和平灌区控制性地下水位管理研究

祁福利，刘春艳

（1.黑龙江省904水文地质工程地质勘察院，哈尔滨150027；2.吉林大学建设工程学院，长春130026；3.黑龙江大学寒区地下水研究所，哈尔滨150080；4.黑龙江大学水利电力学院，哈尔滨150080）

1 问题的提出

为了有效加强对地下水资源的监控和量化管理，促进地下水资源管理模式的转变，我国地下水管理方式正在由过去单纯 “可开采量”管理模式向“总量控制”与 “关键水位”相结合的综合管理模式转变，由过去 “超采区”的静态管理向现在的“红、黄、蓝区”动态管理的转变。实行总量控制及地下水控制水位管理是地下水资源及生态环境可持续发展的有效保障，而控制性关键水位是总量及水位控制方案中的重要环节［1－2］。“关键水位”管理的具体操作即需对不同分区评价、确定并实行不同的地下水位控制性指标，然而由于这类管理模式在我国实行时间短，相关的研究与应用鲜有报道。结合黑龙江省地下水资源开发利用特点，选择地下水资源、资料、条件典型的，位于松嫩平原和小兴安岭交汇地带的黑龙江省庆安县和平灌区为例，基于实际调研与在地下水总量控制及控制性水位管理方面的研究经验，总结并梳理一套具有一定准确性及可操作性的方案，以期为相似地区的实践工作以及地下水优化管理研究提供理论与实践参考。

2 地下水位控制原则与控制性关键水位

2.1 地下水位控制原则

地下水位的变化是地下水资源量多寡最直接的表现形式，是地下水管理最重要的控制性指标。根据我国地下水开发利用现状及存在的生态环境、地质问题，结合当前水资源配置对地下水总量控制的要求，地下水位控制原则为：①以地下水资源可持续利用与发展为执行方针；②以区域水资源联合调度为要求；③以技术、经济可行性为基础；④以空间及时间上的 “以丰补歉”为方法；⑤以充分考虑减缓或防治地下水不合理利用所带来的一系列环境地质问题为补充；⑥以便于基层水资源量化管理实际操作为原则［1－2］。

2.2 地下水控制性关键水位

地下水控制性关键水位是指具有明确物理概念的一系列水位值的总称，对应于地下水不同开发利用状态的一系列水位值，或者说对应于地下水不同允许开采量的一系列水位值。从用于描述和表征地下水预警状态的水位特点看，可将地下水控制性关键水位划分为正常水位、警示水位和警戒水位3种类型［3］。

3 基于总量控制的特征地下水位确定

3.1 控制性地下水开发总量的概念

3.1.1 地下水位与地下水量之间的关系

地下水均衡主要是表征补给量、排泄量和储存变化量之间的关系，依据此建立水均衡模型如下［4－5］：

式中μ为给水度；Δh为地下水位变化值；F为灌区面积。

据上述均衡方程，将除地下水位、地下水开采量之外的量设为已知，可得地下水位、地下水开采量之间的关系：

式中Q1为除开采量外的地下水消耗量。

由式 （1）、式 （2）可见，Q可采＝f（Δh），地下水开采量可以用地下水位来表征，其决定因素为地下水位。

3.1.2 地下水控制性开发总量的相关概念

1）地下水总量控制是水资源管理的宏观控制指标，根据流域经济发展和水资源特点，确定流域和行政区域用水总量控制指标，协调区域用水定额指标，实行流域用水总量控制和定额管理相结合的水资源管理制度［1，6］。

2）地下水控制性总量确定方法即为区域允许开采量计算。允许开采量又称为可开采量，是指在可预见的时期内，通过经济合理、技术可行的措施，在不引起生态环境恶化条件下允许从含水层中获得的最大水量［5］。一般情况下对地下水可开采量的评价多采用开采系数法、降水入渗量与蒸发量差值法、平均布井法和数值模拟法。

