海河平原区浅层地下水位健康修复目标研究

刘 蓉，赵 勇，王庆明，何 鑫，马梦阳，陆垂裕

(1.天津大学 水利工程仿真与安全国家重点实验室，天津 300072；2.中国水利水电科学研究院 流域水循环模拟与调控国家重点实验室，北京 100038)

1 研究背景

地下水是稳定生态系统的重要因素，也是水循环系统的重要组成部分，地下水位波动变化会直接或间接地影响整个水文循环过程，也会影响经济社会发展。海河平原区自1980年开始大规模开发利用地下水，导致地下水超采严重，生态环境不断恶化。近年来，国家开始加大地下水修复治理工作，河北省地下水超采综合治理三年试点、华北地区地下水超采综合治理行动、国家节水行动、引江引黄生态补水工程等一系列措施相继实施，海河平原区地下水位下降态势初步得到缓解，局部地区水位开始回升[1]。地下水修复并不是简单地追求地下水位恢复原状，水位过高或过低都会对生态造成影响。因此，对现状地下水位健康状况进行诊断，查清地下水位是否适宜，确定未来地下水位回升和控制的目标，摸清现状地下水位的适宜开采区和重点限采区，是地下水修复工作的重要基础。在此背景下，确定合理的浅层地下水位修复目标十分迫切。

张长春等[2]提出生态地下水位的概念，并将生态地下水位作为地下水位修复和调控目标，生态地下水位通常是指能够维持生态良性状态，不造成生态恶化的地下水位，类似的还有控制性水位[3]和临界水位[4]等概念、目前相关研究在西北干旱及半干旱地区应用最为广泛[5-6]，其内涵主要指能维持植被生态健康的地下水位。相比西北地区，海河平原区生态环境问题更为复杂和特殊，除土壤水盐对植被生态影响外，还需考虑地表—地下水体之间的相互联系、含水层的调蓄能力等问题，但现有研究主要是考虑土壤盐渍化、山前平原含水层调蓄能力等生态问题[7-9]。

海河平原区作为强人类活动典型区域，地下水位修复目标不仅需要考虑生态环境效应，还需要考虑城市建筑物安全、经济社会可持续发展等问题。本研究将在现有研究基础上，提出适用于海河平原区的健康地下水位概念，并通过建立区域尺度上兼顾地下水多功能属性的空间分布式健康地下水位量化方法，确定海河平原区健康地下水位上限和下限空间分布。

2 健康地下水位内涵

2.1 健康地下水位概念与特征健康地下水位指能够满足地下水在资源、生态、地质环境、建筑物安全等方面的各项功能，并能保持功能间相互协调平衡的地下水位。健康地下水位有如下特征：(1)健康地下水位必须满足对地下水依赖型生态系统的支撑，且不引发地质环境灾变；(2)健康地下水位能在保障地下水生态、地质环境功能的基础上，最大限度实现地下水的资源功能，支撑经济社会发展；(3)受气候、水文地质、地理、经济发展等多方面条件影响，健康地下水位在时间与空间上差异化分布。

2.2 健康地下水位功能分类随着地下水位不断下降，可能造成以下不利影响：①地下水补给地表水的水量减少，补给方向发生反转，严重情况下地表水和地下水相互联系被完全中断，地表水体在非汛期难以维持其生态基流量发生断流[10-11]；②补给入渗系数随地下水埋深先增大后减小，地下水埋深增大形成的深厚包气带造成地下水补给显著减小[12]；③地下水下降造成滨海地区地下水动力条件发生改变，破坏地下淡水与海水之间的动态平衡，导致海水沿含水层向内陆扩散，造成海水入侵[13-14]；④地下水埋深的增加对地表植被造成影响[15]，一方面会造成部分完全依赖地下水生长的天然植被消失，另一方面会造成种植作物灌溉需水量增加。

