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    長(zhǎng)江流域地下水資源量分布特征及開采潛力分析

    2021-10-18 11:00:34賈建偉王棟何康潔劉昕
    人民長(zhǎng)江 2021年9期
    關(guān)鍵詞:山丘區(qū)平原區(qū)水資源量

    賈建偉 王棟 何康潔 劉昕

    摘要:在長(zhǎng)江流域2001~2016年最新觀測(cè)資料基礎(chǔ)上,依據(jù)平原區(qū)及山丘區(qū)的類型特征,分別采用補(bǔ)給法和排泄法計(jì)算了流域內(nèi)12個(gè)水資源二級(jí)區(qū)和19個(gè)省級(jí)行政區(qū)內(nèi)礦化度M小于等于2 g/L的淺層地下水資源量。結(jié)合水文地質(zhì)條件、降水及人類活動(dòng)等綜合因素,全面論述了長(zhǎng)江流域內(nèi)地下水資源的空間分布特征,并考慮到各地區(qū)現(xiàn)階段地下水資源開采量,進(jìn)一步分析了不同區(qū)域的地下水資源開采潛力。分析結(jié)果表明:① 對(duì)于平原區(qū)類型而言,上游流域地下水資源模數(shù)均值明顯要高于中下游流域的地下水資源模數(shù)均值,長(zhǎng)江北岸的地下水資源模數(shù)均值大于南岸的地下水資源模數(shù)均值;② 對(duì)于山丘區(qū)類型而言,其地下水資源總量皆遵循自北向南逐漸遞增的趨勢(shì),自上游向下游呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢(shì),而且湖庭湖、鄱陽湖、太湖三大湖區(qū)水系的地下水資源總量大于非湖區(qū)水系的地下水資源總量;③ 全流域現(xiàn)階段地下水資源開采程度偏低,對(duì)應(yīng)的開采潛力較大,僅河南省出現(xiàn)了地下水資源超采的現(xiàn)象。

    關(guān) 鍵 詞:地下水資源量;地下水資源時(shí)空分布特征;地下水資源開采潛力;補(bǔ)給法;排泄法;長(zhǎng)江流域

    中圖法分類號(hào):TV211.1+2

    文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A

    文章編號(hào):1001-4179(2021)09-0107-06

    DOI:10.16232/j.cnki.1001-4179.2021.09.017

    0 引 言

    地下水資源是儲(chǔ)存于地表以下巖土空隙中的飽和重力水,作為自然界水循環(huán)的重要組成部分,地下水資源具有流動(dòng)性和可恢復(fù)性的雙重特征[1-3]。近年來,隨著人口的快速增長(zhǎng)和地表水污染問題的加劇,地下水資源已逐漸成為居民生活用水的重要來源[4-6]。為了更加高效地利用地下水資源,需先對(duì)其“質(zhì)”和“量”的時(shí)空分布特性及對(duì)應(yīng)的開發(fā)利用條件進(jìn)行科學(xué)分析,以便為制定合理的水資源配置方案提供理論依據(jù)[7-9]。

    目前,針對(duì)地下水資源量分析及方法已有大量研究。其中,關(guān)于分析方法方面的研究,大致可分為以下兩類。

    (1)第1類為傳統(tǒng)計(jì)算方法,包括了水均衡法、排泄法、解析法、數(shù)值法、隨機(jī)模型法及開采實(shí)驗(yàn)法等[10-13],這類方法大都是通過對(duì)研究區(qū)域內(nèi)的水文地質(zhì)條件進(jìn)行必要性概化,并結(jié)合直接觀測(cè)數(shù)據(jù)來估算地下水資源量,以分析地下水資源量的時(shí)空分布特征[14]。

