地下水水位水量雙控管理研究綜述

孫雪峰 孫春峰

(1.河北省水資源研究與水利技術(shù)試驗(yàn)推廣中心，河北 石家莊 050061；2.石家莊市農(nóng)林科學(xué)研究院，河北 石家莊 050041)

2011年，《中華人民共和國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展第十二個(gè)五年規(guī)劃綱要》提出實(shí)行地下水取水總量與水位預(yù)警雙重管理后，2012年，出臺(tái)了《國(guó)務(wù)院關(guān)于實(shí)行最嚴(yán)格水資源管理制度的意見(jiàn)》，要求嚴(yán)格地下水的管理和保護(hù)，加強(qiáng)地下水動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，實(shí)行地下水取用水總量控制和水位控制；2021年，國(guó)務(wù)院頒發(fā)《地下水管理?xiàng)l例》，實(shí)行地下水總量控制制度，各省在總量控制指標(biāo)下，制定縣級(jí)行政區(qū)的地下水取水總量控制指標(biāo)和地下水水位控制指標(biāo)。落實(shí)地下水水位水量雙控管理工作，離不開(kāi)各方面技術(shù)研究成果的支持，為了解目前地下水水位水量雙控技術(shù)研究狀況，本文通過(guò)分析與地下水水位水量雙控相關(guān)的340篇文獻(xiàn)，將地下水水位水量研究成果進(jìn)行分類綜述，可為同行業(yè)技術(shù)人員提供一定參考。

1 地下水水位水量雙控管理區(qū)研究

地下水泛指地表以下的重力水，因地質(zhì)條件不同，重力水存在的方式也不同，研究地下水水位水量需要按照一定的標(biāo)準(zhǔn)劃定邊界范圍形成具體的區(qū)域，以便定量描述水量的多少和水位的高低。這就涉及到地下水水位水量雙控管理區(qū)域劃分問(wèn)題，本文經(jīng)過(guò)分類匯總文獻(xiàn)內(nèi)容，總結(jié)出以下3種分區(qū)方法。

1.1 分區(qū)分類劃分

陳文芳[1]是較早系統(tǒng)研究地下水位控制的研究人員，雖然僅得到了從概念到理論推理的結(jié)論，但從全國(guó)范圍對(duì)地下水的分布特點(diǎn)進(jìn)行了分析，在地下水水位水量雙控管理方面具有較強(qiáng)的啟發(fā)性。在其《中國(guó)典型地區(qū)地下水位控制管理研究》一文中，得出了地下水管理分區(qū)是地下水位控制管理的基礎(chǔ)的結(jié)論。中國(guó)地下水分布范圍很廣，受水文地質(zhì)條件的復(fù)雜性、地下水開(kāi)發(fā)利用類型以及開(kāi)采程度差異性的影響，不同區(qū)域地下水開(kāi)發(fā)利用產(chǎn)生的生態(tài)環(huán)境效應(yīng)是不同的，導(dǎo)致的環(huán)境地質(zhì)問(wèn)題也有較大差異。因此，地下水位控制研究應(yīng)分區(qū)域、分地下水類型，針對(duì)不同的地下水開(kāi)采程度以及引起的環(huán)境問(wèn)題選取典型地區(qū)進(jìn)行研究。從全國(guó)地下水區(qū)域特點(diǎn)進(jìn)行劃分，可分為華北平原、西北地區(qū)和沿海地區(qū)3個(gè)類型區(qū)；結(jié)合地下水水位的發(fā)展趨勢(shì)，可分為抬升型和下降型兩種；結(jié)合地貌類型，可分為平原和山區(qū)兩類。

1.2 分區(qū)分級(jí)劃分

葉勇等[2]認(rèn)為合理地進(jìn)行管理分區(qū)劃分是進(jìn)行地下水資源管理的先決條件。但根據(jù)我國(guó)水資源分級(jí)管理特點(diǎn)，劃分地下水控制性管理分區(qū)時(shí)需從流域分區(qū)、行政區(qū)劃、水文地質(zhì)單元、地下水資源開(kāi)發(fā)利用特點(diǎn)和管理目標(biāo)等方面予以考慮。結(jié)合我國(guó)水資源行政主管部門(mén)的實(shí)際情況，為了便于管理，將劃分的管理分區(qū)與流域管理區(qū)及行政管理區(qū)相結(jié)合。即流域級(jí)管理分區(qū)下嵌套水資源二級(jí)分區(qū)、省級(jí)行政管理區(qū)和地下水一級(jí)水功能；省級(jí)管理分區(qū)下嵌套水資源三級(jí)分區(qū)、地(市)級(jí)行政管理區(qū)和地下水二級(jí)功能區(qū)；地級(jí)管理分區(qū)下嵌套水資源四級(jí)分區(qū)、縣級(jí)行政區(qū)。

