海河流域沉降区地下水资源承载力评价指标体系（董克刚,王威,于强,易长荣,周俊）

[关键词] 　海河流域;地面沉降;地下水资源承载力;地下水环境容量;土水比

[中图分类号] 　P641.8　　[文献标识码] 　A　　[文章编号] 　1004 - 1184 (2008) 04 - 0012 - 04

Assessment Index System of Groundwa ter Resources Carry ing

Capac ity in the Land - subsidence Area of Ha ihe Ba sin

DONG Ke - gang,WANGWe i, YU Qiang, Y IChang - rong, ZHOU Jun

( Department of Land - Subsidence Controlling of Tianjin City, Tianjin 300061, China )

Abstract: The great part of Haihe Basin has been short of water source. A long history over - exp loitation of groundwater resulted in a number of geological environmental disasters in the basin, particularly the land - subsidence of Tianjin in the eastern. The land - subsidence has been regarded as a lack of coordination between social development and capacity of groundwater resources. In the p rocess of groundwater resources management and land subsidence control, one of the most important issues has been assessment of groundwater resources carrying capacity. This paper discusses some limitations of p revious capacity of Tianjin groundwater environment which include exp loitable ground water and critical water level, and p roduce a new index , called“Ratio of soil loss and groundwater - exp loitation ”, then establish the.

Keywords:Haihe Basin, land - subsidence, groundwater resources carrying capacity, environmental capacity of groundwater, Ratio of soil loss and groundwater - exp loitation

1　引言

海河流域是我国政治、文化中心和经济发达地区,包括北京、天津,以及河北、山西、河南、山东等省份的26 个大中城市,流域内水资源总量不足国内水资源总量的1.3% ,属于资源性严重缺水地区。过去的五十余年中,过度开采地下水,由此引发出一系列生态环境问题(如地面沉降、河道干涸、堤防的防洪能力降低等等) [ 1 ] 。为了恢复海河流域,特别是南水北调沿线地区的水环境,水资源管理体系应因区而异。海河流域东部的天津地区,长期超采地下水导致了地面沉降的迅速发展[ 2 ] 。沉降历史表明,天津沉降是经济社会发展所付出的重要环境代价之一,沉降的持续发展是经济发展方式与地下水资源承载能力不相协调的主要体现。天津地面沉降防治是地下水资源开发利用和水环境保护相互关系的典型命题。

有效进行地下水资源管理与地面沉降防治,必须首先确定沉降区的地下水水资源承载能力。评价地下水资源的承载力相对大小,就是了解开采条件下地下水资源的补给能力,以利于在一定量开采地下水的同时,保证地下水储存资源的不消耗。当前主要是从地下水环境容量角度出发,来评估天津地下水资源的承载能力[ 3 ] 。本文结合天津地区的地下水资源和地面沉降形势,探讨地下水环境容量指标在地下水资源承载力评价中的局限性,并提出地下水资源承载力的“土水比”评价指标,构建“土水比”指标体系,合理评价地下水资源承载力相对大小。

2　地下水资源承载力环境容量指标

天津地面沉降区地下水资源的环境容量指标包括地下水可开采量和地下水临界水位。

2.1　地下水可开采量

地下水可开采量是指在经济合理、技术可能、整个开采期间不产生严重的水位下降、水质恶化及地面沉降等环境地质问题的条件下,可允许开采的地下水资源量[ 4 ] 。

依据累积地面沉降量与累积开采量之间的相关方程,可计算出不同沉降速率条件下的可开采量,见表1。当前,一般以15 mm / a 地面沉降速率条件下开采量计算值作为可开采量。

2.2　地下水临界水位

地下水临界水位是指不引起地面沉降或不引起明显地面沉降的地下水动水位值。对于超固结粘性土,当水位下降引起的粘性土附加荷载不超过前期超固结压力值,就不会引起明显的地面沉降[ 5 ] 。参照天津市西青分层标工程地质孔内高压固结试验所得的前期固结压力( Pc) ,可得出西青区各含水组的临界水位,其他区县临界水位与西青区相近,埋深值一般35～60 m,见表2。

