海河平原地下水超采情势及应对策略探究

孙自森 SUN Zi-sen；孙自友 SUN Zi-you

（①安阳市水资源事务中心，安阳 455000；②常州洛源智能科技有限公司，南京 211100）

0 引言

近年来，受气候变化和人类活动共同影响，在海河平原形成了世界上最大的“漏斗区”，水资源供需矛盾日益突出。海河平原水资源问题，事关首都水安全和京津冀协同发展，开展地下水超采综合治理意义重大。2014 年实施了南水北调受水区地下水压采，随后国家有关部门组织河北省开展了地下水超采综合治理试点，2017 年将试点范围扩大到山东、山西和河南。很多科研工作者也对此进行了有关研究。如，田艺民等[1]分析了黄淮海平原地下水储量与埋深变化特征；刘蓉等[2]研究了海河平原地下水累计可恢复超采量；王卓然等[3]分析了2021 年强降水对海河平原地下水动态影响；王金哲等[4]对海河平原地下水资源可持续利用前景开展了评价；方樟等[5]从水资源管理者的角度出发，提出了地下水控制性管理水位及阈值的概念与确定方法，为地下水的有效管理找到了一种新的出路。以往研究人员更多关注于地下水超采的成因及变化特征方面，而对于治理措施研究较少。本研究在分析近年来研究者对海河平原地下水超采问题研究的基础上，系统总结了超采的情势及成因，重点从工程措施方面探究了地下水超采应对策略，望有助于地下水资源保护。

1 区域水文地质概况

海河平原属华北平原的组成部分，包括北京、天津、河北三省（市）的全部平原及河南、山东两省的黄河以北平原区，即海河流域平原区，面积约13.9 万平方公里。区域地势平坦，山前平原最高海拔不超100 米，自西、北、南向渤海湾倾斜，海拔高度逐渐降低。地质构造按成因和形态分为山前冲洪积倾斜平原、中东部冲积平原和滨海冲积海积平原。地下含水层根据其埋藏条件和水力性质，自上而下划分为浅层地下水和深层承压水。区域属半湿润气候区，多年平均降水量为528mm，每年降雨主要集中在6～9 月，占全年降水量的80%左右。区域内有海河、滦河、徒骇马颊河等三大水系。近年来，区域降水量总体呈递减趋势，空间分布不均，南多北少，且存在旱涝交替现象。

2 地下水超采情势及成因

海河平原是我国地下水超采非常严重的地区之一，经历多年大规模的开采，深浅层地下水均形成了大面积降落漏斗，浅层漏斗与深层漏斗交织在一起又构成复合型地下水漏斗，由此引发了一系列地质环境问题，深层地下水位下降引起浅层地下水向下越流补给，弱透水层压缩和地面沉降，咸水下移，海水入侵等[6]。按照中国地质科学院水文地质环境地质研究所的监测情况，海河平原地下水漏斗区在20 世纪70 年代就开始呈现，进入21 世纪后，面积持续扩大，漏斗深度不断增加。虽然地下水超采治理减缓了地下水位下降趋势，但地下水降落漏斗的范围并未缩小；20世纪80 年代至2014 年西部区域浅层地下水持续快速下降，深层地下水总体呈下降趋势；2014 年南水北调中线工程通水后，西部主要城市地下水位止跌回升，但周边农业区地下水位仍呈下降趋势[7]。自1960 年以来，区域浅层和深层地下水累计超采量达1625 亿立方米，其中558 亿立方米深层承压水已不可恢复[2]。深浅层地下水已基本无开发利用潜力[8-9]。

自20 世纪70 年代以来，大量河道上游水库建成蓄水和城区河道景观建设衬砌河床，致使通过河道补给地下水能力减弱；大量盐碱地改造和农田水利设施的建设，引起地下水开采量急剧增加。受降水补给持续减少和人类活动共同影响，海河平原地下水系统长期处于采补失衡状态，其中人工开采地下水是影响区域内浅层地下水的控制因素[10]。区域总用水量中70%来自于开采地下水，而农业开采量占地下水总开采量的近80%[11]。

3 地下水超采应对策略

长期以来人们对于地下水超采治理更多偏向于压采，但引起地下水超采的原因是气候变化和人类活动共同作用的结果。在地下水超采治理中，既要通过加大水资源置换、科学建设地下水源热泵系统等减少对地下水的开采，又要充分利用雨洪资源、蓄水工程等增加补给地下水。

