海河流域平原区浅层地下水超采量估算

摘要：收集整理了海河流域平原区浅层各省市几种来源的地下水位数据，利用ARCGIS技术，矢量化《华北平原地下水可持续利用图集》作出1959年、1984年、2005年6月地下水等水位图，利用《中国地质环境监测地下水位年鉴》2005年-2013年末及2005年6月数据，计算了时段变化率，推算出2005年-2013年地下水等水位图，并利用“华北平原地下水演变机制与调控项目”地下水位数据对估算水位进行检验，说明推算的地下水位分布是可靠的，进一步结合地下水开采漏斗和含水层给水度对超采量进行了估算。计算结果表明，1959年-2013年，海河流域平原区浅层地下水累计超采979.45×108 m3，水位平均下降9.62 m。其中1959年-1984年年均超采16.34×108 m3，水位平均累计下降3.93 m、年均下降0.141 m；1984年-2005年年均超采21.21×108 m3，水位平均累计下降6.28 m、年均下降0.299 m；2005年-2013年年均超采15.67×108 m3，水位平均累计下降1.05 m、年均下降0.131 m，2010年以后已呈平稳状态。超采漏斗主要存在于山前地区且用水量较大的城市，尤以子牙河平原西部石家庄、邢台一带最为严重。

关键词：华北平原；海河平原；地下水超采；浅层地下水；地下水位；ARCGIS

中图分类号：TV211 文献标志码：A 文章编号：1672-1683（2016）04-0001-07

Abstract：By collecting groundwater table data of shallow aquifer of each province in Haihe plain and applying ARCGIS technique，the groundwater table contours in the end of year 1959，1984，2005 to 2013 were plotted.The results were checked by independent data sources and proved reliable.Then the quantity of the excess pumping of groundwater was estimated according to the depression cone and specific yield of aquifer.The results showed that cumulative over-exploitation of shallow groundwater aquifer of the Haihe plain was 979.45×108 m3in 1959-2013，the average water table lowered by 10.99 m.Temporally，the annual over-exploitation was 16.34×108 m3and the cumulative average water table lowered by totally 3.93 m，the annual average water table lowered by 0.141 m in 1959-1984；and 21.21×108 m3 and 6.28 m，0.299 m respectively in 1984-2005；15.67×108 m3 and 1.05 m，0.131 m in 2005-2013.It should be noted that over-exploitation of groundwater in Haihe plain mainly occurred in the period from 1984 to 2005，and the over-pumping has been controlled effectively in recent years.Spatially，the depression cone was located mainly in cities which are in sub mountain region and consume relatively more groundwater，especially in Shijiazhuang city and Xingtai city in the west of the Ziyahe plane.

Key words：North China Plain；Haihe Plain；groundwater over-exploitation；shallow groundwater；ground water table；ARCGIS

海河流域是我国水资源供需矛盾最为突出的区域之一。地下水是海河流域水资源的重要组成部分，是当地的重要供水水源。但是自20世纪70年代以来，海河流域人口和社会经济规模迅猛发展，加之连年干旱少雨，由于地表水短缺，海河流域地下水持续超采，已经导致唐山北部、北京西南、河北太行山前平原部分地区含水层被疏干[1]。海河流域是中国粮食主产区和人口经济密集区，地下水超采关系到流域未来水资源利用的可持续性和中国粮食安全、经济安全[2]，海河平原地下水可持续利用受到广泛关注[3]。

关于海河平原地下水超采已有较多研究结果。任永强等人利用GRACE 重力卫星CSRL05 版数据反演推算了海河流域2005年-2009 年间地下水储量的空间变化分布[4]，认为整体上水储量呈逐年减少的趋势。张晓明通过建立华北平原浅层地下水模型，计算了平原区1980年-2000年多年平均超采25.35×108 m3，并反演得出1966年为地下水超采的起始年[5]。费宇红等客观的评价了地下水超采现状，1958年-1998年海河流域浅层地下水资源超采区多年平均超采量为28.18×108 m3，地下水累积消耗储量471.2×108 m3，并分析了地下水位降落漏斗的演变特征以及超采原因[6-7]。Shiqin Wang等人应用MODFLOW和GIS模拟了2002年-2003年海河流域平原区浅层地下水水位变化以及地下水系统水量平衡关系[8]。

