實(shí)施最嚴(yán)格水資源管理制度下河北省石家莊市平原區(qū)地下水開采量控制評(píng)估指標(biāo)初探

李明良，張石春，范素萍，郝曉莉

（1.河北省水文水資源勘測局，河北 石家莊 050031；2.河北建設(shè)勘察研究院有限公司，河北 石家莊 050031；3.石家莊水文水資源勘測局，河北 石家莊 050011）

1 概述

為解決日益復(fù)雜的區(qū)域水資源問題，必須實(shí)行最嚴(yán)格的水資源管理制度，明確水資源開發(fā)利用紅線，嚴(yán)格實(shí)行用水總量控制[1，2]。在實(shí)施最嚴(yán)格的用水總量控制中，北方平原區(qū)農(nóng)業(yè)用水量大且難以準(zhǔn)確計(jì)量，實(shí)施定量考核缺乏有效的手段，這是當(dāng)前水資源管理的難點(diǎn)。

根據(jù)我國的實(shí)際情況，近期安裝農(nóng)業(yè)機(jī)井計(jì)量設(shè)施難以實(shí)現(xiàn)，只能采用間接的方法進(jìn)行開采量調(diào)控和考核。在地下水開采程度較高的北方平原區(qū)，降水量、地下水動(dòng)態(tài)監(jiān)測已經(jīng)運(yùn)行多年，積累了豐富的歷史資料；同時(shí)，水資源綜合規(guī)劃開展了現(xiàn)狀水資源調(diào)查與評(píng)價(jià)[3]，對(duì)地下水開采量、降水量和地下水水位之間的關(guān)系有了更深一步的了解，通過相關(guān)研究可以實(shí)現(xiàn)地下水開采量控制的目的。這里以石家莊市平原區(qū)為示范區(qū)進(jìn)行了相關(guān)研究。

2 技術(shù)思路

眾所周知，地下水系統(tǒng)屬于非常復(fù)雜的系統(tǒng)，影響因素眾多，各地對(duì)地下水含水層情況了解掌握程度不一，因此不宜采用需要眾多參數(shù)和資料的數(shù)值模型進(jìn)行相關(guān)研究[4]，而應(yīng)采用常規(guī)方法進(jìn)行研究以便相關(guān)成果的推廣和應(yīng)用。

歷年監(jiān)測資料和用水量統(tǒng)計(jì)顯示，農(nóng)業(yè)用水量占總用水量的70%以上且與降水量關(guān)系密切，工業(yè)開采量呈現(xiàn)相對(duì)穩(wěn)定狀態(tài)，生活用水量呈現(xiàn)快速增長的態(tài)勢?？傮w來看，區(qū)域地下水開采量基本維持在一個(gè)開采水平上下波動(dòng)，未隨著國民經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展而快速增加，表明開采狀態(tài)近20年變化不大，可以用歷史資料進(jìn)行開采量控制分析。

地下水具有多年調(diào)節(jié)的特點(diǎn)，枯水期開采量大，豐水期開采量少，以豐補(bǔ)歉，實(shí)現(xiàn)地下水多年均衡；由于華北地區(qū)呈現(xiàn)地下水超采狀態(tài)，這種均衡也表現(xiàn)為負(fù)均衡。北方平原區(qū)地下水均衡周期依賴于降水循環(huán)周期，應(yīng)在能反映現(xiàn)狀開采水平的降水周期下研究地下水開采量控制問題。

（1）研究近期降水系列的代表性。該降水周期的均值、豐平枯組合等參數(shù)均與區(qū)域長系列降水周期參數(shù)相近或相差較小，具有較強(qiáng)的代表性。

（2）分析在近期代表降水周期中地下水動(dòng)態(tài)變化，建立地下水位年變幅、年降水量、年地下水開采量相關(guān)關(guān)系，并把地下水位年變幅值作為開采量控制的評(píng)估指標(biāo)，有效實(shí)現(xiàn)開采量控制和定量考核。

