陜西省黃河流域地下水資源狀況及開發(fā)利用分析

韓 路，周 典，劉 科

（1.陜西渭河生態(tài)集團有限公司，陜西 西安 710068；2.陜西省江河水庫工作中心，陜西 西安 710018）

0 引言

地下水資源作為地球水循環(huán)系統(tǒng)重要的構(gòu)成部分，主要在地表巖層空隙中以飽和重力水的形態(tài)儲存，并且具有流動性和可恢復(fù)性等特征[1-2］。地下水資源作為人類生產(chǎn)生活用水的重要來源之一，是極其重要的自然資源，但是地下水資源具有儲量不穩(wěn)定和時空分布不均勻等特性，過度開采必將導(dǎo)致其枯竭短缺，因此有必要全面深入分析地下水資源相關(guān)指標，對地下水資源的供需平衡進行科學(xué)研討，為后期地下水資源利用和合理配置提供參考[3-5］。針對地下水資源的相關(guān)研究比較成熟，研究范疇也相對寬泛。多數(shù)研究常以流域水系、行政區(qū)域和兩者結(jié)合等體系結(jié)構(gòu)為研究載體，宏觀論述區(qū)域地下水資源分布規(guī)律及利用狀況。如賈建偉等[6-7］以水資源二級區(qū)、省級行政區(qū)、主要支流等分類標準對長江流域進行劃分，對區(qū)域內(nèi)淺層地下水資源量進行梳理分析，概述了地下水資源在的空間分布特征，同時綜合地下水實際開采現(xiàn)狀分析了對應(yīng)分區(qū)的開采潛力。谷桂華、方紹東等[8-9］則以云南省長江流域為研究對象，分析地下水資源在各地級市行政區(qū)內(nèi)的分布規(guī)律和時空變化特征，結(jié)合水資源利用現(xiàn)狀分析存在問題并提出治理對策。焦團理等將地理單元的水文水資源資料為基礎(chǔ)，結(jié)合生態(tài)保障制約理論，研究了安徽省地下水可開采量的動態(tài)變化規(guī)律和時空分布形態(tài)[10］。區(qū)域水資源空間分布存在一定程度的獨特性，部分學(xué)者采用不同研究方法對黃河流域和陜西省域內(nèi)的水資源現(xiàn)狀進行多方位評估分析，為區(qū)域水資源的后期規(guī)劃提供支撐。如黨麗娟等對黃河流域水資源開發(fā)利用情況進行摸底調(diào)查、分析評價，從流域、省域、地市域3 個尺度對水資源的開發(fā)利用進行了時空分析，為合理規(guī)劃人口、城市和產(chǎn)業(yè)發(fā)展提供理論依據(jù)[11］。朱俊海等在陜西省多年的降水特征和基本河流水質(zhì)分析的基礎(chǔ)上，利用基尼系數(shù)研究該區(qū)域水資源配置與經(jīng)濟發(fā)展要素匹配度在時空上的變化規(guī)律[12］。孫才志等對山西省黃河流域地下水資源的空間分布特征及對應(yīng)開采潛力進行分析，并結(jié)合社會經(jīng)濟發(fā)展現(xiàn)狀探討了后期的用水對策[13］。

綜上所述，關(guān)于陜西省域和黃河流域水資源方面的相關(guān)研究多側(cè)重于需用水指標評價，缺少對省內(nèi)流域水資源指標直觀描述和不同功能區(qū)差變分析。另外，由于近年來陜西省內(nèi)社會生產(chǎn)結(jié)構(gòu)調(diào)整、流域水資源自然環(huán)境變化和人為干預(yù)的綜合影響，可能導(dǎo)致區(qū)域地下水資源儲量分布和利用現(xiàn)狀發(fā)生改變，而現(xiàn)有研究成果缺乏時效性，難以滿足新的發(fā)展和研究需求。因此本文采用平原區(qū)補給法和山丘區(qū)排泄法計算2000 年～2020 年陜西省黃河流域多年地下水資源量均值，分析水資源三級區(qū)和市級行政區(qū)地下水資源的空間分布規(guī)律。結(jié)合區(qū)域?qū)嶋H用水現(xiàn)狀，探討了不同分區(qū)單元的地下水資源開采潛力。研究成果可為區(qū)域水資源調(diào)配及合理開發(fā)利用、中長期用水需求分析提供參考。

