长江流域地下水资源量分布特征及开采潜力分析

贾建伟 王栋 何康洁 刘昕

摘要：在长江流域2001～2016年最新观测资料基础上，依据平原区及山丘区的类型特征，分别采用补给法和排泄法计算了流域内12个水资源二级区和19个省级行政区内矿化度M小于等于2 g/L的浅层地下水资源量。结合水文地质条件、降水及人类活动等综合因素，全面论述了长江流域内地下水资源的空间分布特征，并考虑到各地区现阶段地下水资源开采量，进一步分析了不同区域的地下水资源开采潜力。分析结果表明：① 对于平原区类型而言，上游流域地下水资源模数均值明显要高于中下游流域的地下水资源模数均值，长江北岸的地下水资源模数均值大于南岸的地下水资源模数均值;② 对于山丘区类型而言，其地下水资源总量皆遵循自北向南逐渐递增的趋势，自上游向下游呈现出先增大后减小的趋势，而且湖庭湖、鄱阳湖、太湖三大湖区水系的地下水资源总量大于非湖区水系的地下水资源总量;③ 全流域现阶段地下水资源开采程度偏低，对应的开采潜力较大，仅河南省出现了地下水资源超采的现象。

关 键 词：地下水资源量;地下水资源时空分布特征;地下水资源开采潜力;补给法;排泄法;长江流域

中图法分类号：TV211.1+2

文献标志码：A

文章编号：1001-4179（2021）09-0107-06

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2021.09.017

0 引 言

地下水资源是储存于地表以下岩土空隙中的饱和重力水，作为自然界水循环的重要组成部分，地下水资源具有流动性和可恢复性的双重特征[1-3]。近年来，随着人口的快速增长和地表水污染问题的加剧，地下水资源已逐渐成为居民生活用水的重要来源[4-6]。为了更加高效地利用地下水资源，需先对其“质”和“量”的时空分布特性及对应的开发利用条件进行科学分析，以便为制定合理的水资源配置方案提供理论依据[7-9]。

目前，针对地下水资源量分析及方法已有大量研究。其中，关于分析方法方面的研究，大致可分为以下两类。

（1）第1类为传统计算方法，包括了水均衡法、排泄法、解析法、数值法、随机模型法及开采实验法等[10-13]，这类方法大都是通过对研究区域内的水文地质条件进行必要性概化，并结合直接观测数据来估算地下水资源量，以分析地下水资源量的时空分布特征[14]。

（2）第2类为基于遥感大数据的分析方法，包括了热红外法、水文地质遥感信息分析法、环境遥感信息分析法、遥感综合评估法及重力卫星法等[15-18]。这类方法可以在短时间内收集研究区域内的海量数据，具有成本低、实时性强等优点。然而，遥感技术作为水文数据的间接观测手段，其探测精度难以得到有效保证，有时甚至无法实现水量平衡[19]，因此现阶段开展的地下水资源量分析仍采用传统方法为主。

本文在長江流域2001～2016年最新观测资料基础上，将长江流域划分为平原区与山丘区2种类型，以两者对应的Ⅲ级类型区作为基本计算单元，分别采用补给量法及排泄法来研究流域内地下水资源量的空间分布特征;并将研究结果与各地区地下水资源开采程度相结合，综合分析了长江流域内12个水资源二级区和19个省级行政区的地下水资源开采潜力。在“长江大保护”背景下，本文研究成果可为长江流域水资源综合规划及地下水可持续利用方案的制定提供重要参考。

1 研究区域概况

长江发源于青海省唐古拉山脉中段格拉丹冬雪山西南侧，干支流流经青海省、西藏自治区、四川省、重庆市、江西省及江苏省等19个省、市、自治区，最终在上海市汇入东海;流域面积178.4万km2，全长6 300余km。长江流域地处中国中南部，整体位于24°30′～35°45′N，90°33′～122°25′E之间。流域整体地势西高东低，上游主要为山丘区，平原区主要集中在长江中下游，山丘区和平原区的面积分别为161.7万km2和16.7万km2。

