长江流域主要支流地下水资源特征分析

贾建伟 王立海 王栋

摘要：合理的地下水资源特征分析及开采潜力评估是科学管理和维护地下水资源系统稳定的重要前提。选取了长江流域内21个主要支流，以2001～2020年最新观测数据为基础，采用补给法和排泄法计算了各支流不同类型地下水资源量，并对总量进行了相应统计，最终结合现状地下水开采量，分析了不同支流的开采潜力。结果表明：长江上游支流平原区地下水资源模数显著大于中下游支流，中游支流略小于下游;山丘区地下水资源量及地下水资源总量模数自上游向下游整体呈现增加趋势。综合来看，长江上中游主要支流的地下水资源开采程度大于下游，全流域地下水开采程度整体较低，具有较大的开采潜力。

关 键 词：地下水资源; 时空分布; 开采潜力; 补给法; 排泄法; 长江流域

中图法分类号：  TV211.1+2

文献标志码：  A

DOI： 10.16232/j.cnki.1001-4179.2022.03.016

 0 引 言

地下水作为全球水资源的重要组成部分，不仅有助于维持地表植被、湖泊及湿地等生态系统的良性循环，还对其所处的地质环境具有保护和支撑作用  [1-4] 。近年来，由于气候变化和人类活动的双重影响，中国地下水资源时空特性发生了显著变化  [5-7] ，部分区域甚至出现了严重的地下水超采和污染问题，给地区水资源科学管理及居民用水安全带来了巨大的挑战  [8-11] 。因此，有必要采用科学手段，定性且定量地评估地下水资源量的时空分布规律，以便为制定有效的水资源保护及配置方案提供理论支撑  [12-15] 。

目前，针对地下水资源时空分布特征已有大量研究。如王宇系统梳理了云南省地下水资源特征及开发利用现状，并针对水资源及环境系统中存在的问题提出了相应的解决对策  [16] ;甘雨等采用地下水综合潜力评价方法系统地评价了甘肃省民勤盆地的地下水资源量开采潜力  [17] ;刘花台等定量分析了西北地区1945～1996年地下水资源量的空间分布特征，并探讨了地下水资源演变趋势及原因  [18] ;孙才志等评价了山西省黄河流域地下水资源分布特征及开采潜力，并结合经济发展趋势分析了该地区的用水对策  [19] ;焦团理等在水文地质条件基础上，结合生态环境约束法分析了安徽省地下水资源可开采量的空间分布特征  [20] ;丁志立等  [21] 依据1980～2000年相关数据，综合考虑地形、地貌、水文地质条件等因素，对长江流域内地下水资源分布特征进行了相应分析。然而，上述成果大都是基于2000年以前实测数据成果，且研究区域较为局限，已难以满足地下水资源现状管理需求。因此，有必要结合新的观测资料，重新评估地下水资源量的空间分布规律。

为揭示长江流域地下水资源量的空间分布规律，本文选取了流域内21个主要支流，依据所属各省水利厅汇编提供的2001～2020年分析成果，分别采用补给法和排泄法计算其平原区及山丘区的地下水资源量，并综合两者来确定对应的地下水资源总量。在此基础上，结合各支流地下水开采现状，综合分析了其地下水开采潜力，为长江流域地下水资源的合理开发利用及治理保护提供了重要的科学依据。

1 计算方法

1.1 平原区地下水资源量计算

平原区地下水资源量采用补给量法计算，同时需计算排泄量，以进行水均衡分析。地下水补给量包括降水入渗补给量、山前侧向补给量、地表水体入渗补给量、井灌回归补给量及其他补给量，排泄量则包括了地下水实际开采量、潜水蒸发量、侧向流出量、河道排泄量及湖库排泄量，后三者分别与补给项的山前侧向补给量、河道渗漏补给量及湖库渗漏补给量存在互逆关系。

确定计算单元的各项补给量和排泄量后，需进行水均衡分析，以检驗各项补给量、排泄量及地下水蓄变量计算成果的可靠性，具体公式如式（1）所示。

X=Q  总补 -Q  总排 - Δ W δ=X/Q  总补 ×100 %    （1）

式中：Q  总补 ，Q  总排 ， Δ W和X分别为多年平均地下水总补给量、地下水总排泄量、地下水蓄变量和绝对均衡差。δ为多年平均相对均衡差，当 δ ≤15 % 时，各计算单元对应补给项和排泄项即认为合理;当 δ >15 % 时，则需对各计算单元的补给项和排泄项重新核算。

