地下水水位水量雙控管理研究綜述

孫雪峰 孫春峰

(1.河北省水資源研究與水利技術試驗推廣中心，河北 石家莊 050061；2.石家莊市農林科學研究院，河北 石家莊 050041)

2011年，《中華人民共和國國民經濟和社會發展第十二個五年規劃綱要》提出實行地下水取水總量與水位預警雙重管理后，2012年，出臺了《國務院關于實行最嚴格水資源管理制度的意見》，要求嚴格地下水的管理和保護，加強地下水動態監測，實行地下水取用水總量控制和水位控制；2021年，國務院頒發《地下水管理條例》，實行地下水總量控制制度，各省在總量控制指標下，制定縣級行政區的地下水取水總量控制指標和地下水水位控制指標。落實地下水水位水量雙控管理工作，離不開各方面技術研究成果的支持，為了解目前地下水水位水量雙控技術研究狀況，本文通過分析與地下水水位水量雙控相關的340篇文獻，將地下水水位水量研究成果進行分類綜述，可為同行業技術人員提供一定參考。

1 地下水水位水量雙控管理區研究

地下水泛指地表以下的重力水，因地質條件不同，重力水存在的方式也不同，研究地下水水位水量需要按照一定的標準劃定邊界范圍形成具體的區域，以便定量描述水量的多少和水位的高低。這就涉及到地下水水位水量雙控管理區域劃分問題，本文經過分類匯總文獻內容，總結出以下3種分區方法。

1.1 分區分類劃分

陳文芳[1]是較早系統研究地下水位控制的研究人員，雖然僅得到了從概念到理論推理的結論，但從全國范圍對地下水的分布特點進行了分析，在地下水水位水量雙控管理方面具有較強的啟發性。在其《中國典型地區地下水位控制管理研究》一文中，得出了地下水管理分區是地下水位控制管理的基礎的結論。中國地下水分布范圍很廣，受水文地質條件的復雜性、地下水開發利用類型以及開采程度差異性的影響，不同區域地下水開發利用產生的生態環境效應是不同的，導致的環境地質問題也有較大差異。因此，地下水位控制研究應分區域、分地下水類型，針對不同的地下水開采程度以及引起的環境問題選取典型地區進行研究。從全國地下水區域特點進行劃分，可分為華北平原、西北地區和沿海地區3個類型區；結合地下水水位的發展趨勢，可分為抬升型和下降型兩種；結合地貌類型，可分為平原和山區兩類。

1.2 分區分級劃分

葉勇等[2]認為合理地進行管理分區劃分是進行地下水資源管理的先決條件。但根據我國水資源分級管理特點，劃分地下水控制性管理分區時需從流域分區、行政區劃、水文地質單元、地下水資源開發利用特點和管理目標等方面予以考慮。結合我國水資源行政主管部門的實際情況，為了便于管理，將劃分的管理分區與流域管理區及行政管理區相結合。即流域級管理分區下嵌套水資源二級分區、省級行政管理區和地下水一級水功能；省級管理分區下嵌套水資源三級分區、地(市)級行政管理區和地下水二級功能區；地級管理分區下嵌套水資源四級分區、縣級行政區。

1.3 獨立功能區劃分

各級科研機構結合各自管理范圍內的行政區和流域特點，探索了更細致的地下水雙控管理分區方法，大部分是根據地下水開發利用問題導向結合功能進行劃分的。

王金哲等[3]強調了地下水功能區劃的重要性，以我國西北內陸平原區為例，把地下水分為生態功能保護區、基本農田質量保護區和可開采資源功能區,增強了最嚴格水資源“水位、水量”雙控管理的針對性。閆學軍等[4]以天津市地下水開發利用為例,以地面沉降為約束條件建立了地下水水位-水量數值模型。于璐等[5]專門研究了海水入侵區地下水管理控制水位劃定方法,在對海水入侵區地下水管理控制水位概念界定的基礎上,提出了地下水管理控制水位紅線、黃線、藍線分級模式。嚴格來說，管理分區與功能分區是不完全一致的，管理分區可能有很多功能區，但一個功能區只能有一個功能。

2 地下水總量控制與水位控制及其關系

地下水作為水資源的一部分，具有明顯的特殊性。地下水儲存于巖土空隙之中，與所依存的巖土構成一個有機整體。因此，地下水既具有水資源的屬性，又具有水文地質構造的屬性。地下水的地質屬性與巖土不同，并沒有固定的結構形態，受自然降水、蒸發蒸騰、土壤質地、地質構造、地形地貌的影響，地下水存儲量、地下水水位埋深隨季節變化而變化。地下水水位與水量都是表征地下水的指標，兩者具有孿生性，一個水位對應著一個水量，地下水水位相當于地下水的開關，水位的高低決定著水資源量的多少。不僅如此，過高的地下水水位將造成土壤鹽漬化，影響地面植被生長，產生的浮力使建筑物地基不穩；過低的地下水水位將產生地下水漏斗，引發地面沉降、誘發地震、土壤沙化等生態環境問題，對經濟社會環境產生一系列的影響。從地下水水位具有的水量屬性、環境屬性特點來看，在研究地下水時，地下水水位埋深及其變化是一個重要課題。

