江苏省地下水开发利用中的环境地质问题及对策

黄敬军，张 丽，缪世贤

(1.国土资源部地裂缝地质灾害重点实验室，江苏南京 210018;2.江苏省地质调查研究院，江苏南京 210018)

江苏是我国开发较早，经济比较发达的地区之一，自1981年以来，国内生产总值平均以每年超过10%的增长率持续稳步发展，至2010年已突破4×1012元，占全国1%的土地却创造着约占全国1/9的GDP经济总量。但20世纪80年代后，伴随着城市建设和乡镇工业的迅猛发展、环境污染的不断加剧和人民生活水平的日益提高，对水资源尤其是地下水的需求量不断增加，地下水开采规模不断扩大，不仅形成区域性的水位降落漏斗，并引发地面沉降、地裂缝、岩溶塌陷等地质灾害及深层淡水资源衰减和水质咸化等环境地质问题，直接或间接制约江苏国民经济的可持续发展。

1 地下水资源及开发利用现状

1.1 地下水类型及分布

江苏地处长江三角洲的前缘和滨海平原，地下水主要赋存于第四系及上第三系松散堆积物之孔隙中，其次是碳酸盐岩类裂隙溶洞中，可划分孔隙水、岩溶水和裂隙水。

孔隙水主要分布平原地区松散堆积层中，分布面积8.19×104km2，约占国土面积的80%。东部沿海以海相、三角洲相和泻湖相堆积为主，西部以陆相堆积为主，陆相堆积为淡水含水层，海相堆积为咸水含水层，三角洲相含水层淡咸交错比较复杂。东部沿海平原含水层厚度大、层次多、富水性好、水质变化复杂;西部平原及山前地带含水层厚度小、层次少、富水性差、水质单一。

岩溶水主要分布于徐州市区、铜山、南京仙鹤门、镇江谏壁、江浦老山及宜兴张渚、湖釜盆地，含水地层由震旦系、寒武系、石炭系、二叠系和三叠系的一套碳酸盐岩组成，分布面积约0.35×104km2，全省有徐州丁楼、七里沟、茅村、利国、青山泉、张集和汴塘、南京仙鹤门及宜兴张渚、湖釜等10个大型-中型岩溶裂隙水水源地。

裂隙水主要分布在低山丘陵区，含水地层由白垩系—震旦系的一套碎屑岩组成，面积约1.65×104km2，总体上含水性较为贫乏。

1.2 深层地下水开采现状及演变

1.2.1 深层地下水开发利用现状

据统计，2010年全省深层地下水开采井16529眼(包括农灌井)，年开采量为8.47×108m3。其中，第Ⅰ承压水开采井5807眼，开采量0.92×108m3;第Ⅱ承压水开采井3915眼，开采量2.03×108m3;第Ⅲ承压水开采井4569眼，开采量2.70×108m3;第Ⅳ承压水开采井853眼，开采量0.53×108m3;第Ⅴ承压水开采井73眼，开采量0.07×108m3;岩溶水开采井853眼，开采量2.13×108m3;裂隙水开采井430眼，开采量0.09×108m3。

1.2.2 深层地下水开采演变

(1)地下水开采发展阶段(20世纪80年代前)

20世纪50年代末，全省地下水开采是以供水试点及保留的勘探孔为主，数量极少，地下水水位基本处于天然状态，水位埋深一般小于1m，局部自流状态;70年代以来，全省地下水开采井、开采量逐年增加，但增幅仍然较小，开采井局限于苏锡常、南通、盐城、淮安等中心城市的城区及有大型纺织、化肥厂等企业的城镇，多用作为工业生产的降温空调，此阶段仅在苏锡常三市初现“三集中”(开采层次、地段、时间集中)格局，并形成一定范围的区域性水位降落漏斗，水位埋深15～25m，最大水位埋深40m左右。

(2)地下水开采高峰阶段(20世纪80至90年代中期)

