基于維系生態流量的山丘區地下水可開采量計算方法探析
——以赤峰市為例

許拯民，金中天，唐世南，潘扎榮

（1.華北水利水電大學水利學院，鄭州450046；2.水利部水利水電規劃設計總院，北京100120）

地下水是水資源的重要組成部分，具有重要的資源和生態環境功能，對維持地表植被、調節江河徑流、維系良好生態環境具有十分重要的作用。同時，地下水供水保證率高，水質優良穩定，是支撐我國特別是北方經濟發展的重要水源，在保障我國城鄉居民生活和生產供水、支持經濟社會發展中具有重要支撐作用［1］。長期以來，我國北方局部地區地下水開采規模發展迅速，地下水資源不合理開發利用引發河道斷流、濕地萎縮、草場退化等一系列生態和地質環境問題［2-10］。因此，為合理開發利用和有效保護地下水資源，支撐生態保護和經濟社會高質量發展，亟待科學合理地制定地下水管控指標，并加強地下水監督管理［11，12］。地下水可開采量通常作為區域地下水合理開發利用閾值上限，是制定地下水治理和保護管控指標的首要依據［13］。地下水可開采量是指在保護生態環境和地下水資源可持續利用的前提下，通過經濟合理、技術可行的措施，在近期下墊面條件下可從含水層中獲取的最大水量［14］。

山丘區地下水資源全部來自降水，以河川基流、地下水開采、潛水蒸發、山前側向流出、泉水溢出以及礦坑排水等方式排泄。河川基流量是山丘區地下水排泄中最主要的方式，在山丘區地下水開采量較小的20世紀80年代，北方山丘區地下水資源量中有90%以上的水量以河川基流量的形式排泄到河道［15-18］。河川基流由賦存在山丘區中巖溶和裂隙地下水受重力影響排泄到河道中形成，是河川徑流最為穩定的組成部分，河川基流量具有生態維持功能，維持著生態環境的水量平衡和調節生態水文節律，并維系著地表植被，下游湖泊、濕地等生態系統的良性發展，通常以河川基流量與徑流量的比例（簡稱基徑比）來衡量［19，20］，基徑比越大，河川基流量與徑流量的關系越緊密，河川徑流量的穩定性越好；基徑比越小，河川徑流量越不穩定，對于人類與自然的影響反應越劇烈。氣候變化、下墊面變化、人類開采、水利工程建設和水土保持措施等都可能改變山丘區地下水排泄結構，引起基徑比變化。因為山丘區地下水排泄結構的復雜性，迄今不同部門、不同研究者對山丘區地下水可開采量問題尚未形成統一認識［21，22］。目前使用較為廣泛的如：補償疏干法，在旱季無補給時，以疏干量作為山丘區地下水可開采量，在雨季時在保證疏干水量全部補償的基礎上確定地下水可開采量［23］，該方法具有補償水量難以保證和無法緩解已產生的地下水問題等缺點，尤其在我國北方水資源年際分布極為不均，若采用該方法極有可能對生態環境造成一系列不可逆的影響；綜合分析法，直接采用已有水源地勘探評價成果，或通過對開采區水位、水量的分析，校核修正可開采量，該方法針對資料豐富、開展一定研究工作的小范圍地區可提出較為合理的可開采量，缺點是對資料成果要求高、計算過程復雜、大范圍區域計算難度大，缺少對地表水與地下水相互轉化及生態保護方面的考慮，在區域地下水管理、實際應用中難以推廣，尤其對于我國北方部分較為落后地區，水資源工作起步較晚，基礎資料十分缺乏，該方法缺乏一定的可操作性；數值模擬法［24］同樣具有計算難度大、資料要求高的特點，計算結果精度高但推廣難度大。根據目前地下水治理嚴峻形勢，亟須提出一種具有統一標準、對于研究區資料要求較低且易于推廣的山丘區地下水可開采量計算方法。本文立足于地表水和地下水之間的轉換關系［25-27］，基于維持穩定的山丘區地下水排泄結構、合理的河道內生態環境需水量，以緩解現狀地下水問題、提出標準統一且可推廣的計算方法為目標，分別提出以天然條件下的合理基徑比為關鍵指標的基徑比關系曲線法，以水資源開發利用程度為控制指標的地表水可利用量控制法，并以赤峰市為例進行山丘區地下水可開采量計算，以期為我國山丘區地下水可開采量評價提供研究參考。

1 計算方法

河川基流量既是山丘區地下水資源的重要組成部分，也是河川徑流的重要組成部分。維持穩定的山丘區地下水排泄結構和合理的天然河川基流量，不僅在徑流形成、維持及可再生過程中具有重要作用，而且在保障水資源可持續利用、維系河流生態系統健康中也有著極其重要的作用和意義。基于地表水與地下水的轉化關系，針對維持穩定的山丘區地下水排泄結構，提出了一種基于天然條件下的合理基徑比的山丘區地下水可開采量計算方法—基徑比關系曲線法；針對維持合理的河道內生態環境需水量，提出了一種以水資源開發利用程度為控制的山丘區地下水可開采量計算方法—地表水可利用量控制法。

