济宁市浅层地下水超采区划分方法浅析

李 栋，张 健，李晓霜

（济宁市水文中心，山东 济宁 272000）

地下水超采区通常认为是人类活动开发利用地下水量超出了地下水可开采量，进而形成地下水位降落漏斗区，引发裂缝、地面沉降、海水入侵等地质灾害。超采区划分的前提是人类活动开采地下水超出了地下水的补给能力，破坏了地下水的采补平衡。但实际工作中受人类活动、底层结构、降雨等多种因素的综合影响，一般认为具备地下水实际开采量超过可开采量、形成地下水位降落漏斗区、引发地质灾害三项要素中的一项即可划定为地下水超采区。

1 地下水超采区划分标准和方法

1.1 地下水超采区划分标准

1）严重超采区划分标准。①浅层地下水年均地下水开采系数大于1.3；②浅层地下水水位年均下降速率大于1.0 m/a；③深层承压水水位年均下降速率大于2.0 m/a；④因地下水开采引发了地面沉降，年均地面沉降速率大于10 mm/a；⑤因地下水开采引发了海（咸）水入侵，造成氯离子含量大于1 000 mg/L；⑥因地下水开采引发了地裂缝，在100 km2范围内有两条以上地裂缝，或至少有一条地裂缝长度大于10 m 且地表面宽度大于0.05 m，深度大于0.5 m。

2）一般超采区划分标准。未达到严重超采区划分标准的地下水超采区域定为一般超采区。

1.2 地下水超采区划分方法

地下水超采区划定以水位动态法、开采系数法为主，引发问题法进行补充分析[1]。

1）开采系数法。根据地下水开采系数确定超采区范围，现状水平年地下水开采系数为：

式中：k 为年均地下水开采系数；Q实采为现状水平年平原区地下水开采量，万m3；Q可采为多年平均平原区地下水可开采量，万m3。

现状水平年地下水开采量通过分析地下水开采量变化趋势确定。一般情况下，地下水开采量变化趋势存在以下几种情况：基本稳定（或波动稳定）、持续回升（或波动回升）、持续下降（或波动下降）、先降后升、先升后降。

对于开采量基本稳定（或波动稳定）情况，可按照统计时段地下水开采量平均值作为现状水平年地下水开采量。

对于持续回升（或波动回升）、持续下降（或波动下降）、先降后升、先升后降情况，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1～3 年作为代表性时段，计算其地下水开采量，作为现状水平年地下水开采量。

开采系数通常可划分为4 个区，分别为：k＜0.9，0.9≤k＜1.0，1.0≤k＜1.3，k≥1.3，根据开采系数大小，初步圈出不同类型地下水超采区、临界区边界（包括临界区、一般超采区和严重超采区）。

2）水位动态法。根据地下水水位年均变化速率确定地下水超采区范围，地下水水位年均变化速率按式（2）计算：

式中：V 为年均地下水水位（埋深）变化速率，m/a；H1为起点年份地下水水位（埋深），m；H2为终点年份地下水水位（埋深），m；Δt 为起点与终点时间段，a。

计算地下水水位下降速率时，应综合考虑降水丰枯变化、地下水水位变化过程。一般情况下，地下水水位变化趋势存在以下几种情况：基本稳定（或波动稳定）、持续回升（或波动回升）、持续下降（或波动下降）、先降后升、先升后降。

对于地下水水位基本稳定（或波动稳定）、持续回升（或波动回升）、持续下降（或波动下降）3种情况，按公式（2）计算地下水水位变化速率。

对于先降后升、先升后降两种情况，应分析统计时段地下水水位变化过程，结合降水丰枯情况、地下水超采治理成效，在统计时段内选择反映近期地下水水位变化的代表性时段，一般不短于3 年，采用公式（2）计算地下水水位变化速率。