20世纪80年代后，城市供水逐步利用地下水，开采井数、开采量增长迅速，各城区出现水位急速下降、超量开采，其中，苏锡常三市城区水位降至60m左右，中心地段水位埋深超过70m，淮安城区水位降至50m左右，盐城、南通城区水位也降至40～50m;90年代后城区地下水开采量有所控制，但乡镇地下水开采增长迅速并超过城区成为全区性的开采行为。据统计，1990年全省共有开采井9000眼，深层地下水开采总量17.00×108m3(孔隙水开采量13.00×108m3，岩溶水开采量3.00×108m3，裂隙水开采量1.00×108m3)，地下水超采区从城区向乡镇扩展，地面沉降也由局部地段向区域发展，苏锡常地区由于不均匀地面沉降产生地裂缝地质灾害，徐州城区由于过量开采岩溶水诱发岩溶塌陷地质灾害。

(3)地下水开采控制阶段(20世纪90年代中期后至21世纪初)

20世纪90年代中期以来，全省实行以控采、限采、禁采为目标的地下水管理，有计划开采地下水，开采量增幅得到控制，但开采总量仍然较大，1999年全省深层地下水开采量仍达10.09×108m3。苏锡常地区地下水开采量虽由1995年的4.5×108m3下降到1999年的3.36×108m3，但地面沉降、地裂缝灾害仍在继续发展。此阶段全省各地各层地下水均处于控制开采状态，至2002年全省共有开采井25604眼，地下水开采量12.41×108m3(孔隙水开采量9.55×108m3)，与1995年相比，开采井数和开采量均压缩了20%以上，全省除苏锡常地区水位大幅度回升外，其它地区区域水位出现缓慢回升趋势，区域超采区面积继续增加，向农村蔓延。

(4)地下水开采压缩阶段(21世纪初期以来)

依据省人大《关于在苏锡常地区限制禁止开采地下水的决定》，苏锡常地区分阶段实施限期禁止开采工作，至2005年已全面禁止开采地下水，除经省政府批准的特殊行业用水单位需要保留了86眼井外，累计封井4931眼，开采量由2.88×108m3(2000年)减少到0.4×108m3(2004年)，水位降落漏斗中心水位埋深由87.60m(2002年)上升到82.89m(2005年)，40m水位埋深圈定漏斗面积由3950km2(2000年)减小到2400km2(2005年)。此阶段全省其它地区地下水开采量也处于压缩开采状态，2005年以来，全省地下水开采总量压缩在9.00×108m3以内(表1)，但由于长期过量开采，超采区面积依然较大。

纵观全省深层地下水的开采历史，不同时期对地下水的开发利用程度存在明显差异，各地地下水的开发利用均经历了发展、高峰、控制、压缩等四个阶段，但苏锡常地区的发展、高峰、控制及压缩阶段普遍比沿海及其它地区早5年以上。

表1 江苏2005～2010年地下水开采量对比表Table 1 Comparison of amounts of groundwater exploitation from 2005 to 2010 in Jiangsu

2 主要水环境问题

2.1 水资源枯竭与区域性水位下降

2.1.1 地下水资源衰减

由于开采布局不合理和存在“三集中”以及水文环境地质条件脆弱等因素，出现水位逐年下降，并形成区域性超采漏斗。区域超采漏斗的形成，引起各含水层静水压力降低，导致单井出水量普遍减少，甚至出现吊泵，使许多水井报废或改用潜水泵。根据调查，苏锡常地区20世纪60～70年代开凿的机井，在90年代单井出水量不到原来的50%，且有大多数井采不到水吊泵而报废;南通市大约有30%以上的水井水量出现严重衰减，使将近1/4的水井因地下水下降产生吊泵或报废［1］。

