劉 蓉，趙 勇，何 鑫，白 林，張曉輝，王 浩

(1.天津大學(xué) 水利工程仿真與安全國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300072；2.中國(guó)水利水電科學(xué)研究院 流域水循環(huán)模擬與調(diào)控國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100038；3.長(zhǎng)安大學(xué) 地質(zhì)工程與測(cè)繪學(xué)院，陜西 西安 710054；4.河北省水利規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院有限公司，河北 石家莊 050011)

1 研究背景

海河平原區(qū)是我國(guó)乃至世界上地下水超采非常嚴(yán)重的區(qū)域之一，產(chǎn)生了大范圍河湖萎縮、大面積地下水漏斗和地面沉降、以及海水入侵等問(wèn)題[1-3]。南水北調(diào)東、中線通水以來(lái)，國(guó)家開(kāi)展了一系列地下水超采綜合治理行動(dòng)，包括南水北調(diào)受水區(qū)地下水壓采、河北省地下水超采綜合治理試點(diǎn)、外調(diào)水生態(tài)補(bǔ)水、地下水禁限采區(qū)劃定與管理、華北地區(qū)地下水超采綜合治理行動(dòng)等方案，海河平原區(qū)地下水嚴(yán)重超采的形勢(shì)得到初步緩解。采補(bǔ)平衡是海河平原區(qū)地下水超采治理的近期目標(biāo)，在采補(bǔ)平衡基礎(chǔ)上逐步修復(fù)，最終目標(biāo)是恢復(fù)到生態(tài)健康地下水位。在河湖生態(tài)復(fù)蘇和南水北調(diào)后續(xù)工程規(guī)劃的重要時(shí)點(diǎn)，客觀評(píng)價(jià)海河平原區(qū)深淺層地下水超采量和可恢復(fù)的累計(jì)超采量具有重要意義和支撐作用。

地下水超采指在一定時(shí)段內(nèi)，開(kāi)采量超過(guò)區(qū)域地下水補(bǔ)給能力，造成地下水位呈持續(xù)下降，破壞了地下水系統(tǒng)原有的資源、生態(tài)及地質(zhì)環(huán)境等功能，引發(fā)地面沉降、土地沙化、海水入侵等生態(tài)地質(zhì)環(huán)境問(wèn)題[4-5]?；谏鲜龆x，地下水超采量是指“開(kāi)采量”超過(guò)引起超采的“臨界開(kāi)采量”后發(fā)生的地下水開(kāi)采量。開(kāi)展地下水超采評(píng)價(jià)是合理開(kāi)發(fā)利用地下水的基礎(chǔ)性工作，現(xiàn)階段超采評(píng)價(jià)工作側(cè)重于地下水超采區(qū)的劃定和評(píng)價(jià)[3]。地下水超采量評(píng)價(jià)對(duì)地下水開(kāi)發(fā)利用具有重要意義：(1)對(duì)現(xiàn)狀地下水開(kāi)發(fā)利用健康狀況的定量化診斷，可為地下水合理開(kāi)發(fā)利用提供數(shù)據(jù)支撐[3，6]；(2)超采量評(píng)價(jià)尤其是累計(jì)可恢復(fù)超采量評(píng)價(jià)，既梳理了地下水開(kāi)發(fā)利用造成的地下水資源量虧空，也是確定需要回補(bǔ)水量的重要依據(jù)；(3)對(duì)于南水北調(diào)受水區(qū)，地下水超采量評(píng)價(jià)可作為規(guī)劃調(diào)水規(guī)模的重要基礎(chǔ)參數(shù)之一。

根據(jù)地下水埋藏條件可將地下水超采劃分為淺層和深層地下水超采。關(guān)于淺層地下水超采量評(píng)價(jià)，現(xiàn)有方法具體可分為4類，但都存在不同的局限性：(1)可開(kāi)采量法[4，7]，最直觀簡(jiǎn)單，但受限于開(kāi)采量、可開(kāi)采量統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，其中地下水可采量，從定義到具體計(jì)算都是人為性很強(qiáng)的量，容易因統(tǒng)計(jì)渠道和口徑等偏差造成較大誤差，且使用多年平均可開(kāi)采量進(jìn)行評(píng)價(jià)，忽略了水文隨機(jī)性，也會(huì)造成較大誤差。(2)數(shù)值模擬法[8-11]，通過(guò)建立區(qū)域地下水模型，評(píng)價(jià)地下水資源量和開(kāi)采量。該方法比可開(kāi)采量法相對(duì)可靠，但地下水流建模難，涉及參數(shù)眾多，對(duì)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)要求較高。(3)GRACE衛(wèi)星反演法[12-15]，利用GRACE衛(wèi)星數(shù)據(jù)反演地下水儲(chǔ)量變化是遙感技術(shù)在地下水資源管理中的創(chuàng)新。但該方法數(shù)據(jù)精度較低，僅適用于大尺度范圍的評(píng)價(jià)，且難以分離深層和淺層地下水超采量，同時(shí)受限于數(shù)據(jù)時(shí)間尺度不能復(fù)盤較早時(shí)期的超采情況。(4)水位動(dòng)態(tài)法[10，16](疏干體積法)，地下水位下降即發(fā)生超采，根據(jù)淺層地下水位下降造成的地下水儲(chǔ)量虧空估算超采量。該方法雖然受限于區(qū)域地下水位監(jiān)測(cè)密度和給水度準(zhǔn)確性，但隨著地下水位監(jiān)測(cè)井布置密度和監(jiān)測(cè)精度逐步提高，水文地質(zhì)參數(shù)的試驗(yàn)研究越來(lái)越多，該方法評(píng)價(jià)精度也越來(lái)越高。因此相比于前幾種方法，水位動(dòng)態(tài)法可認(rèn)為是現(xiàn)階段最便捷可靠的淺層地下水超采量評(píng)價(jià)方法。