地下水水位变化分区精度应满足：0~0.5 m/a，0.5~1.0 m/a，1.0~1.5 m/a，1.5~2.0 m/a，>2.0 m/a。按照监测井地下水水位年均下降速率，确定地下水超采区的范围。

3）引发问题法。根据研究区域内因地下水开采引发的各种生态环境与地质环境问题确定超采区范围，评价的主要参数有地面沉降速率、海（咸）水入侵、地裂缝、地面塌陷、土地沙化等突出现象。以地面沉降现象为例，年均地面沉降速率计算公式为：

式中：V沉为年均地面沉降速率，mm/a；Δt 为代表性时段，选用近1~3 年；ΔH为Δt 期间的地面沉降量，mm。

2 地下水超采区划分案例

2.1 研究区域概况

本次以济宁市的浅水层区域作为地下水超采评价对象。济宁市位于山东省西南部，地处黄淮海平原与鲁中南山地交接带，地质构造属华北地区鲁西南断块凹陷区[2]。地下水超采区划分采用济宁市133 眼省控地下水监测井2011—2022年水位监测资料，由济宁市水文中心提供。

2.2 开采系数法应用

以2011—2020 年年均浅层地下水开采量平均值作为现状水平年开采量，各年度地下水开采量由济宁市水行政主管部门提供。通过计算可以看出，济宁市浅层地下水开采系数均未超过0.9，开采系数法分析济宁市无超采区，济宁市各县、区浅层地下水开采系数见表1。

表1 济宁市各县（区）浅层地下水开采系数

2.3 水位动态法应用

对济宁市133 眼地下水动态观测井2011—2020 年地下水位变化过程进行分析，对于水位先升后降和先降后升两种情况选取2015—2020 年近5 年水位作为代表时段计算水位变化速率，对于基本稳定、持续上升、持续下降3 种情况选取2011—2020 年作为代表时段，同时考虑地下水位埋深大于10 m 的标准。通过分析可知，地下水位下降的区域位于嘉祥县西北部、汶上县东部、任城区东北部、兖州区北部和南部，监测井水位下降速率均小于1 m/a，属一般超采区，总面积为590.8 km2。不同趋势代表井水位变化如图1 所示。

图1 不同趋势代表井水位变化

2.4 引发问题法应用

济宁市平原区的地质环境问题主要为地面沉降，产生地面沉降的原因有：1）自然因素。地壳运动造成地面沉降，根据济宁地区地壳变形资料，嘉祥以西为相对上升区，上升量最高达40 mm，嘉祥断裂带至峄山断裂带之间为下降区，济宁市城区位于沉降中心[3]。2）人为因素。主要是煤炭资源开采。济宁市浅层地下水开采没有造成明显地质环境问题。济宁市未发现因地下水超采造成的地质问题，没有引发问题法划分的超采区。

2.5 地下水超采区综合划定

通过3 种方法对济宁市超采区划定出的范围进行分析，应以水位动态法划定结果为主，开采系数法和引发问题法作为补充，最终确定济宁市浅层地下水超采区面积为590.8 km2。

2.6 济宁市浅层地下水超采区变化

根据山东省人民政府批复的地下水超采状况，济宁市第一次超采区为2003 年划定，浅层地下水超采区面积1 182.8 km2。第二次超采区为2013 年划定，浅层地下水超采区654.9 km2。根据本次分析结果最终确定济宁市浅层地下水超采区面积为590.8 km2。可以看出，济宁市超采区治理取得了较为明显的成效。

3 结 语

1）地下水超采区划分的三种方法中，应以水位动态法、开采系数法为主，引发问题法为辅，综合分析评判。

2）提升地下水取水计量精度。受监测条件和技术手段的限制，地下水取水量难以实现监测全覆盖，会造成取水统计数据与实际取水量之间存在差异，提升取水计量精度是准确划定超采区的重要条件。

3）通过对比前两次地下水超采区划分成果，本次分析确定的济宁市浅层地下水超采区面积明显减小，济宁市超采区治理取得了明显成效。