海河平原區(qū)淺層地下水位健康修復(fù)目標(biāo)研究

劉 蓉，趙 勇，王慶明，何 鑫，馬夢陽，陸垂裕

(1.天津大學(xué) 水利工程仿真與安全國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300072；2.中國水利水電科學(xué)研究院 流域水循環(huán)模擬與調(diào)控國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100038)

1 研究背景

地下水是穩(wěn)定生態(tài)系統(tǒng)的重要因素，也是水循環(huán)系統(tǒng)的重要組成部分，地下水位波動(dòng)變化會(huì)直接或間接地影響整個(gè)水文循環(huán)過程，也會(huì)影響經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展。海河平原區(qū)自1980年開始大規(guī)模開發(fā)利用地下水，導(dǎo)致地下水超采嚴(yán)重，生態(tài)環(huán)境不斷惡化。近年來，國家開始加大地下水修復(fù)治理工作，河北省地下水超采綜合治理三年試點(diǎn)、華北地區(qū)地下水超采綜合治理行動(dòng)、國家節(jié)水行動(dòng)、引江引黃生態(tài)補(bǔ)水工程等一系列措施相繼實(shí)施，海河平原區(qū)地下水位下降態(tài)勢初步得到緩解，局部地區(qū)水位開始回升[1]。地下水修復(fù)并不是簡單地追求地下水位恢復(fù)原狀，水位過高或過低都會(huì)對生態(tài)造成影響。因此，對現(xiàn)狀地下水位健康狀況進(jìn)行診斷，查清地下水位是否適宜，確定未來地下水位回升和控制的目標(biāo)，摸清現(xiàn)狀地下水位的適宜開采區(qū)和重點(diǎn)限采區(qū)，是地下水修復(fù)工作的重要基礎(chǔ)。在此背景下，確定合理的淺層地下水位修復(fù)目標(biāo)十分迫切。

張長春等[2]提出生態(tài)地下水位的概念，并將生態(tài)地下水位作為地下水位修復(fù)和調(diào)控目標(biāo)，生態(tài)地下水位通常是指能夠維持生態(tài)良性狀態(tài)，不造成生態(tài)惡化的地下水位，類似的還有控制性水位[3]和臨界水位[4]等概念、目前相關(guān)研究在西北干旱及半干旱地區(qū)應(yīng)用最為廣泛[5-6]，其內(nèi)涵主要指能維持植被生態(tài)健康的地下水位。相比西北地區(qū)，海河平原區(qū)生態(tài)環(huán)境問題更為復(fù)雜和特殊，除土壤水鹽對植被生態(tài)影響外，還需考慮地表—地下水體之間的相互聯(lián)系、含水層的調(diào)蓄能力等問題，但現(xiàn)有研究主要是考慮土壤鹽漬化、山前平原含水層調(diào)蓄能力等生態(tài)問題[7-9]。

海河平原區(qū)作為強(qiáng)人類活動(dòng)典型區(qū)域，地下水位修復(fù)目標(biāo)不僅需要考慮生態(tài)環(huán)境效應(yīng)，還需要考慮城市建筑物安全、經(jīng)濟(jì)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展等問題。本研究將在現(xiàn)有研究基礎(chǔ)上，提出適用于海河平原區(qū)的健康地下水位概念，并通過建立區(qū)域尺度上兼顧地下水多功能屬性的空間分布式健康地下水位量化方法，確定海河平原區(qū)健康地下水位上限和下限空間分布。

2 健康地下水位內(nèi)涵

2.1 健康地下水位概念與特征健康地下水位指能夠滿足地下水在資源、生態(tài)、地質(zhì)環(huán)境、建筑物安全等方面的各項(xiàng)功能，并能保持功能間相互協(xié)調(diào)平衡的地下水位。健康地下水位有如下特征：(1)健康地下水位必須滿足對地下水依賴型生態(tài)系統(tǒng)的支撐，且不引發(fā)地質(zhì)環(huán)境災(zāi)變；(2)健康地下水位能在保障地下水生態(tài)、地質(zhì)環(huán)境功能的基礎(chǔ)上，最大限度實(shí)現(xiàn)地下水的資源功能，支撐經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展；(3)受氣候、水文地質(zhì)、地理、經(jīng)濟(jì)發(fā)展等多方面條件影響，健康地下水位在時(shí)間與空間上差異化分布。

