Analysis on the Calculation Method of Groundwater Sustainable Yield in Hilly Areas based on Ecological Flows

Zheng-min XU; Zhong-tian JIN; Shi-nan TANG; Zha-rong PAN

China Rural Water and Hydropower ›› 2021 ›› (6) : 1-5.

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Abstract

The sustainable yield of groundwater is usually referred as the maximum threshold of groundwater exploitation and utilization at regional level， and it is an important control indicator for groundwater governance and protection. With the goal of maintaining the stability of the groundwater drainage structure in the hilly area， a method for calculating the recoverable amount of groundwater in the hilly area based on the natural base-diameter ratio—base-diameter ratio relationship curve method is proposed； to ensure the water demand of the ecological environment in the river course， A method for calculating the recoverable amount of groundwater in the hilly area， which takes the degree of water resources development and utilization as the control index， is proposed—the control method of the available surface water. It takes Chifeng City as an example， the sustainable yield of ground water in hilly areas is 407 million m³. The result matches the actual situation in Chifeng City therefore proving the calculation is rational. The yield in Chifeng City can promote the acceptable exploitation and sustainable use of groundwater， and maintain ecological security in that region. It can also be taken as a research reference for calculating sustainable yield of groundwater in hilly areas in China.

Key words

hilly areas / sustainable yield of groundwater / Base Flow-Runoff Ratio Curve / Available Surface Water Control Method

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Zheng-min XU , Zhong-tian JIN , Shi-nan TANG , Zha-rong PAN. Analysis on the Calculation Method of Groundwater Sustainable Yield in Hilly Areas based on Ecological Flows. China Rural Water and Hydropower. 2021, 0(6): 1-5

地下水是水资源的重要组成部分，具有重要的资源和生态环境功能，对维持地表植被、调节江河径流、维系良好生态环境具有十分重要的作用。同时，地下水供水保证率高，水质优良稳定，是支撑我国特别是北方经济发展的重要水源，在保障我国城乡居民生活和生产供水、支持经济社会发展中具有重要支撑作用^［1］。长期以来，我国北方局部地区地下水开采规模发展迅速，地下水资源不合理开发利用引发河道断流、湿地萎缩、草场退化等一系列生态和地质环境问题^［2-10］。因此，为合理开发利用和有效保护地下水资源，支撑生态保护和经济社会高质量发展，亟待科学合理地制定地下水管控指标，并加强地下水监督管理^{［11，12］}。地下水可开采量通常作为区域地下水合理开发利用阈值上限，是制定地下水治理和保护管控指标的首要依据^［13］。地下水可开采量是指在保护生态环境和地下水资源可持续利用的前提下，通过经济合理、技术可行的措施，在近期下垫面条件下可从含水层中获取的最大水量^［14］。

山丘区地下水资源全部来自降水，以河川基流、地下水开采、潜水蒸发、山前侧向流出、泉水溢出以及矿坑排水等方式排泄。河川基流量是山丘区地下水排泄中最主要的方式，在山丘区地下水开采量较小的20世纪80年代，北方山丘区地下水资源量中有90%以上的水量以河川基流量的形式排泄到河道^［15-18］。河川基流由赋存在山丘区中岩溶和裂隙地下水受重力影响排泄到河道中形成，是河川径流最为稳定的组成部分，河川基流量具有生态维持功能，维持着生态环境的水量平衡和调节生态水文节律，并维系着地表植被，下游湖泊、湿地等生态系统的良性发展，通常以河川基流量与径流量的比例（简称基径比）来衡量^{［19，20］}，基径比越大，河川基流量与径流量的关系越紧密，河川径流量的稳定性越好；基径比越小，河川径流量越不稳定，对于人类与自然的影响反应越剧烈。气候变化、下垫面变化、人类开采、水利工程建设和水土保持措施等都可能改变山丘区地下水排泄结构，引起基径比变化。因为山丘区地下水排泄结构的复杂性，迄今不同部门、不同研究者对山丘区地下水可开采量问题尚未形成统一认识^{［21，22］}。目前使用较为广泛的如：补偿疏干法，在旱季无补给时，以疏干量作为山丘区地下水可开采量，在雨季时在保证疏干水量全部补偿的基础上确定地下水可开采量^［23］，该方法具有补偿水量难以保证和无法缓解已产生的地下水问题等缺点，尤其在我国北方水资源年际分布极为不均，若采用该方法极有可能对生态环境造成一系列不可逆的影响；综合分析法，直接采用已有水源地勘探评价成果，或通过对开采区水位、水量的分析，校核修正可开采量，该方法针对资料丰富、开展一定研究工作的小范围地区可提出较为合理的可开采量，缺点是对资料成果要求高、计算过程复杂、大范围区域计算难度大，缺少对地表水与地下水相互转化及生态保护方面的考虑，在区域地下水管理、实际应用中难以推广，尤其对于我国北方部分较为落后地区，水资源工作起步较晚，基础资料十分缺乏，该方法缺乏一定的可操作性；数值模拟法^［24］同样具有计算难度大、资料要求高的特点，计算结果精度高但推广难度大。根据目前地下水治理严峻形势，亟须提出一种具有统一标准、对于研究区资料要求较低且易于推广的山丘区地下水可开采量计算方法。本文立足于地表水和地下水之间的转换关系^［25-27］，基于维持稳定的山丘区地下水排泄结构、合理的河道内生态环境需水量，以缓解现状地下水问题、提出标准统一且可推广的计算方法为目标，分别提出以天然条件下的合理基径比为关键指标的基径比关系曲线法，以水资源开发利用程度为控制指标的地表水可利用量控制法，并以赤峰市为例进行山丘区地下水可开采量计算，以期为我国山丘区地下水可开采量评价提供研究参考。