但随着地下水位下降，也会带来一些有利影响：①地下水埋深是影响土壤水盐运动的重要影响因素，地下水埋深的增大对于土壤盐渍化的防范无疑是有利的[16]；②潜水蒸发量随地下水埋深增加而逐渐减小直至为零，适当的地下水位下降会降低地下水排泄量，增加有效补给量[17]；③海河平原是北京、天津、石家庄等重要城市群所在地，城市地下工程与建筑物众多，浅层地下水位适度下降对于满足城市建筑物抗浮设防水位要求、保证地下建筑物安全有利[18]；④对于山前平原，适当的地下水位下降一方面改变了侧向径流补给条件，增加地下水补给量[19-20]，另一方面可以腾空地下水库容，增加含水层调蓄能力，减少雨洪灾害。

基于上述分析，本研究将健康地下水位分为以下几种类型：第一类为上限地下水位，包括控制盐渍化地下水位、城镇建筑物安全地下水位、含水层调蓄地下水位；第二类为下限地下水位，包括维持地表水体健康地下水位、遏制海水入侵地下水位、植被健康地下水位；地下水最大补给能力水位既属于下限健康地下水位，也属于上限健康地下水位。

图1 健康地下水位功能分类

3 区域健康地下水位量化方法

3.1 各功能健康地下水位确定方法研究涉及7类不同功能健康地下水位，部分已有较为成熟的研究方法和研究结果，本研究重点对控制盐渍化地下水位、城镇建筑物安全地下水位、维持地表水体健康地下水位的量化方法进行研究，其它4类功能健康地下水位则采用已有研究方法或成果进行量化(表1)，具体量化方法见下文。

表1 各功能健康地下水位量化方法

(1)控制盐渍化地下水位。控制盐渍化地下水位是指非汛期防止土壤表层积盐量危害作物生长的最高地下水位，表层积盐量不能超过作物耐盐度临界值[2]。确定控制盐渍化地下水位需要综合考虑研究区土壤质地、地下水矿化度条件，有关研究多采用试验观测法[22]、数值模拟法[22]等进行确定。《华北平原土壤》[23]提出了不同土壤质地和矿化度对应的防治土壤盐渍化的地下水临界埋深。本研究将采用统计法分析研究区发生盐渍化区域的地下水埋深、矿化度、土壤质地情况，并根据统计分析结果进一步完善细化防治土壤盐渍化的地下水临界埋深，相关统计分析结果在第3节结果分析中进行详细描述。

(2)城镇建筑物安全地下水位。对于城市区，地下水位波动变化造成的最大威胁是影响建筑物基础安全设防和防渗，具体表现在：当地下水位过高时，浸没在地下水位线下的承载土层，将失去由毛细管应力或弱结合水所形成的表观凝聚力，使承载力降低；同时，水位上升后水的浮力作用也会降低地基的承载力。城镇建筑物安全地下水位需要考虑建筑物的设防和防渗标准，参考以前和现行实施的抗浮和防渗设计标准，当地下水位不超过建筑物底板深度时，基本能保证现有建筑物的设防和防渗安全。研究根据不同城市规模地下建筑物的密度、深度、重要度，可将城市区划分以下不同等级，并根据调查现有建筑物地基深度和防渗标准[18]，确定了满足不同等级城市的建筑物安全地下水位(见表2)，其中沿海城市因海水入侵风险较大，其城市建筑物安全地下水位标准需单独考虑。

表2 海河平原区不同城镇等级及城镇建筑物安全地下水位

(3)维持地表水体健康地下水位。河流生态基流量指维系和保护河流最基本生态功能不被破坏，必须在河道内保持的最小水量[24]，对于支撑水体中水生生物生存、繁衍、生物群落等功能，维持区域水系连通性有重要意义。按照地表-地下水补排关系，对于存在地表径流的区域，地下水位的生态目标应是维持地下水与地表水健康的水力联系，保障河道中地表径流量不低于河流生态基流量，对应的地下水位即为维持地表水体健康地下水位。

如图2所示，维持地表水体健康地下水位与河流生态基流量水位一致。河流基流水位不仅与河流生态基流量相关，还与河流断面、地形地势等因素相关，在空间上具有较大差异性。本研究通过水文控制站点的生态基流深，估算无径流-水位监测数据的河流断面的地表水体健康补给地下水位：

