广平县地下水超采综合治理分析

许长青　唐蕴　王建华

摘要 河北省地下水超采综合治理项目已经实施3年，亟须对地下水压采效果进行评估。本文以河北省广平县为研究对象，收集评估区自然地理数据、社会经济发展状况数据、农业信息数据、水资源基础数据、长序列降水数据、地下水埋深数据、农业用电量数据以及其他相关基础数据，并开展相关抽水试验；利用有效降水与开采量曲线（P-W）计算出地下水的压采量，分析了2014年广平县在水利和农业2个方面压采目标的完成情况；同时对地下水超采综合治理工作做出客观评价，为以后开展类似地下水超采治理提供参考借鉴。

关键词 地下水超采；综合治理；压采；效果评估；有效降水；开采量；地下水位；河北广平

中图分类号 P333 文献标识码 A 文章编号 1007-5739（2017）21-0183-06

Abstract The comprehensive treatment projects of groundwater over-exploitation have been carried out for 3 years in Hebei Province，and the evaluation effect of exploitation restriction is in urgent need.This paper dealed with Guangping County of Hebei Province as the research subject.The natural geographical data，social and economic development data，agricultural information data，water resources information data，long sequence of rainfall data，groundwater depth data，agricultural electricity consumption data and other related data were collected，and typical regional experimental study was conducted.Using the effective precipitation-groundwater exploitation（P-W）curve and accompanying research methods，the quantity of groundwater exploitation restriction was calculated.The goal completion condition of groundwater exploitation restriction was analyzed through hydraulic measures and agricultural measures of the groundwater over-exploitation comprehensive treatment projects carried out in Guangping County in 2014.This paper assessed the treatment effect of groundwater over-exploitation，as well as supplied technical support for the effect evaluation of groundwater exploitation restriction of agricultural irrigation in Guangping County and relevant areas.

Key words groundwater over-exploitation；comprehensive treatment；exploitation restriction；effective evaluation；effect precipitation；exploitation quantity；water level；Guangping Hebei

在過去的50年中，由于降雨在时间和空间上的分配不均匀性以及随着河水径流量的减少、水资源严重短缺的增加，北方地区在农业灌溉水资源和灌溉原理上应提出新的要求[1-2]。中国北方平原作为一个重要的农业灌溉地区，当前正面临严重的水资源短缺问题[3]。农业灌溉在很大程度上依赖于地下水。由于水资源供求关系的极度不平衡，使得地下水过度开采问题变得尤为突出。作为水循环中的一个重要组成部分，过度开采地下水不仅影响水循环，而且能够影响区域水文地质条件。一个地区的地下水开采量应该设置在合理范围内，需要一个限度指标，当开采量超过允许值时，就会导致一系列地质、环境、社会问题，包括含水层排水、地面沉降、喀斯特坍塌、水质恶化、海水入侵（沿海地区）等[4]。在河北省有超过91%的地区存在地下水过度开采的问题，在地下水超采严重的地区已经产生了含水层缺失、地下水降落漏斗、地面沉降等一系列水文地质灾害。胡志荣等[5]对比地下水开采量和可开采量来定量分析由于地下水过度开采引起的地面裂缝、地面沉降等环境问题。