    (2)第2類為基于遙感大數(shù)據(jù)的分析方法,包括了熱紅外法、水文地質(zhì)遙感信息分析法、環(huán)境遙感信息分析法、遙感綜合評(píng)估法及重力衛(wèi)星法等[15-18]。這類方法可以在短時(shí)間內(nèi)收集研究區(qū)域內(nèi)的海量數(shù)據(jù),具有成本低、實(shí)時(shí)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。然而,遙感技術(shù)作為水文數(shù)據(jù)的間接觀測(cè)手段,其探測(cè)精度難以得到有效保證,有時(shí)甚至無法實(shí)現(xiàn)水量平衡[19],因此現(xiàn)階段開展的地下水資源量分析仍采用傳統(tǒng)方法為主。

    本文在長(zhǎng)江流域2001~2016年最新觀測(cè)資料基礎(chǔ)上,將長(zhǎng)江流域劃分為平原區(qū)與山丘區(qū)2種類型,以兩者對(duì)應(yīng)的Ⅲ級(jí)類型區(qū)作為基本計(jì)算單元,分別采用補(bǔ)給量法及排泄法來研究流域內(nèi)地下水資源量的空間分布特征;并將研究結(jié)果與各地區(qū)地下水資源開采程度相結(jié)合,綜合分析了長(zhǎng)江流域內(nèi)12個(gè)水資源二級(jí)區(qū)和19個(gè)省級(jí)行政區(qū)的地下水資源開采潛力。在“長(zhǎng)江大保護(hù)”背景下,本文研究成果可為長(zhǎng)江流域水資源綜合規(guī)劃及地下水可持續(xù)利用方案的制定提供重要參考。

    1 研究區(qū)域概況

    長(zhǎng)江發(fā)源于青海省唐古拉山脈中段格拉丹冬雪山西南側(cè),干支流流經(jīng)青海省、西藏自治區(qū)、四川省、重慶市、江西省及江蘇省等19個(gè)省、市、自治區(qū),最終在上海市匯入東海;流域面積178.4萬km2,全長(zhǎng)6 300余km。長(zhǎng)江流域地處中國(guó)中南部,整體位于24°30′~35°45′N,90°33′~122°25′E之間。流域整體地勢(shì)西高東低,上游主要為山丘區(qū),平原區(qū)主要集中在長(zhǎng)江中下游,山丘區(qū)和平原區(qū)的面積分別為161.7萬km2和16.7萬km2。

    根據(jù)地形地貌特征和水文地質(zhì)條件,長(zhǎng)江流域可大致劃分為平原區(qū)和山丘區(qū)2種基本類型。其中,山丘區(qū)地下水以基巖裂隙水和巖溶水為主,前者主要分布在川西、桂西、湘西北、黔北地區(qū);而后者在流域內(nèi)大部分?。▍^(qū))均有分布;基巖裂隙水和巖溶水2種地下水礦化度普遍小于1 g/L。平原區(qū)地下水則以松散巖類孔隙水為主,在流域內(nèi)均有分布??紤]地形、地貌、水文地質(zhì)條件等因素,平原區(qū)通常劃分為一般平原區(qū)和山間平原區(qū),山丘區(qū)通常劃分為一般山丘區(qū)和巖溶山丘區(qū)。長(zhǎng)江流域地下水資源Ⅱ級(jí)類型區(qū)分布如圖1所示。

    2 地下水資源量分析

    2.1 計(jì)算方法和數(shù)據(jù)來源

    本文主要分析長(zhǎng)江流域礦化度M不大于2 g/L的淺層地下水資源量。在山丘區(qū)及平原區(qū)分類的基礎(chǔ)上,進(jìn)一步綜合考慮地形、地貌、水文地質(zhì)條件及水資源分區(qū)等重要因素,研究將平原區(qū)劃分為一般平原區(qū)及山間平原區(qū)2種Ⅱ級(jí)類型區(qū),將山丘區(qū)劃分為一般山丘區(qū)和巖溶山區(qū)2種Ⅱ級(jí)類型區(qū)。而一般平原區(qū)又可劃分為162個(gè)Ⅲ級(jí)類型區(qū),山間平原區(qū)可劃分為78個(gè)Ⅲ級(jí)類型區(qū),一般山丘區(qū)可劃分為422個(gè)Ⅲ級(jí)類型區(qū),巖溶山區(qū)可劃分為168個(gè)Ⅲ級(jí)類型區(qū),全部共計(jì)830個(gè)Ⅲ級(jí)類型區(qū),本研究將Ⅲ級(jí)類型區(qū)作為基本計(jì)算單元。

