基于临界水位下地下水“红黄蓝”分区划分研究

2018-10-17程双虎张晓烨李明良谢新民

水科学与工程技术 2018年5期

程双虎，张晓烨，李明良，谢新民，赵勐

（1.河北省水文水资源勘测局，石家庄050031；2.中国水利水电科学研究院，北京 100038）

近年来随着供需矛盾的加剧、地下水环境的恶化，对水行政主管部门管理的时效性、便捷性提出了更高的要求。但由于地下水的复杂性，在划分地下水“红黄蓝”线或“红黄蓝”分区的研究上，以往的成果较少且覆盖面广、内容繁杂，时效性差，难以满足水行政主管部门及时管理的需求。该问题的主要难点在于地下水“红黄蓝”线或“红黄蓝”分区划分既要符合科学规律同时也要快速、便捷、易于实施。开展基于临界水位下的地下水“红黄蓝”线及分区划分研究十分必要。

1 研究区地表水和地下水资源现状

河北省属于严重资源性缺水地区，地表水资源匮乏，而平原区绝大部分属于环渤海经济区，为了保证经济社会的持续发展，长期超采地下水来满足用水要求。由于过量超采地下水，使得河北平原区地下水位大面积持续下降，地下水漏斗面积达到4万km2，同时还引发了地面沉降、地面塌陷和地裂缝、地下淡水水质恶化等严重的生态与环境问题。

本文研究区位于河北省平原东南部的南水北调受水区，涉及邯郸、邢台、石家庄、保定、廊坊、沧州、衡水共7个省辖市的101个县市，地势西高东低，面积6.21万km2，占全省总面积的33.1%，其中有咸水区面积3.30万km2。

研究区地处暖温带半湿润、半干旱大陆季风气候区，多年平均降水量529.4mm。降水量年内分配不均，80%的降水集中在每年6～9月的汛期，冬季降水量最小，秋季稍多于春季。研究区内水资源总量为64.02亿m3，占全省31.2%；其中地表水资源量12.45亿m3，占全省10.4%；地下水资源量（矿化度≤地下水资源）为59.53亿m3，占全省48.6%。

研究区有4个含水层组，区域水文地质条件十分复杂。从开采条件上，地下水开采不仅分为深浅层，且在深浅层地下水之间存在着巨厚的咸水体，影响深层、浅层地下水之间的越流，该区域开采条件复杂，研究难度很大，在划分地下水“红黄蓝”线或分区的研究上，目前尚未见到相关的研究成果。鉴此，本研究采用水位动态法中的地下水位变幅为指标，基于地下水控制性临界水位来划分地下水“红黄蓝”线及其分区，寻找一个较稳定的能反应现状的地下水供水变化情况，为研究不同降水条件下的地下水控制指标管理奠定基础，评定中尺度降水序列资料的代表性和反应现状条件下的地下水供水量变化特征十分必要。

本研究以石家庄为典型区对全省降水代表性进行了分析，发现年降水量存在一个10年的周期，该10年系列的相关参数（均值、Cv、Cv/Cs和丰平枯组合）均与研究区长系列降水周期参数相差或相近，代表性较强[1]。

近年来随着最严格水资源管理制度的不断深入，地下水供水量改变了过去增长的趋势，逐渐稳定，能反应现状条件下的地下水开采特征。因此，综合分析地下水在近期代表降水周期中的动态变化和开采量变化特征，选定2006～2015年为本次研究区的研究系列。

2 基于临界水位下的“红黄蓝”线及其分区

地下水“红黄蓝”线是为实现地下水资源的科学管理，依据水行政主管部门水资源“三条红线”管理思路，根据地下水位动态变化划分的反映区域地下水资源承载能力的控制线。

地下水“红黄蓝”线是为保障供水安全和保护生态环境设定的预警线，地下水水位过低和过高都会导致一系列的生态和地质环境问题。

“红黄蓝”预警线是根据地下水实际监测资料分析地下水采补平衡、水质状况及其引发的地质环境问题的危害程度，综合判断地下水情，以合适当地地质环境下的临界地下水水位为极限值，在临界水位范围内划分地下水“红黄蓝”预警线。其中，红线为地下水资源管理的最终预警线，蓝线为初始预警线，黄线介于红、蓝线之间为中期预警线；根据地下水“红黄蓝”线可以将区域划分为“红、黄、蓝、白”4个分区，分别对应越过红线区（红区）、越过黄线不到红线区（黄区）、越过蓝线不到黄线区（蓝区）、不到蓝线区（白区）。

其中红线为水资源管理中的底线，越过红线的区域均为严重超采区，包括了禁采区和限采区，属于水资源供需矛盾最为尖锐的地区；蓝线为非超采区和超采区的界限，一旦越过蓝线将进入水资源管理的严格限制区，属于限采区；而黄线是为了方便水行政主管部门的管理，在限采区内设置一道警戒线，来防止一般超采区内的地下水超采继续加重，适时给予预警。

