上海市地下水管控指標確定方法研究

顧圣隆

（上海市巖土地質研究院有限公司,上海 200072）

0 引言

為深入貫徹落實習近平生態文明思想和關于治水工作的重要論述,踐行水利改革發展總基調,加強地下水監督管理,水利部決定開展全國地下水管控指標確定工作,要求各省級水行政主管部門要按照相關要求,開展地下水取用水總量、水位以及地下水管理控制指標確定工作。

以上海市為例,上海市歷來高度重視地下水管理工作,有效抑制了地面下沉、地下水無序取水等不利情況。但根據相關要求,本市地下水開發和保護工作仍有提升空間,亟待依據相關要求以及本市發展現狀和規劃需求,評估和展望本市及縣域的地下水保護與開發利用,分析確定地下水取用水總量、水位控制等指標,合理制定地下水管控措施。

1 地下水控制目標

1.1 超采區控制目標

1.1.1 劃分依據

根據地下水超采區評價方法[1],結合上海市地質環境和有關評價報告,以引發問題法為主,依據地面沉降發育現狀進行超采區及嚴重超采區劃分,并以開采系數法進行輔助劃定,綜合劃定地下水超采區和嚴重超采區。劃定中心城、寶山區、嘉定區、閔行及浦東新區多年平均地面沉降量超過10 mm/a,參考全國地下水超采區評價技術大綱,劃定為嚴重超采區,其他地區由于也發生不同程度的地面沉降現象,劃定為一般超采區。嚴重超采區總面積2057.9 km2,一般超采區面積4282.6 km2。

再根據上海市第三次全國水資源調查評價成果,根據開采系數法[2]和引發問題法綜合判定上海市為地下水超采區,劃定上海市均為深層承壓水一般超采區。上海市地下水一般超采區面積為6340.5 km2,為特大型地下水超采區,地下水類型為深層承壓孔隙含水層。相比較2013 年劃分標準,劃定上海市無嚴重超采區,一般超采區面積增加。

1.1.2 控制目標

根據開采系數法和引發問題法劃定上海市均為深層承壓水一般超采區。依據地下水超采區評價導則,并結合上海市地下水開采實際情況,將全市第Ⅱ～Ⅴ承壓含水層超采區控制為一般超采區。

1.2 水量控制目標

根據相關規劃要求,上海市淺層地下水及深層地下水開采總量進行控制。規劃淺層地下水2020 年～2030 年度地下水開發利用的總控制目標即目標開采量原則上為0。深層承壓水規劃為2020 年～2030 年,全市地下水年開采量控制在1000 萬m3以內,全市基本實現地下水開采與人工回灌采灌平衡格局。

1.3 水位控制目標

根據規劃要求,將潛水功能區劃分為保留區,原則上地下水基本維持現狀,規劃2020 年～2030 年潛水水位的保護目標基本維持現狀。

隨著城市地面沉降控制目標的提高,對深部各含水層地下水位的分布將有一定要求,根據上海市地面沉降研究[3]及以往研究地面沉降預測成果,第Ⅱ～Ⅴ承壓含水層地下水位控制目標分別為-2 m、-3 m、-10 m、-20 m。

2 指標確定方法分析

2.1 超采區劃分方法

2.1.1 水位動態法

水位動態法[4]是以地下水水位年均下降速率或累計降幅（或疏干率）為評判指標進行超采區劃定的方法。

計算地下水監測井水位（埋深）平均變化速率：統計評價期內各年監測井地下水位（埋深）值,計算其地下水位（埋深）平均變化速率,判斷是否呈持續下降趨勢。

地下水超采區的年均地下水水位變化速率可按式（1）計算：

式中：V為年均地下水水位變化速率,m/a；H1為初始水平年年初地下水位,m；H2現狀水平年年末地下水位,m；T為統計年數,a。

參與計算的水位（埋深）值應統一采用同一時間點的水位（埋深）值或采用年均水位（埋深）值。

上海市區各含水層地下水水位總體呈現上升態勢。其中,淺部潛水含水層水位總體呈現基本穩定或小幅波動的態勢,未出現趨勢性上升或下降的跡象；深部第Ⅳ、Ⅴ承壓含水層地下水水位上升速率相對第Ⅰ～Ⅲ承壓含水層水位上升速率較大。

從圖1 和圖2 統計數據可以看出,由于加強了對地下水開采量的嚴格管控以及回灌制度的實施,地下水采灌比基本上呈逐年上升的趨勢,2011 年本市地下水開采史上首次實現了采灌總量平衡,之后回灌量大幅超開采量,2019 年采灌比高達1∶17.1,通過地下水回灌,有效改善和保護了地下水資源及地質環境。因此,評估全市第Ⅱ～Ⅴ承壓含水層未超采。

圖1 上海市2003 年～2019 年地下水開采情況

圖2 上海市2003 年～2019 年地下水回灌量

2.1.2 開采系數法

開采系數法是以地下水開采系數為判別指標進行超采區劃分的方法。地下水超采區的年均地下水開采系數可按式（2）計算：

式中：K為年均地下水開采系數；Q實采為地下水實際開采量,萬m3；Q可采為地下水可開采資源量,萬m3,見表1。

表1 上海市各行政區含水層開采系數計算 單位：m3

據2019 年度地下水開采量統計,全市取水總量為118 萬m3,其中第Ⅱ～第Ⅴ含水層開采總量分別為27.64 萬m3、0.16 萬m3、50.65 萬m3、39.4 萬m3。2019 年深層承壓含水層地下水資源可采量為2500 萬m3,其中第Ⅱ～Ⅴ含水層可開采資源量分別為216.64 萬m3、498.90 萬m3、992.96 萬m3、791.50 萬m3。