3）地下水可更新资源量指含水层直接或间接来自降水的多年平均补给量，根据水循环计算［7］。

3.2 特征地下水位划分标准与确定方法

特征地下水位划分标准是：以不引起地下水资源枯竭、土壤的次生盐渍化为红线 （警戒）水位的确定标准；以不产生区域性的地下水降落漏斗、不造成潜水蒸发强烈的水位为黄线 （警示）水位的确定标准；以既能合理的维护植被生长又能保证地下水的多年动态均衡的地下水位为蓝线 （正常）水位的确定标准［8－10］。既符合和平灌区含水层实际情况，又可以准确地划分特征水位，计算方法不复杂，适宜推广的标准，各划分标准见表1。

表1 特征地下水位划分标准Table 1 Classification standards for critical water table depth

上述分析的水均衡法其原理简单、方法灵活、计算简便、适用的空间范围广，是集计算、论证、实践于一体的方法，特征水位的确定一般以水均衡法为理论基础，以地下水位统测数据及水文地质调查数据为实践基础，以其他方法 （如：解析计算法、数值模拟法或类比分析法）为验证方法而最终确定［11］。

4 特征地下水位管理区划

4.1 区划原则

为了更好地落实地下水控制性管理单元到具体的管理部门，划分地下水控制性管理单元时应充分考虑各行政区划的特点，形成能够体现不同行政区划的管理单元，便于各级水行政主管部门的管理。以此为前提，根据相关资料分析地下水系统的组成和功能，分析地下水赋存条件和补给、径流、排泄条件，掌握地下水系统的运移规律以及地下水开发工程。在掌握地下水系统的变化和演化规律的基础上，分析地下水开发利用程度，在充分分析考虑研究区的水文地质特征的基础上，综合考虑地下水的自然资源属性、社会经济属性、生态与环境属性和水资源配置格局的目标要求，划分出的管理单元（或称管理分区）具有相似的水文地质特征，以便于地下水资源的监控和管理。

4.2 区划方法

地下水控制性管理分区是在集合众多原则的基础上进行划分的。在地下水功能区划的基础上，根据水资源管理权限，将地下水控制性管理分区分为流域级 （国家级）、省级、地级和县级等多个级别（图1）［2－3］。

5 和平灌区实例分析

5.1 和平灌区水资源概况

和平灌区位于庆安县中部，呼兰河左岸的干、支流河漫滩及一级阶地上，黑龙江省庆安县主要粮食产地，包括久胜镇、平安镇、庆安镇和丰收乡4个乡镇。地面坡度在1／1 000至1／3 000之间，地势平坦，坡度较缓。灌区气候特点是春季易干旱，降水偏少，气温偏低，降水多集中在7～8月，年平均降水量550mm，秋季早霜，无霜期较短。研究区境内按先上游后下游为序，先后有安邦河、拉林清河、格木克河汇入呼兰河。

呼兰河是流经研究区域的主要河流，是研究区的北边界，其平槽水面宽100～180m，水深1.5～ 4.4m。安邦河作为呼兰河的一级支流，河口处多年平均年径流量为1.86×108m3，年平均流量为5.9m3／s。格木克河作为研究区的东南边界属呼兰河一级支流，在冬季时断流。拉林清河也属呼兰河一级支流，河口处多年平均年径流量为1.25×108m3，年平均流量3.96m3／s。和平灌区地下水类型以第四系孔隙水为主，第四系之下普遍分布着白垩系地层，其间存有基岩裂隙、孔隙水，顶板埋深40～90m，含有丰富的地下水。单井出水量一般在1 000～3 000m3／d［12］。

图1 管理区划Fig.1 Management division

随着灌溉面积的增加，和平灌区用水量大幅增加，灌区逐渐形成了地表水与地下水联合供水，农业用水、城乡生活、工副业用水多元化的灌区用水格局。

5.2 和平灌区地下水管理分区

由于该区域地处平原地带，呼兰河漫滩与阶地，水文地质条件极为相似，遵照前述管理分区划分原则，同时为保证水文地质条件的相似以及应用可操作性，因此按乡镇边界划分。本区域在流域级管理分区上属于开发区，在省级管理分区上属于分散式开发利用区，在地级管理分区上属于非建成区分散式开发利用区，研究区归属于井渠双灌分散式开发利用区。