1.3 獨(dú)立功能區(qū)劃分

各級(jí)科研機(jī)構(gòu)結(jié)合各自管理范圍內(nèi)的行政區(qū)和流域特點(diǎn)，探索了更細(xì)致的地下水雙控管理分區(qū)方法，大部分是根據(jù)地下水開(kāi)發(fā)利用問(wèn)題導(dǎo)向結(jié)合功能進(jìn)行劃分的。

王金哲等[3]強(qiáng)調(diào)了地下水功能區(qū)劃的重要性，以我國(guó)西北內(nèi)陸平原區(qū)為例，把地下水分為生態(tài)功能保護(hù)區(qū)、基本農(nóng)田質(zhì)量保護(hù)區(qū)和可開(kāi)采資源功能區(qū),增強(qiáng)了最嚴(yán)格水資源“水位、水量”雙控管理的針對(duì)性。閆學(xué)軍等[4]以天津市地下水開(kāi)發(fā)利用為例,以地面沉降為約束條件建立了地下水水位-水量數(shù)值模型。于璐等[5]專門(mén)研究了海水入侵區(qū)地下水管理控制水位劃定方法,在對(duì)海水入侵區(qū)地下水管理控制水位概念界定的基礎(chǔ)上,提出了地下水管理控制水位紅線、黃線、藍(lán)線分級(jí)模式。嚴(yán)格來(lái)說(shuō)，管理分區(qū)與功能分區(qū)是不完全一致的，管理分區(qū)可能有很多功能區(qū)，但一個(gè)功能區(qū)只能有一個(gè)功能。

2 地下水總量控制與水位控制及其關(guān)系

地下水作為水資源的一部分，具有明顯的特殊性。地下水儲(chǔ)存于巖土空隙之中，與所依存的巖土構(gòu)成一個(gè)有機(jī)整體。因此，地下水既具有水資源的屬性，又具有水文地質(zhì)構(gòu)造的屬性。地下水的地質(zhì)屬性與巖土不同，并沒(méi)有固定的結(jié)構(gòu)形態(tài)，受自然降水、蒸發(fā)蒸騰、土壤質(zhì)地、地質(zhì)構(gòu)造、地形地貌的影響，地下水存儲(chǔ)量、地下水水位埋深隨季節(jié)變化而變化。地下水水位與水量都是表征地下水的指標(biāo)，兩者具有孿生性，一個(gè)水位對(duì)應(yīng)著一個(gè)水量，地下水水位相當(dāng)于地下水的開(kāi)關(guān)，水位的高低決定著水資源量的多少。不僅如此，過(guò)高的地下水水位將造成土壤鹽漬化，影響地面植被生長(zhǎng)，產(chǎn)生的浮力使建筑物地基不穩(wěn)；過(guò)低的地下水水位將產(chǎn)生地下水漏斗，引發(fā)地面沉降、誘發(fā)地震、土壤沙化等生態(tài)環(huán)境問(wèn)題，對(duì)經(jīng)濟(jì)社會(huì)環(huán)境產(chǎn)生一系列的影響。從地下水水位具有的水量屬性、環(huán)境屬性特點(diǎn)來(lái)看，在研究地下水時(shí)，地下水水位埋深及其變化是一個(gè)重要課題。

2.1 地下水由水量管理到水位水量雙控管理的歷史演變

為了控制地下水超采問(wèn)題，最初的設(shè)想是控制地下水開(kāi)采量，即把地下水開(kāi)采量保持在一個(gè)合理的水平，即不超過(guò)地下水的最大允許開(kāi)采量。最早具有普遍性的研究地下水合理開(kāi)采量的是全國(guó)各級(jí)水行政主管部門(mén)開(kāi)展的地下水資源評(píng)價(jià)，其中最主要的內(nèi)容就是確定地下水允許開(kāi)采量，并作為區(qū)域地下水的合理開(kāi)采量。但是由于地下水開(kāi)采沒(méi)有計(jì)量，因此，允許開(kāi)采量就無(wú)法得到具體落實(shí)，也就是說(shuō)通過(guò)允許開(kāi)采量來(lái)控制地下水超采的方法未起到作用。隨著地下水超采引發(fā)的環(huán)境地質(zhì)災(zāi)害問(wèn)題越來(lái)越嚴(yán)重，與之密切相關(guān)的地下水水位越來(lái)越受到重視。許一川[6]認(rèn)為由于地下水位易于監(jiān)測(cè)的特點(diǎn)，相對(duì)于總量控制，水位變化能更直觀、更真實(shí)地反映地下水資源變化狀況，更能體現(xiàn)管理者在地下水管理中的績(jī)效。超采地下水引起的環(huán)境地質(zhì)問(wèn)題，其實(shí)是地下水水位下降引起的，地下水漏斗、地面沉降、海水入侵、濕地和泉水消失，都直接或間接地與地下水水位變化有關(guān)，可通過(guò)合理調(diào)整地下水水位下降幅度進(jìn)行改善，最終歸結(jié)為地下水水位控制的問(wèn)題。因此，地下水管理從水量管理逐步向水位水量雙控管理轉(zhuǎn)變。

