黑龍江省地下水安全開采量與新評價初探

閔泰善，彭 振，姚章村

（1.佳木斯市水利勘測設(shè)計研究院，黑龍江佳木斯 154002;2.黑龍江農(nóng)墾勘測設(shè)計研究院，哈爾濱 150090）

隨著地下水開發(fā)利用發(fā)展，如何確定合理的地下水開采，出現(xiàn)允許開釆量、可持續(xù)開釆量、安全開釆量等概念和評價方法。而我省似乎尚停留于用允許開釆量管理與評價，把代表年地下水天然補給作為允許開釆量，則地下水位不允許也不會下降。以此評價不同地區(qū)地下水開發(fā)利用潛力和進行地下水管理，忽略了地下水開釆后在地下水動力學(xué)作用等產(chǎn)生新的地下水變化與補給，如地下水開釆后，尤其超天然補給量的開釆，產(chǎn)生地下水下降，增加新的補給（激發(fā)補給等），使地下水產(chǎn)生新的地下水采補平衡，使地下水開采可持續(xù)。就產(chǎn)生可持續(xù)開釆量概念，而形成一種地下水動態(tài)評價指標與方法。但地下水位下降，還應(yīng)受當(dāng)代技術(shù)能力、經(jīng)濟水平、自然循環(huán)條件和受生態(tài)環(huán)境和地質(zhì)環(huán)境的約束，避免犧牲環(huán)境為代價的開發(fā)利用。否則影響社會經(jīng)濟生態(tài)環(huán)境可持續(xù)發(fā)展，因此又出現(xiàn)安全或永久開采量概念及評價與管理方法。

1 安全開采量概念

1.1 安全開采量定義

在經(jīng)濟技術(shù)合理可行條件下，在不產(chǎn)生不能接受的生態(tài)環(huán)境問題，滿足水資源、生態(tài)與地質(zhì)環(huán)境等功能前提下，達到地下水資源可持續(xù)開發(fā)利用的最大開釆量。具有兩方面內(nèi)涵：一方面取決于自然循環(huán)條件和技術(shù)經(jīng)濟水平，另一方面受限于社會可持續(xù)和維持生態(tài)環(huán)境健康的最低水平。

1.2 評價原則

1）以流域或區(qū)域水循環(huán)規(guī)律和地下水系統(tǒng)水均衡原理。

2）確保地下水系統(tǒng)在均衡期內(nèi)及時達到新的水平衡。

3）以合理確定生態(tài)與環(huán)境用水約束作前提。

4）考慮經(jīng)濟社會、水利工程等因素平衡與優(yōu)化，重視生態(tài)環(huán)境健康和地下水更新能力，規(guī)范用水行為。

2 安全開采量評價方法

地下水可持續(xù)開釆量在評價內(nèi)容上，突出了地下水的可更新能力與環(huán)境約束，采取水位動態(tài)過程與開釆影響程度，確定超釆臨界水位;并把排澇除漬治堿埋深作為淺層地下水控制上限計算地下水安全開采量。有的以地面沉降量控制在10 mm/a以內(nèi)為約束確定安全埋深及安全開釆量。然后利用水均衡和地下水動力學(xué)方法進行各類資源量計算，具體包括天然補給、激發(fā)補給、可用儲存量以及激發(fā)所消耗的儲存量（此二項可臨界相等），即：

由于最大開采資源量只是理想狀態(tài)，實際提出安全開釆系數(shù)（k）的評價方法。

2.1 利用安全開采量評價方法對我省三江平原地下水開采現(xiàn)狀初步評價

自20世紀90年代三江平原墾區(qū)打井種稻，至今水稻已達80萬hm2以上，出現(xiàn)幾個井灌稻典型區(qū)水田面積占耕地90%以上，高強度開釆地下水 產(chǎn)生了地下水下降，其是否超采可持續(xù)，已成學(xué)術(shù)界爭論焦點。通過我們初步研究，尤其對地下水位變化動態(tài)分析與經(jīng)濟技術(shù)實際分析，認定三江平原至今地下水開采利用（打井種稻）技術(shù)經(jīng)濟合理可行（工省效宏），沒有產(chǎn)生不能接受的生態(tài)環(huán)境問題（包括濕地），滿足水資源、生態(tài)與地質(zhì)環(huán)境等功能，尚未達到最大開釆量，不僅允許開采，而且符合安全開采，滿足永久可持續(xù)開釆要求。現(xiàn)取850農(nóng)場、創(chuàng)業(yè)農(nóng)場井灌稻典型地區(qū)分析評價如下：

