帥官印 崔偉哲 邵景力 崔亞莉 張秋蘭 張喆 徐樹媛

摘 要：為了有效管控地下水超采區(qū)，從區(qū)域控制和漏斗區(qū)控制兩個(gè)角度考慮，提出一種選取地下水控制井以及確定控制水位和考核水位指標(biāo)的方法。對(duì)于整個(gè)超采區(qū)，采用泰森多邊形法劃定每口控制井的控制面積，將每口控制井的控制面積占區(qū)域面積的比例作為權(quán)重，計(jì)算出區(qū)域面積加權(quán)平均水位，進(jìn)而根據(jù)與該平均水位的接近程度，選出一口區(qū)域水位控制井，并將其最近平水年年末的水位作為今后的控制和考核水位。但是，當(dāng)評(píng)價(jià)年為枯水年時(shí)，需要在控制水位的基礎(chǔ)上減去松弛量確定考核水位。對(duì)于地下水漏斗區(qū)，利用水位等值線圖，判斷漏斗分布情況，進(jìn)而從漏斗中心附近選取一口控制井，同樣也將其最近平水年年末的水位作為控制和考核水位。以河北省館陶縣為例，選取的區(qū)域和漏斗控制井分別為監(jiān)測(cè)井Ｗ１６ 和Ｗ１７；當(dāng)政府未制定水位恢復(fù)規(guī)劃時(shí)，區(qū)域控制水位確定為１７．１３ ｍ；當(dāng)政府制定了水位恢復(fù)規(guī)劃時(shí)，比如５ ａ 內(nèi)水位恢復(fù)０．５ ｍ，那么區(qū)域控制水位需要在１７．１３ ｍ 的基礎(chǔ)上每年增加０．１ ｍ；豐水年、平水年考核水位等于控制水位，枯水年考核水位等于控制水位減去０．９３ ｍ（松弛量）；漏斗區(qū)控制和考核水位均確定為１２．１９ ｍ。

：超采區(qū)；地下水漏斗區(qū)；控制水位；考核水位；館陶縣

中圖分類號(hào)：Ｐ６４１．８；ＴＶ２１１．１＋ ２ 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：Ａ ｄｏｉ：１０．３９６９／ ｊ．ｉｓｓｎ．１０００－１３７９．２０２４．０３．０１２

引用格式：帥官印，崔偉哲，邵景力，等．超采區(qū)地下水位控制和考核指標(biāo)確定方法［Ｊ］．人民黃河，２０２４，４６（３）：６４－６９．

０ 引言

我國(guó)北方很多地區(qū)過度開采地下水，出現(xiàn)了地下水漏斗問題［１－３］ 。伴隨著地下水位的持續(xù)下降，出現(xiàn)了一系列地質(zhì)和生態(tài)環(huán)境問題，如地面沉降、地裂縫、咸水入侵水質(zhì)優(yōu)良的淡水含水層、海水入侵、枯水期河道干涸、泉水?dāng)嗔鞯龋郏矗叮?，極大地危害社會(huì)發(fā)展和用水安全，因而近些年政府部門持續(xù)加大對(duì)地下水超采區(qū)治理以及管控的力度［７－９］ 。

目前，國(guó)內(nèi)對(duì)地下水超采區(qū)的管控主要執(zhí)行地下水取水總量與水位雙控管理制度，因此關(guān)于如何科學(xué)設(shè)置地下水取水量和水位指標(biāo)的研究較多，而國(guó)外對(duì)超采區(qū)治理的研究主要集中在對(duì)地下水的優(yōu)化配置上［１０］ 。許一川［１１］ 基于水均衡法，確定了邯鄲市平原區(qū)地下水開采總量與控制水位之間的定量關(guān)系。孫思宇［１２］ 針對(duì)吉林省地下水管理問題，采用水均衡方法，制定出紅、黃、藍(lán)線水量和水位閾值。梅梓騰等［１３］ 利用多元線性回歸方法，建立了太原盆地年水位變幅和年開采量的相關(guān)關(guān)系模型，進(jìn)而確定出淺層和深層地下水雙控指標(biāo)。王曉瑋等［１０，１４］ 將西北干旱地區(qū)劃分為不同的地下水功能區(qū)，并采用數(shù)值模擬方法確定出不同功能區(qū)的水量－水位控制指標(biāo)。張喆［１５］ 將石家莊平原分成１３ 個(gè)地下水管理分區(qū)，并采用水量均衡法，確定出各分區(qū)的水量－水位閾值。Ｓｒｅｅｋａｎｔｈ 等［１６］ 建立了小型島嶼地下水多目標(biāo)管理模型，以凈補(bǔ)給量最小以及海水入侵影響最小為管理目標(biāo)，得出島嶼最優(yōu)開采量；Ｆａｒｈａｄｉ 等［１７］ 通過求解區(qū)域水資源多目標(biāo)管理模型，得到了能夠減少灌溉用水量和地下水開采量的最優(yōu)解。