2.2 地下水水量和地下水水位對(duì)應(yīng)關(guān)系探索

地下水水位作為地下水的一個(gè)重要指標(biāo)，對(duì)地下水水量的利用有控制與指示作用。本文僅就地下水水位下降問(wèn)題進(jìn)行討論研究。在水量向水位水量雙控管理轉(zhuǎn)變初期，主要是在地下水水量與水位的對(duì)應(yīng)關(guān)系上進(jìn)行了探索，如李春俊[7]以平度市北膠萊河地下水水源地地質(zhì)單元為例，把可開(kāi)采量與最嚴(yán)格水資源管理制度中最小值作為總量控制的標(biāo)準(zhǔn)，用含水層厚度疏干率計(jì)算水量對(duì)應(yīng)的基準(zhǔn)水位，在此基礎(chǔ)上利用均衡法劃定警戒水位，按照供水保證時(shí)間劃分為黃色警戒水位(保證供水3個(gè)月)、橙色警戒水位(保證供水2個(gè)月)、紅色警戒水位(保證供水1個(gè)月)；孫才志等[8]以遼河平原為研究對(duì)象,構(gòu)建了兩套地下水生態(tài)水位標(biāo)準(zhǔn),利用生態(tài)水位標(biāo)準(zhǔn)反算需水量，再進(jìn)行平衡分析；閆學(xué)軍等[4]針對(duì)傳統(tǒng)地下水資源管理以“可開(kāi)采量”作為地下水開(kāi)發(fā)利用控制指標(biāo)導(dǎo)致的環(huán)境問(wèn)題,以天津市為例,建立以地面沉降為約束條件的地下水水位-水量數(shù)值模型,利用GMS軟件模擬不同時(shí)期各含水層的控制水位,提出了地下水水位、水量“二元”指標(biāo)管理新模式。

2.3 地下水控制水位的研究

隨著水量與水位對(duì)應(yīng)關(guān)系研究的深入，專家學(xué)者開(kāi)始專門(mén)就地下水控制水位進(jìn)行探索，結(jié)合研究范圍提出各自的觀點(diǎn)。

2.3.1 地下水控制水位概念的提出

馬小雷等[9]對(duì)地下水控制性水位進(jìn)行了定義，指出：地下水控制性水位是指為了保護(hù)地下水，促進(jìn)地下水可持續(xù)利用，合理有效地開(kāi)發(fā)利用地下水資源，在考慮地下水綜合功能的條件下，確定的水位值的總稱。葉勇等[2]也提出了類似的觀點(diǎn)，即地下水控制性水位是指具有明確物理概念的一系列水位值的總稱，對(duì)應(yīng)地下水不同開(kāi)發(fā)利用狀態(tài)的一系列水位值，或?qū)?yīng)地下水不同可開(kāi)采量的一系列水位值。并進(jìn)一步提出，地下水控制性水位并不是靜態(tài)數(shù)值或閾值，而是由受年內(nèi)水文氣象和地下水開(kāi)發(fā)利用狀況等影響的一組數(shù)值或閾值構(gòu)成。地下水控制性水位是為了實(shí)施地下水目標(biāo)管理而設(shè)定的一些期望(目標(biāo))水位值或閾值，是一個(gè)反映水行政主管部門(mén)不同時(shí)期管理目標(biāo)、理念、意志和偏好的表征指標(biāo)，具有鮮明的時(shí)代特色，不同地區(qū)不同發(fā)展階段所制定的控制性水位可能不同。

2.3.2 控制性水位的劃分

目前，已有專家學(xué)者在地下水控制管理水位劃分方面進(jìn)行了積極探索，提出了將警戒水位、限采水位、禁采水位、水位控制黃線與紅線理論、臨界水位等作為控制性水位。

