江蘇省地下水超采區(qū)劃分方法對(duì)比研究

黃曉燕，馮志祥，李 朗，姚炳魁，劉曉玲

(1.江蘇省地質(zhì)調(diào)查研究院，江蘇南京 210018;2.國(guó)土資源部地裂縫地質(zhì)災(zāi)害重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇南京 210018;3.江蘇省節(jié)約用水辦公室，江蘇南京 210029)

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，地下水不合理開(kāi)采現(xiàn)象大量出現(xiàn)，造成嚴(yán)重的超采問(wèn)題，如地面沉降、地裂縫、地面塌陷、海水入侵等［1～3］。合理劃定地下水超采區(qū)域，摸清地下水超采現(xiàn)狀，為統(tǒng)一規(guī)劃、有效管理與保護(hù)地下水資源提供科學(xué)依據(jù)成為最嚴(yán)格水資源管理工作的重中之重［4～7］。因此，需要對(duì)地下水超采區(qū)進(jìn)行重新劃分與評(píng)價(jià)。

隨著評(píng)價(jià)工作的成熟，地下水超采區(qū)的劃分方法趨于多樣化，從單一的開(kāi)采系數(shù)法逐步演變?yōu)殚_(kāi)采系數(shù)法、水位動(dòng)態(tài)法、引發(fā)問(wèn)題法等多種方法［8］。但無(wú)論開(kāi)采系數(shù)法、水位動(dòng)態(tài)法還是引發(fā)問(wèn)題法多存在一定的局限性，如開(kāi)采系數(shù)法受可采資源評(píng)價(jià)精度及開(kāi)采量統(tǒng)計(jì)精度所限，水位動(dòng)態(tài)法受監(jiān)測(cè)時(shí)段及監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置所限，引發(fā)問(wèn)題法受當(dāng)?shù)氐刭|(zhì)環(huán)境研究程度所限。各地在開(kāi)展區(qū)域性地下水超采區(qū)評(píng)價(jià)時(shí)，應(yīng)采用多種方法，在此基礎(chǔ)上通過(guò)綜合分析、統(tǒng)籌考慮，劃分地下水超采區(qū)。筆者以江蘇省為例，對(duì)不同方法的劃分結(jié)果進(jìn)行分析，以期為超采區(qū)劃分提供依據(jù)和參考。

1 研究區(qū)概況

1.1 水文地質(zhì)特征

江蘇省地下水分為孔隙水、巖溶水和裂隙水三大類(lèi)型。其中孔隙水是主要地下水類(lèi)型，在廣大平原地區(qū)分布廣泛(分布面積約占江蘇省80%)，具有含水層次多、厚度變化大、水質(zhì)復(fù)雜、富水性較好等特點(diǎn)?？紫逗畬影绰癫貤l件自上而下可劃分為潛水、第Ⅰ承壓、第Ⅱ承壓、第Ⅲ承壓、第Ⅳ承壓、第Ⅴ承壓含水層，其中第Ⅱ承壓、第Ⅲ承壓含水層(鹽城地區(qū)包括第Ⅳ承壓)是江蘇省地下水主要開(kāi)采層;巖溶水主要分布在徐州及寧鎮(zhèn)地區(qū);裂隙水主要分布于省域北部、西南部低山丘陵區(qū)，受巖性和構(gòu)造的控制，多呈網(wǎng)狀分布，富水性變化大，總體上較為貧乏。

1.2 地下水開(kāi)采特點(diǎn)

江蘇省地下水開(kāi)發(fā)利用先后經(jīng)歷了發(fā)展、高峰、控制三個(gè)階段，但各地各階段經(jīng)歷時(shí)間不盡相同。蘇錫常地區(qū)地下水開(kāi)采始于二十世紀(jì)七十年代，而后逐年增加，于二十世紀(jì)九十年代中期進(jìn)入高峰階段，此后進(jìn)入控制壓縮開(kāi)采階段，2000年后開(kāi)始實(shí)施地下水禁采。蘇北地區(qū)地下水開(kāi)采始于二十世紀(jì)八十年代，高峰多在二十世紀(jì)九十年代中后期，2000年前后進(jìn)入地下水控制開(kāi)采階段，逐步實(shí)施地下水開(kāi)采計(jì)劃制度。由于對(duì)水管理力度不斷加強(qiáng)，2001～2010年間全省地下水年開(kāi)采量由10×108m3減少到8.5×108m3。

