海河流域平原區淺層地下水超采量估算

賈紹鳳 李媛媛 呂愛鋒 嚴家寶

摘要：收集整理了海河流域平原區淺層各省市幾種來源的地下水位數據，利用ARCGIS技術，矢量化《華北平原地下水可持續利用圖集》作出1959年、1984年、2005年6月地下水等水位圖，利用《中國地質環境監測地下水位年鑒》2005年-2013年末及2005年6月數據，計算了時段變化率，推算出2005年-2013年地下水等水位圖，并利用“華北平原地下水演變機制與調控項目”地下水位數據對估算水位進行檢驗，說明推算的地下水位分布是可靠的，進一步結合地下水開采漏斗和含水層給水度對超采量進行了估算。計算結果表明，1959年-2013年，海河流域平原區淺層地下水累計超采979.45×10⁸m³，水位平均下降9.62 m。其中1959年-1984年年均超采16.34×10⁸m³，水位平均累計下降3.93 m、年均下降0.141 m；1984年-2005年年均超采21.21×10⁸m³，水位平均累計下降6.28 m、年均下降0.299 m；2005年-2013年年均超采15.67×10⁸m³，水位平均累計下降1.05 m、年均下降0.131 m，2010年以后已呈平穩狀態。超采漏斗主要存在于山前地區且用水量較大的城市，尤以子牙河平原西部石家莊、邢臺一帶最為嚴重。

關鍵詞：華北平原；海河平原；地下水超采；淺層地下水；地下水位；ARCGIS

中圖分類號：TV211 文獻標志碼：A 文章編號：1672-1683（2016）04-0001-07

Abstract：By collecting groundwater table data of shallow aquifer of each province in Haihe plain and applying ARCGIS technique，the groundwater table contours in the end of year 1959，1984，2005 to 2013 were plotted.The results were checked by independent data sources and proved reliable.Then the quantity of the excess pumping of groundwater was estimated according to the depression cone and specific yield of aquifer.The results showed that cumulative over-exploitation of shallow groundwater aquifer of the Haihe plain was 979.45×10⁸m³in 1959-2013，the average water table lowered by 10.99 m.Temporally，the annual over-exploitation was 16.34×10⁸m³and the cumulative average water table lowered by totally 3.93 m，the annual average water table lowered by 0.141 m in 1959-1984；and 21.21×10⁸m³and 6.28 m，0.299 m respectively in 1984-2005；15.67×10⁸m³and 1.05 m，0.131 m in 2005-2013.It should be noted that over-exploitation of groundwater in Haihe plain mainly occurred in the period from 1984 to 2005，and the over-pumping has been controlled effectively in recent years.Spatially，the depression cone was located mainly in cities which are in sub mountain region and consume relatively more groundwater，especially in Shijiazhuang city and Xingtai city in the west of the Ziyahe plane.

Key words：North China Plain；Haihe Plain；groundwater over-exploitation；shallow groundwater；ground water table；ARCGIS

海河流域是我國水資源供需矛盾最為突出的區域之一。地下水是海河流域水資源的重要組成部分，是當地的重要供水水源。但是自20世紀70年代以來，海河流域人口和社會經濟規模迅猛發展，加之連年干旱少雨，由于地表水短缺，海河流域地下水持續超采，已經導致唐山北部、北京西南、河北太行山前平原部分地區含水層被疏干[1]。海河流域是中國糧食主產區和人口經濟密集區，地下水超采關系到流域未來水資源利用的可持續性和中國糧食安全、經濟安全[2]，海河平原地下水可持續利用受到廣泛關注[3]。

關于海河平原地下水超采已有較多研究結果。任永強等人利用GRACE 重力衛星CSRL05 版數據反演推算了海河流域2005年-2009 年間地下水儲量的空間變化分布[4]，認為整體上水儲量呈逐年減少的趨勢。張曉明通過建立華北平原淺層地下水模型，計算了平原區1980年-2000年多年平均超采25.35×10⁸m³，并反演得出1966年為地下水超采的起始年[5]。費宇紅等客觀的評價了地下水超采現狀，1958年-1998年海河流域淺層地下水資源超采區多年平均超采量為28.18×10⁸m³，地下水累積消耗儲量471.2×10⁸m³，并分析了地下水位降落漏斗的演變特征以及超采原因[6-7]。Shiqin Wang等人應用MODFLOW和GIS模擬了2002年-2003年海河流域平原區淺層地下水水位變化以及地下水系統水量平衡關系[8]。

