長江流域地下水資源量分布特征及開采潛力分析

賈建偉 王棟 何康潔 劉昕

摘要：在長江流域2001～2016年最新觀測資料基礎上，依據平原區及山丘區的類型特征，分別采用補給法和排泄法計算了流域內12個水資源二級區和19個省級行政區內礦化度M小于等于2 g/L的淺層地下水資源量。結合水文地質條件、降水及人類活動等綜合因素，全面論述了長江流域內地下水資源的空間分布特征，并考慮到各地區現階段地下水資源開采量，進一步分析了不同區域的地下水資源開采潛力。分析結果表明：① 對于平原區類型而言，上游流域地下水資源模數均值明顯要高于中下游流域的地下水資源模數均值，長江北岸的地下水資源模數均值大于南岸的地下水資源模數均值;② 對于山丘區類型而言，其地下水資源總量皆遵循自北向南逐漸遞增的趨勢，自上游向下游呈現出先增大后減小的趨勢，而且湖庭湖、鄱陽湖、太湖三大湖區水系的地下水資源總量大于非湖區水系的地下水資源總量;③ 全流域現階段地下水資源開采程度偏低，對應的開采潛力較大，僅河南省出現了地下水資源超采的現象。

關 鍵 詞：地下水資源量;地下水資源時空分布特征;地下水資源開采潛力;補給法;排泄法;長江流域

中圖法分類號：TV211.1+2

文獻標志碼：A

文章編號：1001-4179（2021）09-0107-06

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2021.09.017

0 引 言

地下水資源是儲存于地表以下巖土空隙中的飽和重力水，作為自然界水循環的重要組成部分，地下水資源具有流動性和可恢復性的雙重特征[1-3]。近年來，隨著人口的快速增長和地表水污染問題的加劇，地下水資源已逐漸成為居民生活用水的重要來源[4-6]。為了更加高效地利用地下水資源，需先對其“質”和“量”的時空分布特性及對應的開發利用條件進行科學分析，以便為制定合理的水資源配置方案提供理論依據[7-9]。

目前，針對地下水資源量分析及方法已有大量研究。其中，關于分析方法方面的研究，大致可分為以下兩類。

（1）第1類為傳統計算方法，包括了水均衡法、排泄法、解析法、數值法、隨機模型法及開采實驗法等[10-13]，這類方法大都是通過對研究區域內的水文地質條件進行必要性概化，并結合直接觀測數據來估算地下水資源量，以分析地下水資源量的時空分布特征[14]。

（2）第2類為基于遙感大數據的分析方法，包括了熱紅外法、水文地質遙感信息分析法、環境遙感信息分析法、遙感綜合評估法及重力衛星法等[15-18]。這類方法可以在短時間內收集研究區域內的海量數據，具有成本低、實時性強等優點。然而，遙感技術作為水文數據的間接觀測手段，其探測精度難以得到有效保證，有時甚至無法實現水量平衡[19]，因此現階段開展的地下水資源量分析仍采用傳統方法為主。

本文在長江流域2001～2016年最新觀測資料基礎上，將長江流域劃分為平原區與山丘區2種類型，以兩者對應的Ⅲ級類型區作為基本計算單元，分別采用補給量法及排泄法來研究流域內地下水資源量的空間分布特征;并將研究結果與各地區地下水資源開采程度相結合，綜合分析了長江流域內12個水資源二級區和19個省級行政區的地下水資源開采潛力。在“長江大保護”背景下，本文研究成果可為長江流域水資源綜合規劃及地下水可持續利用方案的制定提供重要參考。

1 研究區域概況

長江發源于青海省唐古拉山脈中段格拉丹冬雪山西南側，干支流流經青海省、西藏自治區、四川省、重慶市、江西省及江蘇省等19個省、市、自治區，最終在上海市匯入東海;流域面積178.4萬km2，全長6 300余km。長江流域地處中國中南部，整體位于24°30′～35°45′N，90°33′～122°25′E之間。流域整體地勢西高東低，上游主要為山丘區，平原區主要集中在長江中下游，山丘區和平原區的面積分別為161.7萬km2和16.7萬km2。

