華北平原深層地下水可更新性與水位管控探討

陸垂裕，趙 勇，劉 蓉，劉 淼，吳 初，嚴(yán)聆嘉

（1.中國(guó)水利水電科學(xué)研究院 流域水循環(huán)模擬與調(diào)控國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，100038，北京；2.河北省水利科學(xué)研究院，050057，石家莊）

華北平原是我國(guó)最重要的糧食主產(chǎn)區(qū)，以僅占全國(guó)2.7%的土地面積生產(chǎn)了全國(guó)25%以上的糧食。地下水在支撐華北平原經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展、保障國(guó)家糧食安全中發(fā)揮著巨大的作用。相對(duì)于淺層地下水，深層地下水一般指埋藏深度較大、賦存于松散孔隙含水層中的地下水，具有一定承壓性。由于深層地下水補(bǔ)給排泄機(jī)制不甚明晰、循環(huán)更新速度慢、開(kāi)采潛在風(fēng)險(xiǎn)大等，國(guó)家對(duì)于深層地下水開(kāi)發(fā)利用持謹(jǐn)慎態(tài)度。2012年出臺(tái)的《國(guó)務(wù)院關(guān)于實(shí)行最嚴(yán)格水資源管理制度的意見(jiàn)》中明確規(guī)定“深層承壓地下水原則上只能作為應(yīng)急和戰(zhàn)略儲(chǔ)備水源”。

然而，華北平原中東部地表淺層廣泛分布的是咸水，難以直接利用，又缺乏足夠的地表替代水源。因此，當(dāng)?shù)夭坏貌婚L(zhǎng)期開(kāi)采深層地下水用于生產(chǎn)、生活。根據(jù)近20年京津冀三地的水資源公報(bào)，2014年開(kāi)展華北地下水超采漏斗區(qū)綜合治理以前，三省（直轄市）深層地下水多年平均年開(kāi)采量為45.5億m3。開(kāi)展綜合治理之后，深層地下水開(kāi)采量迅速下降，從2015 年的37.5億m3下降到2022年的8.3億m3。當(dāng)前，盡管深層地下水壓采已取得明顯成效，但在替代水源未能有效解決之前，完全禁采深層地下水短期內(nèi)仍難以實(shí)現(xiàn)。

面對(duì)現(xiàn)階段深層地下水管理政策與實(shí)際生產(chǎn)需求的矛盾，迫切需要加強(qiáng)對(duì)深層地下水的循環(huán)規(guī)律認(rèn)識(shí)和定量分析，尤其是高強(qiáng)度開(kāi)采背景下深層地下水循環(huán)規(guī)律的改變、不同含水層之間的水力聯(lián)系、地下水補(bǔ)給和更新速度變化等相關(guān)研究。本研究重點(diǎn)對(duì)深層地下水的可更新性進(jìn)行探討，并提出現(xiàn)階段必要開(kāi)采實(shí)際情況下，實(shí)現(xiàn)低風(fēng)險(xiǎn)開(kāi)采的深層地下水水位管控閾值。

一、深層地下水可更新性研究

關(guān)于深層地下水是否可更新一直是學(xué)術(shù)界討論的焦點(diǎn)。部分學(xué)者認(rèn)為，相比于淺層地下水，深層地下水在地質(zhì)歷史時(shí)期形成，其上部覆蓋有隔水層或者弱透水層，難以直接接受降水入滲及地表水滲漏補(bǔ)給，為不可更新的水資源。部分學(xué)者認(rèn)為，人類開(kāi)采活動(dòng)會(huì)加快深層地下水循環(huán)速度，誘發(fā)側(cè)向徑流和垂向越流補(bǔ)給，即深層地下水具有一定可更新性。本文結(jié)合試驗(yàn)觀測(cè)、水位監(jiān)測(cè)、水化學(xué)監(jiān)測(cè)等資料數(shù)據(jù)，從不同角度對(duì)深層地下水可更新性進(jìn)行探討。

1.地下水可更新性概念

從理論上來(lái)說(shuō)，所有水資源都是可更新的，不存在嚴(yán)格意義上不可更新的地下水。所謂“不可更新”，往往指的是地下水在一定的情況下，含水層更新周期相對(duì)人類壽命、水資源規(guī)劃期來(lái)說(shuō)過(guò)長(zhǎng)。由國(guó)際水文地質(zhì)學(xué)家協(xié)會(huì)（IAH）編著、聯(lián)合國(guó)教科文組織（UNESCO）發(fā)布的《不可更新地下水：給水資源管理者的“社會(huì)可持續(xù)管理”指南》（以下簡(jiǎn)稱《指南》）中，引用1992年出版的《國(guó)際水文地質(zhì)辭典》相對(duì)應(yīng)的詞條，將不可更新地下水定義為位于年均更新量小、儲(chǔ)量大的含水層中，一定時(shí)間內(nèi)有必要開(kāi)采的地下水。