根据地形地貌特征和水文地质条件，长江流域可大致划分为平原区和山丘区2种基本类型。其中，山丘区地下水以基岩裂隙水和岩溶水为主，前者主要分布在川西、桂西、湘西北、黔北地区;而后者在流域内大部分省（区）均有分布;基岩裂隙水和岩溶水2种地下水矿化度普遍小于1 g/L。平原区地下水则以松散岩类孔隙水为主，在流域内均有分布。考虑地形、地貌、水文地质条件等因素，平原区通常划分为一般平原区和山间平原区，山丘区通常划分为一般山丘区和岩溶山丘区。长江流域地下水资源Ⅱ级类型区分布如图1所示。

2 地下水资源量分析

2.1 计算方法和数据来源

本文主要分析长江流域矿化度M不大于2 g/L的浅层地下水资源量。在山丘区及平原区分类的基础上，进一步综合考虑地形、地貌、水文地质条件及水资源分区等重要因素，研究将平原区划分为一般平原区及山间平原区2种Ⅱ级类型区，将山丘区划分为一般山丘区和岩溶山区2种Ⅱ级类型区。而一般平原区又可划分为162个Ⅲ级类型区，山间平原区可划分为78个Ⅲ级类型区，一般山丘区可划分为422个Ⅲ级类型区，岩溶山区可划分为168个Ⅲ级类型区，全部共计830个Ⅲ级类型区，本研究将Ⅲ级类型区作为基本计算单元。

针对平原区地下水，研究采用补给量法进行计算，并统计其对应的排泄量，以便进行水量均衡分析。而对于山丘区地下水，采用排泄法进行计算，并以总排泄量来表示山丘区地下水资源量。为确定各区域对应的地下水类型，本次研究以县级行政区及水资源三级区套地级行政区为分区单元，当分区单元均为单一平原区或山丘区时，该分区单元地下水资源量无重复计算量;而当分区单元包括平原区和山丘区2种地下水类型时，考虑到平原区的部分补给量来源于山丘区的排泄量，因此该类区域进行分区单元地下水资源量计算时，需要从平原区和山丘区的地下水资源量之和中扣除2者的重复计算量，计算公式如式（1）所示。

式中：Qf、Qp、Qs、Qc分别为分区、平原、山丘及重复地下水资源量，重复计算项主要由以下2个部分组成：

（1）第1部分是平原区地下水资源中的山前侧向补给量，该部分水量又作为排泄量计入山丘区的地下水资源量中;

（2）第2部分是平原地表水体中由山丘区河川基流量组成的部分。

因此，两者重复计算量可用式（2）进行计算。

式中：Qcb、Qjb分别为平原区山前侧向补给量、山丘区河川基流形成的平原区地表水体补给量。最终，本文依据分区单元的地下水资源量分析成果，统计了长江流域各水资源二级区和省级行政区的地下水资源量。

2.2 地下水资源分布特征

基于长江流域各Ⅲ级类型区2001～2016年水文气象资料及水文地质参数，分别采用补给量法和排泄量法分析各计算单元平原区和山丘区的地下水资源量;据此推求各分区单元的地下水资源量;最后依据分区单元的地下水资源量分析成果，统计了长江流域各水资源二级区和省级行政区的地下水资源量;同时，分别从平原区、山丘区及地下水总量3个方面，分析了流域内地下水资源量的空间分布规律。表1和表2分别列出了不同水资源二级区及省级行政区地下水资源量和地下水资源模数的计算结果。

其中，平原区作为长江流域内地下水资源的富集区，地下水资源量为250.2亿m3，是长江流域地下水源工程取水的重要来源。平原区地下水资源量模数空间分布的基本特征是：上游流域模数均值显著高于中下游流域的模数均值，长江北岸的模数均值大于南岸的模数均值。具体来看，上游流域地下水资源模数均值为41.5万m3/km2，中游流域相应均值略小于下游流域的模数均值，两者分别为19.7万m3/km2和20.5万m3/km2;长江北岸除汉江流域对应的模数较小，仅为18.0万m3/km2以外，岷沱江及嘉陵江流域的模数均值均大于40.0万m3/km2，而南岸不同流域对应的模数相差不大，整体处于20.0万m3/km2附近。从省级行政区来看，陕西省及四川省的地下水资源模数显著高于其他省份的模数，分别为44.1万m3/km2和40.6万m3/km2;河南省的模数最低，仅为14.6万m3/km2，其余省份对应的模数相差不大，整体处于18.0万～24.0万m3/km2之间。