根據地形地貌特征和水文地質條件，長江流域可大致劃分為平原區和山丘區2種基本類型。其中，山丘區地下水以基巖裂隙水和巖溶水為主，前者主要分布在川西、桂西、湘西北、黔北地區;而后者在流域內大部分省（區）均有分布;基巖裂隙水和巖溶水2種地下水礦化度普遍小于1 g/L。平原區地下水則以松散巖類孔隙水為主，在流域內均有分布。考慮地形、地貌、水文地質條件等因素，平原區通常劃分為一般平原區和山間平原區，山丘區通常劃分為一般山丘區和巖溶山丘區。長江流域地下水資源Ⅱ級類型區分布如圖1所示。

2 地下水資源量分析

2.1 計算方法和數據來源

本文主要分析長江流域礦化度M不大于2 g/L的淺層地下水資源量。在山丘區及平原區分類的基礎上，進一步綜合考慮地形、地貌、水文地質條件及水資源分區等重要因素，研究將平原區劃分為一般平原區及山間平原區2種Ⅱ級類型區，將山丘區劃分為一般山丘區和巖溶山區2種Ⅱ級類型區。而一般平原區又可劃分為162個Ⅲ級類型區，山間平原區可劃分為78個Ⅲ級類型區，一般山丘區可劃分為422個Ⅲ級類型區，巖溶山區可劃分為168個Ⅲ級類型區，全部共計830個Ⅲ級類型區，本研究將Ⅲ級類型區作為基本計算單元。

針對平原區地下水，研究采用補給量法進行計算，并統計其對應的排泄量，以便進行水量均衡分析。而對于山丘區地下水，采用排泄法進行計算，并以總排泄量來表示山丘區地下水資源量。為確定各區域對應的地下水類型，本次研究以縣級行政區及水資源三級區套地級行政區為分區單元，當分區單元均為單一平原區或山丘區時，該分區單元地下水資源量無重復計算量;而當分區單元包括平原區和山丘區2種地下水類型時，考慮到平原區的部分補給量來源于山丘區的排泄量，因此該類區域進行分區單元地下水資源量計算時，需要從平原區和山丘區的地下水資源量之和中扣除2者的重復計算量，計算公式如式（1）所示。

式中：Qf、Qp、Qs、Qc分別為分區、平原、山丘及重復地下水資源量，重復計算項主要由以下2個部分組成：

（1）第1部分是平原區地下水資源中的山前側向補給量，該部分水量又作為排泄量計入山丘區的地下水資源量中;

（2）第2部分是平原地表水體中由山丘區河川基流量組成的部分。

因此，兩者重復計算量可用式（2）進行計算。

式中：Qcb、Qjb分別為平原區山前側向補給量、山丘區河川基流形成的平原區地表水體補給量。最終，本文依據分區單元的地下水資源量分析成果，統計了長江流域各水資源二級區和省級行政區的地下水資源量。

2.2 地下水資源分布特征

基于長江流域各Ⅲ級類型區2001～2016年水文氣象資料及水文地質參數，分別采用補給量法和排泄量法分析各計算單元平原區和山丘區的地下水資源量;據此推求各分區單元的地下水資源量;最后依據分區單元的地下水資源量分析成果，統計了長江流域各水資源二級區和省級行政區的地下水資源量;同時，分別從平原區、山丘區及地下水總量3個方面，分析了流域內地下水資源量的空間分布規律。表1和表2分別列出了不同水資源二級區及省級行政區地下水資源量和地下水資源模數的計算結果。

其中，平原區作為長江流域內地下水資源的富集區，地下水資源量為250.2億m3，是長江流域地下水源工程取水的重要來源。平原區地下水資源量模數空間分布的基本特征是：上游流域模數均值顯著高于中下游流域的模數均值，長江北岸的模數均值大于南岸的模數均值。具體來看，上游流域地下水資源模數均值為41.5萬m3/km2，中游流域相應均值略小于下游流域的模數均值，兩者分別為19.7萬m3/km2和20.5萬m3/km2;長江北岸除漢江流域對應的模數較小，僅為18.0萬m3/km2以外，岷沱江及嘉陵江流域的模數均值均大于40.0萬m3/km2，而南岸不同流域對應的模數相差不大，整體處于20.0萬m3/km2附近。從省級行政區來看，陜西省及四川省的地下水資源模數顯著高于其他省份的模數，分別為44.1萬m3/km2和40.6萬m3/km2;河南省的模數最低，僅為14.6萬m3/km2，其余省份對應的模數相差不大，整體處于18.0萬～24.0萬m3/km2之間。