图2 维持地表水体健康地下水位

(1)

式中：H水体为维持地表水体健康地下水位；H上站基和H下站基和分别为上游和下游的水文控制站点的生态基流水位；L上站基和L下站基分别为上游和下游的水文控制站点的河底高程；L基为所求断面的河底高程。其中水文控制站点河流生态基流量采用Tenant法来估算，该方法是基于河流断面数据分析后，设定河道流量的最低下限为多年平均径流量的10%，若径流量低于10%，则河流生态健康将得到迅速恶化。H站基则根据各个控制水文站点径流-水位曲线确定。

(4)地下水最大补给能力水位。地下水的有效补给曲线(降雨入渗-潜水蒸发)变化规律如图3所示，当降水特征、下垫面、包气带岩性等相对不变时，存在一个能使地下水获得最大有效补给量的水位。通过分析研究区降雨入渗和潜水蒸发试验观测数据，可确定平水年条件下，不同土壤性质对应的地下水最大补给能力水位。

图3 德州站入渗-蒸发-埋深曲线[2]

(5)植被健康地下水位。除了土壤含盐量，地下水位还通过影响土壤含水量进而影响植被生长。植被可分为天然植被和人工作物，对于天然植被，其对地下水位的依赖程度大致可以分为完全依赖降雨型、季节性依赖地下水型等四种类型(图4)。对于人工种植作物，地下水位对其影响分为以下两种：①旱地，除降雨量等其他因素外，地下水位通过影响土壤含水量进而影响作物耗水量，相对来说，地下水位越高对作物生长越有益；②水浇地，地下水位会直接影响到灌溉用水量，地下水位越高，作物对灌溉水量的需求越少，这对于减少地下水开采有利。可通过植被生长试验、生态模拟分析法[15]确定植被健康地下水位。

图4 植被-地下水位依赖关系

(6)遏制海水入侵地下水位。海水入侵是指地下水动力条件发生改变，使淡水与海水之间的平衡状态遭受破坏，引起海水沿含水层向陆地方向侵入，淡水资源遭到破坏的过程和现象[14，25]。因此，可通过分析咸淡水稳定界面水力平衡确定该功能的地下水位。吉本(Gyben)和赫尔兹伯格(Herzberg)提出的咸淡水稳定界面的静水压力平衡模式可简化为：

hs=40hf

(2)

式中：hs为咸水楔形体咸淡界面低于平均海平面的深度；hf为淡水水头。

当hs≤40hf，即hf≥hs/40时，淡水压力大于海水压力，此时不会发生海水入侵。因此遏制海水入侵的临界潜水位为hs/40。

(7)含水层调蓄地下水位。山前冲洪积扇卵砾石区带以及冲积扇中粗砂含砾石区带是天然的理想储水空间，在汛期来临之前，合理调节该区域地下水位，既能降低汛期洪水风险，又能将雨洪资源转化为地下水资源以供非汛期使用。在实际地下水库设计经验中，保留含水层厚度1/3的水位一般作为地下水库设计的死水位，可参考该水位作为含水层调蓄地下水位。

3.2 兼顾多功能属性的分布式健康地下水位区域生态问题复杂多变，空间异质性强，地下水相关的生态问题相互叠加。为满足地下水多种功能要求，本研究建立了区域尺度上兼顾地下水多功能属性的空间分布式健康地下水位确定方法，主要通过以下步骤实现。

(1)对研究区进行网格划分，一般划分为2 km×2 km网格单元。

(2)根据每个网格的土壤性质、矿化度、土地利用类型等本底条件确定其对应的七个功能地下水位，无需考虑的功能地下水位不赋值。

(3)健康地下水位上限值主要由控制盐渍化水位、城镇建筑物安全地下水位、含水层调蓄地下水位、地下水最大补给能力水位确定。本研究将使用埋深进行实际计算，网络单元健康地下水位上限埋深由下式确定：