1 研究區(qū)域概況

陜西省地跨黃河、長江流域，其中黃河流域13.33 萬km2，占全省面積的64.8%，流域多年平均水資源總量為117.26 億m3，占全省水資源總量的27.9%，多年地下水資源量為73.85 億m3，占黃河流域水資源總量的63%。根據(jù)區(qū)域水文氣象特征及地理位置，黃河流域在陜西省境基本分為入大北干流水系、渭河水系、伊洛河水系三類，其中入大北干流水系位于陜北地區(qū)，主要包括窟野河、禿尾河等黃河右岸一級支流，渭河水系作為黃河最大支流橫穿關(guān)中平原，主要支流包括涇河、洛河等，伊洛河水系為黃河右岸、三門峽以下較大的一級支流，在陜西境內(nèi)主要位于秦嶺以南東部。陜西省黃河流域水資源三級分區(qū)圖見圖1。

圖1 陜西省黃河流域水資源三級分區(qū)圖

陜西省黃河流域地處全國腹心的黃河中游秦嶺以北，區(qū)域主要包括陜北黃土高原和關(guān)中盆地兩大構(gòu)造類型，兩種自然單元在水文氣象、地理構(gòu)造上具有巨大差異，對地下水的形成和分布規(guī)律產(chǎn)生一定影響[14］。所以考慮以上因素，結(jié)合地下水資源來源類型，綜合分析將研究流域劃分為平原區(qū)和山丘區(qū)兩種地質(zhì)類型。其中平原區(qū)地下水主要來源于松散巖類內(nèi)的孔隙水，山丘區(qū)地下水則主要來源于礦化度小于1g／L的基巖裂隙水和巖溶水。

2 地下水資源量分析

2.1 計算方法和數(shù)據(jù)來源

本文主要研究省內(nèi)黃河流域礦化度M 不大于2 g／L 的淺層地下水資源量，將地下水資源三級區(qū)近一步劃分，即以四級類型區(qū)作為基本計算模塊，陜西省黃河流域地下水資源各級分區(qū)見表1。利用補給量法計算平原區(qū)地下水，為便于后期水量均衡分析，統(tǒng)計對應(yīng)平原區(qū)的排泄量。利用排泄法計算山丘區(qū)地下水，總排泄量即為山丘區(qū)地下水資源量。根據(jù)本次研究流域的具體情況，相關(guān)計算以水資源四級區(qū)及縣級行政區(qū)作為分區(qū)子單元，若分區(qū)子單元區(qū)域內(nèi)均為某一地質(zhì)類型時，認為此區(qū)域沒有重復(fù)地下水資源量；當(dāng)分區(qū)子單元區(qū)域內(nèi)含有2 種地質(zhì)類型時，需考慮平原區(qū)內(nèi)部分來自山丘區(qū)的排泄量，將區(qū)域地下水資源量總和扣除其中的重復(fù)量[15］，可用式（1）計算。

表1 陜西省黃河流域水資源分區(qū)表

式中：Qf、Qp、Qs、Qc分別為分區(qū)、平原、山丘及重復(fù)地下水資源量。

對于重復(fù)計算量，一是來源于平原區(qū)地下水資源中的山前側(cè)向補給量，此部分應(yīng)當(dāng)納入山丘區(qū)的地下水資源量中。二是山丘區(qū)的河溪徑流量匯入平原區(qū)地上水的部分，其重復(fù)部分用式（2）：