上海市2019 年承壓含水層地下水開采系數為0.05,各區承壓含水層開采系數均小于1.0,地下水凈開采量為負值。綜上所述,依據相關要求及上海市地下水開采實際情況,開采系數法評估全市第Ⅱ～Ⅴ承壓含水層未超采。

2.1.3 引發問題法

引發問題法是以地下水開采誘發的生態與環境地質問題為評判指標進行超采區劃分的方法。

年均地面沉降速率可按式（3）計算：

式中：V沉為年均地面沉降速率,mm/a；Δt為時間段,a；Δh為時間段內的地面沉降量,mm。

通過采取壓縮地下水開采、調整地下水開采層次、開展地下水人工回灌等措施,有效控制了地面沉降速率。2010 年～2015 年年均沉降速率為5.6 mm/a,2016 年～2019 年年均沉降速率為5.1 mm/a。近年來,上海市年均地面沉降控制在6 mm/a以內,地面沉降已得到了有效的控制。

2.1.4 存在的問題

一是對地下水分區、分層的管控還不夠精準；二是局部地區不均勻地面沉降現象仍然存在。

隨著新技術的不斷應用,在地下水監測信息系統的持續建設中,仍存在信息整合不足、業務協同不夠、數據孤島現象突出等問題,難以實現數據的共享和聯動,無法滿足精細化管理和智能化應用要求。

2.2 地下水取用水量控制指標

2.2.1 劃分方法

依據基本單元的水資源條件,對水資源時空分布比較均一的地區,可以按照開采量權重法,分解地下水取用水量控制指標。

式中：Wi為第i分區的地下水基準年開采量權重；Qi規劃年為第i分區的規劃水平年地下水取用水量控制指標；Q規劃年為分區上一級區域地下水取用水量控制指標；N為分區個數。

2.2.2 確定結果

上海市地下水嚴格控制開采,地下水開采量逐年下降,依據規劃分析法結合上海市地下水取水現狀確定2020 年上海市地下水取用水量控制指標為500 萬m3/a,2025 年、2030 年上海市地下水取用水量控制指標為200 萬m3/a。

2.3 地下水水位控制指標

2.3.1 劃分方法

隨著地下水開采量的大幅壓縮及地下水人工回灌的大幅增加,全市地下水位顯著抬升。基于上海市未來地下水開采量變化不大,地下水水位控制指標基本維持現狀。

2.3.2 確定結果

上海市地下水水位控制指標不低于現狀。

3 管理指標

3.1 確定依據和方法

依據地下水管控指標確定技術要求,同時上海市無農業地下水取用水量,因此將城鎮和工業地下水取用水計量率作為上海市管理指標,分別制定年取用水量1 萬m3以上和10 萬m3以上的城鎮和工業地下水取用水戶的取用水在線計量率。

3.2 確定結果

2019 年上海市地下水實際取水用戶26 家,年取用水量1 萬m3以上的城鎮和工業地下水取用水戶12 家,年取用水量10 萬m3以上的城鎮和工業地下水取用水戶4 家。本次劃定上海市無超采區,城鎮和工業地下水取用水戶的取用水在線計量率為100%,作為上海市地下水取用水計量率控制指標。

4 結論與建議

4.1 結論

依據相關要求,確定上海市地下水管制指標為地下水取用水量控制指標、地下水水位控制指標,以及地下水管理指標。

（1）以引發問題法、開采系數法劃定上海市均為深層承壓水一般超采區。本次超采區評價結合上海市地下水開采實際情況,評估全市第Ⅱ～Ⅴ承壓含水層未超采。

（2）依據上海市水務相關規劃及地下水開采利用情況,確定2020 年上海市地下水取用水量控制閾值為500 萬m3/a,2025 年、2030 年上海市地下水取用水量控制指標為200 萬m3/a。

（3）隨著地下水開采量的大幅壓縮及地下水人工回灌的大幅增加,上海市地下水水位各含水層地下水位持續保持穩步抬升趨勢,確定上海市地下水水位控制指標不低于現狀。

（4）確定上海市年取用水量1 萬m3以上的城鎮和工業取用水戶的取用水在線計量率為100%,年取用水量10 萬m3以上的城鎮和工業地下水取用水戶的取用水在線計量率為100%,作為上海市地下水取用水計量率指標控制。

（5）確定地下水監測井設密度不低于現狀,地下水監測井密度控制指標≥28 眼/1000 km2。

4.2 建議

為加強精細化管理,提升地下水管控能力,提出如下幾點建議：

（1）加強組織領導,健全應急深井的建設,深化多部門合作機制,加強組織協作。

（2）完善研究機制,建立研究實踐試點和健全管理機制。

（3）強化行政管理,嚴格控制取水許可審批,加強地下水水位預警與控制以及地下水應急水源地的日常管理維護。

（4）嚴控取水總量,進一步優化地下水開采格局,實現嚴格的取水總量控制,逐年壓縮地下水開采計劃。

（5）優化采灌平衡。