2.2 健康地下水位功能分類隨著地下水位不斷下降，可能造成以下不利影響：①地下水補(bǔ)給地表水的水量減少，補(bǔ)給方向發(fā)生反轉(zhuǎn)，嚴(yán)重情況下地表水和地下水相互聯(lián)系被完全中斷，地表水體在非汛期難以維持其生態(tài)基流量發(fā)生斷流[10-11]；②補(bǔ)給入滲系數(shù)隨地下水埋深先增大后減小，地下水埋深增大形成的深厚包氣帶造成地下水補(bǔ)給顯著減小[12]；③地下水下降造成濱海地區(qū)地下水動(dòng)力條件發(fā)生改變，破壞地下淡水與海水之間的動(dòng)態(tài)平衡，導(dǎo)致海水沿含水層向內(nèi)陸擴(kuò)散，造成海水入侵[13-14]；④地下水埋深的增加對地表植被造成影響[15]，一方面會(huì)造成部分完全依賴地下水生長的天然植被消失，另一方面會(huì)造成種植作物灌溉需水量增加。

但隨著地下水位下降，也會(huì)帶來一些有利影響：①地下水埋深是影響土壤水鹽運(yùn)動(dòng)的重要影響因素，地下水埋深的增大對于土壤鹽漬化的防范無疑是有利的[16]；②潛水蒸發(fā)量隨地下水埋深增加而逐漸減小直至為零，適當(dāng)?shù)牡叵滤幌陆禃?huì)降低地下水排泄量，增加有效補(bǔ)給量[17]；③海河平原是北京、天津、石家莊等重要城市群所在地，城市地下工程與建筑物眾多，淺層地下水位適度下降對于滿足城市建筑物抗浮設(shè)防水位要求、保證地下建筑物安全有利[18]；④對于山前平原，適當(dāng)?shù)牡叵滤幌陆狄环矫娓淖兞藗?cè)向徑流補(bǔ)給條件，增加地下水補(bǔ)給量[19-20]，另一方面可以騰空地下水庫容，增加含水層調(diào)蓄能力，減少雨洪災(zāi)害。

基于上述分析，本研究將健康地下水位分為以下幾種類型：第一類為上限地下水位，包括控制鹽漬化地下水位、城鎮(zhèn)建筑物安全地下水位、含水層調(diào)蓄地下水位；第二類為下限地下水位，包括維持地表水體健康地下水位、遏制海水入侵地下水位、植被健康地下水位；地下水最大補(bǔ)給能力水位既屬于下限健康地下水位，也屬于上限健康地下水位。

圖1 健康地下水位功能分類

3 區(qū)域健康地下水位量化方法

3.1 各功能健康地下水位確定方法研究涉及7類不同功能健康地下水位，部分已有較為成熟的研究方法和研究結(jié)果，本研究重點(diǎn)對控制鹽漬化地下水位、城鎮(zhèn)建筑物安全地下水位、維持地表水體健康地下水位的量化方法進(jìn)行研究，其它4類功能健康地下水位則采用已有研究方法或成果進(jìn)行量化(表1)，具體量化方法見下文。

表1 各功能健康地下水位量化方法

(1)控制鹽漬化地下水位?？刂汽}漬化地下水位是指非汛期防止土壤表層積鹽量危害作物生長的最高地下水位，表層積鹽量不能超過作物耐鹽度臨界值[2]。確定控制鹽漬化地下水位需要綜合考慮研究區(qū)土壤質(zhì)地、地下水礦化度條件，有關(guān)研究多采用試驗(yàn)觀測法[22]、數(shù)值模擬法[22]等進(jìn)行確定?！度A北平原土壤》[23]提出了不同土壤質(zhì)地和礦化度對應(yīng)的防治土壤鹽漬化的地下水臨界埋深。本研究將采用統(tǒng)計(jì)法分析研究區(qū)發(fā)生鹽漬化區(qū)域的地下水埋深、礦化度、土壤質(zhì)地情況，并根據(jù)統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果進(jìn)一步完善細(xì)化防治土壤鹽漬化的地下水臨界埋深，相關(guān)統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果在第3節(jié)結(jié)果分析中進(jìn)行詳細(xì)描述。

