地下水超采區評價方法芻議

陳 飛，丁躍元，于麗麗，唐世南，孫逢玥，吳一凡，劉 飛

(1.水利部水利水電規劃設計總院，北京 100120;2.鄭州大學，河南 鄭州 450001)

地下水具有重要的資源供給與生態維系功能，在保障居民生活和生產供水、維持地表植被、調節江河徑流、維系生態環境方面具有不可替代的作用。一些地區長期過量開采地下水，導致地下水嚴重超采，并引發或加重了地下水資源枯竭、生態系統退化等問題，給經濟社會可持續發展和生態環境帶來了嚴重危害[1- 4]。國家高度重視地下水管理與保護，明確要求開展地下水超采治理[5- 6]。治理地下水超采問題，首先要準確地掌握地下水超采狀況，摸清地下水超采范圍，核定地下水超采量。水利部先后組織開展了兩次全國地下水超采區評價工作，制定出臺了地下水超采區評價標準，明確了地下水超采區評價方法，為推進地下水超采治理、加強地下水管理與保護奠定了基礎[7- 9]。

隨著地下水超采治理工作不斷推進，超采區治理成效逐漸顯現。為了更新超采區范圍，一些地區啟動了新一輪地下水超采區評價工作。筆者在開展超采區評價工作中，發現現有標準中地下水超采區評價方法存在若干問題或值得商榷之處。本文以最近開展的京津冀地下水超采區評價工作為基礎，圍繞地下水超采區評價方法，分析了現有標準中可能存在的問題，并針對上述問題開展了技術分析與論證，提出了地下水超采區評價方法完善建議，以更合理地完成京津冀超采區評價以及支撐新一輪全國地下水超采區評價工作。

1 現行地下水超采區評價方法

根據GB/T34968—2017《地下水超采區評價導則》(以下簡稱《導則》)，現行的地下水超采區評價方法主要有三種，分別為開采系數法、水位下降速率法和引發問題法[10]。《導則》規定，在劃定超采區時，應同時采用上述3種方法，并在3種方法劃定結果基礎上綜合判定超采區范圍。3種評價方法與綜合判定方法具體如下：

1.1 開采系數法

以區域的地下水開采系數判斷其是否存在超采問題，若地下水開采系數大于1，則認為存在超采；否則不超采。計算時宜以行政區或地下水開采區作為計算單元，以經過批復的地下水資源評價成果為依據確定地下水可開采量，評價期內資源狀況發生重大變化的應進行補充計算。地下水開采系數為地下水實際開采量與可開采量的比值，可按式(1)計算。

(1)

1.2 水位下降速率法

以區域地下水水位下降速率判定超采情況，若因地下水開采造成地下水水位呈持續下降趨勢，則認為存在超采；否則不超采。以水位下降速率為標準進行劃分時宜以水文地質單元作為計算單元，可與行政區相結合。根據同一監測站在評價期初和評價期末相同監測時段的水位值，計算評價期水位變化速率。各監測站地下水水位年均變化速率可按式(2)計算。

(2)

式中,v—地下水水位年均下降速率，m/s；H1—評價期初地下水水位,m；H2—評價期末地下水水位,m；Δt—評價期時間段長度，a。

1.3 引發問題法

因地下水開發引發了一定的生態地質環境問題，則判定為地下水超采區。以地面沉降為例，通過年均沉降速率判定是否超采，若年均沉降速率大于0，則判定為超采區。年均地面沉降速率可按式(3)計算。

(3)

式中,va—評價期內年均地面沉降速率，mm/a；Δh—評價期內地面沉降量，mm；Δt—評價期時間段長度，a。

1.4 超采區綜合判定

在綜合確定地下水超采區范圍時，采用上述三種不同評價方法初步圈出的超采邊界進行疊加，圈出圍括最大面積的外包線。綜合考慮地下水開發利用實際情況、水文地質條件、超采區劃分精度、基礎資料的可靠性、評價期前地下水超采情況等因素，對圈出的邊界進行調整和修正，確定超采區分布范圍。