1 计算方法

河川基流量既是山丘区地下水资源的重要组成部分，也是河川径流的重要组成部分。维持稳定的山丘区地下水排泄结构和合理的天然河川基流量，不仅在径流形成、维持及可再生过程中具有重要作用，而且在保障水资源可持续利用、维系河流生态系统健康中也有着极其重要的作用和意义。基于地表水与地下水的转化关系，针对维持稳定的山丘区地下水排泄结构，提出了一种基于天然条件下的合理基径比的山丘区地下水可开采量计算方法—基径比关系曲线法；针对维持合理的河道内生态环境需水量，提出了一种以水资源开发利用程度为控制的山丘区地下水可开采量计算方法—地表水可利用量控制法。

1.1 基径比关系曲线法

首先，根据人类开采影响较小且未引发生态环境问题时期值确定合理基径比。考虑我国地下水开发利用历程，一般可以采用1980-2000年系列值，逐年计算不同来水条件下合理基径比关系曲线，合理基径比计算公式如下：

α_{i} = \frac{R_{g i}}{R_{i}}

（1）

式中：

α_{i}

为山丘区地下水开采未引发生态环境问题情况下，第i年的合理基径比；

R_{g i}

为第i年河川基流量；

R_{i}

为第i年天然河川径流量。

其次，在计算现状山丘区地下水可开采量时，应考虑人类活动对河川基流量的影响，需对现状山丘区实际开采量进行还原计算。将现状河川基流量与实际开采净消耗之和带入合理基径比曲线，得到对应的天然河川径流量，与现状天然河川径流量之差即为地下水不合理开采量，计算公式如下：

Q = \frac{R_{g 现 状} + C_{开 采 净 消 耗}}{α} - R_{实 际}

（2）

式中：Q为地下水不合理开采量；

α

为现状对应合理基径比；

R_{g 现 状}

为现状河川基流量；

C_{开 采 净 消 耗}

为现状实际开采净消耗量，为开采后未回归到河道内的水量；

R_{实 际}

现状天然河川径流量。

最后，将实际开采量扣除地下水不合理的开采量，得到山丘区地下水可开采量，计算公式如下：

Q_{可 开 采 量} = Q_{实 际} - Q

（3）

式中：

Q_{可 开 采 量}

为山丘区地下水可开采量；

Q_{实 际}

为现状山丘区地下水实际开采量；Q为地下水不合理开采量。

基径比关系曲线法以地下水与地表水的转换关系为基础，针对人为不合理开采导致的基流衰减问题计算地下水不合理开采量，最终确定山丘区地下水可开采量，适用于山丘区地下水开采量较大且已经出现基流衰减问题的区域。

1.2 地表水可利用量控制法

考虑山丘区地下水与地表水转化关系，根据全国第二次水资源调查评价成果，北方山丘区地下水与地表水大部分为重复量，1980-2000年系列北方山丘区地下水与地表水重复量达到地下水资源量的84.7%，山丘区地下水开采净消耗与地表水耗水量之和不应超过地表水可利用量。

首先，计算地表水耗水量。地表水耗水量是指取用水户在取用地表水过程中，通过蒸腾蒸发、土壤吸收、产品吸附、居民和牲畜饮用等多种途径消耗掉而不能回归到地表水体或地下含水层的水量。一般可依据用水量和退排水量数据及回归地下水量进行分析计算。