水资源二级区及省级行政区对应平原区地下水资源量占比如图2所示。图2的结果表明：尽管长江上游流域对应的平原区地下水资源模数较大，但占平原区地下水总量之比较小，仅为9.4%;而中游流域虽然地下水资源模数最小，但占总量之比最大，为57.2%;下游流域次之，占比为33.5%。具体来看，所有水资源二级区中以湖口以下干流区占比最大，为18.8%，嘉陵江流域占比最小，为0.3%;而省级行政区中以湖北省占比最大，为30.3%，陕西省占比最小，为2.6%。

对于山丘区而言，地下水资源量为2 213.5亿m3，远大于平原区，但多数地区山丘区地下水资源模数会小于平原区，以嘉陵江流域差异最大，山丘区地下水资源模数仅为平原区的1/5。而从地下水空间分布特征来看，山丘区的地下水资源模数自北向南呈现出递增的趋势，自上游向下游呈现出先增大后减小的趋势。具体来看，上游流域的地下水资源模数均值为11.6万m3/km2，中游流域的地下水资源模数均值为17.8万m3/km2，下游流域的地下水资源模数均值为12.9万m3/km2，长江北岸的地下水资源模数均值为11.4万m3/km2，南岸的地下水资源模数均值为17.4万m3/km2。从水资源二级区的角度来看，以鄱阳湖水系的地下水资源模数最高，为24.1万m3/km2，金沙江石鼓以上河段的地下水资源模数最低，仅为7.0万m3/km2;而从省级行政区的角度来看，福建省的地下水资源模数最高，为31.4万m3/km2，青海省的地下水资源模数最低，为4.9万m3/km2。

水资源二级区及省级行政分区对应的山丘地下水资源占比如图3所示。由图3可以看出：与平原区不同，長江流域上游及中游流域占山丘区地下水总量之比相差不大，分别为48.8%及47.6%;下游流域山丘区的地下水占比最小，仅为3.6%。从水资源二级区的角度来看，洞庭湖水系的山丘区地下水资源量占比最大，为20.9%;太湖水系的最小，为0.5%。而从省级行政区的角度来看，四川省的地下水资源量占比最大，为24.83%;广东省的地下水资源量最小，为0.04%。

综合来看，长江流域地下水资源量为2 449.7亿m3。就地下水资源模数而言，上中游流域以山丘区类型为主，地下水资源总量模数与山丘区地下水资源总量模数相差不大，下游流域对应的平原区地下水资源占比大，总量模数与山丘区的存在一定差异，但空间分布仍然遵循自北向南逐渐递增的趋势，自上游向下游呈现先增大后减小的趋势，而且三大湖区水系均大于其他非湖区水系。具体来看，上游流域地下水资源模数均值为11.7万m3/km2，中游流域地下水资源模数均值为17.9万m3/km2，下游流域的地下水资源模数均值为15.5万m3/km2;长江北岸的地下水资源模数均值为11.9万m3/km2，长江南岸的地下水资源模数均值为18.6万m3/km2;三大湖区水系模数均值为20.2万m3/km2，非湖区水系模数均值为12.6万m3/km2。从水资源二级区的角度来看，鄱阳湖水系的地下水资源模数最高，为23.6万m3/km2，金沙江石鼓以上河段的地下水资源模数最低，为7.0万m3/km2;从省级行政区的角度来看，福建省的地下水资源模数最高，为31.4万m3/km2，青海省的地下水资源模数最低，为4.9万m3/km2。

各水资源二级区及省级行政分区对应的全区地下水资源占比如图4所示。由图4可以看出：与山丘区类似，长江流域地下水总量主要来源于上游及中游流域，两者占比分别为44.90%及48.60%，下游流域的地下水总量占比较少，仅为6.50%。从水资源二级区的角度来看，洞庭湖水系的地下水总量占比最大，为20.10%，太湖水系的地下水总量占比最小，为1.90%;而从省级行政区的角度来看，四川省的地下水总量占比最大，为23.26%，广东省的地下水总量最小，为0.03%。