水資源二級區及省級行政區對應平原區地下水資源量占比如圖2所示。圖2的結果表明：盡管長江上游流域對應的平原區地下水資源模數較大，但占平原區地下水總量之比較小，僅為9.4%;而中游流域雖然地下水資源模數最小，但占總量之比最大，為57.2%;下游流域次之，占比為33.5%。具體來看，所有水資源二級區中以湖口以下干流區占比最大，為18.8%，嘉陵江流域占比最小，為0.3%;而省級行政區中以湖北省占比最大，為30.3%，陜西省占比最小，為2.6%。

對于山丘區而言，地下水資源量為2 213.5億m3，遠大于平原區，但多數地區山丘區地下水資源模數會小于平原區，以嘉陵江流域差異最大，山丘區地下水資源模數僅為平原區的1/5。而從地下水空間分布特征來看，山丘區的地下水資源模數自北向南呈現出遞增的趨勢，自上游向下游呈現出先增大后減小的趨勢。具體來看，上游流域的地下水資源模數均值為11.6萬m3/km2，中游流域的地下水資源模數均值為17.8萬m3/km2，下游流域的地下水資源模數均值為12.9萬m3/km2，長江北岸的地下水資源模數均值為11.4萬m3/km2，南岸的地下水資源模數均值為17.4萬m3/km2。從水資源二級區的角度來看，以鄱陽湖水系的地下水資源模數最高，為24.1萬m3/km2，金沙江石鼓以上河段的地下水資源模數最低，僅為7.0萬m3/km2;而從省級行政區的角度來看，福建省的地下水資源模數最高，為31.4萬m3/km2，青海省的地下水資源模數最低，為4.9萬m3/km2。

水資源二級區及省級行政分區對應的山丘地下水資源占比如圖3所示。由圖3可以看出：與平原區不同，長江流域上游及中游流域占山丘區地下水總量之比相差不大，分別為48.8%及47.6%;下游流域山丘區的地下水占比最小，僅為3.6%。從水資源二級區的角度來看，洞庭湖水系的山丘區地下水資源量占比最大，為20.9%;太湖水系的最小，為0.5%。而從省級行政區的角度來看，四川省的地下水資源量占比最大，為24.83%;廣東省的地下水資源量最小，為0.04%。

綜合來看，長江流域地下水資源量為2 449.7億m3。就地下水資源模數而言，上中游流域以山丘區類型為主，地下水資源總量模數與山丘區地下水資源總量模數相差不大，下游流域對應的平原區地下水資源占比大，總量模數與山丘區的存在一定差異，但空間分布仍然遵循自北向南逐漸遞增的趨勢，自上游向下游呈現先增大后減小的趨勢，而且三大湖區水系均大于其他非湖區水系。具體來看，上游流域地下水資源模數均值為11.7萬m3/km2，中游流域地下水資源模數均值為17.9萬m3/km2，下游流域的地下水資源模數均值為15.5萬m3/km2;長江北岸的地下水資源模數均值為11.9萬m3/km2，長江南岸的地下水資源模數均值為18.6萬m3/km2;三大湖區水系模數均值為20.2萬m3/km2，非湖區水系模數均值為12.6萬m3/km2。從水資源二級區的角度來看，鄱陽湖水系的地下水資源模數最高，為23.6萬m3/km2，金沙江石鼓以上河段的地下水資源模數最低，為7.0萬m3/km2;從省級行政區的角度來看，福建省的地下水資源模數最高，為31.4萬m3/km2，青海省的地下水資源模數最低，為4.9萬m3/km2。

各水資源二級區及省級行政分區對應的全區地下水資源占比如圖4所示。由圖4可以看出：與山丘區類似，長江流域地下水總量主要來源于上游及中游流域，兩者占比分別為44.90%及48.60%，下游流域的地下水總量占比較少，僅為6.50%。從水資源二級區的角度來看，洞庭湖水系的地下水總量占比最大，為20.10%，太湖水系的地下水總量占比最小，為1.90%;而從省級行政區的角度來看，四川省的地下水總量占比最大，為23.26%，廣東省的地下水總量最小，為0.03%。

