長(zhǎng)江流域地下水資源量分布特征及開采潛力分析

賈建偉 王棟 何康潔 劉昕

摘要：在長(zhǎng)江流域2001～2016年最新觀測(cè)資料基礎(chǔ)上，依據(jù)平原區(qū)及山丘區(qū)的類型特征，分別采用補(bǔ)給法和排泄法計(jì)算了流域內(nèi)12個(gè)水資源二級(jí)區(qū)和19個(gè)省級(jí)行政區(qū)內(nèi)礦化度M小于等于2 g/L的淺層地下水資源量。結(jié)合水文地質(zhì)條件、降水及人類活動(dòng)等綜合因素，全面論述了長(zhǎng)江流域內(nèi)地下水資源的空間分布特征，并考慮到各地區(qū)現(xiàn)階段地下水資源開采量，進(jìn)一步分析了不同區(qū)域的地下水資源開采潛力。分析結(jié)果表明：① 對(duì)于平原區(qū)類型而言，上游流域地下水資源模數(shù)均值明顯要高于中下游流域的地下水資源模數(shù)均值，長(zhǎng)江北岸的地下水資源模數(shù)均值大于南岸的地下水資源模數(shù)均值;② 對(duì)于山丘區(qū)類型而言，其地下水資源總量皆遵循自北向南逐漸遞增的趨勢(shì)，自上游向下游呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢(shì)，而且湖庭湖、鄱陽湖、太湖三大湖區(qū)水系的地下水資源總量大于非湖區(qū)水系的地下水資源總量;③ 全流域現(xiàn)階段地下水資源開采程度偏低，對(duì)應(yīng)的開采潛力較大，僅河南省出現(xiàn)了地下水資源超采的現(xiàn)象。

關(guān) 鍵 詞：地下水資源量;地下水資源時(shí)空分布特征;地下水資源開采潛力;補(bǔ)給法;排泄法;長(zhǎng)江流域

中圖法分類號(hào)：TV211.1+2

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1001-4179（2021）09-0107-06

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2021.09.017

0 引 言

地下水資源是儲(chǔ)存于地表以下巖土空隙中的飽和重力水，作為自然界水循環(huán)的重要組成部分，地下水資源具有流動(dòng)性和可恢復(fù)性的雙重特征[1-3]。近年來，隨著人口的快速增長(zhǎng)和地表水污染問題的加劇，地下水資源已逐漸成為居民生活用水的重要來源[4-6]。為了更加高效地利用地下水資源，需先對(duì)其“質(zhì)”和“量”的時(shí)空分布特性及對(duì)應(yīng)的開發(fā)利用條件進(jìn)行科學(xué)分析，以便為制定合理的水資源配置方案提供理論依據(jù)[7-9]。

目前，針對(duì)地下水資源量分析及方法已有大量研究。其中，關(guān)于分析方法方面的研究，大致可分為以下兩類。

（1）第1類為傳統(tǒng)計(jì)算方法，包括了水均衡法、排泄法、解析法、數(shù)值法、隨機(jī)模型法及開采實(shí)驗(yàn)法等[10-13]，這類方法大都是通過對(duì)研究區(qū)域內(nèi)的水文地質(zhì)條件進(jìn)行必要性概化，并結(jié)合直接觀測(cè)數(shù)據(jù)來估算地下水資源量，以分析地下水資源量的時(shí)空分布特征[14]。

（2）第2類為基于遙感大數(shù)據(jù)的分析方法，包括了熱紅外法、水文地質(zhì)遙感信息分析法、環(huán)境遙感信息分析法、遙感綜合評(píng)估法及重力衛(wèi)星法等[15-18]。這類方法可以在短時(shí)間內(nèi)收集研究區(qū)域內(nèi)的海量數(shù)據(jù)，具有成本低、實(shí)時(shí)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。然而，遙感技術(shù)作為水文數(shù)據(jù)的間接觀測(cè)手段，其探測(cè)精度難以得到有效保證，有時(shí)甚至無法實(shí)現(xiàn)水量平衡[19]，因此現(xiàn)階段開展的地下水資源量分析仍采用傳統(tǒng)方法為主。

