华北平原区地下水开采量估算探究

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1、华北平原区地下水开采量估算探究摘要：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)0500

2、82041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

3、制度和手段不足，绝大部分农业开釆井缺乏准确计量，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、NelsRuud等［10］提出的基于GIS的分布式水

4、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釆量，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-20

5、03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13.90万畑2。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1800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

6、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M0DFL0W建立了4kmX4km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）

7、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

8、较前一年，即2002年相比有所减少，但2004年、2