国内外学者已经对过量开采地下水引起的生态环境问题做了大量研究。Pang Y J等[6]利用二维有限元模型在中国北方平原研究由于过度开采地下水引起的地面沉降问题。Boling[7]、Holzer[8]、Wolff[9]、Rothenburg等[10]、Wang Q L[11]和Wu Z Y等[12]研究了过度开采地下水和地裂缝的关系。Shi J等[13]通过对比地下水开采量和可开采量计算和划分了北方平原地下水过度开采的深度等级。Jin Yong Lee等[14]基于韩国海岸平原的45口监测井的数据研究了由于过度开采地下水引起的海水入侵问题。He K等[15]研究了由于过度开采地下水引起的喀斯特坍塌问题。一些学者还研究了地下水动力条件发生变化后对农作物的影响等问题。贾绍凤等[16]利用Arc GIS基于排水法原理估算了海河流域平原区浅层地下水超采量。Facchi A等[17]模拟和研究了意大利冲积平原农作物需水量的时间和空间分布的特点和灌溉用水从地表到地下转移时地下水的动态变化。Zhou W M等[18]研究了过度开采地下水对农业灌溉的影响并提出了相应的对策。随着地下水过度开采的加剧，很多学者也提出了一些相应的限制措施。Karatzas等[19]提出面对希腊克里特岛由于过度开采地下水引起的海水入侵问题提出必须严格控制海水入侵问题。李 杰[20]和刘孝铭等[21]提出等于过度开采地下水应该实行一定的限制措施来减少或关闭一些随意开采地下水的工程，建造地表水工程来代替抽取地下水。齐兵[22]一直致力于水资源分配工作，通过南水北调工程、关闭抽水井、污水治理、水资源的重复利用以及节水措施来对廊坊地区的过度开采地下水进行挖制。然而，尽管已经开始了对地下水过度开采的综合治理评价工作，当前在一些研究结果中地下水过度开采水位治理仍需深入地进行下去。Zhang F等[23]基于GIS评价黄河三角洲的潜在开发能力和浅层地下水的综合治理效果。田 立等[24]通过地下水水位的变化以及地面沉降的恢复情况来评价江苏省南通市地下水过度开采综合治理的效果。Xu Y S等[25]对地面沉降和地下水开采量数据通过回归分析得到合理的地下水开采量，并分析评价了地下水过度开采的综合治理效果。You J等[26]分析了南水北调工程对中国北方地下水补给的效果。Kumber等[27]提出通过抽水井的类型与数量来评估地下水的开采量。endprint

党中央、国务院高度重视地下水保护工作，2011年中央一号文件明确提出了到2020年地下水超采基本遏制的目标。财政部、水利部针对河北省地下水超采问题进行了专题调研，提出支持并先期推动河北省地下水超采治理工作。2014年先期在河北省地下水超采最严重的黑龙港流域开展地下水超采综合治理试点。一些专家学者对河北省地下水过度开采问题也提出了一系列的措施和建议。张宝全等[28]提出解决问题旨在“优先考虑主要任务和识别关键问题”的治理建议。刘丁雷[29]对于地下水过度开采提出“1+5”（1个核心目标系统和5个创新机制）的综合治理模式。Xie J F等[30]讨论了馆陶县的农业节水系统、节水管理系统、工业和城市内部的节水措施。特别强调了水资源节水灌溉措施、农业节水措施、水权管理系统、水价和水费的收集等。张俊杰等[31]和王术礼等[32]调查了河北省地下水过度开采综合治理措施。

河北省广平县地表水供水工程现有民有灌区和蓄水闸灌区，但由于近几年连续干旱，只有大量超采地下水才能维持国民经济的发展和人民群众生活的需要。近几年来，广平县深层淡水开采量已达到2 500万m3左右，且有逐年递增趋势，致使地下水位持续下降，并形成以广平镇和大马庄为中心的地下水降落漏斗。由于水位下降，使微咸水或咸水区的地下水向周边低水位区进行补给，致使淡水区水质变化，灌溉后造成耕地次生盐碱面积不断扩大；由于严重缺水，大量的工业废水和生活污水得不到有效稀释，水环境质量难以改善，沿渠两岸的地下水也受到了不同程度的污染。

2014年河北省地下水过度开采综合治理措施已实施1年，对其治理效果的评价显得尤为重要。广平县作为地下水超采综合治理试点县之一，又是传统意义的农业大县，在农业节水方面大有潜力。地下水超采综合治理项目压采效果评估工作，即通过理论计算分析，对工程项目实施后压采地下水量和超采现状改善情况做出评估，展示地下水超采治理效果。对破解水资源短缺难题，促进广平县农业可持续发展、促进农民增收、改善农民生活具有重要意义。同时对地下水超采综合治理工作做出客观评价，为以后开展类似地下水超采治理提供参考借鉴。