2.3　地下水环境容量指标面临的难题

天津地面沉降区地下水环境容量指标在地下水资源管理的实际工作过程中面临有诸多难题,其原因主要在于这些指标的理论基础和地面沉降区域地下水资源管理的特殊性。

理论上,上述地下水环境容量指标沿袭了以行政区域和含水层为评价单元的思维模式,没有体现出地下水系统的整体性,尤其是可开采量并未考虑各行政单元间可开采资源的相互袭夺,也忽略了由于各含水组之间存在有水力联系所导致的地下水位相互关系。此外,由于可开采量多用作区域水资源量评价,是从地下水资源平衡角度计算所得,计算时所要求的水文地质参数较多,而实测参数少导致总体误差较大,且并不能获取各地区逐年的可开采量计算值。再一方面,天津地区的地下水开采在数十年以前多以第二及第三含水组为主,而近十年地下水开采层位逐渐下移至水文地质条件更加复杂、水文地质参数更多未知的第四、第五含水组,故依据数十年前的相对浅部水文地质参数计算所得的天津地区允许开采量难以描述当前的地下水资源承载能力,临界水位计算同样存在此类问题,其所参考的前期固结压力主要位于埋深500 m 以内,而地下水(尤其是天津地热水) 的开采深度已逐渐深于这一底限。由此,当前所掌握的天津地区地下水环境容量指标仅为基准量和静态量,不宜作为地下水资源承载力动态评价和地下水资源管理的基础。

在地面沉降区域,尤其是地下水开采对地面沉降敏感性强的天津地区,防治地面沉降条件下的地下水资源实际管理工作中,仅依据可开采量和临界水位来作为限定性指标,成效不足。原因在于,一方面可开采量和临界水位为区域性参数,区域性参数难以指出局部地下水资源承载能力大小,即便区域开采量低于可开采资源量、区域水位高于临界水位,但局部集中开采容易造成局部地下水承载能力不足,沉降灾害仍然存在。例如中心市区,其允许开采量为1 000万m3左右,1998 年以来开采量均低于允许开采量,并且逐年减少至2006 年的400 余万m3 ,各含水组地下水位保持在了- 40 m 以上,均高于临界水位,然而,近些年来的年沉降速率仍为15～25 mm / a,除去构造运动引起的1.3～2.5 mm / a 沉降[ 6 ] ,剩余沉降依然由地下水开采引起。另一方面,地面沉降相对地下水超采具有一定的滞后性,即使地下水完全禁采,水位恢复到开采前水平,地下水承载能力的完全恢复仍难以实现,沉降继续发展,滞后现象明显[ 7 ] 。

总之,可开采量和临界水位指标在地面沉降区的地下水资源承载力评估中准确和精确度不足,难以及时反映地下水资源对沉降灾害的影响程度。

3　地下水资源承载力“土水比”指标

3.1　“土水比”概念

“土水比”是指某一地区地面沉降所造成的土方损失量与区内地下水开采量的百分比,可以表征地下水开采引发地面沉降的难易程度,公式为:

式中: P—土水比, 无量纲; E—土方损失量( ×104m3 / a) ; Q—地下水开采量( ×104m3 / a) 。计算某一具体范围沉降区的土水比,主要是计算出该范围内由于地面沉降引起的土体损失量和相应的地下水开采总量。

土体损失量( E) 为沉降损失的地面高程与沉降区范围之积,是各个沉降压缩层土体损失量( En) 之和,即

式中: S—地表监测的沉降速率(mm / a) ; Sn —各沉降压缩层的沉降速率(mm / a ) ; M—计算区的面积( km2 ) 。

由公式(2) 可知,土体损失量计算主要依据于地面沉降监测数据,当前天津地面沉降监测手段主要以地表一、二等水准监测为主,辅以GPS和InSAR 等空间技术,同时建设有十余个分层标组来监测分层沉降情况[ 2 ] 。故天津沉降区沉降量监测精度高,土体损失量的计算结果准确度大。

地下水开采量(Q) ,理论上可依据水量均衡法来计算:

Q =Q补- Q排- △Q储=Q补- Q排-μ×M ×ΔH (3)

式中: Q补—计算区的补给资源量( ×104m3 / a ) ;Q排—计算区的自然排泄量( ×104m3 / a) ;ΔQ储—计算区地下水储存资源的变化量( ×104m3 / a) ;μ—计算区内含水介质给水度(无量纲) ;ΔH—计算时段内的平均水位变动值(m) 。

天津地区地下水补给主要来源于侧向径流补给、粘性土释水,含水介质弹性释水和其他方面等;地下水自然排泄主要为侧向径流流出量。由于上述各项地下水补给或排泄项计算均需要详尽的水文地质参数,而获取各个较小时间及空间范围内的水文地质参数在实际工作中难以实现,故土水比值计算过程中,地下水开采量多采用区(县)、镇、村各级水利部门提供的计数值。

从概念及计算公式上看,土水比( P) 反映的是研究区内总的土体损失量和总的地下水开采量比值,整体反映一定地下水开采条件下,沉积地层的压缩沉降情况,即地下水资源开发利用与地面沉降灾害之间的关系。

3.2　“土水比”指标

从地质环境角度出发,沉降区土水比值的大小,可以反映地下水开采引起地面沉降的难易程度;从地下水资源角度出发,土水比值反映的是地下水资源承载能力的相对大小,地下水资源承载能力较小的区域,相对容易引发沉降地质灾害。由此,本文建议将“土水比”作为地下水资源承载力相对大小的评价指标。

