海河流域地下水监测实践与思考

王 哲，杨建青，李 宇，马 欢

（1.水利部海河水利委员会水文局，310070，天津；2.水利部海河水利委员会，310070，天津）

海河流域地处华北平原，据统计，流域近40%的供水量依靠地下水源供给。由于流域水资源禀赋差、刚性需求强，长期大量开采地下水，导致局部地下水超采严重，引发了地下水水位下降、河道断流、湖泊湿地萎缩、地面沉降、海水入侵等生态环境问题。

做好地下水水文监测是推进地下水超采治理和地下水管理保护的重要基础和前提。2019年1月《华北地区地下水超采综合治理行动方案》印发实施以来，海河流域水文部门全过程监测地表水与地下水水量、水质、水生态，动态跟踪河湖生态补水进展和补水效果，开展超采区地下水评价预警，定期评估地下水超采治理效果，构建科学高效的水文监测体系，为华北地区地下水超采综合治理取得新成效提供了有力支撑。

一、海河流域地下水演变趋势分析

海河流域地下水水位动态变化受降水、蒸发、人类开采等多种因素影响。根据统计资料分析，海河流域地下水大致分为天然平衡期、局部下降期、全面下降期、下降减缓期和止跌回升期五个时期。

1.天然平衡期（1960年以前）

1960年以前，海河流域地表水资源丰富，仅有少量的浅层地下水取水井，深层地下水未开发。流域地下水、地表水和降雨蒸发之间处于天然循环状态，山前地下水对河流、湿地补给明显，地下水埋深在山前平原浅层为1～3 m，在滨海平原地区为0～1 m；深层地下水水位标高均高于海平面，滨海平原水头一般高出地面1～3 m，形成了大面积的自流水区。这一时期地下水开采的形式主要是土井、砖井、压水井。根据统计，20世纪50年代末期京津冀平原地区地下水年均开采量仅为30亿～40亿m3，地下水开发利用极少，流域地下水处于天然平衡。

2.局部下降期（1960—1979年）

进入20世纪70年代，海河流域经济社会开始快速发展，人们对地下水含水层储水能力的认识水平逐步提升，打井技术日渐成熟，地下水开采由点状向面状发展。这个时期地下水供水水源地、工业自备井和农业开采井成为地下水开采的主要方式，地下水资源成为社会发展和经济建设最快捷可靠的供水水源。流域大清河、子牙河平原区地下水水位出现下降，浅层地下水水位下降速率为0.4～0.5 m/a，深层地下水水位下降速率为0.6～0.7 m/a，海河流域平原区地下水年均开采量达到156亿m3，年均开采强度为11.13亿m3/km2。石家庄、衡水等城市区域开始出现地下水漏斗，原有的天然水平衡开始打破，流域局部地区地下水水位出现明显下降。

3.全面下降期（1980—2000年）

1980—2000年，随着改革开放，流域经济社会发展水平迅速提升，流域总人口增长30%，城镇化率增加12%，GDP翻了近三番。经济社会快速发展，水资源需求量增大，加之降雨补给偏少，流域形成了比较大的地下水漏斗。其中冀枣衡等深层漏斗区地下水水位下降速率达到2～3 m/a，高蠡清、宁柏隆等浅层漏斗区地下水水位下降速率达到0.6～0.9 m/a。据统计，这一时期流域浅层地下水资源量为140.9亿m3，1980年、1985年、1990年、1995年、2000年浅层地下水平均开采量为155.6亿m3，浅层地下水总体开发利用程度为110.4%，造成流域平原区地下水累计亏损量达409亿m3。除徒骇-马颊河外，流域其他水资源二级区均处于地下水超采状态，其中以海河南系最为严重，浅层地下水开发率达到了133.7%，其次为滦河及冀东沿海平原，为113.5%，海河北系平原为111.9%。太行山前平原和山间盆地平原区呈现大范围整体性超采，北部燕山平原区出现局部超采，流域地下水水位进入全面下降时期。

4.下降减缓期（2001—2016年）

大范围超采地下水造成海河流域地下水水位持续下降，由此导致了一系列生态环境问题，流域及地方政府开展了引黄济津、引黄入冀、地下水取水许可、限采等措施，深层地下水水位下降速率开始减缓，天津、沧州等部分大中型城市地区地下水水位还出现回升，流域大型深层漏斗区地下水水位下降速率由3 m/a下降至2 m/a，浅层漏斗区下降速率由0.9 m/a下降至0.6 m/a。但受水资源配置和用水结构影响，地下水水位仍在大幅下降。