這些研究成果為認識該地區地下水變化規律提供了堅實的基礎。但關于海河流域地下水超采量，一方面有很不相同的估算結果，另一方面缺乏最近的更新。關于海河流域地下水最近一次的系統評價工作是在2005年，而零星的、出自不同部門的數據差別很大，這些對于認識當地地下水資源量的實際情況很不利。這不僅影響水資源管理決策。同時影響到地方經濟發展規劃與國家有關宏觀戰略規劃及重大決策的制定[9]。例如：張兆吉等估算1991年-2003年華北山前平原地下水位降落漏斗區地下水超采27.83×10⁸m³/a[10]，費宇紅等估算1958年-1998年海河流域淺層地下水超采471.2×10⁸m³[11]，張曉明估算1980年-2000年海河流域淺層地下水超采507×10⁸m³[5]，韓瑞光估算海河流域淺層地下水1980年-2000年累計超采約500×10⁸m³[12]。而閻站友認為截止2001年，全流域平原區已累計超采地下水約900×10⁸m³[13]，因為（包含了深層水）；劉家宏等關于海河流域二元水循環模式中提出：1999年-2006年累計消耗地下水332×109 m³，截止2006年，地下水儲量累計消耗約1 228×109 m³[14]，即使考慮到包含深層水，這一估算結果與其他估算也有較大差別。筆者一直關注海河平原的水資源安全和地下水問題[15-16]，平時跟同行討論時也深感大家對海河平原地下水超采量估計的差異很大。

地下水位變化是地下水超采最客觀的反映。本文盡可能收集多種來源的實測地下水位歷史數據，根據地下水超采形成的漏斗對地下水超采量進行客觀的評價，為公眾客觀認識華北平原的地下水狀況、為水資源管理決策提供科學支撐。

1 研究區概況和數據準備

1.1 研究區概況

海河平原包括水資源分區的九個三級區，自北而南分別為灤河平原和冀東沿海渚河、北四河下游平原、大清河淀西平原、大清河淀東平原、子牙河平原、黑龍港及運東平原、彰衛河平原和徒駭馬頰河平原[17]。

本文的研究范圍是海河流域平原區。海河流域平原位于中國北方華北地區，研究區東臨渤海，西倚太行山，南界黃河，北接內蒙古高原，包括北京市、天津市和河北省的平原部分以及河南省和山東省北部，總面積13.1萬km²。是我國政治、經濟和文化的中心區域（見圖1）[18]。平原區呈扇貝狀向東傾向渤海灣，地面坡降平緩，山區前1‰～2‰，中部平原0.11‰～0.13‰[19]。

1.2 地下水位數據

1.2.1 典型年份地下水位詳細分布圖及給水度分布數據

從張兆吉、費宇紅主編《華北平原地下水可持續利用圖集》（以下簡稱《圖集》），獲得了包括1959年、1984年12月、2005年6月淺層地下水位的詳細分布圖＼給水度水文地質參數分布圖[20]。對這些分布圖進行數字化、柵格化處理以便進行運算。

上述圖集來源于《華北地下水可持續開發利用前景成果報告》，報告中的地下水位歷史觀測數據為華北平原所包括的各省地質調查院所提交，再經綜合整理而成。時間范圍為1959年-2005年6月。水位數據包括潛水位與承壓水位。詳細的各省地下水位監測點與水位觀測數據見表1。可見繪制2005年6月地下水位分布圖所用的觀測點是很密集的。1959年、1984年的觀測數據少一些，但長觀點數也接近。

1.2.2 2005年-2013年骨干觀測井地下水位數據

《中國地質環境監測地下水位年鑒》公布了骨干觀測井的2005年-2013年共計9年的各年年末水位。主要數據項包含各觀測點的地理位置、經緯度坐標、水位值等字段。觀測數據包含潛水位和承壓水位等幾種類型，根據研究目的將潛水、潛水-微承壓水、潛水-承壓水劃為潛水類型，承壓水位暫不予考慮。根據所劃分的類型研究區每年各類型地下水觀測點數量見表2。