衡量地下水資源是否具有可更新性的主要指標(biāo)是“更新強(qiáng)度”，即地下水系統(tǒng)中年均補(bǔ)給量與地下水總儲(chǔ)量的比值。若年均補(bǔ)給量小而總儲(chǔ)量大，則認(rèn)為是“不可更新”的地下水。另一重要指標(biāo)為“更新周期”，即更新強(qiáng)度的倒數(shù)，單位是“年”。《指南》建議將地下水更新強(qiáng)度0.2%（即更新周期500年）作為可更新、不可更新地下水的分界線，并且該標(biāo)準(zhǔn)主要適用于年均降水量小于300 mm的干旱半干旱地區(qū)。

華北平原深層地下水開(kāi)采是否屬于對(duì)不可更新地下水的開(kāi)采，需要視情況而定。依照降水量來(lái)判斷，華北平原不屬于干旱區(qū)，地下水整體上具備足夠的更新強(qiáng)度。然而，個(gè)別地區(qū)地下水開(kāi)采位置處于高度封閉的含水層系統(tǒng)，應(yīng)屬于對(duì)不可更新地下水的開(kāi)采。需要注意的是，“不可更新地下水”是一個(gè)相對(duì)的概念，更新周期沒(méi)有絕對(duì)的標(biāo)準(zhǔn)，且并非只有深層地下水才屬于不可更新。不可更新地下水可以出現(xiàn)在潛水含水層或深層承壓含水層，并且同一個(gè)含水層在不同部位的可更新性是不同的。

2.人工開(kāi)采條件下深層地下水的可更新性

華北平原深層地下水由于長(zhǎng)期高強(qiáng)度開(kāi)發(fā)利用，目前已經(jīng)在中東部平原形成南宮、冀棗衡（冀州-棗強(qiáng)-衡水）、天津等深層超級(jí)復(fù)合漏斗群。最大復(fù)合漏斗面積達(dá)2.4 萬(wàn)km2，漏斗邊界地下水埋深集中在50～70 m，其中漏斗中心最大埋深118 m，位于河北省衡水市景縣。地下水漏斗的形成使華北平原地下水循環(huán)系統(tǒng)發(fā)生了巨大變化。自然狀態(tài)下，深層地下水主要接受來(lái)自山前的側(cè)向補(bǔ)給。山前平原深層地下水水位最高，地下水流以活塞流的方式向東部沿海地區(qū)遷移，深層地下水在自然狀態(tài)下的循環(huán)速度較為緩慢。地下水大規(guī)模開(kāi)發(fā)利用以來(lái)，形成大面積深層-淺層復(fù)合地下水降落漏斗，天然地下水流場(chǎng)遭到破壞，被割裂成諸多以漏斗中心為匯流點(diǎn)的中間流動(dòng)系統(tǒng)或局部流動(dòng)系統(tǒng)，導(dǎo)致地下水補(bǔ)排結(jié)構(gòu)發(fā)生明顯變化。上下游地下水水位差的增加使側(cè)向流速加大，誘發(fā)側(cè)向徑流補(bǔ)給。同時(shí)，中東部平原深層、淺層地下水水位差的增加導(dǎo)致越流方向反轉(zhuǎn)，淺層地下水開(kāi)始向深層越流補(bǔ)給（如圖1 所示）。從水動(dòng)力學(xué)角度，深層地下水的開(kāi)發(fā)利用改變了天然地下水流場(chǎng)，加快了地下水循環(huán)速度，誘發(fā)側(cè)向徑流補(bǔ)給和淺層地下水越流補(bǔ)給，使深層地下水具有一定更新能力。

圖1 開(kāi)采條件下深層地下水的補(bǔ)排過(guò)程

3.山前側(cè)向量現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

山前沖（洪）積扇區(qū)是平原區(qū)含水層側(cè)向補(bǔ)給的起始位置，為了評(píng)估深層地下水側(cè)向徑流補(bǔ)給，本研究選擇地區(qū)典型監(jiān)測(cè)井進(jìn)行地下水流速試驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)使用智能化地下水監(jiān)測(cè)儀（地下水流向流速儀）對(duì)單井進(jìn)行流速測(cè)量。智能化地下水監(jiān)測(cè)儀采用視頻顯微攝像技術(shù)，通過(guò)顯微鏡頭拍攝水中膠體粒子的移動(dòng)軌跡，可以實(shí)現(xiàn)單井、快速、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)地下水流向和流速。試驗(yàn)結(jié)果如圖2所示，顯示監(jiān)測(cè)井的地下水流速為1.289 m/d，流向?yàn)?67.0°，表明平原區(qū)深層地下水接受山前側(cè)向補(bǔ)給量，證實(shí)了深層地下水具有可更新性。

