地下水合理開發論文

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黃淮海平原水資源緊缺，嚴重制約著社會經濟的持續發展，造成地下水超采和生態環境惡化。南水北調工程是解決我國北方水資源嚴重短缺問題的重大舉措。江水北調對減少與制止地下水超采可以提供必要的條件，同時，地下水的合理開發利用在南水北調中也可以發揮開源節流、改善生態環境、改造咸水和防止土壤鹽堿化等重要作用。

1地下水資源的概念和地下水含水層的特點

1.1地下水資源的概念

地下水資源包括地下水的儲存量和補給量兩部分。不參與現代水循環、不可再生和恢復的儲存量稱為儲存資源；參與現代水循環、可再生和恢復的補給量稱為補給資源。

儲存資源是地質歷史時期累積形成的地下水資源量，是含水系統中不可再生和恢復、因而不能持續利用的水量。取用含水系統的儲存資源，將導致這部分資源的永久耗失。有些地區具有大厚度的含水層，地下水位變動帶以下的地下水靜儲量非常巨大。因此，20世紀60年代有人提出黃淮海平原地下存在著一個地下海,90年代初在塔里木盆地和河西走廊也有人提出發現了地下海，認為可以利用的地下水資源非常豐富。然而，地下水儲存量雖然是一種寶貴的地下水資源，但它和礦產資源一樣，一旦消耗，難以恢復，因而是不可持續利用的。只有在利用過程中可以不斷恢復和補償的地下水補給量才是可持續利用的地下水資源。

補給資源是指一個含水系統在單位時間里、可以持續獲得補充的水質、水溫合乎一定標準的水量。原則上在一個含水系統中提取的地下水量不超過其補給資源時，水源便有持續供應的保證。地下水的補給量包括天然補給（山前側向補給和垂向補給）和轉化補給（地表水體補給、地表水灌溉渠系和田間灌溉水補給，含水層之間的越流補給,以及地下水灌溉回歸補給等，但地下水灌溉回歸轉化補給只作為地下水的補給量，一般不能算作地下水資源）。由于地下水補給的一部分將消耗于不可避免的潛水蒸發、天然生態耗水、地下水的排泄，而不能全部被開發利用，地下水的可開采利用量僅是補給量的一部分。這部分可以開采利用又不致引起難以承受的環境損害（如城區和濱海地區的地面沉降，干旱地區的土地沙化等）的水量稱為可持續開采量或可采資源。有些地區將地下水的全部補給量作為地下水的可采量而進行開發利用，將造成地下水的超采。

不同的地下水含水層可開采利用的地下水資源不同，必須根據含水層的特點合理開發地下水資源。

1.2地下水含水層水資源的特點

平原地區松散巖層中的主要含水層為淺層水和深層承壓水。淺層地下水指地表以下的潛水和潛水-微承壓水，可以直接接受大氣降水和地表水的補給。深層承壓水指埋藏在深部弱透水層間含水層中的承壓水。

20世紀70年代初期，人們根據傳統的地下水資源的概念和地下水含水層的部分特點，認為深層承壓水具有以下優點：1）地下水承壓水位高，開采初期有的地區水位高出地面，水井可以自流；2）含水砂層厚、導水性強、水井出水量大；3）水質好、不易受到污染；4）承壓水位不易受到氣候條件的影響等。而對淺層水則認為：1）缺乏良好含水砂層或砂層厚度小、水井出水量小；2）含水層導水性差，側向補給相對較小；3）淺層水水質差、易受地表水體污染等。在這種認識下，20世紀60~70年代許多農村和城市大量開采深層承壓地下水，特別是某些地方的政策導向也是鼓勵開采深層水，打深井國家給予補助，而打淺井則不予補助。由于深層水的大量開采，造成承壓水位大幅度下降，形成大面積的承壓水位降落漏斗。近30多年來的實踐表明，上述對地下水含水層的認識是不夠全面的。實踐使人們對淺層潛水和深層承壓水含水層和資源的特點有了更為全面的認識。