D上=Max(D盐，D城，D调蓄，D补给)

(3)

式中：D上为健康地下水位上限埋深；D盐为控制盐渍化地下水埋深；D城为城镇建筑物安全地下水埋深；D调蓄为含水层调蓄地下水埋深；D补给为地下水最大补给能力埋深。

(4)健康地下水位下限值主要由维持地表水体健康地下水位、遏制海水入侵地下水位、地下水最大补给能力水位、植被健康地下水位等确定。单纯由以上几种功能地下水位确定健康地下水位下限可能造成下限埋深高于上限埋深，如城市-河流叠加区，根据维持地表水体健康地下水位确定的下限埋深一般高于D城，显然不合理。因此，单元健康地下水位下限埋深由下式确定：

(4)

式中：D下为健康地下水位下限埋深；D水体为维持地表水体健康地下埋深；D海为遏制海水入侵地下水埋深；D植被为植被健康地下水埋深。

(5)若步骤(3)(4)每个单元赋值的健康地下水埋深缺乏连接性，不符合地下水位分布连续的客观规律，则需对步骤(3)(4)得到的栅格数据进行重新采样和插值。

4 研究区概况

本文研究区范围为海河平原区(图5(a))，具体指海河流域片的平原区域，包括北四河下游平原、滦河及冀东平原、大清河淀东平原、大清河淀西平原、子牙河平原、黑龙港及运东平原、徒骇马颊河平原、漳卫河平原8个三级区。研究区属于半湿润-温带季风气候区，该地区地下水主要赋存于第四系含水组，根据岩性特征、沉积年代、含水层和隔水层分布以及水动力条件，自上而下可划分为4个含水组(含水组Ⅰ至Ⅳ)，浅层地下水一般指山前平原的第Ⅰ和第Ⅱ含水组、中部和滨海平原的第Ⅰ含水组。海河平原水资源供需矛盾突出，为维持经济社会发展，不得不长期对地下水进行超采，致使地下水位持续下降，1959—2019年的浅层地下水位变差图如图5(b)所示，山前平原一带浅层地下水位下降最为严重，各浅层地下水漏斗面积不断发展，漏斗界限逐渐消失，逐步形成复合型超大漏斗[26]，唐山、石家庄、北京西南郊、保定等地由于地下水超采导致的地下水含水层疏干面积已达1.05万km2以上[27]，对地下水资源可持续性利用产生严重影响，制约了区域经济社会发展。

研究区自西向东可划分为：山前平原、中部平原、滨海平原(图5(c))。山前平原区由各个河流的冲洪积扇连接而成，以砂砾层为主，透水性较好，地下水埋藏较深，主要接受基岩裂隙水、来自山区的雨洪水以及降雨入渗补给，是平原区主要地下水补给带，该区域地表-地下水交互强烈，既需要考虑非汛期地下水对地表水的补给能力，也需考虑汛期需增大含水层调蓄能力，减小洪水灾害；中部平原，由海河、滦河等水系冲积物组成，该区土地利用以耕地为主，且地下水矿化度较高容易发生盐渍化，需着重考虑土壤含水量和含盐量的平衡，其次，河流、湖泊等地表水体的生态健康也需被考虑；滨海平原，沿渤海湾呈半环状分布，该区域淡水与海水交互频繁，地下水矿化度较高，海水入侵与土壤盐渍化问题严重。此外，研究区城市建筑物密集，地表径流错综复杂，浅层地下水矿化度(图5(d))和土壤质地(图5(e))空间异质性强，确立地下水修复目标需综合考虑这些特征。