1 研究区概况与数据来源

广平县地处黑龙港流域上游、河北省南部，隶属邯郸市，距邯郸市50 km，位于东经114°51′～115°10′、北纬36°23′～36°37′之间，东与馆陶、大名为邻，西与成安、肥乡交界，南与魏县接壤，北与曲周毗连，交通便利，总面积320 km2，耕地面积2.36万hm2。属山前冲积、沉积平原，位于古黄河、漳河冲积而成的扇形平原的中下部。地处暖温带半湿润大陆性季风气候区，四季分明，雨热同期。具有春旱秋涝的特点，气象灾害以旱灾为主。全县多年平均降水量为514.3 mm，多年平均蒸发量为1 038.6 mm，多年平均无霜期为201.8 d。境内无天然河流，仅有历史上遗留的黄河、漳河故道自西南向东北、弯弯曲曲时断时续贯穿全县。按水系划分，全县均属黑龙港流域平原区。全县土壤总面积为272.3 km2（不包括非农业用地），土壤分为潮土和褐土两大土类，下分5个亚类、7个土属和39个土种。境内植被主要是人工种植的各类农作物、林木和野草。其中，农作物种植以小麦、玉米、薯类、豆类、棉花、油料为主，果树种植以苹果、梨树为主。地处黑龙港流域上游，属冲积洪积平原，境内广泛分布着埋深不等的古河道，在河床相和牛轭湖相及决口的大淄处形成了厚度不等、层次复杂的含水层，含水层以细砂为主，粉砂、粉细砂次之，局部有少量的中砂，富集着丰富的地下水。

广平县现辖7个乡镇169个行政村，总人口28.91万人，其中农业人口20.89万人，占人口总数的72.26%，是一个典型的农业县。2014年总用水量为5 892.2万m3，其中地下水用水量为5 512.2万m3。从供水水源看，地下水为主要供水水源，占供水总量的93.6%。多年平均总补给量为3 384万m3，多年平均浅层地下水可开采量为2 783万m3。

广平县2014年度地下水超采综合治理有农业、水利两大类项目。农业项目包含调整农业种植结构、小麦保护性耕作节水项目、小麦-玉米水肥一体化技术、冬小麦春灌节水稳产配套技术4个农艺节水工程。水利项目包括①高效节水灌溉工程1项，位于东张孟乡，规模493.3 hm2；②地表水替代地下水工程2个灌区，民有三分干渠灌区 和吴村支渠灌区，规模分别为662.1、625.1 hm2。农业项目包括①调整农业种植结构规模为333.3 hm2；②冬小麦春灌节水稳产配套技术，规模2 486.7 hm2；③小麦保护性耕作节水项目，规模453.3 hm2；④小麦-玉米水肥一体化技术，规模200.0 hm2。评估区压采项目分布如图1所示。

该研究主要收集了评估区的自然地理数据、社会经济发展状况数据、农业信息数据、水资源基础数据、长序列的降水数据（图2）、地下水埋深数据、农业用电量数据以及其他相关基础数据。其中社会经济发展状况数据来源于广平县国民经济和社会发展统计年鉴、农业种植结构数据来源于广平县农牧局、2010—2014年的水資源数据来源于广平县水利局、1956—2015年的日降水量数据来自于河北省水利局。该研究还收集了7口测井的水位埋深数据，为1998年至2013年每年的5月和9月的水位数据。其中分别位于双庙乡北汶村西、广平镇单庄村南、韩村乡南韩村东、韩村乡江庄村西北、平固店乡西营村、南堡乡前大寨村南、双庙乡小马庄村北。

