廣平縣地下水超采綜合治理分析

許長青　唐蘊　王建華

摘要 河北省地下水超采綜合治理項目已經實施3年，亟須對地下水壓采效果進行評估。本文以河北省廣平縣為研究對象，收集評估區自然地理數據、社會經濟發展狀況數據、農業信息數據、水資源基礎數據、長序列降水數據、地下水埋深數據、農業用電量數據以及其他相關基礎數據，并開展相關抽水試驗；利用有效降水與開采量曲線（P-W）計算出地下水的壓采量，分析了2014年廣平縣在水利和農業2個方面壓采目標的完成情況；同時對地下水超采綜合治理工作做出客觀評價，為以后開展類似地下水超采治理提供參考借鑒。

關鍵詞 地下水超采；綜合治理；壓采；效果評估；有效降水；開采量；地下水位；河北廣平

中圖分類號 P333 文獻標識碼 A 文章編號 1007-5739（2017）21-0183-06

Abstract The comprehensive treatment projects of groundwater over-exploitation have been carried out for 3 years in Hebei Province，and the evaluation effect of exploitation restriction is in urgent need.This paper dealed with Guangping County of Hebei Province as the research subject.The natural geographical data，social and economic development data，agricultural information data，water resources information data，long sequence of rainfall data，groundwater depth data，agricultural electricity consumption data and other related data were collected，and typical regional experimental study was conducted.Using the effective precipitation-groundwater exploitation（P-W）curve and accompanying research methods，the quantity of groundwater exploitation restriction was calculated.The goal completion condition of groundwater exploitation restriction was analyzed through hydraulic measures and agricultural measures of the groundwater over-exploitation comprehensive treatment projects carried out in Guangping County in 2014.This paper assessed the treatment effect of groundwater over-exploitation，as well as supplied technical support for the effect evaluation of groundwater exploitation restriction of agricultural irrigation in Guangping County and relevant areas.

Key words groundwater over-exploitation；comprehensive treatment；exploitation restriction；effective evaluation；effect precipitation；exploitation quantity；water level；Guangping Hebei

在過去的50年中，由于降雨在時間和空間上的分配不均勻性以及隨著河水徑流量的減少、水資源嚴重短缺的增加，北方地區在農業灌溉水資源和灌溉原理上應提出新的要求[1-2]。中國北方平原作為一個重要的農業灌溉地區，當前正面臨嚴重的水資源短缺問題[3]。農業灌溉在很大程度上依賴于地下水。由于水資源供求關系的極度不平衡，使得地下水過度開采問題變得尤為突出。作為水循環中的一個重要組成部分，過度開采地下水不僅影響水循環，而且能夠影響區域水文地質條件。一個地區的地下水開采量應該設置在合理范圍內，需要一個限度指標，當開采量超過允許值時，就會導致一系列地質、環境、社會問題，包括含水層排水、地面沉降、喀斯特坍塌、水質惡化、海水入侵（沿海地區）等[4]。在河北省有超過91%的地區存在地下水過度開采的問題，在地下水超采嚴重的地區已經產生了含水層缺失、地下水降落漏斗、地面沉降等一系列水文地質災害。胡志榮等[5]對比地下水開采量和可開采量來定量分析由于地下水過度開采引起的地面裂縫、地面沉降等環境問題。

