黑龙江省地下水安全开采量与新评价初探

闵泰善，彭 振，姚章村

（1.佳木斯市水利勘测设计研究院，黑龙江佳木斯 154002;2.黑龙江农垦勘测设计研究院，哈尔滨 150090）

随着地下水开发利用发展，如何确定合理的地下水开采，出现允许开釆量、可持续开釆量、安全开釆量等概念和评价方法。而我省似乎尚停留于用允许开釆量管理与评价，把代表年地下水天然补给作为允许开釆量，则地下水位不允许也不会下降。以此评价不同地区地下水开发利用潜力和进行地下水管理，忽略了地下水开釆后在地下水动力学作用等产生新的地下水变化与补给，如地下水开釆后，尤其超天然补给量的开釆，产生地下水下降，增加新的补给（激发补给等），使地下水产生新的地下水采补平衡，使地下水开采可持续。就产生可持续开釆量概念，而形成一种地下水动态评价指标与方法。但地下水位下降，还应受当代技术能力、经济水平、自然循环条件和受生态环境和地质环境的约束，避免牺牲环境为代价的开发利用。否则影响社会经济生态环境可持续发展，因此又出现安全或永久开采量概念及评价与管理方法。

1 安全开采量概念

1.1 安全开采量定义

在经济技术合理可行条件下，在不产生不能接受的生态环境问题，满足水资源、生态与地质环境等功能前提下，达到地下水资源可持续开发利用的最大开釆量。具有两方面内涵：一方面取决于自然循环条件和技术经济水平，另一方面受限于社会可持续和维持生态环境健康的最低水平。

1.2 评价原则

1）以流域或区域水循环规律和地下水系统水均衡原理。

2）确保地下水系统在均衡期内及时达到新的水平衡。

3）以合理确定生态与环境用水约束作前提。

4）考虑经济社会、水利工程等因素平衡与优化，重视生态环境健康和地下水更新能力，规范用水行为。

2 安全开采量评价方法

地下水可持续开釆量在评价内容上，突出了地下水的可更新能力与环境约束，采取水位动态过程与开釆影响程度，确定超釆临界水位;并把排涝除渍治碱埋深作为浅层地下水控制上限计算地下水安全开采量。有的以地面沉降量控制在10 mm/a以内为约束确定安全埋深及安全开釆量。然后利用水均衡和地下水动力学方法进行各类资源量计算，具体包括天然补给、激发补给、可用储存量以及激发所消耗的储存量（此二项可临界相等），即：

由于最大开采资源量只是理想状态，实际提出安全开釆系数（k）的评价方法。

2.1 利用安全开采量评价方法对我省三江平原地下水开采现状初步评价

自20世纪90年代三江平原垦区打井种稻，至今水稻已达80万hm2以上，出现几个井灌稻典型区水田面积占耕地90%以上，高强度开釆地下水 产生了地下水下降，其是否超采可持续，已成学术界争论焦点。通过我们初步研究，尤其对地下水位变化动态分析与经济技术实际分析，认定三江平原至今地下水开采利用（打井种稻）技术经济合理可行（工省效宏），沒有产生不能接受的生态环境问题（包括湿地），满足水资源、生态与地质环境等功能，尚未达到最大开釆量，不仅允许开采，而且符合安全开采，满足永久可持续开釆要求。现取850农场、创业农场井灌稻典型地区分析评价如下：

