地下水超采綜合治理與修復模式研究

羊 艷，唐世南，于麗麗

(水利部水利水電規(guī)劃設計總院，北京 100120)

近幾十年來，地下水的持續(xù)高強度開發(fā)利用造成我國地下水相關問題日益突出。從地下水功能的角度看，地下水的健康循環(huán)、生態(tài)維系、地質環(huán)境穩(wěn)定以及資源供給中的一個或多個功能受到的損害或喪失。從要素治理的角度看，地下水水流、水量、水質、水壓和水位中一個或多個功能要素發(fā)生了變異[1-3]。地下水超采通常被認為是某一地區(qū)水流或水量要素發(fā)生了變異，導致了當?shù)厮h(huán)的中斷、變異或破壞了地質穩(wěn)定引發(fā)了地面沉降等生態(tài)環(huán)境地質問題[4-5]。根據(jù)2012—2014年水利部開展的全國地下水超采區(qū)評價成果，全國21個省區(qū)存在地下水超采問題，北方平原區(qū)地下水平均開發(fā)利用程度達到85%，全國超采區(qū)面積近30萬km2[6]。地下水超采治理已成為水資源可持續(xù)管理研究與實踐的重要領域。自2014年，財政部、水利部、原農業(yè)部、原國土資源部四部門連續(xù)3年在河北省開展了地下水超采綜合治理試點。2017年起，將治理范圍擴大至山東、山西、河南。在2018年先期開展河北滹沱河等3條河流河湖地下水生態(tài)補水試點的基礎上，2019年初，經(jīng)國務院同意，水利部、財政部、國家發(fā)展改革委、農業(yè)農村部聯(lián)合印發(fā)了《華北地區(qū)地下水超采綜合治理行動方案》。

隨著地下水超采實踐工作的開展，對地下水超采原因的深入挖掘與分析，日趨認識到地下水超采形成機制的復雜[7-10]。尤其在華北地區(qū)，地下水超采的歷史欠帳多，治理任務重，且地下水功能要素在補給、徑流、排泄交互過程中的任何環(huán)節(jié)都可能發(fā)生損害，因此需要從要素修復、系統(tǒng)治理的角度，以重塑地下水營運場，實現(xiàn)地下水良性循環(huán)為最終目標，研究綜合的地下水超采治理修復思路與框架，以解決區(qū)域性、較大尺度背景下，地下水超采的系統(tǒng)性治理修復策略問題，提出能夠持續(xù)性、根本性解決問題的措施與政策。

1 總體思路

地下水系統(tǒng)失衡的重要體現(xiàn)之一是地下水超采，其表現(xiàn)為地下水超采突破某一臨界值會進一步引發(fā)較嚴重的生態(tài)環(huán)境地質問題，雖然地下水系統(tǒng)失衡也可能由天然因素導致，但從修復治理的角度來說，本研究主要針對人工干擾下的地下水系統(tǒng)失衡問題。

隨著經(jīng)濟社會快速發(fā)展，人類活動，包括灌溉、水利工程、河道整治、城鎮(zhèn)建設、土地利用、水土保持、礦山開發(fā)等，對自然環(huán)境的影響越來越大，其中也包括地下水。人類活動不同程度的改變了下墊面條件、流域水資源格局以及天然地下水文過程。綜上，人類活動是導致地下水系統(tǒng)失衡的誘因，且是在一系列機理機制的支配下發(fā)生的，要解決問題，就必須明確問題產(chǎn)生及地下水相應的響應機制，才能有的放矢。而這一系列動態(tài)演變機制均是在地下水循環(huán)運動中發(fā)生的。

地下水是水循環(huán)的重要環(huán)節(jié)。地下水的形成、遷移與轉化，四大功能的正常發(fā)揮，與其他系統(tǒng)的交互作用，都是在地下水參與水循環(huán)的過程中完成的。通過超采問題診斷與成因分析可知，地下水超采表面上是地下水采大于補，開采量大于可開采量，只是人工排泄的環(huán)節(jié)出了問題，實質是地下水循環(huán)過程中各個環(huán)節(jié)，包括補給、徑流、排泄等綜合作用的結果。尤其是在地下水超采治理修復時，補給、遷移、排泄環(huán)節(jié)的合理治理與修復，往往決定了治理的可持續(xù)性。因此，建立起循環(huán)過程治理修復的理念非常必要。