2 研究方法

农业地下水实际开采量为当年由于农业生产的灌溉需求而实际发生的地下水开采量。对于广平县而言，当年农业地下水实际开采量与当年降水丰枯之间有关系密切。降水偏丰的年份，作物对降水的利用增多，需灌水量减少；反之，则由于对降水利用减少而导致需灌水量的增加。因此，地下水开采量的代表性，需要将降水丰枯的因素考虑在内。一个地区一定的作物结构和用水水平情况下的农业开采量，一般以平水年份下的地下水开采量来衡量，此时其代表性最强，与多年降水丰枯变化下的地下水开采量期望值接近。endprint

广平县地下水压采综合治理在2014年才开始实施，考虑到治理前基准年（2013年）和考核基准年（2015年）的降水频率并不一致，2个年份调查评价的地下水实际开采量，只能代表当年特定降水情況下的开采量。为合理评估地下水压采效果，需要将治理前基准年和考核基准年的实际地下水开采量都换算到平水年降水状况下再进行比较才有意义。

2.1 丰平枯代表年的选取

有效降水[33]指自然降水中补充到植物根系分布层的部分。很多有关有效降水的研究主要针对其生态效应而言，而实际上有效降水的本质是首先降水进入土壤，其次通过土壤水分间接被植被利用或对其他生态环节产生影响。因此，从土壤水分变化的角度去研究有效降水能更好地理解这一概念。对土壤水分而言，最小有效降水量是指一次降水过程中能使土壤相对湿度稳定增加的最小降水量。关于最小有效降水的大小，一般认为5 mm以上的降水大都是有效降水，而在农业上将日降水量超过10 mm的降水称为有效降水[34]。

对广平县1956—2015年地面降水量系列进行排频，并采用皮尔逊Ⅲ型曲线进行适配。利用配好的频率曲线查找参考降水频率分别为25%、50%、75%时的降水量，记为P25、P50、P75。经过计算，广平县多年平均降水量475.17 mm，P25=565.74 mm，P50=453.46 mm，P75=361.04 mm。根据广平县面均有效降水量对比选出2004—2013年近期10年的丰、平、枯代表年分别为2008年、2007年和2013年。

2.2 项目区1 kW·h电出水量的计算

考虑到项目区和非项目区1 kW·h电出水量的不同以及不同区域间各个井的出水量也有差别，应该在项目区多种不同节水措施的区域内分别试验。广平县分别有水利措施和农业措施两大方面。区域内的种植结构主要是玉米和小麦的交替循环种植，灌溉农作物的方式主要为抽取地下水管灌和地表水灌溉。广平县在南阳堡镇、胜营镇、东张孟乡布设典型试验井13眼，其中南阳堡镇6眼、胜营镇3眼、东张孟乡4眼。项目区布设9眼，分别为井灌地下水高效利用区2眼，作物类型是小麦玉米、蔬菜；地表水置换地下水区2眼，作物类型小麦玉米；农艺春灌节水区3眼，小麦玉米水肥一体化区2眼。非项目区布设4眼，位于小麦玉米轮作区。

把流量计置于抽水管外侧，每6 min测1次，每口井测量30 min，即每口井得到5组数据，并取其平均值作为求取1 kW·h电的值。在每次读取流量计读数的同时还要记录电表的读书，利用5组数据的平均值和电表读数求取1 kW·h电出水量。试验得到，单井每1 kW·h电开采量在0.685～1.776 m3之间，平均为1.221 m3。其中，春灌节水项目区典型区作物是小麦，1 kW·h电出水量为0.85 m3。水肥一体化项目区典型区作物是小麦玉米，1 kW·h电出水量为1.52 m3。井灌区高效利用项目区典型区作物是蔬菜，1 kW·h电出水量为1.74 m3。地表水置换项目区典型区作物是小麦玉米，1 kW·h电出水量为0.84 m3。在非项目区的1 kW·h电出水量为1.16 m3。根据单井每1 kW·h电开采量、历史用电量数据及种植结构，可以推求典型区种植类型在丰平枯代表年的单位面积用水量。

