沧州市城区浅层地下水开发利用研究

郭洪起

(河北省沧州水文水资源勘测局，河北沧州061000)

沧州市位于河北省东部，属于严重缺水型城市。随着近年来经济的快速发展及对水资源的需求不断加大，沧州市的水资源供需矛盾日益加剧。如何缓解这一矛盾，推动沧州市经济可持续发展，已成为了我们必须要重点解决的一个问题。城市用水长期以来一直以开采深层地下水为主，由于超采严重，造成了地下水降落漏斗，引发了城市地面沉降、地裂缝等一系列地质环境问题，既破坏了城市地质环境，也损害了城市对外开放形象。随着近年来沧州市政府关于限制深层地下水开采、关闭城市自备井等一系列强有力措施的出台，城市地质环境较之前已经有所改善。随着深层地下水的停采，对于城市水资源的利用，浅层地下水的合理开发利用无疑会成为一条行之有效的途径，而如何合理有效的利用浅层地下水遍成为我们必须重点研究的课题。

1 研究区概况

1.1 自然地理概况

沧州市地处河北省东南部，为平原区，运河以西属低平原区，以东属滨海平原区。地势西高东低、自西南向东北略倾斜，自然坡降约0.29‰，地面高程5.6～10.3m。地貌成因类型为冲击相和滨海湖积相。沧州市东临渤海，南界山东，北与廊坊、天津为邻，西、西南与保定、衡水相接。位于北纬37°28'～38°57'、东经 115°42'～117°50'之间，南北长约 165 km，东西宽约 187 km，全市总面积14 056 km2，海岸线总长95.3 km。本次研究区的分析范围以黄河路、长芦大道、迎宾大道、渤海路为界的市区四环以内的范围，面积约64.56 km2。

1.2 水文气象

沧州市属暖温带半湿润大陆性季风气候，四季分明，温差较大。春季干燥多风，夏季炎热多雨，秋季天高气爽，冬季寒冷干燥。研究区内降水年际变化较大，最大年降水量1 160.7 mm，最小年降水量191.8 mm，多年(1963－2012年)平均降水量567.4 mm;降水年内分布不均，主要分布在汛期，汛期降水占全年降水的八成左右。多年平均蒸发量1 122.2 mm(E601蒸发器，1963－2012年系列)，蒸发量最大月份为6月份，占年蒸发量的14.9%，蒸发量最小月份未1月份，仅占年蒸发量的2.1%。

1.3 地质构造

沧州市基底构造比较复杂，分属于冀中坳陷、沧县隆起、黄骅坳陷和埕宁隆起四个基底构造单元，本次研究区基底构造分属于沧县隆起、黄骅坳陷两个基底构造单元。各单元之间均为东北向断裂所分割，单元内并有次一级的凸起和凹陷，研究区大部分位于黄骅坳陷区内，西部小部分为沧县隆起区

沧县隆起:东临黄骅坳陷，西为冀中坳陷，主要由寒武系、奥陶系、石炭二迭系及侏罗系构成。沧县隆起中心地带位于沧县西部。自上第三纪以来接受沉积，第四系厚约400 m。

黄骅坳陷:黄骅坳陷是中生代以来继承性断陷，沉陷中心在岐口东北海域，南为临清坳陷，北临渤海坳陷，呈东北向展布。其基底由侏罗系、白垩系组成。上第三系地板埋深1 600～3 200 m，第四系厚400～500 m。

2 浅层地下水资源评价

2.1 浅层地下水资源数量评价

地下水是赋存于饱水带(饱和带)岩层孔隙中的重力水。本次评价的地下水资源主要是指与大气降水和地表水体有直接水力联系、参与地下水循环且可以更新的潜水即浅层地下水。

本次研究区地下水资源数量评价总的技术要求是:

(1)降水入渗补给量系列长度为1963－2012年50年系列，地下水资源量计算采用2009－2012年系列。以2009－2012年平均的地下水资源量作为现状条件下多年平均地下水资源量。

(2)因本次研究区范围内均为溶解性总固体≤2 g/L浅层地下水，所以仅评价溶解性总固体≤2 g/L的浅层淡水资源量。

(3)以研究区为单元计算地下水各项补给量，再计算出研究区内的各种补给量、地下水资源量和可开采量。

2.1.1 评价计算原理

本次浅层地下水资源评价计算依据水均衡原理，即某时段的地下水总补给量等于总排泄量与地下蓄变量之和。

总补给量=总排泄量±蓄变量

根据水均衡原理，采用河北省第二次水资源评价中提供的参数，结合沧州实际情况，分别计算各项补给量，汇总后可得总补给量。分项计算各项排泄量，汇总后可得总排泄量。计算时段内的蓄变量，并按水均衡原理进行平衡分析，将总补给量扣除地下水灌溉回归量作为区域地下水资源量，并用可开采系数法计算地下水可开采资源量。

