劉 蓉，趙 勇，何 鑫，白 林，張曉輝，王 浩

(1.天津大學 水利工程仿真與安全國家重點實驗室，天津 300072；2.中國水利水電科學研究院 流域水循環(huán)模擬與調控國家重點實驗室，北京 100038；3.長安大學 地質工程與測繪學院，陜西 西安 710054；4.河北省水利規(guī)劃設計研究院有限公司，河北 石家莊 050011)

1 研究背景

海河平原區(qū)是我國乃至世界上地下水超采非常嚴重的區(qū)域之一，產生了大范圍河湖萎縮、大面積地下水漏斗和地面沉降、以及海水入侵等問題[1-3]。南水北調東、中線通水以來，國家開展了一系列地下水超采綜合治理行動，包括南水北調受水區(qū)地下水壓采、河北省地下水超采綜合治理試點、外調水生態(tài)補水、地下水禁限采區(qū)劃定與管理、華北地區(qū)地下水超采綜合治理行動等方案，海河平原區(qū)地下水嚴重超采的形勢得到初步緩解。采補平衡是海河平原區(qū)地下水超采治理的近期目標，在采補平衡基礎上逐步修復，最終目標是恢復到生態(tài)健康地下水位。在河湖生態(tài)復蘇和南水北調后續(xù)工程規(guī)劃的重要時點，客觀評價海河平原區(qū)深淺層地下水超采量和可恢復的累計超采量具有重要意義和支撐作用。

地下水超采指在一定時段內，開采量超過區(qū)域地下水補給能力，造成地下水位呈持續(xù)下降，破壞了地下水系統(tǒng)原有的資源、生態(tài)及地質環(huán)境等功能，引發(fā)地面沉降、土地沙化、海水入侵等生態(tài)地質環(huán)境問題[4-5]?；谏鲜龆x，地下水超采量是指“開采量”超過引起超采的“臨界開采量”后發(fā)生的地下水開采量。開展地下水超采評價是合理開發(fā)利用地下水的基礎性工作，現(xiàn)階段超采評價工作側重于地下水超采區(qū)的劃定和評價[3]。地下水超采量評價對地下水開發(fā)利用具有重要意義：(1)對現(xiàn)狀地下水開發(fā)利用健康狀況的定量化診斷，可為地下水合理開發(fā)利用提供數(shù)據(jù)支撐[3，6]；(2)超采量評價尤其是累計可恢復超采量評價，既梳理了地下水開發(fā)利用造成的地下水資源量虧空，也是確定需要回補水量的重要依據(jù)；(3)對于南水北調受水區(qū)，地下水超采量評價可作為規(guī)劃調水規(guī)模的重要基礎參數(shù)之一。

根據(jù)地下水埋藏條件可將地下水超采劃分為淺層和深層地下水超采。關于淺層地下水超采量評價，現(xiàn)有方法具體可分為4類，但都存在不同的局限性：(1)可開采量法[4，7]，最直觀簡單，但受限于開采量、可開采量統(tǒng)計數(shù)據(jù)的準確性，其中地下水可采量，從定義到具體計算都是人為性很強的量，容易因統(tǒng)計渠道和口徑等偏差造成較大誤差，且使用多年平均可開采量進行評價，忽略了水文隨機性，也會造成較大誤差。(2)數(shù)值模擬法[8-11]，通過建立區(qū)域地下水模型，評價地下水資源量和開采量。該方法比可開采量法相對可靠，但地下水流建模難，涉及參數(shù)眾多，對基礎數(shù)據(jù)要求較高。(3)GRACE衛(wèi)星反演法[12-15]，利用GRACE衛(wèi)星數(shù)據(jù)反演地下水儲量變化是遙感技術在地下水資源管理中的創(chuàng)新。但該方法數(shù)據(jù)精度較低，僅適用于大尺度范圍的評價，且難以分離深層和淺層地下水超采量，同時受限于數(shù)據(jù)時間尺度不能復盤較早時期的超采情況。(4)水位動態(tài)法[10，16](疏干體積法)，地下水位下降即發(fā)生超采，根據(jù)淺層地下水位下降造成的地下水儲量虧空估算超采量。該方法雖然受限于區(qū)域地下水位監(jiān)測密度和給水度準確性，但隨著地下水位監(jiān)測井布置密度和監(jiān)測精度逐步提高，水文地質參數(shù)的試驗研究越來越多，該方法評價精度也越來越高。因此相比于前幾種方法，水位動態(tài)法可認為是現(xiàn)階段最便捷可靠的淺層地下水超采量評價方法。

