京津冀超采治理區地下水位預警研究

朱靜思，王 哲，厲治平

(水利部海河水利委員會水文局，天津 300170)

華北地區由于長期大規模開采地下水，地下水累計虧空量達1800億m3，導致地下水位下降、河湖水面萎縮、地面沉降、海水入侵等生態赤字[1- 2]。2019年1月，水利部聯合四部委印發了《華北地區地下水超采綜合治理行動方案》，以京津冀地區為治理重點，通過節水、結構調整等措施壓減地下水超采量，同時多渠道增加水源補給，切實解決華北地區地下水超采問題。在當前政策背景下，如何客觀反映治理成效，支撐管理部門科學決策，是推動行動方案有效落實的關鍵。

國內外在地下水預警方面開展了大量研究工作，主要方法有統計法、數值模擬法、多元回歸法、神經網絡法等。李文鵬等[3]借鑒美國地質調查局在賓夕法尼亞的地下水預警方法，應用統計法對北京平原區地下水水位實時監測數據進行預警等級判定，分別形成潛水、承壓水含水層地下水區域預警結果；王俊等[4]應用多元回歸方法對地下水位變化與降水量、取水量之間的關系進行了回歸分析，分別提出了靜態警戒線和動態警戒線；龍胤慧等[5]基于地下水動力學原理，從地下水動態均衡角度對半干旱平原區劃定了地下水位適宜變幅；李明良[6- 7]等以河北石家莊為例，提出了水位變幅和臨界水位雙控指標的地下水“紅黃藍”線劃分標準。

由于地下水位是可觀測、可計量的物理數據，是評價區域地下水動態最直接、最客觀的指標，因此地下水超采治理成效主要通過水位修復來反映。為了動態評估京津冀超采治理區地下水水位變化，預防地下水超采加劇，有必要對華北超采區地下水水位變化情況開展預警研究。為與地下水管理工作有效銜接，本文以京津冀超采治理區作為研究區，采用數理統計方法開展現狀地下水位預警研究，提出地下水位預警閾值，為支撐超采區地下水科學監管提供依據。

1 研究區概況

京津冀超采區地下水類型分為淺層和深層地下水。根據2012年全國超采評價成果，淺層地下水超采區位于華北西部太行山、燕山山前平原，涉及北京、保定、石家莊、邢臺、邯鄲等地區，主要開采潛水和弱承壓水，大部分地區為一般超采區；深層地下水超采區位于中東部平原，涉及天津、廊坊、滄州、衡水、邢臺、邯鄲等地區，主要開采深層承壓水，大部分地區為嚴重超采區。京津冀淺層地下水受降水和開采影響水位動態變化較明顯，其中人工開采是主導因素[8- 9]；深層承壓水動態變化主要受開采影響。一般年最低水位在5—6月，年最高水位在8—9月。京津冀地區近10年來地下水供水量呈下降趨勢，年均下降率約1.5%[10- 13]。

京津冀超采區地下水含水層主要為平原區松散巖類孔隙含水巖系[14]。潛水與弱承壓水含水層組埋藏于第四系頂部第Ⅰ、Ⅱ含水層組，底板埋深一般為40～60m，巖性為卵礫石、中粗砂、中細砂及粉細砂。深層承壓水含水層組由第Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ含水層組構成。在山前平原，深層承壓水賦存于第Ⅲ和第Ⅳ含水巖組，頂界深度為80～150m，底界為第四系底板，深度一般為140～350m；中部和東部承壓含水層位于咸水體之下，底板埋深350～550m，含水層累計厚200～400m[14- 15]。

2 計算方法

本文采用數理統計百分位法確定區域埋深預警閾值。由于各監測點的水位數據所采用的高程系不統一，因此本文采用埋深作為預警指標，便于統一分析。百分位法是將數據序列進行頻率分析，第n百分位數表示至少有n%的埋深數據大于或等于該值，且有(100-n)%的埋深數據小于該值[1]，水位則相反。具體計算方法如下：

(1)選擇具有長系列監測數據的地下水監測井作為代表井，對埋深時間序列數據進行逐月統計排頻，分別計算各月5%、10%、25%的百分位數埋深及最小值，形成逐月埋深預警判據。