2.1.2 基本资料

地下水资源评价计算所采用的资料主要包括水文资料、降水资料、地下水资料，沧州市水资源公报和统计部门的资料。水文资料、降水资料、地下水资料采用经过整编后的“水文年鉴”及“水文特征值年鉴”中刊布的资料。有关统计部门的资料有两种情况:一是直接采用统计资料，如国民经济情况，各种用水情况等;二是实地调查的资料，如水利工程引水蓄水情况资料等，资料可靠性较好，能满足本次水资源评价的精度要求。

2.1.3 地下水补给量的计算

本市浅层地下水补给项主要包括降水入渗补给量、河道渗漏补给量、灌溉补给量、蓄水体补给量、侧向补给量等，各项补给量之和即为总补给量。用公式表示为:

式中:W总补为总补给量(108m3);W降为降水入渗补给量(108m3);W河为河道渗漏补给量(108m3);W渠灌为渠灌渗漏补给量(108m3);W井灌为井灌回归量(108m3);W蓄为蓄水体渗漏补给量(108m3);W侧补为侧向径流补给量(108m3)。

地下水总补给量即以上各项补给量之和，地下水资源量即总补给量减去地下水灌溉回归量，而本次评价范围内并无地下水灌溉回归量，所以本次计算中总补给量即为地下水资源量，经计算研究区2009－2012年平均浅层地下水总补给量为0.077 0亿m3，即地下淡水资源量为0.077 0亿m3。

2.1.4 地下水排泄量

浅层地下水的排泄项主要包括潜水蒸发量、河道排泄量、侧向排泄量、越流排泄量及浅层地下水实际开采量，各项排泄量之和即为总排泄量，可用下式表示:

式中:W总排为总排泄量(108m3);W潜为潜水蒸发量(108m3);W开为浅层地下水开采量(108m3);W侧补为地下水侧向排泄量(108m3);W越为地下水越流排泄量(108m3);W河排为地下水向河道的排泄量(108m3)。

地下水排泄量即以上各量之和，因本次研究区范围无河道排泄量、越流排泄量、侧向排泄量和人为开采量，实际排泄量即为潜水蒸发量。经计算，研究区年平均地下水排泄总量为0.043 2亿 m3。

2.1.5 浅层地下水补排平衡分析

水均衡一般指均衡期间多年平均地下水总补给量、总排泄量和浅层地下水蓄水变量三者之间的均衡关系，即:

式中:W总补为浅层地下水总补给量(108m3);W总排为浅层地下水总排泄量(108m3);ΔW为浅层地下水蓄变量(108m3);X为绝对均衡差(108m3);δ为相对均衡差，用百分数表示。

2.1.6 浅层地下水蓄变量计算

浅层地下水蓄变量是指计算时段内多年平均地下水动态的年际变化值。可用下式计算:

式中:Δh为计算时段始末的地下水位变差(m);μ为潜水变幅带给水度;F为计算面积(Km2);10－2为单位换算系数。

本次蓄变量计算为与补给及排泄量计算系列相一致，采2009－2012年系列。经计算，全市多年平均蓄变量为－0.008 8 亿 m3。

2.1.7 地下水补排平衡分析

根据公式6－10和6－11对研究区内水资源进行补排平衡分析。研究区多年平均浅层地下淡水总补给量为0.077亿m3，多年平均地下淡水总排泄量为0.043 2亿m3，多年平均地下水蓄变量减少0.008 8亿m3，补排均衡差为0.025亿m3，相对均衡差为32.5%，计算结果精度符合本次研究要求。

2.1.8 地下水可开采量计算

浅层地下可开采量是指在经济合理、技术可行且不引起生态恶化的条件下，从地下水含水岩层中可以开采的最大水量。确定评价区的地下水可开采量，受评价区地下水补给条件和开采条件两个因素制约。以现状条件下浅层地下水资源量、开发利用水平及技术水平为基础，根据评价区浅层地下水含水层的开采条件，在多年平均地下水总补给量均衡的基础上，合理确定现状条件下的浅层地下水可开采量。在平原区，可以采用开采系数法和扣除不可夺取的天然消耗量等方法计算评价区多年平均浅层地下水资源可开采量。本次评价采用开采系数法计算研究区浅层地下水可开采量，采用下式计算:

