超采区地下水位控制和考核指标确定方法

帅官印 崔伟哲 邵景力 崔亚莉 张秋兰 张喆 徐树媛

摘 要：为了有效管控地下水超采区，从区域控制和漏斗区控制两个角度考虑，提出一种选取地下水控制井以及确定控制水位和考核水位指标的方法。对于整个超采区，采用泰森多边形法划定每口控制井的控制面积，将每口控制井的控制面积占区域面积的比例作为权重，计算出区域面积加权平均水位，进而根据与该平均水位的接近程度，选出一口区域水位控制井，并将其最近平水年年末的水位作为今后的控制和考核水位。但是，当评价年为枯水年时，需要在控制水位的基础上减去松弛量确定考核水位。对于地下水漏斗区，利用水位等值线图，判断漏斗分布情况，进而从漏斗中心附近选取一口控制井，同样也将其最近平水年年末的水位作为控制和考核水位。以河北省馆陶县为例，选取的区域和漏斗控制井分别为监测井Ｗ１６ 和Ｗ１７；当政府未制定水位恢复规划时，区域控制水位确定为１７．１３ ｍ；当政府制定了水位恢复规划时，比如５ ａ 内水位恢复０．５ ｍ，那么区域控制水位需要在１７．１３ ｍ 的基础上每年增加０．１ ｍ；丰水年、平水年考核水位等于控制水位，枯水年考核水位等于控制水位减去０．９３ ｍ（松弛量）；漏斗区控制和考核水位均确定为１２．１９ ｍ。

：超采区；地下水漏斗区；控制水位；考核水位；馆陶县

中图分类号：Ｐ６４１．８；ＴＶ２１１．１＋ ２ 文献标志码：Ａ ｄｏｉ：１０．３９６９／ ｊ．ｉｓｓｎ．１０００－１３７９．２０２４．０３．０１２

引用格式：帅官印，崔伟哲，邵景力，等．超采区地下水位控制和考核指标确定方法［Ｊ］．人民黃河，２０２４，４６（３）：６４－６９．

０ 引言

我国北方很多地区过度开采地下水，出现了地下水漏斗问题［１－３］ 。伴随着地下水位的持续下降，出现了一系列地质和生态环境问题，如地面沉降、地裂缝、咸水入侵水质优良的淡水含水层、海水入侵、枯水期河道干涸、泉水断流等［４－６］ ，极大地危害社会发展和用水安全，因而近些年政府部门持续加大对地下水超采区治理以及管控的力度［７－９］ 。

目前，国内对地下水超采区的管控主要执行地下水取水总量与水位双控管理制度，因此关于如何科学设置地下水取水量和水位指标的研究较多，而国外对超采区治理的研究主要集中在对地下水的优化配置上［１０］ 。许一川［１１］ 基于水均衡法，确定了邯郸市平原区地下水开采总量与控制水位之间的定量关系。孙思宇［１２］ 针对吉林省地下水管理问题，采用水均衡方法，制定出红、黄、蓝线水量和水位阈值。梅梓腾等［１３］ 利用多元线性回归方法，建立了太原盆地年水位变幅和年开采量的相关关系模型，进而确定出浅层和深层地下水双控指标。王晓玮等［１０，１４］ 将西北干旱地区划分为不同的地下水功能区，并采用数值模拟方法确定出不同功能区的水量－水位控制指标。张喆［１５］ 将石家庄平原分成１３ 个地下水管理分区，并采用水量均衡法，确定出各分区的水量－水位阈值。Ｓｒｅｅｋａｎｔｈ 等［１６］ 建立了小型岛屿地下水多目标管理模型，以净补给量最小以及海水入侵影响最小为管理目标，得出岛屿最优开采量；Ｆａｒｈａｄｉ 等［１７］ 通过求解区域水资源多目标管理模型，得到了能够减少灌溉用水量和地下水开采量的最优解。

区域地下水开采量难以完全统计，导致取水总量不易控制，而地下水位监测很容易实现，且水位能直观反映地下水储量变化，因此有学者试图通过控制水位来实现对地下水的有效管理。比如，李文鹏等［１８］ 借鉴美国地质调查局在宾夕法尼亚州使用的水位预警方法，从统计学的角度，提出北京平原地下水黄、橙、红三条预警水位线；方樟等［１９］ 通过地下水流数值模型，确定出不同降水保证率下河南安阳地区不同季度的控制管理水位阈值；孙天青等［２０］ 在分析邯郸市东部平原历史地下水位变化的基础上，结合水均衡法，为超采区和非超采区划定了水位埋深控制指标。