2.1.2 区域性水位下降

(1)第Ⅱ承压水

第Ⅱ承压水是我省地下水的主要开采层，在全省范围内形成14个规模不等的水位降落漏斗，漏斗面积11152 km2(20m等埋深线圈定)。其中，苏锡常、盐城水位降落漏斗规模较大，漏斗面积均超过2000 km2，淮安、扬州、宿迁、泰州城区及灌南、响水、滨海、射阳、东台、金湖、丰县、滨海八滩等县城或乡镇水位降落漏斗规模较小，漏斗面积均小于500 km2(图1)。

图1 江苏省第Ⅱ承压水水位降落漏斗分布示意图Fig.1 Sketch of the second confined aquifer cone of depression in Jiangsu

苏锡常水位降落漏斗是形成时间最早、分布面积最广、水位埋深最大的水位降落漏斗，监测资料分析，苏锡常水位降落漏斗形成于20世纪70年代末，漏斗中心分别位于苏锡常三市区，最低水位埋深分别达55m、59m、58m，20m水位埋深等值线沿沪宁线中心城市条带分布，将苏锡常三个城市的漏斗中心连成一片，面积约1500km2;此后，随着城市外围农村地区地下水开采日益增长，区域性水位降落漏斗进一步扩大，水位降落漏斗中心也由原先三中心城市逐渐向外围乡镇移动。至1999年苏锡常地区第Ⅱ承压地下水形成以洛社、前洲、石塘湾为中心的区域水位降落漏斗，漏斗面积7500 km2，中心最低水位埋深达87.28m(惠山洛社)，无锡西部至常州东部水位已降至含水层顶板以下，形成掠夺性疏干型开采，疏干开采区达350km2。2000年后，随着深层地下水禁采令的全面实施，区域性水位持续下降的局面得到有效控制，全区水位呈现上升的态势。

盐城水位降落漏斗形成稍晚，监测资料分析，80年代盐城地区第Ⅱ承压水仅在大丰、东台城区形成规模不等的水位降落漏斗，中心水位埋深达50m，漏斗面积仅150km2，至1995年末，出现由大丰、东台、射阳、盐都等水位降落漏斗连成一片的区域性漏斗，中心水位埋深41.2m;至2002年，区域水位呈整体下降，并在滨海城区、八滩和阜宁城区形成多个小型水位降落漏斗，漏斗面积约 2250 km2，中心水位埋深37.03m。

(2)第Ⅲ承压水

第Ⅲ承压水是南通、盐城地区地下水的主要开采层，全省范围内已形成16个规模不等的水位降落漏斗，20m等埋深线圈定的面积17623 km2。其中南通、盐城、苏州、淮安、响水—滨海、高邮等6个水位降落漏斗面积超过1000 km2，常州、涟水、扬州、丰县、沛县、灌南、金湖、阜宁、射阳、东台等10个水位降落漏斗规模较小(图2)。

图2 江苏省第Ⅲ承压水水位降落漏斗分布示意图Fig.2 Sketch of the third confined aquifer cone of depression in Jiangsu

南通地区第Ⅲ承压水水位降落漏斗形成于80年代中期，早期的地下水降落漏斗仅分布在市区，漏斗面积约300km2，中心水位埋深38.33m，80年代中期后，南通地区地下水开采逐渐由城区扩大到各乡镇，全区水位出现持续性平盘下降，下降速率在1m/a以上，而海门、启东地下水强烈开采区下降速率1.5～2.0m/a，至1995年漏斗面积达3000km2;1997年后水位下降速率趋缓(小于0.5m/a)，2002年南通大部分地区水位埋深降普遍降至20m以下，30m水位埋深等值线已将通州、南通市区、海门、启东西部连成一片，形成区域性水位降落漏斗，面积扩展到4500km2，中心水位埋深43.06m。

