地下水超采综合治理与修复模式研究

羊 艳，唐世南，于丽丽

(水利部水利水电规划设计总院，北京 100120)

近几十年来，地下水的持续高强度开发利用造成我国地下水相关问题日益突出。从地下水功能的角度看，地下水的健康循环、生态维系、地质环境稳定以及资源供给中的一个或多个功能受到的损害或丧失。从要素治理的角度看，地下水水流、水量、水质、水压和水位中一个或多个功能要素发生了变异[1-3]。地下水超采通常被认为是某一地区水流或水量要素发生了变异，导致了当地水循环的中断、变异或破坏了地质稳定引发了地面沉降等生态环境地质问题[4-5]。根据2012—2014年水利部开展的全国地下水超采区评价成果，全国21个省区存在地下水超采问题，北方平原区地下水平均开发利用程度达到85%，全国超采区面积近30万km2[6]。地下水超采治理已成为水资源可持续管理研究与实践的重要领域。自2014年，财政部、水利部、原农业部、原国土资源部四部门连续3年在河北省开展了地下水超采综合治理试点。2017年起，将治理范围扩大至山东、山西、河南。在2018年先期开展河北滹沱河等3条河流河湖地下水生态补水试点的基础上，2019年初，经国务院同意，水利部、财政部、国家发展改革委、农业农村部联合印发了《华北地区地下水超采综合治理行动方案》。

随着地下水超采实践工作的开展，对地下水超采原因的深入挖掘与分析，日趋认识到地下水超采形成机制的复杂[7-10]。尤其在华北地区，地下水超采的历史欠帐多，治理任务重，且地下水功能要素在补给、径流、排泄交互过程中的任何环节都可能发生损害，因此需要从要素修复、系统治理的角度，以重塑地下水营运场，实现地下水良性循环为最终目标，研究综合的地下水超采治理修复思路与框架，以解决区域性、较大尺度背景下，地下水超采的系统性治理修复策略问题，提出能够持续性、根本性解决问题的措施与政策。

1 总体思路

地下水系统失衡的重要体现之一是地下水超采，其表现为地下水超采突破某一临界值会进一步引发较严重的生态环境地质问题，虽然地下水系统失衡也可能由天然因素导致，但从修复治理的角度来说，本研究主要针对人工干扰下的地下水系统失衡问题。

随着经济社会快速发展，人类活动，包括灌溉、水利工程、河道整治、城镇建设、土地利用、水土保持、矿山开发等，对自然环境的影响越来越大，其中也包括地下水。人类活动不同程度的改变了下垫面条件、流域水资源格局以及天然地下水文过程。综上，人类活动是导致地下水系统失衡的诱因，且是在一系列机理机制的支配下发生的，要解决问题，就必须明确问题产生及地下水相应的响应机制，才能有的放矢。而这一系列动态演变机制均是在地下水循环运动中发生的。

地下水是水循环的重要环节。地下水的形成、迁移与转化，四大功能的正常发挥，与其他系统的交互作用，都是在地下水参与水循环的过程中完成的。通过超采问题诊断与成因分析可知，地下水超采表面上是地下水采大于补，开采量大于可开采量，只是人工排泄的环节出了问题，实质是地下水循环过程中各个环节，包括补给、径流、排泄等综合作用的结果。尤其是在地下水超采治理修复时，补给、迁移、排泄环节的合理治理与修复，往往决定了治理的可持续性。因此，建立起循环过程治理修复的理念非常必要。

地下水补给环节包括降水入渗补给，河流、湖库、湿地等地表水体补给以及灌溉等人工补给。对补给环节进行保护与修复，可以增加地下水入渗补给量，促进地下水涵养。地下水补给环节的修复治理可以结合海绵城市建设，加强下垫面透水改造，减少硬化路面面积，增加降水入渗补给量；通过建设河湖库渠蓄水工程，存蓄外调水和雨洪资源，增加外调水和当地雨洪资源利用量，对现有河湖库渠进行清淤疏浚、扩容整治，恢复其调蓄能力，以及适当建设蓄水坑塘等调蓄工程，构建布局合理、蓄泄兼备、引排得当、丰枯调剂、循环通畅的水网体系，确保外调水、过境水和雨洪水的充分利用，均可有效地增加地下水补给量。此外，在适宜地区还可适时进行人工回灌。

