地下水超采區(qū)劃定方法對比分析

何 曄

(1.自然資源部地面沉降監(jiān)測與防治重點實驗室，上海 200072；2.上海地面沉降控制工程技術(shù)研究中心，上海 200072；3.上海市地質(zhì)調(diào)查研究院，上海 200072)

地下水作為水資源的重要組成部分，既是維系區(qū)域生態(tài)環(huán)境的重要自然要素，也是保障社會穩(wěn)定不可替代的基礎(chǔ)支柱。然而全球地下水資源在氣候變化和人類活動的影響下，消耗十分嚴重。近年來隨著城市發(fā)展及生活水平的不斷提高，地下水資源的供需矛盾日益突出，而地下水超采問題也日益嚴重，已經(jīng)引起了諸如地面沉降、地裂縫、水質(zhì)惡化和生態(tài)環(huán)境破壞等一系列與地下水超采相關(guān)的問題[1-8]。為加強地下水資源管理，保護優(yōu)質(zhì)的地下水資源，實現(xiàn)地下水資源可持續(xù)開發(fā)利用，保障經(jīng)濟社會可持續(xù)發(fā)展，需開展地下水超采區(qū)劃定工作[9-12]，全面掌握地下水超采區(qū)現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢，加快推進地下水超采區(qū)治理。

地下水超采區(qū)的劃定方法隨著劃定工作的開展也趨于多樣化并日益成熟，從最開始單一的開采系數(shù)法逐步演變?yōu)樗粍討B(tài)法、開采系數(shù)法和引發(fā)問題法等多種方法[13]。但無論水位動態(tài)法、開采系數(shù)法還是引發(fā)問題法都無法全面反映地下水超采情況，本文以上海市為例，對水位動態(tài)法、開采系數(shù)法和引發(fā)問題法等3種方法的劃定結(jié)果進行對比分析，以期為地下水超采區(qū)劃定及科學合理制定地下水資源保護措施提供依據(jù)和參考[14]。

1 區(qū)域概況

松散巖類孔隙水是上海地區(qū)主要的地下水類型，蘊含豐富的地下水資源，是本次地下水超采區(qū)劃定的對象。

按照地質(zhì)時代、水動力條件和成因類型，將第四系松散巖類孔隙含水層劃分為全新統(tǒng)潛水含水層和微承壓含水層，上更新統(tǒng)第一、二承壓含水層，中更新統(tǒng)第三承壓含水層，下更新統(tǒng)第四、五承壓含水層。

上海淺層地下水資源的開發(fā)利用主要以鄉(xiāng)村分散的土井開6采為主，目前全市淺層地下水的開采程度很低，主要為以基坑工程為主的工程建設活動的降排地下水量。全市地下水資源開發(fā)利用以深層承壓水為主(即第二～第五承壓含水層)。為滿足工業(yè)生產(chǎn)和居民生活飲用等用途，自市區(qū)1860年開鑿第一口深井以來，長期開采深層地下水，導致較嚴重地面沉降現(xiàn)象。近年，通過壓采、調(diào)整開采層次和人工回灌等一系列措施，地面沉降逐步得到控制。

2 劃定

根據(jù)《地下水超采區(qū)評價導則》[15]，主要采用水位動態(tài)法、開采系數(shù)法和引發(fā)問題法3種方法。本次利用監(jiān)測數(shù)據(jù)年份為2001—2016年，統(tǒng)計分析以行政區(qū)域為單元，其中上海市區(qū)(黃浦區(qū)、靜安區(qū)、徐匯區(qū)、長寧區(qū)、虹口區(qū)、普陀區(qū)、楊浦區(qū))由于面積較小，合并為中心城區(qū)。

2.1 水位動態(tài)法

水位動態(tài)法是以地下水水位年均下降速率為評判指標進行超采區(qū)劃定的方法。因地下水開采造成地下水水位呈持續(xù)下降趨勢劃定為一般超采區(qū)，淺層孔隙水水位年均下降速率大于1.0m/a或深層孔隙水水位年均下降速率大于2.0m/a劃定為嚴重超采區(qū)。

本次利用水位監(jiān)測數(shù)據(jù)，按各區(qū)統(tǒng)計水位動態(tài)變化趨勢，統(tǒng)計結(jié)果見表1。

表1 地下水水位年均變化速率統(tǒng)計 單位：m/a

由表1可知，上海市區(qū)各含水層地下水水位總體呈現(xiàn)上升態(tài)勢，僅局部地區(qū)地下水水位有略微下降。可知上海市區(qū)各含水層無地下水位持續(xù)下降地區(qū)，因此，根據(jù)地下水位變化動態(tài)特征，全市無地下水超采區(qū)。