地下水補給環(huán)節(jié)包括降水入滲補給，河流、湖庫、濕地等地表水體補給以及灌溉等人工補給。對補給環(huán)節(jié)進行保護與修復，可以增加地下水入滲補給量，促進地下水涵養(yǎng)。地下水補給環(huán)節(jié)的修復治理可以結合海綿城市建設，加強下墊面透水改造，減少硬化路面面積，增加降水入滲補給量；通過建設河湖庫渠蓄水工程，存蓄外調水和雨洪資源，增加外調水和當?shù)赜旰橘Y源利用量，對現(xiàn)有河湖庫渠進行清淤疏浚、擴容整治，恢復其調蓄能力，以及適當建設蓄水坑塘等調蓄工程，構建布局合理、蓄泄兼?zhèn)?、引排得當、豐枯調劑、循環(huán)通暢的水網(wǎng)體系，確保外調水、過境水和雨洪水的充分利用，均可有效地增加地下水補給量。此外，在適宜地區(qū)還可適時進行人工回灌。

地下水在遷移運動過程中，非常重要的過程就是與地表水的交互作用。天然狀態(tài)下，在山丘區(qū)，地下水向地表水轉化形成了基流，在平原區(qū)，地表水向地下水轉化形成了地下水資源，以上過程的健康穩(wěn)定對河流生態(tài)系統(tǒng)健康，生物多樣性意義重大。在山丘區(qū)，生態(tài)基流修復主要是控制人工開采對基流的襲奪量。在平原區(qū)，由于上游山區(qū)水利工程建設，造成河流水文情勢改變，一些地區(qū)地表水與地下水交互特征發(fā)生了逆轉，地表水斷流，根本無法補給地下水，因此需要通過水利工程生態(tài)調度進行修復治理。

地下水的排泄環(huán)節(jié)主要包括潛水蒸發(fā)、人工開采等。對于某一具體地區(qū)，地下水補給量是相對穩(wěn)定的，地下水的采補失衡主要是由于不合理的地下水排泄造成的。在地下水排泄量中，人工開采是唯一可以進行干預的分量，減少地下水人工開采也是最有效、最直接的修復手段?？刂迫斯づ判挂环矫婵恐苯訙p少地下水開采量，轉而采用其他水源代替的方法，替代水源包括外調水、當?shù)氐乇硭瘸Ｒ?guī)水源以及再生水等非常規(guī)水源；另一方面靠節(jié)水，包括工業(yè)城鎮(zhèn)生活中利用節(jié)水技術或器具減少用水量，農業(yè)灌溉通過高效節(jié)水改造減少用水量，直接降低對地下水的需求。此外，在部分地區(qū)，考慮水熱條件及農業(yè)種植格局，可以通過蒸騰蒸發(fā)管理，從排泄環(huán)節(jié)減少地下水的消耗，包括實行退耕、輪耕、休耕以及調整產(chǎn)業(yè)和種植結構等措施，減少蒸騰蒸發(fā)排泄，充分利用當?shù)赜隉嶙匀毁Y源，種植高產(chǎn)量、低耗水的農作物。

地下水系統(tǒng)的失衡不是單一因素造成的，在形成、遷移、轉化任何一個環(huán)節(jié)中的任何一個要素都可能發(fā)生損害。因此，考慮地下水的稟賦特征，通過對動力場、徑流場、化學場、應力場中地下水與大氣系統(tǒng)、地表水系統(tǒng)、生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)、地質系統(tǒng)、經(jīng)濟社會系統(tǒng)的交互特征以及對驅動的響應特征分析，綜合地下水超采治理實踐，從增源-減荷-降耗的角度，可以總結得到“保、控、節(jié)、退、替、管”的地下水綜合治理修復模式。

地下水超采治理修復思路如圖1所示。

圖1 地下水超采治理修復總體思路

2 地下水超采問題診斷

超采問題的診斷是制定超采治理方案的發(fā)端。對于制定地下水超采治理方案來說，首先要對超采問題的發(fā)生原因進行診斷，只有發(fā)現(xiàn)問題，才能研究問題，最終提出問題解決方案。因此，超采問題診斷是制定超采治理方案的首要任務。各地由于經(jīng)濟社會發(fā)展水平、水資源條件等不同，引發(fā)超采的原因也不盡相同，超采的原因大致可分為以下4種情況：

