區(qū)域地下水水位水量雙控管理研究

戴長雷，王 羽，王美玉，韓心宇

(黑龍江大學(xué) a.水利電力學(xué)院；b.寒區(qū)地下水研究所；c.中俄寒區(qū)水文和水利工程聯(lián)合實驗室，哈爾濱 150080)

0 引 言

為加強(qiáng)水資源開發(fā)利用控制紅線管理，需要落實包括嚴(yán)格規(guī)劃管理和水資源論證、嚴(yán)格控制流域和區(qū)域取用水總量、嚴(yán)格實施取水許可、嚴(yán)格水資源有償使用、嚴(yán)格地下水管理和保護(hù)、強(qiáng)化水資源統(tǒng)一調(diào)度6項措施在內(nèi)的用水總量控制方案[1]。

地下水資源的總量控制管理可采用“取水口測量”“以電折水、以油折水”“地下水水位水量雙控管理”等作為技術(shù)方法支撐[2]。前兩者為直接或半直接水資源量確定方法，適用于面積較小、取水井可控的集中式或半集中式取水為主的區(qū)域，而“地下水水位水量雙控管理”適用于面積較大、取水井?dāng)?shù)量較多的分散式取水為主的區(qū)域。

本文擬從雙控管理區(qū)域、地下水控制性總量、地下水控制性關(guān)鍵水位、基于監(jiān)測的實時地下水位、地下水實際用水量、管理方案的觸發(fā)等方面，并結(jié)合典型問題實例，對區(qū)域地下水水位水量雙控管理的理論與應(yīng)用進(jìn)行系統(tǒng)分析，以期為同類工作提供參考。

1 管理期和管理區(qū)的確定

1.1 調(diào)試期和管理期劃分

調(diào)試期是指技術(shù)方法調(diào)試期，設(shè)置此時期是為了識別和驗證技術(shù)方法的可行性。管理期是指在技術(shù)方法調(diào)試可行的基礎(chǔ)上，管理者對管理區(qū)進(jìn)行地下水水位水量雙控管理的時期。雙控管理區(qū)域在時間上可分為開采條件和開采前條件，后面關(guān)于雙控管理的分析和推導(dǎo)是在開采條件下進(jìn)行的。

1.2 管理區(qū)及其子區(qū)的確定

地下水允許開采量通常利用水均衡來計算[3]。雙控管理區(qū)的水均衡研究，是以地下水為研究對象闡明該區(qū)域地下水水量在某一時間內(nèi)的補(bǔ)給與排泄之間的數(shù)量關(guān)系，而應(yīng)用質(zhì)量守恒定律去分析計算水循環(huán)的各要素的數(shù)量關(guān)系[4]。地下水均衡研究是對某一區(qū)域的某一時期進(jìn)行的。進(jìn)行均衡研究所選定的區(qū)域稱為均衡區(qū)，均衡區(qū)最好取具有隔水邊界的完整的地下含水系統(tǒng)。進(jìn)行均衡計算的時段稱為均衡期[5]。

對于管理區(qū)可以采用地下水均衡研究，如果均衡區(qū)內(nèi)包含兩個及以上的行政管理單位，通常需將均衡區(qū)根據(jù)行政區(qū)來劃分為幾個區(qū)域。然而以行政區(qū)為單一因素劃分的子區(qū)域地下水位控制，管控的目標(biāo)含水層通常只能為平原區(qū)孔隙含水層。對于巖溶裂隙含水層，由于在空間上從補(bǔ)給徑流區(qū)到排泄區(qū)地域跨度大，即使在同一行政區(qū)內(nèi)地下水位動態(tài)變化也有很大差異，難以以行政區(qū)域作為管理單位進(jìn)行的地下水位管控；對于基巖裂隙水含水層也是如此[6]。所以，需將均衡區(qū)以水文地質(zhì)條件和行政區(qū)劃雙因素耦合來劃分為若干個子區(qū)域來分別進(jìn)行均衡研究。

地下水管理區(qū)分區(qū)所需梳理的水文地質(zhì)條件見表1。

表1 地下水管理區(qū)分區(qū)所需梳理的水文地質(zhì)條件Table 1 Hydrogeological conditions for groundwater management region