關(guān)于深層地下水超采量評(píng)價(jià)，現(xiàn)有研究分為兩類：(1)從水資源管理角度，現(xiàn)行《最嚴(yán)格水資源管理制度》[17]中提到“深層承壓地下水原則上只能作為應(yīng)急和戰(zhàn)略儲(chǔ)備資源”，深層地下水資源被定義為不可開(kāi)采資源，開(kāi)采即超采，該觀點(diǎn)一般基于開(kāi)采量統(tǒng)計(jì)資料評(píng)價(jià)深層超采量。該方法未考慮深層地下水資源屬性，對(duì)深層地下水超采量評(píng)價(jià)不夠客觀。(2)從水資源屬性角度，認(rèn)為深層開(kāi)采有部分水量來(lái)源于側(cè)向徑流補(bǔ)給和淺層越流補(bǔ)給[18-21]，這兩部分水資源屬性為可更新的補(bǔ)給資源量，應(yīng)當(dāng)作為深層地下水允許開(kāi)采量，該觀點(diǎn)多采用模型模擬法、地面沉降體積估算法[22-24]等對(duì)深層超采量進(jìn)行評(píng)價(jià)。以上兩種觀點(diǎn)從不同角度出發(fā)，所得超采量評(píng)價(jià)結(jié)果差異很大。其次，現(xiàn)有評(píng)價(jià)方法均未考慮伴隨深層地下水開(kāi)采發(fā)生的不可恢復(fù)儲(chǔ)量損失，這對(duì)地下水超采評(píng)價(jià)至關(guān)重要。

針對(duì)以往地下水超采量評(píng)價(jià)中存在的主要問(wèn)題，本研究改進(jìn)了淺層水位動(dòng)態(tài)法，并提出深層地下水超采量評(píng)價(jià)新方法，以識(shí)別可恢復(fù)和不可恢復(fù)超采量?；谛碌脑u(píng)價(jià)方法，對(duì)海河平原區(qū)過(guò)去60多年的淺層和深層累計(jì)超采量進(jìn)行評(píng)價(jià)，并分離出可恢復(fù)累計(jì)超采量，旨在為研究區(qū)地下水超采綜合治理和地下水回補(bǔ)提供更為可靠的數(shù)據(jù)支撐。

2 數(shù)據(jù)和方法

2.1 研究方法

2.1.1 淺層地下水超采量 地下水位下降是地下水超采的最直觀反應(yīng)，水位波動(dòng)變化的幅度可以反映地下水超采程度，本研究采用水位動(dòng)態(tài)法進(jìn)行淺層地下水超采量評(píng)價(jià)。地下水開(kāi)采造成的地下水位下降、地下水儲(chǔ)量減少超過(guò)一定限度時(shí)，將使地下水系統(tǒng)的資源、生態(tài)、環(huán)境等功能遭到破壞，并引發(fā)一系列不良影響，如地表-地下水循環(huán)轉(zhuǎn)化關(guān)系失衡、海水入侵、地面沉降等生態(tài)環(huán)境問(wèn)題，即為地下水超采。因此，適度的地下水位下降并不意味著一定發(fā)生超采，只要保障地下水位在合理范圍內(nèi)波動(dòng)變化(不對(duì)生態(tài)地質(zhì)環(huán)境造成影響)，開(kāi)采就不應(yīng)被認(rèn)為是超采。目前已有學(xué)者通過(guò)建立地下水生態(tài)地質(zhì)環(huán)境約束的臨界水位埋深來(lái)判斷區(qū)域是否發(fā)生地下水超采[25]。

顯然，雖造成水位下降但對(duì)生態(tài)地質(zhì)環(huán)境未產(chǎn)生明顯影響甚至有利(如鹽漬化防治)的開(kāi)采量不應(yīng)被認(rèn)為是超采量，但實(shí)際工作中使用的傳統(tǒng)水位動(dòng)態(tài)法單純以評(píng)價(jià)期內(nèi)的起止水位差來(lái)計(jì)算超采量，存在不合理之處。基于以上分析，根據(jù)水位計(jì)算淺層地下水超采量應(yīng)重新定義為：當(dāng)淺層地下水埋深下降超過(guò)生態(tài)健康臨界埋深以下后，年際間淺層地下水位下降造成地下水儲(chǔ)存量的減少為地下水超采量。因此研究區(qū)淺層地下水超采量可根據(jù)下式計(jì)算：

(1)

式中：u為淺層地下水給水度；H1為起始階段地下水埋深；H2為結(jié)束時(shí)地下水埋深；H生為生態(tài)健康臨界埋深；F為計(jì)算單元面積。其中，生態(tài)健康臨界埋深各個(gè)區(qū)域生態(tài)問(wèn)題和水文地質(zhì)條件各不相同，尚無(wú)統(tǒng)一的評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)，需要結(jié)合實(shí)際情況具體考慮。

2.1.2 深層地下水超采量

(1)深層地下水開(kāi)采量構(gòu)成及屬性。深層地下水開(kāi)采量Q主要由以下構(gòu)成(見(jiàn)圖1)：

圖1 深層地下水開(kāi)采量構(gòu)成

Q=Q越+Q側(cè)+Q彈性+Q非彈性

(2)

