長江流域主要支流地下水資源特征分析

賈建偉 王立海 王棟

摘要：合理的地下水資源特征分析及開采潛力評估是科學管理和維護地下水資源系統(tǒng)穩(wěn)定的重要前提。選取了長江流域內(nèi)21個主要支流，以2001～2020年最新觀測數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，采用補給法和排泄法計算了各支流不同類型地下水資源量，并對總量進行了相應(yīng)統(tǒng)計，最終結(jié)合現(xiàn)狀地下水開采量，分析了不同支流的開采潛力。結(jié)果表明：長江上游支流平原區(qū)地下水資源模數(shù)顯著大于中下游支流，中游支流略小于下游;山丘區(qū)地下水資源量及地下水資源總量模數(shù)自上游向下游整體呈現(xiàn)增加趨勢。綜合來看，長江上中游主要支流的地下水資源開采程度大于下游，全流域地下水開采程度整體較低，具有較大的開采潛力。

關(guān) 鍵 詞：地下水資源; 時空分布; 開采潛力; 補給法; 排泄法; 長江流域

中圖法分類號： ?TV211.1+2

文獻標志碼： ?A

DOI： 10.16232/j.cnki.1001-4179.2022.03.016

?0 引 言

地下水作為全球水資源的重要組成部分，不僅有助于維持地表植被、湖泊及濕地等生態(tài)系統(tǒng)的良性循環(huán)，還對其所處的地質(zhì)環(huán)境具有保護和支撐作用? [1-4] 。近年來，由于氣候變化和人類活動的雙重影響，中國地下水資源時空特性發(fā)生了顯著變化? [5-7] ，部分區(qū)域甚至出現(xiàn)了嚴重的地下水超采和污染問題，給地區(qū)水資源科學管理及居民用水安全帶來了巨大的挑戰(zhàn)? [8-11] 。因此，有必要采用科學手段，定性且定量地評估地下水資源量的時空分布規(guī)律，以便為制定有效的水資源保護及配置方案提供理論支撐? [12-15] 。

目前，針對地下水資源時空分布特征已有大量研究。如王宇系統(tǒng)梳理了云南省地下水資源特征及開發(fā)利用現(xiàn)狀，并針對水資源及環(huán)境系統(tǒng)中存在的問題提出了相應(yīng)的解決對策? [16] ;甘雨等采用地下水綜合潛力評價方法系統(tǒng)地評價了甘肅省民勤盆地的地下水資源量開采潛力? [17] ;劉花臺等定量分析了西北地區(qū)1945～1996年地下水資源量的空間分布特征，并探討了地下水資源演變趨勢及原因? [18] ;孫才志等評價了山西省黃河流域地下水資源分布特征及開采潛力，并結(jié)合經(jīng)濟發(fā)展趨勢分析了該地區(qū)的用水對策? [19] ;焦團理等在水文地質(zhì)條件基礎(chǔ)上，結(jié)合生態(tài)環(huán)境約束法分析了安徽省地下水資源可開采量的空間分布特征? [20] ;丁志立等? [21] 依據(jù)1980～2000年相關(guān)數(shù)據(jù)，綜合考慮地形、地貌、水文地質(zhì)條件等因素，對長江流域內(nèi)地下水資源分布特征進行了相應(yīng)分析。然而，上述成果大都是基于2000年以前實測數(shù)據(jù)成果，且研究區(qū)域較為局限，已難以滿足地下水資源現(xiàn)狀管理需求。因此，有必要結(jié)合新的觀測資料，重新評估地下水資源量的空間分布規(guī)律。

為揭示長江流域地下水資源量的空間分布規(guī)律，本文選取了流域內(nèi)21個主要支流，依據(jù)所屬各省水利廳匯編提供的2001～2020年分析成果，分別采用補給法和排泄法計算其平原區(qū)及山丘區(qū)的地下水資源量，并綜合兩者來確定對應(yīng)的地下水資源總量。在此基礎(chǔ)上，結(jié)合各支流地下水開采現(xiàn)狀，綜合分析了其地下水開采潛力，為長江流域地下水資源的合理開發(fā)利用及治理保護提供了重要的科學依據(jù)。

