強開放邊界灌區地下水安全開采量內涵與安全保障模式研究

鄭越馨， 戴長雷，謝世堯，高健超

(1.黑龍江大學寒區地下水研究所，哈爾濱 150080；2.黑龍江大學水利電力學院，哈爾濱 150080)

由于地下水與地表水相比，具有水量穩定且豐富、水質好、分布范圍廣、便于就地開采使用、供水量受氣候變化影響較小等優點，在我國北方地區，地下水是農業灌溉的重要的供水水源，因此，地下水在我國灌區經濟發展方面有不可或缺的用途。隨著經濟社會的快速發展，農業灌溉需水量較大，由于超量開采地下水，地下水開采布局不合理及無計劃地亂采濫用地下水資源，則會引發一系列環境問題，例如，地面沉降和地面塌陷等，使地下水的結構遭到破壞。為使地下水資源有效合理的開發并且達到可持續利用的效果，對安全開采量、可持續開采量、疏干性開采量、延續常年開采量、最大常年開采量的概念進行了概述，分析其約束條件，明確滿足約束條件的地下水安全開采量的內涵，提出劃定控制性關鍵水位的方法，在此基礎上，提出一種基于“總量+水位”雙控的安全保障模式。

1 地下水安全開采量的演變歷程

1.1 開采量內涵的發展

國外學者提出了地下水開采量的概念，包括安全開采量、疏干性開采量、持續開采量、延續常年開采量和最大常年開采量[1]。Meinzer(1920年)[2]將安全開采量定義為“排除了地下水開發的有害副作用諸如海水入侵、地面沉降等，供人類長期使用的實際可能的開采水量”，在天然補給量極小而常年累積存儲的儲存量大的情況下，地下水在符合經濟效益條件下的過量開采叫疏干性開采量。延續常年開采量則是在滿足經濟允許的條件下使用地下水儲存量。最大常年開采量是指在通過技術方法和可利用的一切水源來補給含水層，從而達到可供的最大水量。Thomas(1951年)[3]認為持續開采量是指在沖積含水層作用的特定環境下，能夠提供的最小開采量。

1.2 安全開采量的評價方法

閔泰善等[4]將地下水天然補給量視為地下水允許開采量，可持續開采量則在地下水允許開采量的基礎上考慮由地下水開采而產生的新的地下水變化與補給，使地下水開采達到可持續的效果，安全開采量是在滿足當代經濟技術和自然循環條件以及生態環境等條件下的最大開采量。朱雪芹等[5]認為地下水允許開采量由地下水最大補給量獲取，蘇偉杰等[6]認為地下水補給量近似看作地下水安全開采量，用地下水預報的方法來預測地下水埋深變化，為地下水安全開采量提供理論依據。吳孝航等[7]通過構建臨界水位降深數學模型，計算臨界水位降幅，反求計算開采井的開采量，確定研究區的安全開采量。王家兵等[8]定義安全開采量為在天然補給量和人工補給量之和與天然排泄量差值范圍內的開采量，確定了適宜開采的含水層，從而得到安全水位埋深和地下水安全開采量。羅照華等[9]從地下水動態特征、水文地質條件和開采現狀3個視角對地下水安全開采量展開研究，并對擴大安全開采量的合理性進行探討。王振龍等[10]認為安全開采量具有動態特征，計算區域的補給量、消耗量和儲存量，根據儲存量確定地下水位，提出一種水均衡和地下水動力學相結合的地下水安全開采量的評價方法。王琨等[11]回顧了地下水開采資源量的內涵，明確了安全開采量的標準，提出地下水安全開采因地制宜的思路。

1.3 安全開采量的發展歷程

開采量反應了取水工程的產水能力，且開采量小于含水系統的允許開采量，而允許開采量則是在滿足技術、經濟、環境的條件下，單位時間內從含水系統中取出的水量[12]。地下水允許開采量近似等于天然補給量。符合允許開采量的限定條件下，地下水系統因地下水開采發生新的采補平衡，從含水系統中得到采補平衡后的水量被定義為可持續開采量。在滿足社會經濟、技術水平、地質與生態環境的前提條件下，地下水資源達到可持續合理開發利用時，允許取出的最大開采量為安全開采量。安全開采量的發展歷程見圖1。

圖1 安全開采量的發展歷程

2 強開放邊界灌區安全開采量與地下水關鍵水位的劃定

2.1 強開放邊界灌區的內涵

含水層邊界的滲透性良好且含水層能在物質、能量和信息等方面與外部環境進行交換，具有較強的水力聯系[13]。強開放邊界含水層多指地下水系統的自然邊界沒有明顯的界定，或者含水層具有過小的水文地質單元。黑龍江西部屬于強開放邊界含水層且處于半干旱地區，灌區的季節性干旱較為嚴重且水分利用效率不高，農業灌溉需水依賴地下水[14]，有必要在技術保障、資源量和社會經濟效益約束條件下，提出一個適用于強開放邊界灌區且保障高效灌溉和地下水系統安全的地下水安全開采量的內涵。

2.2 安全開采量的約束條件

安全開采量與開采量的不同之處在于開采量反應取水工程的取水能力，而安全開采量是在滿足約束條件下所允許的最大開采量。地下水安全開采量的約束條件為技術保障、地下水資源量和社會經濟效益，在此基礎上，明確強開放邊界灌區地下水安全開采量的概念，為強開放邊界灌區地下水安全開采量提供科學依據和技術支撐。