1）850 農(nóng)場位于三江平原完達山南麓，穆棱河中游北岸，虎林縣境內(nèi)，平原區(qū)面積363 km2。地表黏性土簿（多1～2 m），屬典型潛水類型區(qū)。至2009年井灌約1.9萬hm2，加上地方插花井灌，在平原區(qū)內(nèi)，井灌水田共約2.14萬hm2，占平原區(qū)面積比α水為0.59，占平原區(qū)耕地90%以上，是三江平原與墾區(qū)地下水開采強度最大的農(nóng)場之一，己大大超過原以允許開采量概念評價指標。本地區(qū)水文地質(zhì)條件在三江平原不是最好，因為是穆稜河（屬烏蘇里江支流）沖積洪積平原，地下含水層厚度一般10～60 m（而其它地區(qū)最大厚度300多米）。從歷年地下水動態(tài)分析，1997年井灌稻近1.0萬hm2，已超原評價允許發(fā)展0.3萬hm2～0.8萬hm2，但發(fā)展至今已達2.0萬hm2，尚呈輕微超采，地下水平均年降率約0.14 m。但近十幾年來降水平均僅522.5 mm，比多年平均年降水567.4 mm小;且地下水埋深僅5 m多。尚處地下水理想埋深之中，離地下水臨界或限制埋深還有距離（可定6或10 m以上），而水田發(fā)展基本飽和，隨著豐水年來臨;隨著地下水下降還可增加部分激發(fā)補給，而可再增加地下水安全開采量，可在新的地下水埋深中自然形成新的采補平衡。更主要還可采取雨洪資源化措施（河溝閘壩攔補），提高降水和穆稜河過境水利用率;還可通過節(jié)水措施等，減少開采量，人工形成新的采補平衡，滿足水資源可持續(xù)利用功能（甚至使水田比超土地面積60%以上）;尤其現(xiàn)地下水埋深5 m多，可實現(xiàn)澇漬堿綜合治理的地下排水要求;可實現(xiàn)土壤與地下水庫多年調(diào)節(jié)降水要求;可實現(xiàn)地下水“0”蒸發(fā)損失，減輕地下水受污染等，具有諸多水資源功能;強化垂直水氣循環(huán)，具除地下水鐵錳離子，改善水質(zhì)功能;埋深僅5～6 m，對地區(qū)周邊濕地不會產(chǎn)生嚴重疏干作用，不會產(chǎn)生地面沉降和劣質(zhì)水入侵。而滿足生態(tài)、環(huán)境、地質(zhì)等諸功能和沒有產(chǎn)生不能接受的生態(tài)、環(huán)境、地質(zhì)等問題;再者成井工藝簡單，井深30～50 m，井出水量大（井徑150 mm，流量150 m3/h），單井配套不足萬元，控制面積10～20 hm2。埋深淺，動水位變化小，尚可實現(xiàn)對口抽，裝置簡單，管理方便，工程占地少，方便管理，有利節(jié)水與科學(xué)種田。可見工省效宏，技術(shù)經(jīng)濟可行。850農(nóng)場是典型低濕易澇農(nóng)場，原為墾區(qū)老大難農(nóng)場，是最大負債場，自從發(fā)展打井種稻后，在短短幾年一舉成為墾區(qū)先進場。產(chǎn)生巨大社會效益，是墾區(qū)甚至我省生態(tài)水利建設(shè)與生態(tài)農(nóng)業(yè)發(fā)展先導(dǎo)區(qū)，符合安全開釆量內(nèi)涵和評價原則（生態(tài)環(huán)境健康和地下水更新能力）值得總結(jié)推廣提高弘揚。

