地下水安全保障模式概念與應(yīng)用分析

尉意茹，戴長雷，高 宇，陳 末，王 羽

（1.黑龍江大學(xué)a.寒區(qū)地下水研究所；b.水利電力學(xué)院；c.中俄寒區(qū)水文和水利工程聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室，黑龍江 哈爾濱 150080；2.東北農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與土木工程學(xué)院，黑龍江，哈爾濱 150080）

1 地下水安全

安全是針對(duì)風(fēng)險(xiǎn)而言，艾慧、姚鵬飛、劉久潭等分別從地下水的過量開采、地下水對(duì)工程建筑危害、地下水水質(zhì)污染危害等方面系統(tǒng)地對(duì)地下水可能帶來的風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行了研究[1-5]，基于各位學(xué)者的研究內(nèi)容，對(duì)地下水的風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行總結(jié)，分為四個(gè)方面：一是環(huán)境危害型風(fēng)險(xiǎn)：無論是由降水造成的地下水水位的抬升還是過度開采造成的水位下降都能引起地下巖土結(jié)構(gòu)、形狀的改變，導(dǎo)致含水層結(jié)構(gòu)不穩(wěn)，會(huì)發(fā)生地面沉降等環(huán)境危害。二是工程技術(shù)型風(fēng)險(xiǎn)：工程上由于技術(shù)或運(yùn)營問題導(dǎo)致取不到水、水流失和水污染等各種風(fēng)險(xiǎn)。三是資源短缺型風(fēng)險(xiǎn)：深層的地下水極不容易形成且補(bǔ)給困難，如果過量開采，就會(huì)使地下水面臨枯竭的危險(xiǎn)。四是經(jīng)濟(jì)政策型風(fēng)險(xiǎn)：有些地方因?yàn)楫?dāng)?shù)氐男叛?、風(fēng)俗、政策等不同，導(dǎo)致群眾不能科學(xué)合理開采地下水和不合理排放污水的現(xiàn)象。

陳紹金、程國棟等從水量、水資源承載力、水質(zhì)等方面對(duì)水安全問題進(jìn)行了研究[6-8]，可以看出水安全不僅是一個(gè)資源的問題還包含衍生出的生態(tài)、社會(huì)、經(jīng)濟(jì)等多個(gè)方面。戴長雷等學(xué)者都是通過分析計(jì)算研究區(qū)地下水的開采量來給出地下水的安全開采標(biāo)準(zhǔn)[9]。文章結(jié)合已有的地下水風(fēng)險(xiǎn)、水安全和地下水安全方面的研究，試對(duì)地下水安全進(jìn)行界定：地下水安全系指人類活動(dòng)對(duì)地下水的作用在其允許開采范圍內(nèi)，保證其最大可再生量，不影響水體的承載能力，不破壞其生態(tài)能力，不發(fā)生任何地下水風(fēng)險(xiǎn)且地下水的合理開采滿足資源、環(huán)境、工程技術(shù)和經(jīng)濟(jì)政策4類控制性指標(biāo)，能維持人類正常的生產(chǎn)、生活活動(dòng)。其關(guān)系如圖1所示。

圖1 地下水安全四類控制性指標(biāo)關(guān)系

2 地下水保障

地下水保障指利用地下水安全保障措施來保護(hù)地下水而構(gòu)成的可持續(xù)發(fā)展支撐體系。滿足地下水安全的4類控制性指標(biāo)的地下水安全保障措施主要分為非工程和工程類措施，目的在于解決區(qū)域采水問題，提高地下水資源風(fēng)險(xiǎn)防控能力。

2.1 工程措施

基于井口水量計(jì)量的工程措施。地下水的開采需要抽水井等工程設(shè)施來揭露，鉆井工藝在成井過程中若能明確地下水的埋深狀況以及鉆孔井口涌水量，則方便控制地下水的開采。結(jié)合研究區(qū)地下水的開采現(xiàn)狀，計(jì)算該區(qū)的地下水最大允許開采量，然后通過在抽水井口安裝水量計(jì)量器來限制地下水的開采量，達(dá)到對(duì)地下水水量控制的目的。

基于電費(fèi)反算的工程措施。電費(fèi)反算是針對(duì)研究區(qū)的水價(jià)政策，將電量與供水量間的聯(lián)系進(jìn)行分析，應(yīng)用分析結(jié)果列出用戶的耗電量和供水量之間的數(shù)學(xué)關(guān)系式，從而得到研究區(qū)的地下水最大允許開采量，預(yù)計(jì)供水量然后推出較準(zhǔn)確的用電量，進(jìn)而計(jì)算出需要的電費(fèi)。這樣通過控制因抽水工程的支出的電費(fèi)來達(dá)到控制水量的目的。