目前关于地下水位控制的研究，普遍存在地下水位控制监测井选取方法不明确的问题，多数研究未设置地下水位考核指标，或者虽然设置了考核指标但是未考虑水位松弛量（控制井在枯水年允许下降的最大水位），导致枯水年考核目标难以完成。针对这些问题，本文提出一种在县级行政区（超采治理的基本单元）选取区域资源性地下水位控制井、确定控制和考核水位、计算枯水年考核地下水位松弛量的方法，对于县域内的漏斗区也给出控制井和控制考核指标的确定方法。最后，选取超采较为严重的河北省馆陶县作为典型区，进行实例应用。

１ 指标体系构建

１．１ 地下水位控制井选取方法

在确定地下水位控制和考核指标之前，首先需要确定地下水位控制井的位置。一个地区地下水位监测井数量一般很多，如果都作为控制井，并对每口井都设置控制和考核指标，就会增加管理难度和控制考核的工作量。考虑到选定的监测井一般要代表整个区域的地下水位或漏斗区地下水位，因此从区域水资源控制（目的是保证含水层存储一定量的水资源）和漏斗区控制（降低灾害事件的破坏程度）两个角度考虑，选取少数有代表性的监测井作为地下水位控制井。

１．１．１ 区域地下水位控制井选取方法

区域控制井应该能反映整个研究区的地下水位。选取步骤：１）收集研究区具有长系列观测地下水位数据的控制井，并尽量保证控制井在区域上均匀分布，同时剔除地下水位异常的控制井；２）采用泰森多边形法获取每口井的控制面积，并计算每口井的面积权重；３）通过区域长期降水累积频率曲线，找到离现在最近的平水年并将其作为基准年，根据确定的面积权重计算该基准年每个月所有选定监测井的面积加权平均水位；４）将每口控制井基准年各月的水位与对应月份的区域面积加权平均水位进行对比，找出各月水位都接近平均水位的那口井，将其作为区域地下水位控制井。选取平水年的原因：平水年降水量接近多年平均值，能够反映区域平均降水水平，代表性好；而丰水年或者枯水年降水一般偏离平均值，甚至属于异常或者极端情况，代表性差。

１．１．２ 漏斗区地下水位控制井选取方法

采用基准年年末地下水位数据，绘制地下水位等值线图，判断是否存在地下水降落漏斗区。如果存在漏斗区，可选择漏斗区中心附近的一口监测井作为地下水位控制井。只设置一口控制井的原因：漏斗中心地下水位埋深最大，属于超采最严重的区域，因而必须对其进行控制；对于漏斗其他区域，由于区域地下水会不断向漏斗区汇集，漏斗区面积会在区域地下水位回升过程中不断缩小，因此无须设置更多的漏斗控制井。

１．２ 地下水位控制指标确定方法

１．２．１ 区域資源性控制地下水位确定

资源性控制地下水位是为了防止地下水资源枯竭，从而使其能够持续发挥多年调蓄功能的地下水位［ １４］ ，分为上限水位和下限水位。超采区地下水埋深普遍较大（均超过极限埋深），地下水蒸发微弱，因此只设置下限水位，不设置上限水位。下限水位的设置应遵循以下原则：１）对于政府部门未制定地下水位恢复规划的情况，要把实现地下水采补平衡作为目标，即地下水位至少要保持在基准年水位不下降，可将控制井在基准年年底的地下水位作为控制水位；２）对于政府部门制定了地下水位恢复规划的情况，要根据地下水位恢复或者压采水量的规划，进一步确定控制地下水位。

１．２．２ 漏斗区控制地下水位确定

考虑到漏斗中心是区域地下水开采和用水强度最大的地方，完全控制开采使得漏斗中心地下水位止跌回升不现实，因而将地下水位控制在基准年水平不再下降即可。

１．３ 地下水位考核指标确定方法

地下水位考核指标主要用来考核水资源管理部门对所辖区域地下水位管控的成效。由于每年的降水量决定当年地下水的开采量及含水层的补给量，因此对丰枯不同的年份采用同一地下水位考核指标显然不合适，应根据降水量的不同设置差异化的区域地下水位考核指标：对于丰水年和平水年，由于含水层能够得到的补给量较大而开采量较小，因此将控制地下水位作为考核水位。对于枯水年，在设置考核水位时，需要在控制地下水位的基础上，添加相应的松弛量（考核水位＝控制水位－松弛量）。松弛量的计算步骤：１）根据多年降水资料绘制降水频率曲线，判断每年的丰、平、枯降水类型。２）采用控制井长系列水位资料（监测频率为天或者月），计算每年年末与前一年同期的水位变幅。３）绘制控制井长系列水位散点图，采用线性回归方法，拟合得到水位回归方程，用方程斜率乘以３６５（或１２），得到年水位变化量，将该水位变化值作为趋势项。４）计算出全部枯水年中控制井最大的水位降幅，将其绝对值加上趋势项，得到控制井在枯水年允许降低的水位值，即为松弛量。对于地下水漏斗区，由于各地一般实行开采管控政策，因此可按照控制水位对其进行考核。

