超采區地下水位控制和考核指標確定方法

帥官印 崔偉哲 邵景力 崔亞莉 張秋蘭 張喆 徐樹媛

摘 要：為了有效管控地下水超采區，從區域控制和漏斗區控制兩個角度考慮，提出一種選取地下水控制井以及確定控制水位和考核水位指標的方法。對于整個超采區，采用泰森多邊形法劃定每口控制井的控制面積，將每口控制井的控制面積占區域面積的比例作為權重，計算出區域面積加權平均水位，進而根據與該平均水位的接近程度，選出一口區域水位控制井，并將其最近平水年年末的水位作為今后的控制和考核水位。但是，當評價年為枯水年時，需要在控制水位的基礎上減去松弛量確定考核水位。對于地下水漏斗區，利用水位等值線圖，判斷漏斗分布情況，進而從漏斗中心附近選取一口控制井，同樣也將其最近平水年年末的水位作為控制和考核水位。以河北省館陶縣為例，選取的區域和漏斗控制井分別為監測井Ｗ１６ 和Ｗ１７；當政府未制定水位恢復規劃時，區域控制水位確定為１７．１３ ｍ；當政府制定了水位恢復規劃時，比如５ ａ 內水位恢復０．５ ｍ，那么區域控制水位需要在１７．１３ ｍ 的基礎上每年增加０．１ ｍ；豐水年、平水年考核水位等于控制水位，枯水年考核水位等于控制水位減去０．９３ ｍ（松弛量）；漏斗區控制和考核水位均確定為１２．１９ ｍ。

：超采區；地下水漏斗區；控制水位；考核水位；館陶縣

中圖分類號：Ｐ６４１．８；ＴＶ２１１．１＋ ２ 文獻標志碼：Ａ ｄｏｉ：１０．３９６９／ ｊ．ｉｓｓｎ．１０００－１３７９．２０２４．０３．０１２

引用格式：帥官印，崔偉哲，邵景力，等．超采區地下水位控制和考核指標確定方法［Ｊ］．人民黃河，２０２４，４６（３）：６４－６９．

０ 引言

我國北方很多地區過度開采地下水，出現了地下水漏斗問題［１－３］ 。伴隨著地下水位的持續下降，出現了一系列地質和生態環境問題，如地面沉降、地裂縫、咸水入侵水質優良的淡水含水層、海水入侵、枯水期河道干涸、泉水斷流等［４－６］ ，極大地危害社會發展和用水安全，因而近些年政府部門持續加大對地下水超采區治理以及管控的力度［７－９］ 。

目前，國內對地下水超采區的管控主要執行地下水取水總量與水位雙控管理制度，因此關于如何科學設置地下水取水量和水位指標的研究較多，而國外對超采區治理的研究主要集中在對地下水的優化配置上［１０］ 。許一川［１１］ 基于水均衡法，確定了邯鄲市平原區地下水開采總量與控制水位之間的定量關系。孫思宇［１２］ 針對吉林省地下水管理問題，采用水均衡方法，制定出紅、黃、藍線水量和水位閾值。梅梓騰等［１３］ 利用多元線性回歸方法，建立了太原盆地年水位變幅和年開采量的相關關系模型，進而確定出淺層和深層地下水雙控指標。王曉瑋等［１０，１４］ 將西北干旱地區劃分為不同的地下水功能區，并采用數值模擬方法確定出不同功能區的水量－水位控制指標。張喆［１５］ 將石家莊平原分成１３ 個地下水管理分區，并采用水量均衡法，確定出各分區的水量－水位閾值。Ｓｒｅｅｋａｎｔｈ 等［１６］ 建立了小型島嶼地下水多目標管理模型，以凈補給量最小以及海水入侵影響最小為管理目標，得出島嶼最優開采量；Ｆａｒｈａｄｉ 等［１７］ 通過求解區域水資源多目標管理模型，得到了能夠減少灌溉用水量和地下水開采量的最優解。

區域地下水開采量難以完全統計，導致取水總量不易控制，而地下水位監測很容易實現，且水位能直觀反映地下水儲量變化，因此有學者試圖通過控制水位來實現對地下水的有效管理。比如，李文鵬等［１８］ 借鑒美國地質調查局在賓夕法尼亞州使用的水位預警方法，從統計學的角度，提出北京平原地下水黃、橙、紅三條預警水位線；方樟等［１９］ 通過地下水流數值模型，確定出不同降水保證率下河南安陽地區不同季度的控制管理水位閾值；孫天青等［２０］ 在分析邯鄲市東部平原歷史地下水位變化的基礎上，結合水均衡法，為超采區和非超采區劃定了水位埋深控制指標。

