2024年4月1日发(作者：)

水利水电技术第49卷2018年第3期

廖梓龙，马真臻，程双虎

，等.

地下水控制性临界水位及确定方法

[J

Resources and Hydropower Engineering, 2018, 49(3)

：

26-32.

].

水利水电技术，

2018, 49(3): 26-32.

LIAO Zilong, MA Zhenzhen, CHENG Shuanghu, et al. Dominant critical water level of groundwater and its determining method[ J]. Water

地下水控制性临界水位及确定方法

賡梓龙w，马真臻程双虎

3

，谢新民贺华翔

1

(1.中国水利水电科学研究院水资源研究所，北京100038; 2.中国水利水电科学研究院牧区水利科学

研究所，内蒙古呼和浩特010020; 3.河北省水文水资源勘测局，河北石家庄050031)

摘要：地下水位及其变化趋势是衡量地下水资源开发是否合理的重要评判依据，为了充分反映地下

水系统的功能属性和水资源管理要求，在辨析地下水控制性临界水位与上限、下限临界水位相关概念

的基础上，以维系地下水资源功能、生态功能和地质环境功能可持续为目标，考虑地下水流动系统的

整体性和协调性，通过构建多元量化关系模型，由各功能和类型分区单井临界水位划定成果加权得到

各管理分区面水位阈值。以地下水开发利用问题较为突出的河北省平原区为研究对象，基于各代表性

监测井2001—2013年水位数据构建量化关系模型，地下水控制性临界水位划定结果表明：河北省平

原区浅层地下水控制性上限临界埋深阈值为1.93 ~13. 19 m,控制性下限临界埋深阈值为10.94 ~

27. 06 m;深层地下水控制性临界埋深阈值为12. 15 ~49. 09 m。

关键词：地下水开采量管理；地下水临界水位；地下水功能；河北省平原区

doi

：

10. 13928/j. cnki. wrahe. 2018. 03. 004

中图分类号：

TV213.4

文献标识码：

A

文章编号

：

1000-0860(2018)03-0026-07

Dominant critical water level of groundwater and its determining method

LIAO Zilong1,2 , MA Zhenzhen1, CHENG Shuanghu3, XIE Xinmin1, HE Huaxiang1

(1. Department of Water Resources, China Institute of Water Resources and Hydropower Research, Beijing 100038, China

；

2. Department

of Water Resources for Pastoral Area, China Institute of Water Resources and Hydropower Research, Hohhot 010020, Inner Mongolia,

China

；

3. Hydrology and Water Resources Survey Bureau of Hebei Province, Shijiazhuang 050031, Hebei, China)

Abstract

：

As groundwater level and its changing law are the important bases for judging whether groundwater development is rea­

sonable or not, the thresholds of the areal groundwater levels of all the relevant management sub-districts are obtained by weigh­

ting the delineation results of the critical water levels of the single wells within the sub-districts of all the functions and types

through establishing a multi-quantified relationship model under the consideration of the integrity and coordination of the ground-

water flow system by taking maintaining the sustainabilities of the resource function, ecological function and geological function of

groundwater as the target on the basis of discriminating the correlative concept between the dominant critical water level of ground-

water and the upper and lower limits of the critical water level, so as to fully reflect the functional attribution and the water

resources management requirement By taking the plain area of Hebei Province with more outstanding problem from the develop­

ment and utilization of groundwater as the study object, a quantified relationship model is established in accordance with the water

收稿日期：

2017-10-23

基金项目：国家自然科学基金

“

水资源最优楔合配置研究

”

（

51709274);

中央分成水资源费项目

“

地下水水位控制与取水总量控制

‘

双控管理

’

研究与示范

”

（

66);

中央分成水资源费地方

(

兵团）项目

“

河北省地下水位预警与控制方案

”

（

WR0203A092015)

作者简介：廖梓龙（

1987—

），男，博士研究生，主要从事水资源配置、地下水模拟与调控研究。

E-mail: zilonglll5@

通信作者：马真臻（

1984—),

女，髙级工程师，博士，主要从事水资源配置、调度与管理研究。

E-mail: mazz@

26

Water Resowrces and Hydropower Engineering Vol 49 No. 3

廖梓龙，等//地下水控制性临界水位及确定方法

level data of 2000 -2013 from all the representative monitoring wells, and then the delineation results of the dominant critical

water levels of the groundwater therein show that the threshold of the upper dominant critical buried depth is 1.93 ~13. 19 m and

the threshold of the lower dominant critical buried depth is 10. 94 ~ 27. 06 m for the shallow groundwater within the plain area of

Hebei Province, while threshold of the dominant critical buried depth of the deep groundwater is 12. 15 ~ 49. 09 m therein.

