海河平原地下水超采情勢(shì)及應(yīng)對(duì)策略探究

孫自森 SUN Zi-sen；孫自友 SUN Zi-you

（①安陽市水資源事務(wù)中心，安陽 455000；②常州洛源智能科技有限公司，南京 211100）

0 引言

近年來，受氣候變化和人類活動(dòng)共同影響，在海河平原形成了世界上最大的“漏斗區(qū)”，水資源供需矛盾日益突出。海河平原水資源問題，事關(guān)首都水安全和京津冀協(xié)同發(fā)展，開展地下水超采綜合治理意義重大。2014 年實(shí)施了南水北調(diào)受水區(qū)地下水壓采，隨后國家有關(guān)部門組織河北省開展了地下水超采綜合治理試點(diǎn)，2017 年將試點(diǎn)范圍擴(kuò)大到山東、山西和河南。很多科研工作者也對(duì)此進(jìn)行了有關(guān)研究。如，田藝民等[1]分析了黃淮海平原地下水儲(chǔ)量與埋深變化特征；劉蓉等[2]研究了海河平原地下水累計(jì)可恢復(fù)超采量；王卓然等[3]分析了2021 年強(qiáng)降水對(duì)海河平原地下水動(dòng)態(tài)影響；王金哲等[4]對(duì)海河平原地下水資源可持續(xù)利用前景開展了評(píng)價(jià)；方樟等[5]從水資源管理者的角度出發(fā)，提出了地下水控制性管理水位及閾值的概念與確定方法，為地下水的有效管理找到了一種新的出路。以往研究人員更多關(guān)注于地下水超采的成因及變化特征方面，而對(duì)于治理措施研究較少。本研究在分析近年來研究者對(duì)海河平原地下水超采問題研究的基礎(chǔ)上，系統(tǒng)總結(jié)了超采的情勢(shì)及成因，重點(diǎn)從工程措施方面探究了地下水超采應(yīng)對(duì)策略，望有助于地下水資源保護(hù)。

1 區(qū)域水文地質(zhì)概況

海河平原屬華北平原的組成部分，包括北京、天津、河北三省（市）的全部平原及河南、山東兩省的黃河以北平原區(qū)，即海河流域平原區(qū)，面積約13.9 萬平方公里。區(qū)域地勢(shì)平坦，山前平原最高海拔不超100 米，自西、北、南向渤海灣傾斜，海拔高度逐漸降低。地質(zhì)構(gòu)造按成因和形態(tài)分為山前沖洪積傾斜平原、中東部沖積平原和濱海沖積海積平原。地下含水層根據(jù)其埋藏條件和水力性質(zhì)，自上而下劃分為淺層地下水和深層承壓水。區(qū)域?qū)侔霛駶?rùn)氣候區(qū)，多年平均降水量為528mm，每年降雨主要集中在6～9 月，占全年降水量的80%左右。區(qū)域內(nèi)有海河、灤河、徒駭馬頰河等三大水系。近年來，區(qū)域降水量總體呈遞減趨勢(shì)，空間分布不均，南多北少，且存在旱澇交替現(xiàn)象。

2 地下水超采情勢(shì)及成因

海河平原是我國地下水超采非常嚴(yán)重的地區(qū)之一，經(jīng)歷多年大規(guī)模的開采，深淺層地下水均形成了大面積降落漏斗，淺層漏斗與深層漏斗交織在一起又構(gòu)成復(fù)合型地下水漏斗，由此引發(fā)了一系列地質(zhì)環(huán)境問題，深層地下水位下降引起淺層地下水向下越流補(bǔ)給，弱透水層壓縮和地面沉降，咸水下移，海水入侵等[6]。按照中國地質(zhì)科學(xué)院水文地質(zhì)環(huán)境地質(zhì)研究所的監(jiān)測(cè)情況，海河平原地下水漏斗區(qū)在20 世紀(jì)70 年代就開始呈現(xiàn)，進(jìn)入21 世紀(jì)后，面積持續(xù)擴(kuò)大，漏斗深度不斷增加。雖然地下水超采治理減緩了地下水位下降趨勢(shì)，但地下水降落漏斗的范圍并未縮?。?0世紀(jì)80 年代至2014 年西部區(qū)域淺層地下水持續(xù)快速下降，深層地下水總體呈下降趨勢(shì)；2014 年南水北調(diào)中線工程通水后，西部主要城市地下水位止跌回升，但周邊農(nóng)業(yè)區(qū)地下水位仍呈下降趨勢(shì)[7]。自1960 年以來，區(qū)域淺層和深層地下水累計(jì)超采量達(dá)1625 億立方米，其中558 億立方米深層承壓水已不可恢復(fù)[2]。深淺層地下水已基本無開發(fā)利用潛力[8-9]。