    針對(duì)平原區(qū)地下水,研究采用補(bǔ)給量法進(jìn)行計(jì)算,并統(tǒng)計(jì)其對(duì)應(yīng)的排泄量,以便進(jìn)行水量均衡分析。而對(duì)于山丘區(qū)地下水,采用排泄法進(jìn)行計(jì)算,并以總排泄量來表示山丘區(qū)地下水資源量。為確定各區(qū)域?qū)?yīng)的地下水類型,本次研究以縣級(jí)行政區(qū)及水資源三級(jí)區(qū)套地級(jí)行政區(qū)為分區(qū)單元,當(dāng)分區(qū)單元均為單一平原區(qū)或山丘區(qū)時(shí),該分區(qū)單元地下水資源量無重復(fù)計(jì)算量;而當(dāng)分區(qū)單元包括平原區(qū)和山丘區(qū)2種地下水類型時(shí),考慮到平原區(qū)的部分補(bǔ)給量來源于山丘區(qū)的排泄量,因此該類區(qū)域進(jìn)行分區(qū)單元地下水資源量計(jì)算時(shí),需要從平原區(qū)和山丘區(qū)的地下水資源量之和中扣除2者的重復(fù)計(jì)算量,計(jì)算公式如式(1)所示。

    式中:Qf、Qp、Qs、Qc分別為分區(qū)、平原、山丘及重復(fù)地下水資源量,重復(fù)計(jì)算項(xiàng)主要由以下2個(gè)部分組成:

    (1)第1部分是平原區(qū)地下水資源中的山前側(cè)向補(bǔ)給量,該部分水量又作為排泄量計(jì)入山丘區(qū)的地下水資源量中;

    (2)第2部分是平原地表水體中由山丘區(qū)河川基流量組成的部分。

    因此,兩者重復(fù)計(jì)算量可用式(2)進(jìn)行計(jì)算。

    式中:Qcb、Qjb分別為平原區(qū)山前側(cè)向補(bǔ)給量、山丘區(qū)河川基流形成的平原區(qū)地表水體補(bǔ)給量。最終,本文依據(jù)分區(qū)單元的地下水資源量分析成果,統(tǒng)計(jì)了長(zhǎng)江流域各水資源二級(jí)區(qū)和省級(jí)行政區(qū)的地下水資源量。

    2.2 地下水資源分布特征

    基于長(zhǎng)江流域各Ⅲ級(jí)類型區(qū)2001~2016年水文氣象資料及水文地質(zhì)參數(shù),分別采用補(bǔ)給量法和排泄量法分析各計(jì)算單元平原區(qū)和山丘區(qū)的地下水資源量;據(jù)此推求各分區(qū)單元的地下水資源量;最后依據(jù)分區(qū)單元的地下水資源量分析成果,統(tǒng)計(jì)了長(zhǎng)江流域各水資源二級(jí)區(qū)和省級(jí)行政區(qū)的地下水資源量;同時(shí),分別從平原區(qū)、山丘區(qū)及地下水總量3個(gè)方面,分析了流域內(nèi)地下水資源量的空間分布規(guī)律。表1和表2分別列出了不同水資源二級(jí)區(qū)及省級(jí)行政區(qū)地下水資源量和地下水資源模數(shù)的計(jì)算結(jié)果。