3.1 充分利用雨洪资源补给

暴雨洪水是一种天然优质的地下水补给源，其提升地下水位幅度主要受降雨量的区域分布差异和地下含水层组埋深、岩性结构等入渗补给条件的综合影响。地下水埋深较小的区域补给路径短、速度快，地下水位变化响应迅速；地下水埋深较大的区域补给路径长、速度缓慢，地下水位变化响应滞后。暴雨洪水汇入下游平原河道后，除了天然蒸发外，大部分可补充沿线地下水，抬升区域地下水埋深[12]。但，暴雨洪水补给地下水具有一定的选择性，易发生在冲洪积平原的河道带、汇水洼地等易积水且强入渗区域[13]。渗透系数较小的粘土类地层阻隔、地表人为硬化及地层的沉积压实都会对地下水流场产生消极影响，阻碍地下水的垂向入渗及水平方向的补给[14]，暴雨洪水不仅有利于提升浅层地下水位，而且可以缓解深层水漏斗的扩展，以及对平原地下水补给具有跨年度调节作用[15]。王卓然等[3]在研究了海河平原2021 年强降雨对地下水位的影响后，发现地下水位上升区与降水集中区、低水位区（地下水降落漏斗分布区）分布相一致，且低水位区更有利于获得持续补给。李晓峰等[16]分析了安阳市“7.19”特大暴雨洪水对安阳市东部平原区地下水的影响后，发现东部平原区地下水位和地下水资源量变化受降雨影响显著，地下水位响应程度与降雨强度成正比，可能由于受大范围强降雨影响，地下水位变幅没有沿河道向两岸形成递减的变化趋势。易积水强入渗河道、汇水洼地是天然的回灌空间，人们应以区域内干、支、斗渠和坑塘为基础，构建纵横交错的水系连通调蓄管网，通过河网的调蓄不仅快速有效地调节和控制区域内地下水位，而且又扩大了灌溉能力。

3.2 规划实施蓄水工程

海河平原年际丰枯变化大，若要保持雨洪资源持续有效补给地下水，需在入渗条件好的回灌场地，采取较长期的高水头回灌措施[17]。若要形成持续高水头水体，需在不影响河道行洪的基础上，科学建设橡胶坝、水闸等水工程。橡胶坝等水体对傍河区地下水体有明显的蓄水补源的作用，可有效增加傍河区地下水资源量[18]。河道建坝蓄水后，区域内浅层地下水得到补给，地下水位回升，区域漏斗中心面积缩小[19]，河道泄水后，区域地下水出流，地下水位降低，避免了水工建筑物受地下水侵蚀[20]。加大坝内蓄水量不仅有效提高傍河地区的地下水补给和潜水蒸发量，而且对周边区域水资源短缺有缓解作用[21]。杨霞等[22]通过分析洹河蓄水工程对地下水的影响后，认为橡胶坝的建成运行，提升了市区地下水位埋深，地下水降落漏斗面积缩小，可以有效补充地下水，抑制了安阳市浅层地下水漏斗的发展。

过去在治理河道时，注重解决防洪问题，采用传统钢筋混凝土、浆砌石等构筑防护墙，河道存在“硬化、白化、渠化”现象。只有在不做防渗处理时，河道蓄水才会引起傍河区域地下水位抬升[23]。传统治理河道方式不仅阻断了水-土之间的循环交换通道，造成入渗补源条件变差，而且降低了河流生境的多样性，使河岸生态系统功能遭到破坏。对河道的治理需要综合考虑防洪与生态功能。

3.3 加大节水和水源置换力度

海河平原是旱作农业区，区域内地下水超采与农业灌溉开采密切相关。面对地下水超采问题，各地已采取有序关闭自备井等措施，减少对地下水的开采，实现了地下水水位显著回升，地下水降落漏斗面积显著缩小[24-25]。为保证粮食安全和促进经济发展，国家提出了节水和增加多渠道水源补给的综合措施。当前，发达国家农业灌溉已采用喷灌、微灌（滴灌、微喷灌、涌泉灌）等节水措施，美国农业用水效率已达到60%～70%[26]，而我国现状农业用水效率仅有40%[27]。虽然采用喷灌技术更有利于节水，但我国农民采用喷灌的积极性不高，微喷灌面积仅占有效灌溉面积的3%[28]。华北平原冬小麦生产需要转变传统高耗水高产量理念，一方面要充分发挥冬小麦抗旱、耐盐特点，实施限水灌溉和微咸水利用；另一方面加强节水型社会建设，推广应用节水灌溉技术。

