祁福利，劉春艷

（1.黑龍江省904水文地質工程地質勘察院，哈爾濱150027；2.吉林大學建設工程學院，長春130026；3.黑龍江大學寒區(qū)地下水研究所，哈爾濱150080；4.黑龍江大學水利電力學院，哈爾濱150080）

1 問題的提出

為了有效加強對地下水資源的監(jiān)控和量化管理，促進地下水資源管理模式的轉變，我國地下水管理方式正在由過去單純 “可開采量”管理模式向“總量控制”與 “關鍵水位”相結合的綜合管理模式轉變，由過去 “超采區(qū)”的靜態(tài)管理向現在的“紅、黃、藍區(qū)”動態(tài)管理的轉變。實行總量控制及地下水控制水位管理是地下水資源及生態(tài)環(huán)境可持續(xù)發(fā)展的有效保障，而控制性關鍵水位是總量及水位控制方案中的重要環(huán)節(jié)［1－2］?！瓣P鍵水位”管理的具體操作即需對不同分區(qū)評價、確定并實行不同的地下水位控制性指標，然而由于這類管理模式在我國實行時間短，相關的研究與應用鮮有報道。結合黑龍江省地下水資源開發(fā)利用特點，選擇地下水資源、資料、條件典型的，位于松嫩平原和小興安嶺交匯地帶的黑龍江省慶安縣和平灌區(qū)為例，基于實際調研與在地下水總量控制及控制性水位管理方面的研究經驗，總結并梳理一套具有一定準確性及可操作性的方案，以期為相似地區(qū)的實踐工作以及地下水優(yōu)化管理研究提供理論與實踐參考。

2 地下水位控制原則與控制性關鍵水位

2.1 地下水位控制原則

地下水位的變化是地下水資源量多寡最直接的表現形式，是地下水管理最重要的控制性指標。根據我國地下水開發(fā)利用現狀及存在的生態(tài)環(huán)境、地質問題，結合當前水資源配置對地下水總量控制的要求，地下水位控制原則為：①以地下水資源可持續(xù)利用與發(fā)展為執(zhí)行方針；②以區(qū)域水資源聯合調度為要求；③以技術、經濟可行性為基礎；④以空間及時間上的 “以豐補歉”為方法；⑤以充分考慮減緩或防治地下水不合理利用所帶來的一系列環(huán)境地質問題為補充；⑥以便于基層水資源量化管理實際操作為原則［1－2］。

2.2 地下水控制性關鍵水位

地下水控制性關鍵水位是指具有明確物理概念的一系列水位值的總稱，對應于地下水不同開發(fā)利用狀態(tài)的一系列水位值，或者說對應于地下水不同允許開采量的一系列水位值。從用于描述和表征地下水預警狀態(tài)的水位特點看，可將地下水控制性關鍵水位劃分為正常水位、警示水位和警戒水位3種類型［3］。

3 基于總量控制的特征地下水位確定

3.1 控制性地下水開發(fā)總量的概念

3.1.1 地下水位與地下水量之間的關系

地下水均衡主要是表征補給量、排泄量和儲存變化量之間的關系，依據此建立水均衡模型如下［4－5］：

式中μ為給水度；Δh為地下水位變化值；F為灌區(qū)面積。

據上述均衡方程，將除地下水位、地下水開采量之外的量設為已知，可得地下水位、地下水開采量之間的關系：

式中Q1為除開采量外的地下水消耗量。

由式 （1）、式 （2）可見，Q可采＝f（Δh），地下水開采量可以用地下水位來表征，其決定因素為地下水位。

3.1.2 地下水控制性開發(fā)總量的相關概念

1）地下水總量控制是水資源管理的宏觀控制指標，根據流域經濟發(fā)展和水資源特點，確定流域和行政區(qū)域用水總量控制指標，協調區(qū)域用水定額指標，實行流域用水總量控制和定額管理相結合的水資源管理制度［1，6］。

2）地下水控制性總量確定方法即為區(qū)域允許開采量計算。允許開采量又稱為可開采量，是指在可預見的時期內，通過經濟合理、技術可行的措施，在不引起生態(tài)環(huán)境惡化條件下允許從含水層中獲得的最大水量［5］。一般情況下對地下水可開采量的評價多采用開采系數法、降水入滲量與蒸發(fā)量差值法、平均布井法和數值模擬法。

3）地下水可更新資源量指含水層直接或間接來自降水的多年平均補給量，根據水循環(huán)計算［7］。

3.2 特征地下水位劃分標準與確定方法

特征地下水位劃分標準是：以不引起地下水資源枯竭、土壤的次生鹽漬化為紅線 （警戒）水位的確定標準；以不產生區(qū)域性的地下水降落漏斗、不造成潛水蒸發(fā)強烈的水位為黃線 （警示）水位的確定標準；以既能合理的維護植被生長又能保證地下水的多年動態(tài)均衡的地下水位為藍線 （正常）水位的確定標準［8－10］。既符合和平灌區(qū)含水層實際情況，又可以準確地劃分特征水位，計算方法不復雜，適宜推廣的標準，各劃分標準見表1。

