地下水合理开发论文

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黄淮海平原水资源紧缺，严重制约着社会经济的持续发展，造成地下水超采和生态环境恶化。南水北调工程是解决我国北方水资源严重短缺问题的重大举措。江水北调对减少与制止地下水超采可以提供必要的条件，同时，地下水的合理开发利用在南水北调中也可以发挥开源节流、改善生态环境、改造咸水和防止土壤盐碱化等重要作用。

1地下水资源的概念和地下水含水层的特点

1.1地下水资源的概念

地下水资源包括地下水的储存量和补给量两部分。不参与现代水循环、不可再生和恢复的储存量称为储存资源；参与现代水循环、可再生和恢复的补给量称为补给资源。

储存资源是地质历史时期累积形成的地下水资源量，是含水系统中不可再生和恢复、因而不能持续利用的水量。取用含水系统的储存资源，将导致这部分资源的永久耗失。有些地区具有大厚度的含水层，地下水位变动带以下的地下水静储量非常巨大。因此，20世纪60年代有人提出黄淮海平原地下存在着一个地下海,90年代初在塔里木盆地和河西走廊也有人提出发现了地下海，认为可以利用的地下水资源非常丰富。然而，地下水储存量虽然是一种宝贵的地下水资源，但它和矿产资源一样，一旦消耗，难以恢复，因而是不可持续利用的。只有在利用过程中可以不断恢复和补偿的地下水补给量才是可持续利用的地下水资源。

补给资源是指一个含水系统在单位时间里、可以持续获得补充的水质、水温合乎一定标准的水量。原则上在一个含水系统中提取的地下水量不超过其补给资源时，水源便有持续供应的保证。地下水的补给量包括天然补给（山前侧向补给和垂向补给）和转化补给（地表水体补给、地表水灌溉渠系和田间灌溉水补给，含水层之间的越流补给,以及地下水灌溉回归补给等，但地下水灌溉回归转化补给只作为地下水的补给量，一般不能算作地下水资源）。由于地下水补给的一部分将消耗于不可避免的潜水蒸发、天然生态耗水、地下水的排泄，而不能全部被开发利用，地下水的可开采利用量仅是补给量的一部分。这部分可以开采利用又不致引起难以承受的环境损害（如城区和滨海地区的地面沉降，干旱地区的土地沙化等）的水量称为可持续开采量或可采资源。有些地区将地下水的全部补给量作为地下水的可采量而进行开发利用，将造成地下水的超采。

不同的地下水含水层可开采利用的地下水资源不同，必须根据含水层的特点合理开发地下水资源。

1.2地下水含水层水资源的特点

平原地区松散岩层中的主要含水层为浅层水和深层承压水。浅层地下水指地表以下的潜水和潜水-微承压水，可以直接接受大气降水和地表水的补给。深层承压水指埋藏在深部弱透水层间含水层中的承压水。

20世纪70年代初期，人们根据传统的地下水资源的概念和地下水含水层的部分特点，认为深层承压水具有以下优点：1）地下水承压水位高，开采初期有的地区水位高出地面，水井可以自流；2）含水砂层厚、导水性强、水井出水量大；3）水质好、不易受到污染；4）承压水位不易受到气候条件的影响等。而对浅层水则认为：1）缺乏良好含水砂层或砂层厚度小、水井出水量小；2）含水层导水性差，侧向补给相对较小；3）浅层水水质差、易受地表水体污染等。在这种认识下，20世纪60~70年代许多农村和城市大量开采深层承压地下水，特别是某些地方的政策导向也是鼓励开采深层水，打深井国家给予补助，而打浅井则不予补助。由于深层水的大量开采，造成承压水位大幅度下降，形成大面积的承压水位降落漏斗。近30多年来的实践表明，上述对地下水含水层的认识是不够全面的。实践使人们对浅层潜水和深层承压水含水层和资源的特点有了更为全面的认识。