對于潛水水位，2005年-2010年觀測井平均每年62個，2011年-2013年平均每年71個。

由《中國地質環境監測地下水位年鑒》得到的觀測井水位數據在平原區東南部分布相較稀疏，為了更準確地控制水位插值的精度，人為補充了一些水位比較確切的數據點。在黃河大堤北堤附近面積較大的水面，認為地表水面與地下水位平齊，在Google earth中得到其位置坐標，將其地形高程賦值為其水位；此外沿海岸線添加若干水位分布點，水位賦值為0。

對收集到的不同來源和不同格式的數據資料進行統一處理，對各年觀測點缺失值進行合理的插補，同時去掉異常點，保證各點數據時空連續特征的合理性。整理后各年年末的地下水位點均大于80個。2013年研究區地下水觀測點分布見圖2。其中沿海及黃河以北的點為人為添加水位控制點。

1.2.3 “華北平原地下水演變機制與調控項目”地下水數據

本文同時利用了國家“973”項目“華北平原地下水演變機制與調控項目”的地下水數據，該數據主要覆蓋了北京市、河北省和天津市。在排除承壓水觀測點之后，淺層水觀測點在2005年-2007年每年有80個，2008年為45個。由于項目的水位觀測點與年鑒觀測點同時期分布不同，兩組數據來源相互獨立。

2 研究方法

2.1 疏干法原理

地下水資源超采指某一研究區域在一定的研究期內，實際開采量超過了自然因素和人類活動影響下區域補給地下水的多年平均能力[21]。

以往進行地下水資源評價時，將統計得到的實際開采量與多年平均允許開采量的差值作為某一區域的地下水超采量。這種計算方法不能確切地反映該地區的地下水超采情況。主要原因是開采量的統計結果由于統計渠道、統計方法的原因，往往存在較大的誤差；二是地下水資源量是一個動態概念，每年的允許開采量與多年平均允許開采量是有差別，拿一個靜態數據做動態參照物顯然也可能不符合實際[22]。

在地下水超采多的地區，地下水位下降較多反之較少。在超采嚴重的地區，還會引起周圍地下水位的下降，形成區域降落漏斗。地下水的埋深在一定程度上可以反映地下水超采水平，在假定給水度變化不大的前提下，可以通過實際觀測的地下水位變化，將超采量的研究轉化為埋深增大而形成的漏斗體積的研究。有實際觀測數據作為判斷的基礎，可以避免其他間接估計方法的主觀誤差。

根據地下水位變化估算地下水超采量的具體方法是疏干體積法，計算公式為

此法尤其適用于水文地質邊界條件復雜、地下水補給量、排泄量難以查清、含水層的給水度在水平方向和垂直方向上有顯著差異的條件下。

2.2 數據處理方法

2.2.1 歷史水位分布圖繪制

根據獲得的數據，繪制海河平原1959年、1984年、2005年-2013年各年年底淺層地下水位分布圖。其中1959年、1984年的地下水位分布圖是直接根據《圖集》的圖件進行數字化；而2005-2013年分布圖是以《圖集》中2005年6月的詳細水位分布圖為基礎，根據2005年6月、2005年-2013年12月的骨干站點水位的逐時段變化率來推求，即根據骨干站點水位時段變化率，插值得到時段水位變化率的分布圖，用插值得到的各點的時段水位變化率和上一時段（第一個時段是2005年6月，第二個時段是2005年12月，第三時段是2006年12月，以此類推）的詳細水位分布圖推求下一時段的詳細水位分布。

2.2.2 推求得到的水位分布圖的檢驗

用國家“973”項目地下水數據來檢驗推求的地下水位的準確度。用估算的水位值與地下水位實測數據繪制散點圖并進行R²統計檢驗，結果見下文3.1部分。

2.2.3 不存在超采的初始水位的認定

1960年以前海河平原地下水開采很少。除了山前沖積平原，其他地區地下水埋藏很淺，泉水廣泛出露地表，地下水位與地形高度接近。可以把1959年底的地下水位分布作為不受人類干擾的地下水分布背景值。