(2)城鎮(zhèn)建筑物安全地下水位。對于城市區(qū)，地下水位波動(dòng)變化造成的最大威脅是影響建筑物基礎(chǔ)安全設(shè)防和防滲，具體表現(xiàn)在：當(dāng)?shù)叵滤贿^高時(shí)，浸沒在地下水位線下的承載土層，將失去由毛細(xì)管應(yīng)力或弱結(jié)合水所形成的表觀凝聚力，使承載力降低；同時(shí)，水位上升后水的浮力作用也會(huì)降低地基的承載力。城鎮(zhèn)建筑物安全地下水位需要考慮建筑物的設(shè)防和防滲標(biāo)準(zhǔn)，參考以前和現(xiàn)行實(shí)施的抗浮和防滲設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，當(dāng)?shù)叵滤徊怀^建筑物底板深度時(shí)，基本能保證現(xiàn)有建筑物的設(shè)防和防滲安全。研究根據(jù)不同城市規(guī)模地下建筑物的密度、深度、重要度，可將城市區(qū)劃分以下不同等級，并根據(jù)調(diào)查現(xiàn)有建筑物地基深度和防滲標(biāo)準(zhǔn)[18]，確定了滿足不同等級城市的建筑物安全地下水位(見表2)，其中沿海城市因海水入侵風(fēng)險(xiǎn)較大，其城市建筑物安全地下水位標(biāo)準(zhǔn)需單獨(dú)考慮。

表2 海河平原區(qū)不同城鎮(zhèn)等級及城鎮(zhèn)建筑物安全地下水位

(3)維持地表水體健康地下水位。河流生態(tài)基流量指維系和保護(hù)河流最基本生態(tài)功能不被破壞，必須在河道內(nèi)保持的最小水量[24]，對于支撐水體中水生生物生存、繁衍、生物群落等功能，維持區(qū)域水系連通性有重要意義。按照地表-地下水補(bǔ)排關(guān)系，對于存在地表徑流的區(qū)域，地下水位的生態(tài)目標(biāo)應(yīng)是維持地下水與地表水健康的水力聯(lián)系，保障河道中地表徑流量不低于河流生態(tài)基流量，對應(yīng)的地下水位即為維持地表水體健康地下水位。

如圖2所示，維持地表水體健康地下水位與河流生態(tài)基流量水位一致。河流基流水位不僅與河流生態(tài)基流量相關(guān)，還與河流斷面、地形地勢等因素相關(guān)，在空間上具有較大差異性。本研究通過水文控制站點(diǎn)的生態(tài)基流深，估算無徑流-水位監(jiān)測數(shù)據(jù)的河流斷面的地表水體健康補(bǔ)給地下水位：

圖2 維持地表水體健康地下水位

(1)

式中：H水體為維持地表水體健康地下水位；H上站基和H下站基和分別為上游和下游的水文控制站點(diǎn)的生態(tài)基流水位；L上站基和L下站基分別為上游和下游的水文控制站點(diǎn)的河底高程；L基為所求斷面的河底高程。其中水文控制站點(diǎn)河流生態(tài)基流量采用Tenant法來估算，該方法是基于河流斷面數(shù)據(jù)分析后，設(shè)定河道流量的最低下限為多年平均徑流量的10%，若徑流量低于10%，則河流生態(tài)健康將得到迅速惡化。H站基則根據(jù)各個(gè)控制水文站點(diǎn)徑流-水位曲線確定。

