海河平原地下水超采情勢及應對策略探究

孫自森 SUN Zi-sen；孫自友 SUN Zi-you

（①安陽市水資源事務中心，安陽 455000；②常州洛源智能科技有限公司，南京 211100）

0 引言

近年來，受氣候變化和人類活動共同影響，在海河平原形成了世界上最大的“漏斗區”，水資源供需矛盾日益突出。海河平原水資源問題，事關首都水安全和京津冀協同發展，開展地下水超采綜合治理意義重大。2014 年實施了南水北調受水區地下水壓采，隨后國家有關部門組織河北省開展了地下水超采綜合治理試點，2017 年將試點范圍擴大到山東、山西和河南。很多科研工作者也對此進行了有關研究。如，田藝民等[1]分析了黃淮海平原地下水儲量與埋深變化特征；劉蓉等[2]研究了海河平原地下水累計可恢復超采量；王卓然等[3]分析了2021 年強降水對海河平原地下水動態影響；王金哲等[4]對海河平原地下水資源可持續利用前景開展了評價；方樟等[5]從水資源管理者的角度出發，提出了地下水控制性管理水位及閾值的概念與確定方法，為地下水的有效管理找到了一種新的出路。以往研究人員更多關注于地下水超采的成因及變化特征方面，而對于治理措施研究較少。本研究在分析近年來研究者對海河平原地下水超采問題研究的基礎上，系統總結了超采的情勢及成因，重點從工程措施方面探究了地下水超采應對策略，望有助于地下水資源保護。

1 區域水文地質概況

海河平原屬華北平原的組成部分，包括北京、天津、河北三省（市）的全部平原及河南、山東兩省的黃河以北平原區，即海河流域平原區，面積約13.9 萬平方公里。區域地勢平坦，山前平原最高海拔不超100 米，自西、北、南向渤海灣傾斜，海拔高度逐漸降低。地質構造按成因和形態分為山前沖洪積傾斜平原、中東部沖積平原和濱海沖積海積平原。地下含水層根據其埋藏條件和水力性質，自上而下劃分為淺層地下水和深層承壓水。區域屬半濕潤氣候區，多年平均降水量為528mm，每年降雨主要集中在6～9 月，占全年降水量的80%左右。區域內有海河、灤河、徒駭馬頰河等三大水系。近年來，區域降水量總體呈遞減趨勢，空間分布不均，南多北少，且存在旱澇交替現象。

2 地下水超采情勢及成因

海河平原是我國地下水超采非常嚴重的地區之一，經歷多年大規模的開采，深淺層地下水均形成了大面積降落漏斗，淺層漏斗與深層漏斗交織在一起又構成復合型地下水漏斗，由此引發了一系列地質環境問題，深層地下水位下降引起淺層地下水向下越流補給，弱透水層壓縮和地面沉降，咸水下移，海水入侵等[6]。按照中國地質科學院水文地質環境地質研究所的監測情況，海河平原地下水漏斗區在20 世紀70 年代就開始呈現，進入21 世紀后，面積持續擴大，漏斗深度不斷增加。雖然地下水超采治理減緩了地下水位下降趨勢，但地下水降落漏斗的范圍并未縮小；20世紀80 年代至2014 年西部區域淺層地下水持續快速下降，深層地下水總體呈下降趨勢；2014 年南水北調中線工程通水后，西部主要城市地下水位止跌回升，但周邊農業區地下水位仍呈下降趨勢[7]。自1960 年以來，區域淺層和深層地下水累計超采量達1625 億立方米，其中558 億立方米深層承壓水已不可恢復[2]。深淺層地下水已基本無開發利用潛力[8-9]。

自20 世紀70 年代以來，大量河道上游水庫建成蓄水和城區河道景觀建設襯砌河床，致使通過河道補給地下水能力減弱；大量鹽堿地改造和農田水利設施的建設，引起地下水開采量急劇增加。受降水補給持續減少和人類活動共同影響，海河平原地下水系統長期處于采補失衡狀態，其中人工開采地下水是影響區域內淺層地下水的控制因素[10]。區域總用水量中70%來自于開采地下水，而農業開采量占地下水總開采量的近80%[11]。

3 地下水超采應對策略

長期以來人們對于地下水超采治理更多偏向于壓采，但引起地下水超采的原因是氣候變化和人類活動共同作用的結果。在地下水超采治理中，既要通過加大水資源置換、科學建設地下水源熱泵系統等減少對地下水的開采，又要充分利用雨洪資源、蓄水工程等增加補給地下水。