1.3 地下水位動(dòng)態(tài)及地質(zhì)環(huán)境問(wèn)題現(xiàn)狀

由于二十世紀(jì)九十年代中期以前，地下水的開(kāi)采多源于各開(kāi)采單位的自發(fā)行為，部分地區(qū)地下水長(zhǎng)期處于超采狀態(tài)，造成地下水位持續(xù)下降，再加上特定的地質(zhì)環(huán)境背景，引發(fā)了一系列地質(zhì)環(huán)境問(wèn)題。

1.3.1 地下水位現(xiàn)狀

第Ⅱ承壓水:長(zhǎng)江以北水位埋深多在20m以淺，但在鹽城市區(qū)、漣水等多個(gè)地級(jí)市及縣級(jí)市區(qū)水位埋深超過(guò)20m，形成規(guī)模不等的地下水降落漏斗。蘇錫常地區(qū)地下水降落漏斗面積縮至近1200km2(水位埋深40m范圍)，中心最大水位埋深為71.4m(錫山洛社)。2001～2010年，蘇南大部分地區(qū)第Ⅱ承壓水水位呈快速回升趨勢(shì)。蘇北以基本穩(wěn)定為主(水位變幅小于0.5m/a)，但在淮安北部-灌云灌南及豐沛局部地區(qū)水位呈下降趨勢(shì)，年均降幅大于0.5m，其中漣水及灌南年均降幅大于1m;原來(lái)彼此獨(dú)立的多個(gè)中小型地下水降落漏斗已擴(kuò)展成一個(gè)大型地下水降落漏斗。

第Ⅲ承壓水:水位埋深多在20m以淺，但在開(kāi)采程度較高的南通、鹽城、漣水、灌南等地，水位埋深超過(guò)30m，形成多個(gè)地下水降落漏斗區(qū)，最大水位埋深為54.4m(豐縣城區(qū))。第Ⅲ承壓水水位下降區(qū)主要分布在豐沛及連云港的灌云、灌南、漣水地區(qū)，年均降幅多在0.5～1m，其余地區(qū)水位基本穩(wěn)定。

第Ⅳ承壓水:水位埋深多在10～20m，開(kāi)采井較集中的鹽城局部地區(qū)，水位埋深超過(guò)20m，最大為47.1m(鹽城城區(qū))，地下水降落漏斗(水位埋深40m范圍)分布于鹽城市區(qū)北部。大部分地區(qū)第Ⅳ承壓水水位基本穩(wěn)定(水位年均變幅小于0.5m/a)，僅建湖中部、射陽(yáng)縣城、濱?？h城、海門(mén)縣城等局部地區(qū)緩慢下降，2001～2010年間平均降幅在0.5～1m/a。

巖溶水:目前江蘇省巖溶水開(kāi)采主要集中在徐州茅村、七里溝、丁樓和張集水源地，由于開(kāi)采井布局不合理，已形成一定規(guī)模的地下水降落漏斗。其中徐州丁樓水源地平均水位埋深29.4 m，最大水位埋深為44.9m(小山子水廠)，是江蘇省形成時(shí)間最早、分布面積最大的巖溶水降落漏斗。近年來(lái)，徐州七里溝、丁樓水源地通過(guò)采取封井、水源替代等措施，水位穩(wěn)中有升。