1.2.1淺層地下水（包括潛水和淺層潛水-承壓水）開采量的組成淺層地下水的補給和消耗：（1）地區內部的垂向補給和消耗：降雨補給、河流和渠道滲漏補給、田間灌溉水補給、越層補給；潛水蒸發、越層消耗。（2）來自地下水側向補給和排出區外的地下水排泄。（3）開發利用過程中由于水位下降，含水層疏干而動用的地下水儲存量（這部分不能作為可持續利用的地下水資源量）。在含水層的給水度為μ，單位面積上（m2）由于水位下降S(m)而釋放的水量W(m3)為W=μS

淺層地下水的優點是：1）可以直接接受大氣降水和地表水體和地下徑流的垂直和側向補給，開采利用后可以不斷得到恢復和補償，因而是可以持續利用的。2）含水層埋藏淺，可用淺井開采，工程造價低。3）淺層地下水的給水度遠大于深層承壓水含水層，相同開采水量條件下水位下降小，運行費用低于深層承壓水。

在補給量和水質有保證的條件下，淺層地下水可作為農業用水的主要水源和城市工業和生活用水的后備或輔助水源。

1.2.2深層地下水開采量的組成深層承壓水的補給和消耗：1）來自山前的天然地下水側向補給和排出區外的地下水排泄。在開采區遠離補給邊界的情況下，側向補給量是十分有限的。2）地區內部的垂向補給和消耗：承壓含水層上下均有弱透水層或隔水層阻隔，不能直接承受降雨、河渠滲漏和灌溉水補給，在開采過程中只有來自或進入相鄰含水層的越層補給。3）開發利用中由于承壓水頭的下降，含水層和弱透水層的彈性（或彈塑性）壓密而釋放的水量（對粘性土主要是塑性壓密，即使回灌也難以恢復）。這部分水量是不可補償的，主要是動用的含水層中原有的地下水儲存量，不能作為可持續利用的地下水資源量。在承壓含水層的彈性給水度為μe,單位面積上（m2）由于承壓水位下降Sc(m),承壓含水層和弱透水層釋放的水量Wc(m3)為

Wc=μeSc(1)

承壓含水層的彈性給水度為

μe=γmβs+nγmβ=γm(βs+nβ)

μe=μ1m

μ1=γ(βs+nβ)

式中γ為水的容重，βs為含水層的壓縮系數，n為含水層的空隙度，βw為水的壓縮系數，μ1為單位厚度的含水層，單位承壓水頭下降所釋放出來的彈性釋水量（1/m）。在深層承壓水開發利用中，由于單位水頭的下降，自含水層上下的弱透水層釋放的水量計算方法與含水層相同，只是其厚度m、壓縮系數ßs和空隙度n不同。

如上所述，開采深層地下水得到的水量主要來自由于水位下降而引起的含水層和弱透水土層壓密、水體膨脹引起的彈性釋放、側向補給和越層補給，來自土層壓密和彈性釋放的水量均是動用儲存量。在承壓含水層以上有咸水覆蓋的地區開采的越層補給的淡水量也是動用儲存量，只有在無咸水覆蓋的地區部分越層補給的水量來自潛水或淺層地下。這部分水量雖然是可以持續利用的，但它來自淺層水的越層消耗量，并已計算在潛水（或淺層水）資源量中，屬于淺層水和深層水資源的重復量。在遠離山前的地區側向補給十分微弱，由于地下水的開采水位下降而引起的側向補給實際上也是動用鄰區的地下水儲存量。根據以上情況自深層承壓水開采的水量，除山前地區有一定的側向補給和在無咸水覆蓋區有少量越層補給的水量外，幾乎全部是動用儲存量，而開采儲存量是不可持續的。

