基于地下水安全的采补均衡曲线研究

孙 明 杨丽霞 薛明霞

（1.山西省水文水资源勘测局 山西太原 030001；2.山西省水利水电科学研究院 山西太原 030002；3.山西省水文水资源勘测局太谷均衡实验站 山西太谷 030800）

近年来水资源情势发生了显著变化，区域性水资源量明显减少，同时受到现有水利工程调蓄能力、供水保障程度的限制，水资源供需矛盾日益严重。为了维持经济社会的可持续发展，不得不大量开采地下水，导致地下水开采量呈持续增长趋势[1]，形成了以城市水源地和农灌井片为中心的大面积地下水降落漏斗。

山西省吕梁市平川区分布于吕梁市的孝义市、汾阳市、文水县和交城县境内，位于太原盆地的西部边缘，属半干旱暖温带大陆性季风气候区。四县（市）总面积4959km2，其中平川区面积1379km2，是水资源紧缺的地区。多年平均降水量528.0mm，多年平均水资源总量3.07亿m3，多年平均供水总量0.86亿m3，地下水开采量占供水总量的55.8%，局部形成了地下水超采。

本文选择吕梁市平川区为研究区，通过对《山西省水资源公报》、《山西省吕梁市水资源公报》2001～2012年降水量、地下水补给量及开采量等统计数据进行分析，绘制地下水补给曲线、地下水开采曲线及地下水采补均衡曲线，分析得出研究区地下水采补均衡曲线的性质与作用，对合理确定地下水可持续开采量具有重要的指导意义[2]。

1 地下水补给曲线

地下水补给是含水层或含水系统从外界获得水量的整个作用过程。补给来源有大气降水、地表水、凝结水、灌溉回归水、含水层的越流及专门的人工回灌补给等，在诸多补给来源中，降水入渗补给是主要来源[3]。研究降水量与地下水补给量的关系，可概化为地下水补给曲线。

当非降水因素不变，降水量发生变化时，地下水补给量也发生变化。降水量增加，地下水补给量增加；降水量减少，地下水补给量减少；这种变化称为补给量的变动。

当降水量不变，非降水因素发生变化，如：地下水埋深、非饱和带岩性、地貌特征、引水量等发生变化时，地下水补给曲线就会发生位移，这个位移称之为补给的变动。

分析研究区2001～2012年降水量与地下水补给量的关系，得到其地下水补给曲线，见图1。

图1 研究区地下水补给曲线

图1中，研究区2001～2012年的地下水补给曲线明显分为2001～2007年和2008～2012年两条地下水补给曲线。它们都是从左下方向右上方倾斜的曲线，均可反映补给量的变动，即非降水因素不变，地下水补给量随降水量的变化而变化。而研究区2001～2012年的地下水补给曲线被分成两条，是由于从2008年开始，研究区从境外引水进行灌溉，增加了灌溉回归补给。两条补给曲线反映了补给的变动，即降水量不变，非降水因素发生变化（如用来灌溉的引水量增加），地下水补给曲线会发生位移。

2 地下水开采曲线

地下水开采是指利用取水构筑物从含水层中提取地下水的过程。地下水开采量与降水量、经济社会、自然环境、产业结构等有密切关系。研究降水量与地下水开采量的关系，可概化为地下水开采曲线。

当非降水因素不变，降水量发生变化时，开采量也发生变化。降水量增加，开采量减小；降水量减少，开采量增加；这种变化称为开采量的变动。

当降水量不变，非降水因素发生变化，如：节水灌溉、种植结构变化、城市化水平提高、扩大工业规模、跨区域调水、用水户增加等变化时，开采曲线就会发生位移，这个位移称之为开采变动。

地下水作为重要的供水水源，按取水用途一般分为农业灌溉用水、农村生活用水、工业用水和城镇生活用水（包括生态用水）四大类，对研究区2001～2012年不同用途的地下水统计分析，农村生活、工业和城镇生活用水的地下水开采不受降雨量影响，农业灌溉用水受降水量的影响，降水量大，灌溉用水就小，反之降水量小，灌溉用水就大。由此概化出研究区2001～2012年地下水开采量，分析其与降水量的关系，得到研究区概化后的地下水开采曲线，见图2。

图2 研究区地下水开采曲线

图2中，研究区2001～2012年的地下水开采曲线明显分为2001～2004年、2005～2007年、2008～2010年和2011～2012年四条地下水开采曲线。它们都是从左上方向右下方倾斜的曲线，均可反映开采量的变动，即非降水因素不变，开采量随降水量的变化而变化。而研究区2001～2012年的地下水开采曲线被分成四条，是由于地下水开采量与研究区工农业生产、人民生活和生态环境对地下水的需求程度有关，当需求量变化较大时，地下水开采曲线就会出现位移，即开采的变动。 图中从2001～2004年、2005～2007年、2008～2010到2011～2012年的四条地下水开采曲线，反映了在2001～2012年的12年间，研究区发生了三次开采的变动。

3 地下水采补均衡曲线

前述地下水开采曲线、地下水补给曲线的形成过程，具有地下水开采量、地下水补给量随降水量增减变化呈互逆的特征[4]，因此，地下水开采曲线和地下水补给曲线的交点决定了地下水补给、径流、储存、开采过程中的均衡状态。地下水开采、补给曲线本身与区域气候条件、地质条件、经济社会需求、生态环境等因素有关，如果这些因素发生变化，则地下水开采、补给曲线就会移动，见图3，从而导致其交点即地下水的均衡状态发生变化。地下水均衡状态的“轨迹”则形成所谓的“地下水采补均衡曲线”，见图4。