Keywords: groundwater exploitation management; critical groundwater level; groundwater function; Hebei Plain

〇引言

地下水资源在我国北方地区不仅是维持经济社会

发展不可替代的战略性资源，而且是稳定生态环境系

市是河北省经济政治中心，位于山区冲洪积扇水源涵

养带，是河北省主要的农灌区，建成区也是河北省

地下水超采区，不同时划定各个类型区的临界水位

不利于水资源统一管理；二是水位划定成果与水资

统的重要因素[1]。河北平原是我国重要的粮食主产

区和工业集聚区，其近三十年的快速发展导致了地下

7jC严重超采、地下水位降落漏斗不断扩大，以及生态

退化、地裂缝、地面沉降等一系列问题的产生，成为

制约该区域经济社会可持续发展的重要瓶颈[2]。地

下水位及其变化趋势是反映地下水采补平衡与否的客

观标尺和晴雨表，也是衡量地下水资源开发是否合理

的重要评判依据[3]

。一

方面，由于地下水超采导致

地下水位大幅度下降造成地面沉降、塌陷、地裂缝、

海(咸）水人侵，以及植被退化、植物凋萎甚至自然

死亡等[4]，另一方面，由于地表水过量引用和灌排

设施不配套、地下水开采不足等导致地下水位抬升,

引发土壤次生盐渍（碱）化、沼泽化或者道路翻浆、

咸淡水界面上移等问题。为满足经济社会发展用水需

求和生态环境保护需要，我国自20世纪60年代就开

始研究地下水临界水位（埋深），并以此作为指导、

监督和管理地下水资源开发利用的控制指标[5_7],如

张兆吉等[1]、石建省等[2]通过建立数值模拟模型确

立华北平原的地下水控制水位，并以此作为地下水调

控的依据；赵辉等[6]根据地下水位对环境的控制作

用，提出了典型区的地下水控制水位；谢新民等[8_9]