2.3 開采潛力分析

地下水可開采量是指在一定時期內，在保證經濟合理、技術可行且不引起生態環境惡化的前提條件下，從地下含水層中獲取的最大水量，具體計算公式如式（3）所示。本次研究重點調查了平原區礦化度M小于等于2 g/L的淺層地下水可開采量，基于相關各省水利廳匯編提供的2001～2016年地下水實際開采量，計算了長江流域內各分區地下水開采系數（Kc，地下水實際開采量與可開采量之比），并以此分析了各地區的地下水資源開采潛力，分析結果如圖5所示。

式中：Qk、Qz、Qb分別為平原區地下水可開采量、地下水總補給量、不允許襲奪排泄量;Ω為不允許襲奪系數，對于長江流域，一般取0.4～0.6;Qz、Qb中各項量可采用分析單元的平原區地下水資源量成果。

一般認為，當Kc為1時，地下水資源開采達到平衡，對應的開采潛力為零;當Kc小于0.3時，地下水資源開采潛力極大;而當Kc大于1.2時，則地下水超采嚴重[20]。圖5結果表明：從水資源二級區的角度來看，嘉陵江、漢江和岷沱江流域對應的平原區淺層地下水開采率均高于長江流域均值19.9%，三者分別為40.0%，45.4%和31.3%，其余分區則顯著低于均值，地下水開采潛力極大，其中，以太湖水系最低，僅為0.8%;而從省級行政區的角度來看，四川省、湖南省及河南省對應的平原區淺層地下水開采率高于長江流域均值，三者分別為32.4%，22.2%和122.4%，其余省及直轄市則顯著低于均值，其中，浙江省、上海市無淺層地下水開采。整體來看，除四川省和河南省以外，其余省份的地下水資源開采潛力較大，河南省的地下水則存在超采嚴重的問題。

對于長江流域，主要以利用地表水為主，近年來地下水開采量呈逐年減小的趨勢。在“長江大保護”的背景下，結合長江流域各水資源二級區和省級行政區地下水資源量可開采量及實際開采情況，漢江流域應密切關注地下水的開采情況，對于地下水超采區，應逐步減采、限采地下水資源，保證地下水位的恢復;其余地區應有節度地利用地下水資源，同時關注地下水資源的恢復情況，避免出現超采現象。隨著水資源剛性約束制度的建立，應嚴格實施河流和區域用水總量控制，按照流域水量分配方案的要求，合理利用地下水資源。

3 結 論

本文分別研究了長江流域內12個水資源二級區和19個省級行政區內礦化度M不大于2 g/L的淺層地下水資源量的空間分布特征，并結合平原區實際地下水開采量，分析了各地區對應的開采潛力，得出的具體結論如下。

（1）針對平原區而言，上游流域地下水資源模數均值要顯著高于中下游流域的地下水資源模數均值，長江北岸的地下水資源模數均值大于南岸的地下水資源模數均值。從水資源二級區的角度來看，嘉陵江流域對應的平原區地下水資源模數最高，漢江流域的地下水資源模數最低;從省級行政區來看，長江流域陜西省的平原區地下水資源模數最高，河南省的地下水資源模數最低。

（2）山丘區與地下水總量的空間分布特征相似，皆遵循自北向南逐漸遞增的趨勢，自上游向下游呈現先增大后減小的趨勢，而且湖區水系大于非湖區水系。其中，從水資源二級區的角度來看，以鄱陽湖水系的山丘區及地下水總量模數最高，金沙江石鼓以上最低;從省級行政區的角度來看，以福建省的最高，青海省的最低。

（3）整體來看，現階段長江流域地下水開采程度偏低，開采潛力較大。從水資源二級區的角度來看，僅嘉陵江、漢江和岷沱江平原區淺層地下水開采率高于長江流域均值;從省級行政區的角度來看，四川省、湖南省、河南省3個省份對應的開采率較高，特別是河南省，存在地下水超采問題。

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（編輯：趙秋云）