關于深層地下水超采量評價，現(xiàn)有研究分為兩類：(1)從水資源管理角度，現(xiàn)行《最嚴格水資源管理制度》[17]中提到“深層承壓地下水原則上只能作為應急和戰(zhàn)略儲備資源”，深層地下水資源被定義為不可開采資源，開采即超采，該觀點一般基于開采量統(tǒng)計資料評價深層超采量。該方法未考慮深層地下水資源屬性，對深層地下水超采量評價不夠客觀。(2)從水資源屬性角度，認為深層開采有部分水量來源于側向徑流補給和淺層越流補給[18-21]，這兩部分水資源屬性為可更新的補給資源量，應當作為深層地下水允許開采量，該觀點多采用模型模擬法、地面沉降體積估算法[22-24]等對深層超采量進行評價。以上兩種觀點從不同角度出發(fā)，所得超采量評價結果差異很大。其次，現(xiàn)有評價方法均未考慮伴隨深層地下水開采發(fā)生的不可恢復儲量損失，這對地下水超采評價至關重要。

針對以往地下水超采量評價中存在的主要問題，本研究改進了淺層水位動態(tài)法，并提出深層地下水超采量評價新方法，以識別可恢復和不可恢復超采量。基于新的評價方法，對海河平原區(qū)過去60多年的淺層和深層累計超采量進行評價，并分離出可恢復累計超采量，旨在為研究區(qū)地下水超采綜合治理和地下水回補提供更為可靠的數(shù)據(jù)支撐。

2 數(shù)據(jù)和方法

2.1 研究方法

2.1.1 淺層地下水超采量 地下水位下降是地下水超采的最直觀反應，水位波動變化的幅度可以反映地下水超采程度，本研究采用水位動態(tài)法進行淺層地下水超采量評價。地下水開采造成的地下水位下降、地下水儲量減少超過一定限度時，將使地下水系統(tǒng)的資源、生態(tài)、環(huán)境等功能遭到破壞，并引發(fā)一系列不良影響，如地表-地下水循環(huán)轉化關系失衡、海水入侵、地面沉降等生態(tài)環(huán)境問題，即為地下水超采。因此，適度的地下水位下降并不意味著一定發(fā)生超采，只要保障地下水位在合理范圍內波動變化(不對生態(tài)地質環(huán)境造成影響)，開采就不應被認為是超采。目前已有學者通過建立地下水生態(tài)地質環(huán)境約束的臨界水位埋深來判斷區(qū)域是否發(fā)生地下水超采[25]。

顯然，雖造成水位下降但對生態(tài)地質環(huán)境未產生明顯影響甚至有利(如鹽漬化防治)的開采量不應被認為是超采量，但實際工作中使用的傳統(tǒng)水位動態(tài)法單純以評價期內的起止水位差來計算超采量，存在不合理之處?；谝陨戏治觯鶕?jù)水位計算淺層地下水超采量應重新定義為：當淺層地下水埋深下降超過生態(tài)健康臨界埋深以下后，年際間淺層地下水位下降造成地下水儲存量的減少為地下水超采量。因此研究區(qū)淺層地下水超采量可根據(jù)下式計算：

(1)

式中：u為淺層地下水給水度；H1為起始階段地下水埋深；H2為結束時地下水埋深；H生為生態(tài)健康臨界埋深；F為計算單元面積。其中，生態(tài)健康臨界埋深各個區(qū)域生態(tài)問題和水文地質條件各不相同，尚無統(tǒng)一的評定標準，需要結合實際情況具體考慮。

2.1.2 深層地下水超采量

(1)深層地下水開采量構成及屬性。深層地下水開采量Q主要由以下構成(見圖1)：

圖1 深層地下水開采量構成

Q=Q越+Q側+Q彈性+Q非彈性

(2)

