地下水超采区评价方法刍议

陈 飞，丁跃元，于丽丽，唐世南，孙逢玥，吴一凡，刘 飞

(1.水利部水利水电规划设计总院，北京 100120;2.郑州大学，河南 郑州 450001)

地下水具有重要的资源供给与生态维系功能，在保障居民生活和生产供水、维持地表植被、调节江河径流、维系生态环境方面具有不可替代的作用。一些地区长期过量开采地下水，导致地下水严重超采，并引发或加重了地下水资源枯竭、生态系统退化等问题，给经济社会可持续发展和生态环境带来了严重危害[1- 4]。国家高度重视地下水管理与保护，明确要求开展地下水超采治理[5- 6]。治理地下水超采问题，首先要准确地掌握地下水超采状况，摸清地下水超采范围，核定地下水超采量。水利部先后组织开展了两次全国地下水超采区评价工作，制定出台了地下水超采区评价标准，明确了地下水超采区评价方法，为推进地下水超采治理、加强地下水管理与保护奠定了基础[7- 9]。

随着地下水超采治理工作不断推进，超采区治理成效逐渐显现。为了更新超采区范围，一些地区启动了新一轮地下水超采区评价工作。笔者在开展超采区评价工作中，发现现有标准中地下水超采区评价方法存在若干问题或值得商榷之处。本文以最近开展的京津冀地下水超采区评价工作为基础，围绕地下水超采区评价方法，分析了现有标准中可能存在的问题，并针对上述问题开展了技术分析与论证，提出了地下水超采区评价方法完善建议，以更合理地完成京津冀超采区评价以及支撑新一轮全国地下水超采区评价工作。

1 现行地下水超采区评价方法

根据GB/T34968—2017《地下水超采区评价导则》(以下简称《导则》)，现行的地下水超采区评价方法主要有三种，分别为开采系数法、水位下降速率法和引发问题法[10]。《导则》规定，在划定超采区时，应同时采用上述3种方法，并在3种方法划定结果基础上综合判定超采区范围。3种评价方法与综合判定方法具体如下：

1.1 开采系数法

以区域的地下水开采系数判断其是否存在超采问题，若地下水开采系数大于1，则认为存在超采；否则不超采。计算时宜以行政区或地下水开采区作为计算单元，以经过批复的地下水资源评价成果为依据确定地下水可开采量，评价期内资源状况发生重大变化的应进行补充计算。地下水开采系数为地下水实际开采量与可开采量的比值，可按式(1)计算。

(1)

1.2 水位下降速率法

以区域地下水水位下降速率判定超采情况，若因地下水开采造成地下水水位呈持续下降趋势，则认为存在超采；否则不超采。以水位下降速率为标准进行划分时宜以水文地质单元作为计算单元，可与行政区相结合。根据同一监测站在评价期初和评价期末相同监测时段的水位值，计算评价期水位变化速率。各监测站地下水水位年均变化速率可按式(2)计算。

(2)

式中,v—地下水水位年均下降速率，m/s；H1—评价期初地下水水位,m；H2—评价期末地下水水位,m；Δt—评价期时间段长度，a。

1.3 引发问题法

因地下水开发引发了一定的生态地质环境问题，则判定为地下水超采区。以地面沉降为例，通过年均沉降速率判定是否超采，若年均沉降速率大于0，则判定为超采区。年均地面沉降速率可按式(3)计算。

(3)

式中,va—评价期内年均地面沉降速率，mm/a；Δh—评价期内地面沉降量，mm；Δt—评价期时间段长度，a。

1.4 超采区综合判定

在综合确定地下水超采区范围时，采用上述三种不同评价方法初步圈出的超采边界进行叠加，圈出围括最大面积的外包线。综合考虑地下水开发利用实际情况、水文地质条件、超采区划分精度、基础资料的可靠性、评价期前地下水超采情况等因素，对圈出的边界进行调整和修正，确定超采区分布范围。