地下水在迁移运动过程中，非常重要的过程就是与地表水的交互作用。天然状态下，在山丘区，地下水向地表水转化形成了基流，在平原区，地表水向地下水转化形成了地下水资源，以上过程的健康稳定对河流生态系统健康，生物多样性意义重大。在山丘区，生态基流修复主要是控制人工开采对基流的袭夺量。在平原区，由于上游山区水利工程建设，造成河流水文情势改变，一些地区地表水与地下水交互特征发生了逆转，地表水断流，根本无法补给地下水，因此需要通过水利工程生态调度进行修复治理。

地下水的排泄环节主要包括潜水蒸发、人工开采等。对于某一具体地区，地下水补给量是相对稳定的，地下水的采补失衡主要是由于不合理的地下水排泄造成的。在地下水排泄量中，人工开采是唯一可以进行干预的分量，减少地下水人工开采也是最有效、最直接的修复手段。控制人工排泄一方面靠直接减少地下水开采量，转而采用其他水源代替的方法，替代水源包括外调水、当地地表水等常规水源以及再生水等非常规水源；另一方面靠节水，包括工业城镇生活中利用节水技术或器具减少用水量，农业灌溉通过高效节水改造减少用水量，直接降低对地下水的需求。此外，在部分地区，考虑水热条件及农业种植格局，可以通过蒸腾蒸发管理，从排泄环节减少地下水的消耗，包括实行退耕、轮耕、休耕以及调整产业和种植结构等措施，减少蒸腾蒸发排泄，充分利用当地雨热自然资源，种植高产量、低耗水的农作物。

地下水系统的失衡不是单一因素造成的，在形成、迁移、转化任何一个环节中的任何一个要素都可能发生损害。因此，考虑地下水的禀赋特征，通过对动力场、径流场、化学场、应力场中地下水与大气系统、地表水系统、生态环境系统、地质系统、经济社会系统的交互特征以及对驱动的响应特征分析，综合地下水超采治理实践，从增源-减荷-降耗的角度，可以总结得到“保、控、节、退、替、管”的地下水综合治理修复模式。

地下水超采治理修复思路如图1所示。

图1 地下水超采治理修复总体思路

2 地下水超采问题诊断

超采问题的诊断是制定超采治理方案的发端。对于制定地下水超采治理方案来说，首先要对超采问题的发生原因进行诊断，只有发现问题，才能研究问题，最终提出问题解决方案。因此，超采问题诊断是制定超采治理方案的首要任务。各地由于经济社会发展水平、水资源条件等不同，引发超采的原因也不尽相同，超采的原因大致可分为以下4种情况：

(1)当地地表水资源短缺，为支撑经济社会发展，不得不长期过量开采地下水；

(2)受水利工程条件、水质问题以及水价等经济因素的影响，再加上地下水水质优良、易于开采、开采成本相对低等，存在地表水资源(包括外调水)利用不足，而地下水过量开采的问题；

(3)一些地下水超采区还存在水资源浪费现象，水资源利用效率有待提高，还具有较大的节水潜力和空间；

(4)对地下水认识不足、地下水监控能力薄弱，地下水开发长期处于无序状态，地下水长期处于超采状况。

对于一个具体地区来说，引发地下水超采的原因可能是多种情况并存的。因此，针对一个地区的超采问题，应通过详细调查和评价，弄清超采区所在地区的经济社会状况、水资源条件以及地下水变化动态、地下水超采状况等，深入分析超采区内的经济结构、供用水结构和特点、地下水供用水情况、用水效率(节约用水情况)以及地下水监控和管理现状等，系统梳理，从中发掘地下水超采的深层次原因，抓住引发地下水超采的主要因素和重点环节，才能提出精准的治理措施。因此，超采问题诊断是精准提出地下水超采治理模式的关键环节。

3 地下水超采治理目标制定

地下水超采治理目标是超采治理方案的灵魂。制定超采治理方案首先要确定前进的方向和目标，全面了解目标提出的背景及主客观依据，才能使治理方案具有针对性和可行性。地下水超采区治理目标的确定涉及因素较多，如国家对地下水超采治理的总体部署要求、区域水资源配置方案、经济社会发展水平、规划期等。