图5 研究区概况

5 结果分析

5.1 各功能健康地下水位

(1)控制盐渍化地下水位。对海河平原区1980、1990、2000、2005、2010、2018年共6期土地利用类型(提取盐碱地分布)、土壤矿化度、土壤质地、地下水埋深空间分布数据进行统计分析，结果表明：①土壤质地类型是发生盐渍化的先决条件，1980—2018年海河平原区土壤质地构成比例和发生盐渍化区域土壤质地构成比例如图6(a)所示，海河平原区全区域的壤土、黏壤土、黏土占比均小于发生盐渍化区域的该类型土土壤占比，而海河平原全区域的砂土占比远大于盐渍化区的砂土占比。其中海河平原全区域壤土占比73%，与此相比发生盐渍化区域的壤土占比增加了13%，为86%。显然，壤土发生盐渍化的风险最高，其次依序是黏壤土、黏土和砂土；②地下水矿化度是影响盐渍化的重要因素，1980—2018年海河平原区浅层地下水不同矿化度占比和发生盐渍化区域矿化度占比如图6(b)所示，发生盐渍化区域地下水矿化度>3 g/L的比例远大于全区域。当矿化度>3 g/L后，产生盐渍化的风险显著升高，矿化度<2 g/L时，盐渍化的风险较低；③地下水埋深是发生盐渍化的决定性条件，1980—2018年发生盐渍化区域地下水埋深分布情况如图6(c)所示，发生盐渍化区域地下水埋深主要为0～6 m。地下水埋深越浅，盐渍化风险越大，据统计海河平原83%的盐碱地地下水埋深小于4 m。

图6 1980—2018年土壤盐渍化与土壤质地、地下水矿化度、地下水埋深统计关系

确定控制盐渍化地下水位需要综合考虑研究区土壤质地、地下水矿化度等条件，当土壤质地、矿化度相对不变时，可通过控制地下水位防止盐渍化发生。基于上述土壤盐渍化与土壤质地、地下水矿化度、地下水埋深的统计分析结果，结合《华北平原土壤》依据实验观测数据和经验理论提出的防止土壤盐渍化地下水临界深度研究成果，确定了海河平原区不同土壤质地和水质条件下防止土壤盐渍化的临界埋深(如表3)，浅层地下水矿化度<1 g/L的区域可认为无盐渍化风险。结合海河平原浅层地下水矿化度与土壤质地分布，绘制了海河平原控制盐渍化地下水埋深空间分布如图7(a)所示。

表3 防止土壤盐渍化的地下水临界埋深

(2)其它各功能健康地下水位空间分布。海河平原其它各功能健康地下水埋深空间分布如图7所示：①城镇建筑物安全地下水位，依据城市等级划分法，北京、石家庄、雄安新区为Ⅰ类城市，保定、沧州、衡水等地级市为Ⅱ类城市，其它县级市区为Ⅲ类城市，天津为沿海城市区，绘制海河平原该功能型地下水埋深分布为图7(b)所示；②维持地表水体健康地下水位，主要考虑海河平原4级及以上河流的H水体，且沿河流两岸建立5 km缓冲带为维持地表水体健康地下水位补充区。经计算发现，海河平原区维持地表水体健康地下水埋深由山前平原向东部逐渐减小，山前平原主要集中于8～15 m，中部平原为5～10 m，滨海平原为3～8 m，其空间分布如图7(c)所示；③地下水最大补给能力水位，基于前人大量实际监测统计资料[28]，确定海河平原区不同类型土壤质地可获得最大有效补给量的地下水埋深：砂土为2～3 m，壤土为3～4 m，黏土为4～6 m，绘制海河平原该功能型地下水埋深分布如图7(d)所示；④植被健康地下水位，与干旱区不同，海河平原区植被对地下水埋深依赖程度较低，其中天然植被分布较少且降水形成的土壤水足以支撑大多数植被生长，农作物则主要依赖降水和灌溉，因此，海河平原区无需建立植被健康地下水位；⑤遏制海水入侵的临界潜水位为hs/40，滨海平原区沿海地带潜水含水层厚度基本不超过100 m，若能保证潜水位大于2.5 m，则基本不会发生海水入侵，结合研究区DEM，绘制遏制海水入侵的地下水埋深分布如图7(e)所示；⑥含水层调蓄地下水位，划定太行山前砂砾平原为含水层调蓄区域，依据含水层厚度，确定海河平原含水层调蓄地下水位埋深为10～20 m，其空间分布如图7(f)所示。

