孝感城区地下水开发利用及监测体系建设

谭 伟，刘云彪，张 军，李卫华

(湖北省地质环境总站孝感站，湖北孝感 432000)

0 引言

孝感市是中国南方利用地下水资源作为供水水源的少数城市之一，城区地下水的开采始于上世纪50年代，到上世纪90年代中期达到高峰，开采量已达6．65×104m3/d，已接近地下水允许开采量。不合理的开采已经导致地下水水文地质条件发生了改变，从而使现有地下水监测体系无法准确地控制地下水降落漏斗的具体形态变化发展特征以及地下水的动态变化特征。基于此，本文通过利用孝感市城区1999—2011年地下水环境监测资料，对地下水开发利用现状与水资源环境变化特征进行了分析评价。针对存在的问题，提出了进一步完善地下水监测体系建设的建议，为孝感地区地下水的开发利用与监测体系建设提供参考。

1 地下水的赋存条件［1］

1．1 第一含水层

第一含水层由第四系上更新统砂、砂砾石，以及与之相连的上第三系掇刀石组顶部的含砾中粗砂岩、砂砾岩组成。两者上下迭置，组合成含水综合体。

第一含水层遍布府河、澴河的漫滩、河间洼地与一级阶地，其厚度一般为15．00～25．00 m。含水层顶板埋深一般为7．00～12．04 m，一级阶地后缘深达12．27～19．50 m，在坳沟、河床部位最浅，为 0．22 ～6．14 m。顶板弱透水层主要为上更新统粘土、粉质粘土、淤泥质土。含水层底板埋深在北部为22．78～42．60 m，往南递增，在盆地中心区为32．04～42．60 m，其高程北高南低，由3．50～5．78 递减至 －7．35 ～ －12．00 m。底板岩性为第三系掇刀石组上部粘土岩、含砾粘土岩、砂质粘土岩，局部为细砂岩、中细砂岩，构成弱透水底板。

1．2 第二含水层

第二含水层遍布全区并向区外广延，由上第三系掇刀石组半固结状的碎屑岩组成，具有多旋回沉积特征，每一旋回层下部以粗砂岩、含砾中粗砂岩、砂砾岩、砾岩为主;上部主要为粘土岩、砂质粘土岩、粉砂质粘土岩或粉砂岩、粉细砂岩，局部地段为中砂岩、中细砂岩直接与相邻旋回层之砂砾岩接触。这一结构特征，使第二含水层具有多层结构，由多个具有一定水力联系的含水岩段组成。每一沉积旋回层之砂岩、含砾砂岩、砂砾岩即为一个含水岩段。

第二含水层累计厚度由南向北递减，赋存裂隙孔隙承压水，含水层厚为27．00～127．00 m;该含水层在漫滩与一级阶地区，埋藏于第一含水层底板弱透水层之下，埋深由北往南递增，北部为24．22～29．72 m，南部区外逐渐增至37．22～39．80 m。顶板高程由北部的0．60 ～3．50 m 往南递减至为 －15．72 ～ －17．71 m。底板埋深由北向南部的盆地中心区递增，北部为48．76 m，盆地中心的白龙达206．40 m，其高程由北部的 －18．44 ～ －32．38 m 往南递减至 －184．32 m。

2 地下水开发利用现状

孝感城区地下水的开采主要是各单位自备井各自开采。其中开采地下水量较大的有10多家，它们主要分布于长征路与城站路中段，同时混合开采第一、二含水层，井深一般为120 m左右。据孝感市计划节约用水办公室提供的2011年城区生产井取水统计，现有开采井数约273口，年开采地下水量1 643×104m3(约4．5 ×104m3/d)，占地下水允许开采量(2 537．75 ×104m3)的64．74%。现年地下水开采量虽未超出允许开采量，但是由于城区开采井布井不太合理，而造成局部地段严重超采，如在原地区以机关为中心的7 km2范围内，每平方公里开采强度达9 644 m3/d，井数最多时达40口，井距仅十几米。

3 地下水监测体系现状

孝感市城区地下水环境监测工作是在1∶1万“湖北省孝感县城关供水水文地质勘察”的基础上进行的。随着监测工作的深入及1∶2．5万“湖北省孝感市供水水文地质详查”工作的开展，增加了城区及外围地下水水位观测网点，逐步完善了城区地下水水位“三级”监测网点(基本情况见表1)，同时观测一、二含水层。

3．1 水位、水温监测

第一含水层地下水水位、水温监测控制面积58 km2，第二含水层地下水水位、水温监测控制面积约258 km2。从表1可以看出现有监测点36个，其中国家级点7个(一含3个，二含4个)，省级点15个(一含9个，二含6个)，地方级点14个(一含8个，二含4个，地表水2个)。国家级点监测周期，为五日观;省级点及地方级点监测周期，为十日观。监测内容为地下水水位(水温)，及当天气温。除上述进行的正常监测及检测外，在枯、丰水期即2月20日及7月20日对城区所有监测点及外围点进行统一观测，总点数为42个(其中外围点6个)。统测时间是城区范围内所有监测点在一天内完成观测，外围点一般是在城区范围内观测的前一天或后一天观测完成。

