哈爾濱市地下水超采區(qū)分析方法探討與展望

吳 限，孫 雷

(黑龍江省水文水資源中心哈爾濱分中心，哈爾濱 150010)

1 概 況

1.1 研究的意義及目的

地下水具有重要的資源和生態(tài)屬性，對保障人類生產(chǎn)生活和自然循環(huán)有著重要作用。但長期以來，受到我國水資源時(shí)空不均衡誘發(fā)的水資源緊缺影響，導(dǎo)致地下水開采量在很長一段時(shí)間內(nèi)一直維持在高位，地下水在中國北方地區(qū)占總供水量達(dá)38%。縱向來看，從20世紀(jì)70年代以來，地下水供水量每10年翻一番[1]。地下水資源遭到不同程度的破壞。進(jìn)入新世紀(jì)以來，隨著《中華人民共和國水法》、《地下水管理?xiàng)l例》等各項(xiàng)法律法規(guī)的出臺，地下水資源逐漸受到保護(hù)。針對地下水超采區(qū)問題，哈爾濱市積極應(yīng)對，落實(shí)最嚴(yán)格的水資源管理制度，近年來工作效果顯著。文章根據(jù)2016-2021年哈爾濱市市區(qū)地下水位自動(dòng)監(jiān)測井實(shí)測數(shù)據(jù)資料，對哈爾濱是地下水超采區(qū)情況進(jìn)行動(dòng)態(tài)分析。

1.2 自然概況及水文地質(zhì)

哈爾濱市位于中國東北松嫩平原東南部，E125°42′-130°10′，N44°04′-46°40′。地勢東南高，西北低。依據(jù)《黑龍江省水資源綜合規(guī)劃地下水資源評價(jià)報(bào)告》(2005年)，哈爾濱市區(qū)地下水補(bǔ)給量為17849.22×104m3/a，平均可開采模數(shù)為9.74×104m3/a·km2，略高于全國平均水平9.29×104m3/a·km2。20世紀(jì)70年代以來由于地下水的大量開采，哈爾濱高平原區(qū)東部水位已經(jīng)低于含水層頂板，形成層間無壓水(2000年水位低于含水層頂板1m-21m)；西部承壓水頭也有所降低，2000年為1-16m。

2 地下水動(dòng)態(tài)分析

2.1 資料分析

共選取50眼連續(xù)性較好的地下水專用監(jiān)測井作為評價(jià)資料依據(jù)，其中30眼位于河谷平原區(qū)，20眼位于高平原區(qū)。河谷平原區(qū)逐年地下水位均在119.42-163.11m，高于“臨界地下水水位”107m。因此河谷平原區(qū)不存在地下水超采區(qū)，見表1。

位于哈爾濱市高平原區(qū)共有20眼連續(xù)性較好的地下水專用監(jiān)測井。通過2021年水位與2016年對比，其中水位上漲超過10m的監(jiān)測井有2眼，5-10m的監(jiān)測井有10眼，5m以內(nèi)的有8眼，水位上漲明顯，地下水水位恢復(fù)較快，見圖1-4。

2.2 超采區(qū)水位等高線繪制

哈爾濱市一般超采區(qū)范圍劃定依據(jù)地下水開采水位控制法，即根據(jù)評價(jià)區(qū)當(dāng)?shù)厮牡刭|(zhì)條件、確定承壓含水層頂板高程，作為評價(jià)區(qū)分析地下水超采狀況、確定地下水超采區(qū)的標(biāo)準(zhǔn)。

表1 河谷平原區(qū)地下水位變化幅度統(tǒng)計(jì)表

利用已有數(shù)據(jù)，結(jié)合Arcgis與Surfer軟件對地下水位等高線進(jìn)行逐年點(diǎn)繪，這兩種軟件廣泛應(yīng)用于氣象學(xué)、地質(zhì)學(xué)等領(lǐng)域[2]。以2021年數(shù)據(jù)為例，生成承壓含水層頂板標(biāo)高等值線與地下水位等值線圖。在生成等高線方式上，Arcgis與Surfer本質(zhì)上都是主要采用克里金法(Kriging)差值生成等高線，即通過一組具有Z值的分散點(diǎn)生成估計(jì)表面的統(tǒng)計(jì)過程。但是Arcgis本身的插件在使用克里金法差值時(shí)很難得到理想的結(jié)果，曲線在平滑度和合理性上均不理想，需要大量的后期人工修繕。Surfer軟件中的克里金插件就可以很好的生成光滑合理的等高線，之后將生成的JSON曲線文件通過Arcgis插件中的JSON To Features工具即可轉(zhuǎn)化為shp文件，插入Arcgis圖層中。即可將Surfer生成的等高線與Arcgis軟件等高線對比分析，結(jié)合使用。

2.3 超采區(qū)面積分析

以2021年為例，對等高線高程逐線逐點(diǎn)分析。繪制超采區(qū)范圍后，再提取特征點(diǎn)在兩種等高線圖中高程數(shù)值進(jìn)行驗(yàn)證。見表2。

表2 2021年特征點(diǎn)水位、頂板高程對比表

根據(jù)現(xiàn)有資料確定，2021年高平原區(qū)內(nèi)監(jiān)測井水位均高于承壓含水層頂板，2021年哈爾濱市不存在超采區(qū)。但由于地下水位呈波動(dòng)性變化，且個(gè)別監(jiān)測井水位接近含水層頂板，超采區(qū)是否永久性消失，仍需持續(xù)監(jiān)測分析。其余年份超采區(qū)面積變化見表3。

表3 2016-2020哈爾濱地下水超采區(qū)面積統(tǒng)計(jì)表

3 結(jié)論與展望

綜上分析，2016年后哈爾濱地下水超采區(qū)面積逐年縮小，并且縮小速率有逐年遞增趨勢。以目前數(shù)據(jù)資料來看，2021年豐水期時(shí)已不存在超采區(qū)。一方面是哈爾濱市嚴(yán)格限制地下水開采帶來的積極成果。另一方面從地下水開采系數(shù)來看，哈爾濱市本身地下水可開采系數(shù)(ρ)較高，達(dá)到91.2%，可見哈爾濱市在兼顧生產(chǎn)與環(huán)境治理中，摸索出了科學(xué)有效的方法。對于高平原區(qū)超采區(qū)縮小(消失)因素，即地下水補(bǔ)給要素分析，在將來仍需繼續(xù)探討。作為城區(qū)或近郊區(qū)域，基本排除水庫、灌溉、渠系滲水補(bǔ)給，主要考慮其降水入滲補(bǔ)給和側(cè)向徑流補(bǔ)給[3]。通過對地下水補(bǔ)給和消耗要素分析，建立水量平衡方程，對于長期有效治理地下水超采或內(nèi)澇是有益的。