目前關于地下水位控制的研究，普遍存在地下水位控制監測井選取方法不明確的問題，多數研究未設置地下水位考核指標，或者雖然設置了考核指標但是未考慮水位松弛量（控制井在枯水年允許下降的最大水位），導致枯水年考核目標難以完成。針對這些問題，本文提出一種在縣級行政區（超采治理的基本單元）選取區域資源性地下水位控制井、確定控制和考核水位、計算枯水年考核地下水位松弛量的方法，對于縣域內的漏斗區也給出控制井和控制考核指標的確定方法。最后，選取超采較為嚴重的河北省館陶縣作為典型區，進行實例應用。

１ 指標體系構建

１．１ 地下水位控制井選取方法

在確定地下水位控制和考核指標之前，首先需要確定地下水位控制井的位置。一個地區地下水位監測井數量一般很多，如果都作為控制井，并對每口井都設置控制和考核指標，就會增加管理難度和控制考核的工作量?？紤]到選定的監測井一般要代表整個區域的地下水位或漏斗區地下水位，因此從區域水資源控制（目的是保證含水層存儲一定量的水資源）和漏斗區控制（降低災害事件的破壞程度）兩個角度考慮，選取少數有代表性的監測井作為地下水位控制井。

１．１．１ 區域地下水位控制井選取方法

區域控制井應該能反映整個研究區的地下水位。選取步驟：１）收集研究區具有長系列觀測地下水位數據的控制井，并盡量保證控制井在區域上均勻分布，同時剔除地下水位異常的控制井；２）采用泰森多邊形法獲取每口井的控制面積，并計算每口井的面積權重；３）通過區域長期降水累積頻率曲線，找到離現在最近的平水年并將其作為基準年，根據確定的面積權重計算該基準年每個月所有選定監測井的面積加權平均水位；４）將每口控制井基準年各月的水位與對應月份的區域面積加權平均水位進行對比，找出各月水位都接近平均水位的那口井，將其作為區域地下水位控制井。選取平水年的原因：平水年降水量接近多年平均值，能夠反映區域平均降水水平，代表性好；而豐水年或者枯水年降水一般偏離平均值，甚至屬于異?；蛘邩O端情況，代表性差。

１．１．２ 漏斗區地下水位控制井選取方法

采用基準年年末地下水位數據，繪制地下水位等值線圖，判斷是否存在地下水降落漏斗區。如果存在漏斗區，可選擇漏斗區中心附近的一口監測井作為地下水位控制井。只設置一口控制井的原因：漏斗中心地下水位埋深最大，屬于超采最嚴重的區域，因而必須對其進行控制；對于漏斗其他區域，由于區域地下水會不斷向漏斗區匯集，漏斗區面積會在區域地下水位回升過程中不斷縮小，因此無須設置更多的漏斗控制井。

１．２ 地下水位控制指標確定方法

１．２．１ 區域資源性控制地下水位確定

資源性控制地下水位是為了防止地下水資源枯竭，從而使其能夠持續發揮多年調蓄功能的地下水位［ １４］ ，分為上限水位和下限水位。超采區地下水埋深普遍較大（均超過極限埋深），地下水蒸發微弱，因此只設置下限水位，不設置上限水位。下限水位的設置應遵循以下原則：１）對于政府部門未制定地下水位恢復規劃的情況，要把實現地下水采補平衡作為目標，即地下水位至少要保持在基準年水位不下降，可將控制井在基準年年底的地下水位作為控制水位；２）對于政府部門制定了地下水位恢復規劃的情況，要根據地下水位恢復或者壓采水量的規劃，進一步確定控制地下水位。

１．２．２ 漏斗區控制地下水位確定

考慮到漏斗中心是區域地下水開采和用水強度最大的地方，完全控制開采使得漏斗中心地下水位止跌回升不現實，因而將地下水位控制在基準年水平不再下降即可。

１．３ 地下水位考核指標確定方法

地下水位考核指標主要用來考核水資源管理部門對所轄區域地下水位管控的成效。由于每年的降水量決定當年地下水的開采量及含水層的補給量，因此對豐枯不同的年份采用同一地下水位考核指標顯然不合適，應根據降水量的不同設置差異化的區域地下水位考核指標：對于豐水年和平水年，由于含水層能夠得到的補給量較大而開采量較小，因此將控制地下水位作為考核水位。對于枯水年，在設置考核水位時，需要在控制地下水位的基礎上，添加相應的松弛量（考核水位＝控制水位－松弛量）。松弛量的計算步驟：１）根據多年降水資料繪制降水頻率曲線，判斷每年的豐、平、枯降水類型。２）采用控制井長系列水位資料（監測頻率為天或者月），計算每年年末與前一年同期的水位變幅。３）繪制控制井長系列水位散點圖，采用線性回歸方法，擬合得到水位回歸方程，用方程斜率乘以３６５（或１２），得到年水位變化量，將該水位變化值作為趨勢項。４）計算出全部枯水年中控制井最大的水位降幅，將其絕對值加上趨勢項，得到控制井在枯水年允許降低的水位值，即為松弛量。對于地下水漏斗區，由于各地一般實行開采管控政策，因此可按照控制水位對其進行考核。