图3 地下水开采、补给曲线变化关系图

图4 地下水采补均衡曲线

由图3可见，地下水开采曲线和补给曲线可以看成是地下水采补均衡曲线的“特例”，即当地下水开采、补给双方有一方保持不变时即为地下水采补均衡曲线。例如，当地下水补给曲线保持不变而只有地下水开采曲线变化时，地下水采补均衡曲线“退化”为地下水补给曲线；当地下水开采曲线保持不变而只有地下水补给曲线变化时，地下水采补均衡曲线“退化”为地下水开采曲线。除此之外，地下水采补均衡曲线都将不同于地下水开采曲线和补给曲线。

3.1 地下水采补均衡曲线的性质

（1）时间性：在地下水采补均衡曲线上，每一个点都可以看成是某个特定时期的地下水开采曲线与补给曲线的交点，因而代表了该特定时期的降水、补给、开采的均衡组合。图4中采补均衡曲线上的箭头意味着研究区的地下水采补均衡状态从2001～2012年随时间变化而变化的“历史”过程。因此，地下水采补均衡曲线不仅反映历史时期地下水的采补均衡状态，也可预测将来开采需求形成的新的均衡状态。

（2）全面性：在地下水采补均衡曲线中，地下水的均衡状态以及均衡状态的变化反映的是所有因素参与变化的结果，描述了地下水开采与补给关系的真实历史发展过程。

（3）具体性：在某一区域的特定时期地下水开采曲线与补给曲线具有其特定的规律性和稳定性，因此，地下水采补均衡曲线也存在确定的规律性和稳定性。不同区域需根据地下水的开采与补给特点进行具体分析。

（4）有限性：地下水采补均衡曲线是有限曲线，它是降水量的函数，Q=f（P）（Q为地下水均衡采补水量，P为降水量），在某一区域的特定时期内，P值存在最大值和最小值，因此，对应的Q也存在最大值和最小值。

3.2 地下水采补均衡曲线的作用

地下水采补均衡是借鉴质量守恒定律进行水量平衡分析并发展出来的一个概念。最一般的意义是地下水资源的支撑能力与经济社会持续发展、生态环境健康的相互制约下所达到的一种相对静止并保持不变的状态。因此，通过寻找并研究趋于静止的均衡状态，以揭示地下水开采、补给关系实现均衡的条件以及相应的变化规律。

（1）直观判断作用

图5为研究区2001～2012年12年的地下水实际开采量与其地下水采补均衡曲线的分布图。

图5 地下水开采量与采补均衡曲线分布图

由图5可见，地下水采补均衡曲线将图分为左上、右下两部分，两个部分的意义具有质的差异。如果某年开采量位于其均衡曲线左上区域，则该年对地下水的开采为超量开采；如果某年开采量位于其均衡曲线右下区域，则该年对地下水的开采为节余开采。图中2001年和2004年的地下水开采量位于2001～2004年到2005～2007年的均衡曲线左上区域，因此2001年和2004年对地下水的开采为超采；2005年的地下水开采量位于2005～2007年到2008～2010年的均衡曲线左上区域，因此2005年对地下水的开采为超采；其他年份对地下水的开采为节余。

（2）对地下水进行安全规划

对地下水的认识从“取之不尽、用之不竭”到高于能源危机到提到战略资源高度，说明地下水安全问题的重要性。地下水采补均衡是地下水开采量等于地下水补给量的一种状态。在这种状态下能保持地下水资源、生态环境和地质环境等功能，支撑社会可持续发展的需要。

地下水采补均衡曲线将地下水开采与地下水补给系统化。在维持社会可持续发展和生态环境健康的条件下，根据地下水采补均衡曲线形成机制和采补均衡曲线的性质，利用采补均衡状态的均衡采补水量划定地下水开采量的可持续性，以采补均衡曲线的最大值、最小值为控制可持续开采量的上、下限，确定地下水开采曲线，作为当地可持续开采管理目标的约束条件。

4 结论

地下水资源作为重要战略资源，对地下水合理的开发利用，科学的规划配置显得日益重要，本文将地下水开采与补给关系系统化，提出的地下水采补均衡曲线，力求为地下水资源安全管理提供认识途径，以供参考和讨论。

1）根据研究区地下水补给规律和地下水开采规律，利用地下水补给量、地下水开采量随降水量增减呈互逆变化特征，提出了地下水采补均衡曲线。

2）地下水采补均衡曲线具有时间性、全面性、具体性和有限性。因此，具有区域性和阶段性特征。

3）根据地下水采补均衡曲线形成机制和采补均衡曲线的性质，利用采补均衡状态的均衡采补水量划定地下水开采量的可持续性，以采补均衡曲线的最大值、最小值为控制可持续开采量的上、下限，确定地下水开采曲线，作为当地可持续开采管理目标的约束条件。

4）文中提出的地下水采补均衡曲线的概念，地下水采补均衡曲线形成机理，作为地下水安全保护的规划计算方法，以往尚未有定义，作者意在引起讨论,旨在使我国的地下水利用规划工作在已有基础上再前进一步。

[1]王小军，赵 辉，耿 直.我国地下水开发利用现状及保护对策[J].中国水利.2010（13）:38-39.

[2]王 琨，束龙仓，刘 波，刘 革.地下水安全开采量的内涵及安全开采控制水位划定[J].水资源保护，2014,30（ 6） ：7-12.

[3]林柞顶.我国地下水开发利用状况及其分析[J].水文，2004，24（1） ：18-21.

[4]张光辉，费宇红，杨丽芝，郝明亮，申建梅.地下水补给与开采量对降水变化响应特征：以京津以南河北平原为例[J].地球科学，2006，31（ 6）：879-884.