式中：Q越為來自淺層地下水(潛水含水層)的越流補給量；Q側為側向徑流補給量；Q彈性為深層含水層系統(tǒng)的彈性壓密釋水量，來自承壓含水層(主要由砂性土構成)的彈性壓密釋水；Q非彈性為深層含水層系統(tǒng)的非彈性壓密釋水量，來自弱透水層(黏土夾層)的非彈性壓密釋水。

根據(jù)資源屬性，Q越和Q側開采的是可更新的補給資源量。其中越流補給量雖然襲奪的是淺層地下水，會造成淺層地下水位下降，根據(jù)改進水位動態(tài)法已被計算為淺層超采量，在深層超采量中不再做重復計算。Q彈性和Q非彈性消耗的是深層地下水儲存資源量，當深層地下水位回升時，Q彈性消耗的儲存資源量會得到恢復，而Q非彈性不能恢復。

(2)深層地下水超采量。根據(jù)深層地下水開采量構成屬性，深層地下水超采量指開采的儲存資源量，即深層含水層系統(tǒng)的彈性和非彈性壓密釋水量Q彈性和Q非彈性。深層含水層系統(tǒng)的壓密釋水引發(fā)地面沉降，對于地面沉降主要由地下水開采引起的區(qū)域，其地面沉降體積約等于深層承壓含水層系統(tǒng)壓縮釋水量體積[23]，因此可根據(jù)監(jiān)測到的地面沉降量估算深層地下水超采量，即：

Q深超=V沉=M×F

(3)

式中：V沉為地面沉降體積；M為地面沉降量。

(3)深層地下水不可恢復超采量。弱透水層主要由黏性土構成，壓縮性較大，以塑性變形為主且變形較大，未來難以恢復。因此，來自弱透水層的非彈性壓密釋水量Q非彈性為不可恢復超采量，是深層地下水儲量和地下水庫容的永久性損失，嚴重影響深層地下水供水保障能力，查明該部分不可恢復的超采量對于水資源管理有重要意義。考慮深層含水層系統(tǒng)壓密釋水過程中水文地質參數(shù)不斷變化，研究建立了一維非線性壓密釋水模型模擬壓密釋水過程[22，26]。

含水層系統(tǒng)的壓密釋水過程是含水層骨架所受有效應力變化的過程。當深層地下水開采發(fā)生后，承壓水位開始下降，孔隙水壓力減小，即孔隙水所能分擔的應力減小，這部分應力將轉移到土體骨架，使有效應力增加，從而壓縮多孔介質，引起含水層壓密釋水，地面發(fā)生沉降。含水層系統(tǒng)的地質構造十分復雜，為了便于研究，將復雜的地層結構概化為一個多層含水層系統(tǒng)(圖2)。

圖2 多層含水層系統(tǒng)壓密釋水概念模型

弱透水層的非彈性壓密釋水量伴隨承壓水位的下降產生，可根據(jù)下式計算：

Q非彈性=Skv×Δh×F

(4)

式中：Skv為非彈性釋水系數(shù)；Δh為承壓水位的變化，m。

Skv為表示弱透水層壓密釋水能力的參數(shù)，與土體的厚度、孔隙度、有效應力等相關，根據(jù)如下經驗公式[27]計算：

(5)

式中：Sskv為非彈性儲水率；Cc為非彈性壓縮指數(shù)；rw為水的容重，kN/m3；b為弱透水層厚度，m；σ′為由顆粒骨架承擔的有效應力；e為孔隙比。

隨著有效應力的變化，弱透水層壓縮變形，導致多孔介質孔隙度減小，帶來的直接影響是弱透水層厚度、孔隙比等含水層參數(shù)的變化。核心參數(shù)變化根據(jù)下式[27-28]計算：

(6)

(7)

式中：Δb為弱透水層厚度變化，m；b0為弱透水層初始厚度，m；Δσ′為有效應力變化量；Δe為孔隙比變化；e0為初始孔隙比。

若假設總應力σ不變，式(7)中有效應力的變化Δσ′為孔隙水壓力的變化，即：

Δσ′=rwΔh

(8)

2.1.3 可恢復超采量 超采量分為可恢復超采量和不可恢復超采量兩類，根據(jù)地下水資源屬性，淺層地下水超采量和深層地下水彈性壓密釋水量為可恢復超采量，而深層地下水非彈性壓密釋水量屬于不可恢復超采量。因此，可恢復超采量可根據(jù)下式進行計算：

