宁河县地下水状况及开采控制研究

尚瑞朝，宫爱玺，胡海军，郭中磊，李春辉，李丽玮

（河北省水利技术试验推广中心，河北石家庄050061）

宁河县地下水状况及开采控制研究

尚瑞朝，宫爱玺，胡海军，郭中磊，李春辉，李丽玮

（河北省水利技术试验推广中心，河北石家庄050061）

分析了1987-2007年宁河县地下水各含水层组年水位埋深、开采量变化情况以及累计水位降深与累计开采量、沉降量的变化规律，明确了地下水超采是引起宁河县地面沉降及水位降深增加的主要原因。为了控制地面沉降及水位持续下降的趋势，结合宁河县地下水超采状况、经济发展和地下水资源的战略储备需要，制定了以控制地面沉降量为约束条件的控沉方案，最终通过建立宁河县地下水数值模型，并结合约束条件，预测了3个水平年地下水开采控制方案。研究成果可为今后宁河县地下水优化管理及开采控制研究提供参考。

宁河县；水位埋深；开采量；沉降量；地面沉降；数值模型；开采控制

宁河县地处天津市东北部，地貌成因类型主要属冲积海积平原。宁河县地下水主要开采层为2层及以下，因此本次研究主要以第2含水层以下承压水为主。长期以来，宁河县大量开发深层地下水，已产生了大面积的地下水降落漏斗，形成了全县以芦台镇为中心的环形降落漏斗，并有进一步发展的趋势［1］。地下水是宁河县内工农业和生活用水的最主要的水源，地下水的开发利用程度较高，多年的地下水开采已经使该地区出现了大范围的水位降幅［2］。地面沉降又称地面下沉或地陷，是在自然条件和人为因素作用下，因地壳表层土压缩而导致区域性地面标高降低的一种环境地质现象［3-4］。地面沉降作为一种广泛的地质灾害，造成最大的危害是损失地面标高，并由此引起一系列的危害，如市政排水困难、海水倒灌等，特别是滨海地区，加大了风暴潮对沿海地区的威胁［5］。考虑到地面沉降所引发的一系列不良后果，必须对地面沉降量进行一定的约束。笔者在分析宁河县水位埋深和开采量多年变化趋势及地面沉降和开采量关系的基础上，明确了地下水超采作为地面沉降及水位降深增加的主要原因，结合宁河县地下水超采状况、经济发展和地下水资源的战略储备需要，制定了以控制地面沉降量为约束条件的控沉方案，最终通过建立宁河县地下水数值模型，根据约束条件制定不同规划水平年地下水开采方案。研究成果可为今后宁河县地下水优化管理及开采控制研究提供参考。

1 宁河县地下水状况分析

1.1 宁河县各含水组水位及开采量年际变化分析

根据宁河县1987—2007年地下水水位观测井数据，宁河县1987—2007年水位埋深及开采量变化情况如图1所示。从图1可以看出，宁河县第2-6含水组水位埋深均呈增加趋势，各含水组1987—2007年21年累计水位降深及水位下降速率见表1；1987—2007年宁河县开采量总体上也呈增加趋势，但在2002年以后开采量有减少的趋势。宁河县21年的年均开采量为5 959万m3，其中20世纪80年代年均开采量为4 638万m3、20世纪90年代年均开采量为5 186万m3、2000年后年均开采量为7505万m3，2002年开采量最大、达10 651万m3，约为年均开采量的1.8倍。

图1 宁河县各含水组水位埋深及开采量年变化曲线

表1 宁河县各含水组水位变化

从图1可以看出，宁河县第2-4含水组水位埋深的波动变化态势与开采量的波动变化态势较一致，尤其在1999年以后，当开采量增加时水位埋深随之增加，当开采量减少时水位埋深也随之减小；尽管开采量有增加和减少的变化，但第5和第6含水组水位埋深呈持续增加的态势，这说明第5和第6含水组的地下水开采量一直在增加。结合各含水组的水位变化情况，不难看出宁河县开采量的增加量主要集中在第5和第6含水组，其中第6含水组开采量的增加量较大。

1.2 累计水位降深与累计开采量变化分析

宁河县各含水组累计水位降深与累计开采量变化情况，如图2所示。从图2可以看出，第2-4含水组累计水位降深在1988—2002年期间总体上随累计开采量的增加而增大，2002年以后有随累计开采量增加而减少的趋势，这说明2002年以后这3个含水组的开采量减少，使得水位抬升，进而累计水位降深变小；第5和第6含水组的累计水位降深与累计开采量的相关性较强，累计水位降深随累计开采量的增加而增大，说明第5和第6含水组的地下水开采量一直在增加，使得水位持续降低，累计水位降深逐渐增大。