盐城地区第Ⅲ承压水水位降落漏斗也形成于80年代中期，1986年前为盐城、大丰和东台各自独立的小漏斗，漏斗面积300km2，中心水位埋深42 m，至1995年各漏斗逐渐连成一片，并在阜宁、滨海和射阳出现小型降落漏斗，漏斗面积635km2。此后区域水位下降更明显，至2002年漏斗面积达4808km2，中心水位埋深48.23m。

(3)第Ⅳ承压水

第Ⅳ承压水水位降落漏斗主要分布在沿海地区，1985年前集中在盐城、大丰、滨海、射阳等城区及弶港-老坝港-掘港一带，水位下降速率虽达2.0m/a，但未形成区域水位降落漏斗;1995年后随着乡镇养殖业发展，第Ⅳ承压水开采规模急速增长，水位下降速率1.0～2.0m/a，造成区域水位平盘下降，盐城、射阳、大丰、滨海四个水位降落漏斗已相连，漏斗面积1880km2，其中心水位埋深46.0m。至2002年水位降落漏斗已拓宽到建湖、阜宁、响水和东台，漏斗面积约5300km2。此外，东台弶港—如东小洋口及海门城区有2个小型水位降落漏斗，漏斗面积分别达110km2和60km2。

2.2 地面沉降与地裂缝

2.2.1 地面沉降

江苏地面沉降已有半世纪的发展历史，都发生在工业集中、人口稠密，地下水开发利用程度高的平原区。地面沉降以苏锡常地区及盐通沿海平原区最为严重，其次是丰沛地区和淮安地区，全省地面累计沉降量大于 200mm 的面积约 10900km2［2］(图 3)。

(1)苏锡常地区地面沉降

苏锡常地区地面沉降可追溯到20世纪60年代，中心城市区稍早，外围县市区稍晚。70年代末至80年代中期以前主要发生在三个中心城市及锡西地段，80年代中期至90年代初期，随着地下水开采区的扩大和开采强度逐年骤增，以苏、锡、常3个城市为中心的局部性地面沉降漏斗不断向外围扩展，发生程度也越来越严重化，逐渐形成沿京杭大运河和宁沪铁路的区域性地面沉降洼地。至2000年累计沉降量大于200mm的面积6200km2，约占苏锡常地区总面积的1/2，而500 mm等值线已圈合了三个中心城市，面积超过1500km［3］。地面沉降导致地面高程下降，由此引发一系列社会经济问题，如水涝频发、运河通航能力下降，水准点等基础测量设施失效，累计损失超过1000亿元。2000年起苏锡常地区深层地下水全面禁采，不仅地下水位回升，而且地面沉降也明显减缓。

图3 江苏省地面沉降分布图［2］Fig.3 The distribution map of land subsidence in Jiangsu

(2)沿海地区地面沉降

沿海地区地面沉降虽然发生时间比苏锡常地区晚(1985年后)，灾害程度也相对较弱，但发展速度较快。八十年代中期沿海地区地面沉降局限在盐城、大丰、射阳、阜宁、南通等地下水开采强烈的城区，累计沉降量在50～100mm，仅大丰城区形成局部沉降洼地，累计最大沉降量达630mm。九十年代以后，随着各县(市)城区和乡镇大规模开采地下水和开采强度逐年骤增，地面沉降问题也迅速扩大至整个区域，发生程度也由轻微趋向严重化，至2002年，沿海地区形成以大丰及盐城城区、南通、海门及如东城区为中心的区域沉降漏斗，累计沉降量大于600mm区域分布在大丰城区周边及盐城城区，分布面积360km2，沉降中心最大累计沉降量1259mm。累计沉降量大于200mm区域除大丰和盐城地区的外围及周边地区外，还有射阳城区-黄沙港、阜宁城区-滨海城区、东台城区及如东马塘-掘港-海门四甲-启东吕四一带，分布面积超过 4500km2［1］。