3.1 地下水超采的区域性治理目标

在我国一些地区，如华北平原，地下水超采问题已经不仅仅是自然生态环境恶化的问题，而是影响地区可持续发展，需要花力气解决的复杂的系统性的社会管理问题，反映了目前人类活动方式和强度是与当地自然生态承载能力，至少是水资源承载能力不相匹配的，而在我国的其他地区，如东北、西北的广大平原，地下水超采问题也初步显现，如何治理区域性地下水超采，如何防止华北式的地下水超采再度上演都需要高屋建瓴的考量。近年，中央有关文件逐渐出现了“地下水超采治理”内容，党中央、国务院对地下水超采区治理和管理不断提出的更高的要求，一方面说明了地下水超采问题的突出，治理修复的迫切，一方面也反映了地下水超采治理的综合性、系统性特点。2011年中央一号文件要求到2020年基本遏制地下水超采。2012年《国务院关于实行最严格水资源管理制度的意见》明确要求“严格地下水管理和保护，逐步削减地下水开采量”。2013年《中共中央关于全面深化改革若干重大问题的决定》明确要求“调整严重污染和地下水严重超采区耕地用途”。2015年《中共中央 国务院关于加快推进生态文明建设的意见》提出“实施地下水保护和超采漏斗区综合治理，逐步实现地下水采补平衡”。《水污染防治行动计划》提出“到2020年，地下水超采得到严格控制”。《“十三五”规划纲要》提出要“严格控制地下水开采、开展地下水超采区综合治理”。因此，地下水超采治理方案的制定应贯彻落实国家最新治水方针[2-6]，紧密结合国家对地下水超采治理的总体部署要求，根据本地区实际，合理确定治理目标。

3.2 区域水资源配置方案

地下水超采很大原因在于区域供用水不协调。超采治理目标与区域水资源配置方案密切相关。通过统筹不同水源(外调水、地表水、地下水、非常规水源)、不同用水户(生产、生活、生态)之间的水资源配置方案，调整供用水矛盾，实现水资源的科学、优化配置，削减超采区地下水开采量。超采治理目标的确定应以区域水资源配置方案为依据。因此，区域水资源配置方案是确定超采治理目标应考虑的关键因素。

3.3 经济社会发展水平

技术进步与经济社会发展水平密切，经济社会发展带动技术进步，技术进步又促进经济社会发展。经济社会发展引起某些技术或管理措施的变化，比如随着节水技术的进步，用水效率得到提高，进而用水减少需求。地下水超采治理的实施需节流、替代水源等工程措施保障。节流工程、替代水源工程尤其是跨流域调水工程，需要大量的投资，也就说，没有一定数量的超采治理投资，相应的工程措施得不到落实，就不可能实现超采治理目标。据苏锡常地区限采、禁采工作的测算，与把水送到河网的部分工程相比，把水送到用水户的自来水管网建设工作量更大、成本更高。投资能力与超采区所在地的经济社会发展水平密切相关，经济实力强的地区在替代水源工程建设投资方面相对压力较小，而经济实力较弱地区在在替代水源工程建设投资方面则压力较大。因此，确定超采治理目标应考虑的经济社会发展水平因素影响。

3.4 规划期

地下水超采治理是长期的系统工程，不可能一蹴而就，应科学规划、突出重点、有序推进。方案的成功与否很大程度上取决于设定的目标与选取的措施，既着眼于当前的需要，又考虑到长远治理要求。由于治理方案制定时对经济社会发展和替代水资源条件等分析均属于对未来的预测，时间越久，不确定因素也就越多。治理方案只能限于规定的规划水平年，才具有相对可靠性，方案一般也只能在这一期限内起指导作用。因此，治理目标应按近期、中期、远期总体考虑，以近期、中期治理为重点，远期治理属于远景展望，由于离现状较远，未来可根据经济社会发展、水利工程建设等进行相应调整。各规划期治理目标的确定可参考以下建议：

(1)近期目标。考虑到替代水源工程的规划建设有相应周期，近期主要是通过调整工业产业结构和农业种植结构、强化节约用水、挖掘当地水资源供水潜力等措施，严格控制超采区地下水开采量，超采区范围不再扩大，地下水水位下降趋势以及地下水开采引发的生态和环境地质问题基本得到遏制。

(2)中期目标。随着替代水源工程建成并逐步达效以及节水型社会建设力度进一步加大，通过优化升级产业结构、节水、水源替代、强化地下水监督管理等措施，大幅削减超采区地下水超采量，超采区范围逐步缩小，地下水水位有所回升，地下水开发利用引发的生态与环境地质问题有明显好转趋势。