Q可恢復=Q淺超+Q深超-Q非彈性

(9)

2.2 數(shù)據(jù)材料

2.2.1 研究區(qū)概況 海河平原區(qū)包括海河水系、灤河水系、徒駭馬頰河水系三大水系，具體可分為8個三級區(qū)(①灤河及冀東沿海諸河；②北四河下游平原；③大清河淀西平原；④大清河淀東平原；⑤子牙河平原；⑥漳衛(wèi)河平原；⑦黑龍港及運東平原；⑧徒駭馬頰河平原，見圖3)。研究區(qū)屬于溫帶東亞季風氣候，多年平均降水量為535 mm。該地區(qū)地下水主要賦存于由沖洪積、河湖積、海積等多種類型松散沉積物交錯疊置的第四系含水組，自上而下可劃分為4個含水組(含水組Ⅰ至Ⅳ)，一般將山前平原第Ⅰ和第Ⅱ含水組、中部和濱海平原的第Ⅰ含水組稱為淺層含水層系統(tǒng)，將其余含水組稱為深層含水層系統(tǒng)[18]。研究區(qū)北部和西部山前平原區(qū)含水層沉積顆粒較粗，容易接受大氣降水與山區(qū)側向徑流補給，含水組富水性較好，地下水利用以淺層地下水開采為主；中部平原區(qū)及東部沿海地區(qū)淺層地下水礦化度較高，咸水頂界埋深較大，主要以深層地下水開采為主。

圖3 研究區(qū)地理位置

2.2.2 主要數(shù)據(jù)源 本研究將評價有地下水開采記錄以來的累計淺層和深層超采量，研究所需數(shù)據(jù)及其來源如表1所示。

表1 各研究方法所需數(shù)據(jù)及來源

(1)研究區(qū)淺層地下水開發(fā)利用自1960年以后逐漸增多，本研究將1959年淺層地下水位作為改進水位動態(tài)法淺層地下水超采量計算的基準水位。

(2)深層地下水的大規(guī)模開發(fā)利用較淺層地下水晚，本研究以1970年作為深層超采量計算起始時間，1970年以前深層地下水開采忽略不計。

(3)給水度主要受地下水水位變動帶的巖性及層次結構的影響，同時埋深大小也會對同一巖性給水度造成影響，給水度不僅在空間上發(fā)生變化，而且不同時期給水度也會發(fā)生變化。給水度的確定大概分為4種：①室內模擬試驗及筒測法；②動態(tài)長觀井資料反演法；③小區(qū)域地下水量均衡法；④在單一含水層給水度基礎上，結合鉆孔資料確定綜合給水度。受限于以上方法所需研究資料和數(shù)據(jù)缺失，本研究僅考慮了給水度空間變化，暫未考慮時間上的變化，但考慮平均法則，研究采用了研究周期的中間階段1984—2003年水位變動帶的給水度計算總研究周期超采量。

(4)海河平原區(qū)與地下水位相關的生態(tài)問題較為復雜，垂向上相互疊加，縱向上變化多端。已有研究[29]綜合考慮了鹽漬化、城鎮(zhèn)建筑物安全、含水層調蓄能力、地表水體健康、海水入侵、植被健康、地下水入滲補給能力等7種生態(tài)問題對地下水位的需求，并繪制了海河平原區(qū)生態(tài)健康地下水位恢復目標的上限埋深和下限埋深空間分布圖，本研究引用該研究成果的水位下限埋深作為生態(tài)健康臨界埋深(圖4(b))。

圖4 海河平原區(qū)淺層給水度及生態(tài)健康臨界埋深

(5)在非彈性壓密釋水量的模擬計算中，研究將海河平原區(qū)深層水區(qū)域劃分為26 868個2 km×2 km網(wǎng)格，對每個網(wǎng)格進行單獨的模擬計算。以15 d為變化步長，將1970—2019年弱透水層壓密釋水過程劃分為1176個過程。承壓水位作為控制變量輸入模型，為簡化計算，對1970—2019年的承壓水位變化進行勻速處理。模型采用循環(huán)迭代法計算，輸入初始參數(shù)計算后得到新的參數(shù)，作為下一次運算的初始參數(shù)，如此循環(huán)往復直至運算結束。模型借助Python軟件編程運算。