(2)根據各監測井實時埋深監測數據，按照預警判據判定地下水埋深的預警等級，得到單井預警結果。

(3)根據各監測井所處的含水層區域，通過插值形成淺層、深層含水層區域埋深預警結果。

(4)進行逐月計算，形成動態預警結果。

埋深預警閾值標準為：①最小值至5%的區間為紅色預警區，表示緊急狀態；②5%～10%的區間為黃色預警區，表示干旱狀態；③10%～25%的區間為藍色預警區，表示低于正常狀態。

根據歷史資料的代表性，淺層超采區選擇290眼監測井，深層超采區選擇460眼監測井。由于2014年南水北調通水后，北京、天津、河北一些地區地下水水位持續回升，因此根據京津冀地下水超采治理開展情況，選擇數據系列年份為2014—2019年。

3 預警判據

根據預警閾值計算方法，逐月計算京津冀淺層，深層超采區藍色、黃色、紅色三級埋深預警閾值，形成淺層、深層超采區月埋深預警判據，如圖1—2所示。表1為月埋深預警閾值。

(1)京津冀淺層超采區地下水埋深的歷史極低值在70～80m范圍內，紅色預警范圍平均為42～72m，黃色預警范圍平均為36～42m，藍色預警范圍平均為26～36m。

(2)京津冀深層超采區地下水埋深的歷史極低值在100～110m范圍內，紅色預警閾值平均為96～104m，黃色預警閾值平均為87m～96m，藍色預警閾值平均為73m～87m。

由圖1—2可知：淺層地下水水位波動較明顯，在一個水文年內有2個上升期和2個下降期。3—6月水位呈波動下降，7—9月水位呈波動上升，9—10月水位下降，11月—次年2月水位呈波動上升。深層地下水水位基本穩定，3—6月為水位下降期。

圖1 淺層地下水逐月埋深預警判據

圖2 深層地下水逐月埋深預警判據

表1 月埋深預警閾值

4 預警成果及分析

以京津冀超采治理區2018、2019、2020年1月平均埋深作為現狀埋深，按照預警判據確定各監測井預警等級。根據監測井所處的層位，分析形成淺層、深層含水層的區域預警結果，如圖3—4所示。

(1)根據淺層埋深預警結果：預警地區主要位于河北保定東南部、石家莊東部、邢臺西部，淺層地下水埋深較大。2018年1月，保定容城縣、安新縣、蠡縣，石家莊部分城區、趙縣，邢臺部分城區處于紅色預警區，表明這些地區地下水位已達到了歷史水位低值前5%范圍以內；2019年1月，紅色預警區域縮小，僅石家莊部分城區、趙縣處于紅色預警區；2020年1月，紅色預警區域進一步縮小，石家莊城區局地、邢臺部分城區處于紅色預警區。

(2)根據深層埋深預警結果：預警地區主要位于河北滄州、衡水的東部地區，深層地下水埋深較大。自2018年1月至2020年1月，達到紅色預警閾值的單井較少，未形成紅色預警區域。在衡水市東南部分地區地下水水位呈下降趨勢。

圖3 京津冀超采區淺層埋深預警結果

圖4 京津冀超采區深層埋深預警結果

近年來受地下水壓采和生態補水的影響，京津冀淺層含水層地下水水位回升態勢明顯，但深層含水層由于地表水補給緩慢、地下水持續開采等原因，水位變化不顯著，衡水部分地區水位呈下降的趨勢。通過以上分析，利用預警成果可以有效識別不同含水層區域的地下水現狀埋深特征和變化趨勢。

5 結語

(1)本文以京津冀超采治理區為研究區，采用數理統計百分位法，以地下水埋深系列的5%、10%、25%作為紅、黃、藍三級埋深預警閾值，形成了逐月預警判據，為準確識別地下水位變化，支撐地下水科學監管提供了依據。

(2)根據2018年以來監測數據預警分析成果，京津冀超采治理范圍內保定東南部、石家莊東部、邢臺西部淺層地下水埋深較大，滄州、衡水的東部深層地下水埋深較大，淺層地下水水位回升顯著，深層水位變化不明顯。

為全面反映地下水變化特征，地下水預警需要結合水位、開采量、水質進行綜合預警，下一步筆者將深入探索地下水綜合預警指標體系。