结合西北、华北和东部沿海地区普遍存在的地下水问

题，提出了西北型、华北型和东部沿海型地下水蓝线

水位和红线水位等具体分析成果。

从国内外研究成果来看，地下水控制性临界水位

划定方法主要有水均衡法、解析法、数值模拟法等,

7jC位划定的约束条件因子从可开采量单一约束向资源

持续利用、生态良性循环、地质环境稳定等多因素耦

合制约转变[1°_11]，地下水位管理目标从地下水系统

采补平衡转变至社会、经济、生态、环境等多用户多

系统协调一致持续发展。与此同时，地下水临界水位

划定方法还存在几点不足：一是水位划定成果多是针

X#单一功能类型区，如农田、建成区、生态脆弱区

等，缺少针对复合功能类型区水位的研究，如石家庄

水利水电技术第49卷2018年第3期

源管理要求缺少有效协调和衔接，导致基于水文地

质单元确定的代表性观测井水位成果与基于行政区

划管理主体的水资源考核要求脱节，如以县域为最

小管理考核单元，当一个水文地质单元对应多个行

政分区时，需要从地下水流场上下游关系等因素分

解面状考核水位，当一个行政分区对应嵌套多个水

文地质单元时，需要基于地下水系统属性加权确定

面状考核水位。

根据国家关于地下水超采综合治理试点有关要

求和《河北省地下水超采综合治理试点方案》等，以

实行最严格的水资源管理制度为契机，从区域水文

地质条件出发，辨析地下水控制性临界水位的概

念，基于地下水管理单元功能属性判识和地下水管

理的要求，提出一套由单井水位加权确定面状水

位、通过降水量、开采量和地下水位量化关系模型

确定地下水控制性临界水位的方法，并以河北省平

原区作为试点区予以应用示范，为试点区实行地

下水“水量与水位”双控管理和精细化管理提供重

要依据。

1概念与分区

1. 1

基本概念

地下水控制性临界水位（埋深）是从水文地质条

件出发，针对不同水文地质分区（单元）因地下水位

变化而导致地下水资源功能、生态功能和地质环境功

能受到极端或不可逆的影响，所确定的避免可能产生

各类问题或灾害的临界水位（埋深）。它具有明确物

理概念，是一组静态的临界阈值。地下水控制性临界

7JC位(埋深)又可分为上限临界水位（埋深）和下限临

界水位(埋深），上限、下限临界水位（埋深）系指不

引发和产生各类问题或灾害的地下水最大、最小水位

(最小、最大埋深）。前者主要是由于地下水补给过

量或开采不足等造成的，是面向防止土壤次生盐渍

化、道路翻浆和地铁等地下构筑物抗浮与防水设计

27

廖梓龙，等//地下水控制性临界水位及确定方法

的临界水位（埋深），后者则主要是由于地下水补给

量不足或超采等造成的，是面向防止地面沉降、地

裂缝和植被自然死亡、海咸水入侵等灾害的临界水

位（埋深）[7-9]。

1.2计算分区

控制性临界水位（埋深）是针对不同的水文地质

计算分区（单元）确定的，统筹考虑县级行政区划、

水文地质分区、地下水类型、地下水功能区划、地下

水超采区划分、地下水开采层位等特点及存在的问

题，并按照有利于地下水监控与管理的要求，划定最

图1所示。

小计算分区（单元）。

2确定原则与方法

2. 1确定原则

(1) 遵从自然规律的原则。应当明确地下水开采

层位的构成、自然资源功能和生态环境属性，分析地

下水赋存条件和补给、径流、排泄条件，遵循地下水

流动和迁移规律。

(2) 独立性原则。对于建成区与非建成区、城市

与农村、荒漠与绿洲、森林与农田、水源地与非水

源地等，应区别对待、独立划分，体现各自不同的

特点。

(3) 极小极大原则。根据地下水功能区划的要

求，对于地下水开发区，严格界定地下水开发利用的

影响范围，在遵从水文地质保护条件以及保障地下水

不受污染(符合相关水质标准）的前提下，使划定的

地下水控制性临界水位阈值尽可能小，以便提高地

下水监控和管理的精度与时效性；对于生态脆弱

区、地质灾害易发区或保留区，根据水文地质条件

及社会经济等因素，使划定的地下水控制性临界水

位阈值尽可能大。

(4) 实用性原则。控制性临界水位划分应符合地

下水赋存条件，但同时要考虑地下水位历史变化趋

势。如土壤盐渍化的地下水临界埋深为2〜3

m

，而

地下水观测系列资料中从未出现过地下水埋深为2〜

3

m

的情况，则确定地下水上限临界水位(埋深）时就

需要根据历史上最大实测水位（最小埋深）作为上限

临界水位(埋深）。

2.2确定方法

地下水控制性临界水位（埋深）确定步骤依次

为：代表性监测井选择与类型划分、代表性监测井

临界水位（埋深）初始值确定、代表性监测井临界水

位（埋深）确定、计算分区（单元）面水位（埋深）、

计算分区临界水位（埋深）修正值。具体计算步骤如

28

图1地下水控制性临界水位计算框图

2. 2. 1 代表性监测井选择与类型划分

选取各计算单元内一定数量的有长期观测数据、

水位变幅趋势合理的监测井作为代表性监测井，并识

别各代表性监测井属性，主要包括地下水功能（资源

功能、生态功能、环境地质功能）、地下水类型、地

下水开采层位、区域地下水赋存规律等。

2. 2.2代表性监测井临界水位初始值确定

监测井历史系列水位与现状水位，划定各代表性监测

根据地下水长系列动态变化规律，对比各代表性

井上限临界水位初始值丑(〇。和下限临界水位初始

值

H

(0〗_

o

。具体计算公式为

_一='

max

H

(

i

)j1956 ,

H

(

i

)[95S,

•

* 9 9

丑⑴及⑴“丨

(1)