2.3 P-W曲线

根据广平县2013年农业种植结构、丰平枯3个代表年、2个校核年的地下水开采量以及相应的降水量，绘制农业开采量-降水量（P-W）之间的相关曲线，采用幂函数进行拟合（图3），函数计算公式为：

y=19.527x-0.676（1）

式中，y为开采量，x为有效降水量。R2=0.976 8，拟合效果较好。根据广平县有效降水排频结果，选择2011年和2014年为校核年，2011年和2014年的有效降水量分别为159.52、142.42 mm，对应降水频率为P=36.07%、P=62.3%。2种年份下各种种植作物的单位面积用水量及相应开采量，2006年农业开采量为7 351万m3，2011年农业开采量为8 795万m3。

2.4 压采量的计算

考核基准年（2015年）共有N个井灌区/井渠双灌区，每个灌区采用地下水灌溉的作物种植类型有S种，则考核基准年（2015年）的地下水实际开采量为：

W■■=■■（w■■·a■■）（2）

式中，a■■为考核基准年（2015年）第i个灌区第j种作物种植类型的井灌面积（万hm2）；w■■为考核基准年（2015年）第i个灌区第j种作物种植类型当年的单位面积开采量（m3/hm2）。

根据治理前基准年（2013年）平水状况下的地下水开采量、考核年基准年（2015年）地下水实际开采量、考核基准年（2015年）降水量及P-W曲线进行确定。

比例换算基于以下公式：

■=■（3）

式中，W■■为考核基准年（2015年）平水状况下的地下水开采量（万m3）；W■■为治理前基准年（2013年）P-W曲线上对应考核基准年（2015年）降水量时的地下水开采量（万m3）。

可得考核基准年（2015年）平水状况下的地下水开采量计算公式：

W■■=W■■×■（4）

考核基准年（2015年）地下水压采量为治理前基准年（2013年）平水状况下地下水开采量与考核基准年（2015年）平水状况下地下水开采量之差，即：

W■■=W■■-W■■（5）

式中，W■■为考核基准年（2015年）地下水压采量（万m3）。

3 结果与分析

3.1 基准年治理前后开地下水采量分析

根据2015年各种作物在项目区和非项目区种植面积及相应单位面积地下水开采量，计算得到评估区2015年种植结构下的地下水实际开采量为8 650万m3，其中项目区农业地下水开采量1 759万m3、非项目区开采6 891万m3（表1）。endprint

可以看出，2015年地下水開采量井灌高效节水项目区为137.53万m3、地表水置换地下水项目区为505.33万m3、调整农业种植结构项目区为72.83万m3、保护性耕作节水项目区为153.42万m3、冬小麦春灌节水项目区为827.42万m3、小麦-玉米水肥一体化项目区为55.85万m3。

3.2 治理前后地下水压采量分析

广平县项目区治理基准年前即2013年平水状况下地下水开采量为1 917万m3，考核基准年2015年平水状况下地下水开采量为1 411万m3，项目区治理前后地下水压采量505.39万m3。

广平县考核基准年项目区总压采目标是610.3万m3，实际完成压采量505.39万m3，完成比例83%。各分项治理措施地下水压采完成情况：水利项目压采目标281.8万m3，实际压采量204.18万m3，完成比例72%，其中井灌区高效节水项目完成较好，达到95%；地表水置换地下水项目完成65%。农业项目压采目标328.5万m3，实际压采量301.21万m3，完成比例92%，其中调整农业种植结构措施完成比例88%、保护性耕作节水完成比例88%、冬小麦春灌节水措施完成比例94%、小麦-玉米水肥一体化措施完成比例95%（表2）。