依据“土水比”概念,土水比值的计算精度和时间间隔,主要依据沉降监测和地下水开采量的精度和时间间隔。由前述土水比计算过程中沉降速率和地下水开采量的监测方法可知,土水比值的计算,可以自行选定空间和时间尺度(以年为单位) ,计算结果较为可信,能及时反映地下水资源对地面沉降的影响。上述优势恰好克服了可开采量和临界水位所面临的各项难点。

总之,尽管土水比计算不能指出研究区内具体的地下水资源承载力,但其相对大小可以及时反映不同区域的地下水资源承载力相对大小,对于整个沉降区地下水资源的管理意义十分重大。

3.2.1　地下水资源承载力相对大小的“土水比”指标

依据水文地质条件,将天津市地下水流动系统分为多个子系统[ 7 ] ,见图1。

各子系统深层地下水补给,目前已经得到认可的包括侧向流入量、弹性释水量和土体压缩引起的粘性土释水量,而地下水资源保障程度大小,主要取决于侧向流入量和弹性释水量。根据近几年来开展的地下水资源调查与地面沉降研究取得的结果,应用水量均衡法,较为准确地计算了各地下水子系统的侧向流入量和弹性释水量,它们在地下水开采量中所占比例如表3所示,结合2004～2006 年的土水比值,可以发现,各个地下水子系统的侧向流入量约为开采量的15% ～20% ,侧向流入量和弹性释水量之和也仅占地下水开采量的30% 左右; Ⅱ3 和Ⅵ3 子系统土水比值接近区内侧向流入量和弹性释水量之和所占开采量的比例,而恰好这两个子系统的沉降量明显小于其他天津南部其他地区; Ⅲ2、Ⅴ2 和Ⅲ3 + Ⅳ3 + Ⅴ3 子系统内,人为开采量中除去侧向流入和含水介质弹性释水部分外,仍有30% ～70% 来自于粘性土压缩及其他方面。

上述现象表明,当土水比值较小时,对应的地下水资源概况是,侧向流入量和弹性释水量基本满足地下水开采要求,地下水补给保证程度高,地下水资源承载力相对较大,所引起的地面沉降速率小;当土水比值大时,地下水开采量很大部分来源于土体的压缩释水,含水系统本身的水资源保证程度低,地下水资源承载力相对较小。

3.2.2　地下水资源承载力的“土水比”指标体系

由此,可将P = 20% 定为天津地区地下水系统资源保障程度高与保障程度中等的界限,同时也是地下水资源承载力高与承载力较高的界限,北部大面积地区,各地下水子系统土水比P≤20% ,即每开采5 m3地下水,产生1 m3的沉降土体损失(粘性土压密) ,其余4 m3地下水来自于外部的补给,显示含水砂层在侧向或垂向越流方面有充沛的补给条件;将P = 50% 定为保障程度中等与保障程度低、地下水资源承载力较高与承载力较低的界限,彰卫河冲海积子系统和永定河古河道子系统土水比P≤50% ,即在等量置换出1 m3水之外,只能从含水层中获得另外1 m3的地下水,显示侧向补给已经很有限;天津南部数千平方千米的地区,土水比接近或等于100% ,即从地下开采出来的水,基本上完全是由粘性土层压缩置换而来,这无疑是地下水资源枯竭的警示讯号,地下水资源承载力几近消失。

据此,可建立土水比指标体系,见表4。

4　结论

海河流域资源性缺水,尤其是天津地区,社会生活及生产用水很大程度上依赖于地下水开采。长期的地下水超采导致天津地区发生了严重的地面沉降地质灾害。防治天津地面沉降的主要手段是弄清地下水资源承载力的相对大小、加强沉降区地下水开采量的管理。以往的地下水资源承载力相对大小评价,大多依据地下水环境容量指标(包括可采量和临界水位) ,而理论和实践证明,在天津这种地面沉降对地下水开采强度极其敏感的地区,其不宜作为地下水资源承载力和水资源动态评价及管理的基础。通过逐年份精确的地面沉降监测值和地下水开采量计数值,可计算出沉降区内各局部的土水比。天津沉降区内不同水文地质单元的土水比值( P) 相差较大,值的相对大小恰好与各水文地质单元的地下水补给、径流等水文地质条件相对应,同时反映了地下水资源保证程度和水资源承载力的相对大小。本文建议将“土水比”作为沉降区地下水资源承载力指标,土水比值20%、50% 及100%分别作为承载力高、较高、较低及低等不同级别的界限,从而建立土水比指标体系,合理评价沉降区内不同局部的地下水资源承载力相对大小。

参考文献

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[作者简介]董克刚(1951-),男,河北肃宁人,高级工程师,主要从事天津市地面沉降的管理和研究工作。

来源：《地下水》2008.07