區(qū)域地下水開采量難以完全統(tǒng)計(jì)，導(dǎo)致取水總量不易控制，而地下水位監(jiān)測(cè)很容易實(shí)現(xiàn)，且水位能直觀反映地下水儲(chǔ)量變化，因此有學(xué)者試圖通過控制水位來實(shí)現(xiàn)對(duì)地下水的有效管理。比如，李文鵬等［１８］ 借鑒美國(guó)地質(zhì)調(diào)查局在賓夕法尼亞州使用的水位預(yù)警方法，從統(tǒng)計(jì)學(xué)的角度，提出北京平原地下水黃、橙、紅三條預(yù)警水位線；方樟等［１９］ 通過地下水流數(shù)值模型，確定出不同降水保證率下河南安陽(yáng)地區(qū)不同季度的控制管理水位閾值；孫天青等［２０］ 在分析邯鄲市東部平原歷史地下水位變化的基礎(chǔ)上，結(jié)合水均衡法，為超采區(qū)和非超采區(qū)劃定了水位埋深控制指標(biāo)。

目前關(guān)于地下水位控制的研究，普遍存在地下水位控制監(jiān)測(cè)井選取方法不明確的問題，多數(shù)研究未設(shè)置地下水位考核指標(biāo)，或者雖然設(shè)置了考核指標(biāo)但是未考慮水位松弛量（控制井在枯水年允許下降的最大水位），導(dǎo)致枯水年考核目標(biāo)難以完成。針對(duì)這些問題，本文提出一種在縣級(jí)行政區(qū)（超采治理的基本單元）選取區(qū)域資源性地下水位控制井、確定控制和考核水位、計(jì)算枯水年考核地下水位松弛量的方法，對(duì)于縣域內(nèi)的漏斗區(qū)也給出控制井和控制考核指標(biāo)的確定方法。最后，選取超采較為嚴(yán)重的河北省館陶縣作為典型區(qū)，進(jìn)行實(shí)例應(yīng)用。

１ 指標(biāo)體系構(gòu)建

１．１ 地下水位控制井選取方法

在確定地下水位控制和考核指標(biāo)之前，首先需要確定地下水位控制井的位置。一個(gè)地區(qū)地下水位監(jiān)測(cè)井?dāng)?shù)量一般很多，如果都作為控制井，并對(duì)每口井都設(shè)置控制和考核指標(biāo)，就會(huì)增加管理難度和控制考核的工作量。考慮到選定的監(jiān)測(cè)井一般要代表整個(gè)區(qū)域的地下水位或漏斗區(qū)地下水位，因此從區(qū)域水資源控制（目的是保證含水層存儲(chǔ)一定量的水資源）和漏斗區(qū)控制（降低災(zāi)害事件的破壞程度）兩個(gè)角度考慮，選取少數(shù)有代表性的監(jiān)測(cè)井作為地下水位控制井。

１．１．１ 區(qū)域地下水位控制井選取方法

區(qū)域控制井應(yīng)該能反映整個(gè)研究區(qū)的地下水位。選取步驟：１）收集研究區(qū)具有長(zhǎng)系列觀測(cè)地下水位數(shù)據(jù)的控制井，并盡量保證控制井在區(qū)域上均勻分布，同時(shí)剔除地下水位異常的控制井；２）采用泰森多邊形法獲取每口井的控制面積，并計(jì)算每口井的面積權(quán)重；３）通過區(qū)域長(zhǎng)期降水累積頻率曲線，找到離現(xiàn)在最近的平水年并將其作為基準(zhǔn)年，根據(jù)確定的面積權(quán)重計(jì)算該基準(zhǔn)年每個(gè)月所有選定監(jiān)測(cè)井的面積加權(quán)平均水位；４）將每口控制井基準(zhǔn)年各月的水位與對(duì)應(yīng)月份的區(qū)域面積加權(quán)平均水位進(jìn)行對(duì)比，找出各月水位都接近平均水位的那口井，將其作為區(qū)域地下水位控制井。選取平水年的原因：平水年降水量接近多年平均值，能夠反映區(qū)域平均降水水平，代表性好；而豐水年或者枯水年降水一般偏離平均值，甚至屬于異?；蛘邩O端情況，代表性差。