5.3 和平灌区分区控制性地下水关键水位确定

考虑到农田井灌区植被生长及灌溉具有典型的季节性，在灌溉期间与非灌溉期间的地下水控制性水位应区别确定。灌溉期间可适当的超采以满足农业用水的需求，非灌溉期间要控制并补充灌溉期超采的水资源。地下水控制性关键水位按表2标准确定。

表2 农田井灌区地下水控制性关键水位确定依据表 （根据文献 ［1，2，10］）Table 2 Table determined of critical water table depth in well irrigation fields

5.4 和平灌区分区地下水开发总量确定

研究区地下水主要用于农业灌溉，其次是生活用水，另有部分用于工业。

根据前述的地下水均衡模型，计算得研究区补给量为15.7×104m3／d。据相关资料显示［12］，开采量一般占补给量的65%～85%，根据现有情况开采程度取70%，因此研究区的允许开采量为11.0×104m3／d。

5.5 和平灌区地下水管理分区综合评价

和平灌区地下水管理分区基于控制总量管理，以关键水位为评价体系，可以将地下水位控制在适宜的位置，防止了地下水开采量超采现象带来的地面沉降以及地下漏斗的形成，在一定程度上减轻了地下水质的恶化，减少了对地质与环境的危害；可以防止地下水位太高造成浸没，引起土壤盐渍化，减少区域自然灾害发生的频次。同时在一定程度上减少了水资源浪费，缓解了用水压力，对于水资源的可持续利用和维持正常的生态平衡起到了积极的作用；具有一定的节水效果，通过节水，可进一步扩大灌溉面积，增加灌溉效益，给灌区注入新的活力，对于灌区的发展将产生一定的推动作用，并由此增加农民的收入，提高其生活质量；其对于保护生态环境、减少自然灾害发生、维持生态系统平衡产生一定的积极的影响。

5.6 和平灌区地下水管理模式讨论

1）理论总量确定方法。可开采资源量计算方法较多大致有几十种，其分类、理论基础、所需资料、适用条件各有限制。而在东北地区浅层含水层以平原区第四系孔隙潜水含水层为主，含水层结构简单而相似，边界条件相对清晰，因此本研究中采用的开采系数法、降水入渗量与蒸发量差值法、平均布井法3种方法能较快速且准确的得到区域水资源可开采量，提高各分区计算效率，可为相似区域的应用提供借鉴。

2）特征水位确定方法的推广价值。井渠双灌区根据井灌与渠灌的影响程度，存在动态的平衡关系。特征地下水位划分标准符合黑龙江省含水层实际情况，可以准确地划分特征水位，计算方法不复杂，适宜作为参考。

3）实际总量、水位确定方法的推广价值：①实际用水总量与水位以长期监测方法为最优，在经济可行的基础上应尽量多的建立典型地下水位监测站点和规划灌区用水方式采用刷卡计量等措施；②在资料丰富地区尽量采用数值模拟等方法进行推算，其特点是准确性高，时空动态都可以精确得到。但由于其范围较大、技术难度高，不适宜大尺度计算；③在缺资料地区，尽量采用实际调查法与理论计算 （解析计算、反算法）相结合的方法，通过掌握实测数据推算研究区实际情况。

6 结 论

1）依据地下水控制原则，将地下水控制性关键水位按照预警状态的水位特点，划分为正常水位、警示水位和警戒水位3种类型。基于对地下水总量控制及控制性关键水位的相关理论知识的分析与总结，选取和平灌区作为研究区，结合区划原则与方法，将研究区归属于井渠双灌分散式开发利用区，确定其地下水开发总量为11.0×104m3／d，并对和平灌区地下水管理分区的合理性进行分析。

2）由于受到资料和时间的限制，本次仅结合和平灌区实例基于总量控制对地下水控制关键水位管理分区的相关理论知识进行了初步研究和探讨，以期在以后的研究中，选取典型区进一步系统、深入的研究，真正为地下水的动态管理及管理分区提供依据。

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