本文在長(zhǎng)江流域2001～2016年最新觀測(cè)資料基礎(chǔ)上，將長(zhǎng)江流域劃分為平原區(qū)與山丘區(qū)2種類型，以兩者對(duì)應(yīng)的Ⅲ級(jí)類型區(qū)作為基本計(jì)算單元，分別采用補(bǔ)給量法及排泄法來研究流域內(nèi)地下水資源量的空間分布特征;并將研究結(jié)果與各地區(qū)地下水資源開采程度相結(jié)合，綜合分析了長(zhǎng)江流域內(nèi)12個(gè)水資源二級(jí)區(qū)和19個(gè)省級(jí)行政區(qū)的地下水資源開采潛力。在“長(zhǎng)江大保護(hù)”背景下，本文研究成果可為長(zhǎng)江流域水資源綜合規(guī)劃及地下水可持續(xù)利用方案的制定提供重要參考。

1 研究區(qū)域概況

長(zhǎng)江發(fā)源于青海省唐古拉山脈中段格拉丹冬雪山西南側(cè)，干支流流經(jīng)青海省、西藏自治區(qū)、四川省、重慶市、江西省及江蘇省等19個(gè)省、市、自治區(qū)，最終在上海市匯入東海;流域面積178.4萬km2，全長(zhǎng)6 300余km。長(zhǎng)江流域地處中國(guó)中南部，整體位于24°30′～35°45′N，90°33′～122°25′E之間。流域整體地勢(shì)西高東低，上游主要為山丘區(qū)，平原區(qū)主要集中在長(zhǎng)江中下游，山丘區(qū)和平原區(qū)的面積分別為161.7萬km2和16.7萬km2。

根據(jù)地形地貌特征和水文地質(zhì)條件，長(zhǎng)江流域可大致劃分為平原區(qū)和山丘區(qū)2種基本類型。其中，山丘區(qū)地下水以基巖裂隙水和巖溶水為主，前者主要分布在川西、桂西、湘西北、黔北地區(qū);而后者在流域內(nèi)大部分?。▍^(qū)）均有分布;基巖裂隙水和巖溶水2種地下水礦化度普遍小于1 g/L。平原區(qū)地下水則以松散巖類孔隙水為主，在流域內(nèi)均有分布?？紤]地形、地貌、水文地質(zhì)條件等因素，平原區(qū)通常劃分為一般平原區(qū)和山間平原區(qū)，山丘區(qū)通常劃分為一般山丘區(qū)和巖溶山丘區(qū)。長(zhǎng)江流域地下水資源Ⅱ級(jí)類型區(qū)分布如圖1所示。

2 地下水資源量分析

2.1 計(jì)算方法和數(shù)據(jù)來源

本文主要分析長(zhǎng)江流域礦化度M不大于2 g/L的淺層地下水資源量。在山丘區(qū)及平原區(qū)分類的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步綜合考慮地形、地貌、水文地質(zhì)條件及水資源分區(qū)等重要因素，研究將平原區(qū)劃分為一般平原區(qū)及山間平原區(qū)2種Ⅱ級(jí)類型區(qū)，將山丘區(qū)劃分為一般山丘區(qū)和巖溶山區(qū)2種Ⅱ級(jí)類型區(qū)。而一般平原區(qū)又可劃分為162個(gè)Ⅲ級(jí)類型區(qū)，山間平原區(qū)可劃分為78個(gè)Ⅲ級(jí)類型區(qū)，一般山丘區(qū)可劃分為422個(gè)Ⅲ級(jí)類型區(qū)，巖溶山區(qū)可劃分為168個(gè)Ⅲ級(jí)類型區(qū)，全部共計(jì)830個(gè)Ⅲ級(jí)類型區(qū)，本研究將Ⅲ級(jí)類型區(qū)作為基本計(jì)算單元。