1.3.2 地質(zhì)環(huán)境問(wèn)題

地質(zhì)環(huán)境問(wèn)題主要是地面沉降、地裂縫與巖溶地面塌陷。地面沉降主要發(fā)生在開(kāi)采孔隙承壓水的平原地區(qū)，目前蘇錫常地區(qū)、沿海平原區(qū)、豐沛平原區(qū)等區(qū)域水位降落漏斗分布區(qū)均發(fā)生了不同程度的地面沉降，其中以蘇錫常和沿海平原區(qū)最為嚴(yán)重;地裂縫主要發(fā)生在蘇錫常地區(qū)，主要由地面的不均勻沉降引起;巖溶地面塌陷主要分布在徐州市區(qū)，1986～2000年共發(fā)生小型塌陷10次，2000年后又發(fā)生兩起巖溶地面塌陷。

2 超采區(qū)劃分方法及標(biāo)準(zhǔn)

地下水超采區(qū)是指在某一范圍內(nèi)，在某一時(shí)期，地下水開(kāi)采量超過(guò)了該范圍內(nèi)的地下水可開(kāi)采量，造成地下水水位持續(xù)下降的區(qū)域;或指某一范圍內(nèi)，在某一時(shí)期，因過(guò)量開(kāi)采地下水而引發(fā)了地質(zhì)環(huán)境災(zāi)害或生態(tài)環(huán)境惡化現(xiàn)象的區(qū)域［9］。

地下水超采區(qū)劃分方法主要有水位動(dòng)態(tài)法、引發(fā)問(wèn)題法、開(kāi)采系數(shù)法三種。

水位動(dòng)態(tài)法劃分標(biāo)準(zhǔn)根據(jù)《地下水超采區(qū)評(píng)價(jià)導(dǎo)則》并結(jié)合江蘇省實(shí)際情況，細(xì)化為現(xiàn)狀水位埋深超過(guò)限采水位埋深且水位埋深年均下降速率大于0.5m/a時(shí)劃為超采區(qū);孔隙承壓水水位埋深年均下降速率大于2m/a，巖溶水水位埋深年均下降速率大于1.5m/a時(shí)劃為嚴(yán)重超采區(qū)。

引發(fā)問(wèn)題法及開(kāi)采系數(shù)法劃分標(biāo)準(zhǔn)直接引用《地下水超采區(qū)評(píng)價(jià)導(dǎo)則》［9］。

3 評(píng)價(jià)過(guò)程及劃分結(jié)果

評(píng)價(jià)期為2001～2010年，2001年為初始水平年，2010年為現(xiàn)狀水平年。

3.1 水位埋深動(dòng)態(tài)法

以評(píng)價(jià)期內(nèi)監(jiān)測(cè)井水位埋深年均變化速率及水位埋深現(xiàn)狀作為評(píng)判指標(biāo)。

以各監(jiān)測(cè)點(diǎn)現(xiàn)狀水平年年均水位埋深監(jiān)測(cè)值及2001～2010年水位變化速率為依據(jù)(資料空白地區(qū)參考2009年、2008年監(jiān)測(cè)點(diǎn)水位埋深監(jiān)測(cè)值)，采用GIS軟件的空間分析功能繪制全省水位埋深等值線與變化速率圖，而后依據(jù)前述劃分標(biāo)準(zhǔn)劃出地下水超采區(qū)。

該方法劃分結(jié)果全省地下水超采區(qū)面積約4454.6 km2，主要分布在鹽城市、淮安市，其次是連云港市、徐州市、南通市，宿遷及泰州也有小范圍分布。其中宿遷市洋河—洋北及連云港市灌云燕尾港—灌南堆溝水位埋深年均下降速率大于2m/a，為嚴(yán)重超采區(qū)(圖1)。

3.2 引發(fā)問(wèn)題法

以地下水開(kāi)采引發(fā)的生態(tài)與地質(zhì)環(huán)境問(wèn)題作為評(píng)判指標(biāo)進(jìn)行超采區(qū)劃分。結(jié)合江蘇省地下水環(huán)境實(shí)際情況，選取地面沉降、地裂縫、巖溶地面塌陷和水質(zhì)污染四種評(píng)價(jià)指標(biāo)。

圖1 水位埋深動(dòng)態(tài)法劃分結(jié)果Fig．1 Partition with the method of dynamic water-level depth