國內外學者已經對過量開采地下水引起的生態環境問題做了大量研究。Pang Y J等[6]利用二維有限元模型在中國北方平原研究由于過度開采地下水引起的地面沉降問題。Boling[7]、Holzer[8]、Wolff[9]、Rothenburg等[10]、Wang Q L[11]和Wu Z Y等[12]研究了過度開采地下水和地裂縫的關系。Shi J等[13]通過對比地下水開采量和可開采量計算和劃分了北方平原地下水過度開采的深度等級。Jin Yong Lee等[14]基于韓國海岸平原的45口監測井的數據研究了由于過度開采地下水引起的海水入侵問題。He K等[15]研究了由于過度開采地下水引起的喀斯特坍塌問題。一些學者還研究了地下水動力條件發生變化后對農作物的影響等問題。賈紹鳳等[16]利用Arc GIS基于排水法原理估算了海河流域平原區淺層地下水超采量。Facchi A等[17]模擬和研究了意大利沖積平原農作物需水量的時間和空間分布的特點和灌溉用水從地表到地下轉移時地下水的動態變化。Zhou W M等[18]研究了過度開采地下水對農業灌溉的影響并提出了相應的對策。隨著地下水過度開采的加劇，很多學者也提出了一些相應的限制措施。Karatzas等[19]提出面對希臘克里特島由于過度開采地下水引起的海水入侵問題提出必須嚴格控制海水入侵問題。李 杰[20]和劉孝銘等[21]提出等于過度開采地下水應該實行一定的限制措施來減少或關閉一些隨意開采地下水的工程，建造地表水工程來代替抽取地下水。齊兵[22]一直致力于水資源分配工作，通過南水北調工程、關閉抽水井、污水治理、水資源的重復利用以及節水措施來對廊坊地區的過度開采地下水進行挖制。然而，盡管已經開始了對地下水過度開采的綜合治理評價工作，當前在一些研究結果中地下水過度開采水位治理仍需深入地進行下去。Zhang F等[23]基于GIS評價黃河三角洲的潛在開發能力和淺層地下水的綜合治理效果。田 立等[24]通過地下水水位的變化以及地面沉降的恢復情況來評價江蘇省南通市地下水過度開采綜合治理的效果。Xu Y S等[25]對地面沉降和地下水開采量數據通過回歸分析得到合理的地下水開采量，并分析評價了地下水過度開采的綜合治理效果。You J等[26]分析了南水北調工程對中國北方地下水補給的效果。Kumber等[27]提出通過抽水井的類型與數量來評估地下水的開采量。endprint

黨中央、國務院高度重視地下水保護工作，2011年中央一號文件明確提出了到2020年地下水超采基本遏制的目標。財政部、水利部針對河北省地下水超采問題進行了專題調研，提出支持并先期推動河北省地下水超采治理工作。2014年先期在河北省地下水超采最嚴重的黑龍港流域開展地下水超采綜合治理試點。一些專家學者對河北省地下水過度開采問題也提出了一系列的措施和建議。張寶全等[28]提出解決問題旨在“優先考慮主要任務和識別關鍵問題”的治理建議。劉丁雷[29]對于地下水過度開采提出“1+5”（1個核心目標系統和5個創新機制）的綜合治理模式。Xie J F等[30]討論了館陶縣的農業節水系統、節水管理系統、工業和城市內部的節水措施。特別強調了水資源節水灌溉措施、農業節水措施、水權管理系統、水價和水費的收集等。張俊杰等[31]和王術禮等[32]調查了河北省地下水過度開采綜合治理措施。

河北省廣平縣地表水供水工程現有民有灌區和蓄水閘灌區，但由于近幾年連續干旱，只有大量超采地下水才能維持國民經濟的發展和人民群眾生活的需要。近幾年來，廣平縣深層淡水開采量已達到2 500萬m3左右，且有逐年遞增趨勢，致使地下水位持續下降，并形成以廣平鎮和大馬莊為中心的地下水降落漏斗。由于水位下降，使微咸水或咸水區的地下水向周邊低水位區進行補給，致使淡水區水質變化，灌溉后造成耕地次生鹽堿面積不斷擴大；由于嚴重缺水，大量的工業廢水和生活污水得不到有效稀釋，水環境質量難以改善，沿渠兩岸的地下水也受到了不同程度的污染。

2014年河北省地下水過度開采綜合治理措施已實施1年，對其治理效果的評價顯得尤為重要。廣平縣作為地下水超采綜合治理試點縣之一，又是傳統意義的農業大縣，在農業節水方面大有潛力。地下水超采綜合治理項目壓采效果評估工作，即通過理論計算分析，對工程項目實施后壓采地下水量和超采現狀改善情況做出評估，展示地下水超采治理效果。對破解水資源短缺難題，促進廣平縣農業可持續發展、促進農民增收、改善農民生活具有重要意義。同時對地下水超采綜合治理工作做出客觀評價，為以后開展類似地下水超采治理提供參考借鑒。