1 計算方法

1.1 平原區(qū)地下水資源量計算

平原區(qū)地下水資源量采用補給量法計算，同時需計算排泄量，以進行水均衡分析。地下水補給量包括降水入滲補給量、山前側(cè)向補給量、地表水體入滲補給量、井灌回歸補給量及其他補給量，排泄量則包括了地下水實際開采量、潛水蒸發(fā)量、側(cè)向流出量、河道排泄量及湖庫排泄量，后三者分別與補給項的山前側(cè)向補給量、河道滲漏補給量及湖庫滲漏補給量存在互逆關(guān)系。

確定計算單元的各項補給量和排泄量后，需進行水均衡分析，以檢驗各項補給量、排泄量及地下水蓄變量計算成果的可靠性，具體公式如式（1）所示。

X=Q? 總補 -Q? 總排 - Δ W δ=X/Q? 總補 ×100 %? ??（1）

式中：Q? 總補 ，Q? 總排 ， Δ W和X分別為多年平均地下水總補給量、地下水總排泄量、地下水蓄變量和絕對均衡差。δ為多年平均相對均衡差，當 δ ≤15 % 時，各計算單元對應(yīng)補給項和排泄項即認為合理;當 δ >15 % 時，則需對各計算單元的補給項和排泄項重新核算。

當滿足上述條件后，將分析單元范圍內(nèi)所有計算單元的各補給項及排泄項相加，作為該分析單元的補給總量和排泄總量。最終，將地下水補給總量扣除井灌回歸補給量即為對應(yīng)分析單元的地下水資源量。

1.2 山丘區(qū)地下水資源量計算

山丘區(qū)多年平均地下水資源量采用排泄法計算，并以總排泄量表示地下水資源量。山丘區(qū)排泄量包括天然河川基流量、實際開采量、潛水蒸發(fā)量、山前側(cè)向流出量、山前泉水溢出量及其他排泄量。其中，天然河川基流量是指河川徑流量中由地下水滲透補給河流的水量，可采用水文比擬法進行計算;實際開采量是指發(fā)生在山丘區(qū)內(nèi)的淺層地下水實際開采量，一般以調(diào)查統(tǒng)計值為基礎(chǔ)，進行合理分析后確定;山丘區(qū)潛水蒸發(fā)量主要指發(fā)生在未劃入平原區(qū)的、面積較小的山間河谷階地內(nèi)的蒸發(fā)量，可通過潛水蒸發(fā)系數(shù)估算;山前側(cè)向流出量是指山丘區(qū)地下水通過裂隙、斷層破碎帶或溶洞以地下潛流的形式直接向平原區(qū)排泄的水量，與平原區(qū)的山前側(cè)向補給量相對應(yīng);山前泉水溢出量是指山丘區(qū)與平原區(qū)交界線附近以泉形式溢出的水量，一般可采用單泉公式法計算? [22-23] 。

最終，將分析單元內(nèi)所有計算單元的各項排泄量相加，作為該分析單元的排泄總量，并在其基礎(chǔ)上確定各分析單元的山丘區(qū)地下水資源量。

1.3 分區(qū)地下水資源量計算

當分區(qū)單元均為單一平原區(qū)或山丘區(qū)時，則該分區(qū)單元地下水資源量無重復(fù)計算量;而當分區(qū)單元同時包括平原區(qū)和山丘區(qū)兩種地下水類型時，進行地下水資源量計算時需要從平原區(qū)和山丘區(qū)地下水資源量之和中扣除兩者重復(fù)計算量，如式（2）所示。

Q? 分區(qū) =Q? 平原區(qū) +Q? 山丘區(qū) -Q? 重復(fù)? （2）

式中：重復(fù)計算項主要由兩部分組成：① 平原區(qū)的山前側(cè)向補給量，該部分水量作為排泄量計入了山丘區(qū)地下水資源量中;② 平原區(qū)地表水體中由山丘區(qū)河川基流量組成的部分。兩者重復(fù)計算量可用式（3）進行計算。