(1)當?shù)氐乇硭Y源短缺，為支撐經(jīng)濟社會發(fā)展，不得不長期過量開采地下水；

(2)受水利工程條件、水質問題以及水價等經(jīng)濟因素的影響，再加上地下水水質優(yōu)良、易于開采、開采成本相對低等，存在地表水資源(包括外調水)利用不足，而地下水過量開采的問題；

(3)一些地下水超采區(qū)還存在水資源浪費現(xiàn)象，水資源利用效率有待提高，還具有較大的節(jié)水潛力和空間；

(4)對地下水認識不足、地下水監(jiān)控能力薄弱，地下水開發(fā)長期處于無序狀態(tài)，地下水長期處于超采狀況。

對于一個具體地區(qū)來說，引發(fā)地下水超采的原因可能是多種情況并存的。因此，針對一個地區(qū)的超采問題，應通過詳細調查和評價，弄清超采區(qū)所在地區(qū)的經(jīng)濟社會狀況、水資源條件以及地下水變化動態(tài)、地下水超采狀況等，深入分析超采區(qū)內的經(jīng)濟結構、供用水結構和特點、地下水供用水情況、用水效率(節(jié)約用水情況)以及地下水監(jiān)控和管理現(xiàn)狀等，系統(tǒng)梳理，從中發(fā)掘地下水超采的深層次原因，抓住引發(fā)地下水超采的主要因素和重點環(huán)節(jié)，才能提出精準的治理措施。因此，超采問題診斷是精準提出地下水超采治理模式的關鍵環(huán)節(jié)。

3 地下水超采治理目標制定

地下水超采治理目標是超采治理方案的靈魂。制定超采治理方案首先要確定前進的方向和目標，全面了解目標提出的背景及主客觀依據(jù)，才能使治理方案具有針對性和可行性。地下水超采區(qū)治理目標的確定涉及因素較多，如國家對地下水超采治理的總體部署要求、區(qū)域水資源配置方案、經(jīng)濟社會發(fā)展水平、規(guī)劃期等。

3.1 地下水超采的區(qū)域性治理目標

在我國一些地區(qū)，如華北平原，地下水超采問題已經(jīng)不僅僅是自然生態(tài)環(huán)境惡化的問題，而是影響地區(qū)可持續(xù)發(fā)展，需要花力氣解決的復雜的系統(tǒng)性的社會管理問題，反映了目前人類活動方式和強度是與當?shù)刈匀簧鷳B(tài)承載能力，至少是水資源承載能力不相匹配的，而在我國的其他地區(qū)，如東北、西北的廣大平原，地下水超采問題也初步顯現(xiàn)，如何治理區(qū)域性地下水超采，如何防止華北式的地下水超采再度上演都需要高屋建瓴的考量。近年，中央有關文件逐漸出現(xiàn)了“地下水超采治理”內容，黨中央、國務院對地下水超采區(qū)治理和管理不斷提出的更高的要求，一方面說明了地下水超采問題的突出，治理修復的迫切，一方面也反映了地下水超采治理的綜合性、系統(tǒng)性特點。2011年中央一號文件要求到2020年基本遏制地下水超采。2012年《國務院關于實行最嚴格水資源管理制度的意見》明確要求“嚴格地下水管理和保護，逐步削減地下水開采量”。2013年《中共中央關于全面深化改革若干重大問題的決定》明確要求“調整嚴重污染和地下水嚴重超采區(qū)耕地用途”。2015年《中共中央 國務院關于加快推進生態(tài)文明建設的意見》提出“實施地下水保護和超采漏斗區(qū)綜合治理，逐步實現(xiàn)地下水采補平衡”?！端廴痉乐涡袆佑媱潯诽岢觥暗?020年，地下水超采得到嚴格控制”?！丁笆濉币?guī)劃綱要》提出要“嚴格控制地下水開采、開展地下水超采區(qū)綜合治理”。因此，地下水超采治理方案的制定應貫徹落實國家最新治水方針[2-6]，緊密結合國家對地下水超采治理的總體部署要求，根據(jù)本地區(qū)實際，合理確定治理目標。

3.2 區(qū)域水資源配置方案

地下水超采很大原因在于區(qū)域供用水不協(xié)調。超采治理目標與區(qū)域水資源配置方案密切相關。通過統(tǒng)籌不同水源(外調水、地表水、地下水、非常規(guī)水源)、不同用水戶(生產(chǎn)、生活、生態(tài))之間的水資源配置方案，調整供用水矛盾，實現(xiàn)水資源的科學、優(yōu)化配置，削減超采區(qū)地下水開采量。超采治理目標的確定應以區(qū)域水資源配置方案為依據(jù)。因此，區(qū)域水資源配置方案是確定超采治理目標應考慮的關鍵因素。