H

(

i

)

jd

〇wn〇

-

：

min

H

(

iy

i956 ,

H

(

i

)[957 ,

H

(

i

)[95S,

• • •

，

及⑴;2012，好⑴;2013丨

⑵

式中，及（0

{956为1956年第〖号监测井第

y

时段末的

水位（

m

)，其中

y

可根据需要划分为年、季、月、

旬等。

2. 2. 3代表性监测井临界水位确定

根据第

A

；单元(计算分区)所属的地下水功能区划，

并考虑地下水开采层位及代表性监测井特点，划定单

井上限临界水位0。和下限临界水位丑⑴。具

体确定方法为：（1)若第^单元位于建成区，则及

(0。为第

A

单元第〖监测井第时间尺度道路翻浆

临界水位和地铁等地下构筑物抗浮设计水位与防水

设计水位中的最低水位值；（2)若第

A

单元位于非

建成区的农田区，则丑(纟)。为第&单元第纟监测井

第

y

时间尺度土壤盐渍化、沼泽化临界水位中的最

低水位值；（3)若第

A

；单元位于位于生态脆弱区或

水利水电技术第49卷2018年第3期

廖梓龙，等//地下水控制性临界水位及确定方法

敏感区，则"(0。为第

A

单元第；监测井第

y

时间尺

度各类天然植被自然死亡临界水位中的最高水位值;

(4)若第

A

；单元位于地质环境问题（灾害）易发区，则

为第^单元第〖监测井第

y

时间尺度各类地

面沉降、地裂缝、地面塌陷临界水位中的最高水位

值；（5)对于不涉及地下水资源功能、生态功能和

地质环境功能等问题的区域，可根据地下水长系列

观测资料，取历史上的最高、最低水位值作为上

限、下限临界水位。

在实际情况中，地下水系统是一个复合功能的集

市、沧州市、邯郸市、衡水市、廊坊市、秦皇岛市、

石家庄市、唐山市、邢台市共9个地市和113个县级

行政区，总面积为7. 99万

km

2。按成因和形态特征，

河北省平原区可划分为山前冲积洪积丨质斜平原、中部

冲积湖积平原和滨海冲积海积平原。其中山前平原沿

太行山、燕山山麓呈条带状分布，海拔尚程在50〜

l

〇〇

m

之间，中部平原地势低洼，一般海拔在50

m

以下，滨海平原主要位于京沪铁路以东，渤海湾西

岸，呈半环状分布。试点区属暖温带大陆性季风气

候，四季分明，年均降水量531.7

mm

，年降水量的

合体，即同时兼顾资源、生态、环境地质中的2种或

2种以上功能，地下水位变化是多因素共同影响的结

果，如果仅考虑一种属性下的临界水位（埋深），势

必会使划定的临界水位（埋深）失去指导意义，无法

满足最严格水资源管理制度下对地下水“双控”管理

和精细量化管理的要求。因此，需要通过综合评判、

权衡或采用权系数方法等最终确定各代表性监测井上

限、下限临界水位(埋深）。

2. 2. 4计算分区（单元）临界水位确定

考虑到观测井分布疏密不均、每个监测井所控制

的面积不同等特点，采用泰森多边形法将观测井水位

转换成计算分区面水位，即将各代表性监测井临界水

位值导入

GIS

，通过面积加权法确定各计算分区（单

元）面临界水位值。具体计算公式为

K

=

^)updA

=

Y

,

frH

{

i)up

(3)

Hdown

=

H

{

i)downdA

= ^

•

H

{

i)down

(4)