Q? 重復(fù) =Q? 側(cè)補 +Q? 基補? （3）

最終，依據(jù)分區(qū)單元的地下水資源量成果，可統(tǒng)計流域內(nèi)主要支流的地下水資源量。

1.4 可開采量計算

地下水可開采量是指在一定時期內(nèi)，保證經(jīng)濟合理、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，具體計算公式如式（4）所示。

W? 可開采量 = min （W? 總補給量 - Ω ·W? 不允許襲奪排泄量 ，0.9W? 總補給量 ） （4）

式中：W? 總補給量 ，W? 不允許襲奪排泄量 為采用分析單元的地下水資源量成果; Ω 為不允許襲奪系數(shù)，長江流域一般取0.4～0.6。

2 主要支流地下水資源量

2.1 平原區(qū)地下水資源量

平原區(qū)作為長江流域內(nèi)地下水資源富集區(qū)，是地下水源工程取水的主要來源，本文采用補給量法計算了岷江、漢江、黃浦江等8個主要支流的地下水資源量，如表1所列。其中，補給量數(shù)據(jù)包括降水入滲補給量、山前側(cè)向補給量、地表水體補給量、井灌回歸補給量，排泄量數(shù)據(jù)包括實際開采量、潛水蒸發(fā)量、河道排泄量、側(cè)向流出量、湖庫排泄量，所有數(shù)據(jù)均由流域所屬的省水利廳匯總提供。從平原區(qū)2001～2020年地下水資源模數(shù)來看，長江上游支流岷江、沱江及嘉陵江的地下水資源模數(shù)要顯著高于中下游，對應(yīng)數(shù)值均超過了39.0萬m 3/km 2，其中嘉陵江地下水資源模數(shù)最大，為42.4萬m 3/km 2。長江中游支流漢江及清江的地下水資源模數(shù)略小于長江下游，其中漢江地下水資源模數(shù)最小，僅為18.7萬m 3/km 2。

從平原區(qū)地下水來源方面來分析，長江上游主要支流的地下水主要來源于地表水體補給，該項補給量超過了各支流地下水總量的50%，其次是降水入滲補給量，而山前側(cè)向補給量及井灌回歸補給量均可忽略不計。長江中下游支流的地下水來源較之上游更為復(fù)雜，其主要組成項是降水入滲補給量，該項補給量超過了各支流地下水總量的70%，其次是地表水體補給量及山前側(cè)向補給量。而對比中、下游各支流，可發(fā)現(xiàn)兩者地下水來源差異主要在于井灌回歸補給量，漢江流域部分地下水由該項補給量組成，而下游對應(yīng)的井灌回歸補給量均可忽略不計。究其原因，主要是因為漢江流域內(nèi)河南省及陜西省部分地區(qū)農(nóng)田灌溉量較大，導(dǎo)致該項補給量較為凸顯，而下游流域農(nóng)田供水主要來源于降水。

2.2 山丘區(qū)地下水資源量

與平原區(qū)相比，長江流域山丘區(qū)地下水資源量占比更大，其面積接近于全流域面積的93%，對應(yīng)地下水資源量更是超過總量的90%，是全流域地下水資源的主要組成部分。本文采用排泄法計算了20個主要支流的山丘區(qū)地下水資源量，如表2所列。結(jié)果表明：各支流山丘區(qū)地下水資源量幾乎等于天然河川基流量，僅上游的嘉陵江、中游的漢江、下游的巢湖及青弋江水陽江計算了部分不可忽略的其他排泄量，但均不超過總量的15%。針對地下水資源模數(shù)分析，可發(fā)現(xiàn)各支流山丘區(qū)地下水資源模數(shù)整體處于0～33萬m 3/km 2之間，其中撫河對應(yīng)模數(shù)最大，為32.4萬m 3/km 2，除黃浦江無山丘類型地下水外，沱江對應(yīng)模數(shù)最小，僅為7.2萬m 3/km 2。綜合來看，上游主要支流的山丘區(qū)地下水資源模數(shù)均值為10.5萬m 3/km 2，中游支流對應(yīng)均值為18.2 萬m 3/km 2 ，下游支流（除黃浦江外）對應(yīng)均值為20.8萬m 3/km 2，自上游向下游整體呈現(xiàn)增加趨勢。