    其中,平原區(qū)作為長(zhǎng)江流域內(nèi)地下水資源的富集區(qū),地下水資源量為250.2億m3,是長(zhǎng)江流域地下水源工程取水的重要來源。平原區(qū)地下水資源量模數(shù)空間分布的基本特征是:上游流域模數(shù)均值顯著高于中下游流域的模數(shù)均值,長(zhǎng)江北岸的模數(shù)均值大于南岸的模數(shù)均值。具體來看,上游流域地下水資源模數(shù)均值為41.5萬m3/km2,中游流域相應(yīng)均值略小于下游流域的模數(shù)均值,兩者分別為19.7萬m3/km2和20.5萬m3/km2;長(zhǎng)江北岸除漢江流域?qū)?yīng)的模數(shù)較小,僅為18.0萬m3/km2以外,岷沱江及嘉陵江流域的模數(shù)均值均大于40.0萬m3/km2,而南岸不同流域?qū)?yīng)的模數(shù)相差不大,整體處于20.0萬m3/km2附近。從省級(jí)行政區(qū)來看,陜西省及四川省的地下水資源模數(shù)顯著高于其他省份的模數(shù),分別為44.1萬m3/km2和40.6萬m3/km2;河南省的模數(shù)最低,僅為14.6萬m3/km2,其余省份對(duì)應(yīng)的模數(shù)相差不大,整體處于18.0萬~24.0萬m3/km2之間。

    水資源二級(jí)區(qū)及省級(jí)行政區(qū)對(duì)應(yīng)平原區(qū)地下水資源量占比如圖2所示。圖2的結(jié)果表明:盡管長(zhǎng)江上游流域?qū)?yīng)的平原區(qū)地下水資源模數(shù)較大,但占平原區(qū)地下水總量之比較小,僅為9.4%;而中游流域雖然地下水資源模數(shù)最小,但占總量之比最大,為57.2%;下游流域次之,占比為33.5%。具體來看,所有水資源二級(jí)區(qū)中以湖口以下干流區(qū)占比最大,為18.8%,嘉陵江流域占比最小,為0.3%;而省級(jí)行政區(qū)中以湖北省占比最大,為30.3%,陜西省占比最小,為2.6%。

    對(duì)于山丘區(qū)而言,地下水資源量為2 213.5億m3,遠(yuǎn)大于平原區(qū),但多數(shù)地區(qū)山丘區(qū)地下水資源模數(shù)會(huì)小于平原區(qū),以嘉陵江流域差異最大,山丘區(qū)地下水資源模數(shù)僅為平原區(qū)的1/5。而從地下水空間分布特征來看,山丘區(qū)的地下水資源模數(shù)自北向南呈現(xiàn)出遞增的趨勢(shì),自上游向下游呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢(shì)。具體來看,上游流域的地下水資源模數(shù)均值為11.6萬m3/km2,中游流域的地下水資源模數(shù)均值為17.8萬m3/km2,下游流域的地下水資源模數(shù)均值為12.9萬m3/km2,長(zhǎng)江北岸的地下水資源模數(shù)均值為11.4萬m3/km2,南岸的地下水資源模數(shù)均值為17.4萬m3/km2。從水資源二級(jí)區(qū)的角度來看,以鄱陽湖水系的地下水資源模數(shù)最高,為24.1萬m3/km2,金沙江石鼓以上河段的地下水資源模數(shù)最低,僅為7.0萬m3/km2;而從省級(jí)行政區(qū)的角度來看,福建省的地下水資源模數(shù)最高,為31.4萬m3/km2,青海省的地下水資源模數(shù)最低,為4.9萬m3/km2。

    水資源二級(jí)區(qū)及省級(jí)行政分區(qū)對(duì)應(yīng)的山丘地下水資源占比如圖3所示。由圖3可以看出:與平原區(qū)不同,長(zhǎng)江流域上游及中游流域占山丘區(qū)地下水總量之比相差不大,分別為48.8%及47.6%;下游流域山丘區(qū)的地下水占比最小,僅為3.6%。從水資源二級(jí)區(qū)的角度來看,洞庭湖水系的山丘區(qū)地下水資源量占比最大,為20.9%;太湖水系的最小,為0.5%。而從省級(jí)行政區(qū)的角度來看,四川省的地下水資源量占比最大,為24.83%;廣東省的地下水資源量最小,為0.04%。