自20 世紀(jì)70 年代以來，大量河道上游水庫建成蓄水和城區(qū)河道景觀建設(shè)襯砌河床，致使通過河道補(bǔ)給地下水能力減弱；大量鹽堿地改造和農(nóng)田水利設(shè)施的建設(shè)，引起地下水開采量急劇增加。受降水補(bǔ)給持續(xù)減少和人類活動(dòng)共同影響，海河平原地下水系統(tǒng)長(zhǎng)期處于采補(bǔ)失衡狀態(tài)，其中人工開采地下水是影響區(qū)域內(nèi)淺層地下水的控制因素[10]。區(qū)域總用水量中70%來自于開采地下水，而農(nóng)業(yè)開采量占地下水總開采量的近80%[11]。

3 地下水超采應(yīng)對(duì)策略

長(zhǎng)期以來人們對(duì)于地下水超采治理更多偏向于壓采，但引起地下水超采的原因是氣候變化和人類活動(dòng)共同作用的結(jié)果。在地下水超采治理中，既要通過加大水資源置換、科學(xué)建設(shè)地下水源熱泵系統(tǒng)等減少對(duì)地下水的開采，又要充分利用雨洪資源、蓄水工程等增加補(bǔ)給地下水。

3.1 充分利用雨洪資源補(bǔ)給

暴雨洪水是一種天然優(yōu)質(zhì)的地下水補(bǔ)給源，其提升地下水位幅度主要受降雨量的區(qū)域分布差異和地下含水層組埋深、巖性結(jié)構(gòu)等入滲補(bǔ)給條件的綜合影響。地下水埋深較小的區(qū)域補(bǔ)給路徑短、速度快，地下水位變化響應(yīng)迅速；地下水埋深較大的區(qū)域補(bǔ)給路徑長(zhǎng)、速度緩慢，地下水位變化響應(yīng)滯后。暴雨洪水匯入下游平原河道后，除了天然蒸發(fā)外，大部分可補(bǔ)充沿線地下水，抬升區(qū)域地下水埋深[12]。但，暴雨洪水補(bǔ)給地下水具有一定的選擇性，易發(fā)生在沖洪積平原的河道帶、匯水洼地等易積水且強(qiáng)入滲區(qū)域[13]。滲透系數(shù)較小的粘土類地層阻隔、地表人為硬化及地層的沉積壓實(shí)都會(huì)對(duì)地下水流場(chǎng)產(chǎn)生消極影響，阻礙地下水的垂向入滲及水平方向的補(bǔ)給[14]，暴雨洪水不僅有利于提升淺層地下水位，而且可以緩解深層水漏斗的擴(kuò)展，以及對(duì)平原地下水補(bǔ)給具有跨年度調(diào)節(jié)作用[15]。王卓然等[3]在研究了海河平原2021 年強(qiáng)降雨對(duì)地下水位的影響后，發(fā)現(xiàn)地下水位上升區(qū)與降水集中區(qū)、低水位區(qū)（地下水降落漏斗分布區(qū)）分布相一致，且低水位區(qū)更有利于獲得持續(xù)補(bǔ)給。李曉峰等[16]分析了安陽市“7.19”特大暴雨洪水對(duì)安陽市東部平原區(qū)地下水的影響后，發(fā)現(xiàn)東部平原區(qū)地下水位和地下水資源量變化受降雨影響顯著，地下水位響應(yīng)程度與降雨強(qiáng)度成正比，可能由于受大范圍強(qiáng)降雨影響，地下水位變幅沒有沿河道向兩岸形成遞減的變化趨勢(shì)。易積水強(qiáng)入滲河道、匯水洼地是天然的回灌空間，人們應(yīng)以區(qū)域內(nèi)干、支、斗渠和坑塘為基礎(chǔ)，構(gòu)建縱橫交錯(cuò)的水系連通調(diào)蓄管網(wǎng)，通過河網(wǎng)的調(diào)蓄不僅快速有效地調(diào)節(jié)和控制區(qū)域內(nèi)地下水位，而且又?jǐn)U大了灌溉能力。