2.3 地下水資源總量

綜合平原區(qū)及山丘區(qū)對應(yīng)地下水資源成果，扣除兩者間的重復(fù)量，統(tǒng)計了21個主要支流的地下水資源總量，如表2所列。整體來看，因長江流域內(nèi)地下水資源以山丘類型為主，因此地下水資源總量模數(shù)的空間分布幾乎與山丘區(qū)一致，自上游向下游呈現(xiàn)增加趨勢，上、中、下游主要支流對應(yīng)模數(shù)均值分別為11.2萬， 18.4 萬，21.4萬m 3/km 2。而對比各支流山丘區(qū)與地下水資源總量的模數(shù)分布不難看出，長江上游各支流兩者差異均不顯著;中游僅漢江存在一定差異，兩者差異程度為7.5%;下游因平原區(qū)地下水資源較為豐富，山丘區(qū)地下水資源量與地下水資源總量對應(yīng)模數(shù)的差異要顯著大于長江上中游，除黃浦江外，巢湖流域兩者模數(shù)相差程度最大，差異程度接近32%。

與文獻[21]的1980～2000年資料分析成果進行對比，結(jié)果如圖1所示。近20 a來長江流域地下水資源總量基本穩(wěn)定，空間分布特征未發(fā)生明顯變化，上下游地下水模數(shù)差異仍然較大。其中，上游各支流地下水資源量略有下降，變化幅度多在3%以內(nèi);中游各支流中除澧水、撫河地下水資源量略微增加之外（漢江流域兩次分析采用的山丘和平原區(qū)面積不同，未納入對比），其余支流均存在不同程度的下降趨勢，變化幅度在6%以內(nèi);下游各支流中黃浦江對應(yīng)地下水資源量有所增加，其余支流變化程度不大。

補給法和排泄法是目前常用的平原區(qū)和山丘區(qū)地下水資源量分析方法，但分析成果仍存在一定的不確定性。地下水資源量與降水量密切相關(guān)，平原區(qū)還受包氣帶巖性及計算面積的影響，山丘區(qū)還受基流切割差異的影響。從流域?qū)用鎭砜矗?980～2000年、2001～2020年兩個時段平原區(qū)包氣帶巖性變化極小，山丘區(qū)基流切割成果差異亦較小，兩次成果的差異主要是降水量自然波動的表現(xiàn)，本次成果更能反映現(xiàn)狀實際情況。隨著水資源剛性約束制度的建立，科學利用水資源尤其是地下水資源愈來愈重要，首要條件是摸清地下水資源現(xiàn)狀。鑒于流域內(nèi)監(jiān)測設(shè)施數(shù)量少、技術(shù)手段不先進，應(yīng)進一步提高地下水取水量和水位監(jiān)測能力，完善地下水監(jiān)測設(shè)施網(wǎng)絡(luò)建設(shè)，以對地下水資源量進行復(fù)核，進而確定合理的總量控制目標。

2.4 開采潛力評估

地下水開采潛力評估是指通過分析研究地區(qū)現(xiàn)狀條件下地下水盈余量（地下水可開采量與現(xiàn)狀地下水實際開采量之差）來確定對應(yīng)區(qū)域內(nèi)地下水開采擴大可能性及對應(yīng)增量? [24] ，通常選用地下水實際可采量與可開采量之比，即地下水開采率 K c 作為指標，如式（5）所示。

K c=W? 實開 /W? 可開? （5）

式中：W? 實開 為地下水實際開采量，由各流域所屬省水利廳提供;W? 可開 為地下水可開采量，由式（4）計算確定。一般認為，當K c=1.0時，地下水資源開采達到平衡，對應(yīng)的開采潛力為零;當K c<0.3時，地下水資源開采潛力極大;而當K c>1.2時，則地下水超采嚴重。