圖2 監(jiān)測(cè)井地下水流速、流向雷達(dá)圖

4.淺層與深層地下水水位變化同步性

華北平原深層地下水超采區(qū)的淺層地下水大部分為咸水，其主要補(bǔ)給來(lái)源為降雨入滲補(bǔ)給，其次為灌溉滲漏補(bǔ)給和河道補(bǔ)給，側(cè)向補(bǔ)給很少。絕大部分地區(qū)的地下水水位已在潛水蒸發(fā)極限水位以下，蒸發(fā)排泄量較小，主要排泄方式為人工開(kāi)采。而該區(qū)域基本以開(kāi)采深層地下水為主，淺層咸水開(kāi)采量很小。

對(duì)華北平原深層地下水超采區(qū)典型點(diǎn)位及縣域開(kāi)展地下水水位監(jiān)測(cè)。首先，基于華北平原地下水咸淡水分區(qū)圖和淺/深井調(diào)查評(píng)價(jià)結(jié)果，篩選出淺層咸水區(qū)典型單管多層監(jiān)測(cè)井，以及縣域淺層咸水區(qū)（礦化度大于3 g/L）面積占比大于60%，且開(kāi)采井大部分為深層井的縣（市、區(qū)）。然后，根據(jù)監(jiān)測(cè)資料繪制典型單井和縣域淺層、深層地下水埋深動(dòng)態(tài)變化曲線（見(jiàn)圖3、圖4及表1、表2）。研究區(qū)內(nèi)深層地下水主要用于農(nóng)業(yè)灌溉，開(kāi)采主要集中在冬小麥和玉米生長(zhǎng)期，因此深層地下水水位會(huì)在年內(nèi)呈現(xiàn)明顯的波動(dòng)變化。從圖表中可以看出，典型監(jiān)測(cè)井及縣域監(jiān)測(cè)井的淺層、深層地下水埋深變化均表現(xiàn)出較高的頻譜一致性，且Pearson相關(guān)性指標(biāo)顯示兩者間存在顯著相關(guān)性，表明深層地下水超采區(qū)淺層和深層地下水垂向水力聯(lián)系密切，淺層地下水越流補(bǔ)給深層地下水。

表1 典型監(jiān)測(cè)井淺層、深層地下水埋深相關(guān)性分析

表2 縣域監(jiān)測(cè)井淺層、深層地下水埋深相關(guān)性分析

圖3 咸水區(qū)代表性監(jiān)測(cè)井地下水埋深動(dòng)態(tài)變化情況

圖4 咸水區(qū)縣域監(jiān)測(cè)井地下水埋深動(dòng)態(tài)變化情況

5.咸淡水界面下移

隨著深層地下水水位持續(xù)下降，開(kāi)采層與上覆咸水層的水頭差進(jìn)一步增加。咸水通過(guò)透水通道或越流補(bǔ)給深層淡水，致使咸淡水接觸地帶的鹽離子成分增加，礦化度增高，使得咸淡水過(guò)渡帶咸化，表現(xiàn)出咸淡水界面下移的動(dòng)態(tài)變化特征。

根據(jù)物探推斷成果，華北平原中東部總體上咸淡水界面呈現(xiàn)下移的趨勢(shì)，下移深度差別較大，地下水漏斗區(qū)的咸淡水界面下移尤其明顯。比如，滄州中西部地區(qū)咸淡界面平均下移量約20 m，下移速率約0.5 m/a；滄州中東部地區(qū)咸淡水界面最大下移量達(dá)到50～60 m，下移速率達(dá)到1.2～1.4 m/a。衡水市咸淡水界面下移量在20～30 m，下移速率在0.7～1.0 m/a；景縣龍華鎮(zhèn)—青蘭鎮(zhèn)的咸淡水界面下移量接近40 m，下移速率為1.1 m/a。咸淡水界面下移也側(cè)面反映了淺層地下水向深層地下水進(jìn)行越流補(bǔ)給的事實(shí)。