图2 宁河县各含水组累计水位降深与累计开采量年变化曲线

1.3 宁河县沉降量与开采量关系分析

宁河县2000—2008年的年均沉降量为35.3 mm，其中2001和2002年沉降量最大，均为67mm，约为年均沉降量的1.9倍。宁河县2000—2008年的沉降量和开采量变化情况，如图3所示。由图3可以看出，沉降量的波动变化态势与开采量的波动变化态势比较吻合，即在开采量增大时沉降量也相应地增大、开采量减少时沉降量也相应地减少。宁河县2000—2008年的累计沉降量与累计开采量关系，如图4所示。从图4可以看出，累计沉降量与累计开采量呈显著的正线性相关关系，即累计沉降量随着累计开采量的增加而递增，说明宁河县地面沉降主要是由超采地下水引起的，这进一步验证了开采量与沉降量之间的因果关系。

图3 宁河县沉降量与开采量变化

图4 宁河县累计沉降量与累计开采量关系

2 宁河县地下水开采控制

根据宁河县地下水历史统计资料的分析研究，即从水位与开采量变化趋势及沉降量与开采量的关系分析中，可以看出地下水的过量开采导致了水位的持续下降，加剧了地面下沉趋势。为了控制地面沉降及水位持续下降的趋势，必须对各含水组制定一个合理的开采量。以下通过建立宁河县地下水数值模型，并给出宁河县地下水沉降量约束条件，预测宁河县在给定地面沉降约束条件下的3个水平年（2015、2020、2030年）的开采控制方案，为指导今后宁河县地下水控制开采及管理提供帮助。

2.1 地下水数值模型

本研究通过建立宁河县地下水数值模型来预测在给定地面沉降约束条件下的地下水开采控制方案。模型建立之前首先要收集资料，所需资料主要包括气象水文资料、前人研究成果图、钻孔数据、观测孔水位等详细水文地质资料。通过对水文地质边界条件、初始条件、地下水系统源汇项等分析，利用MODFLOW作为模拟软件，建立宁河县地下水数值模型。

模型研究区范围为整个宁河县域。研究区内以沉积物质为基础，以水文地质特征为依据，结合地下水开发利用现状，在模型中将研究区地下水系统概化为6层：第1层为潜水含水层；第2—6层为承压含水层，本次研究主要为第2—6含水层。模型要求输入前期固结水头、初始沉降量、地面沉降观测站的位置、弹性释水系数和非弹性释水系数的初始值，然后迭代求解。通过对各观测站地面沉降量计算值序列与实测值序列的对比，调整参数值，最终达到计算值与实测值的最佳拟合，以求得拟合最佳时的参数值。最后将调整后的参数带入模型并输入模型所需要的初始条件来进行预测研究。模型可用如下微分方程［6］的定解问题来描述：式中：S为自由面以下含水层储水率（1/m）；Ssk为骨架储水率（1/m）；Ss′为滞后黏性土层储水率（1/m）；K为含水介质的水平渗透系数（m/d）；Kz为含水介质垂向渗透系数（m/d）；Kn为边界面法线方向的渗透系数（m/d），n为边界面的法线方向；Kv′为滞后黏性土层垂向渗透系数（m/d）；ε为含水层的源汇项（1/d）；q为总压缩释水量（1/d）；q1为非滞后压缩释水量（1/d）；μ为潜水含水层在潜水面上的重力给水度；p为潜水面的蒸发和降水入渗强度（m/d）；h为地下水系统的水位标高（m）；h0为系统的初始水位分布（m）；hr为III类边界水位标高（m）；h＇为滞后黏性土层水位（m）；Γ0为渗流区域的上边界，即地下水的自由表面；Γ1为渗流区域的Ⅰ类边界；Γ2为渗流区域的Ⅱ类边界；Γ3为渗流区域的III类边界；Γ4为非滞后压缩含水层区域；Γ5为滞后性压缩黏土区域；σ为III类边界的阻力系数（d）；Δb为非滞后压缩量（m3），b为非滞后压缩层厚度（m）；Δb0为初始沉降量（m）；Ω为渗流区域。

2.2 地面沉降约束条件

根据宁河县地下水超采的情况，以控制地面沉降量为约束条件，利用建立的地下水数值模型进行预测，最终制定出3个不同规划水平年的地下水开采控制方案。

根据参考文献[7]中关于地面沉降的规定，并考虑宁河县经济发展和地下水资源的战略储备需要，设置如下地面沉降约束条件：在近期（2015年），实现整个宁河县的年均沉降量控制在30mm以内；到中期（2020年），实现整个宁河县的年均沉降量控制在20mm以内；到远期（2030年），实现整个宁河县的年均沉降量控制在10mm以内。

2.3 地下水开采控制方案确定

宁河县农业灌溉井较多，而农业抽水因需而采，时间的不确定性和规模的不统一性势必造成农业用水难以计量，给地下水统计造成较大的困难，统计出来的开采量往往存在较大误差。本研究利用2000—2007年实测水位观测资料，得到各乡镇、各含水组的平均实际水位，将统计的开采量作为初始开采量带入模型运行，将模拟得到的各乡镇平均水位值与实际水位值进行比较，对开采量进行校正和反演。最后根据反演后的各年开采量求出多年平均开采量，以此来反映现状开采状况，反演结果见表2。