(4)地下水最大補(bǔ)給能力水位。地下水的有效補(bǔ)給曲線(降雨入滲-潛水蒸發(fā))變化規(guī)律如圖3所示，當(dāng)降水特征、下墊面、包氣帶巖性等相對不變時(shí)，存在一個(gè)能使地下水獲得最大有效補(bǔ)給量的水位。通過分析研究區(qū)降雨入滲和潛水蒸發(fā)試驗(yàn)觀測數(shù)據(jù)，可確定平水年條件下，不同土壤性質(zhì)對應(yīng)的地下水最大補(bǔ)給能力水位。

圖3 德州站入滲-蒸發(fā)-埋深曲線[2]

(5)植被健康地下水位。除了土壤含鹽量，地下水位還通過影響土壤含水量進(jìn)而影響植被生長。植被可分為天然植被和人工作物，對于天然植被，其對地下水位的依賴程度大致可以分為完全依賴降雨型、季節(jié)性依賴地下水型等四種類型(圖4)。對于人工種植作物，地下水位對其影響分為以下兩種：①旱地，除降雨量等其他因素外，地下水位通過影響土壤含水量進(jìn)而影響作物耗水量，相對來說，地下水位越高對作物生長越有益；②水澆地，地下水位會(huì)直接影響到灌溉用水量，地下水位越高，作物對灌溉水量的需求越少，這對于減少地下水開采有利?？赏ㄟ^植被生長試驗(yàn)、生態(tài)模擬分析法[15]確定植被健康地下水位。

圖4 植被-地下水位依賴關(guān)系

(6)遏制海水入侵地下水位。海水入侵是指地下水動(dòng)力條件發(fā)生改變，使淡水與海水之間的平衡狀態(tài)遭受破壞，引起海水沿含水層向陸地方向侵入，淡水資源遭到破壞的過程和現(xiàn)象[14，25]。因此，可通過分析咸淡水穩(wěn)定界面水力平衡確定該功能的地下水位。吉本(Gyben)和赫爾茲伯格(Herzberg)提出的咸淡水穩(wěn)定界面的靜水壓力平衡模式可簡化為：

hs=40hf

(2)

式中：hs為咸水楔形體咸淡界面低于平均海平面的深度；hf為淡水水頭。

當(dāng)hs≤40hf，即hf≥hs/40時(shí)，淡水壓力大于海水壓力，此時(shí)不會(huì)發(fā)生海水入侵。因此遏制海水入侵的臨界潛水位為hs/40。

(7)含水層調(diào)蓄地下水位。山前沖洪積扇卵礫石區(qū)帶以及沖積扇中粗砂含礫石區(qū)帶是天然的理想儲(chǔ)水空間，在汛期來臨之前，合理調(diào)節(jié)該區(qū)域地下水位，既能降低汛期洪水風(fēng)險(xiǎn)，又能將雨洪資源轉(zhuǎn)化為地下水資源以供非汛期使用。在實(shí)際地下水庫設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)中，保留含水層厚度1/3的水位一般作為地下水庫設(shè)計(jì)的死水位，可參考該水位作為含水層調(diào)蓄地下水位。

3.2 兼顧多功能屬性的分布式健康地下水位區(qū)域生態(tài)問題復(fù)雜多變，空間異質(zhì)性強(qiáng)，地下水相關(guān)的生態(tài)問題相互疊加。為滿足地下水多種功能要求，本研究建立了區(qū)域尺度上兼顧地下水多功能屬性的空間分布式健康地下水位確定方法，主要通過以下步驟實(shí)現(xiàn)。

(1)對研究區(qū)進(jìn)行網(wǎng)格劃分，一般劃分為2 km×2 km網(wǎng)格單元。

(2)根據(jù)每個(gè)網(wǎng)格的土壤性質(zhì)、礦化度、土地利用類型等本底條件確定其對應(yīng)的七個(gè)功能地下水位，無需考慮的功能地下水位不賦值。

(3)健康地下水位上限值主要由控制鹽漬化水位、城鎮(zhèn)建筑物安全地下水位、含水層調(diào)蓄地下水位、地下水最大補(bǔ)給能力水位確定。本研究將使用埋深進(jìn)行實(shí)際計(jì)算，網(wǎng)絡(luò)單元健康地下水位上限埋深由下式確定：