其次，计算多年平均地表水资源可利用量。多年平均地表水资源可利用量一般采用地表水资源量扣除河道内生态环境需水量后的水量，可采用下式计算：

R_{地 表 可 利 用 量} = R - W_{生 态 需 水 量}

（4）

式中：

R_{地 表 可 利 用 量}

为多年平均地表水资源可利用量；R为多年平均地表水资源量；

W_{生 态 需 水 量}

为河道内生态环境需水量。

河道内生态环境需水量按照《河湖生态环境需水计算规范SL/Z 712-2014》（以下简称《需水规范》）计算，或采用流域或区域水资源综合规划确定的成果。

最后，将地表水资源可利用量扣除地表水耗水量后，得到山丘区地下水可耗水量，根据耗水系数计算得到可开采量，可根据下式计算。

Q_{可 开 采 量} \leq \frac{R_{地 表 可 利 用 量} - C_{地 表 水 耗 水 量}}{β}

（5）

式中：

Q_{可 开 采 量}

为山丘区地下水可开采量；

R_{地 表 可 利 用 量}

为多年平均地表水资源可利用量量；

C_{地 表 水 耗 水 量}

为地表水耗水量，

β

为耗水系数，可依据用水量和退排水量数据及回归地下水量进行分析计算，资料缺乏区域可按照各行业的耗水系数估算，其耗水系数可参照水资源公报历年成果进行合理性分析后采用。

地表水可利用量控制法，适用于可以满足生态需水，且地表水耗水量限制在地表水可利用量内的区域进一步计算山丘区地下水可利用量。

2 赤峰市山丘区地下水可开采量计算

2.1 区域概况

赤峰市位于内蒙古自治区东南部，地处西辽河上游的山地丘陵地区，山丘区面积占总面积的85%，赤峰市山丘区分布情况如图1所示。区域降水量时空差异较大，汛期（6-9月）降水量约占年降水量的80％，有着“十年九旱、旱涝不均”之称，属于典型的水资源匮乏地区^{［28，29］}。长期以来，赤峰市水资源开发利用以地下水为主，地下水供水量占总供水量70%以上，其中山丘区地下水开采量从20世纪80年代约5 亿m³增加到2018年的12 亿m³左右，地下水水位较2000年下降10~25 m，河川基流量从8.4 亿m³降到1.2 亿m³，局部山丘区天然河川基流量几乎为0，河川基流量占总排泄量的比例由62%衰减到14%，地下水开采净消耗占总排泄量的比例由28%上升为72%，地下水排泄结构发生根本变化，主要排泄方式已从自然排泄转变为人工排泄，加剧了西辽河干流断流情况。为保障赤峰市山丘区地下水可持续开采，支撑经济社会发展，迫切需要合理确定山丘区地下水可开采量，对地下水开采进行严格管控。

Fig.1 The distribution map of hilly areas and plain areas in Chifeng City

图1 赤峰市山丘平原分布示意图

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2.2 计算结果

采用基径比关系曲线法计算赤峰市山丘区地下水可开采量。首先，以水资源三级区嵌套地级行政区为计算单元。其次，根据全国第二次水资源调查评价赤峰市1980-2000年系列逐年数据确定各计算单元合理基径比关系曲线（见图2），各关系曲线拟合度均在0.92以上。然后，2001-2016年系列山丘区开采净消耗量与河川基流量之和在关系曲线上找到应维持的天然河川径流量，对比现状河川径流量求得山丘区地下水不合理开采量。若计算单元最后山丘区不合理开采量计算结果与开采净消耗量相等，则说明该区域地下水仅能维持自然排泄，不具备开采条件，不适宜在该区域开采地下水。最后，将2001-2016年系列年均山丘区地下水开采量扣除山丘区地下水不合理开采量，求得赤峰市山丘区地下水可开采量为4.07亿m³。计算采用数据和计算结果见表1。

Fig.2 Base Flow-Runoff Ratio Curve of the nested water resources three-level area in Chifeng City

图2 赤峰市嵌套各水资源三级区基径比关系曲线

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Tab.1 Calculation results of Base Flow-Runoff Ratio Curve

表1 基径比关系曲线法计算结果 (亿m³)

水资源三级区	2001-2016年多年平均
水资源三级区	天然径流量	天然河川基流量	实际开采量	开采净消耗量	不合理开采量	可开采量
合计	14.59	1.55	9.69	7.77	5.62	4.07
西拉木伦河及老哈河	10.54	0.93	7.79	6.26	4.31	3.48
乌力吉木仁河	1.86	0.14	1.25	1.10	1.10	0.15
西辽河下游区间（苏家堡以下）	0.62	0.06	0.39	0.36	0.20	0.19
沿渤海西部诸河	0.49	0.12	0.22	-	-	0.22
滦河山区	0.25	0.16	0.001	0.001	0.001	-
内蒙古高原东部	0.82	0.14	0.04	0.04	0	0.04