１．１．２ 漏斗區(qū)地下水位控制井選取方法

采用基準(zhǔn)年年末地下水位數(shù)據(jù)，繪制地下水位等值線圖，判斷是否存在地下水降落漏斗區(qū)。如果存在漏斗區(qū)，可選擇漏斗區(qū)中心附近的一口監(jiān)測(cè)井作為地下水位控制井。只設(shè)置一口控制井的原因：漏斗中心地下水位埋深最大，屬于超采最嚴(yán)重的區(qū)域，因而必須對(duì)其進(jìn)行控制；對(duì)于漏斗其他區(qū)域，由于區(qū)域地下水會(huì)不斷向漏斗區(qū)匯集，漏斗區(qū)面積會(huì)在區(qū)域地下水位回升過程中不斷縮小，因此無須設(shè)置更多的漏斗控制井。

１．２ 地下水位控制指標(biāo)確定方法

１．２．１ 區(qū)域資源性控制地下水位確定

資源性控制地下水位是為了防止地下水資源枯竭，從而使其能夠持續(xù)發(fā)揮多年調(diào)蓄功能的地下水位［ １４］ ，分為上限水位和下限水位。超采區(qū)地下水埋深普遍較大（均超過極限埋深），地下水蒸發(fā)微弱，因此只設(shè)置下限水位，不設(shè)置上限水位。下限水位的設(shè)置應(yīng)遵循以下原則：１）對(duì)于政府部門未制定地下水位恢復(fù)規(guī)劃的情況，要把實(shí)現(xiàn)地下水采補(bǔ)平衡作為目標(biāo)，即地下水位至少要保持在基準(zhǔn)年水位不下降，可將控制井在基準(zhǔn)年年底的地下水位作為控制水位；２）對(duì)于政府部門制定了地下水位恢復(fù)規(guī)劃的情況，要根據(jù)地下水位恢復(fù)或者壓采水量的規(guī)劃，進(jìn)一步確定控制地下水位。

１．２．２ 漏斗區(qū)控制地下水位確定

考慮到漏斗中心是區(qū)域地下水開采和用水強(qiáng)度最大的地方，完全控制開采使得漏斗中心地下水位止跌回升不現(xiàn)實(shí)，因而將地下水位控制在基準(zhǔn)年水平不再下降即可。

１．３ 地下水位考核指標(biāo)確定方法

地下水位考核指標(biāo)主要用來考核水資源管理部門對(duì)所轄區(qū)域地下水位管控的成效。由于每年的降水量決定當(dāng)年地下水的開采量及含水層的補(bǔ)給量，因此對(duì)豐枯不同的年份采用同一地下水位考核指標(biāo)顯然不合適，應(yīng)根據(jù)降水量的不同設(shè)置差異化的區(qū)域地下水位考核指標(biāo)：對(duì)于豐水年和平水年，由于含水層能夠得到的補(bǔ)給量較大而開采量較小，因此將控制地下水位作為考核水位。對(duì)于枯水年，在設(shè)置考核水位時(shí)，需要在控制地下水位的基礎(chǔ)上，添加相應(yīng)的松弛量（考核水位＝控制水位－松弛量）。松弛量的計(jì)算步驟：１）根據(jù)多年降水資料繪制降水頻率曲線，判斷每年的豐、平、枯降水類型。２）采用控制井長(zhǎng)系列水位資料（監(jiān)測(cè)頻率為天或者月），計(jì)算每年年末與前一年同期的水位變幅。３）繪制控制井長(zhǎng)系列水位散點(diǎn)圖，采用線性回歸方法，擬合得到水位回歸方程，用方程斜率乘以３６５（或１２），得到年水位變化量，將該水位變化值作為趨勢(shì)項(xiàng)。４）計(jì)算出全部枯水年中控制井最大的水位降幅，將其絕對(duì)值加上趨勢(shì)項(xiàng)，得到控制井在枯水年允許降低的水位值，即為松弛量。對(duì)于地下水漏斗區(qū)，由于各地一般實(shí)行開采管控政策，因此可按照控制水位對(duì)其進(jìn)行考核。