1.2.1浅层地下水（包括潜水和浅层潜水-承压水）开采量的组成浅层地下水的补给和消耗：（1）地区内部的垂向补给和消耗：降雨补给、河流和渠道渗漏补给、田间灌溉水补给、越层补给；潜水蒸发、越层消耗。（2）来自地下水侧向补给和排出区外的地下水排泄。（3）开发利用过程中由于水位下降，含水层疏干而动用的地下水储存量（这部分不能作为可持续利用的地下水资源量）。在含水层的给水度为μ，单位面积上（m2）由于水位下降S(m)而释放的水量W(m3)为W=μS

浅层地下水的优点是：1）可以直接接受大气降水和地表水体和地下径流的垂直和侧向补给，开采利用后可以不断得到恢复和补偿，因而是可以持续利用的。2）含水层埋藏浅，可用浅井开采，工程造价低。3）浅层地下水的给水度远大于深层承压水含水层，相同开采水量条件下水位下降小，运行费用低于深层承压水。

在补给量和水质有保证的条件下，浅层地下水可作为农业用水的主要水源和城市工业和生活用水的后备或辅助水源。

1.2.2深层地下水开采量的组成深层承压水的补给和消耗：1）来自山前的天然地下水侧向补给和排出区外的地下水排泄。在开采区远离补给边界的情况下，侧向补给量是十分有限的。2）地区内部的垂向补给和消耗：承压含水层上下均有弱透水层或隔水层阻隔，不能直接承受降雨、河渠渗漏和灌溉水补给，在开采过程中只有来自或进入相邻含水层的越层补给。3）开发利用中由于承压水头的下降，含水层和弱透水层的弹性（或弹塑性）压密而释放的水量（对粘性土主要是塑性压密，即使回灌也难以恢复）。这部分水量是不可补偿的，主要是动用的含水层中原有的地下水储存量，不能作为可持续利用的地下水资源量。在承压含水层的弹性给水度为μe,单位面积上（m2）由于承压水位下降Sc(m),承压含水层和弱透水层释放的水量Wc(m3)为

Wc=μeSc(1)

承压含水层的弹性给水度为

μe=γmβs+nγmβ=γm(βs+nβ)

μe=μ1m

μ1=γ(βs+nβ)

式中γ为水的容重，βs为含水层的压缩系数，n为含水层的空隙度，βw为水的压缩系数，μ1为单位厚度的含水层，单位承压水头下降所释放出来的弹性释水量（1/m）。在深层承压水开发利用中，由于单位水头的下降，自含水层上下的弱透水层释放的水量计算方法与含水层相同，只是其厚度m、压缩系数ßs和空隙度n不同。

如上所述，开采深层地下水得到的水量主要来自由于水位下降而引起的含水层和弱透水土层压密、水体膨胀引起的弹性释放、侧向补给和越层补给，来自土层压密和弹性释放的水量均是动用储存量。在承压含水层以上有咸水覆盖的地区开采的越层补给的淡水量也是动用储存量，只有在无咸水覆盖的地区部分越层补给的水量来自潜水或浅层地下。这部分水量虽然是可以持续利用的，但它来自浅层水的越层消耗量，并已计算在潜水（或浅层水）资源量中，属于浅层水和深层水资源的重复量。在远离山前的地区侧向补给十分微弱，由于地下水的开采水位下降而引起的侧向补给实际上也是动用邻区的地下水储存量。根据以上情况自深层承压水开采的水量，除山前地区有一定的侧向补给和在无咸水覆盖区有少量越层补给的水量外，几乎全部是动用储存量，而开采储存量是不可持续的。