    綜合來看,長(zhǎng)江流域地下水資源量為2 449.7億m3。就地下水資源模數(shù)而言,上中游流域以山丘區(qū)類型為主,地下水資源總量模數(shù)與山丘區(qū)地下水資源總量模數(shù)相差不大,下游流域?qū)?yīng)的平原區(qū)地下水資源占比大,總量模數(shù)與山丘區(qū)的存在一定差異,但空間分布仍然遵循自北向南逐漸遞增的趨勢(shì),自上游向下游呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì),而且三大湖區(qū)水系均大于其他非湖區(qū)水系。具體來看,上游流域地下水資源模數(shù)均值為11.7萬m3/km2,中游流域地下水資源模數(shù)均值為17.9萬m3/km2,下游流域的地下水資源模數(shù)均值為15.5萬m3/km2;長(zhǎng)江北岸的地下水資源模數(shù)均值為11.9萬m3/km2,長(zhǎng)江南岸的地下水資源模數(shù)均值為18.6萬m3/km2;三大湖區(qū)水系模數(shù)均值為20.2萬m3/km2,非湖區(qū)水系模數(shù)均值為12.6萬m3/km2。從水資源二級(jí)區(qū)的角度來看,鄱陽湖水系的地下水資源模數(shù)最高,為23.6萬m3/km2,金沙江石鼓以上河段的地下水資源模數(shù)最低,為7.0萬m3/km2;從省級(jí)行政區(qū)的角度來看,福建省的地下水資源模數(shù)最高,為31.4萬m3/km2,青海省的地下水資源模數(shù)最低,為4.9萬m3/km2。

    各水資源二級(jí)區(qū)及省級(jí)行政分區(qū)對(duì)應(yīng)的全區(qū)地下水資源占比如圖4所示。由圖4可以看出:與山丘區(qū)類似,長(zhǎng)江流域地下水總量主要來源于上游及中游流域,兩者占比分別為44.90%及48.60%,下游流域的地下水總量占比較少,僅為6.50%。從水資源二級(jí)區(qū)的角度來看,洞庭湖水系的地下水總量占比最大,為20.10%,太湖水系的地下水總量占比最小,為1.90%;而從省級(jí)行政區(qū)的角度來看,四川省的地下水總量占比最大,為23.26%,廣東省的地下水總量最小,為0.03%。

    2.3 開采潛力分析

    地下水可開采量是指在一定時(shí)期內(nèi),在保證經(jīng)濟(jì)合理、技術(shù)可行且不引起生態(tài)環(huán)境惡化的前提條件下,從地下含水層中獲取的最大水量,具體計(jì)算公式如式(3)所示。本次研究重點(diǎn)調(diào)查了平原區(qū)礦化度M小于等于2 g/L的淺層地下水可開采量,基于相關(guān)各省水利廳匯編提供的2001~2016年地下水實(shí)際開采量,計(jì)算了長(zhǎng)江流域內(nèi)各分區(qū)地下水開采系數(shù)(Kc,地下水實(shí)際開采量與可開采量之比),并以此分析了各地區(qū)的地下水資源開采潛力,分析結(jié)果如圖5所示。

    式中:Qk、Qz、Qb分別為平原區(qū)地下水可開采量、地下水總補(bǔ)給量、不允許襲奪排泄量;Ω為不允許襲奪系數(shù),對(duì)于長(zhǎng)江流域,一般取0.4~0.6;Qz、Qb中各項(xiàng)量可采用分析單元的平原區(qū)地下水資源量成果。