3 示范區(qū)概況

石家莊市位于河北省中南部，地處太行山東麓、華北平原西緣，總面積14 077 km2，其中示范區(qū)面積6 754.4 km2，共涉及13 個(gè)縣市（不含石家莊市的贊皇、靈壽、行唐3 個(gè)縣和全部山區(qū)縣）。示范區(qū)氣候特點(diǎn)為春季干燥、風(fēng)沙盛行，夏季炎熱多雨，秋季天高氣爽、冷暖適中，冬季寒冷少雪。降水主要受大氣環(huán)流天氣系統(tǒng)和地形條件的影響，示范區(qū)多年平均年降水量489.2 mm，年內(nèi)降水分配不均勻，全年降水量的75%～80%集中在6—9月的汛期[5]。

示范區(qū)生活、農(nóng)業(yè)、工業(yè)用水均以開采地下水為主。據(jù)調(diào)查分析，2008年區(qū)內(nèi)共有地下水開采井12.17 萬眼，其中農(nóng)村生產(chǎn)井11.22 萬眼、農(nóng)業(yè)生活井4 237 眼、城市生活井564 眼、工業(yè)生產(chǎn)井4 699眼。農(nóng)業(yè)開采井占全部機(jī)井總數(shù)的92%。生活開采井主要開采層位60～400 m；農(nóng)業(yè)開采井主要開采層位分布在40～100 m，以開采淺層地下水為主；工業(yè)開采井的主要開采層位位于100～400 m，開采中、深層地下水。據(jù)調(diào)查分析，自20 世紀(jì)90年代至今，開采層位和開采水平基本保持一致。

石家莊市的淺層地下水類型基本屬于入滲-開采排泄型[6]。淺埋深區(qū)分布于北部的新樂市、無極縣北部，西北部的行唐和靈壽的平原區(qū)、正定韓家樓-里雙店一帶，西南部的元氏和贊皇縣平原區(qū)。深埋深區(qū)分布在石家莊市區(qū)、趙縣-高邑一帶。

示范區(qū)地下水含水層均為松散巖類孔隙水含水巖組，主要由第四系松散沉積物組成，含水層多為亞砂土、砂、卵礫石，粒度粗、厚度大，水動(dòng)力特征為潛水、微承壓水。大氣降水為主要補(bǔ)給來源，此外還有地表水體入滲、灌溉回歸水以及側(cè)向徑流補(bǔ)給等；地下水徑流條件較好，地下水排泄途徑以人工開采為主。

4 近期降水量代表周期

選取代表現(xiàn)狀開發(fā)利用水平的1991—2000年時(shí)段為計(jì)算時(shí)段，采用長短系列均值對(duì)比法和豐枯對(duì)比法，進(jìn)行降水量系列代表性分析，來選定近期降水量代表周期。

4.1 均值對(duì)比

根據(jù)河北省水資源綜合規(guī)劃中水資源調(diào)查評(píng)價(jià)成果，1956—2000年降水量具有較好的代表性。因此，采用1956—2000年降水量系列作為長系列，進(jìn)行近期降水量系列代表性分析。

經(jīng)計(jì)算，示范區(qū)1991—2000 與1956—2000年年降水量系列均值分別為462.4 和489.2 mm，兩者的比值為0.95。從總體來說，示范區(qū)1991—2000年年降水量系列具有較好的代表性。

4.2 豐枯分析

經(jīng)分析，示范區(qū)1956—2000年降水量系列中，豐水年出現(xiàn)6 次，占13.3%；偏豐水年出現(xiàn)9 次，占20.0%；平水年出現(xiàn)14 次，占31.1%；偏枯水年出現(xiàn)12 次，占26.6%；枯水年出現(xiàn)4 次，占9.0%。示范區(qū)1991—2000年降水量系列中，豐枯情況是：1996年為豐水年，占10%；1995年為偏豐水年，占10%；1991、1993、2000年為平水年，占30%；1992、1994、1998、1999年為偏枯水年，占40%；1997年為枯水年，占10%。