2.1 地下水控制性临界水位

由于对地下水过量超采，导致一些区域的地下水位大幅度下降，造成地面沉降、塌陷、地裂缝、海（咸）水入侵，以及表层土壤水分含量降低、植物凋萎、植被退化以至自然死亡，从而进一步加剧土壤沙化和沙漠化的发展。另一方面，由于地表水过量引用（大水漫灌等落后的灌溉方式），加之灌区灌排设施不配套和不注重排水，或者地下水开采强度过小等，导致地下水位区域性抬升，引起土壤次生盐渍（碱）化、沼泽化或者城区地下工程进水、被淹等问题的发生和发展[2-3]。

本研究针对不同的水文地质分区（单元），分析和确定避免可能产生的各类资源、生态和地质环境问题或灾害的临界水位，简称地下水控制性临界水位[4-10]。

结合河北省实际情况，根据临界埋深（水位）的确定依据，综合考虑已有成果、地下水功能、水文地质条件、超采区评价、含水层厚度等因素确定监测井的临界埋深（水位），将地下水控制性临界水位类别可细划分为抬升型临界水位（或称上限临界水位）和下降型临界水位（或称下限临界水位）两种。综合考虑国内外学者相关研究成果、资料和实验结果[16-20]进行研究。

地下水位是地下水系统变化的直观表现形式，受到不同岩性渗透系数、给水度等参数大小的影响，不同含水层组临界水位有所不同。一般地下水开采最大降深不应超过含水层厚度的1/2～2/3。本次通过水文地质资料确定各管理分区的含水层平均厚度，从供水安全及避免地质灾害的角度考虑，采用含水层厚度的1/2对临界下限埋深值进行校核，即当下限埋深初步成果大于含水层厚度1/2时，用含水层厚度的1/2作为下限埋深。

地下水的过量开采导致地下水位持续下降，进而制约天然植被的生长，引起湿地和绿洲的生态系统失衡。

2.1.1 沿海地区

因地下水资源的不合理开发利用，降低了地下水位，破坏了咸淡水界面的平衡，引发咸水入侵等问题。

2.1.2 平原区

在封停地下水自备井后，水位得到了恢复，潜水蒸发能力增强，同时也引起了土壤盐渍化等问题。

2.1.3 建成区

地下水位的回升还给地铁等地下工程的施工和防渗带来不便。

综上，在地下水资源强烈开采下，河北省受水区各县市出现了不同程度的降落漏斗，漏斗中心或其附近位置因含水层的塑性变形，造成地面沉降、地裂缝等地质灾害[11-15]。

2.2 地下水“红黄蓝”线及其分区划分标准

为保持与地下水超采区评价成果的一致性，且实现地下水资源管理的快速、高效管理，依据地下水“红黄蓝”线及其分区的定义，以水位动态法中的地下水位变幅为指标，基于地下水控制性临界水位来进行地下水“红黄蓝”线及其分区的划分[21-24]。

2.2.1 静态划分指标

（1）浅层地下水上限埋深为：山前平原2.5m，一般平原区2m。

（2）下限埋深为：山前平原区15m，一般平原区10m。

2.2.2 动态划分指标

以水位动态法为基础，根据超采区划分标准。

（1）红线为严重超采区与一般超采区界限，浅层地下水年均下降值为1m。

（2）蓝线为非超采区与一般超采区界限，浅层地下水年均下降值为0m。

（3）黄线为红线值的1/2，即浅层地下水位年均下降值为0.5m。

本研究以地下水位红、黄、蓝线划分标准为依据，根据地下水位下降速率，以县级行政区为单元，划分地下水红、黄、蓝、白分区。其中，红区为浅层地下水位下降速率大于1m/a的区域；黄区为浅层地下水位下降速率0.5～1m/a的区域；蓝区为浅层地下水位下降速率0～0.5m/a的区域；白区为浅层地下水位下降速率小于0m/a的区域，如表1。

表1 浅层地下水“红黄蓝”区划分标准

3 指标体系现状成果及分析

借鉴河北省地下水超采区划分成果[25]，采用各管理分区浅层地下水代表性监测627眼共10年（2006～2015年）的年末水位数据，计算全省地下水位下降速率，在地下水控制性临界水位范围内，依据标准来划分河北省现状评价期内地下水红、黄、蓝、白分区。浅层地下水现状下降速率如图1。

图1 浅层地下水下降速率分布

从图1可以看出，红区位于保定市以南西部地区，黄区位于红区外围且分布范围较广，蓝区分布山前平原区东部边缘，白区分布在中东部平原及滨海平原区。整个预警区与2010年超采区划分成果相比，整体呈现加重趋势，范围扩大且红区的比例加大，反映了在维持目前开采现状情况下，地下水恶化的趋势仍在持续，迫切需要进行综合治理。