1）850 农场位于三江平原完达山南麓，穆棱河中游北岸，虎林县境内，平原区面积363 km2。地表黏性土簿（多1～2 m），属典型潜水类型区。至2009年井灌约1.9万hm2，加上地方插花井灌，在平原区内，井灌水田共约2.14万hm2，占平原区面积比α水为0.59，占平原区耕地90%以上，是三江平原与垦区地下水开采强度最大的农场之一，己大大超过原以允许开采量概念评价指标。本地区水文地质条件在三江平原不是最好，因为是穆稜河（属乌苏里江支流）冲积洪积平原，地下含水层厚度一般10～60 m（而其它地区最大厚度300多米）。从历年地下水动态分析，1997年井灌稻近1.0万hm2，已超原评价允许发展0.3万hm2～0.8万hm2，但发展至今已达2.0万hm2，尚呈轻微超采，地下水平均年降率约0.14 m。但近十几年来降水平均仅522.5 mm，比多年平均年降水567.4 mm小;且地下水埋深仅5 m多。尚处地下水理想埋深之中，离地下水临界或限制埋深还有距离（可定6或10 m以上），而水田发展基本饱和，随着丰水年来临;随着地下水下降还可增加部分激发补给，而可再增加地下水安全开采量，可在新的地下水埋深中自然形成新的采补平衡。更主要还可采取雨洪资源化措施（河沟闸坝拦补），提高降水和穆稜河过境水利用率;还可通过节水措施等，减少开采量，人工形成新的采补平衡，满足水资源可持续利用功能（甚至使水田比超土地面积60%以上）;尤其现地下水埋深5 m多，可实现涝渍碱综合治理的地下排水要求;可实现土壤与地下水库多年调节降水要求;可实现地下水“0”蒸发损失，减轻地下水受污染等，具有诸多水资源功能;强化垂直水气循环，具除地下水铁锰离子，改善水质功能;埋深仅5～6 m，对地区周边湿地不会产生严重疏干作用，不会产生地面沉降和劣质水入侵。而满足生态、环境、地质等诸功能和沒有产生不能接受的生态、环境、地质等问题;再者成井工艺简单，井深30～50 m，井出水量大（井径150 mm，流量150 m3/h），单井配套不足万元，控制面积10～20 hm2。埋深浅，动水位变化小，尚可实现对口抽，装置简单，管理方便，工程占地少，方便管理，有利节水与科学种田。可见工省效宏，技术经济可行。850农场是典型低湿易涝农场，原为垦区老大难农场，是最大负债场，自从发展打井种稻后，在短短几年一举成为垦区先进场。产生巨大社会效益，是垦区甚至我省生态水利建设与生态农业发展先导区，符合安全开釆量内涵和评价原则（生态环境健康和地下水更新能力）值得总结推广提高弘扬。

2）创业农场位于垦区建三江地区，在富锦县境内，是三大江直接冲积洪积而成平原，面积558.3 km2，地表黏性土厚（平均13.5 m），地下水原埋深约3 m，是典型弱承压类型区。20世纪90年代已迅猛发展打井种稻，至今稳定在3.4万hm2，占土地面积62%。是三江平原地下水开釆強度最大区，地下水下降最大区，从1996～2009年共降6.91 m，平均年降率达0.53 m/a，最大年降率1.5 m/a以上。是否超釆，成为三江平原地下水是否安全开采的焦点。创业农场之所以地下水位比850农场下降快，年降率比5∶1（1997～2009年创业降近7 m，850降近1.5 m）。是因为创业农场地表有十几米黏性土复盖，阻碍降水对地下水补给，且在黏性土层承压水位部分地下水释水率小，仅0.03。而850农场浅层含水层给水度0.13，相差4倍多。所以在几乎相同地下水开采強度下，产生近差5倍的下降速度，最大年降率＞1.5 m/a;并产生大量对口抽井吊泵，而很快被判“严重超采”“每年将以1.5 m/a年降率持续下降”。加上历年地下水资源评价是以年补给量确定允许开釆量，而至1997年的实际开采量己大大超过资源允许开采量。这种“理论与实践”的吻合，产生很大影响，而至今尚对建三江地区（尤其创业农场）打井种稻奇迹的出现还心有余悸。

但由于本地区具有一个得天独厚特殊水文地质条件，最符合采取安全开采量新概念新内涵和相应新的评价方法进行新评价，因为本地区虽天然补给量不多，但有可用储存量和开采过程形成的激发补给量巨大。对本地区最具特殊意义。本地区是黑龙江、松花江、乌苏里江汇合处，共同沖积洪积三角洲平原是全流域地上、地下水汇集区，加上是我省平原区平均年降水最大区（600 mm），不仅是三江平原和我省水资源最丰富地区。而且是地下水储量最大地区，地下沙砾右含水层厚200～300 m，就可提供巨大可用储存量，按250 m，给水度0.15，年采量450 mm计，足开采近百年。而最具现实意义的是，本区开采地下水，最易降低地下水位。这似乎是坏事，其实对于本区是天大好事。因为本区以巨大地下含水体，与巨大三大江水体合为统一连通体，只要本区地下水位降低，受地下水动力学原理驱动，能使三大江水等通过地下巨大渠道源源不绝输送至地面咫尺之下，形成取之不绝的激发补给。建三江地区开采地下水后流网情况见图1。其各处补给量的量化机理可由下式（胡尔浩特公式）表示。