表1 特征地下水位劃分標準Table 1 Classification standards for critical water table depth

上述分析的水均衡法其原理簡單、方法靈活、計算簡便、適用的空間范圍廣，是集計算、論證、實踐于一體的方法，特征水位的確定一般以水均衡法為理論基礎，以地下水位統測數據及水文地質調查數據為實踐基礎，以其他方法 （如：解析計算法、數值模擬法或類比分析法）為驗證方法而最終確定［11］。

4 特征地下水位管理區(qū)劃

4.1 區(qū)劃原則

為了更好地落實地下水控制性管理單元到具體的管理部門，劃分地下水控制性管理單元時應充分考慮各行政區(qū)劃的特點，形成能夠體現不同行政區(qū)劃的管理單元，便于各級水行政主管部門的管理。以此為前提，根據相關資料分析地下水系統的組成和功能，分析地下水賦存條件和補給、徑流、排泄條件，掌握地下水系統的運移規(guī)律以及地下水開發(fā)工程。在掌握地下水系統的變化和演化規(guī)律的基礎上，分析地下水開發(fā)利用程度，在充分分析考慮研究區(qū)的水文地質特征的基礎上，綜合考慮地下水的自然資源屬性、社會經濟屬性、生態(tài)與環(huán)境屬性和水資源配置格局的目標要求，劃分出的管理單元（或稱管理分區(qū)）具有相似的水文地質特征，以便于地下水資源的監(jiān)控和管理。

4.2 區(qū)劃方法

地下水控制性管理分區(qū)是在集合眾多原則的基礎上進行劃分的。在地下水功能區(qū)劃的基礎上，根據水資源管理權限，將地下水控制性管理分區(qū)分為流域級 （國家級）、省級、地級和縣級等多個級別（圖1）［2－3］。

5 和平灌區(qū)實例分析

5.1 和平灌區(qū)水資源概況

和平灌區(qū)位于慶安縣中部，呼蘭河左岸的干、支流河漫灘及一級階地上，黑龍江省慶安縣主要糧食產地，包括久勝鎮(zhèn)、平安鎮(zhèn)、慶安鎮(zhèn)和豐收鄉(xiāng)4個鄉(xiāng)鎮(zhèn)。地面坡度在1／1 000至1／3 000之間，地勢平坦，坡度較緩。灌區(qū)氣候特點是春季易干旱，降水偏少，氣溫偏低，降水多集中在7～8月，年平均降水量550mm，秋季早霜，無霜期較短。研究區(qū)境內按先上游后下游為序，先后有安邦河、拉林清河、格木克河匯入呼蘭河。

呼蘭河是流經研究區(qū)域的主要河流，是研究區(qū)的北邊界，其平槽水面寬100～180m，水深1.5～ 4.4m。安邦河作為呼蘭河的一級支流，河口處多年平均年徑流量為1.86×108m3，年平均流量為5.9m3／s。格木克河作為研究區(qū)的東南邊界屬呼蘭河一級支流，在冬季時斷流。拉林清河也屬呼蘭河一級支流，河口處多年平均年徑流量為1.25×108m3，年平均流量3.96m3／s。和平灌區(qū)地下水類型以第四系孔隙水為主，第四系之下普遍分布著白堊系地層，其間存有基巖裂隙、孔隙水，頂板埋深40～90m，含有豐富的地下水。單井出水量一般在1 000～3 000m3／d［12］。

圖1 管理區(qū)劃Fig.1 Management division

隨著灌溉面積的增加，和平灌區(qū)用水量大幅增加，灌區(qū)逐漸形成了地表水與地下水聯合供水，農業(yè)用水、城鄉(xiāng)生活、工副業(yè)用水多元化的灌區(qū)用水格局。

5.2 和平灌區(qū)地下水管理分區(qū)

由于該區(qū)域地處平原地帶，呼蘭河漫灘與階地，水文地質條件極為相似，遵照前述管理分區(qū)劃分原則，同時為保證水文地質條件的相似以及應用可操作性，因此按鄉(xiāng)鎮(zhèn)邊界劃分。本區(qū)域在流域級管理分區(qū)上屬于開發(fā)區(qū)，在省級管理分區(qū)上屬于分散式開發(fā)利用區(qū)，在地級管理分區(qū)上屬于非建成區(qū)分散式開發(fā)利用區(qū)，研究區(qū)歸屬于井渠雙灌分散式開發(fā)利用區(qū)。