3.3 經(jīng)濟社會發(fā)展水平

技術進步與經(jīng)濟社會發(fā)展水平密切，經(jīng)濟社會發(fā)展帶動技術進步，技術進步又促進經(jīng)濟社會發(fā)展。經(jīng)濟社會發(fā)展引起某些技術或管理措施的變化，比如隨著節(jié)水技術的進步，用水效率得到提高，進而用水減少需求。地下水超采治理的實施需節(jié)流、替代水源等工程措施保障。節(jié)流工程、替代水源工程尤其是跨流域調水工程，需要大量的投資，也就說，沒有一定數(shù)量的超采治理投資，相應的工程措施得不到落實，就不可能實現(xiàn)超采治理目標。據(jù)蘇錫常地區(qū)限采、禁采工作的測算，與把水送到河網(wǎng)的部分工程相比，把水送到用水戶的自來水管網(wǎng)建設工作量更大、成本更高。投資能力與超采區(qū)所在地的經(jīng)濟社會發(fā)展水平密切相關，經(jīng)濟實力強的地區(qū)在替代水源工程建設投資方面相對壓力較小，而經(jīng)濟實力較弱地區(qū)在在替代水源工程建設投資方面則壓力較大。因此，確定超采治理目標應考慮的經(jīng)濟社會發(fā)展水平因素影響。

3.4 規(guī)劃期

地下水超采治理是長期的系統(tǒng)工程，不可能一蹴而就，應科學規(guī)劃、突出重點、有序推進。方案的成功與否很大程度上取決于設定的目標與選取的措施，既著眼于當前的需要，又考慮到長遠治理要求。由于治理方案制定時對經(jīng)濟社會發(fā)展和替代水資源條件等分析均屬于對未來的預測，時間越久，不確定因素也就越多。治理方案只能限于規(guī)定的規(guī)劃水平年，才具有相對可靠性，方案一般也只能在這一期限內起指導作用。因此，治理目標應按近期、中期、遠期總體考慮，以近期、中期治理為重點，遠期治理屬于遠景展望，由于離現(xiàn)狀較遠，未來可根據(jù)經(jīng)濟社會發(fā)展、水利工程建設等進行相應調整。各規(guī)劃期治理目標的確定可參考以下建議：

(1)近期目標?？紤]到替代水源工程的規(guī)劃建設有相應周期，近期主要是通過調整工業(yè)產(chǎn)業(yè)結構和農業(yè)種植結構、強化節(jié)約用水、挖掘當?shù)厮Y源供水潛力等措施，嚴格控制超采區(qū)地下水開采量，超采區(qū)范圍不再擴大，地下水水位下降趨勢以及地下水開采引發(fā)的生態(tài)和環(huán)境地質問題基本得到遏制。

(2)中期目標。隨著替代水源工程建成并逐步達效以及節(jié)水型社會建設力度進一步加大，通過優(yōu)化升級產(chǎn)業(yè)結構、節(jié)水、水源替代、強化地下水監(jiān)督管理等措施，大幅削減超采區(qū)地下水超采量，超采區(qū)范圍逐步縮小，地下水水位有所回升，地下水開發(fā)利用引發(fā)的生態(tài)與環(huán)境地質問題有明顯好轉趨勢。

(3)遠期目標。隨著產(chǎn)業(yè)結構布局的完善、區(qū)域水資源優(yōu)化配置格局的完善和水資源統(tǒng)一調度，地下水補排關系基本達到均衡狀態(tài)，地下水系統(tǒng)得到良性循環(huán)，地下水應急和儲備能力顯著增強。