２ 实例应用

２．１ 研究区概况

馆陶县隶属于河北省邯郸市，面积４５６ ｋｍ２，属暖温带半湿润大陆性季风气候区，多年平均降水量５４８．７ｍｍ，水面蒸发量１ ５１５．６ ｍｍ。境内主要河流为卫运河，河道长３３．２７ ｋｍ，流域面积５５ ｋｍ２。研究区地势西南高、东北低，南部最高海拔４３ ｍ，北部最低海拔３６ｍ，属壤质土冲积平原。境内含水层属于松散孔隙类含水层，平均厚度６９．４８ ｍ，水力坡度为１‰～４‰［２１］ 。

２．２ 地下水位控制井确定

２．２．１ 区域地下水位控制井选取方法

以浅层地下水管控为例，剔除数据异常井后，共筛选出１８ 口浅层地下水监测井（见图１）。采用泰森多边形法，计算出每口井的面积权重（见表１）。根据求得的面积权重，计算区域加权平均水位。由于收集到的监测井水位观测频率及系列完整性不同，且２０１８ 年为最近的平水年，因此采用２０１８ 年３ 月、５ 月、９ 月、１１月４ 个月的水位数据，计算区域面积加权平均水位。

在此基础上，分别计算２０１８ 年每口井的水位与区域平均水位的误差平方和，并对计算结果开平方，以此衡量单井水位与区域平均水位的接近程度（见表２）。由表２ 可知，Ｗ１０、Ｗ１２ 和Ｗ１６ 三口井的误差平方和开平方值（分别为０．９９、１．２６ ｍ 和１．００ ｍ）较小，说明这三口井的水位接近区域平均水平。由于监测井Ｗ１６ 具有最长的水位时间系列数据（从２０００ 年到２０１８ 年），并且位于三口井的中心位置，因而将该井确定为区域资源性水位控制井（见图１）。

２．２．２ 漏斗区地下水位控制井选取方法

采用２０１８ 年１１ 月的地下水位数据，绘制研究区浅层地下水位等值线（见图２）。由图２ 可知，在研究区南部存在一个较大的漏斗区。由于监测井Ｗ１７ 位于该漏斗中心附近，因此将其作为漏斗区水位控制井。

２．３ 地下水位控制和考核指标确定

２．３．１ 区域资源性控制地下水位确定

１）政府部门未制定地下水位恢复和水量控制规划的情况。首先，利用收集到的２０００—２０１９ 年降水资料，绘制降水累积频率曲线（见图３）；然后，根据频率曲线判断各年的丰、平、枯状况（累积频率小于２５％为丰水年，２５％～７５％为平水年，大于７５％为枯水年），由图３ 可知，２０１８ 年、２０１９ 年均为平水年，但由于未收集到２０１９ 年控制井Ｗ１６ 的水位数据，因此将２０１８ 年作为水位控制基准年；最后，将２０１８ 年１１ 月地下水位１７．１３ ｍ 确定为研究区的控制水位，即今后控制井的１１ 月水位都要保持在１７．１３ ｍ 以上。

由于多数控制井没有２０１７ 年和２０１８ 年１２ 月的水位数据，而且部分控制井缺失２０１７ 年１１ 月的水位，因此无法准确计算研究区２０１８ 年的地下水储变量。假设馆陶县２０１８ 年浅层地下水储变量为－５００ 万ｍ３。

根据《２０１８ 年邯郸市水资源公报》，馆陶县浅层地下水开采量３ ８７０ 万ｍ３，利用式（１）计算得到２０１８ 年馆陶县浅层地下水可开采量为３ ３７０ 万ｍ３。２０１８ 年为平水年，降水量接近多年均值，假设之后几年的降水量与２０１８ 年接近，那么未来每年地下水开采量应控制在３ ３７０万ｍ３以内，才可以大致保证各年１１ 月地下水位不低于控制水位。研究区地下水可开采量计算公式为