D上=Max(D鹽，D城，D調(diào)蓄，D補(bǔ)給)

(3)

式中：D上為健康地下水位上限埋深；D鹽為控制鹽漬化地下水埋深；D城為城鎮(zhèn)建筑物安全地下水埋深；D調(diào)蓄為含水層調(diào)蓄地下水埋深；D補(bǔ)給為地下水最大補(bǔ)給能力埋深。

(4)健康地下水位下限值主要由維持地表水體健康地下水位、遏制海水入侵地下水位、地下水最大補(bǔ)給能力水位、植被健康地下水位等確定。單純由以上幾種功能地下水位確定健康地下水位下限可能造成下限埋深高于上限埋深，如城市-河流疊加區(qū)，根據(jù)維持地表水體健康地下水位確定的下限埋深一般高于D城，顯然不合理。因此，單元健康地下水位下限埋深由下式確定：

(4)

式中：D下為健康地下水位下限埋深；D水體為維持地表水體健康地下埋深；D海為遏制海水入侵地下水埋深；D植被為植被健康地下水埋深。

(5)若步驟(3)(4)每個(gè)單元賦值的健康地下水埋深缺乏連接性，不符合地下水位分布連續(xù)的客觀規(guī)律，則需對步驟(3)(4)得到的柵格數(shù)據(jù)進(jìn)行重新采樣和插值。

4 研究區(qū)概況

本文研究區(qū)范圍為海河平原區(qū)(圖5(a))，具體指海河流域片的平原區(qū)域，包括北四河下游平原、灤河及冀東平原、大清河淀東平原、大清河淀西平原、子牙河平原、黑龍港及運(yùn)東平原、徒駭馬頰河平原、漳衛(wèi)河平原8個(gè)三級區(qū)。研究區(qū)屬于半濕潤-溫帶季風(fēng)氣候區(qū)，該地區(qū)地下水主要賦存于第四系含水組，根據(jù)巖性特征、沉積年代、含水層和隔水層分布以及水動(dòng)力條件，自上而下可劃分為4個(gè)含水組(含水組Ⅰ至Ⅳ)，淺層地下水一般指山前平原的第Ⅰ和第Ⅱ含水組、中部和濱海平原的第Ⅰ含水組。海河平原水資源供需矛盾突出，為維持經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展，不得不長期對地下水進(jìn)行超采，致使地下水位持續(xù)下降，1959—2019年的淺層地下水位變差圖如圖5(b)所示，山前平原一帶淺層地下水位下降最為嚴(yán)重，各淺層地下水漏斗面積不斷發(fā)展，漏斗界限逐漸消失，逐步形成復(fù)合型超大漏斗[26]，唐山、石家莊、北京西南郊、保定等地由于地下水超采導(dǎo)致的地下水含水層疏干面積已達(dá)1.05萬km2以上[27]，對地下水資源可持續(xù)性利用產(chǎn)生嚴(yán)重影響，制約了區(qū)域經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展。

研究區(qū)自西向東可劃分為：山前平原、中部平原、濱海平原(圖5(c))。山前平原區(qū)由各個(gè)河流的沖洪積扇連接而成，以砂礫層為主，透水性較好，地下水埋藏較深，主要接受基巖裂隙水、來自山區(qū)的雨洪水以及降雨入滲補(bǔ)給，是平原區(qū)主要地下水補(bǔ)給帶，該區(qū)域地表-地下水交互強(qiáng)烈，既需要考慮非汛期地下水對地表水的補(bǔ)給能力，也需考慮汛期需增大含水層調(diào)蓄能力，減小洪水災(zāi)害；中部平原，由海河、灤河等水系沖積物組成，該區(qū)土地利用以耕地為主，且地下水礦化度較高容易發(fā)生鹽漬化，需著重考慮土壤含水量和含鹽量的平衡，其次，河流、湖泊等地表水體的生態(tài)健康也需被考慮；濱海平原，沿渤海灣呈半環(huán)狀分布，該區(qū)域淡水與海水交互頻繁，地下水礦化度較高，海水入侵與土壤鹽漬化問題嚴(yán)重。此外，研究區(qū)城市建筑物密集，地表徑流錯(cuò)綜復(fù)雜，淺層地下水礦化度(圖5(d))和土壤質(zhì)地(圖5(e))空間異質(zhì)性強(qiáng)，確立地下水修復(fù)目標(biāo)需綜合考慮這些特征。