3.2 規(guī)劃實(shí)施蓄水工程

海河平原年際豐枯變化大，若要保持雨洪資源持續(xù)有效補(bǔ)給地下水，需在入滲條件好的回灌場(chǎng)地，采取較長(zhǎng)期的高水頭回灌措施[17]。若要形成持續(xù)高水頭水體，需在不影響河道行洪的基礎(chǔ)上，科學(xué)建設(shè)橡膠壩、水閘等水工程。橡膠壩等水體對(duì)傍河區(qū)地下水體有明顯的蓄水補(bǔ)源的作用，可有效增加傍河區(qū)地下水資源量[18]。河道建壩蓄水后，區(qū)域內(nèi)淺層地下水得到補(bǔ)給，地下水位回升，區(qū)域漏斗中心面積縮小[19]，河道泄水后，區(qū)域地下水出流，地下水位降低，避免了水工建筑物受地下水侵蝕[20]。加大壩內(nèi)蓄水量不僅有效提高傍河地區(qū)的地下水補(bǔ)給和潛水蒸發(fā)量，而且對(duì)周邊區(qū)域水資源短缺有緩解作用[21]。楊霞等[22]通過分析洹河蓄水工程對(duì)地下水的影響后，認(rèn)為橡膠壩的建成運(yùn)行，提升了市區(qū)地下水位埋深，地下水降落漏斗面積縮小，可以有效補(bǔ)充地下水，抑制了安陽市淺層地下水漏斗的發(fā)展。

過去在治理河道時(shí)，注重解決防洪問題，采用傳統(tǒng)鋼筋混凝土、漿砌石等構(gòu)筑防護(hù)墻，河道存在“硬化、白化、渠化”現(xiàn)象。只有在不做防滲處理時(shí)，河道蓄水才會(huì)引起傍河區(qū)域地下水位抬升[23]。傳統(tǒng)治理河道方式不僅阻斷了水-土之間的循環(huán)交換通道，造成入滲補(bǔ)源條件變差，而且降低了河流生境的多樣性，使河岸生態(tài)系統(tǒng)功能遭到破壞。對(duì)河道的治理需要綜合考慮防洪與生態(tài)功能。

3.3 加大節(jié)水和水源置換力度

海河平原是旱作農(nóng)業(yè)區(qū)，區(qū)域內(nèi)地下水超采與農(nóng)業(yè)灌溉開采密切相關(guān)。面對(duì)地下水超采問題，各地已采取有序關(guān)閉自備井等措施，減少對(duì)地下水的開采，實(shí)現(xiàn)了地下水水位顯著回升，地下水降落漏斗面積顯著縮小[24-25]。為保證糧食安全和促進(jìn)經(jīng)濟(jì)發(fā)展，國家提出了節(jié)水和增加多渠道水源補(bǔ)給的綜合措施。當(dāng)前，發(fā)達(dá)國家農(nóng)業(yè)灌溉已采用噴灌、微灌（滴灌、微噴灌、涌泉灌）等節(jié)水措施，美國農(nóng)業(yè)用水效率已達(dá)到60%～70%[26]，而我國現(xiàn)狀農(nóng)業(yè)用水效率僅有40%[27]。雖然采用噴灌技術(shù)更有利于節(jié)水，但我國農(nóng)民采用噴灌的積極性不高，微噴灌面積僅占有效灌溉面積的3%[28]。華北平原冬小麥生產(chǎn)需要轉(zhuǎn)變傳統(tǒng)高耗水高產(chǎn)量理念，一方面要充分發(fā)揮冬小麥抗旱、耐鹽特點(diǎn)，實(shí)施限水灌溉和微咸水利用；另一方面加強(qiáng)節(jié)水型社會(huì)建設(shè)，推廣應(yīng)用節(jié)水灌溉技術(shù)。

2014 年南水北調(diào)中線工程通水后，水資源短缺的海河平原多了一種水源，各地區(qū)城市生活用水、工業(yè)用水等由原來地下水置換為南水北調(diào)水，減少了對(duì)地下水的開采，城市區(qū)域地下水位呈現(xiàn)明顯回升。但廣大農(nóng)村地區(qū)依舊在開采深層地下水作為生活用水，深層地下水位仍然呈下降趨勢(shì)。對(duì)此，應(yīng)盡快實(shí)現(xiàn)城鄉(xiāng)供水一體化，讓廣大農(nóng)村地區(qū)人們盡早用上南水北調(diào)水。

3.4 科學(xué)建設(shè)運(yùn)營地下水源熱泵系統(tǒng)