地下水開采主要取水工程為水井，井的類型主要有管井、筒井、輻射井和特殊類型的坎兒井。黑龍江省西部是典型的強開放邊界旱灌區，管井是農業灌溉的主要供水設備。需要對管井的技術保障進行分析，井的結構、材料、成井工藝則是考慮的重要因素[15]，井口、井身、濾水管和沉砂管是管井重要的結構要素，高度及長度的設定需因地制宜。井管的材料多數采用鋼筋混凝土，耐腐蝕性好，濾水材料依據研究區的含水層巖性來選定濾水材料，黏土的止水效果好，粘結材料從操作難度和適用度來選擇，并根據井的類型和需水量確定取水設備的型號，其中，安裝方式、鉆探方法和清洗方法是成井工藝主要考慮的因素。并根據研究區的需水量來選用合適的取水設備，利用Theis公式計算單井的出水量[16]，對其資源量進行預估和判斷。綜合管井的結構、材料、成井工藝分析其經濟效益，打井的項目費用參數包含井管材料，黏結、濾水、止水料，取水設備，井房建設和人工費的投入，開采的地下水主要用于農業灌溉，根據研究區主要農業農作物的產量、所需水量和收成，從經濟效益的角度分析，從而定義該研究區的地下水安全開采量。

2.3 地下水關鍵水位的劃定依據

目前，國內的地下水管理模式僅是單一的考慮地下水可開采量，在地下水開采量允許的范圍內進行開采仍會造成地下水超采，地下水可開采量作為主要控制因素，應合理開采并優化地下水位[17]，進行流域內整體的水均衡和水動態預測才是合理的地下水管理模式研究[18]。地下水水位是地下水管理的控制性指標，同時也約束著地下水總量，進行地下水管理時首先要分析研究區地下水動態特征、計算研究區的地下水允許開采量、通過分析含水層的結構，為例更好地控制地下水總量，給出地下水控制性關鍵水位的劃分依據。

潛水蒸發量隨著地下水埋深的減小而增加，地下水位過高時會引發土壤次生鹽漬化和建筑物塌陷，地下水開采過量會導致地下水位下降，形成漏斗，引起地面下沉等環境危害。根據地下水的不同用途，將地下水位劃分為11種，見表1。

當地下水水位處于上紅線水位時，由于蒸發量過大，極易引起土壤此生鹽漬化，地下水應強制開發利用，當地下水位處于上黃線水位時，應鼓勵性的開發利用地下水；地下水位處于藍線水位時，應合理開發且高效利用地下水，此時地下水達到開采量與補給量平衡的狀態，當地下水處于下黃線水位時，地下水水資源量即將疏干，應限制開采，當水位處于下紅線水位時，地下水實際開采量超過了允許開采量的范圍，應及時采取相應的防護措施，禁止開發利用地下水。

表1 地下水關鍵水位劃定依據

3 安全保障模式的研究

3.1 地下水安全保障模式研究現狀

澳大利亞是統一調控地表水與地下水，目的是使水資源更好地得以利用，通過建立水權和用水制度，允許用戶之間進行有償的轉讓水資源，從而有效的控制地下水總量。以色列采取高度集中的地下水管理模式，運用先進的地下水水流模型等技術，對地下水資源量采取控制手段，從而提高地下水的管理水平。韓國建立了地下水法以此更好地調配地下水。荷蘭主要以地下水為主，地下水的利用率極高，為了更好地對地下水進行管理，荷蘭建立了地下水稅，限制了地下水的使用量。英國提出了風險決策的概念，建立地下水保護區是地下水管理的重要措施之一。德國通過限制地下水的開采量從而達到地下水管理的目的[19]。

國內的地下水安全保障模式是以不同區域需水量和地下水水位作為地下水管理及開發利用的控制性指標[20]，從社會經濟、技術水平、環境等多個角度為限制條件構建的保障地下水安全的開采方案集合[21]。

3.2 基于“總量+水位”雙控的地下水安全保障模式

地下水安全保障模式的關鍵在于通過約束條件控制地下水的開發利用，使含水層達到安全狀態[22]。構建地下水安全保障模式的前提是預測研究區的需水量，擬定不同的地下水開采方案，計算地下水允許開采量，并通過“以量定位”的原則，劃定地下水控制性關鍵水位，采用水量均衡法對地下水資源量進行評價，包括天然補給量、激發補給量和儲存量，強開放邊界旱灌區的地下水位主要受降水量、側向徑流量和開采量影響，并考慮約束條件，建立地下水總量、地下水水位及約束條件之間的關系，數學方程如下式。

(1)

以地下水水位為控制性指標，保證地下水水位埋深不得超過含水層厚度的2/3，且含水層不能遭到破壞，滿足當地經濟政策需求，從而構建區域地下水安全保障模式，有利于地下水資源的可持續利用。

4 結 語

國內外對安全開采量的內涵由來已久，對地下水管理國外采用水權和稅法等制度限制開采，近年來國內衍生出的地下水安全保障模式方法單一，提出一種以地下水總量和地下水位雙控管理的地下水安全保障模式。

(1)結合強開放邊界灌區特點，明確了安全開采量的內涵。梳理安全開采量的概念和評價方法，技術保障以管井為取水設備，從井的結構、材料、成井工藝3個因素綜合分析，利用Theis公式計算單井的出水量，對其資源量進行了預估和判斷，并考慮經濟效益。

(2)提出了控制性關鍵水位的劃定方法。控制性關鍵水位有3種用途，描述地下水預警狀態；指導地下水開發利用；地下水動態的管理，劃定了11種地下水位，論述了其劃定依據，給出存在的狀態。

(3)提出基于“總量+水位”雙控的地下水安全保障模式。通過在研究區設定不同的地下水開采方案，并通過“以量定位”的原則，對地下水控制性關鍵水位合理的劃分，建立地下水總量、地下水位及約束條件之間的聯系，構建地下水安全保障模式。