圖5 研究區(qū)概況

5 結(jié)果分析

5.1 各功能健康地下水位

(1)控制鹽漬化地下水位。對海河平原區(qū)1980、1990、2000、2005、2010、2018年共6期土地利用類型(提取鹽堿地分布)、土壤礦化度、土壤質(zhì)地、地下水埋深空間分布數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，結(jié)果表明：①土壤質(zhì)地類型是發(fā)生鹽漬化的先決條件，1980—2018年海河平原區(qū)土壤質(zhì)地構(gòu)成比例和發(fā)生鹽漬化區(qū)域土壤質(zhì)地構(gòu)成比例如圖6(a)所示，海河平原區(qū)全區(qū)域的壤土、黏壤土、黏土占比均小于發(fā)生鹽漬化區(qū)域的該類型土土壤占比，而海河平原全區(qū)域的砂土占比遠(yuǎn)大于鹽漬化區(qū)的砂土占比。其中海河平原全區(qū)域壤土占比73%，與此相比發(fā)生鹽漬化區(qū)域的壤土占比增加了13%，為86%。顯然，壤土發(fā)生鹽漬化的風(fēng)險(xiǎn)最高，其次依序是黏壤土、黏土和砂土；②地下水礦化度是影響鹽漬化的重要因素，1980—2018年海河平原區(qū)淺層地下水不同礦化度占比和發(fā)生鹽漬化區(qū)域礦化度占比如圖6(b)所示，發(fā)生鹽漬化區(qū)域地下水礦化度>3 g/L的比例遠(yuǎn)大于全區(qū)域。當(dāng)?shù)V化度>3 g/L后，產(chǎn)生鹽漬化的風(fēng)險(xiǎn)顯著升高，礦化度<2 g/L時(shí)，鹽漬化的風(fēng)險(xiǎn)較低；③地下水埋深是發(fā)生鹽漬化的決定性條件，1980—2018年發(fā)生鹽漬化區(qū)域地下水埋深分布情況如圖6(c)所示，發(fā)生鹽漬化區(qū)域地下水埋深主要為0～6 m。地下水埋深越淺，鹽漬化風(fēng)險(xiǎn)越大，據(jù)統(tǒng)計(jì)海河平原83%的鹽堿地地下水埋深小于4 m。

圖6 1980—2018年土壤鹽漬化與土壤質(zhì)地、地下水礦化度、地下水埋深統(tǒng)計(jì)關(guān)系

確定控制鹽漬化地下水位需要綜合考慮研究區(qū)土壤質(zhì)地、地下水礦化度等條件，當(dāng)土壤質(zhì)地、礦化度相對不變時(shí)，可通過控制地下水位防止鹽漬化發(fā)生。基于上述土壤鹽漬化與土壤質(zhì)地、地下水礦化度、地下水埋深的統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果，結(jié)合《華北平原土壤》依據(jù)實(shí)驗(yàn)觀測數(shù)據(jù)和經(jīng)驗(yàn)理論提出的防止土壤鹽漬化地下水臨界深度研究成果，確定了海河平原區(qū)不同土壤質(zhì)地和水質(zhì)條件下防止土壤鹽漬化的臨界埋深(如表3)，淺層地下水礦化度<1 g/L的區(qū)域可認(rèn)為無鹽漬化風(fēng)險(xiǎn)。結(jié)合海河平原淺層地下水礦化度與土壤質(zhì)地分布，繪制了海河平原控制鹽漬化地下水埋深空間分布如圖7(a)所示。