考慮到目前長江流域地下水資源工程取水以平原區(qū)為主，本次重點關(guān)注平原區(qū)地下水資源量的開發(fā)程度，結(jié)合開采系數(shù)法計算了8個主要支流及全流域的地下水開采率 K c （黃浦江流域地下水開采率為0），如圖2所示。不難看出，長江中上游主要支流對應(yīng)淺層地下水開采率均超過長江流域均值，整體處于25.0%～45.5%之間，且開采率從上游向中游呈現(xiàn)略微增加的趨勢，以漢江流域的地下水開采率45.2%最大。而長江下游各支流地下水開采率較小，整體處于0～15%之間。結(jié)果表明：現(xiàn)階段長江流域內(nèi)除漢江開采量較大外，其他支流的地下水資源開采均處于較為穩(wěn)定的狀態(tài)，且仍具有一定的開采潛力，下游支流的地下水資源開采程度較小，均小于15%，對應(yīng)開采潛力顯著大于上中游。其中，漢江流域現(xiàn)狀地下水開采率較大，主要系其一級支流唐白河流域為降水和徑流深低值區(qū)，南襄盆地內(nèi)工農(nóng)業(yè)用水大量開采地下水資源所致。

3 結(jié) 論

本文依據(jù)長江流域2001～2020年最新觀測資料，采用補給法及排泄法分別計算了長江流域內(nèi)21個主要支流平原區(qū)及山丘區(qū)的地下水資源量，并統(tǒng)計了地下水資源總量，在此基礎(chǔ)上結(jié)合地下水開采現(xiàn)狀，評估了各支流對應(yīng)的開采潛力，具體結(jié)論如下：

（1） 近20 a來長江流域主要支流地下水資源總量基本穩(wěn)定，除澧水、撫河、黃浦江水量略有增加外，其他支流減小幅度多在6%以內(nèi);空間分布特征未發(fā)生明顯變化，上中下游地下水資源模數(shù)存在明顯差異。

（2） 長江上游主要支流的平原區(qū)地下水資源模數(shù)顯著大于中下游，其中上游支流的地下水主要依靠地表水體補給，而中下游地下水則主要來源于降水入滲補給，中游與下游地下水來源差異主要在于井灌回歸補給量的影響。

（3） 長江流域多數(shù)支流的山丘區(qū)地下水資源量幾乎等于天然河川基流量，地下水資源模數(shù)自上游向下游呈現(xiàn)增加趨勢;整體來看，地下水資源總量的空間分布特征與山丘區(qū)基本類似，僅在下游部分支流存在一定差異。

（4） 長江流域現(xiàn)階段淺層地下水開采程度較低，具有較大開采潛力。其中，上中游支流的開采率自上游向中游呈現(xiàn)增加趨勢，以漢江流域的45.2%最高，下游支流開采率顯著小于上中游，對應(yīng)開采潛力更大。

參考文獻：

[1]? 李福林，陳華偉，王開然，等.地下水支撐生態(tài)系統(tǒng)研究綜述[J].水科學進展，2018，29（5）：750-758.

[2] 陳飛，徐翔宇，羊艷，等.中國地下水資源演變趨勢及影響因素分析[J].水科學進展，2020，31（6）：811-819.

[3] PETTS G E，BICKERTON M A，CRAWFORD C，et al.Flow management to sustain groundwater-dominated stream ecosystems[J].Hydrological Processes，1999，13（3）：497-513.

[4] MURRAY B B R，ZEPPEL M J B，HOSE G C，et al.Groundwater-dependent ecosystems in Australia：it′s more than just water for rivers[J].Ecological Management & Restoration，2010，4（2）.

[5] 李吉均，高前兆. 氣候變化與人類活動干擾下塔里木盆地南緣地下水的變化及其生態(tài)環(huán)境效應(yīng)[J].干旱區(qū)地理，2002，25（1）：16-23.

[6] 馬金珠，陳發(fā)虎，趙華. 1000年以來巴丹吉林沙漠地下水補給與氣候變化的包氣帶地球化學記錄[J].科學通報，2004，49（1）：22-26.

[7] XIAO D，LIU D L，F(xiàn)ENG P，et al.Future climate change impacts on grain yield and groundwater use under different cropping systems in the North China Plain[J].Agricultural Water Management，2021，246（106685）：14.

[8] 羅蘭.我國地下水污染現(xiàn)狀與防治對策研究[J].中國地質(zhì)大學學報（社會科學版），2008，8（2）：72-75.

[9] 張新鈺，辛寶東，王曉紅，等.我國地下水污染研究進展[J].地球與環(huán)境，2011，39（3）：415-422.