從示范區(qū)1956—2000年降水量系列和計(jì)算單元1991—2000年系列豐平枯年份出現(xiàn)的頻率來看，后者少了1 個(gè)偏豐年多了1 個(gè)偏枯年，總體來看兩者較為接近。即1991—2000年系列有較好的代表性。

綜合均值對(duì)比和豐枯分析成果，1991—2000年降水系列均值等參數(shù)以及豐枯組合均與1956—2000年長系列接近，能作為降水長系列的代表，選作近期降水量代表周期。

5 開采量調(diào)查與合理性分析

開采量調(diào)查首先要對(duì)當(dāng)?shù)噩F(xiàn)有的開采井?dāng)?shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，同時(shí)統(tǒng)計(jì)開采量的不同用途，如生活用水、工業(yè)用水、農(nóng)業(yè)用水、環(huán)境用水等等；收集現(xiàn)狀實(shí)際生活用水定額、工業(yè)用水定額、農(nóng)業(yè)用水定額等資料。同時(shí)，為便于水資源的分析與管理，開采量的調(diào)查還要區(qū)分開采層位。

由于開采量調(diào)查途徑、統(tǒng)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)、人為因素以及其他因素的影響，調(diào)查統(tǒng)計(jì)數(shù)字往往存在一些偏差和不合理成分，需要進(jìn)行合理性校核與分析。分析方法主要有用水定額分析法、地下水動(dòng)態(tài)分析法、單井出水量法、國內(nèi)生產(chǎn)總值近似法、降水量相關(guān)法、系列分析法等等。通過大氣降水、地下水位監(jiān)測、不同行業(yè)用水控制和關(guān)聯(lián)性分析，將調(diào)查統(tǒng)計(jì)中的不合理因素剔除，得到較為真實(shí)的地下水開采量成果。水資源綜合規(guī)劃時(shí)的水資源調(diào)查評(píng)價(jià)，是以縣級(jí)行政區(qū)為單位，用上述方法對(duì)調(diào)查開采量進(jìn)行合理性分析，對(duì)調(diào)查統(tǒng)計(jì)數(shù)字進(jìn)行了合理性修正。水資源調(diào)查評(píng)價(jià)地下水開采量成果，見表1[3]。

開采量統(tǒng)計(jì)中出現(xiàn)的偏差，不能真實(shí)地反映當(dāng)?shù)厮Y源的利用情況，也就不能進(jìn)行有效的管理。在水資源緊缺地區(qū)，每一方水都是非常寶貴的，確保水資源可持續(xù)利用，必須實(shí)行最嚴(yán)格的水資源管理制度，促進(jìn)全社會(huì)科學(xué)用水、合理用水、節(jié)約用水。

6 評(píng)估指標(biāo)

根據(jù)降水量和地下水動(dòng)態(tài)資料和水資源調(diào)查評(píng)價(jià)成果，示范區(qū)1991—2000年平均年降水量為467.4 mm，平均地下水年變幅為-0.87 m（負(fù)值為下降），平均地下水開采量為20.9 億m3。示范區(qū)地下水統(tǒng)計(jì)結(jié)果，見表1。

依據(jù)技術(shù)路線，采用多元回歸法建立示范區(qū)地下水水位年變幅、年開采量、年降水量的相關(guān)關(guān)系。多元回歸法是建立因變量y 與各自變量xj（j=1，2，3，…，n）之間的多元線性回歸模型：

式中：b0是回歸常數(shù)；bk（k=1，2，3，…，n）是回歸參數(shù)。

表1 示范區(qū)地下水統(tǒng)計(jì)

在本研究中因變量為地下水年變幅△H，自變量兩個(gè)分別是年降水量和年開采量。在統(tǒng)計(jì)軟件SPSS 的支持下，使用SPSS 的多元回歸分析模塊，其中自變量進(jìn)入方式采用“Enter”選項(xiàng)，即強(qiáng)行進(jìn)入法，所選擇的年降水量和年開采量兩個(gè)自變量全部進(jìn)入回歸模型。

