华北平原深层地下水可更新性与水位管控探讨

▲ 京杭运河全线贯通，为沿岸农田灌溉提供水源。图为京杭运河衡水段    摄/牟明宏

华北平原是我国最重要的粮食主产区，以仅占全国2.7%的土地面积生产了全国25%以上的粮食。地下水在支撑华北平原经济社会发展、保障国家粮食安全中发挥着巨大的作用。相对于浅层地下水，深层地下水一般指埋藏深度较大、赋存于松散孔隙含水层中的地下水，具有一定承压性。由于深层地下水补给排泄机制不甚明晰、循环更新速度慢、开采潜在风险大等，国家对于深层地下水开发利用持谨慎态度。2012年出台的《国务院关于实行最严格水资源管理制度的意见》中明确规定 “深层承压地下水原则上只能作为应急和战略储备水源”。

然而，华北平原中东部地表浅层广泛分布的是咸水，难以直接利用，又缺乏足够的地表替代水源。因此，当地不得不长期开采深层地下水用于生产、生活。根据近20年京津冀三地的水资源公报，2014年开展华北地下水超采漏斗区综合治理以前，三省（直辖市）深层地下水多年平均年开采量为45.5亿 m ³ 。开展综合治理之后，深层地下水开采量迅速下降，从2015年的37.5亿 m ³ 下降到2022年的8.3亿 m ³ 。当前，尽管深层地下水压采已取得明显成效，但在替代水源未能有效解决之前，完全禁采深层地下水短期内仍难以实现。

面对现阶段深层地下水管理政策与实际生产需求的矛盾，迫切需要加强对深层地下水的循环规律认识和定量分析，尤其是高强度开采背景下深层地下水循环规律的改变、不同含水层之间的水力联系、地下水补给和更新速度变化等相关研究。本研究重点对深层地下水的可更新性进行探讨，并提出现阶段必要开采实际情况下，实现低风险开采的深层地下水水位管控阈值。

深层地下水可更新性研究

关于深层地下水是否可更新一直是学术界讨论的焦点。部分学者认为，相比于浅层地下水，深层地下水在地质历史时期形成，其上部覆盖有隔水层或者弱透水层，难以直接接受降水入渗及地表水渗漏补给，为不可更新的水资源。部分学者认为， 人类开采活动会加快深层地下水循环速度，诱发侧向径流和垂向越流补给，即深层地下水具有一定可更新性。 本文结合试验观测、水位监测、水化学监测等资料数据，从不同角度对深层地下水可更新性进行探讨。

地下水可更新性概念

从理论上来说，所有水资源都是可更新的，不存在严格意义上不可更新的地下水。所谓“不可更新”，往往指的是地下水在一定的情况下，含水层更新周期相对人类寿命、水资源规划期来说过长。由国际水文地质学家协会（IAH）编著、联合国教科文组织（UNESCO）发布的《不可更新地下水：给水资源管理者的“社会可持续管理”指南》（以下简称《指南》）中，引用1992年出版的《国际水文地质辞典》相对应的词条， 将不可更新地下水定义为位于年均更新量小、储量大的含水层中，一定时间内有必要开采的地下水。

衡量地下水资源是否具有可更新性的主要指标是 “更新强度” ，即地下水系统中年均补给量与地下水总储量的比值。若年均补给量小而总储量大，则认为是“不可更新”的地下水。另一重要指标为 “更新周期” ，即更新强度的倒数，单位是“年”。《指南》建议将地下水更新强度 0.2% （即更新周期500年）作为可更新、不可更新地下水的分界线，并且该标准主要适用于年均降水量小于 300mm 的干旱半干旱地区。

华北平原深层地下水开采是否属于对不可更新地下水的开采，需要视情况而定。依照降水量来判断，华北平原不属于干旱区，地下水整体上具备足够的更新强度。然而，个别地区地下水开采位置处于高度封闭的含水层系统，应属于对不可更新地下水的开采。需要注意的是， “不可更新地下水”是一个相对的概念，更新周期没有绝对的标准，且并非只有深层地下水才属于不可更新。不可更新地下水可以出现在潜水含水层或深层承压含水层，并且同一个含水层在不同部位的可更新性是不同的。

人工开采条件下深层地下水的可更新性

华北平原深层地下水由于长期高强度开发利用，目前已经在中东部平原形成南宫、冀枣衡（冀州-枣强-衡水）、天津等深层超级复合漏斗群。最大复合漏斗面积达2.4万 k m ² ，漏斗边界地下水埋深集中在50~70m，其中漏斗中心最大埋深118m，位于河北省衡水市景县。地下水漏斗的形成使华北平原地下水循环系统发生了巨大变化。

自然状态下，深层地下水主要接受来自山前的侧向补给。山前平原深层地下水水位最高，地下水流以活塞流的方式向东部沿海地区迁移，深层地下水在自然状态下的循环速度较为缓慢。地下水大规模开发利用以来，形成大面积深层-浅层复合地下水降落漏斗，天然地下水流场遭到破坏，被割裂成诸多以漏斗中心为汇流点的中间流动系统或局部流动系统，导致地下水补排结构发生明显变化。

