基于維系生態(tài)流量的山丘區(qū)地下水可開采量計(jì)算方法探析
——以赤峰市為例

許拯民，金中天，唐世南，潘扎榮

（1.華北水利水電大學(xué)水利學(xué)院，鄭州450046；2.水利部水利水電規(guī)劃設(shè)計(jì)總院，北京100120）

地下水是水資源的重要組成部分，具有重要的資源和生態(tài)環(huán)境功能，對(duì)維持地表植被、調(diào)節(jié)江河徑流、維系良好生態(tài)環(huán)境具有十分重要的作用。同時(shí)，地下水供水保證率高，水質(zhì)優(yōu)良穩(wěn)定，是支撐我國(guó)特別是北方經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要水源，在保障我國(guó)城鄉(xiāng)居民生活和生產(chǎn)供水、支持經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展中具有重要支撐作用［1］。長(zhǎng)期以來，我國(guó)北方局部地區(qū)地下水開采規(guī)模發(fā)展迅速，地下水資源不合理開發(fā)利用引發(fā)河道斷流、濕地萎縮、草場(chǎng)退化等一系列生態(tài)和地質(zhì)環(huán)境問題［2-10］。因此，為合理開發(fā)利用和有效保護(hù)地下水資源，支撐生態(tài)保護(hù)和經(jīng)濟(jì)社會(huì)高質(zhì)量發(fā)展，亟待科學(xué)合理地制定地下水管控指標(biāo)，并加強(qiáng)地下水監(jiān)督管理［11，12］。地下水可開采量通常作為區(qū)域地下水合理開發(fā)利用閾值上限，是制定地下水治理和保護(hù)管控指標(biāo)的首要依據(jù)［13］。地下水可開采量是指在保護(hù)生態(tài)環(huán)境和地下水資源可持續(xù)利用的前提下，通過經(jīng)濟(jì)合理、技術(shù)可行的措施，在近期下墊面條件下可從含水層中獲取的最大水量［14］。

山丘區(qū)地下水資源全部來自降水，以河川基流、地下水開采、潛水蒸發(fā)、山前側(cè)向流出、泉水溢出以及礦坑排水等方式排泄。河川基流量是山丘區(qū)地下水排泄中最主要的方式，在山丘區(qū)地下水開采量較小的20世紀(jì)80年代，北方山丘區(qū)地下水資源量中有90%以上的水量以河川基流量的形式排泄到河道［15-18］。河川基流由賦存在山丘區(qū)中巖溶和裂隙地下水受重力影響排泄到河道中形成，是河川徑流最為穩(wěn)定的組成部分，河川基流量具有生態(tài)維持功能，維持著生態(tài)環(huán)境的水量平衡和調(diào)節(jié)生態(tài)水文節(jié)律，并維系著地表植被，下游湖泊、濕地等生態(tài)系統(tǒng)的良性發(fā)展，通常以河川基流量與徑流量的比例（簡(jiǎn)稱基徑比）來衡量［19，20］，基徑比越大，河川基流量與徑流量的關(guān)系越緊密，河川徑流量的穩(wěn)定性越好；基徑比越小，河川徑流量越不穩(wěn)定，對(duì)于人類與自然的影響反應(yīng)越劇烈。氣候變化、下墊面變化、人類開采、水利工程建設(shè)和水土保持措施等都可能改變山丘區(qū)地下水排泄結(jié)構(gòu)，引起基徑比變化。因?yàn)樯角饏^(qū)地下水排泄結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，迄今不同部門、不同研究者對(duì)山丘區(qū)地下水可開采量問題尚未形成統(tǒng)一認(rèn)識(shí)［21，22］。目前使用較為廣泛的如：補(bǔ)償疏干法，在旱季無補(bǔ)給時(shí)，以疏干量作為山丘區(qū)地下水可開采量，在雨季時(shí)在保證疏干水量全部補(bǔ)償?shù)幕A(chǔ)上確定地下水可開采量［23］，該方法具有補(bǔ)償水量難以保證和無法緩解已產(chǎn)生的地下水問題等缺點(diǎn)，尤其在我國(guó)北方水資源年際分布極為不均，若采用該方法極有可能對(duì)生態(tài)環(huán)境造成一系列不可逆的影響；綜合分析法，直接采用已有水源地勘探評(píng)價(jià)成果，或通過對(duì)開采區(qū)水位、水量的分析，校核修正可開采量，該方法針對(duì)資料豐富、開展一定研究工作的小范圍地區(qū)可提出較為合理的可開采量，缺點(diǎn)是對(duì)資料成果要求高、計(jì)算過程復(fù)雜、大范圍區(qū)域計(jì)算難度大，缺少對(duì)地表水與地下水相互轉(zhuǎn)化及生態(tài)保護(hù)方面的考慮，在區(qū)域地下水管理、實(shí)際應(yīng)用中難以推廣，尤其對(duì)于我國(guó)北方部分較為落后地區(qū)，水資源工作起步較晚，基礎(chǔ)資料十分缺乏，該方法缺乏一定的可操作性；數(shù)值模擬法［24］同樣具有計(jì)算難度大、資料要求高的特點(diǎn)，計(jì)算結(jié)果精度高但推廣難度大。根據(jù)目前地下水治理嚴(yán)峻形勢(shì)，亟須提出一種具有統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)、對(duì)于研究區(qū)資料要求較低且易于推廣的山丘區(qū)地下水可開采量計(jì)算方法。本文立足于地表水和地下水之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系［25-27］，基于維持穩(wěn)定的山丘區(qū)地下水排泄結(jié)構(gòu)、合理的河道內(nèi)生態(tài)環(huán)境需水量，以緩解現(xiàn)狀地下水問題、提出標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一且可推廣的計(jì)算方法為目標(biāo)，分別提出以天然條件下的合理基徑比為關(guān)鍵指標(biāo)的基徑比關(guān)系曲線法，以水資源開發(fā)利用程度為控制指標(biāo)的地表水可利用量控制法，并以赤峰市為例進(jìn)行山丘區(qū)地下水可開采量計(jì)算，以期為我國(guó)山丘區(qū)地下水可開采量評(píng)價(jià)提供研究參考。