表3 防止土壤鹽漬化的地下水臨界埋深

(2)其它各功能健康地下水位空間分布。海河平原其它各功能健康地下水埋深空間分布如圖7所示：①城鎮(zhèn)建筑物安全地下水位，依據(jù)城市等級劃分法，北京、石家莊、雄安新區(qū)為Ⅰ類城市，保定、滄州、衡水等地級市為Ⅱ類城市，其它縣級市區(qū)為Ⅲ類城市，天津?yàn)檠睾３鞘袇^(qū)，繪制海河平原該功能型地下水埋深分布為圖7(b)所示；②維持地表水體健康地下水位，主要考慮海河平原4級及以上河流的H水體，且沿河流兩岸建立5 km緩沖帶為維持地表水體健康地下水位補(bǔ)充區(qū)。經(jīng)計(jì)算發(fā)現(xiàn)，海河平原區(qū)維持地表水體健康地下水埋深由山前平原向東部逐漸減小，山前平原主要集中于8～15 m，中部平原為5～10 m，濱海平原為3～8 m，其空間分布如圖7(c)所示；③地下水最大補(bǔ)給能力水位，基于前人大量實(shí)際監(jiān)測統(tǒng)計(jì)資料[28]，確定海河平原區(qū)不同類型土壤質(zhì)地可獲得最大有效補(bǔ)給量的地下水埋深：砂土為2～3 m，壤土為3～4 m，黏土為4～6 m，繪制海河平原該功能型地下水埋深分布如圖7(d)所示；④植被健康地下水位，與干旱區(qū)不同，海河平原區(qū)植被對地下水埋深依賴程度較低，其中天然植被分布較少且降水形成的土壤水足以支撐大多數(shù)植被生長，農(nóng)作物則主要依賴降水和灌溉，因此，海河平原區(qū)無需建立植被健康地下水位；⑤遏制海水入侵的臨界潛水位為hs/40，濱海平原區(qū)沿海地帶潛水含水層厚度基本不超過100 m，若能保證潛水位大于2.5 m，則基本不會(huì)發(fā)生海水入侵，結(jié)合研究區(qū)DEM，繪制遏制海水入侵的地下水埋深分布如圖7(e)所示；⑥含水層調(diào)蓄地下水位，劃定太行山前砂礫平原為含水層調(diào)蓄區(qū)域，依據(jù)含水層厚度，確定海河平原含水層調(diào)蓄地下水位埋深為10～20 m，其空間分布如圖7(f)所示。

圖7 海河平原區(qū)各功能健康地下水埋深分布

5.2 區(qū)域健康地下水位海河平原區(qū)健康地下水位上限埋深空間分布如圖8(a)所示，從東部沿海向山前平原區(qū)，埋深逐漸增大，東部沿海地區(qū)上限埋深為2 m左右，中部平原上限埋深以3 m左右為主，城市區(qū)上限埋深為6～8 m，山前地區(qū)地下水上限埋深為8～10 m。海河平原區(qū)健康地下水位下限埋深空間分布如圖8(b)所示，東部沿海地區(qū)主要生態(tài)問題為海水入侵，其下限埋深為0～2 m，中部平原區(qū)大部分下限埋深為3～5 m，城區(qū)所在區(qū)域下限埋深主要為8～10 m，山前地下水庫容調(diào)蓄區(qū)下限埋深主要為10～20 m。

圖8 海河平原區(qū)健康地下水埋深(單位：m)

5.3 現(xiàn)狀地下水位健康程度診斷健康地下水位不僅是未來地下水位修復(fù)目標(biāo)，也是對現(xiàn)狀地下水位健康程度診斷的重要依據(jù)。研究基于海河平原區(qū)現(xiàn)狀淺層地下水埋深分布(2019年埋深)，對研究區(qū)淺層地下水位健康狀態(tài)進(jìn)行診斷，并依據(jù)表4所示的分區(qū)原則進(jìn)行地下水管理分區(qū)(圖9)。

圖9 海河平原區(qū)地下水管理分區(qū)