2 地下水控制性總量的確定

2.1 地下水控制性總量與地下水允許開采量的關(guān)系

由于可能存在水的循環(huán)利用或用水損失，地下水控制性用水總量Q控總=ηQ需(η為水的利用效率，η>0)，Q需為需水總量，考慮到輸水損失，需水總量Q需=ζQ可供(ζ為輸水效率，ζ≤1)，Q可供為可供水總量。在開采條件下，可供水總量等于允許開采量Q允，即Q可供=Q允，則有Q需=ζQ可供=ζQ允(ζ≤1)。則地下水控制性總量與地下水允許開采量的關(guān)系為

Q控總=ηQ需=ηζQ允(η>0,ζ≤1)

(1)

2.2 地下水允許開采量的計算

通過區(qū)域均衡，可求得允許開采量Q允，并確定區(qū)域地下水控制性用水總量Q控總。確定均衡對象、均衡區(qū)、均衡期，并進(jìn)一步把均衡期劃分為識別期、驗證期和應(yīng)用期。構(gòu)建均衡模型，并進(jìn)行模型的識別與驗證。對于目標(biāo)含水層，列均衡區(qū)均衡期的方程如式(2)，確定均衡要素的項數(shù)，并計算均衡要素。

Q補(bǔ)給-Q排泄=ΔQ儲

(2)

式中：Q補(bǔ)給為均衡期內(nèi)目標(biāo)含水層的補(bǔ)給量，m3；Q排泄為均衡期內(nèi)目標(biāo)含水層的排泄量，m3；ΔQ儲為均衡期內(nèi)目標(biāo)含水層的儲存量的變化量，m3。

梳理式(2)左側(cè)可能的均衡要素：可能的補(bǔ)給項有降雨入滲Q降滲、灌溉回滲Q灌滲、渠系滲漏Q渠滲、河流補(bǔ)給Q河補(bǔ)、地下水側(cè)向補(bǔ)給Q側(cè)補(bǔ)；可能的排泄項有人工開采Q開采，潛水蒸發(fā)Q潛蒸、側(cè)向流出Q側(cè)流[7]。據(jù)此列方程式(3)、式(4)。

Q補(bǔ)給=Q降滲+Q灌滲+Q渠滲+Q河補(bǔ)+Q側(cè)補(bǔ)

(3)

Q排泄=Q開采+Q潛蒸+Q側(cè)流

(4)

在識別期內(nèi)計算各均衡要素如表2。

表2 各均衡要素計算公式Table 2 Calculation formula of equilibrium factors

由式(5)計算均衡模型誤差e，并與允許誤差e0作比較。

(5)

(6)

3 區(qū)域地下水控制性關(guān)鍵水位的確定

3.1 控制性上界水位

地下水控制性關(guān)鍵水位分別設(shè)為上界水位和下界水位。上界水位是指地下水不發(fā)生浸沒的控制性水位，又分為上紅線水位H上紅和上黃線水位H上黃。上黃線水位H上黃為地下水不發(fā)生浸沒的警示水位，表示開采處于“亞健康”狀態(tài)，上紅線水位H上紅為地下水不發(fā)生浸沒的警戒水位，表示地下水開采處于“不健康”的狀態(tài)[8]。關(guān)于上界水位的確定方法，7.1節(jié)中有相關(guān)描述。此處主要研究下界水位的確定。

3.2 控制性下界水位的計算

將管理區(qū)由水文地質(zhì)條件和行政區(qū)等因素劃分為m個子區(qū)域。對于每一個子區(qū)域，借助Q控總求得各子區(qū)域控制性下界關(guān)鍵水位H下紅；對于H下黃，可由Q控總與警示系數(shù)λ來確定，即當(dāng)?shù)叵滤_采量達(dá)到λQ控總時，由此得出的地下水關(guān)鍵水位為警示水位。

由式(7)～式(10)組成的模型為垂向源匯項(Wio)已知的潛水/承壓含水層地下水平面二維非穩(wěn)定流數(shù)學(xué)模型，該數(shù)學(xué)模型的通解為

h=g(x,y,t|K,E,M,Wio)

(11)