據(jù)前述劃分標(biāo)準(zhǔn)，依據(jù)水利及國(guó)土部門(mén)已有調(diào)查成果［10～11］，采用引發(fā)問(wèn)題法劃分的地下水超采區(qū)面積達(dá)9494.3km2，主要分布在蘇錫常、鹽城、南通及徐州。除蘇錫常局部、徐州市豐沛城區(qū)、淮安市漣水城區(qū)、連云港市灌云燕尾港一帶、鹽城市濱海城區(qū)、南通市海門(mén)城區(qū)等地2010年地面沉降速率大于10mm/a，為嚴(yán)重超采區(qū)外，其余均為一般超采區(qū)(表1，圖2)。徐州市區(qū)地下水超采區(qū)是由于2002年引發(fā)了巖溶地面塌陷，其余超采區(qū)均是由于曾經(jīng)或現(xiàn)在地下水超量開(kāi)采引起地面沉降所致。

3.3 開(kāi)采系數(shù)法

孔隙水以各縣級(jí)行政單位為基本計(jì)算單元，巖溶水以水源地為基本計(jì)算單元，采用地下水開(kāi)采系數(shù)為評(píng)判指標(biāo)。地下水開(kāi)采系數(shù)由計(jì)算單元評(píng)價(jià)期(2001～2010年)地下水實(shí)際開(kāi)采量與地下水可開(kāi)采資源量的比值確定。

據(jù)上述劃分標(biāo)準(zhǔn)，該方法劃分的地下水超采區(qū)面積為6168km2，主要分布在連云港市灌南、淮安市漣水及鹽城市區(qū)、響水，及徐州丁樓巖溶水水源地，見(jiàn)圖3。

表1 引發(fā)問(wèn)題法劃分結(jié)果一覽表Table 1 Division results with the method of initiation problems

圖2 引發(fā)問(wèn)題法劃分結(jié)果圖Fig．2 Partition from the method of initiation problems

圖3 開(kāi)采系數(shù)法劃分結(jié)果Fig．3 Partition from the method of exploitation coefficient

3.4 不同方法結(jié)果分析

不同方法劃分得到的結(jié)果不盡相同(表2)，主要原因:

(1)地面沉降的滯后性及不可逆性

目前蘇錫常大部分地區(qū)地下水水位明顯恢復(fù)，年均升幅在1m以上。但由于地面沉降相對(duì)地下水位變化的滯后性及不可逆性［12～14］，導(dǎo)致該區(qū)域的累計(jì)沉降量仍較大。依據(jù)地下水超采區(qū)定義及劃分標(biāo)準(zhǔn)，引發(fā)問(wèn)題法仍將其識(shí)別為地下水超采區(qū)，采用水位埋深動(dòng)態(tài)法及開(kāi)采系數(shù)法均不屬于地下水超采區(qū)。南通市區(qū)、鹽城大豐、東臺(tái)等地類(lèi)似，二十世紀(jì)九十年代開(kāi)始對(duì)地下水實(shí)施限采措施，評(píng)價(jià)期內(nèi)地下水位尚未出現(xiàn)持續(xù)下降局面，但由于2000年以前的地下水超量開(kāi)采，引發(fā)了不同程度的地面沉降，引發(fā)問(wèn)題法將上述區(qū)域劃分為地下水超采區(qū)。

希臘的城市遍布圖書(shū)館，給科學(xué)的發(fā)展提供了契機(jī)。歐幾里得總結(jié)前人經(jīng)驗(yàn)創(chuàng)立了系統(tǒng)的幾何學(xué)，他的《幾何原理》直到現(xiàn)在都是歐洲大學(xué)里流行的教材；阿基米德從洗澡盆溢出的水里悟出浮力的存在，他從科學(xué)中得到力量和自信，聲稱(chēng)如果給他一個(gè)支點(diǎn)他將撬動(dòng)整個(gè)地球。希臘科學(xué)家自由的精神鼓勵(lì)著后人對(duì)真理不懈追求，希臘人在天文學(xué)領(lǐng)域也成就斐然，他們把神話賦予撲朔迷離的天穹并將其劃分成星座：仙女星座、獵戶(hù)星座、天狼星座、大熊星座、小熊星座。此外，希臘人在植物學(xué)、動(dòng)物學(xué)、醫(yī)學(xué)等各方面都取得了探索性的成果，為現(xiàn)代學(xué)科發(fā)展奠定了扎實(shí)的基礎(chǔ)。