表4 海河平原區(qū)地下水管理分區(qū)

(1)淺層咸水區(qū)?，F(xiàn)狀地下水埋深高于健康上限埋深值，埋深超過上限值0～2 m，主要分布于天津一帶和滄州東部地區(qū)，面積達(dá)10 788 km2，占總面積8.4%。該區(qū)域大部分位于地下水咸水區(qū)，適當(dāng)增加地下水埋深，有利于控制鹽漬化危害。

(2)采補(bǔ)平衡區(qū)。天津、滄州、濱州等環(huán)濱海一帶地下水埋深處于健康埋深上下限范圍之內(nèi)，面積達(dá)25 829 km2，占總面積20.0%，是較為理想的地下水埋深。建議該區(qū)域保持地下水的采補(bǔ)平衡，維持地下水健康水位。

(3)一般限采區(qū)。廊坊、衡水、德州等中部平原及濱海沿海一帶地下水埋深普遍低于健康下限埋深值0～10 m，面積達(dá)48 808 km2，占總面積37.8%，是地下水超采狀況分布最廣的區(qū)域，也是未來能率先回歸健康地下水位的區(qū)域。建議該區(qū)域適當(dāng)減少地下水開采，保證地下水穩(wěn)步回升。

(4)重點(diǎn)控采區(qū)。保定、石家莊、邢臺(tái)、邯鄲、安陽等山前平原一帶，現(xiàn)狀地下水埋深距健康下限埋深有較大差距，地下水修復(fù)任務(wù)艱巨。低于健康地下水下限埋深10～20 m的區(qū)域可認(rèn)定為重點(diǎn)控采區(qū)，面積達(dá)17 566 km2，占總面積13.6%。該區(qū)域地下水位現(xiàn)狀埋深不容樂觀，應(yīng)嚴(yán)格限制地下水開采。

(5)嚴(yán)格限采區(qū)。低于健康地下水下限埋深20 m以上的區(qū)域?yàn)閲?yán)格限采區(qū)，其中低于下限埋深20～30 m的區(qū)域面積達(dá)17 474 km2，占總面積13.5%，低于下限埋深30 m以上的區(qū)域面積達(dá)8708 km2，占總面積6.7%，該區(qū)域部分地區(qū)現(xiàn)狀地下水埋深較健康地下水下限埋深差距可達(dá)60 m。該區(qū)域需要加強(qiáng)地下水管理，增加生態(tài)補(bǔ)水，確保地下水位盡快回升。

6 結(jié)論

本研究基于地下水位的生態(tài)屬性與自然資源屬性，提出了健康地下水位概念和內(nèi)涵，以海河平原區(qū)為研究區(qū)，確定了研究區(qū)地下水位健康修復(fù)目標(biāo)，并對現(xiàn)狀地下水位健康狀態(tài)進(jìn)行診斷。(1)按照淺層地下水生態(tài)要求，健康地下水位可分為維持地表水體健康地下水位、控制鹽漬化地下水位等7類。在現(xiàn)有研究基礎(chǔ)上，采用統(tǒng)計(jì)分析、實(shí)踐調(diào)查、機(jī)理研究等方法對各功能型健康地下水位臨界閾值進(jìn)行量化。(2)建立了區(qū)域尺度上兼顧地下水多功能屬性的空間分布式健康地下水位確定方法，給出了海河平原區(qū)健康地下水埋深上限和下限空間分布圖。依據(jù)健康地下水位對海河平原現(xiàn)狀地下水位健康程度進(jìn)行診斷，劃定了淺層咸水區(qū)、采補(bǔ)平衡區(qū)、一般限采區(qū)、重點(diǎn)控采區(qū)、嚴(yán)格限采區(qū)范圍。(3)本研究確定的區(qū)域健康地下水位為理想修復(fù)目標(biāo)，落實(shí)實(shí)際管理中還應(yīng)結(jié)合行政區(qū)劃分、經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展等條件，確定符合實(shí)際管理和發(fā)展要求的分行政區(qū)健康地下水位和階段性健康地下水位。