1.3地下水可采量（地下水可采资源）

如前所述，地下水的储存量是不可持续利用的的资源，只有在开发利用过程中不断可以恢复、补偿的地下水量才是可以持续利用的地下水资源。地下水资源评价的任务主要是估算可持续开采利用的符合水质要求,且不会引起不可承受的生态环境损害的地下水量，即可采资源量。由于地下水补给的一部分将消耗于耕地农作物的腾发和不可避免的潜水蒸发、天然生态耗水、地下水的排泄，而不能全部被开发利用，地下水的可开采量仅是补给量的一部分。一个地区的地下水可采量需要通过地下水的采补平衡分析和地下水的模拟才能确定，但为简便计，生产实践中一般常将地下水补给量乘以一个小于一的经验可开采系数求得地下水可开采量。半湿润地区一方面有河渠渗漏和田间灌溉水的补给，另一方面又有降水入渗，地下水的可开采系数较高（有时可达0.7~0.9）。干旱地区降水量稀少，地下水的补给大部来自地表水的转化，且有相当一部分消耗于农田和非耕地天然植被的腾发，地下水的可开采系数远小于半湿润地区。由于地下水的可开采系数是一个经验系数，一些干旱地区借用半湿润的华北地区的经验数值，估算的地下水可开采量将显著偏高。深层地下水在开采时获得的补给量中除有限的侧向补给和越层补给（且与潜水补给有重复计算）外，几乎全部来自地下水的储存量，而储存量是不能作为地下水可采量而持续开采利用的。

在地下水补给量的计算中需要有一系列的补给参数，在利用补给量计算可采量时又需要有一个经验的可采系数，计算的过程复杂，系数的选择又有很大的任意性。由于降水量和地表引水量是地区地下水的主要补给来源，生态需水也主要决定于降水蒸发等气象条件，地区内地下水的可开采量除决定于土地利用系数和水文地质条件外，主要决定于降水量和地表引水量。因此，可以近似地根据降水量不同的典型地区地下水可开采量与地表水引水量的经验比值，近似地估算地下水的可采量。

2南水北调受水区地下水开采现状

近期南水北调受水区主要为海河平原和淮河平原的部分地区。根据国土资源部水文地质环境地质研究所《海河流域地下水资源现状评价及典型区环境地质效应分析》资料，海河流域平原地下水可采量和现状条件下实际年开采量如表1所示。.年平均总超采量为44.6亿m3/a,其中浅层地下水超采量为23.6亿m3/a,深层地下水超采量为21.0亿m3/a.自1958年以来海河流域平原区累计超采量为895.8亿m3,其中浅层地下水超采471.2亿m3，深层地下水超采424.6亿m3，见表1。根据表1,现状年海滦河流域平原内有部分地区浅层地下水超采，总超采量为23.63亿m3。部分地区浅层地下水尚有盈余，总计盈余29.19亿m3。根据表1，深层地下水年可采量为13.07亿m3,是由侧向补给和越流补给两项组成的。海河东部平原约有50%的面积存在上覆浅层咸水，由于在这种地区不能接受降雨入渗补给的淡水，所开采的越层补给的水量动用的仍然是地下水的储存量，这种水量是不可持续的，因此不能作为可可持续开采资源。在越层补给的水量来自无咸水覆盖的地区，深层地下水的补给来自浅层水的越层排泄，这部分水量应自浅层水的可采量中扣除，才能作为可采资源，因此海河流域浅层水和深层水的可采量总和应为表1中的浅层水的可采量与深层水侧向补给量之和。对于河北平原深层水的补给量问题曾有多个文献进行探讨，例如，郭永海等认为沧州地区深层水的侧向补给仅有总开采量的3~4%左右[8];根据陈宁生等对黑龙港地区地下水开采状况的分析资料[2]，深层地下水的开采量中有10.57%来自山区的侧向补给，各种文献给出的数字差别很大。若采用最大的10.57%来估算深层水的侧向补给量，在开采量为33.8亿m3的情况下最多不超过3.6亿m3。浅层和深层的总超采量可能在53.8亿m3以上，大于表1中给出的44.64亿m3。

地下水的超采对农业灌溉和生态环境造成了严重影响。主要表现在：1)地下水持续下降、形成大面积地下水漏斗，部分地区含水层被疏干；2)海水入侵与水质恶化；3)超采区发生地面沉降、裂缝和塌陷；4)提水费用增加、含水层枯竭、机井报废；5)天然植被衰退，生态环境恶化；6)由于超采区地下水位低于临近地区，不仅灌区地表水带来的盐分无法外排，邻区地下水中的盐分也向超采区聚集，造成地下水矿化度增加、土壤盐渍化加剧等一系列生产和环境问题。