張海濤等[10]認(rèn)為控制性地下水水位一般包括地下水紅線水位和地下水管理水位，地下水紅線水位包括地下水紅線水位上限和下限。紅線上限水位限制地下水水位過(guò)高或地下水埋深過(guò)淺，紅線下限水位保護(hù)水文地質(zhì)環(huán)境。

唐克旺等[11]認(rèn)為確定地下水控制水位之前首先要明確控制水位的目的，地下水具有資源供給、環(huán)境地質(zhì)災(zāi)害預(yù)防、生態(tài)系統(tǒng)維系3方面的功能，因此地下水控制水位指標(biāo)可分為資源型水位、環(huán)境型水位和生態(tài)型水位。不同的類型選用的指標(biāo)也不同，資源型控制水位指標(biāo)采用地下水紅線下限水位，計(jì)算方法主要有開(kāi)采設(shè)計(jì)參數(shù)法、含水層厚度法，也可采用歷史資料法和含水層厚度法相結(jié)合的方法；環(huán)境型地下水控制下限水位是地下水水位下降引發(fā)地面沉降、海水入侵、地面塌陷等環(huán)境地質(zhì)問(wèn)題的臨界深度；生態(tài)型控制水位是為了維系與地下水系統(tǒng)緊密相關(guān)的地表生態(tài)系統(tǒng)(包括湖泊、沼澤、河道基流、泉水、干旱區(qū)植被等)而設(shè)定的地下水水位閾值。

陳文芳[1]根據(jù)地下水水位的抬升或下降對(duì)地下水的資源功能、生態(tài)功能和地質(zhì)環(huán)境功能等造成的影響程度，選擇適宜水位和危急水位作為地下水水位的控制指標(biāo)。適宜水位指地下水處于良性循環(huán)，即地下水處于多年平均采補(bǔ)均衡狀態(tài)或者準(zhǔn)均衡狀態(tài)的一系列水位值或水位閾值；危急水位指地下水良性循環(huán)被打破，即地下水處于多年平均采補(bǔ)負(fù)均衡狀態(tài)(下降型)或者多年處于過(guò)渡補(bǔ)充狀態(tài)(上升型)的一系列水位值或水位閾值。

2.3.3 控制水位的計(jì)算方法

陳文芳[1]提出山前平原區(qū)危急水位的確定方法主要有地下水開(kāi)采系數(shù)法、臨界水位埋深法和綜合指數(shù)法3種。胡琪坤等[12]在地下水功能區(qū)劃的基礎(chǔ)上，利用ArcGIS軟件將各指標(biāo)值在空間上進(jìn)行分布,結(jié)合層次分析法建立了地下水開(kāi)發(fā)利用風(fēng)險(xiǎn)與地下水控制性關(guān)鍵水位對(duì)應(yīng)的關(guān)系,從而確定了不同含水層不同規(guī)劃期的控制性關(guān)鍵水位，為地下水資源管理、水生態(tài)修復(fù)提供了依據(jù)。于璐等[5]針對(duì)地下水不同階段的管理需求,構(gòu)建了基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法的地下水合理水位計(jì)算方法和基于水資源調(diào)控模型的地下水管理控制水位計(jì)算方法。

3 存在問(wèn)題

3.1 研究仍停留在從概念到理論的階段

雖然提出了要實(shí)行地下水水位水量雙控，但是由于地下水的復(fù)雜性和不可見(jiàn)性，在實(shí)踐中大部分還停留在從概念到理論的階段。如陳文芳[1]認(rèn)為由于地下水的管理主要偏重于對(duì)地下水可開(kāi)采量的控制，對(duì)地下水位的控制和管理程度不夠，且未建立起地下水管理分區(qū)域與地下水位控制之間的關(guān)系，使我國(guó)地下水資源管理尚未實(shí)現(xiàn)量化管理、動(dòng)態(tài)管理和科學(xué)管理；許一川[6]認(rèn)為針對(duì)不同區(qū)域如何科學(xué)合理劃定水位控制線、如何與今后的水位控制管理相結(jié)合，還未形成較為成熟的理論和做法，深入研究水位管理是難點(diǎn)之一。