式中：Q越為來(lái)自淺層地下水(潛水含水層)的越流補(bǔ)給量；Q側(cè)為側(cè)向徑流補(bǔ)給量；Q彈性為深層含水層系統(tǒng)的彈性壓密釋水量，來(lái)自承壓含水層(主要由砂性土構(gòu)成)的彈性壓密釋水；Q非彈性為深層含水層系統(tǒng)的非彈性壓密釋水量，來(lái)自弱透水層(黏土夾層)的非彈性壓密釋水。

根據(jù)資源屬性，Q越和Q側(cè)開(kāi)采的是可更新的補(bǔ)給資源量。其中越流補(bǔ)給量雖然襲奪的是淺層地下水，會(huì)造成淺層地下水位下降，根據(jù)改進(jìn)水位動(dòng)態(tài)法已被計(jì)算為淺層超采量，在深層超采量中不再做重復(fù)計(jì)算。Q彈性和Q非彈性消耗的是深層地下水儲(chǔ)存資源量，當(dāng)深層地下水位回升時(shí)，Q彈性消耗的儲(chǔ)存資源量會(huì)得到恢復(fù)，而Q非彈性不能恢復(fù)。

(2)深層地下水超采量。根據(jù)深層地下水開(kāi)采量構(gòu)成屬性，深層地下水超采量指開(kāi)采的儲(chǔ)存資源量，即深層含水層系統(tǒng)的彈性和非彈性壓密釋水量Q彈性和Q非彈性。深層含水層系統(tǒng)的壓密釋水引發(fā)地面沉降，對(duì)于地面沉降主要由地下水開(kāi)采引起的區(qū)域，其地面沉降體積約等于深層承壓含水層系統(tǒng)壓縮釋水量體積[23]，因此可根據(jù)監(jiān)測(cè)到的地面沉降量估算深層地下水超采量，即：

Q深超=V沉=M×F

(3)

式中：V沉為地面沉降體積；M為地面沉降量。

(3)深層地下水不可恢復(fù)超采量。弱透水層主要由黏性土構(gòu)成，壓縮性較大，以塑性變形為主且變形較大，未來(lái)難以恢復(fù)。因此，來(lái)自弱透水層的非彈性壓密釋水量Q非彈性為不可恢復(fù)超采量，是深層地下水儲(chǔ)量和地下水庫(kù)容的永久性損失，嚴(yán)重影響深層地下水供水保障能力，查明該部分不可恢復(fù)的超采量對(duì)于水資源管理有重要意義?？紤]深層含水層系統(tǒng)壓密釋水過(guò)程中水文地質(zhì)參數(shù)不斷變化，研究建立了一維非線性壓密釋水模型模擬壓密釋水過(guò)程[22，26]。

含水層系統(tǒng)的壓密釋水過(guò)程是含水層骨架所受有效應(yīng)力變化的過(guò)程。當(dāng)深層地下水開(kāi)采發(fā)生后，承壓水位開(kāi)始下降，孔隙水壓力減小，即孔隙水所能分擔(dān)的應(yīng)力減小，這部分應(yīng)力將轉(zhuǎn)移到土體骨架，使有效應(yīng)力增加，從而壓縮多孔介質(zhì)，引起含水層壓密釋水，地面發(fā)生沉降。含水層系統(tǒng)的地質(zhì)構(gòu)造十分復(fù)雜，為了便于研究，將復(fù)雜的地層結(jié)構(gòu)概化為一個(gè)多層含水層系統(tǒng)(圖2)。

圖2 多層含水層系統(tǒng)壓密釋水概念模型

弱透水層的非彈性壓密釋水量伴隨承壓水位的下降產(chǎn)生，可根據(jù)下式計(jì)算：

Q非彈性=Skv×Δh×F

(4)

式中：Skv為非彈性釋水系數(shù)；Δh為承壓水位的變化，m。

Skv為表示弱透水層壓密釋水能力的參數(shù)，與土體的厚度、孔隙度、有效應(yīng)力等相關(guān)，根據(jù)如下經(jīng)驗(yàn)公式[27]計(jì)算：

(5)

式中：Sskv為非彈性儲(chǔ)水率；Cc為非彈性壓縮指數(shù)；rw為水的容重，kN/m3；b為弱透水層厚度，m；σ′為由顆粒骨架承擔(dān)的有效應(yīng)力；e為孔隙比。

隨著有效應(yīng)力的變化，弱透水層壓縮變形，導(dǎo)致多孔介質(zhì)孔隙度減小，帶來(lái)的直接影響是弱透水層厚度、孔隙比等含水層參數(shù)的變化。核心參數(shù)變化根據(jù)下式[27-28]計(jì)算：

(6)

(7)

式中：Δb為弱透水層厚度變化，m；b0為弱透水層初始厚度，m；Δσ′為有效應(yīng)力變化量；Δe為孔隙比變化；e0為初始孔隙比。

若假設(shè)總應(yīng)力σ不變，式(7)中有效應(yīng)力的變化Δσ′為孔隙水壓力的變化，即：

Δσ′=rwΔh

(8)

2.1.3 可恢復(fù)超采量 超采量分為可恢復(fù)超采量和不可恢復(fù)超采量?jī)深?，根?jù)地下水資源屬性，淺層地下水超采量和深層地下水彈性壓密釋水量為可恢復(fù)超采量，而深層地下水非彈性壓密釋水量屬于不可恢復(fù)超采量。因此，可恢復(fù)超采量可根據(jù)下式進(jìn)行計(jì)算：

Q可恢復(fù)=Q淺超+Q深超-Q非彈性

(9)