图7 海河平原区各功能健康地下水埋深分布

5.2 区域健康地下水位海河平原区健康地下水位上限埋深空间分布如图8(a)所示，从东部沿海向山前平原区，埋深逐渐增大，东部沿海地区上限埋深为2 m左右，中部平原上限埋深以3 m左右为主，城市区上限埋深为6～8 m，山前地区地下水上限埋深为8～10 m。海河平原区健康地下水位下限埋深空间分布如图8(b)所示，东部沿海地区主要生态问题为海水入侵，其下限埋深为0～2 m，中部平原区大部分下限埋深为3～5 m，城区所在区域下限埋深主要为8～10 m，山前地下水库容调蓄区下限埋深主要为10～20 m。

图8 海河平原区健康地下水埋深(单位：m)

5.3 现状地下水位健康程度诊断健康地下水位不仅是未来地下水位修复目标，也是对现状地下水位健康程度诊断的重要依据。研究基于海河平原区现状浅层地下水埋深分布(2019年埋深)，对研究区浅层地下水位健康状态进行诊断，并依据表4所示的分区原则进行地下水管理分区(图9)。

图9 海河平原区地下水管理分区

表4 海河平原区地下水管理分区

(1)浅层咸水区。现状地下水埋深高于健康上限埋深值，埋深超过上限值0～2 m，主要分布于天津一带和沧州东部地区，面积达10 788 km2，占总面积8.4%。该区域大部分位于地下水咸水区，适当增加地下水埋深，有利于控制盐渍化危害。

(2)采补平衡区。天津、沧州、滨州等环滨海一带地下水埋深处于健康埋深上下限范围之内，面积达25 829 km2，占总面积20.0%，是较为理想的地下水埋深。建议该区域保持地下水的采补平衡，维持地下水健康水位。

(3)一般限采区。廊坊、衡水、德州等中部平原及滨海沿海一带地下水埋深普遍低于健康下限埋深值0～10 m，面积达48 808 km2，占总面积37.8%，是地下水超采状况分布最广的区域，也是未来能率先回归健康地下水位的区域。建议该区域适当减少地下水开采，保证地下水稳步回升。

(4)重点控采区。保定、石家庄、邢台、邯郸、安阳等山前平原一带，现状地下水埋深距健康下限埋深有较大差距，地下水修复任务艰巨。低于健康地下水下限埋深10～20 m的区域可认定为重点控采区，面积达17 566 km2，占总面积13.6%。该区域地下水位现状埋深不容乐观，应严格限制地下水开采。

(5)严格限采区。低于健康地下水下限埋深20 m以上的区域为严格限采区，其中低于下限埋深20～30 m的区域面积达17 474 km2，占总面积13.5%，低于下限埋深30 m以上的区域面积达8708 km2，占总面积6.7%，该区域部分地区现状地下水埋深较健康地下水下限埋深差距可达60 m。该区域需要加强地下水管理，增加生态补水，确保地下水位尽快回升。

6 结论

本研究基于地下水位的生态属性与自然资源属性，提出了健康地下水位概念和内涵，以海河平原区为研究区，确定了研究区地下水位健康修复目标，并对现状地下水位健康状态进行诊断。(1)按照浅层地下水生态要求，健康地下水位可分为维持地表水体健康地下水位、控制盐渍化地下水位等7类。在现有研究基础上，采用统计分析、实践调查、机理研究等方法对各功能型健康地下水位临界阈值进行量化。(2)建立了区域尺度上兼顾地下水多功能属性的空间分布式健康地下水位确定方法，给出了海河平原区健康地下水埋深上限和下限空间分布图。依据健康地下水位对海河平原现状地下水位健康程度进行诊断，划定了浅层咸水区、采补平衡区、一般限采区、重点控采区、严格限采区范围。(3)本研究确定的区域健康地下水位为理想修复目标，落实实际管理中还应结合行政区划分、经济社会发展等条件，确定符合实际管理和发展要求的分行政区健康地下水位和阶段性健康地下水位。