臨汾市地下水水位控制指標確定方法研究

費曉軒

(山西省臨汾市水文水資源勘測站，山西 臨汾 041000)

為深入貫徹落實習(xí)近平生態(tài)文明思想和關(guān)于治水工作的重要論述，踐行水利改革發(fā)展總基調(diào)，加強地下水監(jiān)督管理，按照《中華人民共和國水法》、《國務(wù)院關(guān)于實行最嚴格水資源管理制度的意見》(國發(fā)[2012]3號)、《全國地下水利用與保護規(guī)劃》、《水利部辦公廳關(guān)于開展地下水管控指標確定工作的通知》(水資管[20202]30號)和《山西省地下水管控指標確定工作方案》，具體由相關(guān)地下水業(yè)務(wù)專管機構(gòu)承擔區(qū)域性地下水水位控制指標確定工作。本文以山西臨汾市為例，對地下水水位控制指標確定方法、計算過程進行論述，以期為其它類似地區(qū)地下水位控制指標的合理制定提供一點參考。

1 研究區(qū)概況

臨汾市水文系統(tǒng)地下水監(jiān)測工作始于上世紀70年代末，至今已有40余年歷史，經(jīng)過多次優(yōu)化調(diào)整，目前全市共有146處地下水基本監(jiān)測站，其中國家級監(jiān)測站61處，省級監(jiān)測站89處。地下水監(jiān)測重點控制了地下水開發(fā)程度較高的盆地區(qū)域，部分水源地和超采區(qū)等特殊類型區(qū)。臨汾市盆地區(qū)域的六個縣(市、區(qū))主要為洪洞縣、堯都區(qū)、襄汾縣、曲沃縣、翼城縣、侯馬市。監(jiān)測內(nèi)容主要為盆地平原區(qū)淺層地下水。

2 研究區(qū)地下水位控制指標制定原則及目標

工作單位分為超采區(qū)和非超采區(qū)，超采區(qū)劃分依據(jù)為山西省人民政府2015年頒布的《關(guān)于加強地下水管理與保護工作的通知》(晉政辦發(fā)[2015]123號)中地下水超采區(qū)名錄，其中侯馬市小型孔隙水超采區(qū)位于臨汾市，現(xiàn)狀年采用2019年。

(1)超采區(qū)工作單元，按照地下水取用水量控制指標與目標壓采量，確定2020-2025年逐年為平水年的地下水水位控制指標，考慮不同來水條件確定豐枯地下水水位控制閾值。

(2)非超采區(qū)控制單元，以基本維持地下水水位現(xiàn)狀為原則，確定2025年地下水水位控制指標。

3 地下水水位控制指標計算

3.1 計算工作單元劃分

臨汾市地下水水位控制指標確定以盆地平原區(qū)縣級行政區(qū)為基礎(chǔ)，采用盆地平原區(qū)縣級行政區(qū)嵌套超采區(qū)和未超采區(qū)作為基本單元。按照基本單元性質(zhì)分為超采區(qū)和未超采區(qū)兩種劃分工作單元。以此確定的工作單元有7個，其中超采區(qū)工作單元1個，未超采區(qū)工作單元6個?；靖艣r見表1。

表1 臨汾市計算工作單元劃分

3.2 超采區(qū)地下水水位控制指標確定方法

臨汾市超采區(qū)典型單元選擇“臨汾市侯馬市-02”工作單元為典型單元示例，面積78.0 km2，地下水水位監(jiān)測井3眼，分析系列2000-2019年。

3.2.1 工作單元平均年變差計算

(1)

表2 工作單元平均年變差計算表

3.2.2 年變差合理性分析

地下水監(jiān)測精度受開采和人工觀測影響，地下水水位年變差較離散，在年變差統(tǒng)計學(xué)特征分布分析的基礎(chǔ)上，采用統(tǒng)計學(xué)方法對實測數(shù)據(jù)進行判斷和處理。

1)枯水年地下水水位年變差離群值都為高端值，豐水年地下水水位年變差離群值都為低端值，采用單側(cè)情形—偏度檢驗法，離群值檢出水平α=0.05，剔除水平α=0.05。

(1)計算偏度統(tǒng)計量bs的值

(2)

2)平水年地下水水位年變差離群值可為高端值，也可能低端值，采用雙側(cè)情形—峰度檢驗法，離群值檢出水平α=0.05，剔除水平α=0.05。

(1)計算峰度統(tǒng)計量bk的值

(3)

數(shù)據(jù)判斷和合理性分析見表3。

表3 樣本數(shù)據(jù)統(tǒng)計及判斷

3.2.3 平水年地下水水位年變差多年均值ΔH現(xiàn)狀確定

1)P～ΔH關(guān)系法

根據(jù)工作單元分析系列建立2001-2019年地下水水位平均變差與縣降雨量關(guān)系，即P～ΔH關(guān)系，建立關(guān)系曲線如圖1。

關(guān)系線為：ΔH=aP+b，由該關(guān)系可得平水年降水量62.5%～37.5%的年均變差ΔH62.5%～ΔH37.5%。

其中，a=0.007，b=-3.832，本次選取P=62.5%、37.5%降水量分別為469 mm、551 mm。將參數(shù)代入公式，計算得出：

ΔH62.5%=0.007 2×469-3.832=-0.455

ΔH37.5%=0.007 2×551-3.832=0.135

圖1 2001-2019年P(guān)～ΔH曲線變化

2)統(tǒng)計學(xué)估計法

從2000-2019年分析系列中選擇工作單元平水年諸監(jiān)測井年變差，根據(jù)《數(shù)據(jù)的統(tǒng)計處理和解釋均值的估計和置信區(qū)間》(GB 3360-82)標準，在置信水平95%下計算平水年年變差均值的雙側(cè)置信區(qū)間，由下列的雙重不等式確定：