2 存在問題與完善建議

2.1 關于地下水開采系數法

在使用地下水開采系數法時，《導則》規定“采用自現狀年前不短于10a的資料系列”“評價期內年均地下水實際開采量”。在實際評價工作中發現，若嚴格按照評價期內年均地下水實際開采量來計算地下水開采系數，對于一些區域會出現不適用的問題，不能客觀反映評價期內降水的豐枯變化，以及近年來各地開展的地下水超采治理工作對開采量的影響，易出現評價結果偏大或者偏小的情況。

以天津市為例，若按照《導則》規定的不短于10a的系列(2001—2017)平均值分析計算超采量，則得出其深層承壓水年均超采量為3.13億m3[11]。但是，考慮到天津市近年來深層承壓水開發利用量呈遞減趨勢，如圖1所示，使用不短于10a的系列(2001—2017)平均值分析計算的超采量顯然不能反映當前最新的超采狀況。按照最近幾年系列(2015—2018年)地下水開發利用情況評價超采量結果為1.74億m3，更符合實際超采狀況。

相對風險度(Relative Risk, RR)是借用流行病學中“相對危險度”的概念，指在其他條件一定時，特定人群人均醫藥費是觀察人群人均醫藥費的倍數[7]。為消除不同人群收入差異的影響，以矯正相對風險度來反映不同收入水平人群之間疾病經濟風險的高低[8]。

鑒于此，建議在地下水開采系數法中，使用地下水開采量計算開采系數時，應綜合考慮評價期內降水豐枯變化、地下水開采利用情況變化，以及地下水超采治理效果，具體可分為以下兩種情況進行分析：

(1)評價期內地下水開采量基本穩定(或波動穩定)

可按照評價期地下水開采量平均值作為評價期地下水實際開采量，進行開采系數計算；

(2)評價期內地下水開采量單調遞減(或遞增)

這種情況符合目前大多數地區地下水開采量變化趨勢。為反映最新的地下水超采情況，應結合降水豐枯情況，選擇最近的2～3a地下水開采量平均值，計算地下水開采系數。

圖1 天津市深層承壓水開發利用情況

2.2 關于地下水水位下降法

按照《導則》規定，當使用地下水水位下降法，計算年均水位下降速率時，使用評價期初和評價期末直接相減后除以時段長度得到。可以看出，計算結果反映了地下水水位在評價期初和評價期末兩個時間點的變化情況，但并沒有體現評價期內地下水水位變化過程，不足以全面反映地下水水位變化趨勢。以北京市為例，如圖2所示，若以評價期初和評價期末時間點來分析的話，地下水水位處于下降態勢，但2014年南水北調通水后，北京市地下水水位下降趨勢得到遏制，很多區縣地下水水位在2014年后呈持續回升狀態[12]。在評價期后半段，降水總體為平水情況下，對于地下水水位持續回升3a以上的地區，地下水已經處于采補平衡甚至補大于采的狀態，筆者認為可以不判定為地下水超采區。

圖2 北京市部分地區地下水水位變化情況

因此，建議在地下水水位下降法中，計算地下水水位下降速率時，應綜合考慮評價期內降水豐枯變化、地下水水位變化過程。一般情況下，評價期內地下水水位變化趨勢存在下列幾種情況：①基本穩定(或波動穩定)；②持續回升(或波動回升)；③持續下降(或波動下降)；④先降后升；⑤先升后降。

對于前三種情況，可采用式(2)計算地下水水位變化速率，并據此判定超采狀態；對于第④、⑤種情況，應分析評價期地下水水位變化過程，在評價期內選擇合理的時段，結合降水豐枯變化、地下水超采治理成效，綜合判定地下水是否超采。

2.3 關于引發問題法

對于引發問題法評價地下水超采區及其分級標準，《導則》規定：因地下水開采引發了地面沉降，年均地面沉降速率大于10mm/a為嚴重超采區，其他為一般超采區。

而自然資源部相關文件關于地面沉降的判定和分級標準主要包括兩種，具體如下：

(1)根據DZ/T 0286—2015《地質災害危險性評估規范》，將地面沉降發育程度分級如下[13]：①沉降速率≤10mm/a，發育程度為弱；②10mm/a<沉降速率≤30mm/a，發育程度為中等；③沉降速率>30mm/a，發育程度為強。