1.1 基徑比關系曲線法

首先，根據人類開采影響較小且未引發生態環境問題時期值確定合理基徑比?？紤]我國地下水開發利用歷程，一般可以采用1980-2000年系列值，逐年計算不同來水條件下合理基徑比關系曲線，合理基徑比計算公式如下：

式中：αi為山丘區地下水開采未引發生態環境問題情況下，第i年的合理基徑比；Rgi為第i年河川基流量；Ri為第i年天然河川徑流量。

其次，在計算現狀山丘區地下水可開采量時，應考慮人類活動對河川基流量的影響，需對現狀山丘區實際開采量進行還原計算。將現狀河川基流量與實際開采凈消耗之和帶入合理基徑比曲線，得到對應的天然河川徑流量，與現狀天然河川徑流量之差即為地下水不合理開采量，計算公式如下：

式中：Q為地下水不合理開采量；α為現狀對應合理基徑比；Rg現狀為現狀河川基流量；C開采凈消耗為現狀實際開采凈消耗量，為開采后未回歸到河道內的水量；R實際現狀天然河川徑流量。

最后，將實際開采量扣除地下水不合理的開采量，得到山丘區地下水可開采量，計算公式如下：

式中：Q可開采量為山丘區地下水可開采量；Q實際為現狀山丘區地下水實際開采量；Q為地下水不合理開采量。

基徑比關系曲線法以地下水與地表水的轉換關系為基礎，針對人為不合理開采導致的基流衰減問題計算地下水不合理開采量，最終確定山丘區地下水可開采量，適用于山丘區地下水開采量較大且已經出現基流衰減問題的區域。

1.2 地表水可利用量控制法

考慮山丘區地下水與地表水轉化關系，根據全國第二次水資源調查評價成果，北方山丘區地下水與地表水大部分為重復量，1980-2000年系列北方山丘區地下水與地表水重復量達到地下水資源量的84.7%，山丘區地下水開采凈消耗與地表水耗水量之和不應超過地表水可利用量。

首先，計算地表水耗水量。地表水耗水量是指取用水戶在取用地表水過程中，通過蒸騰蒸發、土壤吸收、產品吸附、居民和牲畜飲用等多種途徑消耗掉而不能回歸到地表水體或地下含水層的水量。一般可依據用水量和退排水量數據及回歸地下水量進行分析計算。

其次，計算多年平均地表水資源可利用量。多年平均地表水資源可利用量一般采用地表水資源量扣除河道內生態環境需水量后的水量，可采用下式計算：

式中：R地表可利用量為多年平均地表水資源可利用量；R為多年平均地表水資源量；W生態需水量為河道內生態環境需水量。

河道內生態環境需水量按照《河湖生態環境需水計算規范SL/Z 712-2014》（以下簡稱《需水規范》）計算，或采用流域或區域水資源綜合規劃確定的成果。

最后，將地表水資源可利用量扣除地表水耗水量后，得到山丘區地下水可耗水量，根據耗水系數計算得到可開采量，可根據下式計算。

式中：Q可開采量為山丘區地下水可開采量；R地表可利用量為多年平均地表水資源可利用量量；C地表水耗水量為地表水耗水量，β為耗水系數，可依據用水量和退排水量數據及回歸地下水量進行分析計算，資料缺乏區域可按照各行業的耗水系數估算，其耗水系數可參照水資源公報歷年成果進行合理性分析后采用。

地表水可利用量控制法，適用于可以滿足生態需水，且地表水耗水量限制在地表水可利用量內的區域進一步計算山丘區地下水可利用量。

2 赤峰市山丘區地下水可開采量計算

2.1 區域概況

赤峰市位于內蒙古自治區東南部，地處西遼河上游的山地丘陵地區，山丘區面積占總面積的85%，赤峰市山丘區分布情況如圖1所示。區域降水量時空差異較大，汛期（6-9月）降水量約占年降水量的80%，有著“十年九旱、旱澇不均”之稱，屬于典型的水資源匱乏地區［28，29］。長期以來，赤峰市水資源開發利用以地下水為主，地下水供水量占總供水量70%以上，其中山丘區地下水開采量從20世紀80年代約5 億m3增加到2018年的12 億m3左右，地下水水位較2000年下降10～25 m，河川基流量從8.4 億m3降到1.2 億m3，局部山丘區天然河川基流量幾乎為0，河川基流量占總排泄量的比例由62%衰減到14%，地下水開采凈消耗占總排泄量的比例由28%上升為72%，地下水排泄結構發生根本變化，主要排泄方式已從自然排泄轉變為人工排泄，加劇了西遼河干流斷流情況。為保障赤峰市山丘區地下水可持續開采，支撐經濟社會發展，迫切需要合理確定山丘區地下水可開采量，對地下水開采進行嚴格管控。

圖1 赤峰市山丘平原分布示意圖Fig.1 The distribution map of hilly areas and plain areas in Chifeng City