表2 宁河县地下水现状开采量104m3/a

将反演校正后的现状开采量分别按照100%、90%、80%、70%、60%、50%、40%、30%、20%、10%的比例得出模型初始开采量，输入模型并保持数值模型边界条件和含水层参数不变，利用模型进行预测，最后得出近期、中期、远期3个水平年的开采量与地面沉降量之间的公式关系。将控制地面沉降的约束条件代入公式，分别求出各个水平年对应的开采量，再根据现状开采量确定3个不同水平年的开采比例。由于公式存在一定的误差，将得出的开采量再次带入模型，经过多次调整开采比例，并与给定目标年沉降量进行调整拟合，获得最终拟合的开采比例和不同水平年年均沉降量，结果见表3-4。

表3 宁河县地下水开采比例系数

表4 宁河县不同水平年年均沉降量拟合结果mm/a

根据最终拟合的开采比例以及现状开采量，得出宁河县在3个水平年对应的地下水开采控制方案，见表5。

表5 宁河县地下水开采控制方案104m3/a

3 结论

（1）宁河县开采量及第2-6含水组水位埋深均呈增加趋势，其中开采量在2002年以后有减少的趋势。第2-4含水组水位埋深的波动态势与开采量的波动变化态势较一致；第5和第6含水组水位埋深呈持续增加的态势，说明第5和第6含水组的地下水开采量一直在增加。

（2）宁河县第2-4含水组累计水位降深随累计开采量的变化而变化；第5和第6含水组地下水开采量一直在增加，水位持续降低，累计水位降深在逐渐增大。

（3）沉降量的波动变化态势与开采量的波动变化态势比较吻合；累计沉降量与累计开采量呈显著的正线性相关关系，说明宁河县地面沉降主要是由超采地下水引起的。

（4）为了控制地面沉降及水位持续下降的趋势，对宁河县地下水各含水组制定一个合理的开采量。通过建立宁河县地下水数值模型，并给出宁河县地下水沉降量约束条件，预测宁河县在给定地面沉降约束条件下3个水平年的开采控制方案。

[1]石文学.天津市宁河县地下水脆弱性评价体系研究[J].地下水，2009，31（3）：23-25.

[2]刘禧超，李立伟，石文学.天津市宁河县地下水安全AHP模糊评价浅析[J].地下水，2010，32（4）：13-17.

[3]周载阳.地下水开采引起地面沉降的机理研究[J].工程勘察，2012，40（3）：22-26.

[4]宋小军.基于MODFLOW对天津宁河县的地面沉降预测研究[J].矿产勘查，2010，1（6）：564-568.

[5]王志刚，宋小军，石文学，等.天津市宁河县地面沉降问题研究[J].地质调查与研究，2008，31（1）：16-23.

[6]闫学军，周亚萍，张伟，等.地下水开发利用水位水量“二元”指标管理模式研究[J].河北工业大学学报，2012，41（2）：65-68.

[7]天津市水务局.关于进一步加强天津市地面沉降控制工作的意见[R].天津：天津市水务局，2009.

Study on Situation of Deep Groundwater and the Exploitation Control in Ninghe County

SHANGRui-chao，GONGAi-xi，HUHai-jun，GUO Zhong-lei，LIChun-hui，LIli-wei
（HeBeiExtension and ExperimentCenter forWater Technology，Shijiazhuang 050061，China）

Firstly，the annual change situation ofeach aquiferwater depth and exploitation in Ninghe County hasbeen analyzed.Then the annual change situation of each aquifer cumulative drawdown and cumulative exploitation has been discussed，aswell as the relationship between cumulative settlementand cumulative exploitation has been studied.Analysis resultsshow that theexcessiveexploitation of groundwater is themain reasonwhich caused land subsidenceand groundwater depth increasing in Ninghe County.In order to control the ground subsidence and water level continued to decline，combined with the groundwater overexp loitation status，economic development and groundwater resources strategic reserve needs，the control settlement scheme has been set to control land subsidence which is as constraint condition in Ninghe County.Finally，through the establishmentof Ninghe County groundwater numericalmodel，combined with the constraint condition，the control scheme of groundwater exploitation in three level years has been predicted.The resultsmay serve as a reference for the future optimalmanagementof the groundwater and study on control of groundwater exploitation in Ninghe County.

Ninghe County；groundwater depth；exp loitation yield；settlement；ground subsidence；numerical model；exploitation control

TV213.4；P641.8

B

1004-7328（2014）03-0010-04

10.3969/j.issn.1004-7328.2014.03.004

2014-01-20

尚瑞朝（1972-），男，工程师，主要从事水资源与水土保持工作。