3南水北调受水区城市用水应严格控制地下水超采

北方平原地区地下水的补给主要来自大气降水和地表水灌溉入渗，地区内的垂直补给占整个补给量的85%~90%以上[2]，见表2。城市地区地表多为不透水的道路房屋所覆盖，少量绿地降雨入渗和输水管道渗漏补给的水量很少，除靠近山前的城市有一定的侧向补给可以利用外，城市本身地下水可采资源有限。由于地下水的补给量基本上是均匀分布于整个地区，地下水资源也应采取就地补给就地开采的方式用于农业，不宜在城市集中开采地下水，用来解决工业和生活用水问题。

目前在一些水资源规划中，将由于地表水灌溉和降水补给的地下水量的大部分分配给城市工业和生活用水，实际上是挤占农业用水。含水层中的地下水与地表水不同，是不能任意从一个地区向另外一个地区转移的，分散补给的地下水集中用于城市开采，势必造成超采，形成地下水位下降漏斗。根据国家发展计划委员会、水利部《南水北调工程总体规划》资料，南水北调中线沿线地下水位剖面图，见图1、图2，可以看到每个城市地面以下均有一个漏斗中心。降水和地表水对地下水的补给强度一般充其量不超过200mm/a,但集中开采的城市水源地开采强度常在4000mm/a以上，不仅远超过城市本身的补给量，而且也动用了农业地区的补给量和储存量。产生这种情况的原因，关键是对城区和深层地下水开采区地下水可采资源的认识问题，许多城市的地下水资源评价都是与市区附近地区地下水资源评价一起进行，而不是单独估算城市本身的地下水补给量和可采量。同时市区的可采量往往是根据地下水位满足在一定的开采方案（总开采量和开采布局）条件下，在一定的期间内不超过一定地下水位或承压水位埋深的要求确定的。如果不超过要求的深度，则把这个开采量作为地下水的可采资源。过去30年来城市地下水位在持续下降的事实,已经表明地下水严重超采，在南水北调地下水开采规划中，应采取坚决的措施减少和控制地下水的开采量。在水资源短缺的情况下短期超采是可以允许的，但在今后30年内仍然把目前的开采量作为可供水量，后果将不堪设想。在地区水资源规划中应吸取过去30年的教训，城镇工业生活用水应主要改用地表水供水，而将挤占的地下水还给农业。

山前平原的北京、保定、石家庄、邢台、邯郸、安阳、新乡、焦作、鹤壁、濮阳等城市，目前以浅层地下水为主要水源。这些城市开采的地下水，除少部分来自山前的侧向补给外，大部分是超采农业区补给的地下水或动用地下水的储存量。南水北调工程通水以后，这些城市些城市必须封闭大部分水井，严格控制地下水超采。以深层地下水为主要水源的城市如沧州、衡水和廊坊等，更是超采地下水，已造成一系列生态环境问题，应根据我国水法第36条规定，全面采取禁止开采措施，对所有机井进行封闭，但应封而不废，以备出现南水北调供水不足或其它特殊情况时应急之用。

根据南水北调城市水资源规划编制组《南水北调城市水资源规划》中有关受水区城市供水结构资料，现状条件下地表水供水量为41.9亿m3,占总供水量的28.8%;地下水供水量为86.3亿m3,占总供水量的59.47%;2010年地表水供水量为35.4亿m3,占总供水量的28.8%，地下水供水量为54.7亿m3,占总供水量的43.9%;2030年地表水供水量为37.0亿m3,占总供水量的37.0%，地下水供水量为56.0亿m3,占总供水量的41.6%。地下水的供水量虽然有所减少，但仍然占有很大比重，其数量远大于城市本身地下水的补给量。表明城市地下水仍在继续超采和挪用农业区的地下水补给量或动用储存量。为了严格控制城市地下水超采，应在详细的地下水资源评价的基础上，根据城市本身的地下水可采资源确定地下水的可供水量，而将挤占城市所属郊县的农业用水量还给农业。