2.2 數(shù)據(jù)材料

2.2.1 研究區(qū)概況 海河平原區(qū)包括海河水系、灤河水系、徒駭馬頰河水系三大水系，具體可分為8個(gè)三級(jí)區(qū)(①灤河及冀東沿海諸河；②北四河下游平原；③大清河淀西平原；④大清河淀東平原；⑤子牙河平原；⑥漳衛(wèi)河平原；⑦黑龍港及運(yùn)東平原；⑧徒駭馬頰河平原，見(jiàn)圖3)。研究區(qū)屬于溫帶東亞季風(fēng)氣候，多年平均降水量為535 mm。該地區(qū)地下水主要賦存于由沖洪積、河湖積、海積等多種類型松散沉積物交錯(cuò)疊置的第四系含水組，自上而下可劃分為4個(gè)含水組(含水組Ⅰ至Ⅳ)，一般將山前平原第Ⅰ和第Ⅱ含水組、中部和濱海平原的第Ⅰ含水組稱為淺層含水層系統(tǒng)，將其余含水組稱為深層含水層系統(tǒng)[18]。研究區(qū)北部和西部山前平原區(qū)含水層沉積顆粒較粗，容易接受大氣降水與山區(qū)側(cè)向徑流補(bǔ)給，含水組富水性較好，地下水利用以淺層地下水開(kāi)采為主；中部平原區(qū)及東部沿海地區(qū)淺層地下水礦化度較高，咸水頂界埋深較大，主要以深層地下水開(kāi)采為主。

圖3 研究區(qū)地理位置

2.2.2 主要數(shù)據(jù)源 本研究將評(píng)價(jià)有地下水開(kāi)采記錄以來(lái)的累計(jì)淺層和深層超采量，研究所需數(shù)據(jù)及其來(lái)源如表1所示。

表1 各研究方法所需數(shù)據(jù)及來(lái)源

(1)研究區(qū)淺層地下水開(kāi)發(fā)利用自1960年以后逐漸增多，本研究將1959年淺層地下水位作為改進(jìn)水位動(dòng)態(tài)法淺層地下水超采量計(jì)算的基準(zhǔn)水位。

(2)深層地下水的大規(guī)模開(kāi)發(fā)利用較淺層地下水晚，本研究以1970年作為深層超采量計(jì)算起始時(shí)間，1970年以前深層地下水開(kāi)采忽略不計(jì)。

(3)給水度主要受地下水水位變動(dòng)帶的巖性及層次結(jié)構(gòu)的影響，同時(shí)埋深大小也會(huì)對(duì)同一巖性給水度造成影響，給水度不僅在空間上發(fā)生變化，而且不同時(shí)期給水度也會(huì)發(fā)生變化。給水度的確定大概分為4種：①室內(nèi)模擬試驗(yàn)及筒測(cè)法；②動(dòng)態(tài)長(zhǎng)觀井資料反演法；③小區(qū)域地下水量均衡法；④在單一含水層給水度基礎(chǔ)上，結(jié)合鉆孔資料確定綜合給水度。受限于以上方法所需研究資料和數(shù)據(jù)缺失，本研究?jī)H考慮了給水度空間變化，暫未考慮時(shí)間上的變化，但考慮平均法則，研究采用了研究周期的中間階段1984—2003年水位變動(dòng)帶的給水度計(jì)算總研究周期超采量。

(4)海河平原區(qū)與地下水位相關(guān)的生態(tài)問(wèn)題較為復(fù)雜，垂向上相互疊加，縱向上變化多端。已有研究[29]綜合考慮了鹽漬化、城鎮(zhèn)建筑物安全、含水層調(diào)蓄能力、地表水體健康、海水入侵、植被健康、地下水入滲補(bǔ)給能力等7種生態(tài)問(wèn)題對(duì)地下水位的需求，并繪制了海河平原區(qū)生態(tài)健康地下水位恢復(fù)目標(biāo)的上限埋深和下限埋深空間分布圖，本研究引用該研究成果的水位下限埋深作為生態(tài)健康臨界埋深(圖4(b))。

圖4 海河平原區(qū)淺層給水度及生態(tài)健康臨界埋深

(5)在非彈性壓密釋水量的模擬計(jì)算中，研究將海河平原區(qū)深層水區(qū)域劃分為26 868個(gè)2 km×2 km網(wǎng)格，對(duì)每個(gè)網(wǎng)格進(jìn)行單獨(dú)的模擬計(jì)算。以15 d為變化步長(zhǎng)，將1970—2019年弱透水層壓密釋水過(guò)程劃分為1176個(gè)過(guò)程。承壓水位作為控制變量輸入模型，為簡(jiǎn)化計(jì)算，對(duì)1970—2019年的承壓水位變化進(jìn)行勻速處理。模型采用循環(huán)迭代法計(jì)算，輸入初始參數(shù)計(jì)算后得到新的參數(shù)，作為下一次運(yùn)算的初始參數(shù)，如此循環(huán)往復(fù)直至運(yùn)算結(jié)束。模型借助Python軟件編程運(yùn)算。