(2)根據自然資源部地面沉降年報，按照沉降速率將地面沉降劃分為4個級別：①沉降速率<10mm/a，為穩定或輕微沉降區；②10mm/a≤沉降速率<30mm/a，為一般沉降區；③30mm/a≤沉降速率<50mm/a，較嚴重沉降區；④沉降速率≥50mm/a，嚴重沉降區。

可以看出，《導則》中規定的地面沉降判定超采及其分類標準，與自然資源部門現行的地面沉降判定和分級標準存在較大出入。作為地面沉降防治主管部門的自然資源部，將地面沉降速率大于30mm/a作為(較)嚴重地面沉降(或強發育程度)的判斷標準，而《導則》中規定地面沉降速率大于10mm/a為嚴重超采區，其他為一般超采區。超采區判定和分類所依據的地面沉降標準與地面沉降判定和分類標準不一致，由此確定的超采區范圍恐不能科學準確地反映地面沉降這一重要因素。建議參照自然資源部門地面沉降判定和分級標準，將《導則》中規定的“地面沉降速率大于10mm/a為嚴重超采區，其他為一般超采區”修改為“地面沉降速率大于30mm/a為嚴重超采區，地面沉降速率大于10mm/a為一般超采區”。

2.4 關于超采區綜合判定方法

根據開采系數法、水位下降速率法、引發問題法3種方法劃定結果，綜合確定地下水超采區時，《導則》采用的是將3種方法確定的超采區邊界進行疊加、并入，圈出圍括最大面積的外包線，然后對圈出的邊界進行調整和修正，綜合確定超采區分布范圍。

根據京津冀地下水超采區劃定工作經驗，經過近幾年的超采治理，很多地區地下水水位呈持續上升態勢，但是可能仍然存在地面沉降問題，即地下水水位變化方法與地面沉降方法確定的超采區范圍存在不一致的情況。筆者認為，在這種情況下，不同方法判定超采區范圍出現不一致的情況時，不宜將3種方法確定的超采區進行簡單疊加、并入，而應以地下水水位動態作為主要的判斷因素，對超采區綜合界定方法進行細化修訂，明確綜合確定步驟。尤其是對于引發問題法劃定結果的處理上，考慮到地面沉降、地裂縫等地質環境問題不一定完全與地下水開采相關，因此在地下水水位持續回升、地下水開采量小于可開采量的情況下，對于存在較弱地質環境問題的區域，可考慮不再劃定地下水超采區。

2.5 關于地下水超采量計算方法

計算地下水超采量，根據超采區的地下水開采量與可開采量做差求得。在確定超采區的地下水開采量時，同理應參照本文2.1中地下水開采系數法的修改完善建議，綜合考慮評價期內地下水開采利用變化過程及降水豐枯情況合理確定。若評價期內地下水開采量基本穩定(或波動穩定)，可按照評價期地下水開采量平均值作為評價期地下水實際開采量；若評價期內地下水開采量單調遞減(或遞增)，應選擇最近的2～3年地下水開采量平均值。

3 結論

科學劃定地下水超采區、準確計算地下水超采量是開展地下水超采治理與管理的前提。目前，《導則》規定的開采系數法、水位下降速率法和引發問題法3種超采區劃定方法和地下水超采量計算方法存在一些不足，本文分析了各種評價方法存在的問題并給出了完善建議：在計算地下水開采系數和地下水超采量時，應綜合考慮評價期內地下水開采利用變化過程，合理確定地下水開采量；計算地下水水位下降速率時，應分析評價期地下水水位變化過程，在評價期內選擇合理的時段，計算地下水水位下降速率；在引發問題發時，建議將地面沉降判定分級標準和自然資源部門銜接一致；綜合劃定地下水超采區時，不宜將不同方法確定的超采區進行簡單疊加、并入，建議以地下水水位動態作為主要的判斷因素。本文提出的超采區評價方法完善建議，有助于更加合理地評價超采區，給各地超采區評價工作提供參考和借鑒，支撐地下水超采治理工作。