式中各符號意義同前。

又Wio=g′(Q)

(12)

由此得出

h=g(x,y,t|K,E,M,g′(Q))

(13)

若x,y,t,K,E,M已知，則式(13)即可表示為h=S(Q)。把Q=Q控總代入，即得H下紅=S(Q控總)；把Q=λQ控總代入，即得H下黃=S(λQ控總)。

4 區(qū)域地下水監(jiān)測及實時地下水位的確定

地下水監(jiān)測過程中，由于各種因素的影響，會造成某一站點(diǎn)時間序列數(shù)據(jù)的缺失，從而得到殘缺數(shù)據(jù)集，給地下水位監(jiān)測數(shù)據(jù)的分析和應(yīng)用帶來困難。此情況下，需要對地下水位缺失數(shù)據(jù)進(jìn)行插補(bǔ)。當(dāng)監(jiān)測井網(wǎng)的水位資料系列長度或空間范圍不能滿足分析和應(yīng)用時，需要對監(jiān)測的水位數(shù)據(jù)進(jìn)行空間或時間上的延長。針對不同的監(jiān)測數(shù)據(jù)和對數(shù)據(jù)插補(bǔ)和延長的要求，主要有簡單插補(bǔ)法、回歸分析法、周期趨勢分析法等[9-10]。

得到所需要的地下水水位監(jiān)測數(shù)據(jù)后，即可繪制地下水水位等值線圖。完整的潛水等水位線圖與承壓水等水頭線圖可以從平面上反映一個區(qū)域潛水或承壓水的補(bǔ)、徑、排條件[11]。繪制等水位(水頭)線圖所需的水位資料是在相同的時間，通過監(jiān)測井獲得的水位(水頭)資料，利用專門的計算機(jī)軟件，按照一定的數(shù)學(xué)插值方法(如克里金法)，將水位(水頭)相等的點(diǎn)連成線繪制而成的。等水位(水頭)線圖上應(yīng)該注明測定水位(水頭)的時間。通過不同時期等水位(水頭)線圖的對比，有助于分析地下水的動態(tài)[12]。一般在一個均衡區(qū)子區(qū)域至少應(yīng)該繪制豐水期和枯水期兩張等水位線圖。

5 區(qū)域地下水實際用水量的計算

借助監(jiān)測得到的地下水位的實測值h實i求得實際開采量Q實采。

ΔQ儲=EFΔh

(14)

式中:E為給水度(潛水)或彈性釋水系數(shù)(承壓水)(無量綱)；Δh=h末-h初為時段末與時段初的地下水位(潛水)或地下水頭(承壓水)差值,m，可正可負(fù)；F為均衡區(qū)目標(biāo)含水層平面展布范圍,m2；ΔQ儲為均衡期內(nèi)目標(biāo)含水層的儲存量的變化量,m3，可正可負(fù)。

在開采條件下

(15)

聯(lián)立式(14)和式(15)可得

(16)

6 區(qū)域雙控管理方案的觸發(fā)

分別對地下水水位的實測值及地下水實際開采量進(jìn)行判斷，從而觸發(fā)相應(yīng)的管理方案。

1)基于水位的判斷。水位判斷主要做局部判斷，適合做地下水超采和浸沒判斷。將h實i與所在子區(qū)域控制性關(guān)鍵水位進(jìn)行比較，得出比較結(jié)果，見表3。

2)基于水量的判斷。水量判斷主要做區(qū)域超采判斷，不適合做地下水浸沒判斷。將Q實與Q控進(jìn)行比較，構(gòu)造水量差值EQ=Q控-Q實，并與允許水量差值EQ得出比較結(jié)果，見表4。

根據(jù)判斷結(jié)果觸發(fā)啟用相應(yīng)的管理方案，見表5。

表3 基于水位的地下水開采狀態(tài)判斷Table 3 Judgment of groundwater exploitation state based on water level

表4 基于水量的地下水開采狀態(tài)判斷Table 4 Judgment of groundwater exploitation state based on water volume