上下游地下水水位差的增加使侧向流速加大，诱发侧向径流补给。 同时，中东部平原深层、浅层地下水水位差的增加导致越流方向反转， 浅层地下水开始向深层越流补给。 从水动力学角度，深层地下水的开发利用改变了天然地下水流场，加快了地下水循环速度，诱发侧向径流补给和浅层地下水越流补给， 使深层地下水具有一定更新能力。

▲   开采条件下深层地下水的补排过程

山前侧向量现场试验

山前冲（洪）积扇区是平原区含水层侧向补给的起始位置，为了评估深层地下水侧向径流补给，本研究选择地区典型监测井进行地下水流速试验。实验使用智能化地下水监测仪（地下水流向流速仪）对单井进行流速测量。智能化地下水监测仪采用视频显微摄像技术，通过显微镜头拍摄水中胶体粒子的移动轨迹，可以实现单井、快速、实时监测地下水流向和流速。试验结果显示，监测井的地下水流速为1.289m/d，流向为167.0°， 表明平原区深层地下水接受山前侧向补给量，证实了深层地下水具有可更新性。

▲ 监测井地下水流速、流向雷达图

浅层与深层地下水水位变化同步性

华北平原深层地下水超采区的浅层地下水大部分为咸水，其主要补给来源为降雨入渗补给，其次为灌溉渗漏补给和河道补给，侧向补给很少。绝大部分地区的地下水水位已在潜水蒸发极限水位以下，蒸发排泄量较小，主要排泄方式为人工开采。而该区域基本以开采深层地下水为主，浅层咸水开采量很小。

对华北平原深层地下水超采区典型点位及县域开展地下水水位监测。 首先，基于华北平原地下水咸淡水分区图和浅/深井调查评价结果，筛选出浅层咸水区典型单管多层监测井，以及县域浅层咸水区（矿化度大于3g/L）面积占比大于60%，且开采井大部分为深层井的县（市、区）。然后，根据监测资料绘制典型单井和县域浅层、深层地下水埋深动态变化曲线。研究区内深层地下水主要用于农业灌溉，开采主要集中在冬小麦和玉米生长期，因此深层地下水水位会在年内呈现明显的波动变化。从图表中可以看出，典型监测井及县域监测井的浅层、深层地下水埋深变化均表现出较高的频谱一致性，且Pearson相关性指标显示两者间存在显著相关性，表明 深层地下水超采区浅层和深层地下水垂向水力联系密切，浅层地下水越流补给深层地下水。

▲   咸水区代表性监测井地下水埋深动态变化情况  

▲ 典型监测井浅层、深层地下水埋深相关性分析

▲ 咸水区县域监测井地下水埋深动态变化情况

▲ 县域监测井浅层、深层地下水埋深相关性分析

咸淡水界面下移

随着深层地下水水位持续下降，开采层与上覆咸水层的水头差进一步增加。咸水通过透水通道或越流补给深层淡水，致使咸淡水接触地带的盐离子成分增加，矿化度增高，使得咸淡水过渡带咸化，表现出咸淡水界面下移的动态变化特征。

根据物探推断成果，华北平原中东部总体上咸淡水界面呈现下移的趋势，下移深度差别较大，地下水漏斗区的咸淡水界面下移尤其明显。 比如，沧州中西部地区咸淡界面平均下移量约20m，下移速率约0.5m/a； 沧州中东部地区咸淡水界面最大下移量达到50~60m，下移速率达到1.2~1.4m/a。 衡水市咸淡水界面下移量在20~30m，下移速率在0.7~1.0m/a； 景县龙华镇—青兰镇的咸淡水界面下移量接近40m，下移速率为1.1m/a。 咸淡水界面下移也侧面反映了浅层地下水向深层地下水进行越流补给的事实。

地下水年龄与水化学分析

人类开采活动打破了地下水系统原有平衡状态，改变了地下水补给和排泄条件，加速地下水循环，导致地下水水化学特征变得复杂，驱动地下水年龄和水化学组分的变化。 因此，可通过同位素和水化学分析等手段来确定地下水的补给来源和更新性。 已有研究成果显示，衡水地下水漏斗区的地下水中14C、δ18O含量随地下水开采呈增加趋势。 其中，14C含量由1985年的16.1pMC增加至2019年的33.71pMC，地下水年龄从8.4ka变年轻至5.3ka。 可以发现， 随着地下水开采的进行，21世纪以来补给地下水的比率逐渐增加，表示地下水更新能力在增加。

可更新性与可开采性辩证关系

2021年颁布的《地下水管理条例》规定，除应急供水取水，无替代水源地区的居民生活用水，为开展地下水监测、勘探、试验少量取水情形外，禁止开采难以更新的地下水。 尽管本研究从不同方面论证了深层地下水存在更新补给量，但深层地下水的可开采性仍需辩证看待。