3 結果分析

3.1 淺層地下水超采量依據(jù)研究整理的1980、1985、1990、1995、1998—2019年淺層地下水開采量數(shù)據(jù)，繪制淺層地下水開采量變化圖(見圖5(a))，缺失年份參考降雨量及相鄰年份開采量數(shù)據(jù)進行插值。1980—2019年，海河平原區(qū)淺層地下水累計開采量為5215億m3，開采量整體呈現(xiàn)先增加后減少趨勢，2019年開采量為132.9億m3，較年開采量最多的年份(2001年)減少了35.9億m3。將單位面積開采量大小定義為開采強度，1980—2019年海河平原區(qū)各三級區(qū)累計開采量和開采強度分布如圖5(b)所示(圖中：①灤河及冀東沿海諸河，②北四河下游平原，③大清河淀西平原，④大清河淀東平原，⑤子牙河平原，⑥漳衛(wèi)河平原，⑦黑龍港及運東平原，⑧徒駭馬頰河平原，下同)，大清河淀西平原累計開采量和累計開采強度均最大，累計開采強度為8.5 m3/m2；漳衛(wèi)河平原雖然累計開采量較小，但開采強度僅低于大清河淀西平原，為6.6 m3/m2。

圖5 1980—2019年海河平原區(qū)淺層地下水開采量

1959—2019年的淺層地下水位變差圖如圖6(a)所示，山前平原洪沖積扇緣一帶淺層地下水位下降最為嚴重，形成“高蠡清-肅寧”“寧柏隆漏斗”“雄縣霸州”等一連串淺層漏斗，地下水位降幅從山前平原向東部濱海平原逐漸減小，整個平原區(qū)地下水位平均下降約11.5 m。

圖6 研究區(qū)1959—2019年淺層地下水水位差及累計超采強度

基于改進水位動態(tài)法計算的淺層地下水超采量結果如圖7所示。2005年以前淺層地下水位數(shù)據(jù)只有1959、1984、2003共3期，根據(jù)水位差估算1959—1984、1984—2003年平原區(qū)淺層地下水多年平均超采量分別為10.4億m3/a、18.5億m3/a。2003—2019年，淺層地下水超采量整體呈下降趨勢，多年平均超采量為16.1億m3/a，其中2008、2010、2012、2018年海河平原區(qū)降水充沛，淺層地下水水位較上一年有所回升，整體表現(xiàn)為未超采(圖7(a))。1959—2019年，整個海河平原區(qū)淺層地下水累計超采量為868.5億m3，其中子牙河和大清河淀西平原累計超采量最大，灤河及冀東沿海諸河、北四河下游平原累計超采量較小。

圖7 1959—2019年海河平原區(qū)淺層地下水超采量

為更直觀表述超采量的空間分布，將單位面積超采量大小定義為超采強度。1959—2019年，海河流域平原區(qū)淺層地下水累計超采強度分布如圖6(b)所示，累計超采強度的分布與淺層地下水位降落漏斗分布基本一致，整個平原區(qū)平均超采強度為0.67 m3/m2，累計超采強度大于2 m3/m2的面積主要分布在石家莊、邢臺、保定一帶，這些區(qū)域大多含水層沉積顆粒較粗、富水性好，地下水利用以淺層地下水開采為主。各三級區(qū)的超采強度如圖7(b)所示，其中，子牙河、大清河淀西平原等平原區(qū)累計超采強度最大，而灤河及冀東沿海諸河、北四河下游、大清河淀東平原等中東部沿海地區(qū)由于淺層地下水礦化度較高，淺層水開發(fā)利用較少，該區(qū)域淺層地下水超采很小，累計超采強度大多小于0.5 m3/m2，天津、滄州等沿海地區(qū)淺層基本不超采。

3.2 深層地下水超采量1970—2019年，根據(jù)年鑒統(tǒng)計數(shù)據(jù)及文獻資料記載，海河平原區(qū)累計深層地下水開采量約為1640億m3，1970年以前深層地下水開采量很小忽略不計。年開采量整體呈先增加后減小趨勢(圖8(a))，2019年研究區(qū)深層地下水年開采量已下降至約23億m3，相比年開采量最大時期(2002年)下降了三分之二。1970—2019年海河平原區(qū)各三級區(qū)深層累計開采量和平均開采強度分布如圖8(b)所示，黑龍港及運東平原累計開采量和累計開采強度最大，累計開采強度為1.94 m3/m2。