5.止跌回升期（2016年至今）

2014年中央一号文件明确提出“开展华北地下水超采漏斗区综合治理”，随后财政部、水利部、原农业部、原国土资源部四部委联合部署河北省地下水超采综合治理工作。2019年水利部、财政部、国家发展改革委、农业农村部联合印发《华北地区地下水超采综合治理行动方案》，要求系统推进华北地区地下水超采治理。借助于南水北调东、中线，通过开展实施全社会节水、引足用好外调水、农业种植结构调整、河湖生态补水、河湖库塘蓄水、地下水严格管控的“节、引、调、补、蓄、管”六大举措，京津冀地下水水位开始出现回升。北京市地下水水位连续6年回升，2021年平原区地下水平均埋深为16.39 m，比2014年同期回升9.14 m；天津深层地下水埋深由2017年的57.98 m回 升至2021年的49.06 m；河北省超采区深、浅层地下水水位同比分别回升5.12 m、1.87 m。地下水水位持续下降趋势得到初步扭转。

二、海河流域地下水现状分析

1.地下水资源禀赋差

根据第三次全国水资源调查评价成果，海河流域多年平均地下水资源量为223.54亿m3，约占流域水资源总量的48%，地下水资源量模数为8.0万m3/km2，低于全国平均值9.5万m3/km2。与第二次全国水资源调查评价成果相比，海河流域地下水资源量减少4.7%，其中平原区地下水可开采量减少11%，流域地下水资源量和平原区地下水可开采量均呈减少趋势。

2.空间分布不均

流域平原区的地下水资源量模数大于山丘区，南部大于北部，北京、天津、河南、山东大于其他省份。在一般平原区中，地处永定河与潮白河两大冲积扇交汇处的北京市，地下水资源量模数达30万～45万m3/km2；其他山前地带和中部冲积湖积平原地下水资源量模数为10万～20万m3/km2；大清河淀东河北及黑龙港运东地区，因补给和储存条件差，地下水资源量模数仅为7万～10万m3/km2。

3.采补不平衡

海河流域地下水资源91%由降水补给形成，9%由地表水体补给形成。但是自20世纪中期以来，流域总体处于枯水段，降水量少，加上地下水超采严重，流域地下水水位持续下降，先后经过了天然平衡、局部下降、全面下降、下降减缓和止跌回升的动态变化过程。目前，流域山前平原区地下水埋深大部分超过20 m，中部平原地下水淡水分布区域地下水埋深大部分超过10 m。受地下水水位下降、包气带增厚、入渗系数减小的共同影响，地下水补给量大幅减少，地表水体对地下水的补给量较第一次、第二次全国水资源调查评价分别减少13.55亿m3、3.75亿m3。

三、海河流域地下水监测工作进展

1.构建立体水文监测体系

海河流域充分发挥水文监测站网、专业技术和人员队伍优势，建设了基于卫星遥感、无人机扫描、水文站点监测和地下水自动监测的立体水文监测体系，力求监测精准、数据精确、服务精细。

全域规划站网监测体系。围绕河湖生态补水工作，每年编制《华北地区地下水超采综合治理河湖生态补水水文监测方案》，明确了包括172处河湖水文站、75处水质监测站、930处地下水监测站的综合监测站网体系，确定了监测时间、监测频次、监测手段、监测方法、成果质量等技术要求，实现对生态补水河湖的精准监测。

全面推行先进监测技术。充分利用11颗国产高分辨率遥感卫星数据，每季度对水利部实施生态补水的15条河流、7个湖泊的水面面积、补水河长、清理整治情况开展遥感分析；充分利用无人机设备，对布设的194个河湖水文站周边监测数据进行验证复核，力求做到监测精准。

全力开展巡测复核工作。自2018年开展河湖生态补水以来，先后投入监测人员150人次，累计开展500站次地表水水量巡测和400站次地下水水位复核工作，编制完成《河湖地下水回补试点巡测、监测复核报告》60期，发布调水信息日报418期，为河湖生态复苏提供了有力支撑。

2.建立地下水超采治理评估机制

进一步健全完善工作机制，创新评价方式方法，动态跟踪评价河湖生态补水情况，开展地下水水位变化预警和重点区域超采治理评估，不断提升水文服务能力，强化河湖生态环境复苏支撑。

按月跟踪评价河湖生态补水和地下水水位。每月编制《华北地区地下水超采综合治理河湖生态补水水文监测简报》，对水利部确定实施生态补水的15条河流和7个湖泊的湿地补水量、水质情况和地下水水位进行动态分析。每月编制《华北地区地下水超采区地下水水位变化预警简报》，对华北地下水超采区33个地市级行政区、149个行政县开展地下水水位变化预警分析，并为南水北调东、中线受水区地下水压采评估等超采治理工作提供技术支撑。