3 結(jié)果分析

3.1 淺層地下水超采量依據(jù)研究整理的1980、1985、1990、1995、1998—2019年淺層地下水開(kāi)采量數(shù)據(jù)，繪制淺層地下水開(kāi)采量變化圖(見(jiàn)圖5(a))，缺失年份參考降雨量及相鄰年份開(kāi)采量數(shù)據(jù)進(jìn)行插值。1980—2019年，海河平原區(qū)淺層地下水累計(jì)開(kāi)采量為5215億m3，開(kāi)采量整體呈現(xiàn)先增加后減少趨勢(shì)，2019年開(kāi)采量為132.9億m3，較年開(kāi)采量最多的年份(2001年)減少了35.9億m3。將單位面積開(kāi)采量大小定義為開(kāi)采強(qiáng)度，1980—2019年海河平原區(qū)各三級(jí)區(qū)累計(jì)開(kāi)采量和開(kāi)采強(qiáng)度分布如圖5(b)所示(圖中：①灤河及冀東沿海諸河，②北四河下游平原，③大清河淀西平原，④大清河淀東平原，⑤子牙河平原，⑥漳衛(wèi)河平原，⑦黑龍港及運(yùn)東平原，⑧徒駭馬頰河平原，下同)，大清河淀西平原累計(jì)開(kāi)采量和累計(jì)開(kāi)采強(qiáng)度均最大，累計(jì)開(kāi)采強(qiáng)度為8.5 m3/m2；漳衛(wèi)河平原雖然累計(jì)開(kāi)采量較小，但開(kāi)采強(qiáng)度僅低于大清河淀西平原，為6.6 m3/m2。

圖5 1980—2019年海河平原區(qū)淺層地下水開(kāi)采量

1959—2019年的淺層地下水位變差圖如圖6(a)所示，山前平原洪沖積扇緣一帶淺層地下水位下降最為嚴(yán)重，形成“高蠡清-肅寧”“寧柏隆漏斗”“雄縣霸州”等一連串淺層漏斗，地下水位降幅從山前平原向東部濱海平原逐漸減小，整個(gè)平原區(qū)地下水位平均下降約11.5 m。

圖6 研究區(qū)1959—2019年淺層地下水水位差及累計(jì)超采強(qiáng)度

基于改進(jìn)水位動(dòng)態(tài)法計(jì)算的淺層地下水超采量結(jié)果如圖7所示。2005年以前淺層地下水位數(shù)據(jù)只有1959、1984、2003共3期，根據(jù)水位差估算1959—1984、1984—2003年平原區(qū)淺層地下水多年平均超采量分別為10.4億m3/a、18.5億m3/a。2003—2019年，淺層地下水超采量整體呈下降趨勢(shì)，多年平均超采量為16.1億m3/a，其中2008、2010、2012、2018年海河平原區(qū)降水充沛，淺層地下水水位較上一年有所回升，整體表現(xiàn)為未超采(圖7(a))。1959—2019年，整個(gè)海河平原區(qū)淺層地下水累計(jì)超采量為868.5億m3，其中子牙河和大清河淀西平原累計(jì)超采量最大，灤河及冀東沿海諸河、北四河下游平原累計(jì)超采量較小。

圖7 1959—2019年海河平原區(qū)淺層地下水超采量

為更直觀表述超采量的空間分布，將單位面積超采量大小定義為超采強(qiáng)度。1959—2019年，海河流域平原區(qū)淺層地下水累計(jì)超采強(qiáng)度分布如圖6(b)所示，累計(jì)超采強(qiáng)度的分布與淺層地下水位降落漏斗分布基本一致，整個(gè)平原區(qū)平均超采強(qiáng)度為0.67 m3/m2，累計(jì)超采強(qiáng)度大于2 m3/m2的面積主要分布在石家莊、邢臺(tái)、保定一帶，這些區(qū)域大多含水層沉積顆粒較粗、富水性好，地下水利用以淺層地下水開(kāi)采為主。各三級(jí)區(qū)的超采強(qiáng)度如圖7(b)所示，其中，子牙河、大清河淀西平原等平原區(qū)累計(jì)超采強(qiáng)度最大，而灤河及冀東沿海諸河、北四河下游、大清河淀東平原等中東部沿海地區(qū)由于淺層地下水礦化度較高，淺層水開(kāi)發(fā)利用較少，該區(qū)域淺層地下水超采很小，累計(jì)超采強(qiáng)度大多小于0.5 m3/m2，天津、滄州等沿海地區(qū)淺層基本不超采。

3.2 深層地下水超采量1970—2019年，根據(jù)年鑒統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)及文獻(xiàn)資料記載，海河平原區(qū)累計(jì)深層地下水開(kāi)采量約為1640億m3，1970年以前深層地下水開(kāi)采量很小忽略不計(jì)。年開(kāi)采量整體呈先增加后減小趨勢(shì)(圖8(a))，2019年研究區(qū)深層地下水年開(kāi)采量已下降至約23億m3，相比年開(kāi)采量最大時(shí)期(2002年)下降了三分之二。1970—2019年海河平原區(qū)各三級(jí)區(qū)深層累計(jì)開(kāi)采量和平均開(kāi)采強(qiáng)度分布如圖8(b)所示，黑龍港及運(yùn)東平原累計(jì)開(kāi)采量和累計(jì)開(kāi)采強(qiáng)度最大，累計(jì)開(kāi)采強(qiáng)度為1.94 m3/m2。

圖8 1970—2019年海河平原區(qū)深層地下水開(kāi)采量

截至2019年，海河平原區(qū)累計(jì)地面沉降量分布如圖9(a)所示，通過(guò)計(jì)算地面沉降體積估算深層地下水累計(jì)超采量為756.1億m3，累計(jì)深層地下水超采量空間分布與地面沉降量一致，天津—滄州—衡水—邢臺(tái)一帶已形成明顯的沉降漏斗，深層地下水超采嚴(yán)重。各三級(jí)區(qū)深層累計(jì)超采量和超采強(qiáng)度分布如圖10(a)所示，黑龍港、大清河淀東平原深層地下水累計(jì)超采量最大，分別為221.9億m3和177.4億m3，共占總累計(jì)超采量52.8%，其中大清河淀東平原超采強(qiáng)度最大；漳衛(wèi)河、灤河及冀東沿海諸河、大清河淀西平原的累計(jì)超采量和超采強(qiáng)度較小。

