水位降落论文：水位降落漏斗演进特点与成因

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本文作者：李亚松1费宇红1钱永1简明2韩占涛1王平1张兆吉1作者单位：1中国地质科学院水文地质环境地质研究所2河北省地矿局第四水文工程地质大队

漏斗发展形态变化及演变特征

目前，已有部分学者就沧州地区深层地下水超采以及带来的环境地质问题方面进行了研究，但是尚未就漏斗从其形成、演化和恢复方面进行详细阐述。文中根据沧州市地质环境监测报告［4－9］，和沧州地区深层地下水位降落漏斗特征，将其变化发展分为了4个时期。第一个时期为漏斗直线发展阶段(1967－1980)。1966年以前，沧州市工农业生产及城镇生活用水完全依靠地表水和少量的浅层地下水，为应对气候干旱，农业用水量持续上涨，以及广大农村农业水利化程度低的情况，河北平原于1966年开始进行农田供水水文地质勘查，沧州的机井建设得到了飞速发展，地下水开采量陡升，成为了形成地下水位降落漏斗的主导因素。十几年间，低水位期水位下降了52．04m，平均每年下降约5．38m。此间，全区14个县城的集中开采区均已形成漏斗，其他如油田供水点等集中开采区也相继形成漏斗。同时，青县、沧州、泊头、南皮、黄骅及沧州化肥厂杜林水源地形成漏斗，在－20m的等水位线范围内与沧州漏斗形成一体，即组合成新的沧州漏斗，使漏斗的形状由同心式规则圆形变为不规则圆形。第二个时期为漏斗稳定发展阶段(1981－1995)。深机井数量在经过了一段时间的陡增之后开始变缓，到1986年，全市深机井总数达到14679眼，1990年达到15771眼，总数一直维持在15000～17000眼左右，年平均开采量也保持在4．4×108m3～5．2×108m3。这一时期，降落漏斗中心水位降深为20．42m，年降深量为1．36m，降深速度有所减缓，但是－40m等水位线封闭面积年增加量高达254．4km2，造成这种现象的原因主要为发生了地下水位降落漏斗的夷平作用。对于每一个含水系统的水来说，基本不与外界发生水力联系或者发生微弱的水力联系。但在漏斗区，一个含水系统里边的两个以上漏斗存在水力联系，或者是不同含水系统之间存在着两个漏斗而发生了水力联系，主要是因为漏斗的发展使漏斗边缘水向中心汇集，使一个系统里边的两个漏斗的水相互补给，甚至不同系统的漏斗之间发生了水力联系，由于这种作用，使漏斗周围水位降低，而中心水位下降速度减慢或者水位回升，就形成了漏斗的夷平作用［10］。这一时期，全区－40m等水位线封闭区形态显示沧州地下水位降落漏斗由单一漏斗开始逐渐演变为多个漏斗综合的区域性漏斗。第三个时期为漏斗急剧扩张阶段(1996－2002)。随着工农业生产的迅猛发展，需水量不断增加，乡镇企业增多和农业产量陡增，都需要大量地下水作为保证。十年来，地下水年平均开采量为6．9×108m3，漏斗中心总降深量为10．56m，年降深量仅为1．06m，但是－50m等水位线封闭区面积却从966．0km2增至6528．5km2。漏斗呈现向沧州地区北部发展的趋势，－70m封闭线以平均7km/a向北部扩展，－80m封闭线以平均1．4km/a的速度向北部扩展，分别是其向南部扩展的5倍和4倍，主要受沧州地区北部青县漏斗的拉动以及北部工业区和水源地较为集中的影响。而到2005年底，第III含水组地下水降落漏斗在沧州境内只存有埋深＞60m的封闭区，埋深≤60m的封闭区因外移在南北方向上已经在境内完全敞开，向北已延伸至天津、河北廊坊境内，向南延伸至山东德州和河北衡水境内［11］，漏斗形态已经由点状漏斗群向露盆发展，降落漏斗夷平作用显得更加明显。第四个时期为漏斗逐渐恢复阶段(2003年至今)。为配合国家对于地下水超采区治理规划，地方管理部门颁布了关于关停市区单位自备井的相关决定，开始实施深层地下水封井计划，沧州市区封停单位自备井工作逐渐开展，市区深层地下水的开采量逐年减少，地下水下降的趋势也逐步得到遏制，自2005至2007年3年时间内，成功封井282眼。至2009年底沧州市区第III、第IV、第V含水组平均水位分别上升了146m、18．22m和34．28m［12］。

