强开放边界灌区地下水安全开采量内涵与安全保障模式研究

2018-10-12郑越馨戴长雷谢世尧高健超

节水灌溉 2018年9期

郑越馨，戴长雷，谢世尧，高健超

(1.黑龙江大学寒区地下水研究所，哈尔滨 150080；2.黑龙江大学水利电力学院，哈尔滨 150080)

由于地下水与地表水相比，具有水量稳定且丰富、水质好、分布范围广、便于就地开采使用、供水量受气候变化影响较小等优点，在我国北方地区，地下水是农业灌溉的重要的供水水源，因此，地下水在我国灌区经济发展方面有不可或缺的用途。随着经济社会的快速发展，农业灌溉需水量较大，由于超量开采地下水，地下水开采布局不合理及无计划地乱采滥用地下水资源，则会引发一系列环境问题，例如，地面沉降和地面塌陷等，使地下水的结构遭到破坏。为使地下水资源有效合理的开发并且达到可持续利用的效果，对安全开采量、可持续开采量、疏干性开采量、延续常年开采量、最大常年开采量的概念进行了概述，分析其约束条件，明确满足约束条件的地下水安全开采量的内涵，提出划定控制性关键水位的方法，在此基础上，提出一种基于“总量+水位”双控的安全保障模式。

1 地下水安全开采量的演变历程

1.1 开采量内涵的发展

国外学者提出了地下水开采量的概念，包括安全开采量、疏干性开采量、持续开采量、延续常年开采量和最大常年开采量[1]。Meinzer(1920年)[2]将安全开采量定义为“排除了地下水开发的有害副作用诸如海水入侵、地面沉降等，供人类长期使用的实际可能的开采水量”，在天然补给量极小而常年累积存储的储存量大的情况下，地下水在符合经济效益条件下的过量开采叫疏干性开采量。延续常年开采量则是在满足经济允许的条件下使用地下水储存量。最大常年开采量是指在通过技术方法和可利用的一切水源来补给含水层，从而达到可供的最大水量。Thomas(1951年)[3]认为持续开采量是指在冲积含水层作用的特定环境下，能够提供的最小开采量。

1.2 安全开采量的评价方法

闵泰善等[4]将地下水天然补给量视为地下水允许开采量，可持续开采量则在地下水允许开采量的基础上考虑由地下水开采而产生的新的地下水变化与补给，使地下水开采达到可持续的效果，安全开采量是在满足当代经济技术和自然循环条件以及生态环境等条件下的最大开采量。朱雪芹等[5]认为地下水允许开采量由地下水最大补给量获取，苏伟杰等[6]认为地下水补给量近似看作地下水安全开采量，用地下水预报的方法来预测地下水埋深变化，为地下水安全开采量提供理论依据。吴孝航等[7]通过构建临界水位降深数学模型，计算临界水位降幅，反求计算开采井的开采量，确定研究区的安全开采量。王家兵等[8]定义安全开采量为在天然补给量和人工补给量之和与天然排泄量差值范围内的开采量，确定了适宜开采的含水层，从而得到安全水位埋深和地下水安全开采量。罗照华等[9]从地下水动态特征、水文地质条件和开采现状3个视角对地下水安全开采量展开研究，并对扩大安全开采量的合理性进行探讨。王振龙等[10]认为安全开采量具有动态特征，计算区域的补给量、消耗量和储存量，根据储存量确定地下水位，提出一种水均衡和地下水动力学相结合的地下水安全开采量的评价方法。王琨等[11]回顾了地下水开采资源量的内涵，明确了安全开采量的标准，提出地下水安全开采因地制宜的思路。

1.3 安全开采量的发展历程

开采量反应了取水工程的产水能力，且开采量小于含水系统的允许开采量，而允许开采量则是在满足技术、经济、环境的条件下，单位时间内从含水系统中取出的水量[12]。地下水允许开采量近似等于天然补给量。符合允许开采量的限定条件下，地下水系统因地下水开采发生新的采补平衡，从含水系统中得到采补平衡后的水量被定义为可持续开采量。在满足社会经济、技术水平、地质与生态环境的前提条件下，地下水资源达到可持续合理开发利用时，允许取出的最大开采量为安全开采量。安全开采量的发展历程见图1。

图1 安全开采量的发展历程

2 强开放边界灌区安全开采量与地下水关键水位的划定

2.1 强开放边界灌区的内涵

含水层边界的渗透性良好且含水层能在物质、能量和信息等方面与外部环境进行交换，具有较强的水力联系[13]。强开放边界含水层多指地下水系统的自然边界没有明显的界定，或者含水层具有过小的水文地质单元。黑龙江西部属于强开放边界含水层且处于半干旱地区，灌区的季节性干旱较为严重且水分利用效率不高，农业灌溉需水依赖地下水[14]，有必要在技术保障、资源量和社会经济效益约束条件下，提出一个适用于强开放边界灌区且保障高效灌溉和地下水系统安全的地下水安全开采量的内涵。