圖9 1970—2019年海河平原區(qū)深層地下水超采強(qiáng)度空間分布

圖10 1970—2019年海河平原區(qū)各三級(jí)區(qū)深層地下水超采量

根據(jù)建立的一維非線性壓密釋水模型[22]模擬結(jié)果，1970—2019年研究區(qū)累計(jì)非彈性壓密釋水量即深層累計(jì)不可恢復(fù)超采量分布如圖9(b)所示，其空間分布與地面沉降分布較為一致，天津—滄州—衡水一帶累計(jì)非彈性壓密釋水量較大，每平方米非彈性釋水量最大可達(dá)1.2 m3。通過(guò)統(tǒng)計(jì)分析可得，海河平原區(qū)累計(jì)不可恢復(fù)超采量為558.0億m3，其中各三級(jí)區(qū)累計(jì)不可恢復(fù)超采量和超采強(qiáng)度分布如圖10(b)，分布情況與累計(jì)超采量也較為一致。

對(duì)比深層地下水開(kāi)采量、超采量、不可恢復(fù)超采量結(jié)果，深層地下水累計(jì)超采量占總開(kāi)采量46.1%，不可恢復(fù)的超采量占總開(kāi)采量34.0%，不可恢復(fù)超采量占總超采量73.7%。未來(lái)若嚴(yán)格控制地下水開(kāi)采，使承壓水位恢復(fù)到初始水位，約198.1億m3的深層地下水儲(chǔ)量(占總超采量26.3%)可以恢復(fù)，剩余558.0億m3的超采量不僅是地下水儲(chǔ)存資源量的永久性損失，也是地下水儲(chǔ)存空間的永久性減少，深刻影響京津冀地區(qū)長(zhǎng)遠(yuǎn)水資源安全保障能力，科學(xué)管控不可恢復(fù)超采量能夠防止地下水供水保障能力遭到持續(xù)破壞。

3.3 累計(jì)可恢復(fù)超采量截至2019年，海河平原區(qū)累計(jì)可恢復(fù)超采量為1066.6億m3，平均超采強(qiáng)度為0.89 m3/m2，累計(jì)可恢復(fù)超采強(qiáng)度空間分布及各三級(jí)區(qū)累計(jì)可恢復(fù)超采情況如圖11所示。其可恢復(fù)超采量主要由淺層地下水超采量構(gòu)成，分布與淺層超采量較為相似，尤其是淺層超采嚴(yán)重的山前平原一帶，但不同的是東西部平原區(qū)累計(jì)可恢復(fù)超采量差距較小、空間分布更均衡?？傮w來(lái)看，子牙河和大清河淀西平原累計(jì)可恢復(fù)超采量和超采強(qiáng)度均最大，超采量分別為337.2億m3、206.8億m3；大清河淀東平原雖然淺層累計(jì)超采量較小，但其累計(jì)可恢復(fù)超采量為115.6億m3，僅次于大清河淀西平原；灤河及冀東沿海諸河可恢復(fù)超采量和超采強(qiáng)度均最大，超采量?jī)H為28.3億m3。

圖11 1959—2019年海河平原區(qū)可恢復(fù)超采量

綜合淺層、深層、可恢復(fù)超采量評(píng)價(jià)結(jié)果，截至2019年，海河平原區(qū)累計(jì)超采量構(gòu)成如圖12所示，深、淺層累計(jì)超采量總計(jì)1624.6億m3，其中淺層累計(jì)超采量為868.5億m3(占比53.5%)，深層累計(jì)超采量為756.1億m3(占比46.5%)。海河平原區(qū)累計(jì)不可恢復(fù)超采量為558.0億m3，占總累計(jì)超采量34.3%，累計(jì)可恢復(fù)超采量為1066.6億m3，占總累計(jì)超采量65.7%。累計(jì)可恢復(fù)超采量中淺層可恢復(fù)的超采量為868.5億m3(占比81.4%)，深層超采量為198.1億m3(占比18.6%)。

注：越流補(bǔ)給量與側(cè)向徑流量所占比例參考文獻(xiàn)[18，20]確定；彈性壓密釋水量依據(jù)本研究建立的一維非線性壓密釋水模型[22]模擬

海河平原區(qū)的深、淺層和可恢復(fù)、不可恢復(fù)累計(jì)超采超采量的空間分布具有較強(qiáng)的空間異質(zhì)性，其中各三級(jí)區(qū)深、淺層地下水累計(jì)超采量占比如圖13(a)所示。漳衛(wèi)河、大清河淀西、子牙河平原淺層超采量大于深層；大清河淀東、黑龍港及運(yùn)東、北四河下游平原則是以超采深層為主；徒駭馬頰河、灤河及冀東沿海諸河平原深層和淺層超采量占比基本一致。各三級(jí)區(qū)可恢復(fù)、不可恢復(fù)累計(jì)超采量占比如圖13(b)所示?？苫謴?fù)超采量大于不可恢復(fù)的共計(jì)6個(gè)三級(jí)平原區(qū)，包括大清河淀西、漳衛(wèi)河、子牙河、灤河及冀東沿海諸河、徒駭馬頰河大清河淀東；黑龍港及運(yùn)東平原和北四河下游平原則不可恢復(fù)超采量更大。根據(jù)以上分析，海河平原區(qū)的深、淺層和可恢復(fù)、不可恢復(fù)累計(jì)超采超采量的空間分布具有較強(qiáng)的空間異質(zhì)性，可結(jié)合不同區(qū)域超采情況進(jìn)行分區(qū)治理。