2.1 地下水由水量管理到水位水量雙控管理的歷史演變

為了控制地下水超采問題，最初的設想是控制地下水開采量，即把地下水開采量保持在一個合理的水平，即不超過地下水的最大允許開采量。最早具有普遍性的研究地下水合理開采量的是全國各級水行政主管部門開展的地下水資源評價，其中最主要的內容就是確定地下水允許開采量，并作為區域地下水的合理開采量。但是由于地下水開采沒有計量，因此，允許開采量就無法得到具體落實，也就是說通過允許開采量來控制地下水超采的方法未起到作用。隨著地下水超采引發的環境地質災害問題越來越嚴重，與之密切相關的地下水水位越來越受到重視。許一川[6]認為由于地下水位易于監測的特點，相對于總量控制，水位變化能更直觀、更真實地反映地下水資源變化狀況，更能體現管理者在地下水管理中的績效。超采地下水引起的環境地質問題，其實是地下水水位下降引起的，地下水漏斗、地面沉降、海水入侵、濕地和泉水消失，都直接或間接地與地下水水位變化有關，可通過合理調整地下水水位下降幅度進行改善，最終歸結為地下水水位控制的問題。因此，地下水管理從水量管理逐步向水位水量雙控管理轉變。

2.2 地下水水量和地下水水位對應關系探索

地下水水位作為地下水的一個重要指標，對地下水水量的利用有控制與指示作用。本文僅就地下水水位下降問題進行討論研究。在水量向水位水量雙控管理轉變初期，主要是在地下水水量與水位的對應關系上進行了探索，如李春俊[7]以平度市北膠萊河地下水水源地地質單元為例，把可開采量與最嚴格水資源管理制度中最小值作為總量控制的標準，用含水層厚度疏干率計算水量對應的基準水位，在此基礎上利用均衡法劃定警戒水位，按照供水保證時間劃分為黃色警戒水位(保證供水3個月)、橙色警戒水位(保證供水2個月)、紅色警戒水位(保證供水1個月)；孫才志等[8]以遼河平原為研究對象,構建了兩套地下水生態水位標準,利用生態水位標準反算需水量，再進行平衡分析；閆學軍等[4]針對傳統地下水資源管理以“可開采量”作為地下水開發利用控制指標導致的環境問題,以天津市為例,建立以地面沉降為約束條件的地下水水位-水量數值模型,利用GMS軟件模擬不同時期各含水層的控制水位,提出了地下水水位、水量“二元”指標管理新模式。

2.3 地下水控制水位的研究

隨著水量與水位對應關系研究的深入，專家學者開始專門就地下水控制水位進行探索，結合研究范圍提出各自的觀點。

2.3.1 地下水控制水位概念的提出

馬小雷等[9]對地下水控制性水位進行了定義，指出：地下水控制性水位是指為了保護地下水，促進地下水可持續利用，合理有效地開發利用地下水資源，在考慮地下水綜合功能的條件下，確定的水位值的總稱。葉勇等[2]也提出了類似的觀點，即地下水控制性水位是指具有明確物理概念的一系列水位值的總稱，對應地下水不同開發利用狀態的一系列水位值，或對應地下水不同可開采量的一系列水位值。并進一步提出，地下水控制性水位并不是靜態數值或閾值，而是由受年內水文氣象和地下水開發利用狀況等影響的一組數值或閾值構成。地下水控制性水位是為了實施地下水目標管理而設定的一些期望(目標)水位值或閾值，是一個反映水行政主管部門不同時期管理目標、理念、意志和偏好的表征指標，具有鮮明的時代特色，不同地區不同發展階段所制定的控制性水位可能不同。

2.3.2 控制性水位的劃分

目前，已有專家學者在地下水控制管理水位劃分方面進行了積極探索，提出了將警戒水位、限采水位、禁采水位、水位控制黃線與紅線理論、臨界水位等作為控制性水位。

張海濤等[10]認為控制性地下水水位一般包括地下水紅線水位和地下水管理水位，地下水紅線水位包括地下水紅線水位上限和下限。紅線上限水位限制地下水水位過高或地下水埋深過淺，紅線下限水位保護水文地質環境。

唐克旺等[11]認為確定地下水控制水位之前首先要明確控制水位的目的，地下水具有資源供給、環境地質災害預防、生態系統維系3方面的功能，因此地下水控制水位指標可分為資源型水位、環境型水位和生態型水位。不同的類型選用的指標也不同，資源型控制水位指標采用地下水紅線下限水位，計算方法主要有開采設計參數法、含水層厚度法，也可采用歷史資料法和含水層厚度法相結合的方法；環境型地下水控制下限水位是地下水水位下降引發地面沉降、海水入侵、地面塌陷等環境地質問題的臨界深度；生態型控制水位是為了維系與地下水系統緊密相關的地表生態系統(包括湖泊、沼澤、河道基流、泉水、干旱區植被等)而設定的地下水水位閾值。