式中：Qcb、Qjb分別為平原區(qū)山前側(cè)向補給量、來源于山丘區(qū)河川基流的平原區(qū)地表水補給量。

2.2 地下水資源分布特征

本文數(shù)據(jù)來源于2000 年～2020 年陜西省水資公報、《陜西省第三次水資源調(diào)查評價》及區(qū)域內(nèi)各市縣上報水文資料的相關(guān)內(nèi)容，利用上文所述方法計算對應(yīng)分區(qū)范圍內(nèi)不同地形區(qū)的地下水資源量，根據(jù)相關(guān)成果，以地下水資源模數(shù)和水資源量作為指標，以平原區(qū)和山丘區(qū)為作為分析要素單元，整體上以區(qū)域內(nèi)水系類別和地理類別兩方面進行分析，具體則以水系內(nèi)水資源三級分區(qū)和區(qū)域內(nèi)各市級行政區(qū)進行分析，表2 和表3 分別為各分區(qū)類型地下水資源量及對應(yīng)地下水資源模數(shù)的計算結(jié)果。

表2 陜西省黃河流域多年平均地下水資源模數(shù)（水資源分區(qū)）

表3 陜西省黃河流域多年平均地下水資源模數(shù)（行政區(qū)分區(qū)）

由表內(nèi)數(shù)據(jù)分析平原區(qū)地下水資源指標特征，陜西省黃河流域平原區(qū)地下水資源總量為49.74 億m3，占流域內(nèi)地下水資源總量3／5。從平原區(qū)地下水資源量模數(shù)來看：入大北干流水系模數(shù)均值與渭河水系模數(shù)均值相近，入大北干流水系地下水資源模數(shù)均值為14.86 萬m3／km2，所轄的兩個三級區(qū)中，吳堡以上右岸與吳堡以下至右岸區(qū)間模數(shù)均較高，分別為14.21 萬m3／km2和15.06 萬m3／km2；渭河水系模數(shù)均值為15.18 萬m3／km2，其中渭河寶雞峽至咸陽區(qū)間模數(shù)最大，為21.28 萬m3／km2， 北洛河狀頭以上區(qū)間模數(shù)較小， 僅為5.94 萬m3／km2；西部內(nèi)流區(qū)的模數(shù)為8.69 萬m3／km2；從市級行政區(qū)來看，陜北地區(qū)的模數(shù)低于關(guān)中地區(qū)，兩者的模數(shù)均值分別為10.56 萬m3／km2和10.21 萬m3／km2，具體來看，寶雞市的地下水資源模數(shù)顯著高于其它地區(qū)，為22.49 萬m3／km2，銅川市的模數(shù)最低，為9.85 萬m3／km2。

兩種分區(qū)類型下平原區(qū)地下水資源量占比見圖2。由圖可知，陜西省黃河流域平原區(qū)地下水基本來源于渭河水系及入大北干流水系，兩者地下水資源模數(shù)均值相當(dāng)，但對應(yīng)的地下水總量相差較大，占比分別為29%及64%。具體來看，所有水資源三級區(qū)中，渭河寶雞峽至咸陽區(qū)間和渭河咸陽至潼關(guān)區(qū)間的占比相當(dāng)，均高達30%左右，北洛河狀頭以上區(qū)間占比最小，僅為2.04%；從行政區(qū)分區(qū)角度來看，與區(qū)域水資源模數(shù)均值的分布規(guī)律相似，陜北地區(qū)水資源總量遠低于關(guān)中地區(qū)，兩者占比分別為26.74%和73.25%，所有行政區(qū)中榆林市占比最大，為26.8%，銅川市占比最小，僅為2.45%。

圖2 陜西省黃河流域平原區(qū)地下水資源量規(guī)模比例

對比平原區(qū)，山丘區(qū)地下水資源總量和水資源模數(shù)總量均低于平原區(qū)。山丘區(qū)的地下水資源總量為28.87 億m3，為平原區(qū)水資源總量的3／5，地下水資源模數(shù)均值為2.93 萬m3／km2，僅為平原區(qū)的1／5。山丘區(qū)的地下水資源模數(shù)總體上呈現(xiàn)北低南高的分布規(guī)律，從水資源分區(qū)角度來看，入大北干流水系模數(shù)低于渭河水系，兩者的模數(shù)均值分別為1.66 萬m3／km2和3.72 萬m3／km2，伊洛河水系地下水資源模數(shù)最高，西部內(nèi)流區(qū)模數(shù)均值最低，兩者分別為9.28 萬m3／km2、1.47 萬m3／km2。從行政區(qū)分區(qū)來看，陜北地區(qū)的模數(shù)均值低于關(guān)中地區(qū)，陜北地區(qū)的模數(shù)均值為1.51 萬m3／km2，關(guān)中地區(qū)的模數(shù)均值為5.99 萬m3／km2，陜南地區(qū)為5.7 萬m3／km2，具體來看，西安市的模數(shù)顯著高于其它地區(qū)，為3.57 萬m3／km2，延安市的模數(shù)最低，為1.37 萬m3／km2。