2 存在问题与完善建议

2.1 关于地下水开采系数法

在使用地下水开采系数法时，《导则》规定“采用自现状年前不短于10a的资料系列”“评价期内年均地下水实际开采量”。在实际评价工作中发现，若严格按照评价期内年均地下水实际开采量来计算地下水开采系数，对于一些区域会出现不适用的问题，不能客观反映评价期内降水的丰枯变化，以及近年来各地开展的地下水超采治理工作对开采量的影响，易出现评价结果偏大或者偏小的情况。

以天津市为例，若按照《导则》规定的不短于10a的系列(2001—2017)平均值分析计算超采量，则得出其深层承压水年均超采量为3.13亿m3[11]。但是，考虑到天津市近年来深层承压水开发利用量呈递减趋势，如图1所示，使用不短于10a的系列(2001—2017)平均值分析计算的超采量显然不能反映当前最新的超采状况。按照最近几年系列(2015—2018年)地下水开发利用情况评价超采量结果为1.74亿m3，更符合实际超采状况。

相对风险度(Relative Risk, RR)是借用流行病学中“相对危险度”的概念，指在其他条件一定时，特定人群人均医药费是观察人群人均医药费的倍数[7]。为消除不同人群收入差异的影响，以矫正相对风险度来反映不同收入水平人群之间疾病经济风险的高低[8]。

鉴于此，建议在地下水开采系数法中，使用地下水开采量计算开采系数时，应综合考虑评价期内降水丰枯变化、地下水开采利用情况变化，以及地下水超采治理效果，具体可分为以下两种情况进行分析：

(1)评价期内地下水开采量基本稳定(或波动稳定)

可按照评价期地下水开采量平均值作为评价期地下水实际开采量，进行开采系数计算；

(2)评价期内地下水开采量单调递减(或递增)

这种情况符合目前大多数地区地下水开采量变化趋势。为反映最新的地下水超采情况，应结合降水丰枯情况，选择最近的2～3a地下水开采量平均值，计算地下水开采系数。

图1 天津市深层承压水开发利用情况

2.2 关于地下水水位下降法

按照《导则》规定，当使用地下水水位下降法，计算年均水位下降速率时，使用评价期初和评价期末直接相减后除以时段长度得到。可以看出，计算结果反映了地下水水位在评价期初和评价期末两个时间点的变化情况，但并没有体现评价期内地下水水位变化过程，不足以全面反映地下水水位变化趋势。以北京市为例，如图2所示，若以评价期初和评价期末时间点来分析的话，地下水水位处于下降态势，但2014年南水北调通水后，北京市地下水水位下降趋势得到遏制，很多区县地下水水位在2014年后呈持续回升状态[12]。在评价期后半段，降水总体为平水情况下，对于地下水水位持续回升3a以上的地区，地下水已经处于采补平衡甚至补大于采的状态，笔者认为可以不判定为地下水超采区。

图2 北京市部分地区地下水水位变化情况

因此，建议在地下水水位下降法中，计算地下水水位下降速率时，应综合考虑评价期内降水丰枯变化、地下水水位变化过程。一般情况下，评价期内地下水水位变化趋势存在下列几种情况：①基本稳定(或波动稳定)；②持续回升(或波动回升)；③持续下降(或波动下降)；④先降后升；⑤先升后降。

对于前三种情况，可采用式(2)计算地下水水位变化速率，并据此判定超采状态；对于第④、⑤种情况，应分析评价期地下水水位变化过程，在评价期内选择合理的时段，结合降水丰枯变化、地下水超采治理成效，综合判定地下水是否超采。

2.3 关于引发问题法

对于引发问题法评价地下水超采区及其分级标准，《导则》规定：因地下水开采引发了地面沉降，年均地面沉降速率大于10mm/a为严重超采区，其他为一般超采区。

而自然资源部相关文件关于地面沉降的判定和分级标准主要包括两种，具体如下：

(1)根据DZ/T 0286—2015《地质灾害危险性评估规范》，将地面沉降发育程度分级如下[13]：①沉降速率≤10mm/a，发育程度为弱；②10mm/a<沉降速率≤30mm/a，发育程度为中等；③沉降速率>30mm/a，发育程度为强。