按年度定期评估地下水超采治理情况。以京津冀平原区为工作单元，充分利用地下水自动监测数据和长系列人工监测数据，从时间尺度上刻画地下水水位变化过程，从空间尺度上刻画超采区分布情况，开展超采面积和漏斗变化情况对比。以华北地下水超采治理区为评估区域，联合相关单位开展华北地区地下水超采综合治理行动年度总结评估，对重点领域节水、农业种植结构调整、多渠道调水补水、严格管水等超采治理措施进行评估，支撑海河流域地下水超采区划定、“十四五”京津冀重点区域地下水超采治理与保护方案制定等工作。

3.建设地下水超采治理信息系统

按照《华北地区地下水超采综合治理行动方案》确定的治理目标以及5大重点治理行动、18项具体任务措施，以“一张表、一套图、一个清单、一个系统”的评估体系为核心，梳理300多项治理指标和7大类监测数据，采用B/S架构，开发信息采集、数据中心、支撑平台、业务应用等功能模块，构建了华北地区地下水超采综合治理信息管理系统，基于移动端和网页端，实现了对京津冀3省（直辖市）、11个地市、149个县（区）总面积约8.7万km2地下水超采区“节”“控”“调”“管”指标等数据的动态监测、分析评价和综合管理。

四、海河流域地下水监测的后续重点工作

结合流域“四个统一”新要求，将对照《华北地区地下水超采综合治理行动方案》确定的全面实现地下水采补平衡和水资源开发利用率进一步降低的总体目标，进一步加快地下水监测站网建设，着力提升地下水“四预”能力，不断加强地下水基础研究，全面提高水文支撑服务能力水平，为实现海河流域地下水采补平衡和河湖生态复苏提供强有力的支撑和保障。

1.推进地下水监测站网建设

紧密结合地下水超采综合治理和河湖生态复苏等业务需求，统筹水文地质单元和行政区划管理要求，强化地下水监测站网建设。在行政区域方面，实现流域318个县级行政区地下水监测站点全覆盖，平原区站网密度达到12～18站/1 000 km2，山丘区站网密度达到8～12站/1 000 km2。在地下水超采区方面，以控制地下水降落漏斗为目标，在保定、邢台等大型漏斗的中心区、过渡区、边缘区加密布设监测站点，站网密度提高到30～60站/1 000 km2，实现对地下水超采区水位的动态监控。在生态功能区方面，重点在滹沱河、滏阳河和南拒马河等生态补水河流左右岸两侧，白洋淀、七里海等湖泊（湿地）岸线周边10 km范围内加密布设监测站点，站网密度达到30站/1 000 km2，形成完整统一、科学合理的海河流域国家级地下水自动监测站网体系。

2.提升地下水“四预”能力

对照数字孪生流域及数字孪生工程建设的总体要求，以服务华北地区地下水超采综合治理为首要目标，深化地下水业务系统“四预”建设。在预测预报方面，深入研究地下水运动规律，推进建设海河流域平原区、雄安新区、沧州地区地面沉降区和河湖生态补水区的地下水数值模型及统计模型，细化源汇项精度，实现不同尺度水文地质单元、流域区域单元的水均衡模拟和水位预测预报功能，提高地下水水位预测预报的准确性。在预警预演方面，推进建设面向超采区动态评估、“双控”管理、生态补水等场景的流域地下水预警系统平台。选择典型生态补水河流构建生态补水区数字孪生底板，以“一张图”形式展示生态补水区时间维度、空间维度的地下水态势变化信息，实现对补水区动态的立体监测和精准展示，为刻画补水区地表地下细节、呈现地下水流场特征、推演地下水水位未来趋势变化提供综合信息载体。

3.加强地下水基础研究

以华北地区地下水超采治理为契机，结合国家自然科学基金项目《超采区地下水循环演变机理及多水源调控研究》等科研项目，加强地下水科学研究。

在地下水超采评价方面，综合国内外地下水超采评价技术理论体系，组织编制《地下水水位降落漏斗评价技术指南》《地下水动态分析评价技术指南》《地下水水位变化预警技术指南》，细化实化地下水状况的评价指标、评价标准、评价方法以及评价程序，精准支撑地下水超采区治理监管工作。

在河湖生态补水方面，针对《“十四五”华北地区河湖生态环境复苏行动方案》明确的48处河湖，加大空、天、地遥感技术应用力度，强化动态监测、遥感影像解译、数值模拟等定量与定性分析结合，加强补水前后河道形态与生态、河道水量与水质、地下水水位与水质变化对比分析研究，助力复苏河湖生态环境，实现河湖功能永续利用。

在水资源优化配置方面，按照地下水取水总量、水位“双控”管理要求，从维持地下水合理水位和调蓄空间角度，把握区域水文地质情况和地下水系统水动力特征，深入研究环境变化背景下海河流域水文特征演变规律，支撑海河流域地表水、地下水、外调水和再生水等多水源水量平衡及优化配置，全面提升海河流域水资源集约节约安全利用水平。