基于水位、水量雙控的工程措施。在實(shí)際的抽水工程中對(duì)抽水量并不能進(jìn)行一個(gè)直觀的觀測，都要通過觀察地下水位的變化來反應(yīng)抽水量的多少，所以構(gòu)建一個(gè)基于水量、水位雙控的工程對(duì)于地下水的開采控制是十分方便實(shí)用的?，F(xiàn)階段，在工程上比較常用的進(jìn)行水量、水位雙控的措施主要是構(gòu)建完善的地下水監(jiān)測井網(wǎng)，其目的是為了保障區(qū)域地下水安全。在了解研究區(qū)的含水層概況、面積、區(qū)域范圍等基本情況后，可在研究區(qū)構(gòu)設(shè)合理布局的監(jiān)測井，采用多利用已有井，區(qū)分重點(diǎn)區(qū)，在重點(diǎn)區(qū)多布設(shè)觀測井[10]。實(shí)時(shí)觀測研究區(qū)地下水位的動(dòng)態(tài)變化情況，通過水位水量轉(zhuǎn)換方程，達(dá)到水量、水位雙控的目的。

2.2 非工程措施

基于總量表的非工程措施即為給出可開采的地下水控制性總量。為了不產(chǎn)生因地下水過量開采而導(dǎo)致的風(fēng)險(xiǎn)，可給出一個(gè)地下水抽取的最大控制性總量和一個(gè)最小控制性總量，超過最大控制量會(huì)導(dǎo)致發(fā)生地下含水層疏干性風(fēng)險(xiǎn)，少于最小控制量會(huì)使地下水溢出地表造成土壤鹽漬化、沼澤地等風(fēng)險(xiǎn)。地下水的合理開采量應(yīng)介于這兩者之間。

基于水位控制的非工程措施即為構(gòu)建控制性關(guān)鍵水位。為減少因地下水的超采或過量補(bǔ)給造成的地下水位的變化而引發(fā)的風(fēng)險(xiǎn)，將地下水控制性關(guān)鍵水位劃分為上下紅線水位和上下黃線水位。下紅線水位埋深是指要發(fā)生含水層疏干危害的臨界水位，當(dāng)達(dá)到這個(gè)水位時(shí)必須停止開采地下水。上紅線水位埋深主要是警戒因富含礦物質(zhì)成分的地下水溢出地表形成沼澤，破壞土壤結(jié)構(gòu)，造成土壤鹽漬化的情況，所以當(dāng)達(dá)到這個(gè)水位時(shí)必須進(jìn)行地下水開采；下黃線水位是指疏干警戒水位，當(dāng)達(dá)到這個(gè)水位時(shí)應(yīng)發(fā)出警報(bào)，采取警戒措施，避免達(dá)到疏干臨界水位。上黃線水位主要指鹽漬化警戒水位。關(guān)系如表1所示。

基于行政管理的非工程措施即為制定合理的經(jīng)濟(jì)發(fā)展政策。考慮研究區(qū)水源條件和可利用程度，根據(jù)研究區(qū)的工業(yè)、農(nóng)業(yè)現(xiàn)狀，制定合理的工農(nóng)業(yè)發(fā)展政策，調(diào)整產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)、資源的最優(yōu)化發(fā)展。

3 地下水安全保障模式

地下水安全保障模式是根據(jù)不同的實(shí)際環(huán)境，考慮解決地下水安全問題而提出的各種保障措施的集合。

表1 控制性關(guān)鍵水位的設(shè)定

構(gòu)建地下水安全保障模式主要的目的在于不引起地下水風(fēng)險(xiǎn)、并符合研究區(qū)當(dāng)?shù)匾延械墓こ碳夹g(shù)和經(jīng)濟(jì)發(fā)展政策的前提下進(jìn)行地下水的合理開發(fā)，既滿足當(dāng)?shù)鼐用竦挠盟枨笥帜鼙３值叵滤到y(tǒng)的可持續(xù)利用性并給當(dāng)?shù)貏?chuàng)造最大的經(jīng)濟(jì)收益。地下水安全保障模式分為可持續(xù)模式和應(yīng)急模式兩類?？沙掷m(xù)安全保障模式又分為絕對(duì)可持續(xù)安全保障模式和調(diào)節(jié)可持續(xù)安全保障模式。