1 計(jì)算方法

河川基流量既是山丘區(qū)地下水資源的重要組成部分，也是河川徑流的重要組成部分。維持穩(wěn)定的山丘區(qū)地下水排泄結(jié)構(gòu)和合理的天然河川基流量，不僅在徑流形成、維持及可再生過程中具有重要作用，而且在保障水資源可持續(xù)利用、維系河流生態(tài)系統(tǒng)健康中也有著極其重要的作用和意義。基于地表水與地下水的轉(zhuǎn)化關(guān)系，針對(duì)維持穩(wěn)定的山丘區(qū)地下水排泄結(jié)構(gòu)，提出了一種基于天然條件下的合理基徑比的山丘區(qū)地下水可開采量計(jì)算方法—基徑比關(guān)系曲線法；針對(duì)維持合理的河道內(nèi)生態(tài)環(huán)境需水量，提出了一種以水資源開發(fā)利用程度為控制的山丘區(qū)地下水可開采量計(jì)算方法—地表水可利用量控制法。

1.1 基徑比關(guān)系曲線法

首先，根據(jù)人類開采影響較小且未引發(fā)生態(tài)環(huán)境問題時(shí)期值確定合理基徑比?？紤]我國(guó)地下水開發(fā)利用歷程，一般可以采用1980-2000年系列值，逐年計(jì)算不同來水條件下合理基徑比關(guān)系曲線，合理基徑比計(jì)算公式如下：

式中：αi為山丘區(qū)地下水開采未引發(fā)生態(tài)環(huán)境問題情況下，第i年的合理基徑比；Rgi為第i年河川基流量；Ri為第i年天然河川徑流量。

其次，在計(jì)算現(xiàn)狀山丘區(qū)地下水可開采量時(shí)，應(yīng)考慮人類活動(dòng)對(duì)河川基流量的影響，需對(duì)現(xiàn)狀山丘區(qū)實(shí)際開采量進(jìn)行還原計(jì)算。將現(xiàn)狀河川基流量與實(shí)際開采凈消耗之和帶入合理基徑比曲線，得到對(duì)應(yīng)的天然河川徑流量，與現(xiàn)狀天然河川徑流量之差即為地下水不合理開采量，計(jì)算公式如下：