3.2 地下水控制水位的參照標(biāo)準(zhǔn)不明確

通過(guò)對(duì)目前研究成果進(jìn)行全面分析，發(fā)現(xiàn)了一個(gè)基礎(chǔ)性問(wèn)題，即地下水控制水位的參照標(biāo)準(zhǔn)不明確。地下水及地下水水位的概念源于水文地質(zhì)、地質(zhì)勘探等行業(yè)，在長(zhǎng)期的實(shí)踐中形成了比較完整的體系，因此水利行業(yè)涉及地下水內(nèi)容的，以地質(zhì)行業(yè)的勘察成果為主要依據(jù)。地下水資源開(kāi)發(fā)利用過(guò)程中涉及地下水的開(kāi)采量、地下水水位、潛水和承壓水、地下水下降漏斗等概念。地下水水位是一個(gè)常用的概念，但是不同的行業(yè)，如水文地質(zhì)、土木工程設(shè)計(jì)、水資源開(kāi)發(fā)利用等使用的目的不同。由于使用地下水的目的不同，有些概念各行業(yè)在表述上會(huì)有所不同，在實(shí)行地下水水位水量雙控管理制度后，有必要對(duì)地下水水位的相關(guān)概念進(jìn)行統(tǒng)一，以便各行業(yè)各部門(mén)更好地開(kāi)展工作。

3.3 從供水側(cè)計(jì)算水位的研究較多，從需水側(cè)計(jì)算水位的研究較少

在采用地下水水量反算水位時(shí)，通常把資源、環(huán)境、生態(tài)的可供水水量或允許開(kāi)采量作為約束條件，計(jì)算控制水位，從經(jīng)濟(jì)生產(chǎn)用水量的角度對(duì)地下水水位進(jìn)行控制的研究較少。地下水開(kāi)發(fā)利用的目的是促進(jìn)經(jīng)濟(jì)社會(huì)環(huán)境協(xié)調(diào)發(fā)展，在控制地下水開(kāi)采時(shí)，應(yīng)充分考慮經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展用水，如是否能保證糧食安全，如不能滿足，有什么補(bǔ)救措施。研究經(jīng)濟(jì)發(fā)展用水是保證水位水量雙控設(shè)計(jì)落實(shí)的基礎(chǔ)，因此應(yīng)詳細(xì)研究經(jīng)濟(jì)發(fā)展對(duì)地下水水位的約束條件和影響。

3.4 研究直接控制水位的實(shí)用技術(shù)較少

建立地下水控制水位的目的是控制地下水超采以及由此引發(fā)的環(huán)境地質(zhì)災(zāi)害問(wèn)題。為達(dá)到此目的，需要能夠直接實(shí)現(xiàn)在控制水位停泵或預(yù)警的技術(shù)。目前,恢復(fù)地下水水位的措施主要是補(bǔ)水。從目前的成果來(lái)看，主要分為兩類，一類是實(shí)證分析，分析河道補(bǔ)水間接提升地下水水位、減輕環(huán)境地質(zhì)災(zāi)害問(wèn)題等，如王槿妍等[13]通過(guò)對(duì)永定河春季生態(tài)補(bǔ)水期間的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，證明了河道補(bǔ)水對(duì)地下水水位恢復(fù)有明顯效果；李麗君等[14]分析了我國(guó)自2000年起向塔里木河下游實(shí)施了18次以生態(tài)建設(shè)和環(huán)境保護(hù)為目的的生態(tài)輸水，可發(fā)現(xiàn)持續(xù)性輸水是保證下游脆弱的生態(tài)環(huán)境穩(wěn)定好轉(zhuǎn)的根本途徑，輸水使下游生態(tài)環(huán)境得到明顯改善,生態(tài)植被得到恢復(fù),地下水位逐步抬升,地下水水質(zhì)明顯好轉(zhuǎn)，采用汛期輸水和間歇機(jī)動(dòng)式調(diào)度可使輸水效益達(dá)到最大化。從嚴(yán)格意義上說(shuō)，補(bǔ)水措施并不是控制水位的技術(shù)，但從研究的成果中可看出，與控制水位最相關(guān)的論文基本為補(bǔ)水類，幾乎沒(méi)有具體的控制水位技術(shù)。另一類是理論分析，提出了控制水位的原則和原理、控制方法和控制目標(biāo)，但是沒(méi)有進(jìn)一步研究可操作的水位控制技術(shù)，如文獻(xiàn)[1]、文獻(xiàn)[2]等。綜合來(lái)看，能夠直接使用水泵控制水位停止開(kāi)采地下水的技術(shù)仍較少。

4 結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)分析，可以看出地下水水位水量雙控研究正在成為地下水資源研究的熱點(diǎn)，2010年以來(lái)的研究已經(jīng)取得了較多成果。且從2021年的學(xué)位論文數(shù)量來(lái)看，專門(mén)研究地下水水位水量控制的文獻(xiàn)明顯增加，說(shuō)明地下水水位水量控制研究是當(dāng)前研究的熱點(diǎn)。但總的來(lái)看，目前基礎(chǔ)理論研究多，從概念到概念的推理多，從理論走向?qū)嶋H應(yīng)用的研究較少，在今后的研究工作中仍需加強(qiáng)。