2.2.4 水位變幅、累計超采量等的計算

計算各年年末與1959年末的水位變差，得到各年份的水位變幅圖。同時各分區含水層給水度也采用《圖集》的分布圖數字化以后統計得出，各分區給水度數值見表3。利用raster calculator功能，將水位變幅圖與柵格面積進行相乘，得到各年份漏斗體積分布圖；同理，將漏斗體積與給水度進行相乘，得到各年末的地下水超采量分布圖。結合研究區水資源三級分區圖，分區統計地下水水位變幅與超采量，從而得到研究區歷年地下水位變化、超采量等信息。

等水位圖按照水位降幅以不同的顏色顯示，在地下水位下降嚴重地區，其周邊地區的水位降幅成環形向外蔓延，中心處水位降深最大。顏色變化越密集，則說明此點地下水超采越嚴重。

3 結果分析

3.1 估算水位的檢驗

利用來源獨立的國家“973”項目地下水位觀測數據對推算出的地下水位進行精度驗證，驗證年份為2005年-2008年。圖3為2005年-2008年末ARCGIS 估算水位和觀測地下水位的比較，其R²大于0.9，說明利用ARCGIS計算出的海河流域地下水位及超采量是可靠的。

3.2 超采總量及動態特征分析

本研究中，通過實際水位觀測數據估算了海河流域平原區1959年-2013年淺層地下水超采量，1959年-2013年累計超采約為979.45×10⁸m³。各年自1959年的累積超采量的動態變化見圖4。

由圖4可知， 1959年-1984年，淺層超采量約為408.6×10⁸m³；1984年-2005年，超采量約為445.45×10⁸m³；2005年-2007年超采量有所增加，共增多了86.83×10⁸m³，年均超采43.41×10⁸m³；2008年沒有超采，貯量增加21.13×10⁸m³；2008年-2010年超采量繼續增加，年均超采34.73×10⁸m³，2010年達到9年來最大值為989.21×10⁸m³；2010年-2012年超采量呈下降趨勢，減少了11.01×10⁸m³，2012年-2013年小幅增加1.25×10⁸m³。地下水超采量在1984年-2013年總體上是呈上升趨勢，主要超采量發生在2005年以前。

1959年-1984年期間地下水位平均下降3.65 m，1984年-2005年平均下降6.28 m。2005年-2007年期間，平均水位繼續下降，累計下降1.05 m，但2010年以后水位趨于平穩，2011、2012年水位分別平均上升0.19 m、0.11 m，2013年水位平均只下降0.01 m。詳細的水資源三級區各年水位平均變化見表4。2013年12月，淺層地下水位最大下降已達82 m，相對1956年，河流域平原區淺層地下水水位變化大于10 m的面積為4.94×10⁴ km²。其中，變化大于20 m的面積達到2.67×10⁴ km²，變化大于40 m的面積為0.52×10⁴ km²。

3.3 空間特征分析

繪制出1959年-2013年水位變差圖（見圖5）。負值表示水位下降。由圖5分析得出，淺層地下水位降落漏斗主要分布于太行山和燕山山前平原，局部地區嚴重超采，主要分布在石家莊、邢臺、邯鄲市、北京市，中東部地區較少出現。

詳細的各年自1959年的分區累積超采量見表5。

4 結論

本文利用ARCGIS技術繪制海河平原地下水水位分布圖，并結合給水度估算了海河流域1959年-2013年地下水超采量，得出以下主要結論。

（1）1959年-2013年海河平原淺層地下水水位平均累計下降10.99 m，超采量共計979.45×10⁸m³。

（2）1984年-2005年是超采強度最大的時期，2005年以后超采形勢得到緩解。1959年-1984年年均超采16.34×10⁸m³，1984年-2005年年均超采21.21×10⁸m³，2005年-2013年均超采15.67×10⁸m³，2010年以后趨于平穩。

（3）超采漏斗主要存在于山前地區且用水量較大的城市，尤以子牙河平原西部石家莊、邢臺一帶最為嚴重。

本文利用可以公開獲得的地下水位和給水度數據，對海河平原淺層地下水1959年-2013年的累積超采量進行了估算，經過獨立來源的水位檢驗，本文估算的超采量達到較高的精度，但在計算時也仍存

在不足，首先是只考慮水位的變化而沒有考慮給水度的時間變化，其次是推求地下水位分布的年鑒數據觀測點較少，如果有機會可以收集地質部門更詳細的地下水位觀測數據來分析。

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