圖13 各三級(jí)區(qū)累計(jì)超采量構(gòu)成比例

4 討論

(1)傳統(tǒng)水位動(dòng)態(tài)法會(huì)產(chǎn)生“假超采”。傳統(tǒng)水位動(dòng)態(tài)法(疏干體積法)單純以評(píng)價(jià)期內(nèi)的起止水位差計(jì)算淺層地下水超采量，包含未對(duì)生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生危害甚至有益影響的水位下降量。將基于改進(jìn)水位動(dòng)態(tài)法(簡(jiǎn)稱“改進(jìn)法”)的計(jì)算結(jié)果與“傳統(tǒng)法”進(jìn)行對(duì)比(表2)?！案倪M(jìn)法”與“傳統(tǒng)法”計(jì)算的淺層累計(jì)超采量在空間分布上較為一致，但“傳統(tǒng)法”比“改進(jìn)法”計(jì)算結(jié)果偏大，累計(jì)超采量多269.1億m3，多年平均超采量多4.5億m3/a?！皞鹘y(tǒng)法”未考慮生態(tài)環(huán)境的水位需求，其多計(jì)算的269.1億m3超采量對(duì)于維持地下水生態(tài)健康是有利的或者無(wú)明顯危害，是一種“假超采”，對(duì)實(shí)際淺層超采量評(píng)價(jià)不夠客觀。

表2 傳統(tǒng)水位動(dòng)態(tài)法與改進(jìn)水位動(dòng)態(tài)法計(jì)算結(jié)果比較 單位：億m3

(2)水文隨機(jī)性對(duì)淺層超采量評(píng)價(jià)的影響。與淺層開(kāi)采量年際變化(圖5(a))相比，基于改進(jìn)水位動(dòng)態(tài)法計(jì)算的淺層逐年超采量(圖7(a))具有明顯的波動(dòng)變化。超采量年際變化主要由以下原因造成：開(kāi)采量的趨勢(shì)性變化；水文周期的隨機(jī)性變化；地下水補(bǔ)給條件的改變，包括形成的深厚包氣帶、顯著衰減的河道滲漏補(bǔ)給和地下側(cè)向流入補(bǔ)給等；深層地下水的越流襲奪等。其中，降雨量的隨機(jī)性變化是造成超采量劇烈波動(dòng)的主要原因，進(jìn)行超采量評(píng)價(jià)時(shí)需考慮水文隨機(jī)性的影響，不能單純認(rèn)為“年超量多或少”就意味著“年開(kāi)采量多或少”。本研究主要是對(duì)淺層累計(jì)超采量進(jìn)行評(píng)價(jià)，且評(píng)價(jià)周期為1959—2019年，時(shí)間序列較長(zhǎng)，水文隨機(jī)性對(duì)評(píng)價(jià)結(jié)果影響較小。

(3)深層地下水開(kāi)采量不等于超采量，但開(kāi)采即發(fā)生超采。在山前平原深層-淺層地下水交互劇烈的地帶，深層地下水越流補(bǔ)給量和側(cè)向補(bǔ)給量巨大，地質(zhì)危害較小，該區(qū)域深層水資源存在一定可利用量。對(duì)于其它地區(qū)，雖然深層地下水存在一定補(bǔ)給，開(kāi)采量并不全部是超采量，但開(kāi)采的發(fā)生卻是超采行為?？紤]越流補(bǔ)給量與側(cè)向徑流補(bǔ)給量可恢復(fù)更新的資源屬性，深層地下水超采量應(yīng)只包括動(dòng)用儲(chǔ)存資源量的彈性壓密釋水量和非彈性壓密釋水量。然而，構(gòu)成深層地下水開(kāi)采量的各項(xiàng)來(lái)源是同時(shí)發(fā)生的，因此只要有開(kāi)采行為就有超采的發(fā)生，尤其是不可恢復(fù)超采量的發(fā)生。綜上，在對(duì)已發(fā)生的深層地下水超采量進(jìn)行評(píng)價(jià)時(shí)，應(yīng)考慮深層地下水部分可恢復(fù)性以及補(bǔ)給資源量，才能對(duì)實(shí)際發(fā)生的超采量有更準(zhǔn)確認(rèn)識(shí)；但在水資源管理和深層地下水開(kāi)發(fā)利用時(shí)，應(yīng)考慮深層地下水不可恢復(fù)性，嚴(yán)格限制深層地下水開(kāi)采，原則上只能將深層地下水作為應(yīng)急和戰(zhàn)略儲(chǔ)備水源。

(4)進(jìn)一步完善超采評(píng)價(jià)方法體系與地下水計(jì)量監(jiān)測(cè)。隨著超采治理工作的推進(jìn)和大量實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的積累，現(xiàn)行的超采評(píng)價(jià)方法體系仍存在許多問(wèn)題需進(jìn)一步完善。依據(jù)本研究?jī)?nèi)容和結(jié)果，建議對(duì)現(xiàn)行的超采評(píng)價(jià)方法和守則做如下改進(jìn)：①改進(jìn)評(píng)價(jià)方法，引入臨界地下水位對(duì)淺層超采量進(jìn)行評(píng)價(jià)；②細(xì)化超采定義，尤其是對(duì)深層超采量和超采行為的定義進(jìn)行區(qū)分；③完善評(píng)價(jià)指標(biāo)，將不可恢復(fù)超采量納入深層地下水超采評(píng)價(jià)指標(biāo)。除本研究所涉及的內(nèi)容，還有開(kāi)采系數(shù)法使用年均地下水實(shí)際開(kāi)采量忽略了評(píng)價(jià)期內(nèi)降水豐枯變化、“引發(fā)問(wèn)題法”中使用的地面沉降分類標(biāo)準(zhǔn)與自然資源部門使用的標(biāo)準(zhǔn)不一致等問(wèn)題需要進(jìn)一步改善。