式中：Q為地下水不合理開采量；α為現(xiàn)狀對(duì)應(yīng)合理基徑比；Rg現(xiàn)狀為現(xiàn)狀河川基流量；C開采凈消耗為現(xiàn)狀實(shí)際開采凈消耗量，為開采后未回歸到河道內(nèi)的水量；R實(shí)際現(xiàn)狀天然河川徑流量。

最后，將實(shí)際開采量扣除地下水不合理的開采量，得到山丘區(qū)地下水可開采量，計(jì)算公式如下：

式中：Q可開采量為山丘區(qū)地下水可開采量；Q實(shí)際為現(xiàn)狀山丘區(qū)地下水實(shí)際開采量；Q為地下水不合理開采量。

基徑比關(guān)系曲線法以地下水與地表水的轉(zhuǎn)換關(guān)系為基礎(chǔ)，針對(duì)人為不合理開采導(dǎo)致的基流衰減問題計(jì)算地下水不合理開采量，最終確定山丘區(qū)地下水可開采量，適用于山丘區(qū)地下水開采量較大且已經(jīng)出現(xiàn)基流衰減問題的區(qū)域。

1.2 地表水可利用量控制法

考慮山丘區(qū)地下水與地表水轉(zhuǎn)化關(guān)系，根據(jù)全國(guó)第二次水資源調(diào)查評(píng)價(jià)成果，北方山丘區(qū)地下水與地表水大部分為重復(fù)量，1980-2000年系列北方山丘區(qū)地下水與地表水重復(fù)量達(dá)到地下水資源量的84.7%，山丘區(qū)地下水開采凈消耗與地表水耗水量之和不應(yīng)超過地表水可利用量。

首先，計(jì)算地表水耗水量。地表水耗水量是指取用水戶在取用地表水過程中，通過蒸騰蒸發(fā)、土壤吸收、產(chǎn)品吸附、居民和牲畜飲用等多種途徑消耗掉而不能回歸到地表水體或地下含水層的水量。一般可依據(jù)用水量和退排水量數(shù)據(jù)及回歸地下水量進(jìn)行分析計(jì)算。

其次，計(jì)算多年平均地表水資源可利用量。多年平均地表水資源可利用量一般采用地表水資源量扣除河道內(nèi)生態(tài)環(huán)境需水量后的水量，可采用下式計(jì)算：

式中：R地表可利用量為多年平均地表水資源可利用量；R為多年平均地表水資源量；W生態(tài)需水量為河道內(nèi)生態(tài)環(huán)境需水量。

河道內(nèi)生態(tài)環(huán)境需水量按照《河湖生態(tài)環(huán)境需水計(jì)算規(guī)范SL/Z 712-2014》（以下簡(jiǎn)稱《需水規(guī)范》）計(jì)算，或采用流域或區(qū)域水資源綜合規(guī)劃確定的成果。

最后，將地表水資源可利用量扣除地表水耗水量后，得到山丘區(qū)地下水可耗水量，根據(jù)耗水系數(shù)計(jì)算得到可開采量，可根據(jù)下式計(jì)算。

式中：Q可開采量為山丘區(qū)地下水可開采量；R地表可利用量為多年平均地表水資源可利用量量；C地表水耗水量為地表水耗水量，β為耗水系數(shù)，可依據(jù)用水量和退排水量數(shù)據(jù)及回歸地下水量進(jìn)行分析計(jì)算，資料缺乏區(qū)域可按照各行業(yè)的耗水系數(shù)估算，其耗水系數(shù)可參照水資源公報(bào)歷年成果進(jìn)行合理性分析后采用。

地表水可利用量控制法，適用于可以滿足生態(tài)需水，且地表水耗水量限制在地表水可利用量?jī)?nèi)的區(qū)域進(jìn)一步計(jì)算山丘區(qū)地下水可利用量。