表5 地下水雙控管理方案Table 5 Groundwater dual control management plan

7 實例分析

7.1 地下水控制性水位確定實例

二龍濤灌區(qū)是黑龍江省泰來縣著重發(fā)展的灌區(qū)之一，灌區(qū)面積33.94 km2，針對區(qū)域的水文地質(zhì)條件和歷史水位變化情況確定滿足區(qū)域用水條件的地下水控制性關(guān)鍵水位，根據(jù)所設(shè)定的控制性關(guān)鍵水位可預(yù)先制定不同的管理及應(yīng)急預(yù)案[13-14]。

以不發(fā)生土地浸沒為上紅線水位埋深H上紅的劃定標(biāo)準(zhǔn)，即H上紅=Hcr(地下水臨界深度)。

Hcr=Hk+ΔH

(17)

式中:Hcr為發(fā)生浸沒的臨界地下水埋深,m；Hk為土壤中毛細(xì)管水的上升高度,m； ΔH為安全超高值，對于農(nóng)田種植區(qū)，該值取植物根系層的深度，二龍濤灌區(qū)主要種植水稻，因此取 0.5 m。Hk的取值主要依靠室內(nèi)原位土壤實驗和室外試驗并結(jié)合經(jīng)驗值確定，壤土取 2 m。所以，該區(qū)發(fā)生浸沒的臨界地下水埋深Hcr=H上紅=2.5 m。

以不發(fā)生含水層疏干，且不發(fā)生取水設(shè)備“吊泵”現(xiàn)象為劃定下紅線水位埋深H下紅的標(biāo)準(zhǔn)。二龍濤灌區(qū)機(jī)井深度以12 m居多，同時機(jī)井中取水泵多為潛水離心泵，楊程為9 m，綜合以上因素確定二龍濤灌區(qū)下紅線水位埋深H下紅=8 m。

7.2 地下水浸沒判斷與管理實例

松花江大頂子山航電樞紐工程位于地處典型高緯度寒區(qū)的松花江干流呼蘭河口下游 46 km。自2007年春水庫蓄水以來，正常蓄水位 116 m,高于蓄水前天然水位。由于漫灘區(qū)具有地形狹長臨江、地勢較低、地下水埋藏淺、含水層透水性好以及地表水與兩岸地下水密切的水力聯(lián)系，使得由松花江水位升高引起的兩岸水庫浸沒問題[15]。

以多年平均源匯項條件下的豐水期流場為初始流場，以直接降低地下水位為原理，采用排水井法，在江南、江北研究區(qū)分別設(shè)置50、25眼抽水井，抽水500 m3·d-1并輸出區(qū)外，含水層平均孔隙度0.3，則預(yù)測60 d～2 a水庫浸沒紅黃藍(lán)區(qū)浸沒態(tài)勢變化。

結(jié)果顯示，在浸沒面積上，隨著全區(qū)3.7×104m3·d-1的抽水進(jìn)程，水位逐漸下降，紅區(qū)面積在2 a內(nèi)由最初的15.17%減少至2.78%，黃區(qū)由31.29%減小至28.21%，藍(lán)區(qū)則由53.54%增大至69.01%。也就是說，浸沒影響范圍由正常情況下的全區(qū)面積1/2縮小為不到1/3，且紅區(qū)面積占比更小，浸沒影響對計算區(qū)作用明顯減弱。

7.3 地下水位控制性監(jiān)測實例

肇州縣坐落于黑龍江省西南部，全縣境內(nèi)為沖積性平原，地勢較為平坦。境內(nèi)無自然江河，只有零星小面積的沼澤和一些排澇泄洪工程。

肇州縣農(nóng)業(yè)灌溉、工業(yè)生產(chǎn)、生活用水多以管井為主，地區(qū)級監(jiān)測點(diǎn)可用機(jī)井、民井代替，因此肇州縣區(qū)域監(jiān)測井類型選用管井。管井的深度根據(jù)水文地質(zhì)條件確定為10～200 m，通常為150 m以內(nèi)。

本次監(jiān)測井網(wǎng)所采用監(jiān)測儀器是在原有水位計的基礎(chǔ)上加以改進(jìn)的農(nóng)灌機(jī)電井地下水監(jiān)測儀。改進(jìn)后的儀器不但可以測量地下水位，還可以收集井下的圖像數(shù)據(jù)和測量一些水質(zhì)參數(shù)。另外配合著GPS一起使用，用來測定監(jiān)測井的地理坐標(biāo)和井口高程。