同時(shí)，從實(shí)行最嚴(yán)格的水資源管理制度、保護(hù)地質(zhì)環(huán)境和生態(tài)環(huán)境的角度出發(fā)，蘇錫常大部分地區(qū)仍宜劃為地下水超采區(qū)，一方面該區(qū)仍符合地下水超采區(qū)的特征，另一方面該區(qū)于2000年已由江蘇省人大以法律的形式將其劃為地下水禁采區(qū)，因此不論其目前開(kāi)采與否，仍需劃為地下水超采區(qū)，以繼續(xù)嚴(yán)格限制其開(kāi)采，進(jìn)一步涵養(yǎng)水源，保護(hù)地質(zhì)環(huán)境。

(2)不同劃分方法統(tǒng)計(jì)口徑的差異

開(kāi)采系數(shù)法采用的計(jì)算單元是縣級(jí)行政單元，而水位埋深動(dòng)態(tài)法及引發(fā)問(wèn)題法統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)則來(lái)自鄉(xiāng)鎮(zhèn)級(jí)行政單元，導(dǎo)致出現(xiàn)以下沖突，一個(gè)開(kāi)采井分布相對(duì)集中而各鄉(xiāng)鎮(zhèn)地下水開(kāi)發(fā)利用程度差異較大的縣級(jí)市，采用開(kāi)采系數(shù)法劃分結(jié)果往往不是超采區(qū)，而采用水位埋深動(dòng)態(tài)法及引發(fā)問(wèn)題法則可能有部分鄉(xiāng)鎮(zhèn)劃為超采區(qū)。例如開(kāi)采系數(shù)大于1的連云港市灌南、淮安市漣水及鹽城市區(qū)、響水等地，實(shí)際上也只是部分開(kāi)采井集中的鄉(xiāng)鎮(zhèn)有超采現(xiàn)象，并不是全縣所有鄉(xiāng)鎮(zhèn)都超采。

(3)各地區(qū)地面沉降研究程度的差異

江蘇省地面沉降調(diào)查監(jiān)測(cè)與防治工作首先由蘇錫常地區(qū)開(kāi)始，目前已將長(zhǎng)江三角洲地區(qū)全部覆蓋，沿海地區(qū)地面沉降調(diào)查監(jiān)測(cè)與防治工作正在不斷推進(jìn)，省內(nèi)其它地區(qū)鮮有地面沉降方面的工作成果。所以采用引發(fā)問(wèn)題法劃分的超采區(qū)多分布在蘇錫常地區(qū)及蘇北沿海平原地區(qū)。

4 最終劃分結(jié)果及開(kāi)發(fā)利用建議

4.1 最終劃分結(jié)果

將采用三種方法均被劃為超采區(qū)的區(qū)域確定為超采區(qū)，對(duì)于三種方法劃分結(jié)果不一致的區(qū)域，綜合考慮水文地質(zhì)條件、開(kāi)采條件、超采區(qū)劃分精度、基礎(chǔ)資料可靠性、評(píng)價(jià)期前地下水超采情況等因素。最終對(duì)水位埋深動(dòng)態(tài)法及引發(fā)問(wèn)題法劃為超采區(qū)的區(qū)域一概劃為地下水超采區(qū);對(duì)開(kāi)采系數(shù)法劃出的孔隙承壓水超采區(qū)，要分析其評(píng)價(jià)期內(nèi)水位埋深動(dòng)態(tài)變化，對(duì)于其中引起了地下水位持續(xù)下降的區(qū)域，也就是滿(mǎn)足水位埋深動(dòng)態(tài)法劃分標(biāo)準(zhǔn)的區(qū)域，才最終確定為地下水超采區(qū);開(kāi)采系數(shù)法劃出的巖溶水超采區(qū)出于防止巖溶地面塌陷的目的也一概劃為地下水超采區(qū)。據(jù)此原則，全省地下水超采區(qū)總面積約16596.8km2，其中一般超采區(qū)面積約7683.0km2，主要位于鹽城市、南通市、淮安市及徐州市;嚴(yán)重超采區(qū)面積約8913.8km2，主要位于蘇錫常地區(qū)及南通海門(mén)，此外，徐州市豐縣、沛縣、淮安市漣水、鹽城市濱海等多個(gè)城區(qū)及連云港灌云、灌南局部地段也為嚴(yán)重超采區(qū)(圖4)。