3.1 充分利用雨洪資源補給

暴雨洪水是一種天然優質的地下水補給源，其提升地下水位幅度主要受降雨量的區域分布差異和地下含水層組埋深、巖性結構等入滲補給條件的綜合影響。地下水埋深較小的區域補給路徑短、速度快，地下水位變化響應迅速；地下水埋深較大的區域補給路徑長、速度緩慢，地下水位變化響應滯后。暴雨洪水匯入下游平原河道后，除了天然蒸發外，大部分可補充沿線地下水，抬升區域地下水埋深[12]。但，暴雨洪水補給地下水具有一定的選擇性，易發生在沖洪積平原的河道帶、匯水洼地等易積水且強入滲區域[13]。滲透系數較小的粘土類地層阻隔、地表人為硬化及地層的沉積壓實都會對地下水流場產生消極影響，阻礙地下水的垂向入滲及水平方向的補給[14]，暴雨洪水不僅有利于提升淺層地下水位，而且可以緩解深層水漏斗的擴展，以及對平原地下水補給具有跨年度調節作用[15]。王卓然等[3]在研究了海河平原2021 年強降雨對地下水位的影響后，發現地下水位上升區與降水集中區、低水位區（地下水降落漏斗分布區）分布相一致，且低水位區更有利于獲得持續補給。李曉峰等[16]分析了安陽市“7.19”特大暴雨洪水對安陽市東部平原區地下水的影響后，發現東部平原區地下水位和地下水資源量變化受降雨影響顯著，地下水位響應程度與降雨強度成正比，可能由于受大范圍強降雨影響，地下水位變幅沒有沿河道向兩岸形成遞減的變化趨勢。易積水強入滲河道、匯水洼地是天然的回灌空間，人們應以區域內干、支、斗渠和坑塘為基礎，構建縱橫交錯的水系連通調蓄管網，通過河網的調蓄不僅快速有效地調節和控制區域內地下水位，而且又擴大了灌溉能力。

3.2 規劃實施蓄水工程

海河平原年際豐枯變化大，若要保持雨洪資源持續有效補給地下水，需在入滲條件好的回灌場地，采取較長期的高水頭回灌措施[17]。若要形成持續高水頭水體，需在不影響河道行洪的基礎上，科學建設橡膠壩、水閘等水工程。橡膠壩等水體對傍河區地下水體有明顯的蓄水補源的作用，可有效增加傍河區地下水資源量[18]。河道建壩蓄水后，區域內淺層地下水得到補給，地下水位回升，區域漏斗中心面積縮小[19]，河道泄水后，區域地下水出流，地下水位降低，避免了水工建筑物受地下水侵蝕[20]。加大壩內蓄水量不僅有效提高傍河地區的地下水補給和潛水蒸發量，而且對周邊區域水資源短缺有緩解作用[21]。楊霞等[22]通過分析洹河蓄水工程對地下水的影響后，認為橡膠壩的建成運行，提升了市區地下水位埋深，地下水降落漏斗面積縮小，可以有效補充地下水，抑制了安陽市淺層地下水漏斗的發展。

過去在治理河道時，注重解決防洪問題，采用傳統鋼筋混凝土、漿砌石等構筑防護墻，河道存在“硬化、白化、渠化”現象。只有在不做防滲處理時，河道蓄水才會引起傍河區域地下水位抬升[23]。傳統治理河道方式不僅阻斷了水-土之間的循環交換通道，造成入滲補源條件變差，而且降低了河流生境的多樣性，使河岸生態系統功能遭到破壞。對河道的治理需要綜合考慮防洪與生態功能。

3.3 加大節水和水源置換力度

海河平原是旱作農業區，區域內地下水超采與農業灌溉開采密切相關。面對地下水超采問題，各地已采取有序關閉自備井等措施，減少對地下水的開采，實現了地下水水位顯著回升，地下水降落漏斗面積顯著縮小[24-25]。為保證糧食安全和促進經濟發展，國家提出了節水和增加多渠道水源補給的綜合措施。當前，發達國家農業灌溉已采用噴灌、微灌（滴灌、微噴灌、涌泉灌）等節水措施，美國農業用水效率已達到60%～70%[26]，而我國現狀農業用水效率僅有40%[27]。雖然采用噴灌技術更有利于節水，但我國農民采用噴灌的積極性不高，微噴灌面積僅占有效灌溉面積的3%[28]。華北平原冬小麥生產需要轉變傳統高耗水高產量理念，一方面要充分發揮冬小麥抗旱、耐鹽特點，實施限水灌溉和微咸水利用；另一方面加強節水型社會建設，推廣應用節水灌溉技術。