2 赤峰市山丘區(qū)地下水可開采量計(jì)算

2.1 區(qū)域概況

赤峰市位于內(nèi)蒙古自治區(qū)東南部，地處西遼河上游的山地丘陵地區(qū)，山丘區(qū)面積占總面積的85%，赤峰市山丘區(qū)分布情況如圖1所示。區(qū)域降水量時(shí)空差異較大，汛期（6-9月）降水量約占年降水量的80%，有著“十年九旱、旱澇不均”之稱，屬于典型的水資源匱乏地區(qū)［28，29］。長(zhǎng)期以來，赤峰市水資源開發(fā)利用以地下水為主，地下水供水量占總供水量70%以上，其中山丘區(qū)地下水開采量從20世紀(jì)80年代約5 億m3增加到2018年的12 億m3左右，地下水水位較2000年下降10～25 m，河川基流量從8.4 億m3降到1.2 億m3，局部山丘區(qū)天然河川基流量幾乎為0，河川基流量占總排泄量的比例由62%衰減到14%，地下水開采凈消耗占總排泄量的比例由28%上升為72%，地下水排泄結(jié)構(gòu)發(fā)生根本變化，主要排泄方式已從自然排泄轉(zhuǎn)變?yōu)槿斯づ判?，加劇了西遼河干流斷流情況。為保障赤峰市山丘區(qū)地下水可持續(xù)開采，支撐經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展，迫切需要合理確定山丘區(qū)地下水可開采量，對(duì)地下水開采進(jìn)行嚴(yán)格管控。

圖1 赤峰市山丘平原分布示意圖Fig.1 The distribution map of hilly areas and plain areas in Chifeng City

2.2 計(jì)算結(jié)果

采用基徑比關(guān)系曲線法計(jì)算赤峰市山丘區(qū)地下水可開采量。首先，以水資源三級(jí)區(qū)嵌套地級(jí)行政區(qū)為計(jì)算單元。其次，根據(jù)全國(guó)第二次水資源調(diào)查評(píng)價(jià)赤峰市1980-2000年系列逐年數(shù)據(jù)確定各計(jì)算單元合理基徑比關(guān)系曲線（見圖2），各關(guān)系曲線擬合度均在0.92 以上。然后，2001-2016年系列山丘區(qū)開采凈消耗量與河川基流量之和在關(guān)系曲線上找到應(yīng)維持的天然河川徑流量，對(duì)比現(xiàn)狀河川徑流量求得山丘區(qū)地下水不合理開采量。若計(jì)算單元最后山丘區(qū)不合理開采量計(jì)算結(jié)果與開采凈消耗量相等，則說明該區(qū)域地下水僅能維持自然排泄，不具備開采條件，不適宜在該區(qū)域開采地下水。最后，將2001-2016年系列年均山丘區(qū)地下水開采量扣除山丘區(qū)地下水不合理開采量，求得赤峰市山丘區(qū)地下水可開采量為4.07億m3。計(jì)算采用數(shù)據(jù)和計(jì)算結(jié)果見表1。

圖2 赤峰市嵌套各水資源三級(jí)區(qū)基徑比關(guān)系曲線Fig.2 Base Flow-Runoff Ratio Curve of the nested water resources three-level area in Chifeng City

表1 基徑比關(guān)系曲線法計(jì)算結(jié)果 億m3Tab.1 Calculation results of Base Flow-Runoff Ratio Curve

采用地表水可利用量控制法計(jì)算赤峰市山丘區(qū)地下水可開采量。首先，根據(jù)《需水規(guī)范》，確定各河流水系生態(tài)環(huán)境需水量參考閾值，對(duì)于開發(fā)利用程度高的區(qū)域，考慮經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展需水情況，選取基本生態(tài)環(huán)境需水量；對(duì)于開發(fā)利用程度較低的區(qū)域，生態(tài)環(huán)境問題壓力較小，選取目標(biāo)生態(tài)環(huán)境需水量；其次，根據(jù)采用的生態(tài)環(huán)境需水量確定地表水可利用量；然后，在地表水可利用量中扣除地表水耗水量，根據(jù)赤峰市水資源公報(bào)，赤峰市地表水耗水系數(shù)確定為0.68～0.73；最后，根據(jù)赤峰市耗水系數(shù)已有成果，還原得到赤峰市山丘區(qū)地下水可開采量為4.35億m3。計(jì)算采用數(shù)據(jù)和計(jì)算結(jié)果見表2。

表2 地表水可利用量控制法計(jì)算結(jié)果 億m3Tab.2 Calculation results of available surface water control method

2.3 結(jié)果分析

從計(jì)算結(jié)果看兩種方法均從地下水與地表水轉(zhuǎn)化機(jī)理出發(fā)，分別從維持山丘地下水排泄結(jié)構(gòu)和保證生態(tài)環(huán)境用水角度進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算結(jié)果差值不超過7%，較為接近，可以相互驗(yàn)證方法具有一定的合理性。