式中：q为补给強度;k为渗透系数;d为含水层有效厚度;h为补给点与补给源水位差数;L为补给点离补给源距离。

图1 建三江地区开采地下水后流网示意图

因此本区激发补给强度与含水层渗透系数k、厚度d、水位差h成正比函数关係;与补给源距离L平方成反比。可见本区砂砾岩性，沒有沙泥互层与隔层，渗透系数大;厚度达200～300 m，三大江与支流环抱与切刈，离补给源近;由于承压水头下降大且快，且由于含水层厚度大，可下降潜力大。为此，决定了本区能比八五O农场激发补给条件好（故八五O农场的含水层岩性，厚度等不如创业农场），甚至比绥萝地区好（故绥萝地区与八五O地区一样是潜水区，难以降低地下水位，难以获得激发补给动力）。所以具有得独原激发补给特殊条件，只要地下水下降就能与降深成正比函数增加补给，直至达到新的采补平衡。可喜的是这一补给规律己得到实践证明。

本场自20世纪90年代随着水田迅猛发展，地下水位下降规律与八五O农场不一样，地下水位也急骤下降。突显年降率大（最大达1.5 m/a）。但呈明显阶段性，1997～2002年水田成倍发展，地下水位至2003年以0.66 m/a降率下降，即为地下水下降段。而2003年后至2006年水田发展稍滞缓，地下水位仅以0.02 m/a降率，尽管比原评价允许指标成倍超出，尚可达到新的采补平衡，已获得翻番的补给量，而保证可持续开釆，为平衡段。

2006年后至今农场水田又进一步发展，更主要周边农场（全分局）以超常规速度发展，又使地下水位以1.0 m/a多降率下降，从二队长观井测得最大达1.75 m/a，即为新的下降段。但随水田发展又相对稳定，地下水位又趋稳定，加上2009年降水偏大（596 mm），推估恢复至2010年4月有望达到新的采补平衡，即又为新的稳定平衡段，以本场二队长观井资料反应最具规律性。初估年地下水开釆量 ＞1.5亿m3，已是原评价不足0.5亿m3允许开釆量的3倍多，已获得1.0亿m3以上激发补给量，说明本场已具有1.5亿m3以上可持续地下水开釆量，将随地下水位下降而增加。现农场井灌稻已稳定于3.4万hm2，发展了农场经济，成为有经济实力大场。实践证明工省效宏，技术经济可行;虽水田占土地面积比达0.62，比八五O农场（0.59）大;地下水埋深为12 m，但尚未发现产生不能接受的生态环境问题，而可满足水资源、生态与地质环境等功能要求，尚未达到地下水资源可持续开发利用的安全最大开釆量。首先是地下水位降至12 m，可减轻或治理涝渍灾害，可提高土壤通透性，改良土壤，更主要形成巨大地下水库调节库容。而由于地表复盖土层厚，且黏性，对周边湿地不会产生太大疏干作用，反而由于提高土壤渗透性能，是对本地区潜育不良湿地的优化重建。

从国内外很多井灌区成功典型，证明控制地下水位埋深在20～30 m，不会产生不能接受的经济、技术、生态、环境与地质问题，尤其对于湿润与半湿润地区，而对本地区可初步确定15或20 m为临界与限制地下水埋深。还有近10 m降深地下水安全开采潜力。为此，从上评述可以认定创业农场地下水资源比八五O农场更丰富，安全开釆量更大。是三江平原和我省建设“灌降排蓄”生态水利先导示范区。

综上所述对于三江平原地下水开釆利用潜力还很大，三江平原井灌面积近100万hm2（见表1）。尚不足平原区面积20%，不足耕地面积33%，地下水位仅约1.5 m。釆用安全开采量新理念，突出了地下水的可更新能力与环境约束力，进行三江平原地下水资源新评价，将为国家粮食安全和发展我省虚拟水经济作出重大贡献。初步分析三江平原安全地下水开釆量可达100亿m3以上，可发展井灌稻250万hm2以上。

表1 2008年三江平原垦区、地方水田与井灌水田面积统计表 万hm2

[1]张焕智.黑龙江省地下水超采区划定标准初探[J].黑龙江水利科技，2006，34（2）：65-66.

[2]曹玉生，王学农，姚章村.借鉴河北平原地下水开发经验探索松嫩平原地下水利用策略[J].黑龙江水利科技，2008，36（5）：160.