式中:W可采为浅层地下水可开采量(104m3);W总补为浅层地下水总补给量(104m3)。ρ为可开采系数。

从水均衡原理上讲，可开采系数小于1.0，即可开采量不能大于总补给量，结合本次研究区内的水文地质条件及补给条件，参考《沧州市水资源调查评价及对策》研究成果确定值为0.70。经计算研究区每年可开采量为539万m3。

2.2 水质评价

1)资料来源

采用沧州水文局浅层地下水观测井2009－2012年资料进行评价。

2)地下水化学类型及矿化度分区

水文局浅层地下水观测井其水类型为〔CL〕Na型，矿化度＜2 g/L

3)环境质量综合评价

(1)评价标准

评价标准采用地下水质量标准(GB/T14848－93)，该标准将地下水环境质量标准分为五类。

Ⅰ类:主要反映地下水中化学组分的天然低背景值含量，适用于各种用途。

Ⅱ类:主要反映地下水化学组分的天然背景值含量，适用于多种用途。

Ⅲ类:以人体健康基准为依据，适用于集中式生活饮用水源及工农业用水。

Ⅳ类:以农业和工业用水标准为依据，除适用于农业和部分工业用水外，适当处理后可做饮用水。

Ⅴ类:不宜饮用，其它目的的用水可根据具体要求选用。

(2)评价参数

依据国家标准的要求，结合本地实际情况，评价参数为:pH值、总硬度、氯化物、硫酸盐、矿化度、硝酸盐氮、氰化物、砷、挥发酚、六价铬、汞、镉、铅、铜、铁、锰、氟化物共17 项。

(3)评价方法

此次评价采用内梅罗综合污染指数法，根据各参评因子所在级别(见表1)确定Fi值，再按以下公式计算综合指数F值。

表1 水质类别与评价分值Fi关系表

式中:F为综合污染指数;Fi为单项污染指数值;F为各项指数Fi的平均值;Fmax为各项污染指数中的最大值;

按上式计算的F值和级别标准(表2)对照，来确定水质级别。

表2 水质综合评价分级表

(4)评价结果

水文局浅层地下水观测井自2009年一直到2012年共4年评价结果均为差级，其主要污染物为总硬度、硫酸盐、矿化度、氯化物，详见下表。由于评价测井位置处于沧州水文局院内，受外界污染程度较小，较好的保持了观测井自身水质，其造成超标的污染物主要受影响于观测井所处的水文地质单元。

表3 水文局浅层地下水观测井水质监测成果表

4)功能评价

(1)评价标准

采用(GB5749－85)《生活饮用水卫生标准》和(GB5084－92)《农田灌溉水质标准》，进行功能评价。

(2)评价因子

选用pH值、总硬度、氯化物、硫酸盐、矿化度、硝酸盐氮、氰化物、砷、挥发酚、六价铬、汞、镉、铅、铜、氟化物、铁、锰共17项。

(3)评价方法

采用比较法，用实测值和标准值对照，只要有一项不符合功能标准就认为没有此项功能。

(4)评价结果

水文局观测井的水质不符合生活饮用水标准，影响饮用功能的主要项目是总硬度、氯化物、矿化度、硫酸盐;同时也不具备农田灌溉功能，影响灌溉功能的主要项目是氯化物、矿化度。但对于浅层地下水来讲，开发和利用的前景依然十分广阔，尤其是抽咸补淡，良性循环后，水质将会得到大幅度的改善。

3 浅层地下水应用分析

本次的研究区范围为沧州市的主城区，范围内主要为居民、商用住宅楼、商场等建筑物，无农业灌溉用水，少量工业用水主要来源于深层地下水，城市绿化主要采用水罐车人工浇灌，城区居民生活饮用水主要来源于大浪淀水库，对浅层地下水基本无开采使用。

经计算研究区内浅层地下水年平均水资源量为0.077 0亿m3，年可开采地下水量0.053 9亿m3，在现状开采条件下尚有较大得的可开发潜力。在合理开采的前提下，浅层地下水资源的有效利用不仅可以缓解部分水资源供需矛盾、减轻深层地下水的开采负担，同时其意义还在于:

(1)提高地下水资源保护能力

污染物随着地表水入渗进入土壤包气带后，会产生一系列复杂的物理、化学和生物作用，从而降低污染物对地下水的影响。土壤包气带与其他环境因素一样有自净能力，这种能力的大小，由包气带的岩性及颗粒大小的因素决定，一般用包气带环境容量来衡量。土壤厚度大，就延长了污染物在包气带中运移的途径和时间，使得污染物与包气带介质间的作用更充分，结果是提高了包气带的自净能力，增大了它的环境容量，也增大了污染物穿过包气带进入地下水中的途径，提高了水资源保护能力。