2014 年南水北调中线工程通水后，水资源短缺的海河平原多了一种水源，各地区城市生活用水、工业用水等由原来地下水置换为南水北调水，减少了对地下水的开采，城市区域地下水位呈现明显回升。但广大农村地区依旧在开采深层地下水作为生活用水，深层地下水位仍然呈下降趋势。对此，应尽快实现城乡供水一体化，让广大农村地区人们尽早用上南水北调水。

3.4 科学建设运营地下水源热泵系统

近年来，地下水源热泵系统作为一种新能源利用技术，在国家政策支持下得到了广泛应用。海河平原区很多城市开发建设了大量地下水源热泵系统，然而对于资源型缺水地区，其大规模开发利用是否影响地下水系统，特别是回灌对地下水位及水量的变化，科研工作者开展了大量研究。张国建等[29]认为地下水源热泵系统回灌量的大小，不仅与地层有关，还与成井工艺相关。根据有关文献分析[30]，成井工艺中的井径、井深、滤水管孔隙率和抽回灌井数比值是关键影响因子。米庆彬等[31]认为在选择成井工艺参数时，应重点考虑井径和滤水管孔隙率，不同井径和孔隙率对地下水系统影响程度差别较大。窦明等[32]研究认为抽水井和回灌井的不同配比对地下水流场影响不同，在井径和孔隙率不变的情况下，1 抽2 回的配比方式对地下水流场的影响效果最小；另外还发现在其他条件相同的情况下，抽回灌主要通过渗流作用影响地下水流场水位，在抽水井形成降落漏斗，在回灌井形成反降落漏斗，不同抽回灌模式下，单井回灌量越大，回灌井周围水位变化越明显，回灌井分布范围越大，对区域地下水位的影响范围也越大[33]。王荣彦等[34]发现地下水位较高、成井质量不高、回灌方法不当、回灌井结垢、腐蚀等都会导致地下水回灌不畅，从而造成降落漏斗进一步扩大，出现地面沉降。朱文举等[35]认为建设地下水源热泵系统不仅要考虑水文地质条件是否适合，还必须服从当地的水资源管理要求，对于地下水降落漏斗区和重要建筑物区域应划定为限制发展地下水源热泵区。

从科研工作者的研究成果中可知，地下水源热泵系统项目规划设计不合理和不合理运营都会引发地下水位下降等问题。在规划建设地下水源热泵过程中，既要服从当地的水资源管理要求，又要科学规范成井工艺参数、井位布局、运营管理。对于已建成运营的地下水源热泵系统，应高度警惕因地下水位较高而造成回灌不畅，避免导致降落漏斗扩大。

4 结论与展望

分析发现海河平原地下水超采的情势仍不容乐观。尽管一些城区地下水位呈现止跌回升的趋势，但周边农业区地下水位仍呈下降趋势，降落漏斗范围并未缩小。一方面由于区域降水总体呈减少趋势，无法充足补给地下水；另一方面由于农业粗放型灌溉，大量取用地下水。研究认为在治理超采措施中要做好四点工作：一是要充分利用雨洪资源补给，完善水系连通体系，将雨洪资源汇入冲洪积平原的河道带、汇水洼地等易积水且强入渗区域补给地下水；二是要规划实施蓄水工程，在不影响河道行洪的基础上，科学建设橡胶坝、水闸等水工程，形成持续高水头水体持续补给地下水；三是加大节水和水源置换力度，建设节水型社会，推广应用节水灌溉技术，尽快实现城乡供水一体化；四是科学建设运营地下水源热泵系统，在地下水漏斗区和重要建筑物区域限制开发利用地下水源热泵系统。地下水超采治理是一个系统工程，研究者的成果为今后治理提供了参考，但对于综合实施效益评价相对较少。望今后多注重综合效益研究。