确定地下水可持续开采量的方法和适用性

需要对确定可持续开采量的方法和定义进行研究，原因如下：（1）目前的概念和定义不明确，不能加以定量化应用；（2）需要排除不同的解释和误解，为其应用提供良好的理论基础；（3）“所有的地下水系统都可以进行可持续产出”的观念是错误的；（4）难以定量化的定义中存在许多不确定因素；（5）通常会混淆最佳产量和可持续开采量；（6）在许多半干旱和干旱地区，不能采用可持续开采量策略。一、概述在许多国家，地下水管理制度都是从零起步发展到现在的程度，最大的变化是由一味地强调资源的开发转变为对资源的管理，并提高了地下水系统的利用效率。许多重要含水层的地下水开采量都超过了含水层系统的允许开采量，通常称为“过度开采”（Custodio，2002）。当实际抽水量远远低于允许开采量时，也存在同样的情况。例如，澳大利亚在2000年调查了全国的538个地下水管理单位，其中57个的抽水率超过了长期的可开采量（澳大利亚自然资源分布图.au/anra/atlas_home.cfm）。水资源管理者不断寻求解决减小开采量的方案，在某种程度上是一种“可持续发展”。关于这一问题引起了许多争执，主要是确定如何实现“可持续开发”的方案，将含水层中的地下水进行合理分配。其中的两个新概念是“安全开采量”和“可持续开采量”，这些概念的发展与不同的应用限制条件相结合，产生了“可持续地下水发展”的概念（Hiscock等，2002）。如果应用可持续地下水发展的概念，就可以更好地理解安全开采量和可持续开采量的概念。然而，关于这些概念的理解现在仍有混淆。本文对可持续开采量的概念做了进一步探讨，寻求提供一种合适的工作方法来解决流域的地下水问题，而不仅仅只是在字面上做文章，这为专业人员和水资源管理利用地下水提供了充分的依据；另一个目的是采用地下水流动基本原理，合理地解释这一概念。本文中的大多数概念都不是新提出的，但是以新的方式对这些概念进行了解释，以提醒资源管理者和其他相关人员在寻求实现资源可持续发展的方法时，不要忽略这些基本原则。地下水和相关领域的新一代工作者需要这些提醒，特别是当这些工作者不具备扎实的水文地质学基础时，这些提醒显得尤为重要。本文对这些定义的长期发展进行了概述和解释，根据一些国家的实例，指出了澳大利亚对可持续开采量的定义含糊不清。根据质量守恒定律和应用限制条件，计算了流域的可持续开采量，讨论了一些实际问题，并列举了一些与地下水管理相关的可持续和非可持续开采的实例。二、开采量的概念和定义目前，在许多国家都采用水预算方法来确定安全开采量和可持续开采量。一些国家采用的地下水管理方法表明，即使在发达国家，也只是采用了最基本的方法，使用的概念要么简化要么存在歧义。关于“补给”就存在不同的理解。在“安全开采量”的定义中，特别强调补给是“天然补给”；而在定义“可持续开采量”时，认为“补给”包括由于抽取地下水造成的补给。河流耗竭造成的补给具有极为重要的作用。成功的水资源管理政策显然需要将地下水和地表水相结合进行管理。本文对澳大利亚的实际情况进行了较为详细的说明，这有助于了解目前的概念歧义，从而使读者可以选择适合自己的思路。ARMCANZ（1997）指出：“在澳大利亚，关于可持续开采量的定义并没有形成统一的认识”。总之，政府和社会已经认识到需要正确地使用地下水，在抽取地下水时不应对生态系统造成破坏，而且不能危及后代的使用。因此，关于“可持续发展”的含义和如何将地下水的可持续利用概念化引起了许多争议。一个州际工作组尝试提出一个可以为全国所接受的可持续开采量的定义，这样在评价全国的地下水可持续利用时具有一致性。定义如下：在特定时间范围内，采用特定的方式抽取地下水，所造成的压力在可接受的范围之内，并保证水资源可以实现更高利用价值的开采量（Evans和Cook，2002）。