1.3地下水可采量（地下水可采資源）

如前所述，地下水的儲存量是不可持續利用的的資源，只有在開發利用過程中不斷可以恢復、補償的地下水量才是可以持續利用的地下水資源。地下水資源評價的任務主要是估算可持續開采利用的符合水質要求,且不會引起不可承受的生態環境損害的地下水量，即可采資源量。由于地下水補給的一部分將消耗于耕地農作物的騰發和不可避免的潛水蒸發、天然生態耗水、地下水的排泄，而不能全部被開發利用，地下水的可開采量僅是補給量的一部分。一個地區的地下水可采量需要通過地下水的采補平衡分析和地下水的模擬才能確定，但為簡便計，生產實踐中一般常將地下水補給量乘以一個小于一的經驗可開采系數求得地下水可開采量。半濕潤地區一方面有河渠滲漏和田間灌溉水的補給，另一方面又有降水入滲，地下水的可開采系數較高（有時可達0.7~0.9）。干旱地區降水量稀少，地下水的補給大部來自地表水的轉化，且有相當一部分消耗于農田和非耕地天然植被的騰發，地下水的可開采系數遠小于半濕潤地區。由于地下水的可開采系數是一個經驗系數，一些干旱地區借用半濕潤的華北地區的經驗數值，估算的地下水可開采量將顯著偏高。深層地下水在開采時獲得的補給量中除有限的側向補給和越層補給（且與潛水補給有重復計算）外，幾乎全部來自地下水的儲存量，而儲存量是不能作為地下水可采量而持續開采利用的。

在地下水補給量的計算中需要有一系列的補給參數，在利用補給量計算可采量時又需要有一個經驗的可采系數，計算的過程復雜，系數的選擇又有很大的任意性。由于降水量和地表引水量是地區地下水的主要補給來源，生態需水也主要決定于降水蒸發等氣象條件，地區內地下水的可開采量除決定于土地利用系數和水文地質條件外，主要決定于降水量和地表引水量。因此，可以近似地根據降水量不同的典型地區地下水可開采量與地表水引水量的經驗比值，近似地估算地下水的可采量。

2南水北調受水區地下水開采現狀

近期南水北調受水區主要為海河平原和淮河平原的部分地區。根據國土資源部水文地質環境地質研究所《海河流域地下水資源現狀評價及典型區環境地質效應分析》資料，海河流域平原地下水可采量和現狀條件下實際年開采量如表1所示。.年平均總超采量為44.6億m3/a,其中淺層地下水超采量為23.6億m3/a,深層地下水超采量為21.0億m3/a.自1958年以來海河流域平原區累計超采量為895.8億m3,其中淺層地下水超采471.2億m3，深層地下水超采424.6億m3，見表1。根據表1,現狀年海灤河流域平原內有部分地區淺層地下水超采，總超采量為23.63億m3。部分地區淺層地下水尚有盈余，總計盈余29.19億m3。根據表1，深層地下水年可采量為13.07億m3,是由側向補給和越流補給兩項組成的。海河東部平原約有50%的面積存在上覆淺層咸水，由于在這種地區不能接受降雨入滲補給的淡水，所開采的越層補給的水量動用的仍然是地下水的儲存量，這種水量是不可持續的，因此不能作為可可持續開采資源。在越層補給的水量來自無咸水覆蓋的地區，深層地下水的補給來自淺層水的越層排泄，這部分水量應自淺層水的可采量中扣除，才能作為可采資源，因此海河流域淺層水和深層水的可采量總和應為表1中的淺層水的可采量與深層水側向補給量之和。對于河北平原深層水的補給量問題曾有多個文獻進行探討，例如，郭永海等認為滄州地區深層水的側向補給僅有總開采量的3~4%左右[8];根據陳寧生等對黑龍港地區地下水開采狀況的分析資料[2]，深層地下水的開采量中有10.57%來自山區的側向補給，各種文獻給出的數字差別很大。若采用最大的10.57%來估算深層水的側向補給量，在開采量為33.8億m3的情況下最多不超過3.6億m3。淺層和深層的總超采量可能在53.8億m3以上，大于表1中給出的44.64億m3。

地下水的超采對農業灌溉和生態環境造成了嚴重影響。主要表現在：1)地下水持續下降、形成大面積地下水漏斗，部分地區含水層被疏干；2)海水入侵與水質惡化；3)超采區發生地面沉降、裂縫和塌陷；4)提水費用增加、含水層枯竭、機井報廢；5)天然植被衰退，生態環境惡化；6)由于超采區地下水位低于臨近地區，不僅灌區地表水帶來的鹽分無法外排，鄰區地下水中的鹽分也向超采區聚集，造成地下水礦化度增加、土壤鹽漬化加劇等一系列生產和環境問題。