6.地下水年齡與水化學(xué)分析

人類開(kāi)采活動(dòng)打破了地下水系統(tǒng)原有平衡狀態(tài)，改變了地下水補(bǔ)給和排泄條件，加速地下水循環(huán)，導(dǎo)致地下水水化學(xué)特征變得復(fù)雜，驅(qū)動(dòng)地下水年齡和水化學(xué)組分的變化。因此，可通過(guò)同位素和水化學(xué)分析等手段來(lái)確定地下水的補(bǔ)給來(lái)源和更新性。已有研究成果顯示，衡水地下水漏斗區(qū)的地下水中14C、δ18O 含量隨地下水開(kāi)采呈增加趨勢(shì)。其中，14C 含量由 1985 年的 16.1 pMC增加至 2019 年的33.71 pMC，地下水年齡從 8.4 ka 變年輕至 5.3 ka。可以發(fā)現(xiàn)，隨著地下水開(kāi)采的進(jìn)行，21世紀(jì)以來(lái)補(bǔ)給地下水的比率逐漸增加，表示地下水更新能力在增加。

二、可更新性與可開(kāi)采性辯證關(guān)系

2021 年頒布的《地下水管理?xiàng)l例》規(guī)定，除應(yīng)急供水取水，無(wú)替代水源地區(qū)的居民生活用水，為開(kāi)展地下水監(jiān)測(cè)、勘探、試驗(yàn)少量取水情形外，禁止開(kāi)采難以更新的地下水。盡管本研究從不同方面論證了深層地下水存在更新補(bǔ)給量，但深層地下水的可開(kāi)采性仍需辯證看待。

早期出臺(tái)的《全國(guó)水資源綜合規(guī)劃技術(shù)細(xì)則》的“地下水資源量及可開(kāi)采量補(bǔ)充細(xì)則”，提出地下水可開(kāi)采量指在可預(yù)見(jiàn)的時(shí)期內(nèi)，通過(guò)經(jīng)濟(jì)合理、技術(shù)可行的措施，在不引起生態(tài)環(huán)境惡化條件下允許從含水層中獲取的最大水量。綜合來(lái)看，深層地下水是否具有可開(kāi)采性，應(yīng)該具備兩個(gè)條件：①具備穩(wěn)定補(bǔ)給源，具有一定可更新性；②開(kāi)采不引起生態(tài)地質(zhì)環(huán)境惡化。

華北平原由于長(zhǎng)期超采深層地下水，目前已經(jīng)對(duì)生態(tài)地質(zhì)環(huán)境產(chǎn)生以下危害：①誘發(fā)嚴(yán)重的地面沉降。深層地下水開(kāi)采過(guò)程中，含水層系統(tǒng)壓密釋水會(huì)引發(fā)地面沉降，華北平原累計(jì)地面沉降體積高達(dá)756億m3，累計(jì)地面沉降量大于1000 mm 的面積呈現(xiàn)逐年增大趨勢(shì)，并形成滄州-衡水-德州-邢臺(tái)-邯鄲等連片沉降中心。②淺層咸水下移。咸淡水界面下移后，隨著開(kāi)采活動(dòng)進(jìn)展，咸水開(kāi)始進(jìn)入抽水井，與深層淡水混合導(dǎo)致水質(zhì)變咸，不能飲用或灌溉而使水井報(bào)廢。③加劇海水入侵。地下水水位下降后，海水與淡水之間的水動(dòng)力平衡被打破，導(dǎo)致咸淡水界面向陸地方向移動(dòng)。

由此可見(jiàn)，華北平原深層地下水盡管具有一定可更新性，但考慮到開(kāi)采有可能導(dǎo)致嚴(yán)重的、長(zhǎng)期的生態(tài)地質(zhì)環(huán)境危害，其可開(kāi)采性必須謹(jǐn)慎看待。

三、現(xiàn)階段深層地下水水位管控

華北平原目前仍有近1/4的農(nóng)業(yè)灌溉用水依賴于深層地下水開(kāi)采。在無(wú)替代水源的情況下，為了保障糧食安全和民生，短期內(nèi)還難以實(shí)現(xiàn)深層地下水的零開(kāi)采。但有必要對(duì)深層地下水開(kāi)采進(jìn)行嚴(yán)格管控，循序漸進(jìn)減少開(kāi)采量，從而減輕各種生態(tài)地質(zhì)環(huán)境危害，最終實(shí)現(xiàn)完全停采。

地面沉降、咸水下移、海水入侵等都與深層地下水水位相關(guān)，因此管控好深層地下水水位是管理的重點(diǎn)。深層地下水水位的管控閾值可分為兩個(gè)階段：現(xiàn)階段的水位控制目標(biāo)是深層地下水水位不超過(guò)歷史最低水位，從而控制地面沉降；遠(yuǎn)期目標(biāo)是深層地下水水位回升到潛水位以上，防止咸水下移和海水入侵（見(jiàn)圖5）。

