地下水安全保障模式概念与应用分析

2019-09-20尉意茹戴长雷

山西水利 2019年6期

尉意茹，戴长雷，高宇，陈末，王羽

（1.黑龙江大学a.寒区地下水研究所；b.水利电力学院；c.中俄寒区水文和水利工程联合实验室，黑龙江哈尔滨 150080；2.东北农业大学水利与土木工程学院，黑龙江，哈尔滨 150080）

1 地下水安全

安全是针对风险而言，艾慧、姚鹏飞、刘久潭等分别从地下水的过量开采、地下水对工程建筑危害、地下水水质污染危害等方面系统地对地下水可能带来的风险进行了研究[1-5]，基于各位学者的研究内容，对地下水的风险进行总结，分为四个方面：一是环境危害型风险：无论是由降水造成的地下水水位的抬升还是过度开采造成的水位下降都能引起地下岩土结构、形状的改变，导致含水层结构不稳，会发生地面沉降等环境危害。二是工程技术型风险：工程上由于技术或运营问题导致取不到水、水流失和水污染等各种风险。三是资源短缺型风险：深层的地下水极不容易形成且补给困难，如果过量开采，就会使地下水面临枯竭的危险。四是经济政策型风险：有些地方因为当地的信仰、风俗、政策等不同，导致群众不能科学合理开采地下水和不合理排放污水的现象。

陈绍金、程国栋等从水量、水资源承载力、水质等方面对水安全问题进行了研究[6-8]，可以看出水安全不仅是一个资源的问题还包含衍生出的生态、社会、经济等多个方面。戴长雷等学者都是通过分析计算研究区地下水的开采量来给出地下水的安全开采标准[9]。文章结合已有的地下水风险、水安全和地下水安全方面的研究，试对地下水安全进行界定：地下水安全系指人类活动对地下水的作用在其允许开采范围内，保证其最大可再生量，不影响水体的承载能力，不破坏其生态能力，不发生任何地下水风险且地下水的合理开采满足资源、环境、工程技术和经济政策4类控制性指标，能维持人类正常的生产、生活活动。其关系如图1所示。

图1 地下水安全四类控制性指标关系

2 地下水保障

地下水保障指利用地下水安全保障措施来保护地下水而构成的可持续发展支撑体系。满足地下水安全的4类控制性指标的地下水安全保障措施主要分为非工程和工程类措施，目的在于解决区域采水问题，提高地下水资源风险防控能力。

2.1 工程措施

基于井口水量计量的工程措施。地下水的开采需要抽水井等工程设施来揭露，钻井工艺在成井过程中若能明确地下水的埋深状况以及钻孔井口涌水量，则方便控制地下水的开采。结合研究区地下水的开采现状，计算该区的地下水最大允许开采量，然后通过在抽水井口安装水量计量器来限制地下水的开采量，达到对地下水水量控制的目的。

基于电费反算的工程措施。电费反算是针对研究区的水价政策，将电量与供水量间的联系进行分析，应用分析结果列出用户的耗电量和供水量之间的数学关系式，从而得到研究区的地下水最大允许开采量，预计供水量然后推出较准确的用电量，进而计算出需要的电费。这样通过控制因抽水工程的支出的电费来达到控制水量的目的。

基于水位、水量双控的工程措施。在实际的抽水工程中对抽水量并不能进行一个直观的观测，都要通过观察地下水位的变化来反应抽水量的多少，所以构建一个基于水量、水位双控的工程对于地下水的开采控制是十分方便实用的。现阶段，在工程上比较常用的进行水量、水位双控的措施主要是构建完善的地下水监测井网，其目的是为了保障区域地下水安全。在了解研究区的含水层概况、面积、区域范围等基本情况后，可在研究区构设合理布局的监测井，采用多利用已有井，区分重点区，在重点区多布设观测井[10]。实时观测研究区地下水位的动态变化情况，通过水位水量转换方程，达到水量、水位双控的目的。

2.2 非工程措施

基于总量表的非工程措施即为给出可开采的地下水控制性总量。为了不产生因地下水过量开采而导致的风险，可给出一个地下水抽取的最大控制性总量和一个最小控制性总量，超过最大控制量会导致发生地下含水层疏干性风险，少于最小控制量会使地下水溢出地表造成土壤盐渍化、沼泽地等风险。地下水的合理开采量应介于这两者之间。