3南水北調受水區城市用水應嚴格控制地下水超采

北方平原地區地下水的補給主要來自大氣降水和地表水灌溉入滲，地區內的垂直補給占整個補給量的85%~90%以上[2]，見表2。城市地區地表多為不透水的道路房屋所覆蓋，少量綠地降雨入滲和輸水管道滲漏補給的水量很少，除靠近山前的城市有一定的側向補給可以利用外，城市本身地下水可采資源有限。由于地下水的補給量基本上是均勻分布于整個地區，地下水資源也應采取就地補給就地開采的方式用于農業，不宜在城市集中開采地下水，用來解決工業和生活用水問題。

目前在一些水資源規劃中，將由于地表水灌溉和降水補給的地下水量的大部分分配給城市工業和生活用水，實際上是擠占農業用水。含水層中的地下水與地表水不同，是不能任意從一個地區向另外一個地區轉移的，分散補給的地下水集中用于城市開采，勢必造成超采，形成地下水位下降漏斗。根據國家發展計劃委員會、水利部《南水北調工程總體規劃》資料，南水北調中線沿線地下水位剖面圖，見圖1、圖2，可以看到每個城市地面以下均有一個漏斗中心。降水和地表水對地下水的補給強度一般充其量不超過200mm/a,但集中開采的城市水源地開采強度常在4000mm/a以上，不僅遠超過城市本身的補給量，而且也動用了農業地區的補給量和儲存量。產生這種情況的原因，關鍵是對城區和深層地下水開采區地下水可采資源的認識問題，許多城市的地下水資源評價都是與市區附近地區地下水資源評價一起進行，而不是單獨估算城市本身的地下水補給量和可采量。同時市區的可采量往往是根據地下水位滿足在一定的開采方案（總開采量和開采布局）條件下，在一定的期間內不超過一定地下水位或承壓水位埋深的要求確定的。如果不超過要求的深度，則把這個開采量作為地下水的可采資源。過去30年來城市地下水位在持續下降的事實,已經表明地下水嚴重超采，在南水北調地下水開采規劃中，應采取堅決的措施減少和控制地下水的開采量。在水資源短缺的情況下短期超采是可以允許的，但在今后30年內仍然把目前的開采量作為可供水量，后果將不堪設想。在地區水資源規劃中應吸取過去30年的教訓，城鎮工業生活用水應主要改用地表水供水，而將擠占的地下水還給農業。

山前平原的北京、保定、石家莊、邢臺、邯鄲、安陽、新鄉、焦作、鶴壁、濮陽等城市，目前以淺層地下水為主要水源。這些城市開采的地下水，除少部分來自山前的側向補給外，大部分是超采農業區補給的地下水或動用地下水的儲存量。南水北調工程通水以后，這些城市些城市必須封閉大部分水井，嚴格控制地下水超采。以深層地下水為主要水源的城市如滄州、衡水和廊坊等，更是超采地下水，已造成一系列生態環境問題，應根據我國水法第36條規定，全面采取禁止開采措施，對所有機井進行封閉，但應封而不廢，以備出現南水北調供水不足或其它特殊情況時應急之用。

根據南水北調城市水資源規劃編制組《南水北調城市水資源規劃》中有關受水區城市供水結構資料，現狀條件下地表水供水量為41.9億m3,占總供水量的28.8%;地下水供水量為86.3億m3,占總供水量的59.47%;2010年地表水供水量為35.4億m3,占總供水量的28.8%，地下水供水量為54.7億m3,占總供水量的43.9%;2030年地表水供水量為37.0億m3,占總供水量的37.0%，地下水供水量為56.0億m3,占總供水量的41.6%。地下水的供水量雖然有所減少，但仍然占有很大比重，其數量遠大于城市本身地下水的補給量。表明城市地下水仍在繼續超采和挪用農業區的地下水補給量或動用儲存量。為了嚴格控制城市地下水超采，應在詳細的地下水資源評價的基礎上，根據城市本身的地下水可采資源確定地下水的可供水量，而將擠占城市所屬郊縣的農業用水量還給農業。