２ 實例應用

２．１ 研究區概況

館陶縣隸屬于河北省邯鄲市，面積４５６ ｋｍ２，屬暖溫帶半濕潤大陸性季風氣候區，多年平均降水量５４８．７ｍｍ，水面蒸發量１ ５１５．６ ｍｍ。境內主要河流為衛運河，河道長３３．２７ ｋｍ，流域面積５５ ｋｍ２。研究區地勢西南高、東北低，南部最高海拔４３ ｍ，北部最低海拔３６ｍ，屬壤質土沖積平原。境內含水層屬于松散孔隙類含水層，平均厚度６９．４８ ｍ，水力坡度為１‰～４‰［２１］ 。

２．２ 地下水位控制井確定

２．２．１ 區域地下水位控制井選取方法

以淺層地下水管控為例，剔除數據異常井后，共篩選出１８ 口淺層地下水監測井（見圖１）。采用泰森多邊形法，計算出每口井的面積權重（見表１）。根據求得的面積權重，計算區域加權平均水位。由于收集到的監測井水位觀測頻率及系列完整性不同，且２０１８ 年為最近的平水年，因此采用２０１８ 年３ 月、５ 月、９ 月、１１月４ 個月的水位數據，計算區域面積加權平均水位。

在此基礎上，分別計算２０１８ 年每口井的水位與區域平均水位的誤差平方和，并對計算結果開平方，以此衡量單井水位與區域平均水位的接近程度（見表２）。由表２ 可知，Ｗ１０、Ｗ１２ 和Ｗ１６ 三口井的誤差平方和開平方值（分別為０．９９、１．２６ ｍ 和１．００ ｍ）較小，說明這三口井的水位接近區域平均水平。由于監測井Ｗ１６ 具有最長的水位時間系列數據（從２０００ 年到２０１８ 年），并且位于三口井的中心位置，因而將該井確定為區域資源性水位控制井（見圖１）。

２．２．２ 漏斗區地下水位控制井選取方法

采用２０１８ 年１１ 月的地下水位數據，繪制研究區淺層地下水位等值線（見圖２）。由圖２ 可知，在研究區南部存在一個較大的漏斗區。由于監測井Ｗ１７ 位于該漏斗中心附近，因此將其作為漏斗區水位控制井。

２．３ 地下水位控制和考核指標確定

２．３．１ 區域資源性控制地下水位確定

１）政府部門未制定地下水位恢復和水量控制規劃的情況。首先，利用收集到的２０００—２０１９ 年降水資料，繪制降水累積頻率曲線（見圖３）；然后，根據頻率曲線判斷各年的豐、平、枯狀況（累積頻率小于２５％為豐水年，２５％～７５％為平水年，大于７５％為枯水年），由圖３ 可知，２０１８ 年、２０１９ 年均為平水年，但由于未收集到２０１９ 年控制井Ｗ１６ 的水位數據，因此將２０１８ 年作為水位控制基準年；最后，將２０１８ 年１１ 月地下水位１７．１３ ｍ 確定為研究區的控制水位，即今后控制井的１１ 月水位都要保持在１７．１３ ｍ 以上。

由于多數控制井沒有２０１７ 年和２０１８ 年１２ 月的水位數據，而且部分控制井缺失２０１７ 年１１ 月的水位，因此無法準確計算研究區２０１８ 年的地下水儲變量。假設館陶縣２０１８ 年淺層地下水儲變量為－５００ 萬ｍ３。

根據《２０１８ 年邯鄲市水資源公報》，館陶縣淺層地下水開采量３ ８７０ 萬ｍ３，利用式（１）計算得到２０１８ 年館陶縣淺層地下水可開采量為３ ３７０ 萬ｍ３。２０１８ 年為平水年，降水量接近多年均值，假設之后幾年的降水量與２０１８ 年接近，那么未來每年地下水開采量應控制在３ ３７０萬ｍ３以內，才可以大致保證各年１１ 月地下水位不低于控制水位。研究區地下水可開采量計算公式為