２ 實(shí)例應(yīng)用

２．１ 研究區(qū)概況

館陶縣隸屬于河北省邯鄲市，面積４５６ ｋｍ２，屬暖溫帶半濕潤(rùn)大陸性季風(fēng)氣候區(qū)，多年平均降水量５４８．７ｍｍ，水面蒸發(fā)量１ ５１５．６ ｍｍ。境內(nèi)主要河流為衛(wèi)運(yùn)河，河道長(zhǎng)３３．２７ ｋｍ，流域面積５５ ｋｍ２。研究區(qū)地勢(shì)西南高、東北低，南部最高海拔４３ ｍ，北部最低海拔３６ｍ，屬壤質(zhì)土沖積平原。境內(nèi)含水層屬于松散孔隙類含水層，平均厚度６９．４８ ｍ，水力坡度為１‰～４‰［２１］ 。

２．２ 地下水位控制井確定

２．２．１ 區(qū)域地下水位控制井選取方法

以淺層地下水管控為例，剔除數(shù)據(jù)異常井后，共篩選出１８ 口淺層地下水監(jiān)測(cè)井（見圖１）。采用泰森多邊形法，計(jì)算出每口井的面積權(quán)重（見表１）。根據(jù)求得的面積權(quán)重，計(jì)算區(qū)域加權(quán)平均水位。由于收集到的監(jiān)測(cè)井水位觀測(cè)頻率及系列完整性不同，且２０１８ 年為最近的平水年，因此采用２０１８ 年３ 月、５ 月、９ 月、１１月４ 個(gè)月的水位數(shù)據(jù)，計(jì)算區(qū)域面積加權(quán)平均水位。

在此基礎(chǔ)上，分別計(jì)算２０１８ 年每口井的水位與區(qū)域平均水位的誤差平方和，并對(duì)計(jì)算結(jié)果開平方，以此衡量單井水位與區(qū)域平均水位的接近程度（見表２）。由表２ 可知，Ｗ１０、Ｗ１２ 和Ｗ１６ 三口井的誤差平方和開平方值（分別為０．９９、１．２６ ｍ 和１．００ ｍ）較小，說明這三口井的水位接近區(qū)域平均水平。由于監(jiān)測(cè)井Ｗ１６ 具有最長(zhǎng)的水位時(shí)間系列數(shù)據(jù)（從２０００ 年到２０１８ 年），并且位于三口井的中心位置，因而將該井確定為區(qū)域資源性水位控制井（見圖１）。

２．２．２ 漏斗區(qū)地下水位控制井選取方法

采用２０１８ 年１１ 月的地下水位數(shù)據(jù)，繪制研究區(qū)淺層地下水位等值線（見圖２）。由圖２ 可知，在研究區(qū)南部存在一個(gè)較大的漏斗區(qū)。由于監(jiān)測(cè)井Ｗ１７ 位于該漏斗中心附近，因此將其作為漏斗區(qū)水位控制井。

２．３ 地下水位控制和考核指標(biāo)確定

２．３．１ 區(qū)域資源性控制地下水位確定

１）政府部門未制定地下水位恢復(fù)和水量控制規(guī)劃的情況。首先，利用收集到的２０００—２０１９ 年降水資料，繪制降水累積頻率曲線（見圖３）；然后，根據(jù)頻率曲線判斷各年的豐、平、枯狀況（累積頻率小于２５％為豐水年，２５％～７５％為平水年，大于７５％為枯水年），由圖３ 可知，２０１８ 年、２０１９ 年均為平水年，但由于未收集到２０１９ 年控制井Ｗ１６ 的水位數(shù)據(jù)，因此將２０１８ 年作為水位控制基準(zhǔn)年；最后，將２０１８ 年１１ 月地下水位１７．１３ ｍ 確定為研究區(qū)的控制水位，即今后控制井的１１ 月水位都要保持在１７．１３ ｍ 以上。

由于多數(shù)控制井沒有２０１７ 年和２０１８ 年１２ 月的水位數(shù)據(jù)，而且部分控制井缺失２０１７ 年１１ 月的水位，因此無法準(zhǔn)確計(jì)算研究區(qū)２０１８ 年的地下水儲(chǔ)變量。假設(shè)館陶縣２０１８ 年淺層地下水儲(chǔ)變量為－５００ 萬ｍ３。

根據(jù)《２０１８ 年邯鄲市水資源公報(bào)》，館陶縣淺層地下水開采量３ ８７０ 萬ｍ３，利用式（１）計(jì)算得到２０１８ 年館陶縣淺層地下水可開采量為３ ３７０ 萬ｍ３。２０１８ 年為平水年，降水量接近多年均值，假設(shè)之后幾年的降水量與２０１８ 年接近，那么未來每年地下水開采量應(yīng)控制在３ ３７０萬ｍ３以內(nèi)，才可以大致保證各年１１ 月地下水位不低于控制水位。研究區(qū)地下水可開采量計(jì)算公式為