針對(duì)平原區(qū)地下水，研究采用補(bǔ)給量法進(jìn)行計(jì)算，并統(tǒng)計(jì)其對(duì)應(yīng)的排泄量，以便進(jìn)行水量均衡分析。而對(duì)于山丘區(qū)地下水，采用排泄法進(jìn)行計(jì)算，并以總排泄量來表示山丘區(qū)地下水資源量。為確定各區(qū)域?qū)?yīng)的地下水類型，本次研究以縣級(jí)行政區(qū)及水資源三級(jí)區(qū)套地級(jí)行政區(qū)為分區(qū)單元，當(dāng)分區(qū)單元均為單一平原區(qū)或山丘區(qū)時(shí)，該分區(qū)單元地下水資源量無重復(fù)計(jì)算量;而當(dāng)分區(qū)單元包括平原區(qū)和山丘區(qū)2種地下水類型時(shí)，考慮到平原區(qū)的部分補(bǔ)給量來源于山丘區(qū)的排泄量，因此該類區(qū)域進(jìn)行分區(qū)單元地下水資源量計(jì)算時(shí)，需要從平原區(qū)和山丘區(qū)的地下水資源量之和中扣除2者的重復(fù)計(jì)算量，計(jì)算公式如式（1）所示。

式中：Qf、Qp、Qs、Qc分別為分區(qū)、平原、山丘及重復(fù)地下水資源量，重復(fù)計(jì)算項(xiàng)主要由以下2個(gè)部分組成：

（1）第1部分是平原區(qū)地下水資源中的山前側(cè)向補(bǔ)給量，該部分水量又作為排泄量計(jì)入山丘區(qū)的地下水資源量中;

（2）第2部分是平原地表水體中由山丘區(qū)河川基流量組成的部分。

因此，兩者重復(fù)計(jì)算量可用式（2）進(jìn)行計(jì)算。

式中：Qcb、Qjb分別為平原區(qū)山前側(cè)向補(bǔ)給量、山丘區(qū)河川基流形成的平原區(qū)地表水體補(bǔ)給量。最終，本文依據(jù)分區(qū)單元的地下水資源量分析成果，統(tǒng)計(jì)了長(zhǎng)江流域各水資源二級(jí)區(qū)和省級(jí)行政區(qū)的地下水資源量。

2.2 地下水資源分布特征

基于長(zhǎng)江流域各Ⅲ級(jí)類型區(qū)2001～2016年水文氣象資料及水文地質(zhì)參數(shù)，分別采用補(bǔ)給量法和排泄量法分析各計(jì)算單元平原區(qū)和山丘區(qū)的地下水資源量;據(jù)此推求各分區(qū)單元的地下水資源量;最后依據(jù)分區(qū)單元的地下水資源量分析成果，統(tǒng)計(jì)了長(zhǎng)江流域各水資源二級(jí)區(qū)和省級(jí)行政區(qū)的地下水資源量;同時(shí)，分別從平原區(qū)、山丘區(qū)及地下水總量3個(gè)方面，分析了流域內(nèi)地下水資源量的空間分布規(guī)律。表1和表2分別列出了不同水資源二級(jí)區(qū)及省級(jí)行政區(qū)地下水資源量和地下水資源模數(shù)的計(jì)算結(jié)果。