漏斗成因探讨

地下水位下降漏斗形成原因主要是强采地下水的结果，但是同时也受气候条件、工农业布局以及区域地质和水文地质条件控制，总结和归纳可以得出其主要影响和控制因素包含以下3个方面。

1不利的气候条件

沧州地区气候条件为干旱半干旱湿润性气候，降水年内分布不均，年际丰枯变化悬殊。据统计，1956～2003年的47年间，全市共出现偏旱和干旱年份13次，平均4年一次，并且从20世纪80年代以来进入了降水相对较枯的时期，平均年降水量减少了约30mm。为克服干旱，需要开采大量的地下水用以满足农业生产的需求。

2特殊的地质及水文地质条件为内因

沧州市地处海河流域南系诸河下游，历来即有"九河下梢"之称，所以砂层颗粒较细，地下水渗透速度较为缓慢。由于浅层主要为咸水，开发利用程度低，沧州地区第III含水层为主要开采层，其补给主要来自于西部侧向径流补给，然而上游的保定、衡水地区的开采层同沧州基本一致，造成了对沧州侧向补给的截流，深层地下水得不到有效补给，加速了漏斗的发展。

3工农业用水量陡增为外因

据1953～2005年统计资料显示，全市农业灌溉面积在50年间增加了几十倍，粮食总产由5．46×108kg增加到32．37×108kg，增长了5倍多，而中小型企业数量不断增加也使得工业产值翻了上百倍。全市人口则由1953年的352万人增加到2005年的679．36万人，增长了近一倍［13］。工农业发展和人口增多都加大了地下水资源负荷程度，地下水开采量到2005年高达11．3×108m3，而按照水资源评价导则确定的方法计算沧州市深层地下水允许开采量仅为2．92×108m3，实际开采量远远超出了可供水量。因此，沧州深层地下水位降落漏斗的形成和演变，是在不利的气候条件和地下水开采量陡升的外力驱动下，受特殊地质及水文地质条件控制而形成的。

地下水超采的环境响应与应对措施

地下水超采除了形成区域地下水位降落漏斗外，还引发了一系列诸如地面沉降、咸淡水面下移等的环境问题。过量抽取地下水，形成水头差，导致含水层顶底板被不断压密释水，导致含水层骨架变形，除了造成地面沉降外，还有可能由于释出水中的氟碘离子异常引起地下水水质的下降。沧州市地面沉降发现于1971年，当时沉降量只有9mm，到2001年底，沉降中心累计沉降量已达到2236mm，并且沉降量大于2000mm的范围已经覆盖了整个沧州地区［14］，地面沉降导致城市建筑物损坏、管道变形，破坏水准点，造成地面积水和排水不畅等，危害巨大。此外，深层淡水含水层和浅层咸水体之间的水位差，致使上部咸水向深层淡水含水层渗透，对埋藏在下部的深层淡水造成威胁，根据监测资料分析显示，咸淡水界面下移一般为10m左右，最大下移深度超过30m［15］，部分地区已经由于深层淡水咸化而导致其无法被利用。地裂缝频发也是地下水超采的恶果之一。最近5年中，沧州共发现地裂缝20余处，在任丘出现的一条地裂缝，最宽处达3m，长约4km，白洋淀和滹沱河大堤也都曾发现较大的横穿裂缝，危害防洪安全。目前沧州地区已经推行了一些水资源优化配置的举措，如全面封停自备井，实现外流域调水等，也取得了不错的效果，但是外流域调水打破了原有的水资源空间布局，而且全面封停自备井导致大量提水设施闲置，资源无法得到有效利用。为此，文中提出几条水资源优化配置的建议，首先督促厂矿企业各单位提高水资源利用效率，尽量降低日用新水量，提高重复利用率;极力推行低耗水量农作物，推行节水农业，充分利用雨洪资源;地下水资源应为"限采"而非"禁采"，城乡居民用水在农用灌溉期可主要使用外流域调水，而在非灌溉期则可以开采部分地下水，降低成本的同时还可以保证地下水循环和更新;最后应逐渐开发浅层咸水资源，使其早日能为民所用。