地下水安全保障模式概念與應用分析

尉意茹，戴長雷，高 宇，陳 末，王 羽

（1.黑龍江大學a.寒區地下水研究所；b.水利電力學院；c.中俄寒區水文和水利工程聯合實驗室，黑龍江 哈爾濱 150080；2.東北農業大學水利與土木工程學院，黑龍江，哈爾濱 150080）

1 地下水安全

安全是針對風險而言，艾慧、姚鵬飛、劉久潭等分別從地下水的過量開采、地下水對工程建筑危害、地下水水質污染危害等方面系統地對地下水可能帶來的風險進行了研究[1-5]，基于各位學者的研究內容，對地下水的風險進行總結，分為四個方面：一是環境危害型風險：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構、形狀的改變，導致含水層結構不穩，會發生地面沉降等環境危害。二是工程技術型風險：工程上由于技術或運營問題導致取不到水、水流失和水污染等各種風險。三是資源短缺型風險：深層的地下水極不容易形成且補給困難，如果過量開采，就會使地下水面臨枯竭的危險。四是經濟政策型風險：有些地方因為當地的信仰、風俗、政策等不同，導致群眾不能科學合理開采地下水和不合理排放污水的現象。

陳紹金、程國棟等從水量、水資源承載力、水質等方面對水安全問題進行了研究[6-8]，可以看出水安全不僅是一個資源的問題還包含衍生出的生態、社會、經濟等多個方面。戴長雷等學者都是通過分析計算研究區地下水的開采量來給出地下水的安全開采標準[9]。文章結合已有的地下水風險、水安全和地下水安全方面的研究，試對地下水安全進行界定：地下水安全系指人類活動對地下水的作用在其允許開采范圍內，保證其最大可再生量，不影響水體的承載能力，不破壞其生態能力，不發生任何地下水風險且地下水的合理開采滿足資源、環境、工程技術和經濟政策4類控制性指標，能維持人類正常的生產、生活活動。其關系如圖1所示。

圖1 地下水安全四類控制性指標關系

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地下水而構成的可持續發展支撐體系。滿足地下水安全的4類控制性指標的地下水安全保障措施主要分為非工程和工程類措施，目的在于解決區域采水問題，提高地下水資源風險防控能力。

2.1 工程措施

基于井口水量計量的工程措施。地下水的開采需要抽水井等工程設施來揭露，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。結合研究區地下水的開采現狀，計算該區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量器來限制地下水的開采量，達到對地下水水量控制的目的。

基于電費反算的工程措施。電費反算是針對研究區的水價政策，將電量與供水量間的聯系進行分析，應用分析結果列出用戶的耗電量和供水量之間的數學關系式，從而得到研究區的地下水最大允許開采量，預計供水量然后推出較準確的用電量，進而計算出需要的電費。這樣通過控制因抽水工程的支出的電費來達到控制水量的目的。

基于水位、水量雙控的工程措施。在實際的抽水工程中對抽水量并不能進行一個直觀的觀測，都要通過觀察地下水位的變化來反應抽水量的多少，所以構建一個基于水量、水位雙控的工程對于地下水的開采控制是十分方便實用的。現階段，在工程上比較常用的進行水量、水位雙控的措施主要是構建完善的地下水監測井網，其目的是為了保障區域地下水安全。在了解研究區的含水層概況、面積、區域范圍等基本情況后，可在研究區構設合理布局的監測井，采用多利用已有井，區分重點區，在重點區多布設觀測井[10]。實時觀測研究區地下水位的動態變化情況，通過水位水量轉換方程，達到水量、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。為了不產生因地下水過量開采而導致的風險，可給出一個地下水抽取的最大控制性總量和一個最小控制性總量，超過最大控制量會導致發生地下含水層疏干性風險，少于最小控制量會使地下水溢出地表造成土壤鹽漬化、沼澤地等風險。地下水的合理開采量應介于這兩者之間。