其中，平原區(qū)作為長(zhǎng)江流域內(nèi)地下水資源的富集區(qū)，地下水資源量為250.2億m3，是長(zhǎng)江流域地下水源工程取水的重要來源。平原區(qū)地下水資源量模數(shù)空間分布的基本特征是：上游流域模數(shù)均值顯著高于中下游流域的模數(shù)均值，長(zhǎng)江北岸的模數(shù)均值大于南岸的模數(shù)均值。具體來看，上游流域地下水資源模數(shù)均值為41.5萬m3/km2，中游流域相應(yīng)均值略小于下游流域的模數(shù)均值，兩者分別為19.7萬m3/km2和20.5萬m3/km2;長(zhǎng)江北岸除漢江流域?qū)?yīng)的模數(shù)較小，僅為18.0萬m3/km2以外，岷沱江及嘉陵江流域的模數(shù)均值均大于40.0萬m3/km2，而南岸不同流域?qū)?yīng)的模數(shù)相差不大，整體處于20.0萬m3/km2附近。從省級(jí)行政區(qū)來看，陜西省及四川省的地下水資源模數(shù)顯著高于其他省份的模數(shù)，分別為44.1萬m3/km2和40.6萬m3/km2;河南省的模數(shù)最低，僅為14.6萬m3/km2，其余省份對(duì)應(yīng)的模數(shù)相差不大，整體處于18.0萬～24.0萬m3/km2之間。

水資源二級(jí)區(qū)及省級(jí)行政區(qū)對(duì)應(yīng)平原區(qū)地下水資源量占比如圖2所示。圖2的結(jié)果表明：盡管長(zhǎng)江上游流域?qū)?yīng)的平原區(qū)地下水資源模數(shù)較大，但占平原區(qū)地下水總量之比較小，僅為9.4%;而中游流域雖然地下水資源模數(shù)最小，但占總量之比最大，為57.2%;下游流域次之，占比為33.5%。具體來看，所有水資源二級(jí)區(qū)中以湖口以下干流區(qū)占比最大，為18.8%，嘉陵江流域占比最小，為0.3%;而省級(jí)行政區(qū)中以湖北省占比最大，為30.3%，陜西省占比最小，為2.6%。

對(duì)于山丘區(qū)而言，地下水資源量為2 213.5億m3，遠(yuǎn)大于平原區(qū)，但多數(shù)地區(qū)山丘區(qū)地下水資源模數(shù)會(huì)小于平原區(qū)，以嘉陵江流域差異最大，山丘區(qū)地下水資源模數(shù)僅為平原區(qū)的1/5。而從地下水空間分布特征來看，山丘區(qū)的地下水資源模數(shù)自北向南呈現(xiàn)出遞增的趨勢(shì)，自上游向下游呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢(shì)。具體來看，上游流域的地下水資源模數(shù)均值為11.6萬m3/km2，中游流域的地下水資源模數(shù)均值為17.8萬m3/km2，下游流域的地下水資源模數(shù)均值為12.9萬m3/km2，長(zhǎng)江北岸的地下水資源模數(shù)均值為11.4萬m3/km2，南岸的地下水資源模數(shù)均值為17.4萬m3/km2。從水資源二級(jí)區(qū)的角度來看，以鄱陽湖水系的地下水資源模數(shù)最高，為24.1萬m3/km2，金沙江石鼓以上河段的地下水資源模數(shù)最低，僅為7.0萬m3/km2;而從省級(jí)行政區(qū)的角度來看，福建省的地下水資源模數(shù)最高，為31.4萬m3/km2，青海省的地下水資源模數(shù)最低，為4.9萬m3/km2。

水資源二級(jí)區(qū)及省級(jí)行政分區(qū)對(duì)應(yīng)的山丘地下水資源占比如圖3所示。由圖3可以看出：與平原區(qū)不同，長(zhǎng)江流域上游及中游流域占山丘區(qū)地下水總量之比相差不大，分別為48.8%及47.6%;下游流域山丘區(qū)的地下水占比最小，僅為3.6%。從水資源二級(jí)區(qū)的角度來看，洞庭湖水系的山丘區(qū)地下水資源量占比最大，為20.9%;太湖水系的最小，為0.5%。而從省級(jí)行政區(qū)的角度來看，四川省的地下水資源量占比最大，為24.83%;廣東省的地下水資源量最小，為0.04%。

