降水豐枯情況合理確定。若評價(jià)期內(nèi)地下水開采量基本穩(wěn)定(或波動(dòng)穩(wěn)定)，可按照評價(jià)期地下水開采量平均值作為評價(jià)期地下水實(shí)際開采量；若評價(jià)期內(nèi)地下水開采量單調(diào)遞減(或遞增)，應(yīng)選擇最近的2～3年地下水開采量平均值。

3 結(jié)論

科學(xué)劃定地下水超采區(qū)、準(zhǔn)確計(jì)算地下水超采量是開展地下水超采治理與管理的前提。目前，《導(dǎo)則》規(guī)定的開采系數(shù)法、水位下降速率法和引發(fā)問題法3種超采區(qū)劃定方法和地下水超采量計(jì)算方法存在一些不足，本文分析了各種評價(jià)方法存在的問題并給出了完善建議：在計(jì)算地下水開采系數(shù)和地下水超采量時(shí)，應(yīng)綜合考慮評價(jià)期內(nèi)地下水開采利用變化過程，合理確定地下水開采量；計(jì)算地下水水位下降速率時(shí)，應(yīng)分析評價(jià)期地下水水位變化過程，在評價(jià)期內(nèi)選擇合理的時(shí)段，計(jì)算地下水水位下降速率；在引發(fā)問題發(fā)時(shí)，建議將地面沉降判定分級標(biāo)準(zhǔn)和自然資源部門銜接一致；綜合劃定地下水超采區(qū)時(shí)，不宜將不同方法確定的超采區(qū)進(jìn)行簡單疊加、并入，建議以地下水水位動(dòng)態(tài)作為主要的判斷因素。本文提出的超采區(qū)評價(jià)方法完善建議，有助于更加合理地評價(jià)超采區(qū)，給各地超采區(qū)評價(jià)工作提供參考和借鑒，支撐地下水超采治理工作。