    一般認(rèn)為,當(dāng)Kc為1時(shí),地下水資源開采達(dá)到平衡,對(duì)應(yīng)的開采潛力為零;當(dāng)Kc小于0.3時(shí),地下水資源開采潛力極大;而當(dāng)Kc大于1.2時(shí),則地下水超采嚴(yán)重[20]。圖5結(jié)果表明:從水資源二級(jí)區(qū)的角度來看,嘉陵江、漢江和岷沱江流域?qū)?yīng)的平原區(qū)淺層地下水開采率均高于長(zhǎng)江流域均值19.9%,三者分別為40.0%,45.4%和31.3%,其余分區(qū)則顯著低于均值,地下水開采潛力極大,其中,以太湖水系最低,僅為0.8%;而從省級(jí)行政區(qū)的角度來看,四川省、湖南省及河南省對(duì)應(yīng)的平原區(qū)淺層地下水開采率高于長(zhǎng)江流域均值,三者分別為32.4%,22.2%和122.4%,其余省及直轄市則顯著低于均值,其中,浙江省、上海市無淺層地下水開采。整體來看,除四川省和河南省以外,其余省份的地下水資源開采潛力較大,河南省的地下水則存在超采嚴(yán)重的問題。

    對(duì)于長(zhǎng)江流域,主要以利用地表水為主,近年來地下水開采量呈逐年減小的趨勢(shì)。在“長(zhǎng)江大保護(hù)”的背景下,結(jié)合長(zhǎng)江流域各水資源二級(jí)區(qū)和省級(jí)行政區(qū)地下水資源量可開采量及實(shí)際開采情況,漢江流域應(yīng)密切關(guān)注地下水的開采情況,對(duì)于地下水超采區(qū),應(yīng)逐步減采、限采地下水資源,保證地下水位的恢復(fù);其余地區(qū)應(yīng)有節(jié)度地利用地下水資源,同時(shí)關(guān)注地下水資源的恢復(fù)情況,避免出現(xiàn)超采現(xiàn)象。隨著水資源剛性約束制度的建立,應(yīng)嚴(yán)格實(shí)施河流和區(qū)域用水總量控制,按照流域水量分配方案的要求,合理利用地下水資源。

    3 結(jié) 論

    本文分別研究了長(zhǎng)江流域內(nèi)12個(gè)水資源二級(jí)區(qū)和19個(gè)省級(jí)行政區(qū)內(nèi)礦化度M不大于2 g/L的淺層地下水資源量的空間分布特征,并結(jié)合平原區(qū)實(shí)際地下水開采量,分析了各地區(qū)對(duì)應(yīng)的開采潛力,得出的具體結(jié)論如下。

    (1)針對(duì)平原區(qū)而言,上游流域地下水資源模數(shù)均值要顯著高于中下游流域的地下水資源模數(shù)均值,長(zhǎng)江北岸的地下水資源模數(shù)均值大于南岸的地下水資源模數(shù)均值。從水資源二級(jí)區(qū)的角度來看,嘉陵江流域?qū)?yīng)的平原區(qū)地下水資源模數(shù)最高,漢江流域的地下水資源模數(shù)最低;從省級(jí)行政區(qū)來看,長(zhǎng)江流域陜西省的平原區(qū)地下水資源模數(shù)最高,河南省的地下水資源模數(shù)最低。

    (2)山丘區(qū)與地下水總量的空間分布特征相似,皆遵循自北向南逐漸遞增的趨勢(shì),自上游向下游呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì),而且湖區(qū)水系大于非湖區(qū)水系。其中,從水資源二級(jí)區(qū)的角度來看,以鄱陽湖水系的山丘區(qū)及地下水總量模數(shù)最高,金沙江石鼓以上最低;從省級(jí)行政區(qū)的角度來看,以福建省的最高,青海省的最低。

    (3)整體來看,現(xiàn)階段長(zhǎng)江流域地下水開采程度偏低,開采潛力較大。從水資源二級(jí)區(qū)的角度來看,僅嘉陵江、漢江和岷沱江平原區(qū)淺層地下水開采率高于長(zhǎng)江流域均值;從省級(jí)行政區(qū)的角度來看,四川省、湖南省、河南省3個(gè)省份對(duì)應(yīng)的開采率較高,特別是河南省,存在地下水超采問題。

    參考文獻(xiàn):

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    (編輯:趙秋云)

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