2.2 安全开采量的约束条件

安全开采量与开采量的不同之处在于开采量反应取水工程的取水能力，而安全开采量是在满足约束条件下所允许的最大开采量。地下水安全开采量的约束条件为技术保障、地下水资源量和社会经济效益，在此基础上，明确强开放边界灌区地下水安全开采量的概念，为强开放边界灌区地下水安全开采量提供科学依据和技术支撑。

地下水开采主要取水工程为水井，井的类型主要有管井、筒井、辐射井和特殊类型的坎儿井。黑龙江省西部是典型的强开放边界旱灌区，管井是农业灌溉的主要供水设备。需要对管井的技术保障进行分析，井的结构、材料、成井工艺则是考虑的重要因素[15]，井口、井身、滤水管和沉砂管是管井重要的结构要素，高度及长度的设定需因地制宜。井管的材料多数采用钢筋混凝土，耐腐蚀性好，滤水材料依据研究区的含水层岩性来选定滤水材料，黏土的止水效果好，粘结材料从操作难度和适用度来选择，并根据井的类型和需水量确定取水设备的型号，其中，安装方式、钻探方法和清洗方法是成井工艺主要考虑的因素。并根据研究区的需水量来选用合适的取水设备，利用Theis公式计算单井的出水量[16]，对其资源量进行预估和判断。综合管井的结构、材料、成井工艺分析其经济效益，打井的项目费用参数包含井管材料，黏结、滤水、止水料，取水设备，井房建设和人工费的投入，开采的地下水主要用于农业灌溉，根据研究区主要农业农作物的产量、所需水量和收成，从经济效益的角度分析，从而定义该研究区的地下水安全开采量。

2.3 地下水关键水位的划定依据

目前，国内的地下水管理模式仅是单一的考虑地下水可开采量，在地下水开采量允许的范围内进行开采仍会造成地下水超采，地下水可开采量作为主要控制因素，应合理开采并优化地下水位[17]，进行流域内整体的水均衡和水动态预测才是合理的地下水管理模式研究[18]。地下水水位是地下水管理的控制性指标，同时也约束着地下水总量，进行地下水管理时首先要分析研究区地下水动态特征、计算研究区的地下水允许开采量、通过分析含水层的结构，为例更好地控制地下水总量，给出地下水控制性关键水位的划分依据。

潜水蒸发量随着地下水埋深的减小而增加，地下水位过高时会引发土壤次生盐渍化和建筑物塌陷，地下水开采过量会导致地下水位下降，形成漏斗，引起地面下沉等环境危害。根据地下水的不同用途，将地下水位划分为11种，见表1。

当地下水水位处于上红线水位时，由于蒸发量过大，极易引起土壤此生盐渍化，地下水应强制开发利用，当地下水位处于上黄线水位时，应鼓励性的开发利用地下水；地下水位处于蓝线水位时，应合理开发且高效利用地下水，此时地下水达到开采量与补给量平衡的状态，当地下水处于下黄线水位时，地下水水资源量即将疏干，应限制开采，当水位处于下红线水位时，地下水实际开采量超过了允许开采量的范围，应及时采取相应的防护措施，禁止开发利用地下水。

表1 地下水关键水位划定依据

3 安全保障模式的研究

3.1 地下水安全保障模式研究现状

澳大利亚是统一调控地表水与地下水，目的是使水资源更好地得以利用，通过建立水权和用水制度，允许用户之间进行有偿的转让水资源，从而有效的控制地下水总量。以色列采取高度集中的地下水管理模式，运用先进的地下水水流模型等技术，对地下水资源量采取控制手段，从而提高地下水的管理水平。韩国建立了地下水法以此更好地调配地下水。荷兰主要以地下水为主，地下水的利用率极高，为了更好地对地下水进行管理，荷兰建立了地下水税，限制了地下水的使用量。英国提出了风险决策的概念，建立地下水保护区是地下水管理的重要措施之一。德国通过限制地下水的开采量从而达到地下水管理的目的[19]。

国内的地下水安全保障模式是以不同区域需水量和地下水水位作为地下水管理及开发利用的控制性指标[20]，从社会经济、技术水平、环境等多个角度为限制条件构建的保障地下水安全的开采方案集合[21]。

3.2 基于“总量+水位”双控的地下水安全保障模式

地下水安全保障模式的关键在于通过约束条件控制地下水的开发利用，使含水层达到安全状态[22]。构建地下水安全保障模式的前提是预测研究区的需水量，拟定不同的地下水开采方案，计算地下水允许开采量，并通过“以量定位”的原则，划定地下水控制性关键水位，采用水量均衡法对地下水资源量进行评价，包括天然补给量、激发补给量和储存量，强开放边界旱灌区的地下水位主要受降水量、侧向径流量和开采量影响，并考虑约束条件，建立地下水总量、地下水水位及约束条件之间的关系，数学方程如下式。