这些研究成果为认识该地区地下水变化规律提供了坚实的基础。但关于海河流域地下水超采量，一方面有很不相同的估算结果，另一方面缺乏最近的更新。关于海河流域地下水最近一次的系统评价工作是在2005年，而零星的、出自不同部门的数据差别很大，这些对于认识当地地下水资源量的实际情况很不利。这不仅影响水资源管理决策。同时影响到地方经济发展规划与国家有关宏观战略规划及重大决策的制定[9]。例如：张兆吉等估算1991年-2003年华北山前平原地下水位降落漏斗区地下水超采27.83×108 m3/a[10]，费宇红等估算1958年-1998年海河流域浅层地下水超采471.2×108 m3[11]，张晓明估算1980年-2000年海河流域浅层地下水超采507×108 m3[5]，韩瑞光估算海河流域浅层地下水1980年-2000年累计超采约500×108 m3[12]。而阎站友认为截止2001年，全流域平原区已累计超采地下水约900×108 m3 [13]，因为（包含了深层水）；刘家宏等关于海河流域二元水循环模式中提出：1999年-2006年累计消耗地下水332×109 m3，截止2006年，地下水储量累计消耗约1 228×109 m3[14]，即使考虑到包含深层水，这一估算结果与其他估算也有较大差别。笔者一直关注海河平原的水资源安全和地下水问题[15-16]，平时跟同行讨论时也深感大家对海河平原地下水超采量估计的差异很大。

地下水位变化是地下水超采最客观的反映。本文尽可能收集多种来源的实测地下水位历史数据，根据地下水超采形成的漏斗对地下水超采量进行客观的评价，为公众客观认识华北平原的地下水状况、为水资源管理决策提供科学支撑。

1 研究区概况和数据准备

1.1 研究区概况

海河平原包括水资源分区的九个三级区，自北而南分别为滦河平原和冀东沿海渚河、北四河下游平原、大清河淀西平原、大清河淀东平原、子牙河平原、黑龙港及运东平原、彰卫河平原和徒骇马颊河平原[17]。

本文的研究范围是海河流域平原区。海河流域平原位于中国北方华北地区，研究区东临渤海，西倚太行山，南界黄河，北接内蒙古高原，包括北京市、天津市和河北省的平原部分以及河南省和山东省北部，总面积13.1万km2。是我国政治、经济和文化的中心区域（见图1）[18]。平原区呈扇贝状向东倾向渤海湾，地面坡降平缓，山区前1‰～2‰，中部平原0.11‰～0.13‰[19]。

1.2 地下水位数据

1.2.1 典型年份地下水位详细分布图及给水度分布数据

从张兆吉、费宇红主编《华北平原地下水可持续利用图集》（以下简称《图集》），获得了包括1959年、1984年12月、2005年6月浅层地下水位的详细分布图＼给水度水文地质参数分布图[20]。对这些分布图进行数字化、栅格化处理以便进行运算。

上述图集来源于《华北地下水可持续开发利用前景成果报告》，报告中的地下水位历史观测数据为华北平原所包括的各省地质调查院所提交，再经综合整理而成。时间范围为1959年-2005年6月。水位数据包括潜水位与承压水位。详细的各省地下水位监测点与水位观测数据见表1。可见绘制2005年6月地下水位分布图所用的观测点是很密集的。1959年、1984年的观测数据少一些，但长观点数也接近。

1.2.2 2005年-2013年骨干观测井地下水位数据

《中国地质环境监测地下水位年鉴》公布了骨干观测井的2005年-2013年共计9年的各年年末水位。主要数据项包含各观测点的地理位置、经纬度坐标、水位值等字段。观测数据包含潜水位和承压水位等几种类型，根据研究目的将潜水、潜水-微承压水、潜水-承压水划为潜水类型，承压水位暂不予考虑。根据所划分的类型研究区每年各类型地下水观测点数量见表2。