3.3 治理前后地下水埋深修复效果分析

3.3.1 项目区地下水位变化分析。广平县有广平县城关、平固店、南盐池3眼地下水监测井，均在项目区外，平固店点邻近项目区。对比3眼监测井的2013年和2015年均埋深数据，埋深变幅分别是-0.48、1.67、-2.34 m，广平县城关和南盐池监测井埋深变浅，平固店监测井埋深依然下降。说明超采治理工程实施后，项目区水位较非项目区有较明显回升态势（图4）。逐月对比2013年和2015年各监测点地下水埋深变化，用2015年埋深值减去2013年埋深，正值表示水位下降，负值表示水位上升，统计上升和下降点，有22个水位上升数据，其余38个水位下降数据；对比各监测点可以看出，广平县城关、南盐池处每月同比水位上升明显。

3.3.2 全县地下水位变化分析。2006—2013年广平县浅层水埋深年均增大0.08 m/年，2013—2014年期间埋深增大0.08 m，2014—2015年埋深增大0.49 m，表明浅层地下水位呈持续下降趋势（图5）。2006—2013年深层水埋深年均增大0.83 m，2013—2014年期间埋深增大2.25 m，2014—2015年埋深减小1.57 m。表明2014年之前深层地下水位呈持续下降状态，2014年之后水位呈上升趋势（图6）。从全县层面来看，浅层地下水位继续下降，修复效果不佳。深层地下水位2014年以后呈回升态势，具有一定修复效果，这与实施的2014年地下水超采治理工程有直接关系。

4 结论与讨论

此项研究旨在评估广平县地下水过度开采的综合治理效果，确定出地下水压采量，但此项研究仍有其缺点和不足。一是由于受时间和能力的限制，不能对全区内的井进行抽水试验，没有得到每一口井1 kW·h电出水量，而是选取了部分典型井进行试验，可能会忽略一些其他不一致的井的出水量。二是地下水过度开采的综合治理才实施1年，地下水水位回升不明显，尤其是非项目区的地下水，还需要项目的持续进行，才能得到理想的效果。三是研究受到季节条件的影响，不同的季节可能会不同以及在试验时不能排除一些试验安排的不合理等因素。通过对广平县过度开采的综合治理，得出以下结论：

（1）2015年地下水压采量为505.40万m3，水利项目压采量为204.19 m3，农业项目压采量为301.21 m3。总体完成指标为83%，其中水利项目完成指标为72%，井灌高效节水为95%，地表水置换地下水为65%；农业项目完成指标为92%，调整农业种植结构、保护性耕作节水、冬小麦春灌节水、小麦-玉米水肥一体化完成指标分别为88%、88%、94%、95%。

（2）广平县地下水超采治理工程实施前后浅层地下水位继续下降、地下水修复效果不甚明显，2015年深层地下水位比2014年回升了1.57 m，回升幅度较大，地下水超采治理工程发挥了积极作用。对比3眼监测井的2013年和2015年均埋深数据，埋深变幅分别是-0.48、1.67、-2.34 m，广平县城关和南盐池监测井埋深变浅，平固店监测井埋深依然下降。说明超采治理工程实施后，项目区水位较非项目区有较明显回升态势。

（3）浅层地下水位没有回升具有多个方面的原因：①第1年压采能力有限。现状地下水开采量5 190万m3，2014年压采量505万m3，仅为开采量的10%。②2014年和2015年的气象条件对地下水压采效果影响较大。广平县多年平均降水量为475.17 mm，2014年降水量440.75 mm，比多年平均值减少7.2%；2015年发生严重干旱，降水量只有295.31 mm，比多年平均值减少37.9%。由于区域性干旱影响，引黄水量没有达到设计引水指标，导致地表水替代工程没有完全发挥作用。③南水北调配套工程建设滞后也影响了全县地下水水位的恢复。广平县南水北调替代城市工业和生活的水量为592万m3，由于南水北调水源还没有使用，因而只能继续超采地下水维持工业和生活用水。

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