华北平原区地下水开采量估算研究

摘要：准确获取地下水开采量对于区域地下水资源评价和管理工作具有十分重要的意义。但由于地下水开采活动过于分散，目前管理和计量的手段不足，导致地下水开采量统计数据存在较大误差。通过建立华北平原地下水流区域数值模型，利用模拟水位与实际观测水位相拟合的方法，完成了华北平原开采量的反演估算，最终获得了华北平原2002年-2008年各年的地下水开采量，其平均年开采量为249.20亿 m3。

关键词：华北平原；地下水；开采量；数值模型；水量均衡；反演计算；地下水流模拟

中图分类号：P641文献标识码：A

文章编号：16721683（2013）05008204

1研究背景

华北平原是中国北方重要的经济核心地区和农业基地。随着社会经济的快速发展，该地区对水资源的需求与依赖也愈加强烈[12]。由于地表水稀缺，地下水成为该地区最主要的水资源利用形式。根据我国目前地下水开采量调查工作所采用的传统方式[34]，如水表计量法、定额法、亩次法等统计显示，华北平原多年平均地下水开采量已由20世纪60年代的39亿m3上升到70年代的79亿m3；从1985年到20世纪末，其多年平均开采量已超过100亿m3[5]；进入21世纪，华北平原开采量则已超过200亿m3[6]。但是，华北平原开采井数量大、供水用途多样，且目前我国地下水管理制度和手段不足，绝大部分农业开采井缺乏准确计量，因此通过以上传统统计方法难以获得比较准确的地下水开采量数据。而准确的地下水开采量，是对华北平原地下水资源进行科学评价和合理开发利用的基础，因此有必要寻求科学有效的方法对地下水开采量进行估算。

目前世界范围内对地下水开采量的估算已有不少研究。20世纪80年代早期，美国的Wray[7]曾借助遥感技术估算地下水开采量；美国地调局曾采用水资源用途分类的方法对死谷流域1913年-1998年的地下水开采量进行了估算[8]。其他的方法则有Santos等[9]采用的水位动态法、Nels Ruud等[10]提出的基于GIS的分布式水文模型法等。在国内，早期有王怀章和王忠诚[11]的概率统计方法，孙明等人[12]提出的典型井监测与实际用电量相结合的办法。近期则有武美才[13]的台电量法，徐箴等人[14]建立的地下水开采方程等。以上这些开采量估算方法，大多适用于小范围的估算。并且到目前为止，利用数值模拟方法估算地下水开采量的研究还尚不多见。

地下水流数值模型建立在长时间序列且较完善的地下水监测数据资料之上，因此基于水均衡原理利用地下水流数值模型反演开采量，不仅可望获得更为合理和准确的开采量，也可将开采量的估算研究扩展到区域面积上。本文将利用所构建的华北平原地下水流数值模型，以2002年-2003年地下水开采量调查资料为基础，通过对地下水流场宏观趋势进行模拟与校验，实现对地下水开采量的反演估算。

2华北平原数值模型

2.1华北平原概况和地下水的开发利用情况

华北平原位于中国东部地区，包括北京、天津、河北三省（市）的全部平原及河南、山东二省的黄河以北平原（见图1），总面积为13.90万km2。该地区地下水埋藏在由冲洪积、湖积、海积物交错叠置而成的第四系松散层之中。华北平原自20世纪60年代开始大规模开采地下水，机井数由60年代的1 800眼猛增至20世纪末的70万眼，目前地下水开采井已达200万眼左右。长期开采地下水，已造成地下水资源逐步枯竭、大型复合漏斗的形成和严重的地面沉降等环境问题。

2.3地下水数值模型及其改进

作者曾依据2002年-2003年的水文地质调查资料，运用MODFLOW建立了4 km×4 km网格规模的华北平原三维地下水水流数值模型[1516]，将整个华北平原在垂向上分为三个模拟层：第一层为第Ⅰ含水层组（潜水）和第Ⅱ含水层组、第二和第三层分别为第Ⅲ含水层组、第Ⅳ含水层组。模拟期为2002年1月到2003年12月，一个自然月为一个应力期，并最终通过地下水流场和典型地下水监测孔动态曲线对模型进行了校正。本次研究在以上模型基础上，为提高模型精度和稳定性，将模拟识别期由2年（2002年-2003年）延长到7年（2002年-2008年）。模型仍以2001年12月的地下水流场作为初始流场，模型中所用到的水文地质参数、大部分补排项的处理与前期模型相同，与时间序列相关数据则依据现有资料确定，如降水资料使用2002年至2008年数据。最后利用2002年-2008年华北平原101个典型地下水位观测孔的地下水动态曲线和2003年-2008年各年华北平原的地下水等水位线对模型进行识别，其中地下水开采量反演是模型识别过程中的主要内容。