陳文芳[1]根據地下水水位的抬升或下降對地下水的資源功能、生態功能和地質環境功能等造成的影響程度，選擇適宜水位和危急水位作為地下水水位的控制指標。適宜水位指地下水處于良性循環，即地下水處于多年平均采補均衡狀態或者準均衡狀態的一系列水位值或水位閾值；危急水位指地下水良性循環被打破，即地下水處于多年平均采補負均衡狀態(下降型)或者多年處于過渡補充狀態(上升型)的一系列水位值或水位閾值。

2.3.3 控制水位的計算方法

陳文芳[1]提出山前平原區危急水位的確定方法主要有地下水開采系數法、臨界水位埋深法和綜合指數法3種。胡琪坤等[12]在地下水功能區劃的基礎上，利用ArcGIS軟件將各指標值在空間上進行分布,結合層次分析法建立了地下水開發利用風險與地下水控制性關鍵水位對應的關系,從而確定了不同含水層不同規劃期的控制性關鍵水位，為地下水資源管理、水生態修復提供了依據。于璐等[5]針對地下水不同階段的管理需求,構建了基于人工神經網絡方法的地下水合理水位計算方法和基于水資源調控模型的地下水管理控制水位計算方法。

3 存在問題

3.1 研究仍停留在從概念到理論的階段

雖然提出了要實行地下水水位水量雙控，但是由于地下水的復雜性和不可見性，在實踐中大部分還停留在從概念到理論的階段。如陳文芳[1]認為由于地下水的管理主要偏重于對地下水可開采量的控制，對地下水位的控制和管理程度不夠，且未建立起地下水管理分區域與地下水位控制之間的關系，使我國地下水資源管理尚未實現量化管理、動態管理和科學管理；許一川[6]認為針對不同區域如何科學合理劃定水位控制線、如何與今后的水位控制管理相結合，還未形成較為成熟的理論和做法，深入研究水位管理是難點之一。

3.2 地下水控制水位的參照標準不明確

通過對目前研究成果進行全面分析，發現了一個基礎性問題，即地下水控制水位的參照標準不明確。地下水及地下水水位的概念源于水文地質、地質勘探等行業，在長期的實踐中形成了比較完整的體系，因此水利行業涉及地下水內容的，以地質行業的勘察成果為主要依據。地下水資源開發利用過程中涉及地下水的開采量、地下水水位、潛水和承壓水、地下水下降漏斗等概念。地下水水位是一個常用的概念，但是不同的行業，如水文地質、土木工程設計、水資源開發利用等使用的目的不同。由于使用地下水的目的不同，有些概念各行業在表述上會有所不同，在實行地下水水位水量雙控管理制度后，有必要對地下水水位的相關概念進行統一，以便各行業各部門更好地開展工作。

3.3 從供水側計算水位的研究較多，從需水側計算水位的研究較少

在采用地下水水量反算水位時，通常把資源、環境、生態的可供水水量或允許開采量作為約束條件，計算控制水位，從經濟生產用水量的角度對地下水水位進行控制的研究較少。地下水開發利用的目的是促進經濟社會環境協調發展，在控制地下水開采時，應充分考慮經濟社會發展用水，如是否能保證糧食安全，如不能滿足，有什么補救措施。研究經濟發展用水是保證水位水量雙控設計落實的基礎，因此應詳細研究經濟發展對地下水水位的約束條件和影響。

3.4 研究直接控制水位的實用技術較少

建立地下水控制水位的目的是控制地下水超采以及由此引發的環境地質災害問題。為達到此目的，需要能夠直接實現在控制水位停泵或預警的技術。目前,恢復地下水水位的措施主要是補水。從目前的成果來看，主要分為兩類，一類是實證分析，分析河道補水間接提升地下水水位、減輕環境地質災害問題等，如王槿妍等[13]通過對永定河春季生態補水期間的實測數據進行分析，證明了河道補水對地下水水位恢復有明顯效果；李麗君等[14]分析了我國自2000年起向塔里木河下游實施了18次以生態建設和環境保護為目的的生態輸水，可發現持續性輸水是保證下游脆弱的生態環境穩定好轉的根本途徑，輸水使下游生態環境得到明顯改善,生態植被得到恢復,地下水位逐步抬升,地下水水質明顯好轉，采用汛期輸水和間歇機動式調度可使輸水效益達到最大化。從嚴格意義上說，補水措施并不是控制水位的技術，但從研究的成果中可看出，與控制水位最相關的論文基本為補水類，幾乎沒有具體的控制水位技術。另一類是理論分析，提出了控制水位的原則和原理、控制方法和控制目標，但是沒有進一步研究可操作的水位控制技術，如文獻[1]、文獻[2]等。綜合來看，能夠直接使用水泵控制水位停止開采地下水的技術仍較少。

4 結 語

通過分析，可以看出地下水水位水量雙控研究正在成為地下水資源研究的熱點，2010年以來的研究已經取得了較多成果。且從2021年的學位論文數量來看，專門研究地下水水位水量控制的文獻明顯增加，說明地下水水位水量控制研究是當前研究的熱點。但總的來看，目前基礎理論研究多，從概念到概念的推理多，從理論走向實際應用的研究較少，在今后的研究工作中仍需加強。