從方法適用條件及赤峰市實(shí)際情況看，根據(jù)赤峰市地下水作為主要供水水源和目前赤峰市地下水主要問題為地下水開采襲奪大量地表水，造成河川徑流量嚴(yán)重衰減［30］，地表水可利用量控制法首先保證的是區(qū)域地表水的開發(fā)利用，對(duì)于赤峰市并不是十分適用，相較于地表水可利用量控制法，基徑比關(guān)系曲線法更適用于因人為過度開采導(dǎo)致基流嚴(yán)重衰減的區(qū)域。

從方法本身機(jī)理看，基徑比關(guān)系曲線法從地下水循環(huán)的物理機(jī)制出發(fā)，既考慮了地下水循環(huán)健康與地表水徑流量穩(wěn)定，在基流穩(wěn)定保證一定徑流量的基礎(chǔ)上也符合生態(tài)保護(hù)要求，能有效減少地下水過量開采對(duì)生態(tài)地質(zhì)環(huán)境的破壞，確保水資源的可持續(xù)利用，可以更好維持山丘區(qū)地下水排泄結(jié)構(gòu)健康合理，控制山丘區(qū)地下水開采，并進(jìn)一步緩解河道斷流、草場(chǎng)沙化和湖泊濕地萎縮等生態(tài)環(huán)境問題，本文建議采用基徑比關(guān)系曲線法計(jì)算結(jié)果，赤峰市山丘區(qū)地下水可開采量為4.07億m3。本文提出計(jì)算方法和計(jì)算成果已被水利部組織編制的《內(nèi)蒙古西遼河流域“量水而行”以水定需方案》采納。赤峰市山丘區(qū)地下水開采量為9.69 億m3，遠(yuǎn)超本文提出的山丘區(qū)地下水可開采量，如按照本文計(jì)算結(jié)果控制地下水開采，可大幅減少地下水開采對(duì)河道內(nèi)基流量的襲奪，進(jìn)而有效保障下游河道內(nèi)生態(tài)環(huán)境需水量，增加下游平原區(qū)地下水補(bǔ)給，緩解下游河道斷流和地下水位持續(xù)下降等生態(tài)環(huán)境問題。

3 結(jié)論與建議

（1）本文基于地下水與地表水轉(zhuǎn)化關(guān)系，考慮維持山丘區(qū)排泄結(jié)構(gòu)穩(wěn)定與保障一定河川基流量等方面，首次提出了基徑比關(guān)系曲線法和地表水可利用量控制法兩種北方山丘區(qū)地下水可開采量方法。

（2）采用兩種方法分別計(jì)算赤峰市山丘區(qū)地下水可開采量。采用基徑比關(guān)系曲線法計(jì)算得到山丘區(qū)地下水可開采量4.07 億m3，采用地表水可利用量控制法得到山丘區(qū)地下水可開采量4.35 億m3。確定赤峰市山丘區(qū)地下水可開采量約為4.07億m3，按照該計(jì)算結(jié)果控制地下水開采，可在一定程度上緩解已有的一系列生態(tài)環(huán)境問題。

（3）本文提出的兩種計(jì)算方法適用于我國(guó)北方缺乏詳細(xì)資料的山丘區(qū)進(jìn)行地下水可開采量宏觀匡算，但基徑比關(guān)系曲線法不適用于如礦坑排水引起河川基流量增加的區(qū)域，還缺乏對(duì)基流量外其他排泄項(xiàng)如山前側(cè)向流出量、潛水蒸發(fā)量等排泄量的統(tǒng)一考慮，有待進(jìn)一步研究完善；地表水可利用量控制法不適用于地表水開發(fā)利用量超過地表水可利用量的地區(qū)。

（4）目前，我國(guó)正在組織開展全國(guó)地下水管控指標(biāo)確定工作。地下水可開采量作為地下水治理和保護(hù)的重要管控指標(biāo)之一，已成為我國(guó)地下水監(jiān)督管理特別是地下水超采治理的重要抓手。本文通過研究北方山丘區(qū)地下水可開采量計(jì)算方法，合理確定地下水可開采量，以期為我國(guó)北方山丘區(qū)地下水開采管控提供參考。