7.4 邊界水量交換計算實例

二龍濤灌區(qū)屬于二龍濤河沖擊平原，灌區(qū)周邊無明顯的自然邊界，且灌區(qū)與四周環(huán)境的地下水水量交換頻繁且強(qiáng)烈，其含水層屬于典型的強(qiáng)開放邊界含水層，其側(cè)向交換量占區(qū)域水資源交換量的60%以上。利用水均衡法，確定均衡區(qū)與灌區(qū)含水層邊界相同，面積為33.94 km2，均衡期選擇封凍期，以月為時段計算，共分為11月、12月、1月、2月和3月5個計算時段。

由于均衡期內(nèi)土壤表層存在凍土層，不考慮降水入滲和蒸發(fā)，不存在作物灌溉回滲和灌溉用水，均衡區(qū)周圍無大型工廠企業(yè)。最后確定均衡區(qū)內(nèi)地下水資源的補(bǔ)給項即為地下水的側(cè)向流入補(bǔ)給，地下水資源的排泄項主要為邊界側(cè)向流出量、生活用水和牲畜用水。確定水文地質(zhì)參數(shù)，根據(jù)泰來縣地下水開發(fā)利用資料及實測數(shù)據(jù)，得到研究區(qū)給水度μ=0.24。

采用Suffer軟件挖方量計算方法，通過實測的水位數(shù)據(jù)逐月計算含水層蓄水變化量，再分項計算其他源匯項，從而綜合計算得到含水層邊界交換量(表6)。

表6 邊界交換量計算Table 6 Boundary exchange volume calculation 104 m3

8 結(jié) 論

1)對于地下水雙控管理研究，首先要確定均衡對象、均衡期和均衡區(qū)。根據(jù)行政區(qū)劃以及水文地質(zhì)條件，均衡區(qū)可能分為若干個子區(qū)域。地下水允許開采量Q允可通過均衡法求得，從而根據(jù)Q允與地下水控制性用水總量Q控總的關(guān)系Q控總=ηQ需=ηζQ允(η>0,ζ≤1)求得Q控總。借助Q控總與警示系數(shù)λ確定控制性下界水位H下紅和H下黃。

2)在地下水水位監(jiān)測資料基礎(chǔ)上，結(jié)合地下水位數(shù)據(jù)的插補(bǔ)與延展方法，繪制地下水位等值線圖，即可得到管理區(qū)域的實時地下水位監(jiān)測數(shù)據(jù)。由監(jiān)測得到的地下水位實測值h實i，根據(jù)Q=f(h)可以得到管理區(qū)域地下水的實際開采量Q實采。

3)給出了基于水位與水量的地下水開采狀態(tài)的判斷方法，根據(jù)不同的判斷結(jié)果，地下水開采狀態(tài)分為5種狀態(tài)：嚴(yán)重超采、超采、正常開采、浸沒、嚴(yán)重浸沒，并對每個狀態(tài)進(jìn)行了編號，以便觸發(fā)相應(yīng)的地下水雙控管理方案。其中，水位判斷主要做局部判斷，可以做地下水超采和浸沒判斷；水量判斷主要做區(qū)域超采判斷，不適合做地下水浸沒判斷。

4)地下水控制性水位確定實例根據(jù)水文地質(zhì)條件確定了上紅線水位埋深為2.5 m，下紅線水位埋深為8 m；地下水浸沒判斷與管理實例顯示隨著研究區(qū)3.7×104m3·d-1的抽水進(jìn)程，浸沒影響范圍由正常情況下的全區(qū)面積1/2縮小為不到1/3，以直接降低地下水位為原理，采用排水井法治理浸沒問題是可行的；地下水位控制性監(jiān)測實例以肇州縣為例設(shè)計了地下水監(jiān)測井結(jié)構(gòu)及監(jiān)測方法；邊界水量交換計算實例通過對研究區(qū)實測水位逐月計算含水層蓄水變化量，再分項計算其他源匯項，從而綜合計算得到含水層邊界交換量為146.17×104m3。