5.3 和平灌區(qū)分區(qū)控制性地下水關鍵水位確定

考慮到農田井灌區(qū)植被生長及灌溉具有典型的季節(jié)性，在灌溉期間與非灌溉期間的地下水控制性水位應區(qū)別確定。灌溉期間可適當的超采以滿足農業(yè)用水的需求，非灌溉期間要控制并補充灌溉期超采的水資源。地下水控制性關鍵水位按表2標準確定。

表2 農田井灌區(qū)地下水控制性關鍵水位確定依據表 （根據文獻 ［1，2，10］）Table 2 Table determined of critical water table depth in well irrigation fields

5.4 和平灌區(qū)分區(qū)地下水開發(fā)總量確定

研究區(qū)地下水主要用于農業(yè)灌溉，其次是生活用水，另有部分用于工業(yè)。

根據前述的地下水均衡模型，計算得研究區(qū)補給量為15.7×104m3／d。據相關資料顯示［12］，開采量一般占補給量的65%～85%，根據現有情況開采程度取70%，因此研究區(qū)的允許開采量為11.0×104m3／d。

5.5 和平灌區(qū)地下水管理分區(qū)綜合評價

和平灌區(qū)地下水管理分區(qū)基于控制總量管理，以關鍵水位為評價體系，可以將地下水位控制在適宜的位置，防止了地下水開采量超采現象帶來的地面沉降以及地下漏斗的形成，在一定程度上減輕了地下水質的惡化，減少了對地質與環(huán)境的危害；可以防止地下水位太高造成浸沒，引起土壤鹽漬化，減少區(qū)域自然災害發(fā)生的頻次。同時在一定程度上減少了水資源浪費，緩解了用水壓力，對于水資源的可持續(xù)利用和維持正常的生態(tài)平衡起到了積極的作用；具有一定的節(jié)水效果，通過節(jié)水，可進一步擴大灌溉面積，增加灌溉效益，給灌區(qū)注入新的活力，對于灌區(qū)的發(fā)展將產生一定的推動作用，并由此增加農民的收入，提高其生活質量；其對于保護生態(tài)環(huán)境、減少自然災害發(fā)生、維持生態(tài)系統平衡產生一定的積極的影響。

5.6 和平灌區(qū)地下水管理模式討論

1）理論總量確定方法。可開采資源量計算方法較多大致有幾十種，其分類、理論基礎、所需資料、適用條件各有限制。而在東北地區(qū)淺層含水層以平原區(qū)第四系孔隙潛水含水層為主，含水層結構簡單而相似，邊界條件相對清晰，因此本研究中采用的開采系數法、降水入滲量與蒸發(fā)量差值法、平均布井法3種方法能較快速且準確的得到區(qū)域水資源可開采量，提高各分區(qū)計算效率，可為相似區(qū)域的應用提供借鑒。

2）特征水位確定方法的推廣價值。井渠雙灌區(qū)根據井灌與渠灌的影響程度，存在動態(tài)的平衡關系。特征地下水位劃分標準符合黑龍江省含水層實際情況，可以準確地劃分特征水位，計算方法不復雜，適宜作為參考。

3）實際總量、水位確定方法的推廣價值：①實際用水總量與水位以長期監(jiān)測方法為最優(yōu)，在經濟可行的基礎上應盡量多的建立典型地下水位監(jiān)測站點和規(guī)劃灌區(qū)用水方式采用刷卡計量等措施；②在資料豐富地區(qū)盡量采用數值模擬等方法進行推算，其特點是準確性高，時空動態(tài)都可以精確得到。但由于其范圍較大、技術難度高，不適宜大尺度計算；③在缺資料地區(qū)，盡量采用實際調查法與理論計算 （解析計算、反算法）相結合的方法，通過掌握實測數據推算研究區(qū)實際情況。

6 結 論

1）依據地下水控制原則，將地下水控制性關鍵水位按照預警狀態(tài)的水位特點，劃分為正常水位、警示水位和警戒水位3種類型?；趯Φ叵滤偭靠刂萍翱刂菩躁P鍵水位的相關理論知識的分析與總結，選取和平灌區(qū)作為研究區(qū)，結合區(qū)劃原則與方法，將研究區(qū)歸屬于井渠雙灌分散式開發(fā)利用區(qū)，確定其地下水開發(fā)總量為11.0×104m3／d，并對和平灌區(qū)地下水管理分區(qū)的合理性進行分析。

2）由于受到資料和時間的限制，本次僅結合和平灌區(qū)實例基于總量控制對地下水控制關鍵水位管理分區(qū)的相關理論知識進行了初步研究和探討，以期在以后的研究中，選取典型區(qū)進一步系統、深入的研究，真正為地下水的動態(tài)管理及管理分區(qū)提供依據。

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