1 研究區概況與數據來源

廣平縣地處黑龍港流域上游、河北省南部，隸屬邯鄲市，距邯鄲市50 km，位于東經114°51′～115°10′、北緯36°23′～36°37′之間，東與館陶、大名為鄰，西與成安、肥鄉交界，南與魏縣接壤，北與曲周毗連，交通便利，總面積320 km2，耕地面積2.36萬hm2。屬山前沖積、沉積平原，位于古黃河、漳河沖積而成的扇形平原的中下部。地處暖溫帶半濕潤大陸性季風氣候區，四季分明，雨熱同期。具有春旱秋澇的特點，氣象災害以旱災為主。全縣多年平均降水量為514.3 mm，多年平均蒸發量為1 038.6 mm，多年平均無霜期為201.8 d。境內無天然河流，僅有歷史上遺留的黃河、漳河故道自西南向東北、彎彎曲曲時斷時續貫穿全縣。按水系劃分，全縣均屬黑龍港流域平原區。全縣土壤總面積為272.3 km2（不包括非農業用地），土壤分為潮土和褐土兩大土類，下分5個亞類、7個土屬和39個土種。境內植被主要是人工種植的各類農作物、林木和野草。其中，農作物種植以小麥、玉米、薯類、豆類、棉花、油料為主，果樹種植以蘋果、梨樹為主。地處黑龍港流域上游，屬沖積洪積平原，境內廣泛分布著埋深不等的古河道，在河床相和牛軛湖相及決口的大淄處形成了厚度不等、層次復雜的含水層，含水層以細砂為主，粉砂、粉細砂次之，局部有少量的中砂，富集著豐富的地下水。

廣平縣現轄7個鄉鎮169個行政村，總人口28.91萬人，其中農業人口20.89萬人，占人口總數的72.26%，是一個典型的農業縣。2014年總用水量為5 892.2萬m3，其中地下水用水量為5 512.2萬m3。從供水水源看，地下水為主要供水水源，占供水總量的93.6%。多年平均總補給量為3 384萬m3，多年平均淺層地下水可開采量為2 783萬m3。

廣平縣2014年度地下水超采綜合治理有農業、水利兩大類項目。農業項目包含調整農業種植結構、小麥保護性耕作節水項目、小麥-玉米水肥一體化技術、冬小麥春灌節水穩產配套技術4個農藝節水工程。水利項目包括①高效節水灌溉工程1項，位于東張孟鄉，規模493.3 hm2；②地表水替代地下水工程2個灌區，民有三分干渠灌區 和吳村支渠灌區，規模分別為662.1、625.1 hm2。農業項目包括①調整農業種植結構規模為333.3 hm2；②冬小麥春灌節水穩產配套技術，規模2 486.7 hm2；③小麥保護性耕作節水項目，規模453.3 hm2；④小麥-玉米水肥一體化技術，規模200.0 hm2。評估區壓采項目分布如圖1所示。

該研究主要收集了評估區的自然地理數據、社會經濟發展狀況數據、農業信息數據、水資源基礎數據、長序列的降水數據（圖2）、地下水埋深數據、農業用電量數據以及其他相關基礎數據。其中社會經濟發展狀況數據來源于廣平縣國民經濟和社會發展統計年鑒、農業種植結構數據來源于廣平縣農牧局、2010—2014年的水資源數據來源于廣平縣水利局、1956—2015年的日降水量數據來自于河北省水利局。該研究還收集了7口測井的水位埋深數據，為1998年至2013年每年的5月和9月的水位數據。其中分別位于雙廟鄉北汶村西、廣平鎮單莊村南、韓村鄉南韓村東、韓村鄉江莊村西北、平固店鄉西營村、南堡鄉前大寨村南、雙廟鄉小馬莊村北。