水資源三級區(qū)及區(qū)域內(nèi)各市行政區(qū)山丘區(qū)地下水資源量占比情況見圖3，山丘區(qū)地下水資源量空間分布規(guī)律與平原區(qū)基本一致，入大北干流水系和渭河水系占比分別為25.8%和63.59%。所有水資源三級區(qū)中，渭河寶雞峽至咸陽區(qū)間占比最大，為30.51%，西部內(nèi)流區(qū)占比最小，僅為0.72%。從行政區(qū)分區(qū)方面來看，陜北地區(qū)山丘區(qū)地下水資源量占比為34.92%，關(guān)中地區(qū)占比為57.46%，陜南地區(qū)占比為2.2%。所有行政區(qū)中以寶雞市占比最大，為27.78%，銅川市占比最小，僅為3.12%。

圖3 陜西省黃河流域山丘區(qū)地下水資源量規(guī)模比例

綜合來看，陜西省黃河流域地下水資源量為73.85 億m3，從地下水資源模數(shù)指標分析來看，入大北干流水系地下水主要來源于平原區(qū)，地下水資源總量模數(shù)與平原區(qū)地下水資源總量模數(shù)相差較大。渭河水系范圍內(nèi)山丘區(qū)和平原區(qū)地下水占比相當(dāng)，地下水資源模數(shù)總量與兩種地理類型區(qū)模數(shù)相差均較大，伊洛河水系和西部內(nèi)流區(qū)地下水資源構(gòu)造比較單一，分別以山丘和以平原為主。總體來看，地下水資源模數(shù)的空間分布仍然呈現(xiàn)北低南高的規(guī)律。入大北干流水系、渭河水系、北部內(nèi)流區(qū)、伊洛河水系的地下水資源模數(shù)均值分別為3.87 萬m3／km2、6.92 萬m3／km2、6.3 萬m3／km2、9.28 萬m3／km2。從水資源分區(qū)角度來看，渭河寶雞峽至咸陽區(qū)間模數(shù)最高，為12.94 萬m3／km2， 北 洛 河 狀 頭 以 上 區(qū) 間 模 數(shù) 最 低， 為1.79 萬m3／km2。從行政區(qū)分區(qū)角度來看，陜北地區(qū)模數(shù)均值 最 低， 為2.8 萬m3／km2， 關(guān) 中 地 區(qū) 總 模 數(shù) 均 值 最 高， 為10.08 萬m3／km2。具體來看，西安市的地下水資源模數(shù)最高，為16.09 萬m3／km2， 延安市的地下水資源模數(shù)最低， 為1.37 萬m3／km2。

水資源三級區(qū)及區(qū)域內(nèi)各市行政區(qū)對應(yīng)的全區(qū)地下水資源占比見圖4。由圖可知，流域地下水總量主要來源于渭河水系，其次是入大北干流水系，兩者占比分別為64.2%及28.2%。所有水資源三級區(qū)中，渭河寶雞峽至咸陽流域占比最高，為29.64%，渭河寶雞峽以上流域占比最小，為1.25%；從行政區(qū)分區(qū)角度來看，陜北地區(qū)水資源總量占比為29.93%，關(guān)中地區(qū)水資源占比為67.08%，所有行政區(qū)中以榆林市占比最大，為23.31%，楊凌區(qū)占比最小，為0.14%。

圖4 陜西省黃河流域地下水資源總量規(guī)模比例

2.3 開采潛力分析

地下水開采潛力是指通過分析區(qū)域內(nèi)地下水資源儲量及開發(fā)現(xiàn)狀確定盈余量指標（地下水可開采量與現(xiàn)狀地下水實際開采量的差值），進一步衡量相關(guān)區(qū)域內(nèi)地下水開采提高度及增加量[16］。通常地下水實際可采量與可開采量的比值（Kc）表示，如式（3）所示。