3．2 水质监测

孝感市城区水质监测取样点均为各单位多年运营的生产井，井点数量多，分布范围广，孔深一般43～150 m。由于城区多数井同时开采一、二含水层，形成混合开采现状。水质监测工作是在现有的各单位开采井中进行采样送检，采样方法为地表泵口或管口瓶装。每年对区域进行水质取样，送检20组(其中地下水18组、地表水2组)，分别进行全分析及微量元素分析。

4 地下水水位动态变化特征

本次收集到1999—2011年孝感城区地下水环境监测数据等资料，由于有些资料年限较早，相关数据不够完全，故而依据不同的侧重点有针对性地选取相关数据。通过对降雨量、地下水开采量、第一含水层和第二含水层地下水水位变化、地下水降落漏斗面积的变化分析研究，总结出如下规律:

4．1 降雨量与地下水位降落漏斗面积的关系［2］

通过比对2003—2011年孝感城区降雨量与地下水降落漏斗面积相关数据，并绘制成历时曲线(见图1)。从图1可以得出降雨量与第一含水层地下水降落漏斗面积呈反相关的关系。即当降雨量呈增大趋势时，第一含水层地下水降落漏斗面积呈现出减小的趋势，仅在2008年出现异常(可能与年内局部超采有关)。而第二含水层却并未表现出如此明显的变化。通过分析，其原因主要是因为第一含水层埋藏较浅，其补给来源主要依靠大气降水，所以其降落漏斗面积受降雨量影响最大，表现出降雨量增大，造成地下水补给量增多，因而含水层降落漏斗面积变小，反之亦然。而第二含水层由于埋深较大，影响其变化的因素除了大气降水外，更多的还受第一含水层的补给量与地下水开采量的影响。

4．2 地下水开采量与地下水位降落漏斗中心水位关系

通过比对2000—2011年孝感城区地下水开采量与地下水降落漏斗中心水位相关数据，并绘制其历时曲线(见图2)。从图2中可以看出近年来孝感城区地下水开采量正在逐年减小，而含水层漏斗中心水位亦表现出明显的升高现象，特别是受开采量影响最大的第二含水层。而第一含水层由于受到大气降水的影响，其变化不如第二含水层明显，也表现出总体升高的趋势。

表1 孝感市地下水监测网点基本情况统计表(2011年度)Table 1 Statistical table of basic situation of ground water monitoring network in Xiaogan City

图1 2003—2011年降雨量与第一含水层漏斗面积历时关系曲线图Fig.1 Curves of relation between rainfall from 2003 to 2011 and funnel area of first aquifer

图2 2000—2011年地下水开采量与第一、二含水层漏斗中心水位历时关系曲线图Fig.2 Curves of relation between groundwater exploitation from 2000 to 2011 and funnel area of first＆second aquifer

4．3 含水层地下水位降落漏斗面积与漏斗中心水位关系

通过比对2000—2011年孝感城区含水层降落漏斗面积与含水层漏斗中心水位相关数据，并绘制成历时曲线(见图3、4)。从图3、4中可以看出二者并没有表现出比较明显的关系。一般情况下，含水层漏斗中心水位高程应与含水层降落漏斗面积呈反相关关系，即当含水层漏斗中心水位高程升高时含水层降落漏斗面积减小;当含水层漏斗中心水位高程降低时含水层降落漏斗面积变大。可是比对结果却并非如此，分析其原因是由于地下水开采井布局不合理，地区开采量不均，局部开采量过度，导致含水层漏斗中心发生偏移所致。

5 地下水水质变化特征

5．1 地下水水化学基本特征

区内地下水水温受气温影响较小，一般在15°～20°之间。地下水感观好，为无色、无味、无嗅、清澈透明，软—微硬、中性淡水。特别是第二含水层水质已达国家饮用天然矿泉水标准，属含锶偏硅酸型矿泉水，是人们生活饮用的理想水源。该区地下水开采井多为同时开采一、二含水层，因此，水质监测取样也为一、二含水层混合水样。水化学类型主要为重碳酸钙钠型、重碳酸钙镁型，仅孝南卫生局为重碳酸氯化物钙钠型水。

5．2 地下水水质评价

孝感城区地下水质监测点共18个，地下水质量评价以地下水水质监测资料为基础，分为单项组分评价和综合评价两种。评价因子分为二类十项:第一类为一般理化指标，包括pH、总硬度、溶解性总固体、硫酸盐、氯化物、氨氮、铁、锰;第二类为毒理学指标硝酸盐、亚硝酸盐。