这一定义并没有得到广泛地接受，而且许多人认为这一定义过于灵活，用处不大。例如，参考特定时间范围内的可持续开采量的定义，如果几十年的时间是可以接受的，此时可持续就失去了本身的含义。要让非水文地质工作者利用这一术语来了解地下水系统，进行用水规划时，定义必须十分明确。例如，可以持续30年的地下水抽水方式，可能在第31年时造成破坏。这并不意味着不能采用特定的抽水方式，但是所有地下水用户都必须接受（或至少认识到）可能发生的不利后果。另一个含糊的定义是“高价值利用”，高价值利用事实上主要是作为农业或其它消耗用途。应用最初提出的定义并不能保护与地下水密切相关的生态系统，也不能保证下一代的生活用水不受影响。澳大利亚国家地下水委员会最终采纳了作了一些修改的定义：可以将造成的压力控制在一定的程度，并能保护其经济、社会和环境价值的特定规划时间范围内的地下水抽取量。定义中附加了长达两页的附文，列出了一系列的限制条件。在限制条件中提到，完全开采地下水会对含水层造成一定压力，会造成一些储量耗竭，需要调整这些方面的平衡问题。在该定义中，需要确定对含水层造成的压力达到何种水平是可以接受的。例如，在威尔士，采纳了该定义，将长期平均年净补给（包括诱发补给）的30%用于维护生态系统（DIPNR，2002）。尽管这些定义不太确切，但是澳大利亚水管理机构仍采用数值模型或水平衡方法进行水资源评价。然而，在如何准确地确定可持续开采量，以及和可持续发展的概念相联系方面仍然存在不确定性。其它国家也存在这样的问题。三、可持续开采量的概念和方法在评价一个含水层或流域可以抽取的水量时，需要考虑多个因素，而且这些因素的权重往往不等。例如，在利用可持续开采量的概念时，如果地下水系统中实际上并无补给来源，再采用可持续开采量的概念就会造成许多不良后果。与矿产资源进行类比分析，讨论何为矿产资源（如煤矿和铁矿）的可持续开采量或可持续发展显然毫无意义，因为矿产资源的存在时间是有限的，完全取决于开采率。同样，可持续开采量常常也是有限的，或者在某种程度上，开采率略低于含水层的天然补给（有时称为安全开采量）。如果严格采用这些定义，那么含水层往往只是作为一个水资源的转移和贮存场所而已。需要从生态学的角度确定可持续开采量，对大量消耗地下水的活动应进行严格的限制，而且管理者也应该进一步考虑如何定义这一产量。根据前文，显然，任何确定可持续开采量的方法和可持续发展都需要遵循以下几点：1．开采量的定义和方法都是以合理的水文地质规律和地下水流动原理（如质量守恒原理）为基础，这样可以防止含义不清，从而可以定量地确定可开采量；2．可持续开采量必须保证地下水系统能够及时达到新的平衡；3．允许数学模型（和模拟者）在评价可持续性时，提供定量化的开采量，譬如可以利用流域的质量平衡（水预算）对其可持续性进行评价；如果需要的话，可以根据开采量对水井进行优化开采；4．在根据其它的一些标准或约束（如水资源管理机构对地表水和地下水利用的限制、公众需求、法律制度、经济问题、生态需求、水质和地面沉降等）建立的模型中，确定可持续（或非可持续）开采量。为了实现这些目标，第一步是需要将流域含水层系统的可持续性进行区分，并确定抽水设备的性能。可以根据质量守恒原则计算出流域的可持续开采量：流入量－流出量＝存储变化，即：（1）其中，I和O分别是流入率和流出率（L3T-1），是地下水的变化量，t是时间（T）。如果出水量大于入水量，则一些贮量会耗尽，相应的地下水位也会下降；如果入水量大于出水量，贮量会增加，地下水位也会上升。如果入水量等于出水量，则由于贮量没有流出，也没有得到补充，因此水位保持稳定。进水量一般包括降水补给、径流和河/湖渗漏；而出水量一般包括泉、蒸发蒸腾、基流、排水和抽水。人工补给也是进水量的一个重要组成部分。四、流域的可持续开采量在长期未开发的天然条件下，流域有平衡的流入量In和流出量On，也就是说，这种情况下流域处于水均衡状态。