基于水位控制的非工程措施即為構建控制性關鍵水位。為減少因地下水的超采或過量補給造成的地下水位的變化而引發的風險，將地下水控制性關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生含水層疏干危害的臨界水位，當達到這個水位時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成分的地下水溢出地表形成沼澤，破壞土壤結構，造成土壤鹽漬化的情況，所以當達到這個水位時必須進行地下水開采；下黃線水位是指疏干警戒水位，當達到這個水位時應發出警報，采取警戒措施，避免達到疏干臨界水位。上黃線水位主要指鹽漬化警戒水位。關系如表1所示。

基于行政管理的非工程措施即為制定合理的經濟發展政策?？紤]研究區水源條件和可利用程度，根據研究區的工業、農業現狀，制定合理的工農業發展政策，調整產業結構，實現經濟、資源的最優化發展。

3 地下水安全保障模式

地下水安全保障模式是根據不同的實際環境，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 控制性關鍵水位的設定

構建地下水安全保障模式主要的目的在于不引起地下水風險、并符合研究區當地已有的工程技術和經濟發展政策的前提下進行地下水的合理開發，既滿足當地居民的用水需求又能保持地下水系統的可持續利用性并給當地創造最大的經濟收益。地下水安全保障模式分為可持續模式和應急模式兩類?？沙掷m安全保障模式又分為絕對可持續安全保障模式和調節可持續安全保障模式。

3.1 絕對可持續保障模式和應急保障模式

絕對可持續保障模式是指在開發地下水時，地下水變化在一個相對穩定值上下小幅度波動，計算出的地下水允許開采量永遠小于實際地下水允許開采量（即Q設＜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區，水位控制在上下黃線之間。地下水絕對可持續發展，這類措施對地域要求、工程技術要求、政策要求都很嚴格，不具靈活性但對于保護地下水比較好。

應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，而此時地下水的補給量跟不上消耗量（即Q設>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，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給措施，地下水位可能達到下紅線水位，對為地下水造成不可恢復的創傷。

3.2 調節可持續保障模式

調節可持續保障模式是指在某些時期大量開采地下水，使地下水水位下降但還沒有達到下黃線水位，此時期開采的水量會在開采之后一段時間內回補，水位也逐漸回升達至穩定，達到含水層系統的穩定量，在長時段內地下水的設計開采量是約等于地下水實際開采量的（即Q設=Q允）。這類保障模式下地下水的開采量保持在藍區和黃區，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發展且能保障最大的經濟利益。是一種比較提倡的模式。經分析，其對應關系如表2所示。

表2 地下水安全保障模式對應關系

4 實例分析

肇州縣位于黑龍江省大慶市東南部，轄內鄉鎮密集，2個農牧場，農業人口占區內人口總額的50%以上，農業收益是全縣的重要經濟收益，農耕面積14.85萬hm2，肇州縣是典型的溫帶大陸性季風氣候，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。其農業灌溉主要依賴地下水資源[11]，幾乎每戶都有地下水井，近年來隨著農業的發展，地下水開采日益嚴重且國家大力支持在東北四省發展節水增糧產業，鑒于地下水對肇州縣經濟發展的重要性，和目前肇州的地下水開采現狀，研究出一套地下水安全保障模式具有實際的意義，根據文中對地下水安全保障模式概念的敘述，結合肇州縣的實際情況得表3。

5 結論

第一，地下水風險主要包括資源短缺型風險、環境危害型風險、工程技術型風險和經濟政策型風險4種類型。

第二，地下水安全包含4類控制性指標，都是針對地下水開采來設定的，限定其開采量。

第三，地下水安全保障措施針對水量、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安全保障模式和應急安全保障模式兩類。不同的模式對應不同的控制性總量和不同的控制性水位，不同水量、水位又對應不同的保障措施。

表3 肇州縣地下水安全保障模式

第五，以肇州縣為實例區進行研究，肇州縣是主要依靠地下水進行灌溉的農業縣，對其地下水風險、安全控制性指標和安全保障措施等進行研究，可以提出一套相對健全的地下水安全保障模式。