当满足上述条件后，将分析单元范围内所有计算单元的各补给项及排泄项相加，作为该分析单元的补给总量和排泄总量。最终，将地下水补给总量扣除井灌回归补给量即为对应分析单元的地下水资源量。

1.2 山丘区地下水资源量计算

山丘区多年平均地下水资源量采用排泄法计算，并以总排泄量表示地下水资源量。山丘区排泄量包括天然河川基流量、实际开采量、潜水蒸发量、山前侧向流出量、山前泉水溢出量及其他排泄量。其中，天然河川基流量是指河川径流量中由地下水渗透补给河流的水量，可采用水文比拟法进行计算;实际开采量是指发生在山丘区内的浅层地下水实际开采量，一般以调查统计值为基础，进行合理分析后确定;山丘区潜水蒸发量主要指发生在未划入平原区的、面积较小的山间河谷阶地内的蒸发量，可通过潜水蒸发系数估算;山前侧向流出量是指山丘区地下水通过裂隙、断层破碎带或溶洞以地下潜流的形式直接向平原区排泄的水量，与平原区的山前侧向补给量相对应;山前泉水溢出量是指山丘区与平原区交界线附近以泉形式溢出的水量，一般可采用单泉公式法计算  [22-23] 。

最终，将分析单元内所有计算单元的各项排泄量相加，作为该分析单元的排泄总量，并在其基础上确定各分析单元的山丘区地下水资源量。

1.3 分区地下水资源量计算

当分区单元均为单一平原区或山丘区时，则该分区单元地下水资源量无重复计算量;而当分区单元同时包括平原区和山丘区两种地下水类型时，进行地下水资源量计算时需要从平原区和山丘区地下水资源量之和中扣除两者重复计算量，如式（2）所示。

Q  分区 =Q  平原区 +Q  山丘区 -Q  重复  （2）

式中：重复计算项主要由两部分组成：① 平原区的山前侧向补给量，该部分水量作为排泄量计入了山丘区地下水资源量中;② 平原区地表水体中由山丘区河川基流量组成的部分。两者重复计算量可用式（3）进行计算。

Q  重复 =Q  侧补 +Q  基补  （3）

最终，依据分区单元的地下水资源量成果，可统计流域内主要支流的地下水资源量。

1.4 可开采量计算

地下水可开采量是指在一定时期内，保证经济合理、技术可行且不引起生态环境恶化的前提条件下，从地下含水层中获取的最大水量，具体计算公式如式（4）所示。

W  可开采量 = min （W  总补给量 - Ω ·W  不允许袭夺排泄量 ，0.9W  总补给量 ） （4）

式中：W  总补给量 ，W  不允许袭夺排泄量 为采用分析单元的地下水资源量成果; Ω 为不允许袭夺系数，长江流域一般取0.4～0.6。

2 主要支流地下水资源量

2.1 平原区地下水资源量

平原区作为长江流域内地下水资源富集区，是地下水源工程取水的主要来源，本文采用补给量法计算了岷江、汉江、黄浦江等8个主要支流的地下水资源量，如表1所列。其中，补给量数据包括降水入渗补给量、山前侧向补给量、地表水体补给量、井灌回归补给量，排泄量数据包括实际开采量、潜水蒸发量、河道排泄量、侧向流出量、湖库排泄量，所有数据均由流域所属的省水利厅汇总提供。从平原区2001～2020年地下水资源模数来看，长江上游支流岷江、沱江及嘉陵江的地下水资源模数要显著高于中下游，对应数值均超过了39.0万m 3/km 2，其中嘉陵江地下水资源模数最大，为42.4万m 3/km 2。长江中游支流汉江及清江的地下水资源模数略小于长江下游，其中汉江地下水资源模数最小，仅为18.7万m 3/km 2。