在流域被开发条件下，由于人工开采量（如抽水）的加大，流出量会降低。在给定时间范围内，由于抽水造成了地下水位降低，一些额外的水会流入含水层，例如，河流/湖泊渗漏等。在一定的时间内，这些过程会一直持续，直到采用新的抽水率达到新的平衡才会改变。达到均衡所需的时间取决于抽水率、含水层特征以及补给边界的距离。为了确定抽水率对地下水系统的天然流入量和流出量造成的影响，就需要假定含水层系统，在时间为0时，天然进水量与天然出水量是相等的，即：（2）如果抽水率不变，在含水层系统中引入参数Ps，当沉降漏斗扩大到整个含水层时，含水层的贮量会耗尽。假定经过一段时间后，抽水量会造成附加（诱发）流入量和一些天然流出量的中途拦截，此时诱发流入量和中途拦截流出量同时发生。在这种情况下，典型的入水率曲线是：起始点是天然入水率In，之后以新的（可持续）入水率Is开始增加，在时间ts达到新的平衡。在这种情况下，抽水会不断中途拦截一些天然出水量On，On会不断下降，直到在时间ts达到可持续残余出水量Ors。在均衡时间ts，流域的总出水率为：Os＝Ps＋Ors（3）这由抽水量和天然出水量的保留（残余）组分组成，此时，新的入水量Is和新的出水量Os达到新的平衡。相应的贮量耗竭率曲线如下：在时间为0时的初始值是Ps，到时间ts时耗竭率达到0，此时不会造成贮量耗竭。在时间ts内的耗竭贮量是Ss，本文中的Ss是指维持入水量和总出水量平衡的贮量。对于给定的抽水量，在规定的时间，在一定的约束条件下，入水量可以几乎全部到达流域，残余出水量为零时，这就是在时间td的流域最大可持续开采量：、（4）此处的新入水率Id，是流域的最大可持续入水率（残余出水量为0）；Pd是流域的最大安全产量。根据等式（1），此时水位稳定，经过时间td，没有贮量增加或减少。必须指出，不会无限期地保持抽水率高于流域的最大抽水率。当然，由于渗透等因素影响，不可能获得流域的最大产量。均衡条件以及入水量和出水量的定义见表1：表1入水量和出水量定义项目总入水率总出水率条件入水率出水率抽水率天然条件In＝On0在时间ts的流域可持续开采量Is＝Ors＋Ps在时间td的流域最大可持续开采量Id＝0Pd备注：在开发条件下的总入水量包括人工补给Sd是建立最大可持续开采量Pd时的最大维持贮水损耗量；Sm是可开采量；是不可恢复的贮量。图1是可持续入水量/出水量和贮量示意图，事实上，需要将含水层进行综合分析。这样，Sd＝维持的最大贮量＝在确定Id时所需的贮量消耗；Sm＝可开采量＝利用了Sd后保留的可恢复贮量；＝不可恢复的贮量＝不能利用的贮量。在天然条件下，在时间t=0时的总贮量S＝Sd＋Sm＋。\o"点击图片看全图"显然，可持续开采量必须低于最大产量，这样才可以保证质量守恒。对于这些可持续开采量，保持的贮水量Ss会有所不同，与特定的抽水率有关，但是一般都低于Sd。当Ps等于Pd时，显然，Ss也等于Sd。开采量小于流域的最大产量时会保持系统平衡，或在小于ts小于td时达到稳定状态，达到稳定的时间与出水量有关，因此与开采率有关。由于开采率增加时，通常会中途拦截更多的天然出水量，另外，从地表水体如河流和湖泊的诱发入水率也会增加，因此，可持续贮水耗竭率不是一个定值。（一）达到平衡的可持续开采量对于抽水率Ps有下式：（5）由于在达到平衡时间ts之前，入流量和出流量是变化的（随时间变化分别增加或减少），因此需要将二者相结合起来考虑。如前所述，在达到平衡之前，需要用到参数Ss；但当停止抽水后，由于贮水量可以得到补充（假定没有明显的沉降或气候变化），不应当再把保持的贮水量Ss作为可开采的贮水。根据式（5），在达到平衡时，可持续开采量相当于可持续入水量减去残余出水量，也就是说，对于大于ts的任何点，可持续开采量都可以根据下式获得：（6）其中Ors是均衡时的残余出水量。