(3)远期目标。随着产业结构布局的完善、区域水资源优化配置格局的完善和水资源统一调度，地下水补排关系基本达到均衡状态，地下水系统得到良性循环，地下水应急和储备能力显著增强。

4 治理修复模式

引发地下水系统失衡的原因是非常复杂的，直观看来是地下水超采，实质是当地经济社会用水需求大于可供水量，由于供需不平衡，用水需求缺口只能依赖超采地下水来解决。因此，治理地下水超采最直接的方法是削减和控制地下水开采量，逐步达到采补平衡，但是削减和控制地下水开采量不是简单地通过封闭开采井就能达到，涉及不同地区、不同水源、不同用水户之间水资源的科学调配与合理开发、高效利用。一些地区由于水利工程条件、水质问题以及水价等经济因素的影响，存在着地表水利用(包括外调水)不足，而地下水过量开采的问题；一些地下水超采区还存在水资源浪费现象，水资源利用效率有待提高。因此，地下水超采的修复治理应综合考虑，既要开源节流，也需要法制、经济方面的管理措施配合，才能实现地下水的采补平衡。基于全国各地，尤其是华北地区地下水超采治理工作中各项措施的实践经验，可以总结得到“保、控、退、节、替、管”的地下水超采治理修复模式，不同的地区可以基于超采原因分析与管理实际需要和实施水平选择不同的治理修复模式或模式组合[11-15]。

“保”，即维持地下水自然循环通量。维持地下水自然循环通量是保持地下水获得持续稳定补给、资源不枯竭的基本保障，主要措施包括水源涵养、下垫面改造、水利工程生态调度等。

“控”，即依据分区、分类、分层、分级的地下水管控指标，严格控制地下水重点问题区的地下水开发。地下水五维控制指标是在充分考虑地下水功能协同、四大场平衡、水资源以及地下水资源承载力的基础上制定的。地下水超采区地下水状态分量已突破阈值，须以控制指标为目标，制定治理修复分阶段计划。地下水超采区内制定年度用水计划和发放审批取水许可时，尤其需要注意与相应的地下水开采总量和开采强度指标相协调，具备替代水源条件的严重超采区应实行禁采或限采地下水，防止地下水系统失衡问题持续恶化。

“节”，即鼓励并发展工业、生活、农业节水。节水是抑制地下水不合理需求的重要手段，可以直接减少地下水开采量。我国地下水大量用于农业灌溉，农业灌溉效率相对较低，解决地下水超采问题的最大潜力也来自农业，节水的最大潜力也在农业。因此，应大力推广节水技术，全面实施区域规模化高效节水灌溉。

“退”，即根据水资源承载力控制耕地灌溉面积。以“以水定地”的理念，调整农业种植结构，科学退减超采区的耕地面积。尤其是一些地区以小麦等高耗水作物为主要种植作物，需水量大，地下水主要以蒸发蒸腾的形式散失。根据区域雨热条件分析，调整农业种植结构，减少高耗水作物的种植面积、推广抗旱品种和旱作农业，最终目标是形成与水土资源条件相匹配的农业生产布局。

“替”，即最大限度的寻找地下水的替代水源。梳理与挖掘一切可能提供替代水源的外调水源、当地地表水，并通过再生水、微咸水等非常规水源利用技术等，替代一部分地下水开采量。水源替代是解决地下水超采最直接和有效的措施，但是，在考虑设计地下水综合修复治理方案时，需同时论证其工程建设及供水的可行性，尤其是要注意配套工程建设的同步设计与论证，以保障地下水顺利压采。

“管”，即创新各项体制机制政策，保障各项治理修复措施顺利实施、落实到位并能够持续发挥作用，包括农业水价、水权、水管体制改革和基层水利服务体系建设；严格地下水超采区及禁采区、限采区管理；地下水水位、水量监控体系建设等。

5 结论

地下水是我国供水的重要水源，尤其在北方部分地区，地下水是唯一的供水水源，经济社会发展依靠长期超采地下水维持。地下水超采治理不仅能够遏制地下水水位下降趋势，改善相关环境地质问题，也是重塑区域水资源可持续发展格局的重要契机。因此，因地制宜的制定超采治理路线与选择治理模式是开展超采治理的关键，再进一步结合具体的治理措施与技术，才能有效的实现超采治理目标。