式中，分别为某一计算分区（单元）临界水

位上限值和下限值（

m

); 4为计算分区（单元）面积

(

km

2) ;/；为第/代表性监测井的权重系数。

2. 2. 5计算分区（单元）临界水位修正

为了保证计算结果的合理性和协调一致性，需

要对计算分区（单元）的临界水位进行修正。一方

面，为确保地下水多年调蓄功能的发挥，应保证临

界水位阈值（即上、下限临界水位差）不能过小。另

一方面，存在地下水力联系的相邻计算分区（单元）

面临界水位值应符合地下水流场上下游之间的协调

关系。

3试点区应用

3.1试点区概况

河北省地下水超采及其由此衍生的问题在全国具

有显著代表性，试点区为河北省平原区，涉及保定

水利水电技术第49卷2018年第3期

70%〜80%集中在6 —9月。2013年河北省供水总量

为191. 29亿

m

3，其中地下水供水量为144. 57亿

m

3，

占75. 6%，地下水年均超采量为45.9亿

m

3。

南水北调中线工程于2014年12月运行通水，对

缓解河北省水资源短缺、地下水超采现状将起到关键

作用。南水北调工程运行通水后，区域供水格局发生

较大变化，因此本研究选择1980—2013年水位作为

临界水位的确定依据，现状水位与临界水位相差较大

的区域将是未来南水北调对地下水置换的重点区域，

分析结果可对南水北调通水运行后地下水压采与修复

方案的制定实施提供科学依据。

3.2计算分区（单元）与代表性监测井

基于县级行政区划、水文地质分区、地下水类型

和地下水功能区划、地下水超采区划分等成果，并考

虑地下水“双控”管理需求，将9个地级市113个县

级行政分区嵌套10个水文地质分区和58个水文地质

亚区，共划分为212个计算分区（单元），选取代表

性监测井401眼，其中浅层220眼、深层181眼。计

算分区与代表性监测井情况如图2所示。

图2计算分区与代表性监测井分布

29

廖梓龙，等//地下水控制性临界水位及确定方法

3.3临界水位值确定及分析

首先根据地下水位长系列观测资料（1980— 2013

年)确定各观测井上、下限临界水位初始值，根据各

代表性监测井属性及检索到的有关各类临界水位研究

成果，确定各监测井临界水位(埋深)值。

已有研究成果表明建成区地铁、地下构筑物上限

设计埋深控制值为2〜10

m

，农业区土壤盐渍化、沼

泽化上限临界埋深值为2〜3

m

，建成区或地质灾害

易发区地裂缝、地面沉降临界埋深值浅层为7〜21

m

，

深层为 43 〜54

m

[12_15]。

对于无研究成果和经验值参考的区域，通过各代

表性监测井历史系列水位并参考含水层平均厚度，从

供水安全及避免地质灾害的角度，综合分析和确定各

代表性监测井上、下限临界水位(埋深)值。

最后，基于

ArcGIS

平台将各代表性监测井临界

水位值绘制等值线，得出各计算分区（单元）面临界

水位值。为了便于水行政管理部门监控和管理，最终

可汇总得到县级行政区面临界水位值。在计算过程

中，若某县级行政区既有山前丨頭斜平原又有一般平原

的，则先计算各类型地貌单元的面临界水位值，最

后通过面积加权确定出县级行政区临界水位值。浅

层和深层地下水控制性临界埋深值分别如图3—图5

所示。

图3浅层地下水控制性上限临界埋深值分布

从图3和图4可看出，河北省平原区浅层地下水

控制性上限临界埋深阈值为1. 93〜13. 19

m

，下限临

界埋深阈值为10.94〜27.06

m

Q上限临界埋深值最

浅的分区位于沧州市盐山县黄河古河道带孔隙地下水

系统子区，上限临界埋深值最深的分区为保定市涞源

县大清河地下水分区拒马河冲洪积扇孔隙地下水系统

子区。下限临界埋深值最浅的分区位于保定市涞水县

30

图4浅层地下水控制性下限临界埋深值分布

图5深层地下水控制性临界埋深值分布

大清河地下水分区北拒马河岩溶裂隙地下水系统子区，

下限临界埋深值最深的分区为邯郸市涉县子牙河地下

7

JC

分区滏阳河黑龙洞泉泉域岩溶地下水系统子区。

从图5可看出，河北省平原区深层地下水控制性

临界埋深阈值为12. 15〜49.09

m

。其中，临界埋深

值最浅的分区位于秦皇岛市昌黎县溧河还乡河孔隙裂

隙水分区中部平原承压水子系统，临界埋深值最深的

分区为石家庄市栾城县唐河滹沱河地下水分区冲积扇

承压水子系统。

3.4结果讨论

3. 4. 1 地下水临界水位合理性分析