(2)根据自然资源部地面沉降年报，按照沉降速率将地面沉降划分为4个级别：①沉降速率<10mm/a，为稳定或轻微沉降区；②10mm/a≤沉降速率<30mm/a，为一般沉降区；③30mm/a≤沉降速率<50mm/a，较严重沉降区；④沉降速率≥50mm/a，严重沉降区。

可以看出，《导则》中规定的地面沉降判定超采及其分类标准，与自然资源部门现行的地面沉降判定和分级标准存在较大出入。作为地面沉降防治主管部门的自然资源部，将地面沉降速率大于30mm/a作为(较)严重地面沉降(或强发育程度)的判断标准，而《导则》中规定地面沉降速率大于10mm/a为严重超采区，其他为一般超采区。超采区判定和分类所依据的地面沉降标准与地面沉降判定和分类标准不一致，由此确定的超采区范围恐不能科学准确地反映地面沉降这一重要因素。建议参照自然资源部门地面沉降判定和分级标准，将《导则》中规定的“地面沉降速率大于10mm/a为严重超采区，其他为一般超采区”修改为“地面沉降速率大于30mm/a为严重超采区，地面沉降速率大于10mm/a为一般超采区”。

2.4 关于超采区综合判定方法

根据开采系数法、水位下降速率法、引发问题法3种方法划定结果，综合确定地下水超采区时，《导则》采用的是将3种方法确定的超采区边界进行叠加、并入，圈出围括最大面积的外包线，然后对圈出的边界进行调整和修正，综合确定超采区分布范围。

根据京津冀地下水超采区划定工作经验，经过近几年的超采治理，很多地区地下水水位呈持续上升态势，但是可能仍然存在地面沉降问题，即地下水水位变化方法与地面沉降方法确定的超采区范围存在不一致的情况。笔者认为，在这种情况下，不同方法判定超采区范围出现不一致的情况时，不宜将3种方法确定的超采区进行简单叠加、并入，而应以地下水水位动态作为主要的判断因素，对超采区综合界定方法进行细化修订，明确综合确定步骤。尤其是对于引发问题法划定结果的处理上，考虑到地面沉降、地裂缝等地质环境问题不一定完全与地下水开采相关，因此在地下水水位持续回升、地下水开采量小于可开采量的情况下，对于存在较弱地质环境问题的区域，可考虑不再划定地下水超采区。

2.5 关于地下水超采量计算方法

计算地下水超采量，根据超采区的地下水开采量与可开采量做差求得。在确定超采区的地下水开采量时，同理应参照本文2.1中地下水开采系数法的修改完善建议，综合考虑评价期内地下水开采利用变化过程及降水丰枯情况合理确定。若评价期内地下水开采量基本稳定(或波动稳定)，可按照评价期地下水开采量平均值作为评价期地下水实际开采量；若评价期内地下水开采量单调递减(或递增)，应选择最近的2～3年地下水开采量平均值。

3 结论

科学划定地下水超采区、准确计算地下水超采量是开展地下水超采治理与管理的前提。目前，《导则》规定的开采系数法、水位下降速率法和引发问题法3种超采区划定方法和地下水超采量计算方法存在一些不足，本文分析了各种评价方法存在的问题并给出了完善建议：在计算地下水开采系数和地下水超采量时，应综合考虑评价期内地下水开采利用变化过程，合理确定地下水开采量；计算地下水水位下降速率时，应分析评价期地下水水位变化过程，在评价期内选择合理的时段，计算地下水水位下降速率；在引发问题发时，建议将地面沉降判定分级标准和自然资源部门衔接一致；综合划定地下水超采区时，不宜将不同方法确定的超采区进行简单叠加、并入，建议以地下水水位动态作为主要的判断因素。本文提出的超采区评价方法完善建议，有助于更加合理地评价超采区，给各地超采区评价工作提供参考和借鉴，支撑地下水超采治理工作。