2）創(chuàng)業(yè)農(nóng)場位于墾區(qū)建三江地區(qū)，在富錦縣境內(nèi)，是三大江直接沖積洪積而成平原，面積558.3 km2，地表黏性土厚（平均13.5 m），地下水原埋深約3 m，是典型弱承壓類型區(qū)。20世紀90年代已迅猛發(fā)展打井種稻，至今穩(wěn)定在3.4萬hm2，占土地面積62%。是三江平原地下水開釆強度最大區(qū)，地下水下降最大區(qū)，從1996～2009年共降6.91 m，平均年降率達0.53 m/a，最大年降率1.5 m/a以上。是否超釆，成為三江平原地下水是否安全開采的焦點。創(chuàng)業(yè)農(nóng)場之所以地下水位比850農(nóng)場下降快，年降率比5∶1（1997～2009年創(chuàng)業(yè)降近7 m，850降近1.5 m）。是因為創(chuàng)業(yè)農(nóng)場地表有十幾米黏性土復(fù)蓋，阻礙降水對地下水補給，且在黏性土層承壓水位部分地下水釋水率小，僅0.03。而850農(nóng)場淺層含水層給水度0.13，相差4倍多。所以在幾乎相同地下水開采強度下，產(chǎn)生近差5倍的下降速度，最大年降率＞1.5 m/a;并產(chǎn)生大量對口抽井吊泵，而很快被判“嚴重超采”“每年將以1.5 m/a年降率持續(xù)下降”。加上歷年地下水資源評價是以年補給量確定允許開釆量，而至1997年的實際開采量己大大超過資源允許開采量。這種“理論與實踐”的吻合，產(chǎn)生很大影響，而至今尚對建三江地區(qū)（尤其創(chuàng)業(yè)農(nóng)場）打井種稻奇跡的出現(xiàn)還心有余悸。

但由于本地區(qū)具有一個得天獨厚特殊水文地質(zhì)條件，最符合采取安全開采量新概念新內(nèi)涵和相應(yīng)新的評價方法進行新評價，因為本地區(qū)雖天然補給量不多，但有可用儲存量和開采過程形成的激發(fā)補給量巨大。對本地區(qū)最具特殊意義。本地區(qū)是黑龍江、松花江、烏蘇里江匯合處，共同沖積洪積三角洲平原是全流域地上、地下水匯集區(qū)，加上是我省平原區(qū)平均年降水最大區(qū)（600 mm），不僅是三江平原和我省水資源最豐富地區(qū)。而且是地下水儲量最大地區(qū)，地下沙礫右含水層厚200～300 m，就可提供巨大可用儲存量，按250 m，給水度0.15，年采量450 mm計，足開采近百年。而最具現(xiàn)實意義的是，本區(qū)開采地下水，最易降低地下水位。這似乎是壞事，其實對于本區(qū)是天大好事。因為本區(qū)以巨大地下含水體，與巨大三大江水體合為統(tǒng)一連通體，只要本區(qū)地下水位降低，受地下水動力學(xué)原理驅(qū)動，能使三大江水等通過地下巨大渠道源源不絕輸送至地面咫尺之下，形成取之不絕的激發(fā)補給。建三江地區(qū)開采地下水后流網(wǎng)情況見圖1。其各處補給量的量化機理可由下式（胡爾浩特公式）表示。

式中：q為補給強度;k為滲透系數(shù);d為含水層有效厚度;h為補給點與補給源水位差數(shù);L為補給點離補給源距離。

圖1 建三江地區(qū)開采地下水后流網(wǎng)示意圖

因此本區(qū)激發(fā)補給強度與含水層滲透系數(shù)k、厚度d、水位差h成正比函數(shù)關(guān)係;與補給源距離L平方成反比?？梢姳緟^(qū)砂礫巖性，沒有沙泥互層與隔層，滲透系數(shù)大;厚度達200～300 m，三大江與支流環(huán)抱與切刈，離補給源近;由于承壓水頭下降大且快，且由于含水層厚度大，可下降潛力大。為此，決定了本區(qū)能比八五O農(nóng)場激發(fā)補給條件好（故八五O農(nóng)場的含水層巖性，厚度等不如創(chuàng)業(yè)農(nóng)場），甚至比綏蘿地區(qū)好（故綏蘿地區(qū)與八五O地區(qū)一樣是潛水區(qū)，難以降低地下水位，難以獲得激發(fā)補給動力）。所以具有得獨原激發(fā)補給特殊條件，只要地下水下降就能與降深成正比函數(shù)增加補給，直至達到新的采補平衡?？上驳氖沁@一補給規(guī)律己得到實踐證明。