4 治理修復模式

引發(fā)地下水系統(tǒng)失衡的原因是非常復雜的，直觀看來是地下水超采，實質是當?shù)亟?jīng)濟社會用水需求大于可供水量，由于供需不平衡，用水需求缺口只能依賴超采地下水來解決。因此，治理地下水超采最直接的方法是削減和控制地下水開采量，逐步達到采補平衡，但是削減和控制地下水開采量不是簡單地通過封閉開采井就能達到，涉及不同地區(qū)、不同水源、不同用水戶之間水資源的科學調配與合理開發(fā)、高效利用。一些地區(qū)由于水利工程條件、水質問題以及水價等經(jīng)濟因素的影響，存在著地表水利用(包括外調水)不足，而地下水過量開采的問題；一些地下水超采區(qū)還存在水資源浪費現(xiàn)象，水資源利用效率有待提高。因此，地下水超采的修復治理應綜合考慮，既要開源節(jié)流，也需要法制、經(jīng)濟方面的管理措施配合，才能實現(xiàn)地下水的采補平衡?；谌珖鞯?，尤其是華北地區(qū)地下水超采治理工作中各項措施的實踐經(jīng)驗，可以總結得到“保、控、退、節(jié)、替、管”的地下水超采治理修復模式，不同的地區(qū)可以基于超采原因分析與管理實際需要和實施水平選擇不同的治理修復模式或模式組合[11-15]。

“?！保淳S持地下水自然循環(huán)通量。維持地下水自然循環(huán)通量是保持地下水獲得持續(xù)穩(wěn)定補給、資源不枯竭的基本保障，主要措施包括水源涵養(yǎng)、下墊面改造、水利工程生態(tài)調度等。

“控”，即依據(jù)分區(qū)、分類、分層、分級的地下水管控指標，嚴格控制地下水重點問題區(qū)的地下水開發(fā)。地下水五維控制指標是在充分考慮地下水功能協(xié)同、四大場平衡、水資源以及地下水資源承載力的基礎上制定的。地下水超采區(qū)地下水狀態(tài)分量已突破閾值，須以控制指標為目標，制定治理修復分階段計劃。地下水超采區(qū)內制定年度用水計劃和發(fā)放審批取水許可時，尤其需要注意與相應的地下水開采總量和開采強度指標相協(xié)調，具備替代水源條件的嚴重超采區(qū)應實行禁采或限采地下水，防止地下水系統(tǒng)失衡問題持續(xù)惡化。

“節(jié)”，即鼓勵并發(fā)展工業(yè)、生活、農業(yè)節(jié)水。節(jié)水是抑制地下水不合理需求的重要手段，可以直接減少地下水開采量。我國地下水大量用于農業(yè)灌溉，農業(yè)灌溉效率相對較低，解決地下水超采問題的最大潛力也來自農業(yè)，節(jié)水的最大潛力也在農業(yè)。因此，應大力推廣節(jié)水技術，全面實施區(qū)域規(guī)模化高效節(jié)水灌溉。

“退”，即根據(jù)水資源承載力控制耕地灌溉面積。以“以水定地”的理念，調整農業(yè)種植結構，科學退減超采區(qū)的耕地面積。尤其是一些地區(qū)以小麥等高耗水作物為主要種植作物，需水量大，地下水主要以蒸發(fā)蒸騰的形式散失。根據(jù)區(qū)域雨熱條件分析，調整農業(yè)種植結構，減少高耗水作物的種植面積、推廣抗旱品種和旱作農業(yè)，最終目標是形成與水土資源條件相匹配的農業(yè)生產(chǎn)布局。

“替”，即最大限度的尋找地下水的替代水源。梳理與挖掘一切可能提供替代水源的外調水源、當?shù)氐乇硭?，并通過再生水、微咸水等非常規(guī)水源利用技術等，替代一部分地下水開采量。水源替代是解決地下水超采最直接和有效的措施，但是，在考慮設計地下水綜合修復治理方案時，需同時論證其工程建設及供水的可行性，尤其是要注意配套工程建設的同步設計與論證，以保障地下水順利壓采。

“管”，即創(chuàng)新各項體制機制政策，保障各項治理修復措施順利實施、落實到位并能夠持續(xù)發(fā)揮作用，包括農業(yè)水價、水權、水管體制改革和基層水利服務體系建設；嚴格地下水超采區(qū)及禁采區(qū)、限采區(qū)管理；地下水水位、水量監(jiān)控體系建設等。

5 結論

地下水是我國供水的重要水源，尤其在北方部分地區(qū)，地下水是唯一的供水水源，經(jīng)濟社會發(fā)展依靠長期超采地下水維持。地下水超采治理不僅能夠遏制地下水水位下降趨勢，改善相關環(huán)境地質問題，也是重塑區(qū)域水資源可持續(xù)發(fā)展格局的重要契機。因此，因地制宜的制定超采治理路線與選擇治理模式是開展超采治理的關鍵，再進一步結合具體的治理措施與技術，才能有效的實現(xiàn)超采治理目標。