圖8 1970—2019年海河平原區(qū)深層地下水開采量

截至2019年，海河平原區(qū)累計地面沉降量分布如圖9(a)所示，通過計算地面沉降體積估算深層地下水累計超采量為756.1億m3，累計深層地下水超采量空間分布與地面沉降量一致，天津—滄州—衡水—邢臺一帶已形成明顯的沉降漏斗，深層地下水超采嚴重。各三級區(qū)深層累計超采量和超采強度分布如圖10(a)所示，黑龍港、大清河淀東平原深層地下水累計超采量最大，分別為221.9億m3和177.4億m3，共占總累計超采量52.8%，其中大清河淀東平原超采強度最大；漳衛(wèi)河、灤河及冀東沿海諸河、大清河淀西平原的累計超采量和超采強度較小。

圖9 1970—2019年海河平原區(qū)深層地下水超采強度空間分布

圖10 1970—2019年海河平原區(qū)各三級區(qū)深層地下水超采量

根據(jù)建立的一維非線性壓密釋水模型[22]模擬結果，1970—2019年研究區(qū)累計非彈性壓密釋水量即深層累計不可恢復超采量分布如圖9(b)所示，其空間分布與地面沉降分布較為一致，天津—滄州—衡水一帶累計非彈性壓密釋水量較大，每平方米非彈性釋水量最大可達1.2 m3。通過統(tǒng)計分析可得，海河平原區(qū)累計不可恢復超采量為558.0億m3，其中各三級區(qū)累計不可恢復超采量和超采強度分布如圖10(b)，分布情況與累計超采量也較為一致。

對比深層地下水開采量、超采量、不可恢復超采量結果，深層地下水累計超采量占總開采量46.1%，不可恢復的超采量占總開采量34.0%，不可恢復超采量占總超采量73.7%。未來若嚴格控制地下水開采，使承壓水位恢復到初始水位，約198.1億m3的深層地下水儲量(占總超采量26.3%)可以恢復，剩余558.0億m3的超采量不僅是地下水儲存資源量的永久性損失，也是地下水儲存空間的永久性減少，深刻影響京津冀地區(qū)長遠水資源安全保障能力，科學管控不可恢復超采量能夠防止地下水供水保障能力遭到持續(xù)破壞。

3.3 累計可恢復超采量截至2019年，海河平原區(qū)累計可恢復超采量為1066.6億m3，平均超采強度為0.89 m3/m2，累計可恢復超采強度空間分布及各三級區(qū)累計可恢復超采情況如圖11所示。其可恢復超采量主要由淺層地下水超采量構成，分布與淺層超采量較為相似，尤其是淺層超采嚴重的山前平原一帶，但不同的是東西部平原區(qū)累計可恢復超采量差距較小、空間分布更均衡?？傮w來看，子牙河和大清河淀西平原累計可恢復超采量和超采強度均最大，超采量分別為337.2億m3、206.8億m3；大清河淀東平原雖然淺層累計超采量較小，但其累計可恢復超采量為115.6億m3，僅次于大清河淀西平原；灤河及冀東沿海諸河可恢復超采量和超采強度均最大，超采量僅為28.3億m3。

圖11 1959—2019年海河平原區(qū)可恢復超采量

綜合淺層、深層、可恢復超采量評價結果，截至2019年，海河平原區(qū)累計超采量構成如圖12所示，深、淺層累計超采量總計1624.6億m3，其中淺層累計超采量為868.5億m3(占比53.5%)，深層累計超采量為756.1億m3(占比46.5%)。海河平原區(qū)累計不可恢復超采量為558.0億m3，占總累計超采量34.3%，累計可恢復超采量為1066.6億m3，占總累計超采量65.7%。累計可恢復超采量中淺層可恢復的超采量為868.5億m3(占比81.4%)，深層超采量為198.1億m3(占比18.6%)。