本場自20世紀90年代隨著水田迅猛發(fā)展，地下水位下降規(guī)律與八五O農(nóng)場不一樣，地下水位也急驟下降。突顯年降率大（最大達1.5 m/a）。但呈明顯階段性，1997～2002年水田成倍發(fā)展，地下水位至2003年以0.66 m/a降率下降，即為地下水下降段。而2003年后至2006年水田發(fā)展稍滯緩，地下水位僅以0.02 m/a降率，盡管比原評價允許指標成倍超出，尚可達到新的采補平衡，已獲得翻番的補給量，而保證可持續(xù)開釆，為平衡段。

2006年后至今農(nóng)場水田又進一步發(fā)展，更主要周邊農(nóng)場（全分局）以超常規(guī)速度發(fā)展，又使地下水位以1.0 m/a多降率下降，從二隊長觀井測得最大達1.75 m/a，即為新的下降段。但隨水田發(fā)展又相對穩(wěn)定，地下水位又趨穩(wěn)定，加上2009年降水偏大（596 mm），推估恢復(fù)至2010年4月有望達到新的采補平衡，即又為新的穩(wěn)定平衡段，以本場二隊長觀井資料反應(yīng)最具規(guī)律性。初估年地下水開釆量 ＞1.5億m3，已是原評價不足0.5億m3允許開釆量的3倍多，已獲得1.0億m3以上激發(fā)補給量，說明本場已具有1.5億m3以上可持續(xù)地下水開釆量，將隨地下水位下降而增加?，F(xiàn)農(nóng)場井灌稻已穩(wěn)定于3.4萬hm2，發(fā)展了農(nóng)場經(jīng)濟，成為有經(jīng)濟實力大場。實踐證明工省效宏，技術(shù)經(jīng)濟可行;雖水田占土地面積比達0.62，比八五O農(nóng)場（0.59）大;地下水埋深為12 m，但尚未發(fā)現(xiàn)產(chǎn)生不能接受的生態(tài)環(huán)境問題，而可滿足水資源、生態(tài)與地質(zhì)環(huán)境等功能要求，尚未達到地下水資源可持續(xù)開發(fā)利用的安全最大開釆量。首先是地下水位降至12 m，可減輕或治理澇漬災(zāi)害，可提高土壤通透性，改良土壤，更主要形成巨大地下水庫調(diào)節(jié)庫容。而由于地表復(fù)蓋土層厚，且黏性，對周邊濕地不會產(chǎn)生太大疏干作用，反而由于提高土壤滲透性能，是對本地區(qū)潛育不良濕地的優(yōu)化重建。

從國內(nèi)外很多井灌區(qū)成功典型，證明控制地下水位埋深在20～30 m，不會產(chǎn)生不能接受的經(jīng)濟、技術(shù)、生態(tài)、環(huán)境與地質(zhì)問題，尤其對于濕潤與半濕潤地區(qū)，而對本地區(qū)可初步確定15或20 m為臨界與限制地下水埋深。還有近10 m降深地下水安全開采潛力。為此，從上評述可以認定創(chuàng)業(yè)農(nóng)場地下水資源比八五O農(nóng)場更豐富，安全開釆量更大。是三江平原和我省建設(shè)“灌降排蓄”生態(tài)水利先導(dǎo)示范區(qū)。

綜上所述對于三江平原地下水開釆利用潛力還很大，三江平原井灌面積近100萬hm2（見表1）。尚不足平原區(qū)面積20%，不足耕地面積33%，地下水位僅約1.5 m。釆用安全開采量新理念，突出了地下水的可更新能力與環(huán)境約束力，進行三江平原地下水資源新評價，將為國家糧食安全和發(fā)展我省虛擬水經(jīng)濟作出重大貢獻。初步分析三江平原安全地下水開釆量可達100億m3以上，可發(fā)展井灌稻250萬hm2以上。

表1 2008年三江平原墾區(qū)、地方水田與井灌水田面積統(tǒng)計表 萬hm2

[1]張煥智.黑龍江省地下水超采區(qū)劃定標準初探[J].黑龍江水利科技，2006，34（2）：65-66.

[2]曹玉生，王學(xué)農(nóng)，姚章村.借鑒河北平原地下水開發(fā)經(jīng)驗探索松嫩平原地下水利用策略[J].黑龍江水利科技，2008，36（5）：160.