为了进一步检验临界埋深划定是否符合地下水流

场演变规律，需要转化成水位髙程值（等于地表高程

减去临界埋深)进行比较分析。地下水临界水位划定

结果表明，浅层临界水位高程均不小于含水层厚度的

水利水电技术第49卷2018年第3期

廖梓龙，等//地下水控制性临界水位及确定方法

2/3,深层临界水位高程均不低于承压水顶板高程,

结果合理。从地下水流势来看，浅层地下水临界水位

高程值由高到低依次为山前平原、中部平原和滨海平

原，符合地下水自然循环实际流向。深层地下水开采

漏斗中心位于山前石家庄一邢台市一带以及中东部沧

州市一带，符合当前地下水开发利用实际。沧州市几

十年累积超采导致深层地下水埋深不断加大，水位高

程已下降至海平面高程以下[16_17]，考虑到承压水弹

性释水不可逆和防止咸淡水界面下移，滨海平原区深

层临界水位高程值介于正值与负值之间，即部分区域

沉降。根据沧州市钻孔揭露情况来看，垂向上650 m

以内可以分为5个含水岩组，其中主开采层为埋深

120 ~400 m的第EI含水岩组[2°]，其临界水位的确定

必须考虑相邻含水层越流补给能力。

4结论

(1) 地下水位是地下水资源量多寡的最直接表

形式，也是落实最严格水资源管理考核制度的关键表

征指标，为克服单井临界水位无规律异动变化对地下

水区域性宏观量化管理的干扰，从真实反映地下水系

临界水位高程值低于海平面高程。

已有成果表明，河北平原浅层地下水的生态水位

埋深为3 ~7 m，地面沉降临界埋深为30 ~70 m[15’ls]，

石家庄等建成区临界埋深为30 ~40 m[13]，地裂缝发

育区临界埋深为7 m,地面沉降临界埋深30 ~40 m,

深层地下水临界埋深为40~50m[12]D对比同类区

域已有成果，本文划定的临界水位值与上述成果基

本一致。

3.4.2 降水量和开采量对临界水位的影响

本文临界水位确定的时间尺度为年，随着最严格

水资源管理考核制度落实和“三条红线”实施，需要

进一步确定季、月、旬尺度地下水临界水位作为管理

考核依据。

地下水动态监测表明，河北平原地下水位年内

受降水量和开采量影响显著，在年初2—3月呈缓

慢变化，在春季灌溉期出现小幅下降，到了夏季

7—8月雨季来临后水位出现短暂回升，9月底秋灌

开始后水位再次小幅下降，停止灌溉入冬后，水位

才开始逐渐恢复[19]。对于以资源功能为主导的计算

分区，在确定季、月、旬尺度地下水临界水位时，

为了充分发挥含水层调蓄能力和“以丰补枯” [M9],

地下水临界水位必须考虑降水丰枯变化及开采强

度，需进一步划定丰水年情景临界水位和枯水年情

景临界水位。

3.4.3含水层厚度、岩性对临界水位的影响

含水层厚度、岩性是地下水资源储存和运移介

质，经过几十年长期超采，河北平原深层地下水已出

现不同程度的开采漏斗，随着含水层弹性释水增加，

黏性土压密，厚度变薄，导致含水层局部疏干，不可

恢复。沧州深层含水层是一个典型，最大埋深大于

100 m，深层地下水可再生性减少一半[12>20]，孔隙水

压力的减少，必然导致有效应力的増加，砂土、粉

土、粉质黏土、黏土、游泥质黏土等多土层组成的含

7jC层因其变形量和可压缩性不同，同时还将引起地面

水利水电技术第49卷2018年第3期

统功能属性及其流场整体性、协调一致性角度出发，

提出一套基于地下水系统属性和地下水管理要求的、

由单井点状水位加权确定管理分区面状水位的量化关

系方法，模拟结果表明误差小于〇. 5 m的管理单元占

60%以上，中部平原与滨海平原的精度整体高于山前

平原。

(2) 科学划定地下水控制性临界水位对促进地

水资源可持续开发利用和保护地下水环境意义重大，

计算结果表明河北省平原区浅层地下水控制性上限临

界埋深阈值为1. 93 ~ 13. 19 m，下限临界埋深阈值为

10_ 94 ~ 27. 06 m，深层地下水控制性临界埋深阈值为

12. 15 ~49.09 m。

地下水位变化是一个多因素共同作用的结果，在

“自然-人工”二元水循环模式逐渐深化的背景下，

地下水位对气候干暖化和强人类活动的响应愈加显

著，不同时空尺度下临界水位确定过程需要进一步完

善，并细化其对地下水循环过程物理机制的影响。

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(责任编辑王海锋）

水利水电技术第49卷2018年第3期