綜合來看，長(zhǎng)江流域地下水資源量為2 449.7億m3。就地下水資源模數(shù)而言，上中游流域以山丘區(qū)類型為主，地下水資源總量模數(shù)與山丘區(qū)地下水資源總量模數(shù)相差不大，下游流域?qū)?yīng)的平原區(qū)地下水資源占比大，總量模數(shù)與山丘區(qū)的存在一定差異，但空間分布仍然遵循自北向南逐漸遞增的趨勢(shì)，自上游向下游呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)，而且三大湖區(qū)水系均大于其他非湖區(qū)水系。具體來看，上游流域地下水資源模數(shù)均值為11.7萬m3/km2，中游流域地下水資源模數(shù)均值為17.9萬m3/km2，下游流域的地下水資源模數(shù)均值為15.5萬m3/km2;長(zhǎng)江北岸的地下水資源模數(shù)均值為11.9萬m3/km2，長(zhǎng)江南岸的地下水資源模數(shù)均值為18.6萬m3/km2;三大湖區(qū)水系模數(shù)均值為20.2萬m3/km2，非湖區(qū)水系模數(shù)均值為12.6萬m3/km2。從水資源二級(jí)區(qū)的角度來看，鄱陽湖水系的地下水資源模數(shù)最高，為23.6萬m3/km2，金沙江石鼓以上河段的地下水資源模數(shù)最低，為7.0萬m3/km2;從省級(jí)行政區(qū)的角度來看，福建省的地下水資源模數(shù)最高，為31.4萬m3/km2，青海省的地下水資源模數(shù)最低，為4.9萬m3/km2。

各水資源二級(jí)區(qū)及省級(jí)行政分區(qū)對(duì)應(yīng)的全區(qū)地下水資源占比如圖4所示。由圖4可以看出：與山丘區(qū)類似，長(zhǎng)江流域地下水總量主要來源于上游及中游流域，兩者占比分別為44.90%及48.60%，下游流域的地下水總量占比較少，僅為6.50%。從水資源二級(jí)區(qū)的角度來看，洞庭湖水系的地下水總量占比最大，為20.10%，太湖水系的地下水總量占比最小，為1.90%;而從省級(jí)行政區(qū)的角度來看，四川省的地下水總量占比最大，為23.26%，廣東省的地下水總量最小，為0.03%。

2.3 開采潛力分析

地下水可開采量是指在一定時(shí)期內(nèi)，在保證經(jīng)濟(jì)合理、技術(shù)可行且不引起生態(tài)環(huán)境惡化的前提條件下，從地下含水層中獲取的最大水量，具體計(jì)算公式如式（3）所示。本次研究重點(diǎn)調(diào)查了平原區(qū)礦化度M小于等于2 g/L的淺層地下水可開采量，基于相關(guān)各省水利廳匯編提供的2001～2016年地下水實(shí)際開采量，計(jì)算了長(zhǎng)江流域內(nèi)各分區(qū)地下水開采系數(shù)（Kc，地下水實(shí)際開采量與可開采量之比），并以此分析了各地區(qū)的地下水資源開采潛力，分析結(jié)果如圖5所示。

式中：Qk、Qz、Qb分別為平原區(qū)地下水可開采量、地下水總補(bǔ)給量、不允許襲奪排泄量;Ω為不允許襲奪系數(shù)，對(duì)于長(zhǎng)江流域，一般取0.4～0.6;Qz、Qb中各項(xiàng)量可采用分析單元的平原區(qū)地下水資源量成果。