2.2 開采系數(shù)法

開采系數(shù)法是以地下水開采系數(shù)為判別指標進行超采區(qū)劃定的方法。地下水實際開采量超過可開采量劃定為一般超采區(qū)，若年均地下水開采系數(shù)大于1.3，則劃定為嚴重超采區(qū)。

針對上海市實際情況，淺部潛水和第一承壓含水層地下水長期來未予開發(fā)利用，年度無計劃開采指標；深部第二、三、四、五承壓含水層地下水資源豐富且水質(zhì)較好，是上海市常年開發(fā)利用的主采層。為此，根據(jù)開采系數(shù)法進行地下水超采區(qū)劃定時，對于淺部潛水和第一承壓含水層不予考慮地下水超采區(qū)劃定。各行政區(qū)含水層實際開采量、可開采資源量以及開采系數(shù)見表2。

表2 上海市第二、三、四、五含水層地下水開采系數(shù)統(tǒng)計 單位：m3

可知各區(qū)各含水層開采系數(shù)均遠小于1，故根據(jù)開采系數(shù)法，全市無地下水超采區(qū)。

2.3 引發(fā)問題法

引發(fā)問題法是以地下水開采誘發(fā)的生態(tài)與環(huán)境地質(zhì)問題為評判指標進行超采區(qū)劃定的方法。上海市因地下水開采造成的生態(tài)與環(huán)境地質(zhì)問題主要為地面沉降。根據(jù)引發(fā)問題法，因地下水開采引發(fā)了地面沉降則劃定為一般超采區(qū)；因地下水開采引發(fā)的年均地面沉降速率大于10mm/a劃定為嚴重超采區(qū)。

由表3可知，大部分區(qū)域多年平均沉降速率小于10mm/a，只有如崇明東灘新成陸區(qū)等局部區(qū)域沉降稍大，因此根據(jù)引發(fā)問題法劃定上海全市為一般超采區(qū)。

表3 上海市地面沉降速率統(tǒng)計 單位：mm/a

3 對比分析

可知3種方法得出的劃定結(jié)果不盡相同，對比分析主要原因如下。

(1)根據(jù)水位動態(tài)法劃定上海市無地下水超采區(qū)，這主要是由于上海隨著集約化供水能力不斷增大，全市通過地下水年度開采量持續(xù)壓減、調(diào)整開采層次和人工回灌等一系列措施，持續(xù)深化地下水資源管理，使得由于歷史超采造成的較低地下水位逐步恢復；可見水位動態(tài)法可以比較好的反映區(qū)域當下的超采情況，但水位動態(tài)法需要在各個區(qū)域不同含水層都有一定數(shù)量的長期水位監(jiān)測井，根據(jù)長期監(jiān)測數(shù)據(jù)才能比較全面的分析統(tǒng)計區(qū)域內(nèi)地下水位的變化態(tài)勢，因此采用水位動態(tài)法對劃定區(qū)域內(nèi)地下水的監(jiān)測研究程度有一定要求。

(2)根據(jù)開采系數(shù)法，開采系數(shù)遠小于1，上海市無地下水超采區(qū)；可知開采系數(shù)法能比較直觀的反映地下水超采與否，但對地下水可開采資源量的計算精度及地下水實際開采量的統(tǒng)計都有較高要求。

(3)根據(jù)引發(fā)問題法上海全市被劃定為一般地下水超采區(qū)，這主要是由于地面沉降相對地下水位的滯后性及不可逆性，上海歷史地下水超采導致的累積地面沉降仍較大，且工程建設，特別是深基坑降水引發(fā)的局部區(qū)域差異沉降仍長期存在；可知引發(fā)問題法更反映劃定區(qū)域歷史的超采情況，在歷史上存在超采或已實行地下水管控的情況下，比較適用。

4 結(jié)論和建議

(1)水位動態(tài)法可以比較好的反映區(qū)域當下的超采情況，但對劃定區(qū)域內(nèi)地下水的監(jiān)測研究程度有一定要求。

(2)開采系數(shù)法能比較直觀的反映地下水超采與否，但對地下水可開采資源量及實際開采量的計算統(tǒng)計都有較高要求。

(3)引發(fā)問題法更反映劃定區(qū)域歷史的超采情況，在歷史上存在超采或已實行地下水管控的情況下，比較適用。

(4)不同方法劃定的結(jié)果存在差異，開展地下水超采區(qū)劃定時，應考慮綜合多種方法，全面分析地下水位、地下水采灌歷史及生態(tài)地質(zhì)環(huán)境問題等，同時政府管控影響也應納入考慮，以期得到最適宜劃定結(jié)果。