从平原区地下水来源方面来分析，长江上游主要支流的地下水主要来源于地表水体补给，该项补给量超过了各支流地下水总量的50%，其次是降水入渗补给量，而山前侧向补给量及井灌回归补给量均可忽略不计。长江中下游支流的地下水来源较之上游更为复杂，其主要组成项是降水入渗补给量，该项补给量超过了各支流地下水总量的70%，其次是地表水体补给量及山前侧向补给量。而对比中、下游各支流，可发现两者地下水来源差异主要在于井灌回归补给量，汉江流域部分地下水由该项补给量组成，而下游对应的井灌回归补给量均可忽略不计。究其原因，主要是因为汉江流域内河南省及陕西省部分地区农田灌溉量较大，导致该项补给量较为凸显，而下游流域农田供水主要来源于降水。

2.2 山丘区地下水资源量

与平原区相比，长江流域山丘区地下水资源量占比更大，其面积接近于全流域面积的93%，对应地下水资源量更是超过总量的90%，是全流域地下水资源的主要组成部分。本文采用排泄法计算了20个主要支流的山丘区地下水资源量，如表2所列。结果表明：各支流山丘区地下水资源量几乎等于天然河川基流量，仅上游的嘉陵江、中游的汉江、下游的巢湖及青弋江水阳江计算了部分不可忽略的其他排泄量，但均不超过总量的15%。针对地下水资源模数分析，可发现各支流山丘区地下水资源模数整体处于0～33万m 3/km 2之间，其中抚河对应模数最大，为32.4万m 3/km 2，除黄浦江无山丘类型地下水外，沱江对应模数最小，仅为7.2万m 3/km 2。综合来看，上游主要支流的山丘区地下水资源模数均值为10.5万m 3/km 2，中游支流对应均值为18.2 万m 3/km 2 ，下游支流（除黄浦江外）对应均值为20.8万m 3/km 2，自上游向下游整体呈现增加趨势。

2.3 地下水资源总量

综合平原区及山丘区对应地下水资源成果，扣除两者间的重复量，统计了21个主要支流的地下水资源总量，如表2所列。整体来看，因长江流域内地下水资源以山丘类型为主，因此地下水资源总量模数的空间分布几乎与山丘区一致，自上游向下游呈现增加趋势，上、中、下游主要支流对应模数均值分别为11.2万， 18.4 万，21.4万m 3/km 2。而对比各支流山丘区与地下水资源总量的模数分布不难看出，长江上游各支流两者差异均不显著;中游仅汉江存在一定差异，两者差异程度为7.5%;下游因平原区地下水资源较为丰富，山丘区地下水资源量与地下水资源总量对应模数的差异要显著大于长江上中游，除黄浦江外，巢湖流域两者模数相差程度最大，差异程度接近32%。

与文献[21]的1980～2000年资料分析成果进行对比，结果如图1所示。近20 a来长江流域地下水资源总量基本稳定，空间分布特征未发生明显变化，上下游地下水模数差异仍然较大。其中，上游各支流地下水资源量略有下降，变化幅度多在3%以内;中游各支流中除澧水、抚河地下水资源量略微增加之外（汉江流域两次分析采用的山丘和平原区面积不同，未纳入对比），其余支流均存在不同程度的下降趋势，变化幅度在6%以内;下游各支流中黄浦江对应地下水资源量有所增加，其余支流变化程度不大。

补给法和排泄法是目前常用的平原区和山丘区地下水资源量分析方法，但分析成果仍存在一定的不确定性。地下水资源量与降水量密切相关，平原区还受包气带岩性及计算面积的影响，山丘区还受基流切割差异的影响。从流域层面来看，1980～2000年、2001～2020年两个时段平原区包气带岩性变化极小，山丘区基流切割成果差异亦较小，两次成果的差异主要是降水量自然波动的表现，本次成果更能反映现状实际情况。随着水资源刚性约束制度的建立，科学利用水资源尤其是地下水资源愈来愈重要，首要条件是摸清地下水资源现状。鉴于流域内监测设施数量少、技术手段不先进，应进一步提高地下水取水量和水位监测能力，完善地下水监测设施网络建设，以对地下水资源量进行复核，进而确定合理的总量控制目标。

2.4 开采潜力评估

地下水开采潜力评估是指通过分析研究地区现状条件下地下水盈余量（地下水可开采量与现状地下水实际开采量之差）来确定对应区域内地下水开采扩大可能性及对应增量  [24] ，通常选用地下水实际可采量与可开采量之比，即地下水开采率 K c 作为指标，如式（5）所示。