2 研究方法

農業地下水實際開采量為當年由于農業生產的灌溉需求而實際發生的地下水開采量。對于廣平縣而言，當年農業地下水實際開采量與當年降水豐枯之間有關系密切。降水偏豐的年份，作物對降水的利用增多，需灌水量減少；反之，則由于對降水利用減少而導致需灌水量的增加。因此，地下水開采量的代表性，需要將降水豐枯的因素考慮在內。一個地區一定的作物結構和用水水平情況下的農業開采量，一般以平水年份下的地下水開采量來衡量，此時其代表性最強，與多年降水豐枯變化下的地下水開采量期望值接近。endprint

廣平縣地下水壓采綜合治理在2014年才開始實施，考慮到治理前基準年（2013年）和考核基準年（2015年）的降水頻率并不一致，2個年份調查評價的地下水實際開采量，只能代表當年特定降水情況下的開采量。為合理評估地下水壓采效果，需要將治理前基準年和考核基準年的實際地下水開采量都換算到平水年降水狀況下再進行比較才有意義。

2.1 豐平枯代表年的選取

有效降水[33]指自然降水中補充到植物根系分布層的部分。很多有關有效降水的研究主要針對其生態效應而言，而實際上有效降水的本質是首先降水進入土壤，其次通過土壤水分間接被植被利用或對其他生態環節產生影響。因此，從土壤水分變化的角度去研究有效降水能更好地理解這一概念。對土壤水分而言，最小有效降水量是指一次降水過程中能使土壤相對濕度穩定增加的最小降水量。關于最小有效降水的大小，一般認為5 mm以上的降水大都是有效降水，而在農業上將日降水量超過10 mm的降水稱為有效降水[34]。

對廣平縣1956—2015年地面降水量系列進行排頻，并采用皮爾遜Ⅲ型曲線進行適配。利用配好的頻率曲線查找參考降水頻率分別為25%、50%、75%時的降水量，記為P25、P50、P75。經過計算，廣平縣多年平均降水量475.17 mm，P25=565.74 mm，P50=453.46 mm，P75=361.04 mm。根據廣平縣面均有效降水量對比選出2004—2013年近期10年的豐、平、枯代表年分別為2008年、2007年和2013年。

2.2 項目區1 kW·h電出水量的計算

考慮到項目區和非項目區1 kW·h電出水量的不同以及不同區域間各個井的出水量也有差別，應該在項目區多種不同節水措施的區域內分別試驗。廣平縣分別有水利措施和農業措施兩大方面。區域內的種植結構主要是玉米和小麥的交替循環種植，灌溉農作物的方式主要為抽取地下水管灌和地表水灌溉。廣平縣在南陽堡鎮、勝營鎮、東張孟鄉布設典型試驗井13眼，其中南陽堡鎮6眼、勝營鎮3眼、東張孟鄉4眼。項目區布設9眼，分別為井灌地下水高效利用區2眼，作物類型是小麥玉米、蔬菜；地表水置換地下水區2眼，作物類型小麥玉米；農藝春灌節水區3眼，小麥玉米水肥一體化區2眼。非項目區布設4眼，位于小麥玉米輪作區。

把流量計置于抽水管外側，每6 min測1次，每口井測量30 min，即每口井得到5組數據，并取其平均值作為求取1 kW·h電的值。在每次讀取流量計讀數的同時還要記錄電表的讀書，利用5組數據的平均值和電表讀數求取1 kW·h電出水量。試驗得到，單井每1 kW·h電開采量在0.685～1.776 m3之間，平均為1.221 m3。其中，春灌節水項目區典型區作物是小麥，1 kW·h電出水量為0.85 m3。水肥一體化項目區典型區作物是小麥玉米，1 kW·h電出水量為1.52 m3。井灌區高效利用項目區典型區作物是蔬菜，1 kW·h電出水量為1.74 m3。地表水置換項目區典型區作物是小麥玉米，1 kW·h電出水量為0.84 m3。在非項目區的1 kW·h電出水量為1.16 m3。根據單井每1 kW·h電開采量、歷史用電量數據及種植結構，可以推求典型區種植類型在豐平枯代表年的單位面積用水量。