2014 年南水北調中線工程通水后，水資源短缺的海河平原多了一種水源，各地區城市生活用水、工業用水等由原來地下水置換為南水北調水，減少了對地下水的開采，城市區域地下水位呈現明顯回升。但廣大農村地區依舊在開采深層地下水作為生活用水，深層地下水位仍然呈下降趨勢。對此，應盡快實現城鄉供水一體化，讓廣大農村地區人們盡早用上南水北調水。

3.4 科學建設運營地下水源熱泵系統

近年來，地下水源熱泵系統作為一種新能源利用技術，在國家政策支持下得到了廣泛應用。海河平原區很多城市開發建設了大量地下水源熱泵系統，然而對于資源型缺水地區，其大規模開發利用是否影響地下水系統，特別是回灌對地下水位及水量的變化，科研工作者開展了大量研究。張國建等[29]認為地下水源熱泵系統回灌量的大小，不僅與地層有關，還與成井工藝相關。根據有關文獻分析[30]，成井工藝中的井徑、井深、濾水管孔隙率和抽回灌井數比值是關鍵影響因子。米慶彬等[31]認為在選擇成井工藝參數時，應重點考慮井徑和濾水管孔隙率，不同井徑和孔隙率對地下水系統影響程度差別較大。竇明等[32]研究認為抽水井和回灌井的不同配比對地下水流場影響不同，在井徑和孔隙率不變的情況下，1 抽2 回的配比方式對地下水流場的影響效果最小；另外還發現在其他條件相同的情況下，抽回灌主要通過滲流作用影響地下水流場水位，在抽水井形成降落漏斗，在回灌井形成反降落漏斗，不同抽回灌模式下，單井回灌量越大，回灌井周圍水位變化越明顯，回灌井分布范圍越大，對區域地下水位的影響范圍也越大[33]。王榮彥等[34]發現地下水位較高、成井質量不高、回灌方法不當、回灌井結垢、腐蝕等都會導致地下水回灌不暢，從而造成降落漏斗進一步擴大，出現地面沉降。朱文舉等[35]認為建設地下水源熱泵系統不僅要考慮水文地質條件是否適合，還必須服從當地的水資源管理要求，對于地下水降落漏斗區和重要建筑物區域應劃定為限制發展地下水源熱泵區。

從科研工作者的研究成果中可知，地下水源熱泵系統項目規劃設計不合理和不合理運營都會引發地下水位下降等問題。在規劃建設地下水源熱泵過程中，既要服從當地的水資源管理要求，又要科學規范成井工藝參數、井位布局、運營管理。對于已建成運營的地下水源熱泵系統，應高度警惕因地下水位較高而造成回灌不暢，避免導致降落漏斗擴大。

4 結論與展望

分析發現海河平原地下水超采的情勢仍不容樂觀。盡管一些城區地下水位呈現止跌回升的趨勢，但周邊農業區地下水位仍呈下降趨勢，降落漏斗范圍并未縮小。一方面由于區域降水總體呈減少趨勢，無法充足補給地下水；另一方面由于農業粗放型灌溉，大量取用地下水。研究認為在治理超采措施中要做好四點工作：一是要充分利用雨洪資源補給，完善水系連通體系，將雨洪資源匯入沖洪積平原的河道帶、匯水洼地等易積水且強入滲區域補給地下水；二是要規劃實施蓄水工程，在不影響河道行洪的基礎上，科學建設橡膠壩、水閘等水工程，形成持續高水頭水體持續補給地下水；三是加大節水和水源置換力度，建設節水型社會，推廣應用節水灌溉技術，盡快實現城鄉供水一體化；四是科學建設運營地下水源熱泵系統，在地下水漏斗區和重要建筑物區域限制開發利用地下水源熱泵系統。地下水超采治理是一個系統工程，研究者的成果為今后治理提供了參考，但對于綜合實施效益評價相對較少。望今后多注重綜合效益研究。