K c=W  实开 /W  可开  （5）

式中：W  实开 为地下水实际开采量，由各流域所属省水利厅提供;W  可开 为地下水可开采量，由式（4）计算确定。一般认为，当K c=1.0时，地下水资源开采达到平衡，对应的开采潜力为零;当K c<0.3时，地下水资源开采潜力极大;而当K c>1.2时，则地下水超采严重。

考虑到目前长江流域地下水资源工程取水以平原区为主，本次重点关注平原区地下水资源量的开发程度，结合开采系数法计算了8个主要支流及全流域的地下水开采率 K c （黄浦江流域地下水开采率为0），如图2所示。不难看出，长江中上游主要支流对应浅层地下水开采率均超过长江流域均值，整体处于25.0%～45.5%之间，且开采率从上游向中游呈现略微增加的趋势，以汉江流域的地下水开采率45.2%最大。而长江下游各支流地下水开采率较小，整体处于0～15%之间。结果表明：现阶段长江流域内除汉江开采量较大外，其他支流的地下水资源开采均处于较为稳定的状态，且仍具有一定的开采潜力，下游支流的地下水资源开采程度较小，均小于15%，对应开采潜力显著大于上中游。其中，汉江流域现状地下水开采率较大，主要系其一级支流唐白河流域为降水和径流深低值区，南襄盆地内工农业用水大量开采地下水资源所致。

3 结 论

本文依据长江流域2001～2020年最新观测资料，采用补给法及排泄法分别计算了长江流域内21个主要支流平原区及山丘区的地下水资源量，并统计了地下水资源总量，在此基础上结合地下水开采现状，评估了各支流对应的开采潜力，具体结论如下：

（1） 近20 a来长江流域主要支流地下水资源总量基本稳定，除澧水、抚河、黄浦江水量略有增加外，其他支流减小幅度多在6%以内;空间分布特征未发生明显变化，上中下游地下水资源模数存在明显差异。

（2） 长江上游主要支流的平原区地下水资源模数显著大于中下游，其中上游支流的地下水主要依靠地表水体补给，而中下游地下水则主要来源于降水入渗补给，中游与下游地下水来源差异主要在于井灌回归补给量的影响。

（3） 长江流域多数支流的山丘区地下水资源量几乎等于天然河川基流量，地下水资源模数自上游向下游呈现增加趋势;整体来看，地下水资源总量的空间分布特征与山丘区基本类似，仅在下游部分支流存在一定差异。

（4） 长江流域现阶段浅层地下水开采程度较低，具有较大开采潜力。其中，上中游支流的開采率自上游向中游呈现增加趋势，以汉江流域的45.2%最高，下游支流开采率显著小于上中游，对应开采潜力更大。

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（编辑：刘 媛）

Research on distribution characteristics of groundwater resources over  main branches of Changjiang River Basin

JIA Jianwei，WANG Lihai，WANG Dong

（ Bureau of Hydrology，Changjiang Water Resources Commission，Wuhan 430010，China ）

Abstract：

Reasonable analysis on groundwater resources characteristics and exploitation potentiality plays an important role in the groundwater resources management.In this paper，we evaluated the characteristics of groundwater resources for 21 main branches in the Changjiang River by using the latest observed data from 2001 to 2020.The water balance method and drainage method were used to estimate the amount of groundwater resources of flatlands and hilly areas，respectively.Finally，the exploitation potentiality of groundwater resources for each branch was evaluated based on all estimated results.The results show that the groundwater resource modules in the flatlands of the upper reaches are significantly greater than those in the middle and lower reaches，and the modules of middle reaches are the smallest around the whole Changjiang River Basin.The groundwater resource modules in the hilly areas and the whole branches increase gradually from upstream to downstream.Generally，the current groundwater exploitation level for all branches in the upper and middle reaches of the Changjiang River is greater than that in the lower reaches，and the overall extent of groundwater exploitation for the Changjiang River basin is relatively low，showing that the groundwater in Changjiang River still has great exploitation potential.

Key words：

groundwater resources;spatial-temporal distribution characteristics;exploitation potentiality;water balance method;drainage method;Changjiang River Basin