注：越流補給量與側向徑流量所占比例參考文獻[18，20]確定；彈性壓密釋水量依據(jù)本研究建立的一維非線性壓密釋水模型[22]模擬

海河平原區(qū)的深、淺層和可恢復、不可恢復累計超采超采量的空間分布具有較強的空間異質性，其中各三級區(qū)深、淺層地下水累計超采量占比如圖13(a)所示。漳衛(wèi)河、大清河淀西、子牙河平原淺層超采量大于深層；大清河淀東、黑龍港及運東、北四河下游平原則是以超采深層為主；徒駭馬頰河、灤河及冀東沿海諸河平原深層和淺層超采量占比基本一致。各三級區(qū)可恢復、不可恢復累計超采量占比如圖13(b)所示?？苫謴统闪看笥诓豢苫謴偷墓灿?個三級平原區(qū)，包括大清河淀西、漳衛(wèi)河、子牙河、灤河及冀東沿海諸河、徒駭馬頰河大清河淀東；黑龍港及運東平原和北四河下游平原則不可恢復超采量更大。根據(jù)以上分析，海河平原區(qū)的深、淺層和可恢復、不可恢復累計超采超采量的空間分布具有較強的空間異質性，可結合不同區(qū)域超采情況進行分區(qū)治理。

圖13 各三級區(qū)累計超采量構成比例

4 討論

(1)傳統(tǒng)水位動態(tài)法會產生“假超采”。傳統(tǒng)水位動態(tài)法(疏干體積法)單純以評價期內的起止水位差計算淺層地下水超采量，包含未對生態(tài)環(huán)境產生危害甚至有益影響的水位下降量。將基于改進水位動態(tài)法(簡稱“改進法”)的計算結果與“傳統(tǒng)法”進行對比(表2)?！案倪M法”與“傳統(tǒng)法”計算的淺層累計超采量在空間分布上較為一致，但“傳統(tǒng)法”比“改進法”計算結果偏大，累計超采量多269.1億m3，多年平均超采量多4.5億m3/a?！皞鹘y(tǒng)法”未考慮生態(tài)環(huán)境的水位需求，其多計算的269.1億m3超采量對于維持地下水生態(tài)健康是有利的或者無明顯危害，是一種“假超采”，對實際淺層超采量評價不夠客觀。

表2 傳統(tǒng)水位動態(tài)法與改進水位動態(tài)法計算結果比較 單位：億m3

(2)水文隨機性對淺層超采量評價的影響。與淺層開采量年際變化(圖5(a))相比，基于改進水位動態(tài)法計算的淺層逐年超采量(圖7(a))具有明顯的波動變化。超采量年際變化主要由以下原因造成：開采量的趨勢性變化；水文周期的隨機性變化；地下水補給條件的改變，包括形成的深厚包氣帶、顯著衰減的河道滲漏補給和地下側向流入補給等；深層地下水的越流襲奪等。其中，降雨量的隨機性變化是造成超采量劇烈波動的主要原因，進行超采量評價時需考慮水文隨機性的影響，不能單純認為“年超量多或少”就意味著“年開采量多或少”。本研究主要是對淺層累計超采量進行評價，且評價周期為1959—2019年，時間序列較長，水文隨機性對評價結果影響較小。

(3)深層地下水開采量不等于超采量，但開采即發(fā)生超采。在山前平原深層-淺層地下水交互劇烈的地帶，深層地下水越流補給量和側向補給量巨大，地質危害較小，該區(qū)域深層水資源存在一定可利用量。對于其它地區(qū)，雖然深層地下水存在一定補給，開采量并不全部是超采量，但開采的發(fā)生卻是超采行為?？紤]越流補給量與側向徑流補給量可恢復更新的資源屬性，深層地下水超采量應只包括動用儲存資源量的彈性壓密釋水量和非彈性壓密釋水量。然而，構成深層地下水開采量的各項來源是同時發(fā)生的，因此只要有開采行為就有超采的發(fā)生，尤其是不可恢復超采量的發(fā)生。綜上，在對已發(fā)生的深層地下水超采量進行評價時，應考慮深層地下水部分可恢復性以及補給資源量，才能對實際發(fā)生的超采量有更準確認識；但在水資源管理和深層地下水開發(fā)利用時，應考慮深層地下水不可恢復性，嚴格限制深層地下水開采，原則上只能將深層地下水作為應急和戰(zhàn)略儲備水源。