3地下水开采量估算方法

（1）从图3中华北平原2002年-2008年的区域年降水量柱状图可知，华北平原在2003年经历了一个丰水年，其开采量较前一年，即2002年相比有所减少，但2004年、2005年华北平原降水量相对2003年偏小，经历了降水量逐渐减少的过程，在这样的情况下要满足华北平原工农业用水量的需求，则十分有必要加大对地下水的开采，因此这两年的开采量在2003年的开采规模之上。2005年之后，华北平原开采量随着降水量的逐渐增加呈现逐年减少的趋势，同时也说明随着人们认识到过量开采地下水会带来的环境危害后，华北平原地下水开采开始逐步得到遏制。

（2）华北平原属于大面积区域，容易出现个别区县地下水开采量统计不够全面、准确的现象。尤其华北平原农业灌溉井分布广泛，而农业抽水往往因需开采，在时间和规模上不具确定、统一性，因此相关部门很容易忽略部分开采量，从而造成原统计开采量值小于反演后开采量值。

5结语

本文通过建立华北平原地下水流数值模型对区内地下水开采量进行了反演，该方法的特点是结合了研究区的水文地质条件，依据的是水量平衡原理。相比传统的地下水开采量统计方法，该方法具有一定的客观性，在一定程度上避免了外界因素对数据统计时产生的干扰。但此次研究也存在缺乏连续多年地下水位数据和地下水开采量数据等问题，使得地下水数值模拟精度、地下水开采量反演精度受到了一定限制。

参考文献：

[1]王贵玲，陈德华，蔺文静，等.中国北方地区地下水资源的合理开发利用与保护[J].中国沙漠，2007，27（4）：684689.

[2]FANG Q X，MA L，GREEN T R，et al.Water Resources and Water Use Efficiency in the North China Plain：Current Status and Agronomic Management Options [J].Agricultural Water Management，2010，97（8）：11021116.

[3]刘花台，王贵玲，朱延华.地下水开采量调查和校核方法探讨[J].水文地质工程地质.2004，（5）：109111.

[4]张建民.地下水开采量统计分析工作存在问题及解决对策[J].[JP2]海河水利.2009，（4）：5658.

[5]张兆吉，费宇红，陈宗宇，等.华北平原地下水可持续利用调查评价[M].北京：地质出版社，2009.

[6]刘昌明.建设节水型社会，缓解地下水危机[J].中国水利，2007，（15）：1013.

[7]WRAYJR.Estimating Irrigation Water Use and Withdrawal of Ground Water on the High Plains，U.S.A [J].Advances in Space Research，1982，2（8）：127129.

[8]MOREO M T，HALFORD K J，LA CAMERA R J，et al.Estimated Groundwater Withdrawals from the Death Valley Regional Flow System，Nevada and California，191398 [R].WaterResources Investigations Report 034245，2003.

[9]MARTINEZSANTO P，MARTINEZALFARO P E.Estimating Groundwater Withdrawals in Areas of Intensive Agricultural Pumping in Central Spain [J].Agricultural Water Management，2010，98：172181.

[10]RUUD N，HARTER T，NAUGLE A W.Estimation of Groundwater Pumping as Closure to the Water Balance of a Semiarid，Irrigated Agricultural Basin [J].Journal of Hydrology，2004，297：5173.

[11]王怀章，王忠诚.地下水开采量概率统计方法[J].东北水利水电，1999，182（9）：3334.

[12]孙明，王立琴，薛明霞，等.农业区地下水开采量统计方法研究[J].地下水，2001，24（2）：7173.

[13]武美才.变台电量法推算地下水开采量初探[J].水文，2006，26（6）：6567.

[14]徐箴，唐玉兰，刘强，等.沈阳市地下水开采量的确定及风险分析[J].供水技术，2008，2（5）：3033.

[15]邵景力，赵宗壮，崔亚莉，等.华北平原地下水流模拟及地下水资源评价[J].资源科学，2009，31（3）：361367.

[16]SHAO Jingli，LI Ling，CUI Yali，et al.Groundwater Flow Simulation and its Application in Groundwater Resource Evaluation in the North China Plain，P.R.China [J].Acta Geologica Sinica（English Edition），2013，87（1）：243253.