經(jīng)分析計(jì)算，其多元回歸方程為：

式中：△H 為地下水位年變幅 （m）； P 為年降水量（mm）；Q 為地下水年開采量（億m3）。

多元回歸方程相關(guān)系數(shù)為0.983，標(biāo)準(zhǔn)誤差為0.29，回歸平方和為24.667，殘差平方和為0.431，總平方和為25.097，F(xiàn) 統(tǒng)計(jì)值為143.196，Sig.＜0.05，認(rèn)為建立的回歸方程有效，并呈現(xiàn)較強(qiáng)的相關(guān)關(guān)系。

上述方程表明年降水量（P）與地下水水位年變幅（△H）呈現(xiàn)正相關(guān)，地下水年開采量（Q）與地下水水位年變幅（△H）呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)，符合實(shí)際情況。

該地下水水位年變幅即為示范區(qū)地下水開采量評(píng)估指標(biāo)和考核指標(biāo)。在上年度末給出本年度開采量作為開采量控制指標(biāo)，本年末根據(jù)年降水量就可計(jì)算得出示范區(qū)地下水年變幅計(jì)算值，與地下水年變幅實(shí)測值相比就可掌握本年度水資源管理績效并進(jìn)行定量考核。考核辦法可參見《年際地下水合理開發(fā)年際地下水水位合理變幅評(píng)估方法研究與示范》[7]相關(guān)成果。

依據(jù)示范區(qū)評(píng)估指標(biāo)，若2010年度下達(dá)地下水開采量控制指標(biāo)18 億m3，實(shí)測年降水量為470 mm，則地下水年變幅計(jì)算值為-0.644 m，實(shí)測地下水年變幅為-0.5 m，則本年度地下水開采未超過制定的控制指標(biāo)。

同樣地，也可以通過實(shí)測年降水量和地下水年變幅實(shí)測值利用評(píng)估指標(biāo)公式計(jì)算示范區(qū)地下水開采量，計(jì)算成果為該年度示范區(qū)地下水開采量為15.6 億m3，未超出本年度18 億m3的開采量控制指標(biāo)，是為合格。

7 結(jié)語

依據(jù)水資源綜合規(guī)劃中水資源調(diào)查評(píng)價(jià)成果和積累的多年地下水、降水量資料，基于水均衡原理，在近期降水代表周期內(nèi)利用地下水多年調(diào)節(jié)特性，在石家莊市平原區(qū)以地下水年變幅建立了地下水開采量控制評(píng)估指標(biāo)，較好地解決了當(dāng)前水資源管理中農(nóng)業(yè)開采量難以計(jì)量帶來了水資源管理和定量考核難題，對(duì)農(nóng)業(yè)開采為主的地區(qū)實(shí)施最嚴(yán)格水資源管理制度的制定提供了科學(xué)支撐，具有廣泛的應(yīng)用價(jià)值。今后應(yīng)加強(qiáng)降水年內(nèi)分配對(duì)水資源管理的影響，進(jìn)一步提高研究精度，為實(shí)施水資源利用紅線服務(wù)。

[1]胡四一. 強(qiáng)化制度建設(shè)和監(jiān)督管理 確保最嚴(yán)格水資源管理制度穩(wěn)步推進(jìn)[J].中國水利，2010（6）.

[2]張建云. 重視氣候變化影響 做好最嚴(yán)格水資源管理制度體系設(shè)計(jì)[J].中國水利，2010（6）.

[3]河北省水利廳.河北省水資源評(píng)價(jià)（簡本）[R].石家莊：河北省水利廳，2004.

[4]任印國.石家莊市東部平原FEFLOW 地下水?dāng)?shù)值模擬與研究[J].水文，2009（10）.

[5]石家莊市水利局.河北省石家莊市水文水資源手冊[R].石家莊：石家莊市水利局，1996.

[6]陳望和.河北地下水[M].北京：地震出版社，1999.

[7]河北省水文水資源勘測局，山西省水文水資源勘測局.年際地下水合理開發(fā)年際地下水水位合理變幅評(píng)估方法研究與示范[R].石家莊，太原：河北省水文水資源勘測局，山西省水文水資源勘測局，2010.