基于水位控制的非工程措施即为构建控制性关键水位。为减少因地下水的超采或过量补给造成的地下水位的变化而引发的风险，将地下水控制性关键水位划分为上下红线水位和上下黄线水位。下红线水位埋深是指要发生含水层疏干危害的临界水位，当达到这个水位时必须停止开采地下水。上红线水位埋深主要是警戒因富含矿物质成分的地下水溢出地表形成沼泽，破坏土壤结构，造成土壤盐渍化的情况，所以当达到这个水位时必须进行地下水开采；下黄线水位是指疏干警戒水位，当达到这个水位时应发出警报，采取警戒措施，避免达到疏干临界水位。上黄线水位主要指盐渍化警戒水位。关系如表1所示。

基于行政管理的非工程措施即为制定合理的经济发展政策。考虑研究区水源条件和可利用程度，根据研究区的工业、农业现状，制定合理的工农业发展政策，调整产业结构，实现经济、资源的最优化发展。

3 地下水安全保障模式

地下水安全保障模式是根据不同的实际环境，考虑解决地下水安全问题而提出的各种保障措施的集合。

表1 控制性关键水位的设定

构建地下水安全保障模式主要的目的在于不引起地下水风险、并符合研究区当地已有的工程技术和经济发展政策的前提下进行地下水的合理开发，既满足当地居民的用水需求又能保持地下水系统的可持续利用性并给当地创造最大的经济收益。地下水安全保障模式分为可持续模式和应急模式两类。可持续安全保障模式又分为绝对可持续安全保障模式和调节可持续安全保障模式。

3.1 绝对可持续保障模式和应急保障模式

绝对可持续保障模式是指在开发地下水时，地下水变化在一个相对稳定值上下小幅度波动，计算出的地下水允许开采量永远小于实际地下水允许开采量（即Q设＜Q允），地下水总是有富余；在此种模式下地下水的开采量始终保持在蓝区，水位控制在上下黄线之间。地下水绝对可持续发展，这类措施对地域要求、工程技术要求、政策要求都很严格，不具灵活性但对于保护地下水比较好。

应急安全保障模式是指在紧急情况下，必须抽出大量的地下水，而此时地下水的补给量跟不上消耗量（即Q设>Q允），地下水越用越少，此类模式下地下水的开采量在下黄区，控制性水位介于下黄线水位和下红线水位之间，若长期采用此类模式且不采取人工补给措施，地下水位可能达到下红线水位，对为地下水造成不可恢复的创伤。

3.2 调节可持续保障模式

调节可持续保障模式是指在某些时期大量开采地下水，使地下水水位下降但还没有达到下黄线水位，此时期开采的水量会在开采之后一段时间内回补，水位也逐渐回升达至稳定，达到含水层系统的稳定量，在长时段内地下水的设计开采量是约等于地下水实际开采量的（即Q设=Q允）。这类保障模式下地下水的开采量保持在蓝区和黄区，控制性水位在上下红线水位之间。在这种模式之下地下水可持续发展且能保障最大的经济利益。是一种比较提倡的模式。经分析，其对应关系如表2所示。

表2 地下水安全保障模式对应关系

4 实例分析

肇州县位于黑龙江省大庆市东南部，辖内乡镇密集，2个农牧场，农业人口占区内人口总额的50%以上，农业收益是全县的重要经济收益，农耕面积14.85万hm2，肇州县是典型的温带大陆性季风气候，春冬少雨，夏季多雨，全县多年平均降水量为452.1 mm。境内不存在天然形成的地表河流，地表水资源短缺，地下水资源丰富。其农业灌溉主要依赖地下水资源[11]，几乎每户都有地下水井，近年来随着农业的发展，地下水开采日益严重且国家大力支持在东北四省发展节水增粮产业，鉴于地下水对肇州县经济发展的重要性，和目前肇州的地下水开采现状，研究出一套地下水安全保障模式具有实际的意义，根据文中对地下水安全保障模式概念的叙述，结合肇州县的实际情况得表3。