2.3 P-W曲線

根據廣平縣2013年農業種植結構、豐平枯3個代表年、2個校核年的地下水開采量以及相應的降水量，繪制農業開采量-降水量（P-W）之間的相關曲線，采用冪函數進行擬合（圖3），函數計算公式為：

y=19.527x-0.676（1）

式中，y為開采量，x為有效降水量。R2=0.976 8，擬合效果較好。根據廣平縣有效降水排頻結果，選擇2011年和2014年為校核年，2011年和2014年的有效降水量分別為159.52、142.42 mm，對應降水頻率為P=36.07%、P=62.3%。2種年份下各種種植作物的單位面積用水量及相應開采量，2006年農業開采量為7 351萬m3，2011年農業開采量為8 795萬m3。

2.4 壓采量的計算

考核基準年（2015年）共有N個井灌區/井渠雙灌區，每個灌區采用地下水灌溉的作物種植類型有S種，則考核基準年（2015年）的地下水實際開采量為：

W■■=■■（w■■·a■■）（2）

式中，a■■為考核基準年（2015年）第i個灌區第j種作物種植類型的井灌面積（萬hm2）；w■■為考核基準年（2015年）第i個灌區第j種作物種植類型當年的單位面積開采量（m3/hm2）。

根據治理前基準年（2013年）平水狀況下的地下水開采量、考核年基準年（2015年）地下水實際開采量、考核基準年（2015年）降水量及P-W曲線進行確定。

比例換算基于以下公式：

■=■（3）

式中，W■■為考核基準年（2015年）平水狀況下的地下水開采量（萬m3）；W■■為治理前基準年（2013年）P-W曲線上對應考核基準年（2015年）降水量時的地下水開采量（萬m3）。

可得考核基準年（2015年）平水狀況下的地下水開采量計算公式：

W■■=W■■×■（4）

考核基準年（2015年）地下水壓采量為治理前基準年（2013年）平水狀況下地下水開采量與考核基準年（2015年）平水狀況下地下水開采量之差，即：

W■■=W■■-W■■（5）

式中，W■■為考核基準年（2015年）地下水壓采量（萬m3）。

3 結果與分析

3.1 基準年治理前后開地下水采量分析

根據2015年各種作物在項目區和非項目區種植面積及相應單位面積地下水開采量，計算得到評估區2015年種植結構下的地下水實際開采量為8 650萬m3，其中項目區農業地下水開采量1 759萬m3、非項目區開采6 891萬m3（表1）。endprint

可以看出，2015年地下水開采量井灌高效節水項目區為137.53萬m3、地表水置換地下水項目區為505.33萬m3、調整農業種植結構項目區為72.83萬m3、保護性耕作節水項目區為153.42萬m3、冬小麥春灌節水項目區為827.42萬m3、小麥-玉米水肥一體化項目區為55.85萬m3。

3.2 治理前后地下水壓采量分析

廣平縣項目區治理基準年前即2013年平水狀況下地下水開采量為1 917萬m3，考核基準年2015年平水狀況下地下水開采量為1 411萬m3，項目區治理前后地下水壓采量505.39萬m3。

廣平縣考核基準年項目區總壓采目標是610.3萬m3，實際完成壓采量505.39萬m3，完成比例83%。各分項治理措施地下水壓采完成情況：水利項目壓采目標281.8萬m3，實際壓采量204.18萬m3，完成比例72%，其中井灌區高效節水項目完成較好，達到95%；地表水置換地下水項目完成65%。農業項目壓采目標328.5萬m3，實際壓采量301.21萬m3，完成比例92%，其中調整農業種植結構措施完成比例88%、保護性耕作節水完成比例88%、冬小麥春灌節水措施完成比例94%、小麥-玉米水肥一體化措施完成比例95%（表2）。