(2)提高大气降水可利用率

研究区多年平均降雨量567.4 mm(1963－2012年)，但是仅有一小部分渗入地下，绝大部分称为径流排入河道。如果能充分利用浅层地下水，就可以腾出地下水库容，在雨季就可以接纳、蓄存更多的得雨水，当然这还要配合完善的雨水收集系统。这样做可以使收到污染的地下水得到置换、净化。浅层地下水水位降低导致部分含水层疏干，富余出更大的空间可以接纳地表水入渗，减少地下水蒸发。

当然浅层地下水的开发必定会引起水位的下降及地质环境的改变，如若开采过程中处理不当，也会造成严重后果。因此，我们在最大限度地开采浅层地下水的同时，必须以保护和改善城市地质环境为前提条件。

(1)考虑浅水蒸发和大气降水入渗等方面的因素，确定研究区内浅层地下水位埋深界线为5m，不仅可以防止土壤盐渍化，增加降水补给，还可以有效地保护地基与地下管线。

(2)为了防止集中抽水引起地面沉降，从而导致建筑物变形等问题的产生，根据沧州市的水文地质条件，经计算分析确定两井之间距离不应小于100 m。

(3)沧州市浅井在开采过程中，受地层及开采条件等因素的影响明显，其影响范围及影响程度不尽相同。地层含水条件越差、开采量越大、抽水时间越长的井，其影响范围越大，反之越小;但在

短期抽水情况下，地层含水条件越差，则形成的水力坡度越陡，短时间内的影响距离越小。通过在抽水实验过程中建筑变形监测分析，在长时间的抽水过程中随着水位的下降，会对一定范围内的建筑物产生严重影响，可导致建筑物变形。浅井在抽水过程中所形成的水力坡度曲线在较陡处对建筑物的影响较明显，会产生不均匀地面沉降;距离渐远水力坡度曲线变平缓，由水位下降所形成的地面下沉量较小且相对均匀，对建筑物危害明显减小。经综合分析，确定浅井与建筑物的安全距离为10～18 m。

4 结论

本次研究区的分析以黄河路、长芦大道、迎宾大道、渤海路为界的市区四环以内的范围，面积约64.56 km2。主要对研究区内1963－2012年的降水、蒸发及2009－2012年浅层地下水进行了评价。通过评价得出研究区内多年(1963－2012年)平均降雨量为567.4 mm，1963年－2012年系列最大雨量值为1 160.7mm，最小雨量值为191.8 mm，降水年纪变化较大，且年内降水分布也不均，降水主要分布在汛期，汛期降水量占全年降水的八成左右。研究区多年平均(1963－2012年)年水面蒸发量为1 122.2 mm(E－601蒸发皿)，是多年平均降水量的1.98倍。年际变化显著，年最大蒸发量2104.2 mm，最小852.1 mm。年内最大月蒸发量出现在6月份，占全年蒸发量的14.9%;最小月蒸发量出现在1月份，仅占全年蒸发量的2.1%。本次研究评价的浅层地下水水质采用水文局浅层地下水观测井2009年至2012年4年观测资料为代表，经计算其主要污染物为总硬度、硫酸盐、矿化度、氯化物，详见下表。由于评价测井位置处于沧州水文局院内，受外界污染程度较小，较好的保持了观测井自身水质，其造成超标的污染物主要受影响于观测井所处的水文地质单元。经评价，研究区内浅层地下水水质不符合生活饮用水标准，影响饮用功能的主要项目是总硬度、氯化物、矿化度、硫酸盐;同时也不具备农田灌溉功能，影响灌溉功能的主要项目是氯化物、矿化度。但对于浅层地下水来讲，开发和利用的前景依然十分广阔，尤其是抽咸补淡，良性循环后，水质将会得到大幅度的改善。由于本次研究区范围为沧州市城区，浅层地下水补给主要来源于降水入渗，经计算浅层地下水多年平均水资源总补给量为0.077亿m3，而浅层地下水排泄主要是浅层地下水蒸发，经计算多年平均地下水排泄总量为0.042 3 m3。研究区内浅层地下水现在基本属于零开发状态，如果能进行合理有效的开发利用的话，对减轻研究区内深层地下水压力、减缓地下水漏斗加深都有着十分重要的作用。