2.2.2 地裂缝

地裂缝灾害主要由地面的不均匀沉降引起。江苏自1989年常州武进横林首次发生地裂缝灾害以来，相继在无锡惠山、锡山、江阴及苏州张家港境内多处发生，共发现有25处。1989～1994年为地裂缝初发期，以每年1～2处递增，1995～2002年为地裂缝高发期，每年都有地裂缝灾害发生，平均每年1～3处，2003年后未有新的地裂缝发生，但监测资料显示，受地面沉降滞后效应影响，部分地裂缝仍处于缓慢发展变化中［4］。地裂缝平面形态呈线条状或呈雁行式排列，一般发育成长数百米至数千米不等，大多在主裂缝两侧形成数百米宽的地裂缝带，剖面形态大多呈裂缝两侧上下错移，在地表形成陡坎状或阶步状地裂缝，裂缝宽度2～80mm，可见深度20～40cm，地裂缝所到之处，道路和房屋均遭不同程度破坏，数百户居民被迫搬迁，据统计，苏锡常地区因地裂缝损坏的房屋近3000间，动迁单位数10家，直接经济损失超过 12.8 ×108元［5］。

2.3 岩溶塌陷

江苏岩溶塌陷主要分布在徐州、南京、无锡、苏州、常州以及镇江等地的浅埋石灰岩岩溶发育地区，由于超量开采岩溶水或采矿疏干排水，引起上覆地面的塌陷。岩溶塌陷始发于20世纪70年代，初期无论是规模，还是频率都较小，造成的危害和影响都不大，80年代中期后，随着地下水的大量开采，岩溶地面塌陷屡有发生，共计有陷坑30多个，塌陷总面积超过10000m2，陷坑规模从几十平方米到数百平方米不等，平面上多呈圆形或椭圆形，剖面上呈漏斗状，周围多伴生环形或弧形裂缝。全省岩溶塌陷以徐州最为严重，自1986年以来共发生18起，由于徐州多数岩溶塌陷处于市中心人口密集、商业繁华的黄金地带，造成了重大的经济损失和不良的社会效应，仅1992年新生街塌陷，就毁坏房屋200多间。南京栖霞铅锌银矿由于采矿疏干排水，已数次突发岩溶塌陷，其中，1995年岩溶塌陷已使明镜湖等风景顷刻消失，直接经济损失数百万元，并严重威胁栖霞寺等文化遗迹的安全。

2.4 水质咸化

受第四纪海侵的影响，江苏沿海地区浅层地下水普遍为矿化度大于3g/L的半咸水、咸水，深层水虽以淡水为主，但局部存在微咸水透镜体，其含水层向东部海域延伸也逐步向微咸水、咸水过渡。据监测资料对比，南通第Ⅲ承压水矿化度、总硬度、Na+和Cl-离子含量存在同步上升趋势。20世纪70年代南通第Ⅲ承压水矿化度大于1.0g/L的仅局限于启东南阳、东海和海门三阳等地，呈孤岛状分布;至1997年，启东境内大部区域及毗邻的海门悦来、三阳等地第Ⅲ承压水矿化度均超过了1.0g/L，呈现出片状分布的特征;2007年矿化度超标的片区又有进一步的发展变化，自内陆第Ⅲ承压水水位降落漏斗中心向海边，矿化度、Cl-、咸化系数等水化学特征值逐渐增大［6］。研究表明引起深层地下水水质咸化的原因主要有:上部含水层内咸水越流补给;深层含水层相对隔水顶板粘性土压缩释水补给;深层含水层中微咸水、半咸水迳流补给;成井工艺不合格，上覆咸水顺井管下渗补给［7］。

3 对策建议

3.1 科学合理利用地下水资源，加强调配管理

苏锡常地区地下水禁采以来成效显著，水位普遍回升，地面沉降速率逐渐减缓，但是，地下水禁采不是解决地下水资源开发与控制地面沉降矛盾的积极对策和科学方法。事实上，地下水资源在区域性水资源结构中占有重要地位，要合理开发利用地下水资源，一定要实现地下水开采协调管理，从全省水文地质条件、地质环境等客观条件出发，根据地下水功能要求、水资源配置方案及地下水未来利用保护的需要，对其实行宏观调控。

