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        超采區(qū)地下水位控制和考核指標(biāo)確定方法

        2024-03-31 05:34:26帥官印崔偉哲邵景力崔亞莉張秋蘭張喆徐樹媛
        人民黃河 2024年3期
        關(guān)鍵詞:考核區(qū)域方法

        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

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