评价标准根据《地下水质量标准(GB/T14848—93)》(以下简称标准)进行评价。

(1)地下水质量单项组分评价 通过对区域内历年水质检测结果进行分析，区域内水质整体较好，大多数指标为Ⅰ～Ⅲ类，只有局部地区铁、锰超Ⅲ类水质。

(2)地下水质量综合评价 综合评价是在单项组分评价的基础上，按照标准6．3节采用加附注的评分法进行评价，评价结果见表2。

通过表2可以看出近年来区内水质总体有好转趋势，特别是从2006年开始出现优良水质，其原因与近年来地下水开采量的减少、部分开采井的关闭有关。但从表中仍然可以看出局部地区水质较差，影响水质较差的主要因素仍然是局部地区铁、锰含量招标。分析其原因主要有:①开采井设施老化，由于开采时间过久，区内部分开采井井管产生严重锈蚀，多年来未经过更换、养护;②城市排污，未经深度处理的污水排入河流和沟渠，经过下渗与越流补给，导致一二含水层局部铁、锰含量超标。

图3 2000—2011年第一含水层漏斗中心水位与漏斗面积历时关系曲线图Fig.3 Curves of relation between central level of first aquifer from 2000 to2011 and funnel area

图4 2000—2011年第二含水层漏斗中心水位与漏斗面积历时关系曲线图Fig.4 Curves of relation between central level of second aquifer from 2000 to2011 and funnel area

表2 2003—2011年孝感城区地下水质量综合评价表Table 4 Comprehensive evaluation table of groundwater quality from 2003 to 2011 Xiaogan city

6 地下水开发利用及监测现状分析结论

(1)随着孝感城市经济建设的发展，对地下水的依赖程度越来越大，到上世纪90年代中期达到高峰，开采量已达6．65×104m3/d，接近地下水允许开采量。过度开采导致地下水位迅速下降，地下水降落漏斗不断扩大，地下水的赋存、补给等水文地质条件已经发生了改变。为此，孝感市政府近年来采取了限制措施，部分生产井被关闭。根据部分监测点水位数据反映，地下水在局部地段已经开始呈上升趋势，地下水水质总体有好转趋势，特别是从2006年开始出现优良水质。尽管如此，地下水的开采仍然存在很多不合理的地方，例如局部地区过度超采、开采井布局不合理、开采设施老化锈蚀等，急需对现有开采模式进行优化。

(2)近20年来孝感城市建设不断发展，但却一直未对地下水资源进行详细的水文地质调查与区划等基础性地质工作。并且目前监测孔的监测主要依靠人工监测读取数据，精度不高，区内地下水监测点多处受到破坏损毁，部分监测孔已经无法监测。通过对地下水水位动态变化特征分析可知，现有监测体系已经无法准确地控制降落漏斗的具体形态及变化发展特征，急需对其进行完善优化。

7 完善监测体系措施建议

监测作为分析由地下水开发利用引发的问题获取基础资料的一种必要手段，可以准确地为地下水开发利用及保护提供支撑，为有针对性地采取相应的防治措施提供可靠的地质依据。如果监测网点布置不合理，监测数据不准确，必然无法准确地掌握地下水动态。监测资料准确与否直接关系到保护措施实施恰当与否。所以完善地下水监测体系建设尤为重要。鉴于现状，可采取如下措施完善地下水监测体系。

(1)及时开展地下水水文地质调查工作 孝感市最近一次水文地质调查工作完成于上世纪90年代初，历经20年，其水文地质条件已经发生了变化。通过对地下水水位动态变化分析，目前含水层漏斗中心已经发生偏移，现有监测体系已经无法准确地控制降落漏斗的具体形态及变化发展特征，所以必须及时地开展一次地下水水文地质调查工作，准确了解地下水水文地质情况。

(2)合理布置监测网点 监测网点布置的合理与否直接关系到监测数据是否有效。所以应该根据水文地质调查结果，合理布置监测网点，准确控制地下水降落漏斗边界。同时对淤堵损坏的监测孔进行修复，恢复其原有功能。

(3)改进监测手段，建立监测数据库 将传统的人工监测改为现代化自动监测传输，通过自动化监测，实现监测数据的实时传输。同时建立地下水动态监测数据库，实现监测数据网络化，通过对监测数据及时分析，随时了解地下水动态变化，实现地下水水情预报，为政府决策提供参考。

［1］ 楚德亮，覃能辉，等．湖北省孝感市供水水文地质详查报告［R］．孝感:湖北省鄂东北地质大队，1993．

［2］ 谭伟，张军，等．湖北省孝感市城区2011年地下水环境监测年度报告［R］．孝感:湖北省地质环境总站，2012．