濟(jì)寧市淺層地下水超采區(qū)劃分方法淺析

李 棟，張 健，李曉霜

（濟(jì)寧市水文中心，山東 濟(jì)寧 272000）

地下水超采區(qū)通常認(rèn)為是人類活動開發(fā)利用地下水量超出了地下水可開采量，進(jìn)而形成地下水位降落漏斗區(qū)，引發(fā)裂縫、地面沉降、海水入侵等地質(zhì)災(zāi)害。超采區(qū)劃分的前提是人類活動開采地下水超出了地下水的補(bǔ)給能力，破壞了地下水的采補(bǔ)平衡。但實(shí)際工作中受人類活動、底層結(jié)構(gòu)、降雨等多種因素的綜合影響，一般認(rèn)為具備地下水實(shí)際開采量超過可開采量、形成地下水位降落漏斗區(qū)、引發(fā)地質(zhì)災(zāi)害三項(xiàng)要素中的一項(xiàng)即可劃定為地下水超采區(qū)。

1 地下水超采區(qū)劃分標(biāo)準(zhǔn)和方法

1.1 地下水超采區(qū)劃分標(biāo)準(zhǔn)

1）嚴(yán)重超采區(qū)劃分標(biāo)準(zhǔn)。①淺層地下水年均地下水開采系數(shù)大于1.3；②淺層地下水水位年均下降速率大于1.0 m/a；③深層承壓水水位年均下降速率大于2.0 m/a；④因地下水開采引發(fā)了地面沉降，年均地面沉降速率大于10 mm/a；⑤因地下水開采引發(fā)了海（咸）水入侵，造成氯離子含量大于1 000 mg/L；⑥因地下水開采引發(fā)了地裂縫，在100 km2范圍內(nèi)有兩條以上地裂縫，或至少有一條地裂縫長度大于10 m 且地表面寬度大于0.05 m，深度大于0.5 m。

2）一般超采區(qū)劃分標(biāo)準(zhǔn)。未達(dá)到嚴(yán)重超采區(qū)劃分標(biāo)準(zhǔn)的地下水超采區(qū)域定為一般超采區(qū)。

1.2 地下水超采區(qū)劃分方法

地下水超采區(qū)劃定以水位動態(tài)法、開采系數(shù)法為主，引發(fā)問題法進(jìn)行補(bǔ)充分析[1]。

1）開采系數(shù)法。根據(jù)地下水開采系數(shù)確定超采區(qū)范圍，現(xiàn)狀水平年地下水開采系數(shù)為：

式中：k 為年均地下水開采系數(shù)；Q實(shí)采為現(xiàn)狀水平年平原區(qū)地下水開采量，萬m3；Q可采為多年平均平原區(qū)地下水可開采量，萬m3。

現(xiàn)狀水平年地下水開采量通過分析地下水開采量變化趨勢確定。一般情況下，地下水開采量變化趨勢存在以下幾種情況：基本穩(wěn)定（或波動穩(wěn)定）、持續(xù)回升（或波動回升）、持續(xù)下降（或波動下降）、先降后升、先升后降。

對于開采量基本穩(wěn)定（或波動穩(wěn)定）情況，可按照統(tǒng)計(jì)時段地下水開采量平均值作為現(xiàn)狀水平年地下水開采量。

對于持續(xù)回升（或波動回升）、持續(xù)下降（或波動下降）、先降后升、先升后降情況，為反映最新的地下水超采情況，應(yīng)結(jié)合降水豐枯情況，選擇最近的1～3 年作為代表性時段，計(jì)算其地下水開采量，作為現(xiàn)狀水平年地下水開采量。

開采系數(shù)通常可劃分為4 個區(qū)，分別為：k＜0.9，0.9≤k＜1.0，1.0≤k＜1.3，k≥1.3，根據(jù)開采系數(shù)大小，初步圈出不同類型地下水超采區(qū)、臨界區(qū)邊界（包括臨界區(qū)、一般超采區(qū)和嚴(yán)重超采區(qū)）。

2）水位動態(tài)法。根據(jù)地下水水位年均變化速率確定地下水超采區(qū)范圍，地下水水位年均變化速率按式（2）計(jì)算：

式中：V 為年均地下水水位（埋深）變化速率，m/a；H1為起點(diǎn)年份地下水水位（埋深），m；H2為終點(diǎn)年份地下水水位（埋深），m；Δt 為起點(diǎn)與終點(diǎn)時間段，a。

計(jì)算地下水水位下降速率時，應(yīng)綜合考慮降水豐枯變化、地下水水位變化過程。一般情況下，地下水水位變化趨勢存在以下幾種情況：基本穩(wěn)定（或波動穩(wěn)定）、持續(xù)回升（或波動回升）、持續(xù)下降（或波動下降）、先降后升、先升后降。

對于地下水水位基本穩(wěn)定（或波動穩(wěn)定）、持續(xù)回升（或波動回升）、持續(xù)下降（或波動下降）3種情況，按公式（2）計(jì)算地下水水位變化速率。

對于先降后升、先升后降兩種情況，應(yīng)分析統(tǒng)計(jì)時段地下水水位變化過程，結(jié)合降水豐枯情況、地下水超采治理成效，在統(tǒng)計(jì)時段內(nèi)選擇反映近期地下水水位變化的代表性時段，一般不短于3 年，采用公式（2）計(jì)算地下水水位變化速率。