采用地表水可利用量控制法计算赤峰市山丘区地下水可开采量。首先，根据《需水规范》，确定各河流水系生态环境需水量参考阈值，对于开发利用程度高的区域，考虑经济社会发展需水情况，选取基本生态环境需水量；对于开发利用程度较低的区域，生态环境问题压力较小，选取目标生态环境需水量；其次，根据采用的生态环境需水量确定地表水可利用量；然后，在地表水可利用量中扣除地表水耗水量，根据赤峰市水资源公报，赤峰市地表水耗水系数确定为0.68~0.73；最后，根据赤峰市耗水系数已有成果，还原得到赤峰市山丘区地下水可开采量为4.35亿m³。计算采用数据和计算结果见表2。

Tab.2 Calculation results of available surface water control method

表2 地表水可利用量控制法计算结果 (亿m³)

水资源三级区	2001-2016年多年平均
水资源三级区	地表水资源量	生态需水量	地表水耗水量	地下水可开采量
合计	14.59	6.57	5.02	4.35
西拉木伦河及老哈河	10.54	4.46	3.81	3.24
乌力吉木仁河	1.86	1.02	0.68	0.24
西辽河下游区间（苏家堡以下）	0.62	0.17	0.30	0.25
沿渤海西部诸河	0.49	0.21	0.14	0.24
滦河山区	0.25	0.10	0.01	0.21
内蒙古高原东部	0.82	0.61	0.08	0.18

2.3 结果分析

从计算结果看两种方法均从地下水与地表水转化机理出发，分别从维持山丘地下水排泄结构和保证生态环境用水角度进行计算，计算结果差值不超过7%，较为接近，可以相互验证方法具有一定的合理性。

从方法适用条件及赤峰市实际情况看，根据赤峰市地下水作为主要供水水源和目前赤峰市地下水主要问题为地下水开采袭夺大量地表水，造成河川径流量严重衰减^［30］，地表水可利用量控制法首先保证的是区域地表水的开发利用，对于赤峰市并不是十分适用，相较于地表水可利用量控制法，基径比关系曲线法更适用于因人为过度开采导致基流严重衰减的区域。

从方法本身机理看，基径比关系曲线法从地下水循环的物理机制出发，既考虑了地下水循环健康与地表水径流量稳定，在基流稳定保证一定径流量的基础上也符合生态保护要求，能有效减少地下水过量开采对生态地质环境的破坏，确保水资源的可持续利用，可以更好维持山丘区地下水排泄结构健康合理，控制山丘区地下水开采，并进一步缓解河道断流、草场沙化和湖泊湿地萎缩等生态环境问题，本文建议采用基径比关系曲线法计算结果，赤峰市山丘区地下水可开采量为4.07亿m³。本文提出计算方法和计算成果已被水利部组织编制的《内蒙古西辽河流域“量水而行”以水定需方案》采纳。赤峰市山丘区地下水开采量为9.69亿m³，远超本文提出的山丘区地下水可开采量，如按照本文计算结果控制地下水开采，可大幅减少地下水开采对河道内基流量的袭夺，进而有效保障下游河道内生态环境需水量，增加下游平原区地下水补给，缓解下游河道断流和地下水位持续下降等生态环境问题。

3 结论与建议

（1）本文基于地下水与地表水转化关系，考虑维持山丘区排泄结构稳定与保障一定河川基流量等方面，首次提出了基径比关系曲线法和地表水可利用量控制法两种北方山丘区地下水可开采量方法。

（2）采用两种方法分别计算赤峰市山丘区地下水可开采量。采用基径比关系曲线法计算得到山丘区地下水可开采量4.07 亿m³，采用地表水可利用量控制法得到山丘区地下水可开采量4.35 亿m³。确定赤峰市山丘区地下水可开采量约为4.07亿m³，按照该计算结果控制地下水开采，可在一定程度上缓解已有的一系列生态环境问题。

（3）本文提出的两种计算方法适用于我国北方缺乏详细资料的山丘区进行地下水可开采量宏观匡算，但基径比关系曲线法不适用于如矿坑排水引起河川基流量增加的区域，还缺乏对基流量外其他排泄项如山前侧向流出量、潜水蒸发量等排泄量的统一考虑，有待进一步研究完善；地表水可利用量控制法不适用于地表水开发利用量超过地表水可利用量的地区。

（4）目前，我国正在组织开展全国地下水管控指标确定工作。地下水可开采量作为地下水治理和保护的重要管控指标之一，已成为我国地下水监督管理特别是地下水超采治理的重要抓手。本文通过研究北方山丘区地下水可开采量计算方法，合理确定地下水可开采量，以期为我国北方山丘区地下水开采管控提供参考。

References

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1 计算方法
1.1 基径比关系曲线法
1.2 地表水可利用量控制法
2 赤峰市山丘区地下水可开采量计算
2.1 区域概况
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2.2 计算结果
Fig.2 Base Flow-Runoff Ratio Curve of the nested water resources three-level area in Chifeng City
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Tab.2 Calculation results of available surface water control method
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3 结论与建议
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2021-07-02

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