3.3 治理前后地下水埋深修復效果分析

3.3.1 項目區地下水位變化分析。廣平縣有廣平縣城關、平固店、南鹽池3眼地下水監測井，均在項目區外，平固店點鄰近項目區。對比3眼監測井的2013年和2015年均埋深數據，埋深變幅分別是-0.48、1.67、-2.34 m，廣平縣城關和南鹽池監測井埋深變淺，平固店監測井埋深依然下降。說明超采治理工程實施后，項目區水位較非項目區有較明顯回升態勢（圖4）。逐月對比2013年和2015年各監測點地下水埋深變化，用2015年埋深值減去2013年埋深，正值表示水位下降，負值表示水位上升，統計上升和下降點，有22個水位上升數據，其余38個水位下降數據；對比各監測點可以看出，廣平縣城關、南鹽池處每月同比水位上升明顯。

3.3.2 全縣地下水位變化分析。2006—2013年廣平縣淺層水埋深年均增大0.08 m/年，2013—2014年期間埋深增大0.08 m，2014—2015年埋深增大0.49 m，表明淺層地下水位呈持續下降趨勢（圖5）。2006—2013年深層水埋深年均增大0.83 m，2013—2014年期間埋深增大2.25 m，2014—2015年埋深減小1.57 m。表明2014年之前深層地下水位呈持續下降狀態，2014年之后水位呈上升趨勢（圖6）。從全縣層面來看，淺層地下水位繼續下降，修復效果不佳。深層地下水位2014年以后呈回升態勢，具有一定修復效果，這與實施的2014年地下水超采治理工程有直接關系。

4 結論與討論

此項研究旨在評估廣平縣地下水過度開采的綜合治理效果，確定出地下水壓采量，但此項研究仍有其缺點和不足。一是由于受時間和能力的限制，不能對全區內的井進行抽水試驗，沒有得到每一口井1 kW·h電出水量，而是選取了部分典型井進行試驗，可能會忽略一些其他不一致的井的出水量。二是地下水過度開采的綜合治理才實施1年，地下水水位回升不明顯，尤其是非項目區的地下水，還需要項目的持續進行，才能得到理想的效果。三是研究受到季節條件的影響，不同的季節可能會不同以及在試驗時不能排除一些試驗安排的不合理等因素。通過對廣平縣過度開采的綜合治理，得出以下結論：

（1）2015年地下水壓采量為505.40萬m3，水利項目壓采量為204.19 m3，農業項目壓采量為301.21 m3。總體完成指標為83%，其中水利項目完成指標為72%，井灌高效節水為95%，地表水置換地下水為65%；農業項目完成指標為92%，調整農業種植結構、保護性耕作節水、冬小麥春灌節水、小麥-玉米水肥一體化完成指標分別為88%、88%、94%、95%。

（2）廣平縣地下水超采治理工程實施前后淺層地下水位繼續下降、地下水修復效果不甚明顯，2015年深層地下水位比2014年回升了1.57 m，回升幅度較大，地下水超采治理工程發揮了積極作用。對比3眼監測井的2013年和2015年均埋深數據，埋深變幅分別是-0.48、1.67、-2.34 m，廣平縣城關和南鹽池監測井埋深變淺，平固店監測井埋深依然下降。說明超采治理工程實施后，項目區水位較非項目區有較明顯回升態勢。

（3）淺層地下水位沒有回升具有多個方面的原因：①第1年壓采能力有限?，F狀地下水開采量5 190萬m3，2014年壓采量505萬m3，僅為開采量的10%。②2014年和2015年的氣象條件對地下水壓采效果影響較大。廣平縣多年平均降水量為475.17 mm，2014年降水量440.75 mm，比多年平均值減少7.2%；2015年發生嚴重干旱，降水量只有295.31 mm，比多年平均值減少37.9%。由于區域性干旱影響，引黃水量沒有達到設計引水指標，導致地表水替代工程沒有完全發揮作用。③南水北調配套工程建設滯后也影響了全縣地下水水位的恢復。廣平縣南水北調替代城市工業和生活的水量為592萬m3，由于南水北調水源還沒有使用，因而只能繼續超采地下水維持工業和生活用水。

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