圖4 江蘇省地下水超采區(qū)分布圖Fig．4 Distribution of the over-exploitation region in Jiangsu

4.2 開(kāi)發(fā)利用建議

地下水的開(kāi)發(fā)利用應(yīng)以可持續(xù)利用為宗旨，在目前全面禁采、限采有困難的情況下，應(yīng)重點(diǎn)對(duì)超采區(qū)地下水開(kāi)發(fā)利用加以限制，以實(shí)現(xiàn)資源開(kāi)發(fā)與環(huán)境保護(hù)雙贏。

對(duì)于一般超采區(qū)，當(dāng)?shù)厝嗣裾畱?yīng)加強(qiáng)替代水源建設(shè)，逐步壓縮超采區(qū)地下水開(kāi)采量，嚴(yán)格控制新增開(kāi)采井?dāng)?shù)量。新增地下水取水井主要用于地表水供水管網(wǎng)未到達(dá)地區(qū)生活用水以及食品、飲料、醫(yī)藥等特殊行業(yè)用水。

對(duì)于嚴(yán)重超采區(qū)，如已實(shí)現(xiàn)區(qū)域供水管網(wǎng)全覆蓋、具備替代水源條件的蘇錫常地區(qū)及南通海門(mén)地區(qū)，建議除食品、飲料、醫(yī)藥等特殊行業(yè)用水和留存少量應(yīng)急備用井外，一律實(shí)行“水到井封”。其它嚴(yán)重超采區(qū)科學(xué)編制地下水限采方案，根據(jù)地下水開(kāi)采布局、水資源利用現(xiàn)狀和存在問(wèn)題，統(tǒng)籌配置地表水、地下水和非傳統(tǒng)水源，不再新增開(kāi)采井?dāng)?shù)量。確需鑿井的，實(shí)行“打一封一”制度，新增地下水取水主要用于地表水供水管網(wǎng)未到達(dá)地區(qū)生活用水以及特殊行業(yè)用水。

5 結(jié)論

(1)由于地面沉降相對(duì)水位變化的滯后性、不同方法依據(jù)的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)口徑差異、地面沉降研究程度的地區(qū)差異等原因，不同方法的劃分結(jié)果不盡相同。

(2)各劃分方法有其最佳適用范圍。在監(jiān)測(cè)資料的數(shù)量和質(zhì)量有保證的前提下，宜首選水位埋深動(dòng)態(tài)法;對(duì)于目前已實(shí)施地下水控制開(kāi)采甚至禁采的地區(qū)，誘發(fā)問(wèn)題法無(wú)疑是最適合的超采區(qū)劃分方法;對(duì)于開(kāi)采系數(shù)法，則需視計(jì)算單元的選取、開(kāi)采量統(tǒng)計(jì)精度、可采資源量計(jì)算精度等多種因素而定，超采區(qū)評(píng)價(jià)時(shí)可作為前兩種方法的補(bǔ)充。

(3)開(kāi)展區(qū)域性地下水超采區(qū)評(píng)價(jià)時(shí)應(yīng)綜合各種方法的劃分結(jié)果，全面分析水文地質(zhì)條件、開(kāi)采條件、劃分計(jì)算單元、基礎(chǔ)資料可靠性、評(píng)價(jià)期前地下水超采情況、開(kāi)采引發(fā)的地質(zhì)環(huán)境問(wèn)題等因素，統(tǒng)籌考慮，以得到最符合實(shí)際的評(píng)價(jià)結(jié)果。

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