3.1 絕對(duì)可持續(xù)保障模式和應(yīng)急保障模式

絕對(duì)可持續(xù)保障模式是指在開發(fā)地下水時(shí)，地下水變化在一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定值上下小幅度波動(dòng)，計(jì)算出的地下水允許開采量永遠(yuǎn)小于實(shí)際地下水允許開采量（即Q設(shè)＜Q允），地下水總是有富余；在此種模式下地下水的開采量始終保持在藍(lán)區(qū)，水位控制在上下黃線之間。地下水絕對(duì)可持續(xù)發(fā)展，這類措施對(duì)地域要求、工程技術(shù)要求、政策要求都很嚴(yán)格，不具靈活性但對(duì)于保護(hù)地下水比較好。

應(yīng)急安全保障模式是指在緊急情況下，必須抽出大量的地下水，而此時(shí)地下水的補(bǔ)給量跟不上消耗量（即Q設(shè)>Q允），地下水越用越少，此類模式下地下水的開采量在下黃區(qū)，控制性水位介于下黃線水位和下紅線水位之間，若長期采用此類模式且不采取人工補(bǔ)給措施，地下水位可能達(dá)到下紅線水位，對(duì)為地下水造成不可恢復(fù)的創(chuàng)傷。

3.2 調(diào)節(jié)可持續(xù)保障模式

調(diào)節(jié)可持續(xù)保障模式是指在某些時(shí)期大量開采地下水，使地下水水位下降但還沒有達(dá)到下黃線水位，此時(shí)期開采的水量會(huì)在開采之后一段時(shí)間內(nèi)回補(bǔ)，水位也逐漸回升達(dá)至穩(wěn)定，達(dá)到含水層系統(tǒng)的穩(wěn)定量，在長時(shí)段內(nèi)地下水的設(shè)計(jì)開采量是約等于地下水實(shí)際開采量的（即Q設(shè)=Q允）。這類保障模式下地下水的開采量保持在藍(lán)區(qū)和黃區(qū)，控制性水位在上下紅線水位之間。在這種模式之下地下水可持續(xù)發(fā)展且能保障最大的經(jīng)濟(jì)利益。是一種比較提倡的模式。經(jīng)分析，其對(duì)應(yīng)關(guān)系如表2所示。

表2 地下水安全保障模式對(duì)應(yīng)關(guān)系

4 實(shí)例分析

肇州縣位于黑龍江省大慶市東南部，轄內(nèi)鄉(xiāng)鎮(zhèn)密集，2個(gè)農(nóng)牧場，農(nóng)業(yè)人口占區(qū)內(nèi)人口總額的50%以上，農(nóng)業(yè)收益是全縣的重要經(jīng)濟(jì)收益，農(nóng)耕面積14.85萬hm2，肇州縣是典型的溫帶大陸性季風(fēng)氣候，春冬少雨，夏季多雨，全縣多年平均降水量為452.1 mm。境內(nèi)不存在天然形成的地表河流，地表水資源短缺，地下水資源豐富。其農(nóng)業(yè)灌溉主要依賴地下水資源[11]，幾乎每戶都有地下水井，近年來隨著農(nóng)業(yè)的發(fā)展，地下水開采日益嚴(yán)重且國家大力支持在東北四省發(fā)展節(jié)水增糧產(chǎn)業(yè)，鑒于地下水對(duì)肇州縣經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要性，和目前肇州的地下水開采現(xiàn)狀，研究出一套地下水安全保障模式具有實(shí)際的意義，根據(jù)文中對(duì)地下水安全保障模式概念的敘述，結(jié)合肇州縣的實(shí)際情況得表3。

5 結(jié)論

第一，地下水風(fēng)險(xiǎn)主要包括資源短缺型風(fēng)險(xiǎn)、環(huán)境危害型風(fēng)險(xiǎn)、工程技術(shù)型風(fēng)險(xiǎn)和經(jīng)濟(jì)政策型風(fēng)險(xiǎn)4種類型。

第二，地下水安全包含4類控制性指標(biāo)，都是針對(duì)地下水開采來設(shè)定的，限定其開采量。

第三，地下水安全保障措施針對(duì)水量、水位控制主要分為工程和非工程類措施。

第四，地下水安全保障模式可大致分為可持續(xù)安全保障模式和應(yīng)急安全保障模式兩類。不同的模式對(duì)應(yīng)不同的控制性總量和不同的控制性水位，不同水量、水位又對(duì)應(yīng)不同的保障措施。

表3 肇州縣地下水安全保障模式

第五，以肇州縣為實(shí)例區(qū)進(jìn)行研究，肇州縣是主要依靠地下水進(jìn)行灌溉的農(nóng)業(yè)縣，對(duì)其地下水風(fēng)險(xiǎn)、安全控制性指標(biāo)和安全保障措施等進(jìn)行研究，可以提出一套相對(duì)健全的地下水安全保障模式。