(4)進一步完善超采評價方法體系與地下水計量監(jiān)測。隨著超采治理工作的推進和大量實踐經驗的積累，現(xiàn)行的超采評價方法體系仍存在許多問題需進一步完善。依據(jù)本研究內容和結果，建議對現(xiàn)行的超采評價方法和守則做如下改進：①改進評價方法，引入臨界地下水位對淺層超采量進行評價；②細化超采定義，尤其是對深層超采量和超采行為的定義進行區(qū)分；③完善評價指標，將不可恢復超采量納入深層地下水超采評價指標。除本研究所涉及的內容，還有開采系數(shù)法使用年均地下水實際開采量忽略了評價期內降水豐枯變化、“引發(fā)問題法”中使用的地面沉降分類標準與自然資源部門使用的標準不一致等問題需要進一步改善。

計量監(jiān)測是提高超采評價準確性和地下水有效管理的最重要途徑，包括動態(tài)水位與開采水量兩方面的計量。地下水位的監(jiān)測通過觀測井直接獲得，現(xiàn)階段地下水位一方面監(jiān)測井布置密度不夠，另一方面分屬水利部、自然資源部的監(jiān)測井以及地方井尚未得到有效整合，為監(jiān)測數(shù)據(jù)的有效利用帶來阻礙，建議未來能進一步提高監(jiān)測井密度，并以流域為中心，將所有監(jiān)測井整合到統(tǒng)一平臺。對于地下水開采量的計量，海河流域地下水開采井數(shù)量約150萬眼，單井計量顯然是不現(xiàn)實，需要直接計量、以電折水、遙感監(jiān)測等多手段結合，實現(xiàn)地下水取用量的有效監(jiān)測。

(5)海河平原區(qū)地下水回補水量目標。階段超采綜合治理的目標是實現(xiàn)區(qū)域內地下水采補平衡，未來地下水超采綜合治理工作不僅是要控制地下水不發(fā)生超采，更重要的是對地下水虧空量進行回補[35]，彌補地下水開發(fā)利用的歷史欠賬，使地下水位恢復到一個健康穩(wěn)定的范圍?！霸鲅a減排”是實現(xiàn)地下水修復的重要途經，一方面在現(xiàn)有超采治理經驗基礎上繼續(xù)通過實施調整種植結構、挖掘農業(yè)節(jié)水潛力等措施降低農業(yè)用水強度，更重要的是增加南水北調等外調水量，保障用水需求、填補地下水虧空。本研究計算的累計可恢復超采量評價結果可作為研究區(qū)地下水回補水量目標以及南水北調規(guī)劃調水需求的重要數(shù)據(jù)支撐。根據(jù)研究區(qū)累計超采量的評價結果，未來海河平原區(qū)淺層地下水需要回補恢復的水量為868.5億m3，深層地下水可通過越流和側向補給恢復的水量為198.6億m3，地下水總共通過回補可恢復的水量為1066.6億m3。

5 結論

為客觀準確認識海河平原區(qū)地下水超采量，以及為地下水超采綜合治理提供定量支撐，研究對現(xiàn)有地下水超采量評價方法存在的一些問題進行改進，提出新的評價方法，評價研究區(qū)過去60多年的淺層和深層累計超采量，分離出可恢復累計超采量。形成以下認識和結論：(1)對傳統(tǒng)水位動態(tài)法進行改進，提出以生態(tài)健康臨界地下水位作為改進水位動態(tài)法計算淺層超采量的臨界水位。海河平原區(qū)1959—2019年累計淺層超采量為868.5億m3，淺層超采量整體呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢，其中子牙河平原和大清河淀西平原超采量最大。(2)分析了深層地下水開采量構成屬性，認為深層地下水超采量不等于開采量，但超采伴隨開采發(fā)生，并提出不可恢復超采量概念。基于地面沉降法計算1970—2019年深層地下水累計超采量為756.1億m3，通過建立的一維非線性壓密釋水模型模擬結果，得到累計不可恢復超采量為557.5億m3。研究區(qū)黑龍港和大清河淀東平原深層地下水超采最嚴重。(3)截至2019年，海河平原區(qū)累計超采量為1624.6億m3，可恢復的地下水超采量為1066.6億m3，其中淺層地下水為868.5億m3，深層地下水為198.6億m3。