地下水水位變化分區(qū)精度應(yīng)滿足：0~0.5 m/a，0.5~1.0 m/a，1.0~1.5 m/a，1.5~2.0 m/a，>2.0 m/a。按照監(jiān)測井地下水水位年均下降速率，確定地下水超采區(qū)的范圍。

3）引發(fā)問題法。根據(jù)研究區(qū)域內(nèi)因地下水開采引發(fā)的各種生態(tài)環(huán)境與地質(zhì)環(huán)境問題確定超采區(qū)范圍，評價的主要參數(shù)有地面沉降速率、海（咸）水入侵、地裂縫、地面塌陷、土地沙化等突出現(xiàn)象。以地面沉降現(xiàn)象為例，年均地面沉降速率計(jì)算公式為：

式中：V沉為年均地面沉降速率，mm/a；Δt 為代表性時段，選用近1~3 年；ΔH為Δt 期間的地面沉降量，mm。

2 地下水超采區(qū)劃分案例

2.1 研究區(qū)域概況

本次以濟(jì)寧市的淺水層區(qū)域作為地下水超采評價對象。濟(jì)寧市位于山東省西南部，地處黃淮海平原與魯中南山地交接帶，地質(zhì)構(gòu)造屬華北地區(qū)魯西南斷塊凹陷區(qū)[2]。地下水超采區(qū)劃分采用濟(jì)寧市133 眼省控地下水監(jiān)測井2011—2022年水位監(jiān)測資料，由濟(jì)寧市水文中心提供。

2.2 開采系數(shù)法應(yīng)用

以2011—2020 年年均淺層地下水開采量平均值作為現(xiàn)狀水平年開采量，各年度地下水開采量由濟(jì)寧市水行政主管部門提供。通過計(jì)算可以看出，濟(jì)寧市淺層地下水開采系數(shù)均未超過0.9，開采系數(shù)法分析濟(jì)寧市無超采區(qū)，濟(jì)寧市各縣、區(qū)淺層地下水開采系數(shù)見表1。

表1 濟(jì)寧市各縣（區(qū)）淺層地下水開采系數(shù)

2.3 水位動態(tài)法應(yīng)用

對濟(jì)寧市133 眼地下水動態(tài)觀測井2011—2020 年地下水位變化過程進(jìn)行分析，對于水位先升后降和先降后升兩種情況選取2015—2020 年近5 年水位作為代表時段計(jì)算水位變化速率，對于基本穩(wěn)定、持續(xù)上升、持續(xù)下降3 種情況選取2011—2020 年作為代表時段，同時考慮地下水位埋深大于10 m 的標(biāo)準(zhǔn)。通過分析可知，地下水位下降的區(qū)域位于嘉祥縣西北部、汶上縣東部、任城區(qū)東北部、兗州區(qū)北部和南部，監(jiān)測井水位下降速率均小于1 m/a，屬一般超采區(qū)，總面積為590.8 km2。不同趨勢代表井水位變化如圖1 所示。

圖1 不同趨勢代表井水位變化

2.4 引發(fā)問題法應(yīng)用

濟(jì)寧市平原區(qū)的地質(zhì)環(huán)境問題主要為地面沉降，產(chǎn)生地面沉降的原因有：1）自然因素。地殼運(yùn)動造成地面沉降，根據(jù)濟(jì)寧地區(qū)地殼變形資料，嘉祥以西為相對上升區(qū)，上升量最高達(dá)40 mm，嘉祥斷裂帶至嶧山斷裂帶之間為下降區(qū)，濟(jì)寧市城區(qū)位于沉降中心[3]。2）人為因素。主要是煤炭資源開采。濟(jì)寧市淺層地下水開采沒有造成明顯地質(zhì)環(huán)境問題。濟(jì)寧市未發(fā)現(xiàn)因地下水超采造成的地質(zhì)問題，沒有引發(fā)問題法劃分的超采區(qū)。

2.5 地下水超采區(qū)綜合劃定

通過3 種方法對濟(jì)寧市超采區(qū)劃定出的范圍進(jìn)行分析，應(yīng)以水位動態(tài)法劃定結(jié)果為主，開采系數(shù)法和引發(fā)問題法作為補(bǔ)充，最終確定濟(jì)寧市淺層地下水超采區(qū)面積為590.8 km2。

2.6 濟(jì)寧市淺層地下水超采區(qū)變化

根據(jù)山東省人民政府批復(fù)的地下水超采狀況，濟(jì)寧市第一次超采區(qū)為2003 年劃定，淺層地下水超采區(qū)面積1 182.8 km2。第二次超采區(qū)為2013 年劃定，淺層地下水超采區(qū)654.9 km2。根據(jù)本次分析結(jié)果最終確定濟(jì)寧市淺層地下水超采區(qū)面積為590.8 km2。可以看出，濟(jì)寧市超采區(qū)治理取得了較為明顯的成效。

3 結(jié) 語

1）地下水超采區(qū)劃分的三種方法中，應(yīng)以水位動態(tài)法、開采系數(shù)法為主，引發(fā)問題法為輔，綜合分析評判。

2）提升地下水取水計(jì)量精度。受監(jiān)測條件和技術(shù)手段的限制，地下水取水量難以實(shí)現(xiàn)監(jiān)測全覆蓋，會造成取水統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)與實(shí)際取水量之間存在差異，提升取水計(jì)量精度是準(zhǔn)確劃定超采區(qū)的重要條件。

3）通過對比前兩次地下水超采區(qū)劃分成果，本次分析確定的濟(jì)寧市淺層地下水超采區(qū)面積明顯減小，濟(jì)寧市超采區(qū)治理取得了明顯成效。