一是要加强地下水资源勘察，划定地下水超采区及水位红线，优化开采布局，制定地下水开发利用与保护长远规划，并坚决予以落实;二是要加强用水管理，调整开采井布局和用水结构，避免“三集中”开采，实施分质供水，将有限的优质地下水用于生活用水;三是实现水资源的科学调度，优化水资源开发结构，利用行政或经济手段强制实施地下水和地表水联合调度，减少对地下水的长期开采，逐步过渡为应急状态下的后备水源。

3.2 合理利用浅层地下水及咸水资源，增加水资源调蓄能力

省域内浅层地下水资源极为丰富，开发利用前景广阔。浅层地下水被开采后，很容易从降水、地表水体重新得到补充，地下水资源容易再生［8］。依据以往地下水资源调查评价，江苏浅层地下水开采量不足可采资源量的一成，可扩大开采潜力较大。浅层地下水的水质除局部受到“三氮”轻微污染外，大部分地区较好，仅稍作处理，就可满足生活供水的要求，苏锡常地区浅层地下水开发利用示范工程从浅层地下水的水质、水量以及所采取的开采工艺等几个方面论证了浅层地下水开采的可行性［9］。

目前国内已探索出一套利用半咸水灌溉的成熟方法，效果明显。因此，应加强对沿海地区地下咸水或微咸水资源利用，可根据咸水含水层中不同的水量、水质、水温，可分别开发利用。一是可作为工矿企业的空调、冷却用水和特殊目的的供水水源(如咸水养殖);二是可通过抽咸补淡，淡、咸混合，通过开发促进咸水的循环交替，降低含盐量，扩大淡水体［10］;三是可使咸水水位降低到合理水平，避免地下水的无效蒸发，增加水资源量。南通沿江地段第Ⅰ承压咸水因与大气降水和长江水关系密切，长期开采后水质淡化，因而也可利用抽咸换淡，在增加地下水开采量的同时改善水质。

3.3 优化地下水动态监测网，有效监控地下水情

全省范围内的地下水动态监测工作始于20世纪80年代初，但监测井逐年减少，目前平均每103km2的监测井数仅有3.95个，此外，监测井多分布于城市周边地区，与全省地下水开采“遍地开花”的形势极不适应。地下水监测是评价地下水资源，制定开发利用方案的最重要数据，也是研究地面沉降、地下水资源衰减的基础。随着社会经济的不断发展，地下水开采布局亦处于不断变化之中，要准确掌控地下水情，应尽快建立科学的地下水动态监测网络系统，监测不同含水层的地下水水位、水量、水质变化情况，及早发现问题，采取有效的防范措施［11］。只有全面监控地下水开发利用动态，才能为科学制地下水开采计划。

3.4 实行强制节约用水，加大污水资源化和海水综合利用力度

目前我国的水资源有效利用率较低，单方水的产出明显低于发达国家。首先通过节水宣传教育，提高全民的节水意识、忧患意识和水法制观念，其次征收水资源费、调整水价、计划供水，推进水费的累进制度向消费者灌输节水成本意识，保证节水目标的实现;节水的另一条途径是污水资源化，随着污水处理设施的建设发展，城市污水处理量逐年增加，应在规划建设污水处理设施的同时，将污水回用问题统筹考虑;沿海地区，尤其是沿海港口的开发一方面可直接利用海水，作为工业中作冷却水、冲洗水、稀释水等以及居民的冲厕用水(约占居民生活用水的35%);另一方面，可通过海水淡化提供高质淡水，供高压锅炉用，淡化水经矿化作饮用水。污水资源化和海水综合利用对于解决我省水资源的短缺和水环境的改善有特别重要的意义。

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