2.2 計算結果

采用基徑比關系曲線法計算赤峰市山丘區地下水可開采量。首先，以水資源三級區嵌套地級行政區為計算單元。其次，根據全國第二次水資源調查評價赤峰市1980-2000年系列逐年數據確定各計算單元合理基徑比關系曲線（見圖2），各關系曲線擬合度均在0.92 以上。然后，2001-2016年系列山丘區開采凈消耗量與河川基流量之和在關系曲線上找到應維持的天然河川徑流量，對比現狀河川徑流量求得山丘區地下水不合理開采量。若計算單元最后山丘區不合理開采量計算結果與開采凈消耗量相等，則說明該區域地下水僅能維持自然排泄，不具備開采條件，不適宜在該區域開采地下水。最后，將2001-2016年系列年均山丘區地下水開采量扣除山丘區地下水不合理開采量，求得赤峰市山丘區地下水可開采量為4.07億m3。計算采用數據和計算結果見表1。

圖2 赤峰市嵌套各水資源三級區基徑比關系曲線Fig.2 Base Flow-Runoff Ratio Curve of the nested water resources three-level area in Chifeng City

表1 基徑比關系曲線法計算結果 億m3Tab.1 Calculation results of Base Flow-Runoff Ratio Curve

采用地表水可利用量控制法計算赤峰市山丘區地下水可開采量。首先，根據《需水規范》，確定各河流水系生態環境需水量參考閾值，對于開發利用程度高的區域，考慮經濟社會發展需水情況，選取基本生態環境需水量；對于開發利用程度較低的區域，生態環境問題壓力較小，選取目標生態環境需水量；其次，根據采用的生態環境需水量確定地表水可利用量；然后，在地表水可利用量中扣除地表水耗水量，根據赤峰市水資源公報，赤峰市地表水耗水系數確定為0.68～0.73；最后，根據赤峰市耗水系數已有成果，還原得到赤峰市山丘區地下水可開采量為4.35億m3。計算采用數據和計算結果見表2。

表2 地表水可利用量控制法計算結果 億m3Tab.2 Calculation results of available surface water control method

2.3 結果分析

從計算結果看兩種方法均從地下水與地表水轉化機理出發，分別從維持山丘地下水排泄結構和保證生態環境用水角度進行計算，計算結果差值不超過7%，較為接近，可以相互驗證方法具有一定的合理性。

從方法適用條件及赤峰市實際情況看，根據赤峰市地下水作為主要供水水源和目前赤峰市地下水主要問題為地下水開采襲奪大量地表水，造成河川徑流量嚴重衰減［30］，地表水可利用量控制法首先保證的是區域地表水的開發利用，對于赤峰市并不是十分適用，相較于地表水可利用量控制法，基徑比關系曲線法更適用于因人為過度開采導致基流嚴重衰減的區域。

從方法本身機理看，基徑比關系曲線法從地下水循環的物理機制出發，既考慮了地下水循環健康與地表水徑流量穩定，在基流穩定保證一定徑流量的基礎上也符合生態保護要求，能有效減少地下水過量開采對生態地質環境的破壞，確保水資源的可持續利用，可以更好維持山丘區地下水排泄結構健康合理，控制山丘區地下水開采，并進一步緩解河道斷流、草場沙化和湖泊濕地萎縮等生態環境問題，本文建議采用基徑比關系曲線法計算結果，赤峰市山丘區地下水可開采量為4.07億m3。本文提出計算方法和計算成果已被水利部組織編制的《內蒙古西遼河流域“量水而行”以水定需方案》采納。赤峰市山丘區地下水開采量為9.69 億m3，遠超本文提出的山丘區地下水可開采量，如按照本文計算結果控制地下水開采，可大幅減少地下水開采對河道內基流量的襲奪，進而有效保障下游河道內生態環境需水量，增加下游平原區地下水補給，緩解下游河道斷流和地下水位持續下降等生態環境問題。

3 結論與建議

（1）本文基于地下水與地表水轉化關系，考慮維持山丘區排泄結構穩定與保障一定河川基流量等方面，首次提出了基徑比關系曲線法和地表水可利用量控制法兩種北方山丘區地下水可開采量方法。

（2）采用兩種方法分別計算赤峰市山丘區地下水可開采量。采用基徑比關系曲線法計算得到山丘區地下水可開采量4.07 億m3，采用地表水可利用量控制法得到山丘區地下水可開采量4.35 億m3。確定赤峰市山丘區地下水可開采量約為4.07億m3，按照該計算結果控制地下水開采，可在一定程度上緩解已有的一系列生態環境問題。

（3）本文提出的兩種計算方法適用于我國北方缺乏詳細資料的山丘區進行地下水可開采量宏觀匡算，但基徑比關系曲線法不適用于如礦坑排水引起河川基流量增加的區域，還缺乏對基流量外其他排泄項如山前側向流出量、潛水蒸發量等排泄量的統一考慮，有待進一步研究完善；地表水可利用量控制法不適用于地表水開發利用量超過地表水可利用量的地區。

（4）目前，我國正在組織開展全國地下水管控指標確定工作。地下水可開采量作為地下水治理和保護的重要管控指標之一，已成為我國地下水監督管理特別是地下水超采治理的重要抓手。本文通過研究北方山丘區地下水可開采量計算方法，合理確定地下水可開采量，以期為我國北方山丘區地下水開采管控提供參考。