一般認(rèn)為，當(dāng)Kc為1時(shí)，地下水資源開采達(dá)到平衡，對(duì)應(yīng)的開采潛力為零;當(dāng)Kc小于0.3時(shí)，地下水資源開采潛力極大;而當(dāng)Kc大于1.2時(shí)，則地下水超采嚴(yán)重[20]。圖5結(jié)果表明：從水資源二級(jí)區(qū)的角度來看，嘉陵江、漢江和岷沱江流域?qū)?yīng)的平原區(qū)淺層地下水開采率均高于長(zhǎng)江流域均值19.9%，三者分別為40.0%，45.4%和31.3%，其余分區(qū)則顯著低于均值，地下水開采潛力極大，其中，以太湖水系最低，僅為0.8%;而從省級(jí)行政區(qū)的角度來看，四川省、湖南省及河南省對(duì)應(yīng)的平原區(qū)淺層地下水開采率高于長(zhǎng)江流域均值，三者分別為32.4%，22.2%和122.4%，其余省及直轄市則顯著低于均值，其中，浙江省、上海市無淺層地下水開采。整體來看，除四川省和河南省以外，其余省份的地下水資源開采潛力較大，河南省的地下水則存在超采嚴(yán)重的問題。

對(duì)于長(zhǎng)江流域，主要以利用地表水為主，近年來地下水開采量呈逐年減小的趨勢(shì)。在“長(zhǎng)江大保護(hù)”的背景下，結(jié)合長(zhǎng)江流域各水資源二級(jí)區(qū)和省級(jí)行政區(qū)地下水資源量可開采量及實(shí)際開采情況，漢江流域應(yīng)密切關(guān)注地下水的開采情況，對(duì)于地下水超采區(qū)，應(yīng)逐步減采、限采地下水資源，保證地下水位的恢復(fù);其余地區(qū)應(yīng)有節(jié)度地利用地下水資源，同時(shí)關(guān)注地下水資源的恢復(fù)情況，避免出現(xiàn)超采現(xiàn)象。隨著水資源剛性約束制度的建立，應(yīng)嚴(yán)格實(shí)施河流和區(qū)域用水總量控制，按照流域水量分配方案的要求，合理利用地下水資源。

3 結(jié) 論

本文分別研究了長(zhǎng)江流域內(nèi)12個(gè)水資源二級(jí)區(qū)和19個(gè)省級(jí)行政區(qū)內(nèi)礦化度M不大于2 g/L的淺層地下水資源量的空間分布特征，并結(jié)合平原區(qū)實(shí)際地下水開采量，分析了各地區(qū)對(duì)應(yīng)的開采潛力，得出的具體結(jié)論如下。

（1）針對(duì)平原區(qū)而言，上游流域地下水資源模數(shù)均值要顯著高于中下游流域的地下水資源模數(shù)均值，長(zhǎng)江北岸的地下水資源模數(shù)均值大于南岸的地下水資源模數(shù)均值。從水資源二級(jí)區(qū)的角度來看，嘉陵江流域?qū)?yīng)的平原區(qū)地下水資源模數(shù)最高，漢江流域的地下水資源模數(shù)最低;從省級(jí)行政區(qū)來看，長(zhǎng)江流域陜西省的平原區(qū)地下水資源模數(shù)最高，河南省的地下水資源模數(shù)最低。

（2）山丘區(qū)與地下水總量的空間分布特征相似，皆遵循自北向南逐漸遞增的趨勢(shì)，自上游向下游呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)，而且湖區(qū)水系大于非湖區(qū)水系。其中，從水資源二級(jí)區(qū)的角度來看，以鄱陽湖水系的山丘區(qū)及地下水總量模數(shù)最高，金沙江石鼓以上最低;從省級(jí)行政區(qū)的角度來看，以福建省的最高，青海省的最低。

（3）整體來看，現(xiàn)階段長(zhǎng)江流域地下水開采程度偏低，開采潛力較大。從水資源二級(jí)區(qū)的角度來看，僅嘉陵江、漢江和岷沱江平原區(qū)淺層地下水開采率高于長(zhǎng)江流域均值;從省級(jí)行政區(qū)的角度來看，四川省、湖南省、河南省3個(gè)省份對(duì)應(yīng)的開采率較高，特別是河南省，存在地下水超采問題。

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（編輯：趙秋云）