然而，上式只是直接表示了水预算中的各组成部分，不能直接求解，在许多情况下需要校正数值模型来求解。根据模型和其它标准可以获得流域的可持续入水量和出水量曲线，也就是说，根据曲线可以获得允许开采量。根据以上分析，可以得到如下结论：1．当抽水量大于天然入水量In，但小于或等于最大可持续入水量Id时，将会用到部分最大的保持贮水量Sd（即Ss），直至建立新的平衡。水位降低会有一定的时间滞后，但是对上式没有影响。降落漏斗的扩大说明利用的Ss量在增加，达到平衡的时间ts是含水层系统扩散能力的函数（T/S），例如，到达最近补给边界的距离和到达边界的“能力”。对于河流，这种“能力”与其水位高度以及河床和河岸的传导系数有关。达到平衡的时间可能相当短，也可能需要几百年的时间甚至更长。显然，在大的流域范围内，平衡时间与抽水点的数量和分布有关。由于水位降低和水质限制，不能获得流域的最大可持续开采量。然而，如果强行这么做，则降落漏斗会进一步扩大，以至于影响到可开采的贮量Sm。2．抽水率可以高于最大可持续抽水量Pd，但是为了建立平衡，较高的抽水量必须控制在最大的可持续抽水量范围以内；如果不降低抽水量，则只能抽取可开采的地下水。例如，刚开始的抽水率是Ppm，之后的抽水率远远高于最大可持续抽水率，到tpm时，只能利用可开采的地下水，消耗率是一个大于零的常数。这表示入水量和中途拦截的出水量不足以维持抽水率，因此，以Ppm进行开采，不是可持续开采。3．确定或定义流域的可持续开采量没有时间期限，因此，选用时间周期时只需考虑便于规划的时间即可。4．显然矛盾的一点是，流域的部分井群接近干涸，而对于整个流域只仍可以实现持续开采。这说明井群并没有进行优化设计，地下水资源的可持续开发必须考虑抽水井的合理分布。（二）非持续性开采量如果In（天然入水率）是零或可以忽略不计，这样On也可以忽略不计（假定已经达到前一个开采平衡），例如，在非常干旱的条件下，事实上完全没有持续开采量，只能开采可开采水或可开采水，可开采的最长时间是：（7）其中，Sd是最大的保持贮水量，Sm是可开采贮水量，Pm是抽水率。这样，在这种情况下根本没有可持续开采量，只有有限的可开采贮水量。在这种情况下，选择开采的时间范围，希望维持系统的可持续开采显然毫无意义。从管理的角度来看，当有流入量（天然或诱发补给）进入到流域，而天然流出量可以忽略不计时，需要定义可开采贮水量。（三）部分非持续性开采量许多系统都处于上述描述的开采量之间。当抽水量大于最大入水量和残余出水量之差时，需要根据式（6）计算额外的可开采量Om，以维持抽水率。这样，可以定义tpm时的部分可开采率Ppm，此时消耗率为常数：（8）（四）水位的响应单独根据水位不能确定地下水系统的产量是否可以进行可持续开采。根据实际模拟结果（见图2），尽管曲线2比曲线1的水位下降绝对值要大（二者的河床渗透性不同），但不能就此说明是否可以对系统进行持续开采（换言之，不能说明系统的产量是否是可持续的）。根据第一个对数周期结束时的数据，可以得出曲线1中造成水位下降的开采量是非可持续的，目前已经超采；然而，经过这段时间后，曲线1和2都可以长期持续开采，只是曲线1比曲线2达到平衡所需的时间更短。曲线3显然代表了非可持续开采的情况，即只有部分可以开采。\o"点击图片看全图"水资源管理者将地下水和地表水资源分配给用户时，这些分析结果对他们有着极为重要的参考价值。如果以图2中曲线2为基础，将地表水和地下水单独进行分配，则需要详细计算。地下水要实现长期的可持续开采，需要不断接受河流的补给，而如果根据河流的最初流量来分配地表水，显然不能满足需求，因为有部分地表水已经补给了地下水，这是一个难题，而将数值模拟方法与经验评价法相结合，可能是解决这一难题的最好办法。