对于潜水水位，2005年-2010年观测井平均每年62个，2011年-2013年平均每年71个。

由《中国地质环境监测地下水位年鉴》得到的观测井水位数据在平原区东南部分布相较稀疏，为了更准确地控制水位插值的精度，人为补充了一些水位比较确切的数据点。在黄河大堤北堤附近面积较大的水面，认为地表水面与地下水位平齐，在Google earth中得到其位置坐标，将其地形高程赋值为其水位；此外沿海岸线添加若干水位分布点，水位赋值为0。

对收集到的不同来源和不同格式的数据资料进行统一处理，对各年观测点缺失值进行合理的插补，同时去掉异常点，保证各点数据时空连续特征的合理性。整理后各年年末的地下水位点均大于80个。2013年研究区地下水观测点分布见图2。其中沿海及黄河以北的点为人为添加水位控制点。

1.2.3 “华北平原地下水演变机制与调控项目”地下水数据

本文同时利用了国家“973”项目“华北平原地下水演变机制与调控项目”的地下水数据，该数据主要覆盖了北京市、河北省和天津市。在排除承压水观测点之后，浅层水观测点在2005年-2007年每年有80个，2008年为45个。由于项目的水位观测点与年鉴观测点同时期分布不同，两组数据来源相互独立。

2 研究方法

2.1 疏干法原理

地下水资源超采指某一研究区域在一定的研究期内，实际开采量超过了自然因素和人类活动影响下区域补给地下水的多年平均能力[21]。

以往进行地下水资源评价时，将统计得到的实际开采量与多年平均允许开采量的差值作为某一区域的地下水超采量。这种计算方法不能确切地反映该地区的地下水超采情况。主要原因是开采量的统计结果由于统计渠道、统计方法的原因，往往存在较大的误差；二是地下水资源量是一个动态概念，每年的允许开采量与多年平均允许开采量是有差别，拿一个静态数据做动态参照物显然也可能不符合实际[22]。

在地下水超采多的地区，地下水位下降较多反之较少。在超采严重的地区，还会引起周围地下水位的下降，形成区域降落漏斗。地下水的埋深在一定程度上可以反映地下水超采水平，在假定给水度变化不大的前提下，可以通过实际观测的地下水位变化，将超采量的研究转化为埋深增大而形成的漏斗体积的研究。有实际观测数据作为判断的基础，可以避免其他间接估计方法的主观误差。

根据地下水位变化估算地下水超采量的具体方法是疏干体积法，计算公式为

此法尤其适用于水文地质边界条件复杂、地下水补给量、排泄量难以查清、含水层的给水度在水平方向和垂直方向上有显著差异的条件下。

2.2 数据处理方法

2.2.1 历史水位分布图绘制

根据获得的数据，绘制海河平原1959年、1984年、2005年-2013年各年年底浅层地下水位分布图。其中1959年、1984年的地下水位分布图是直接根据《图集》的图件进行数字化；而2005-2013年分布图是以《图集》中2005年6月的详细水位分布图为基础，根据2005年6月、2005年-2013年12月的骨干站点水位的逐时段变化率来推求，即根据骨干站点水位时段变化率，插值得到时段水位变化率的分布图，用插值得到的各点的时段水位变化率和上一时段（第一个时段是2005年6月，第二个时段是2005年12月，第三时段是2006年12月，以此类推）的详细水位分布图推求下一时段的详细水位分布。

2.2.2 推求得到的水位分布图的检验

用国家“973”项目地下水数据来检验推求的地下水位的准确度。用估算的水位值与地下水位实测数据绘制散点图并进行R2统计检验，结果见下文3.1部分。

2.2.3 不存在超采的初始水位的认定

1960年以前海河平原地下水开采很少。除了山前冲积平原，其他地区地下水埋藏很浅，泉水广泛出露地表，地下水位与地形高度接近。可以把1959年底的地下水位分布作为不受人类干扰的地下水分布背景值。