[10]? 李懷恩，賈斌凱，成波，等.海綿城市雨水徑流集中入滲對土壤和地下水響研究進展[J].水科學進展，2019，30（4）：589-600.

[11] 張穎，姜春艷.黑龍江省地下水環(huán)境管理現(xiàn)狀研究[J].環(huán)境科學與管理，2020，45（11）：49-52.

[12] 秦怡.基于遙感大數(shù)據(jù)和機器學習方法的地下水資源量動態(tài)評價模型研究[D].杭州：浙江大學，2019.

[13] 錢家忠，吳劍鋒，朱學愚，等.地下水資源評價與管理數(shù)學模型的研究進展[J].科學通報，2001，46（2）：99-104.

[14] 劉明柱，陳鴻漢，葉念軍，等.GIS在區(qū)域地下水資源評價中的應(yīng)用[J].水利學報，2002（1）：52-55，61.

[15] 荊繼紅，孫繼朝，韓雙平，等.西北地區(qū)地下水資源分布及開發(fā)利用狀況[J].南水北調(diào)與水利科技，2007，5（5）：54-56，63.

[16] 王宇.云南省地下水資源潛力評價現(xiàn)狀與問題分析[J].中國巖溶，2020，39（2）：137-146.

[17] 甘雨，王曉瑋.民勤盆地地下水資源開采潛力評價[J].地下水，2017，39（3）：8-10.

[18] 劉花臺，郭占榮，董華，等.西北地區(qū)地下水資源量及其變化趨勢分析[J].水文地質(zhì)工程地質(zhì)，1999（6）：35-39.

[19] 孫才志，陳光，楊靜，等.山西省黃河流域地下水資源分布特征、開采潛力與用水對策分析[J].吉林大學學報（地球科學版），2004，34（3）：410-414.

[20] 焦團理，李玉明.安徽省地下水資源量及開發(fā)利用特征分析[J].安徽農(nóng)業(yè)科學，2016，44（23）：76-79.

[21] 丁志立，鄒寧，王政祥.長江流域地下水資源量分布及特征分析[J].人民長江，2008，39（17）：73-75，115.

[22] 康小兵，許模.西藏阿里地區(qū)第四系地下水資源調(diào)查研究[J].人民長江，2008，39（6）：44-45，91.

[23] 唐克旺，吳玉成，侯杰.中國地下水資源質(zhì)量評價（Ⅱ）：地下水水質(zhì)現(xiàn)狀和污染分析[J].水資源保護，2006，22（3）：1-4，8.

[24] 李霄，都基眾，崔健，等.渾河沖洪積扇淺層地下水資源評價與可開采潛力分析[J].中國農(nóng)村水利水電，2012（12）：49-54，58.

（編輯：劉 媛）

Research on distribution characteristics of groundwater resources over ?main branches of Changjiang River Basin

JIA Jianwei，WANG Lihai，WANG Dong

（ Bureau of Hydrology，Changjiang Water Resources Commission，Wuhan 430010，China ）

Abstract：

Reasonable analysis on groundwater resources characteristics and exploitation potentiality plays an important role in the groundwater resources management.In this paper，we evaluated the characteristics of groundwater resources for 21 main branches in the Changjiang River by using the latest observed data from 2001 to 2020.The water balance method and drainage method were used to estimate the amount of groundwater resources of flatlands and hilly areas，respectively.Finally，the exploitation potentiality of groundwater resources for each branch was evaluated based on all estimated results.The results show that the groundwater resource modules in the flatlands of the upper reaches are significantly greater than those in the middle and lower reaches，and the modules of middle reaches are the smallest around the whole Changjiang River Basin.The groundwater resource modules in the hilly areas and the whole branches increase gradually from upstream to downstream.Generally，the current groundwater exploitation level for all branches in the upper and middle reaches of the Changjiang River is greater than that in the lower reaches，and the overall extent of groundwater exploitation for the Changjiang River basin is relatively low，showing that the groundwater in Changjiang River still has great exploitation potential.

Key words：

groundwater resources;spatial-temporal distribution characteristics;exploitation potentiality;water balance method;drainage method;Changjiang River Basin