当数据和条件不确定时，概率法在制定管理规划时具有极为重要的作用。（五）水质从含水层中抽取地下水时，会造成水质下降，从而会影响抽水率。这样，由于水质的影响，抽水量在空间和时间范围内都受到一定的限制。例如，农田水回灌和咸水含水层渗漏会造成长期的水质下降；另外，海水入侵也会造成地下水开采受限。必要时可以用数值模拟来预测这些影响。（六）生态约束生态需求也对抽水量具有一定限制。当残余出水量Ore大于Ors，入水量Ie小于Is时，多余的出水量和额外的地表流量可以满足环境需求。例如，较大的残余出水量表示更多的地下水可以用于蒸发蒸腾，相当于可以维持地下水湿生植物区的较高水位。维持生态环境的均衡条件可以由下式得出：Pe＝Ie－Ore（9）其中，Pe是维持生态环境的水量；Ie是维持生态环境的入水量。显然，公众和地下水管理者需要了解生态约束会影响一些地下水资源的利用。在较干旱的地区，维持生态环境的水量甚至是非维持生态环境的水量，都会引起直接的用水冲突，因此地下水有更为重要的用途。（七）可持续开采量的实用性评价以上定义可持续开采量的理论并没有考虑到其它相关的限制条件，其中包括在中等和大型水流域范围内，以及在特定的地下水含水层和特殊的气候变化情况下，这些原则的适用性和意义。（八）地下水单元的定义本文提及的地下水单元系指“流域”。然而，地下水单元可能是一个地区，或者更确切地说，可能是一个有地质边界的区域带。这就意味着不存在限制流入量、流出量和地下水位下降的物理边界。在这种情况下，定义无边界条件的地下水单元，进而确定该区的可持续开采量具有实际意义。为了限制水位波动，需求确定一个区域范围，在某种意义上，这与数值模拟类似。以这种方式确定地下水单元，也可以用于对非常大的流域进行规划。显然，如果采用模拟研究来确定开采量时，需要确定这样一个地下水区域。此外强调如果预测这些边界没有水位下降，则“可持续性”评价没有任何意义。假如区域的边界上存在水位下降，则可以采用一种简单的方式应用以上提及的流动原则。在地下水整体水质良好，或周围有部分水质较差的地区，也可以通过这种方式定义地下水单元。在这种情况下，分析或模拟具有良好水质的地下水单元时，可以将水质较差的地下水区域排除在外。显然，确定开采类型时，采用规定的地下水单元与采用较大区域或水文地质盆地得出的结论不同，前者通常比较保守。（九）降水和河流补给的波动性在较干旱的地区，气候变化非常明显，降水也每年都不尽相同，因此几十年或更长时间的降水剩余量曲线也明显不同。这对河流和其它地下水体的利用造成一定影响。因此，前面提及的入水量是常数，剩余出水量也是常数的假设受到了严格限制。然而，入水量（盆地的出水量）波动并不会破坏质量守恒定律。而且，在正常情况下，补给较少的年份会与补给较多的年份达到平衡，因此，可以取平均值进行分析。在进行可持续评价时，需要根据长期的历史记录取平均值。然而，在连续干旱的条件下，除非可以减少抽水量，否则可持续开采量会成为部分可开采量。对气候变化的预测目前仍不是一个切实可行的办法，因此关于抽水的“可持续性”仍具有很大的不确定性。最佳的方法是数值模拟，用水预测和概率方法（如蒙特卡罗方法）相结合来确定气候变化条件下含水层系统的长期行为。五、讨论和思考根据以上分析，可以得到以下几点结论：1．由于缺乏普遍适用的术语，所以可持续开采量的概念仍比较混乱。然而，更重要的是了解特定含水层系统是如何运行的，据此预测在利用过程中会对含水层造成何种影响，从而进行水资源规划。2．不仅应当把地下水作为可更新资源，而且应该视为可开采的资源。这一点对于在较干旱的地区（如西班牙、北美、中国等）的水资源利用特别重要。3．本文中的“过度开采”是指超过了流域或地下水单元的允许开采量，造成了水质下降。如果地下水可以得到补充或者抽水量可以减少，就可以避免这种现象的发生。地下水资源的可持续开发在许多干旱地区都