2.2.4 水位变幅、累计超采量等的计算

计算各年年末与1959年末的水位变差，得到各年份的水位变幅图。同时各分区含水层给水度也采用《图集》的分布图数字化以后统计得出，各分区给水度数值见表3。利用raster calculator功能，将水位变幅图与栅格面积进行相乘，得到各年份漏斗体积分布图；同理，将漏斗体积与给水度进行相乘，得到各年末的地下水超采量分布图。结合研究区水资源三级分区图，分区统计地下水水位变幅与超采量，从而得到研究区历年地下水位变化、超采量等信息。

等水位图按照水位降幅以不同的颜色显示，在地下水位下降严重地区，其周边地区的水位降幅成环形向外蔓延，中心处水位降深最大。颜色变化越密集，则说明此点地下水超采越严重。

3 结果分析

3.1 估算水位的检验

利用来源独立的国家“973”项目地下水位观测数据对推算出的地下水位进行精度验证，验证年份为2005年-2008年。图3为2005年-2008年末ARCGIS 估算水位和观测地下水位的比较，其R2大于0.9，说明利用ARCGIS计算出的海河流域地下水位及超采量是可靠的。

3.2 超采总量及动态特征分析

本研究中，通过实际水位观测数据估算了海河流域平原区1959年-2013年浅层地下水超采量，1959年-2013年累计超采约为979.45×108m3。各年自1959年的累积超采量的动态变化见图4。

由图4可知， 1959年-1984年，浅层超采量约为408.6×108 m3；1984年-2005年，超采量约为445.45×108 m3；2005年-2007年超采量有所增加，共增多了86.83×108 m3，年均超采43.41×108 m3；2008年没有超采，贮量增加21.13×108 m3；2008年-2010年超采量继续增加，年均超采34.73×108 m3，2010年达到9年来最大值为989.21×108 m3；2010年-2012年超采量呈下降趋势，减少了11.01×108 m3，2012年-2013年小幅增加1.25×108 m3。地下水超采量在1984年-2013年总体上是呈上升趋势，主要超采量发生在2005年以前。

1959年-1984年期间地下水位平均下降3.65 m，1984年-2005年平均下降6.28 m。2005年-2007年期间，平均水位继续下降，累计下降1.05 m，但2010年以后水位趋于平稳，2011、2012年水位分别平均上升0.19 m、0.11 m，2013年水位平均只下降0.01 m。详细的水资源三级区各年水位平均变化见表4。2013年12月，浅层地下水位最大下降已达82 m，相对1956年，河流域平原区浅层地下水水位变化大于10 m的面积为4.94×104 km2。其中，变化大于20 m的面积达到2.67×104 km2，变化大于40 m的面积为0.52×104 km2。

3.3 空间特征分析

绘制出1959年-2013年水位变差图（见图5）。负值表示水位下降。由图5分析得出，浅层地下水位降落漏斗主要分布于太行山和燕山山前平原，局部地区严重超采，主要分布在石家庄、邢台、邯郸市、北京市，中东部地区较少出现。

详细的各年自1959年的分区累积超采量见表5。

4 结论

本文利用ARCGIS技术绘制海河平原地下水水位分布图，并结合给水度估算了海河流域1959年-2013年地下水超采量，得出以下主要结论。

（1）1959年-2013年海河平原浅层地下水水位平均累计下降10.99 m，超采量共计979.45×108 m3。

（2）1984年-2005年是超采强度最大的时期，2005年以后超采形势得到缓解。1959年-1984年年均超采16.34×108 m3，1984年-2005年年均超采21.21×108 m3，2005年-2013年均超采15.67×108 m3，2010年以后趋于平稳。

（3）超采漏斗主要存在于山前地区且用水量较大的城市，尤以子牙河平原西部石家庄、邢台一带最为严重。

本文利用可以公开获得的地下水位和给水度数据，对海河平原浅层地下水1959年-2013年的累积超采量进行了估算，经过独立来源的水位检验，本文估算的超采量达到较高的精度，但在计算时也仍存

在不足，首先是只考虑水位的变化而没有考虑给水度的时间变化，其次是推求地下水位分布的年鉴数据观测点较少，如果有机会可以收集地质部门更详细的地下水位观测数据来分析。

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