早 期出台的《全国水资源综合规划技术细则》的“地下水资源量及可开采量补充细则”，提出地下水可开采量指在可预见的时期内，通过经济合理、技术可行的措施，在不引起生态环境恶化条件下允许从含水层中获取的最大水量。 综合来看， 深层地下水是否具有可开采性，应该具备两个条件： ①具备稳定补给源，具有一定可更新性； ②开采不引起生态地质环境恶化。

华北平原由于长期超采深层地下水，目前已经对生态地质环境产生以下危害： ①诱发严重的地面沉降。 深层地下水开采过程中，含水层系统压密释水会引发地面沉降，华北平原累计地面沉降体积高达 756亿 m ³ ，累计地面沉降量大于1000mm的面积呈现逐年增大趋势，并形成沧州-衡水-德州-邢台-邯郸等连片沉降中心。 ②浅层咸水下移。 咸淡水界面下移后，随着开采活动进展，咸水开始进入抽水井，与深层淡水混合导致水质变咸，不能饮用或灌溉而使水井报废。 ③加剧海水入侵。 地下水水位下降后，海水与淡水之间的水动力平衡被打破，导致咸淡水界面向陆地方向移动。

由此可见， 华北平原深层地下水尽管具有一定可更新性，但考虑到开采有可能导致严重的、长期的生态地质环境危害，其可开采性必须谨慎看待。

现阶段深层地下水水位管控

华北平原目前仍有近1/4的农业灌溉用水依赖于深层地下水开采。 在无替代水源的情况下，为了保障粮食安全和民生，短期内还难以实现深层地下水的零开采。 但有必要对深层地下水开采进行严格管控，循序渐进减少开采量，从而减轻各种生态地质环境危害，最终实现完全停采。

地面沉降、咸水下移、海水入侵等都与深层地下水水位相关，因此管控好深层地下水水位是管理的重点。 深层地下水水位的管控阈值可分为两个阶段： 现阶段的水位控制目标是深层地下水水位不超过历史最低水位，从而控制地面沉降； 远期目标是深层地下水水位回升到潜水位以上，防止咸水下移和海水入侵。

▲ 深层地下水水位管控阈值示意图

根据固结理论，含水层系统的压密释水在抽水期内呈现先弹性后塑性的两阶段形变特征，避免发生不可恢复的塑性形变是控制地面沉降、降低开采风险的关键。根据含水层先期最大固结应力， 历史最低水位为发生弹性和塑性形变的临界水位 ，因此可将研究区历史最低水位作为控制地面沉降的深层地下水水位阈值。考虑地面沉降的不可逆危害，研究认为应在此水位基础上，留有一定安全余量水位，比如留有5%~10%的安全水位。根据估算， 华北平原控制地面沉降的深层地下水临界埋深平均值约为76m。

应对咸水下移和海水入侵方面，原理上由于浅层咸水和深层淡水之间存在一定的水位差，在水势梯度的作用下会产生咸水下移和海水入侵，因此消除浅层地下水和深层地下水之间的水位差是治理关键。 远期目标需通过高效节水、水源置换等措施停采深层水，并辅以人工回补等方式逐渐恢复深层水位，最终使其回升到潜水位以上。 这里的潜水位是深层地下水水位修复的理想线。

总结与建议

本文主要对华北平原地区深层地下水的可更新性及可开采性进行讨论，从地下水可更新性概念、地下水动力学、山前侧向量现场试验、浅层咸水下移现象、浅层和深层地下水水位变化同步性、地下水年龄和水化学分析等方面论证了深层地下水是可更新的，地下水开发利用强化了浅层越流补给和侧向径流补给。 辨析了可更新性和可开采性的关系，认为可更新的地下水并不一定具有可开采性，考虑伴随开采发生的地面沉降、咸水下移、海水入侵等复杂风险，必须继续谨慎对待深层地下水开采。 当必须开采深层地下水时，要严格控制深层地下水水位，降低开采风险。 对下一步加强深层地下水保护提出如下建议：

①继续深入推进深层地下水超采综合治理， 推动实施南水北调东线后续工程，增加华北平原中东部灌溉地表水源，尽快实现深层地下水源置换，压减深层地下水开采量，最终实现完全停采。

②加强浅层微咸水开发利用， 研究破解弱含水层取水、微咸水灌溉等技术难点。 华北平原浅层咸水资源高达60亿 m ³ ，若能充分有效利用，不仅可以替换当地深层地下水，有效控制地面沉降，而且能腾出浅层地下库容，进而增大降雨入渗，降低土壤矿化度，逐步改良水土环境，极大有利于盐碱地综合改造利用。

③推进深层地下水人工回补技术研发， 摸清深层地下水的动力场和补排规律。寻找补给优势通道，建立深层回灌技术体系和长效机制，有效遏制区域地面沉降和海（咸）水入侵。

④采用物探、同位素、数值模型、遥感监测等多种研究手段， 深入研究深层地下水开采与地面沉降、咸水下移、海水入侵等水文地质风险的相关性，明晰开采伴随的各类风险发生机制，探索深层地下水小规模常态化利用的可能性。