(4)

計算得平水年年均變差區(qū)間：ΔH下限～ΔH上限為-1.100～1.042。

3)現(xiàn)狀平水年年均變差的確定

考慮降水補給地下水的不利因素和因降水量減少導(dǎo)致開采量增大趨向的情況下，選用P=62.5%對應(yīng)年變差和置信區(qū)間下限的平均值作為平水年的現(xiàn)狀年變差，即：

(5)

計算現(xiàn)狀平水年年均變差ΔH現(xiàn)狀為-0.78 m。

3.2.4 2020-2025年逐年地下水水位年變差控制目標ΔHi確定

1)平水年ΔHi

利用年度超采量比例法確定2020-2025年逐年平水年地下水水位年變差控制目標ΔHi。

工作單元現(xiàn)狀地下水超采量為280萬 m3。2020-2025年超采量控制目標見表4。

表4 2020-2025年地下水超采量控制目標 萬m3

根據(jù)公式(6)：計算出2020年地下水水位年變差控制目標為-1.44 m。其他年份用同樣方法依次計算，計算結(jié)果見表5。

(6)

表5 地下水水位年變差控制目標 m

2)豐水年和枯水年ΔH豐或枯

(1)截距b′求取

考慮區(qū)域變幅帶給水度μ值不變，P～ΔH關(guān)系線隨降雨將會發(fā)生平移，即截距發(fā)生變化，利用逐年平水年水位控制目標求取截距b′。以2020年為例，采用公式(7)計算截距b′，其他年份用同樣方法依次計算，結(jié)果見表6。

b′=ΔH1-αP平=-0.641-0.007 2×469=-4.31

(7)

表6 2020-2025年截距b′計算表

(2)計算豐水年和枯水年地下水水位年變差控制目標

以2020年為例，采用公式(8)和(9)對豐水年和枯水年的地下水水位年變差進行計算，其他年份豐水年、枯水年用同樣方法依次計算，結(jié)果見表7。

ΔH豐1=aP豐+b′=0.007 2×601-4.31=0.016

(8)

ΔH枯1=aP枯+b′=0.007 2×427-4.31=-1.235

(9)

表7 2020-2025年地下水水位年變差控制目標 m

3.2.5 2020-2025年逐年地下水埋深控制目標Hi確定

(1)現(xiàn)狀年末地下水水位H現(xiàn)狀為53.79 m。

(2)計算2020年平水年地下水埋深控制指標：

(10)

其他年份用同樣方法依次計算，得出超采區(qū)工作單元地下水水位控制目標結(jié)果見表8。

表8 2020-2025年地下水水位控制指標 m

3.3 未超采區(qū)地下水水位控制指標確定方法

臨汾市未超采區(qū)典型單元選擇“臨汾市洪洞縣-01”工作單元，為典型單元示例。

3.3.1 多年平均地下水水位計算

表9 典型地下水埋深值統(tǒng)計 m

3.3.2 地下水水位控制指標確定

1)2025年控制指標最大埋深為：

2)2025年控制指標最小埋深為：

3)2025年控制指標平均埋深為：

(1)計算2000-2019年平水年平均埋深為26.26 m。

(2)計算近5 a平均埋深為26.73 m。

最終選用方法(1)或(2)作為平均埋深，詳見表10。

表10 2025年地下水平均埋深控制指標

4 結(jié)論及建議

(1)通過對臨汾市盆地平原區(qū)地下水水位控制指標進行計算分析，按照超采區(qū)和未超采區(qū)兩種基本工作單元分別進行了計算。最終確定了臨汾市2020-2025年具體的超采區(qū)和未超采區(qū)的地下水水位控制指標數(shù)據(jù),為臨汾市最嚴格水資源管理制度的落實和加強地下水監(jiān)督管理提供了有力支撐。

(2)臨汾市盆地平原區(qū)地下水水位監(jiān)測站布設(shè)密度達到《地下水監(jiān)測工程技術(shù)規(guī)范》要求，但專用監(jiān)測站密度偏小且分布不均勻，其確定的地下水水位控制指標僅代表現(xiàn)有條件下的控制指標，隨著今后新建專用監(jiān)測站項目的實施，應(yīng)對站網(wǎng)進行補充，并適時調(diào)整地下水水位控制指標，使地下水管理更加科學(xué)合理。

(3)地下水水位監(jiān)測數(shù)據(jù)是指標確定工作的基礎(chǔ)，應(yīng)加強地下水監(jiān)測儀器設(shè)備的運維工作，保證站網(wǎng)運行的穩(wěn)定性和可靠性；同時對地下水監(jiān)測基礎(chǔ)數(shù)據(jù)應(yīng)進行仔細校核和分析，保證數(shù)據(jù)的合理性。

(4)目前水資源公報中缺乏專門針對超采區(qū)的地下水取水量統(tǒng)計，為加強超采區(qū)地下水取用水量嚴格管理，建議增加超采區(qū)地下水取用水量專項統(tǒng)計。