近年來，地下水源熱泵系統(tǒng)作為一種新能源利用技術(shù)，在國家政策支持下得到了廣泛應(yīng)用。海河平原區(qū)很多城市開發(fā)建設(shè)了大量地下水源熱泵系統(tǒng)，然而對(duì)于資源型缺水地區(qū)，其大規(guī)模開發(fā)利用是否影響地下水系統(tǒng)，特別是回灌對(duì)地下水位及水量的變化，科研工作者開展了大量研究。張國建等[29]認(rèn)為地下水源熱泵系統(tǒng)回灌量的大小，不僅與地層有關(guān)，還與成井工藝相關(guān)。根據(jù)有關(guān)文獻(xiàn)分析[30]，成井工藝中的井徑、井深、濾水管孔隙率和抽回灌井?dāng)?shù)比值是關(guān)鍵影響因子。米慶彬等[31]認(rèn)為在選擇成井工藝參數(shù)時(shí)，應(yīng)重點(diǎn)考慮井徑和濾水管孔隙率，不同井徑和孔隙率對(duì)地下水系統(tǒng)影響程度差別較大。竇明等[32]研究認(rèn)為抽水井和回灌井的不同配比對(duì)地下水流場(chǎng)影響不同，在井徑和孔隙率不變的情況下，1 抽2 回的配比方式對(duì)地下水流場(chǎng)的影響效果最小；另外還發(fā)現(xiàn)在其他條件相同的情況下，抽回灌主要通過滲流作用影響地下水流場(chǎng)水位，在抽水井形成降落漏斗，在回灌井形成反降落漏斗，不同抽回灌模式下，單井回灌量越大，回灌井周圍水位變化越明顯，回灌井分布范圍越大，對(duì)區(qū)域地下水位的影響范圍也越大[33]。王榮彥等[34]發(fā)現(xiàn)地下水位較高、成井質(zhì)量不高、回灌方法不當(dāng)、回灌井結(jié)垢、腐蝕等都會(huì)導(dǎo)致地下水回灌不暢，從而造成降落漏斗進(jìn)一步擴(kuò)大，出現(xiàn)地面沉降。朱文舉等[35]認(rèn)為建設(shè)地下水源熱泵系統(tǒng)不僅要考慮水文地質(zhì)條件是否適合，還必須服從當(dāng)?shù)氐乃Y源管理要求，對(duì)于地下水降落漏斗區(qū)和重要建筑物區(qū)域應(yīng)劃定為限制發(fā)展地下水源熱泵區(qū)。

從科研工作者的研究成果中可知，地下水源熱泵系統(tǒng)項(xiàng)目規(guī)劃設(shè)計(jì)不合理和不合理運(yùn)營都會(huì)引發(fā)地下水位下降等問題。在規(guī)劃建設(shè)地下水源熱泵過程中，既要服從當(dāng)?shù)氐乃Y源管理要求，又要科學(xué)規(guī)范成井工藝參數(shù)、井位布局、運(yùn)營管理。對(duì)于已建成運(yùn)營的地下水源熱泵系統(tǒng)，應(yīng)高度警惕因地下水位較高而造成回灌不暢，避免導(dǎo)致降落漏斗擴(kuò)大。

4 結(jié)論與展望

分析發(fā)現(xiàn)海河平原地下水超采的情勢(shì)仍不容樂觀。盡管一些城區(qū)地下水位呈現(xiàn)止跌回升的趨勢(shì)，但周邊農(nóng)業(yè)區(qū)地下水位仍呈下降趨勢(shì)，降落漏斗范圍并未縮小。一方面由于區(qū)域降水總體呈減少趨勢(shì)，無法充足補(bǔ)給地下水；另一方面由于農(nóng)業(yè)粗放型灌溉，大量取用地下水。研究認(rèn)為在治理超采措施中要做好四點(diǎn)工作：一是要充分利用雨洪資源補(bǔ)給，完善水系連通體系，將雨洪資源匯入沖洪積平原的河道帶、匯水洼地等易積水且強(qiáng)入滲區(qū)域補(bǔ)給地下水；二是要規(guī)劃實(shí)施蓄水工程，在不影響河道行洪的基礎(chǔ)上，科學(xué)建設(shè)橡膠壩、水閘等水工程，形成持續(xù)高水頭水體持續(xù)補(bǔ)給地下水；三是加大節(jié)水和水源置換力度，建設(shè)節(jié)水型社會(huì)，推廣應(yīng)用節(jié)水灌溉技術(shù)，盡快實(shí)現(xiàn)城鄉(xiāng)供水一體化；四是科學(xué)建設(shè)運(yùn)營地下水源熱泵系統(tǒng)，在地下水漏斗區(qū)和重要建筑物區(qū)域限制開發(fā)利用地下水源熱泵系統(tǒng)。地下水超采治理是一個(gè)系統(tǒng)工程，研究者的成果為今后治理提供了參考，但對(duì)于綜合實(shí)施效益評(píng)價(jià)相對(duì)較少。望今后多注重綜合效益研究。