2.3 开采潜力分析

地下水可开采量是指在一定时期内，在保证经济合理、技术可行且不引起生态环境恶化的前提条件下，从地下含水层中获取的最大水量，具体计算公式如式（3）所示。本次研究重点调查了平原区矿化度M小于等于2 g/L的浅层地下水可开采量，基于相关各省水利厅汇编提供的2001～2016年地下水实际开采量，计算了长江流域内各分区地下水开采系数（Kc，地下水实际开采量与可开采量之比），并以此分析了各地区的地下水资源开采潜力，分析结果如图5所示。

式中：Qk、Qz、Qb分别为平原区地下水可开采量、地下水总补给量、不允许袭夺排泄量;Ω为不允许袭夺系数，对于长江流域，一般取0.4～0.6;Qz、Qb中各项量可采用分析单元的平原区地下水资源量成果。

一般认为，当Kc为1时，地下水资源开采达到平衡，对应的开采潜力为零;当Kc小于0.3时，地下水资源开采潜力极大;而当Kc大于1.2时，则地下水超采严重[20]。图5结果表明：从水资源二级区的角度来看，嘉陵江、汉江和岷沱江流域对应的平原区浅层地下水开采率均高于长江流域均值19.9%，三者分别为40.0%，45.4%和31.3%，其余分区则显著低于均值，地下水开采潜力极大，其中，以太湖水系最低，仅为0.8%;而从省级行政区的角度来看，四川省、湖南省及河南省对应的平原区浅层地下水开采率高于长江流域均值，三者分别为32.4%，22.2%和122.4%，其余省及直辖市则显著低于均值，其中，浙江省、上海市无浅层地下水开采。整体来看，除四川省和河南省以外，其余省份的地下水资源开采潜力较大，河南省的地下水则存在超采严重的问题。

对于长江流域，主要以利用地表水为主，近年来地下水开采量呈逐年减小的趋势。在“长江大保护”的背景下，结合长江流域各水资源二级区和省级行政区地下水资源量可开采量及实际开采情况，汉江流域应密切关注地下水的开采情况，对于地下水超采区，应逐步减采、限采地下水资源，保证地下水位的恢复;其余地区应有节度地利用地下水资源，同时关注地下水资源的恢复情况，避免出现超采现象。随着水资源刚性约束制度的建立，应严格實施河流和区域用水总量控制，按照流域水量分配方案的要求，合理利用地下水资源。

3 结 论

本文分别研究了长江流域内12个水资源二级区和19个省级行政区内矿化度M不大于2 g/L的浅层地下水资源量的空间分布特征，并结合平原区实际地下水开采量，分析了各地区对应的开采潜力，得出的具体结论如下。

（1）针对平原区而言，上游流域地下水资源模数均值要显著高于中下游流域的地下水资源模数均值，长江北岸的地下水资源模数均值大于南岸的地下水资源模数均值。从水资源二级区的角度来看，嘉陵江流域对应的平原区地下水资源模数最高，汉江流域的地下水资源模数最低;从省级行政区来看，长江流域陕西省的平原区地下水资源模数最高，河南省的地下水资源模数最低。

（2）山丘区与地下水总量的空间分布特征相似，皆遵循自北向南逐渐递增的趋势，自上游向下游呈现先增大后减小的趋势，而且湖区水系大于非湖区水系。其中，从水资源二级区的角度来看，以鄱阳湖水系的山丘区及地下水总量模数最高，金沙江石鼓以上最低;从省级行政区的角度来看，以福建省的最高，青海省的最低。

（3）整体来看，现阶段长江流域地下水开采程度偏低，开采潜力较大。从水资源二级区的角度来看，仅嘉陵江、汉江和岷沱江平原区浅层地下水开采率高于长江流域均值;从省级行政区的角度来看，四川省、湖南省、河南省3个省份对应的开采率较高，特别是河南省，存在地下水超采问题。

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（编辑：赵秋云）