圖5 深層地下水水位管控閾值示意

根據(jù)固結(jié)理論，含水層系統(tǒng)的壓密釋水在抽水期內(nèi)呈現(xiàn)先彈性后塑性的兩階段形變特征，避免發(fā)生不可恢復(fù)的塑性形變是控制地面沉降、降低開(kāi)采風(fēng)險(xiǎn)的關(guān)鍵。根據(jù)含水層先期最大固結(jié)應(yīng)力，歷史最低水位為發(fā)生彈性和塑性形變的臨界水位，因此可將研究區(qū)歷史最低水位作為控制地面沉降的深層地下水水位閾值。考慮地面沉降的不可逆危害，研究認(rèn)為應(yīng)在此水位基礎(chǔ)上，留有一定安全余量水位，比如留有5%～10%的安全水位。根據(jù)估算，華北平原控制地面沉降的深層地下水臨界埋深平均值約為76 m。

應(yīng)對(duì)咸水下移和海水入侵方面，原理上由于淺層咸水和深層淡水之間存在一定的水位差，在水勢(shì)梯度的作用下會(huì)產(chǎn)生咸水下移和海水入侵，因此消除淺層地下水和深層地下水之間的水位差是治理關(guān)鍵。遠(yuǎn)期目標(biāo)需通過(guò)高效節(jié)水、水源置換等措施停采深層水，并輔以人工回補(bǔ)等方式逐漸恢復(fù)深層水位，最終使其回升到潛水位以上。這里的潛水位是深層地下水水位修復(fù)的理想線。

四、總結(jié)與建議

本文主要對(duì)華北平原地區(qū)深層地下水的可更新性及可開(kāi)采性進(jìn)行討論，從地下水可更新性概念、地下水動(dòng)力學(xué)、山前側(cè)向量現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)、淺層咸水下移現(xiàn)象、淺層和深層地下水水位變化同步性、地下水年齡和水化學(xué)分析等方面論證了深層地下水是可更新的，地下水開(kāi)發(fā)利用強(qiáng)化了淺層越流補(bǔ)給和側(cè)向徑流補(bǔ)給。辨析了可更新性和可開(kāi)采性的關(guān)系，認(rèn)為可更新的地下水并不一定具有可開(kāi)采性，考慮伴隨開(kāi)采發(fā)生的地面沉降、咸水下移、海水入侵等復(fù)雜風(fēng)險(xiǎn)，必須繼續(xù)謹(jǐn)慎對(duì)待深層地下水開(kāi)采。當(dāng)必須開(kāi)采深層地下水時(shí)，要嚴(yán)格控制深層地下水水位，降低開(kāi)采風(fēng)險(xiǎn)。對(duì)下一步加強(qiáng)深層地下水保護(hù)提出如下建議：

①繼續(xù)深入推進(jìn)深層地下水超采綜合治理，推動(dòng)實(shí)施南水北調(diào)東線后續(xù)工程，增加華北平原中東部灌溉地表水源，盡快實(shí)現(xiàn)深層地下水源置換，壓減深層地下水開(kāi)采量，最終實(shí)現(xiàn)完全停采。

②加強(qiáng)淺層微咸水開(kāi)發(fā)利用，研究破解弱含水層取水、微咸水灌溉等技術(shù)難點(diǎn)。華北平原淺層咸水資源高達(dá)60億m3，若能充分有效利用，不僅可以替換當(dāng)?shù)厣顚拥叵滤行Э刂频孛娉两担夷茯v出淺層地下庫(kù)容，進(jìn)而增大降雨入滲，降低土壤礦化度，逐步改良水土環(huán)境，極大有利于鹽堿地綜合改造利用。

③推進(jìn)深層地下水人工回補(bǔ)技術(shù)研發(fā)，摸清深層地下水的動(dòng)力場(chǎng)和補(bǔ)排規(guī)律。尋找補(bǔ)給優(yōu)勢(shì)通道，建立深層回灌技術(shù)體系和長(zhǎng)效機(jī)制，有效遏制區(qū)域地面沉降和海（咸）水入侵。

④采用物探、同位素、數(shù)值模型、遙感監(jiān)測(cè)等多種研究手段，深入研究深層地下水開(kāi)采與地面沉降、咸水下移、海水入侵等水文地質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)的相關(guān)性，明晰開(kāi)采伴隨的各類風(fēng)險(xiǎn)發(fā)生機(jī)制，探索深層地下水小規(guī)模常態(tài)化利用的可能性。