計(jì)量監(jiān)測(cè)是提高超采評(píng)價(jià)準(zhǔn)確性和地下水有效管理的最重要途徑，包括動(dòng)態(tài)水位與開(kāi)采水量?jī)煞矫娴挠?jì)量。地下水位的監(jiān)測(cè)通過(guò)觀測(cè)井直接獲得，現(xiàn)階段地下水位一方面監(jiān)測(cè)井布置密度不夠，另一方面分屬水利部、自然資源部的監(jiān)測(cè)井以及地方井尚未得到有效整合，為監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的有效利用帶來(lái)阻礙，建議未來(lái)能進(jìn)一步提高監(jiān)測(cè)井密度，并以流域?yàn)橹行?，將所有監(jiān)測(cè)井整合到統(tǒng)一平臺(tái)。對(duì)于地下水開(kāi)采量的計(jì)量，海河流域地下水開(kāi)采井?dāng)?shù)量約150萬(wàn)眼，單井計(jì)量顯然是不現(xiàn)實(shí)，需要直接計(jì)量、以電折水、遙感監(jiān)測(cè)等多手段結(jié)合，實(shí)現(xiàn)地下水取用量的有效監(jiān)測(cè)。

(5)海河平原區(qū)地下水回補(bǔ)水量目標(biāo)。階段超采綜合治理的目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)區(qū)域內(nèi)地下水采補(bǔ)平衡，未來(lái)地下水超采綜合治理工作不僅是要控制地下水不發(fā)生超采，更重要的是對(duì)地下水虧空量進(jìn)行回補(bǔ)[35]，彌補(bǔ)地下水開(kāi)發(fā)利用的歷史欠賬，使地下水位恢復(fù)到一個(gè)健康穩(wěn)定的范圍?！霸鲅a(bǔ)減排”是實(shí)現(xiàn)地下水修復(fù)的重要途經(jīng)，一方面在現(xiàn)有超采治理經(jīng)驗(yàn)基礎(chǔ)上繼續(xù)通過(guò)實(shí)施調(diào)整種植結(jié)構(gòu)、挖掘農(nóng)業(yè)節(jié)水潛力等措施降低農(nóng)業(yè)用水強(qiáng)度，更重要的是增加南水北調(diào)等外調(diào)水量，保障用水需求、填補(bǔ)地下水虧空。本研究計(jì)算的累計(jì)可恢復(fù)超采量評(píng)價(jià)結(jié)果可作為研究區(qū)地下水回補(bǔ)水量目標(biāo)以及南水北調(diào)規(guī)劃調(diào)水需求的重要數(shù)據(jù)支撐。根據(jù)研究區(qū)累計(jì)超采量的評(píng)價(jià)結(jié)果，未來(lái)海河平原區(qū)淺層地下水需要回補(bǔ)恢復(fù)的水量為868.5億m3，深層地下水可通過(guò)越流和側(cè)向補(bǔ)給恢復(fù)的水量為198.6億m3，地下水總共通過(guò)回補(bǔ)可恢復(fù)的水量為1066.6億m3。

5 結(jié)論

為客觀準(zhǔn)確認(rèn)識(shí)海河平原區(qū)地下水超采量，以及為地下水超采綜合治理提供定量支撐，研究對(duì)現(xiàn)有地下水超采量評(píng)價(jià)方法存在的一些問(wèn)題進(jìn)行改進(jìn)，提出新的評(píng)價(jià)方法，評(píng)價(jià)研究區(qū)過(guò)去60多年的淺層和深層累計(jì)超采量，分離出可恢復(fù)累計(jì)超采量。形成以下認(rèn)識(shí)和結(jié)論：(1)對(duì)傳統(tǒng)水位動(dòng)態(tài)法進(jìn)行改進(jìn)，提出以生態(tài)健康臨界地下水位作為改進(jìn)水位動(dòng)態(tài)法計(jì)算淺層超采量的臨界水位。海河平原區(qū)1959—2019年累計(jì)淺層超采量為868.5億m3，淺層超采量整體呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢(shì)，其中子牙河平原和大清河淀西平原超采量最大。(2)分析了深層地下水開(kāi)采量構(gòu)成屬性，認(rèn)為深層地下水超采量不等于開(kāi)采量，但超采伴隨開(kāi)采發(fā)生，并提出不可恢復(fù)超采量概念。基于地面沉降法計(jì)算1970—2019年深層地下水累計(jì)超采量為756.1億m3，通過(guò)建立的一維非線性壓密釋水模型模擬結(jié)果，得到累計(jì)不可恢復(fù)超采量為557.5億m3。研究區(qū)黑龍港和大清河淀東平原深層地下水超采最嚴(yán)重。(3)截至2019年，海河平原區(qū)累計(jì)超采量為1624.6億m3，可恢復(fù)的地下水超采量為1066.6億m3，其中淺層地下水為868.5億m3，深層地下水為198.6億m3。