式中： W實開為地下水實際開采量；W可開為地下水可開采量，由式（3）計算確定。

一般認為，當(dāng)Kc=1 時，地下水資源開采處于均衡狀態(tài)。當(dāng)Kc＆lt;0.3 時，地下水資源具有極大的開采潛力；而當(dāng)Kc＆gt;1.2時，表示地下水超采嚴重[17］。本文重點統(tǒng)計了平原區(qū)礦化度M 不大于2 g／L 的淺層地下水可開采量，根據(jù)各市匯編提供的近十年地下水實際開采量計算相關(guān)系數(shù)，圖5 為陜西省黃河流域平原區(qū)淺層地下水可開采量和開采率。

圖5 中所示虛線代表陜西省黃河流域地下水平均開采率為89%，從水資源分區(qū)角度來看，渭河咸陽至潼關(guān)流域區(qū)間和龍門至三門峽干流區(qū)間對應(yīng)的平原區(qū)淺層地下水開采率均高于省內(nèi)黃河流域均值，分別112.5%、90.8%，其余分區(qū)則低于流域均值，地下水開采潛力較大，所有水資源三級區(qū)中，以吳堡以上右岸區(qū)間地下開采率最低，為11.2%；各市級行政區(qū)中，咸陽、楊凌區(qū)、西安市三市地下水開采率高于省域黃河流域均值，分別為112%、157%、176%，延安市無淺層地下水開采。整體來看，榆林市地下水資源開采潛力較大，西安市和楊凌區(qū)地下水超采嚴重。

圖5 陜西省黃河流域平原區(qū)淺層地下水可開采量和開采率

3 結(jié)論

本文分析了陜西省黃河流域內(nèi)10 個水資源三級區(qū)和11個市級行政區(qū)內(nèi)礦化度M 不大于2 g／L 的淺層地下水資源量的空間分布特征，并結(jié)合流域內(nèi)地下水開采現(xiàn)狀，分析了各地區(qū)的開采潛力，得出如下結(jié)論。

（1）針對平原區(qū)，入大北干流水系地下水資源模數(shù)均值與渭河水系的模數(shù)均值相近，陜北地區(qū)地下水資源模數(shù)低于關(guān)中地區(qū)。從水資源三級區(qū)的角度來看，渭河寶雞峽至咸陽區(qū)間模數(shù)最大，北洛河狀頭以上區(qū)間模數(shù)較小，從行政區(qū)分區(qū)角度來看，寶雞市的地下水資源模數(shù)顯著高于其它地區(qū)，其中銅川市的模數(shù)最低。

（2）山丘區(qū)的地下水資源模數(shù)總體上呈現(xiàn)北低南高的分布規(guī)律，入大北干流水系內(nèi)模數(shù)低于渭河水系，陜北地區(qū)的模數(shù)低于關(guān)中地區(qū)。地下水資源量空間分布規(guī)律與平原區(qū)基本一致。從水資源三級區(qū)的角度來看，伊洛河流域地下水資源模數(shù)均值最高，內(nèi)流區(qū)區(qū)間模數(shù)均值最低。從行政區(qū)分區(qū)角度來看，西安市的模數(shù)顯著高于其他地市，延安市的模數(shù)最低。

（3）現(xiàn)階段陜西省黃河流域地下水開采程度適中，部分地區(qū)開采潛力較大。從水資源三級區(qū)角度來看，渭河咸陽至潼關(guān)區(qū)間和龍門至三門峽干流區(qū)間對應(yīng)的平原區(qū)淺層地下水開采率高于省內(nèi)黃河流域均值。從行政區(qū)分區(qū)角度來看，咸陽、楊凌區(qū)、西安市對應(yīng)的平原區(qū)淺層地下水開采率高于省域黃河流域均值，榆林市對應(yīng)的平原區(qū)淺層地下水開采率較高，其中西安市和楊凌區(qū)地下水則存在超采嚴重的問題。