天津市地下水变化趋势分析

2014-04-02胡元张永昊柴成繁张金鹏

海河水利 2014年4期

关键词：咸水机井水化学

胡元，张永昊，柴成繁，张金鹏

（1.天津江河弘元环境技术研究有限公司，天津300062；2.天津市水务局海河管理处，天津300141；3.天津市水文水资源勘测管理中心，天津300061；4.天津市节约用水事务管理中心，天津300074）

天津市地下水变化趋势分析

胡元1，张永昊2，柴成繁3，张金鹏4

对天津市地下水从无序开采产生的危害和近年来控制开采后地下水变化趋势进行了分析研究，为今后天津市地下水合理、科学、可持续的利用提供技术依据。

地下水；科学利用；天津

1 基本情况

天津市地处华北平原东北部，海河流域最下游。地下水开采始于20世纪初。1907年在塘沽城区打成第一眼机井，至1949年塘沽区共有深井43眼，开采能力为1 699 m3/h。1923年在天津市区打成第一眼机井，1930年共有机井9眼，这些井均用于公共设施；1948年天津市区共有机井51眼，开采深层地下淡水，用于工业生产，当时城市自来水取用地下水很少，开采量约4万m3。至1957年，城郊共有43眼砖石砌井，开采浅层地下水，供人畜饮水。从1958年开始，城市和农村的机井逐年增多，到1967年城市机井增加到300余眼，农村水井已达1 550眼，主要开采咸水之下的深层淡水，年开采地下水约0.7亿m3，其中Ⅱ组水占60%以上。这期间市区由于超量开采深层地下水，Ⅱ组含水层开始在白庙和大直沽工业区出现水位降落漏斗，最大水位埋深达51.68 m，并出现了地面沉降。

20世纪60年代末、70年代初天津相继出现历史罕见干旱，河流干枯，农村和城市形成了打井高潮。1971年天津市区400 km2内共有机井534眼，郊县共有机井8 673眼。到1981年，市区机井849眼，郊县30 585眼，最大开采深度超过900 m，开采量达10.38亿m3，为天津市历史上开采地下水最多的一年。至1999年，天津市共有完好配套机井23 570眼。地下水的大量开采，造成天津市中南部地区深层地下水含水层组中地下水位的大幅度下降，并引起了严重的地面沉降问题。

1983年9月引滦入津通水，每年可向天津供10亿m3的滦河水，主要供给市区和塘沽，缓解了城市工业和生活用水的紧张局面。由于有了这个稳定、可靠的水源，全市开始实施控制地面沉降计划，在市区和塘沽采取了停封工业自备井700余眼等压缩地下水开采措施。1981年全市实行了计划取用地下水制度，企事业单位开采地下水需交纳地下水资源费，并大力采取节水工程措施，实现地下水开采量的逐年回落。全市地下水年均开采量20世纪70年代达到7.14亿m3、80年代增长到8.09亿m3、90年代回落到7.41亿m3，2013年降至5.53亿m3。

由于开采地下水布局不合理特别是有咸水区深层承压淡水仍存在着超采地区和超采层位，浅层淡水基本未加以利用。同时，地下水开采受降雨、丰枯水年的影响较大，如2002年为枯水年，全市的地下水开采量达8.19亿m3。

2 地下水水位变化趋势

近60年来，天津市地下水的开发利用在很大程度上缓解了地表水资源量的不足。在开采地下水的同时，也改变了地下水动力条件。最突出的是地下水在补给上发生了变化，体现为浅层地下水在各项补给来源的组成与自然条件下有所不同、深层地下水由原来的自下向上越流补给转变为自上向下越流补给。

天津市浅层地下水只有在北部全淡水区才被大量开采，用于农业灌溉和人畜饮用。全淡水区主要分布在宝坻、武清和宁河县（区）北部，为山前冲洪积相，易于接受大气降水、山前侧向补给、地表水体入渗补给等。地下水位埋藏浅，补给量大，尽管多年来长期开采，但水位基本没有大的下降，在3～5 m波动，只在局部很小的范围内水位埋深超过10 m，但在丰水期也能回升。在天津南部地区，由于浅层水为咸水，矿化度大，很少直接利用。在咸水体“天窗”处，开凿了少量砖石砌井开采地下水或者直接开采咸水作冷却等工业用水，但量都不大。

深层地下水由于埋藏较深，补给条件比浅层地下水差，不能直接接受降水补给，主要是越流补给和侧向径流补给。未开采状态的地下水，整体表现为含水层越深水位越高，下部含水层向上部含水层越流补给；经过开采，地下水位迅速下降，下部含水层水位下降速率大，至目前水位表现为含水层越深水位埋藏越大，地下水的越流补给转变为自上而下。由于长期集中大量开采，在各个含水层中均出现了水位下降漏斗，地下水侧向径流方向由自然状态下自西北向东南流动改变为由漏斗边缘向漏斗中心流动。据已有资料分析，天津市中南部平原区除第Ⅰ含水组和咸水亚组外，第Ⅱ含水组及以下深层地下水均已形成水位下降漏斗。这充分说明在开采条件下深层地下水的相互补给关系已经发生了极大变化。

2.1 浅层地下水水位变化趋势

天津市第Ⅰ含水组地下水水位埋深整体自北向南逐渐变浅，流向为由北部山前向南部平原区流动，主要受到地表河流和地势的影响。1982年水位埋深中，天津市浅层水位最深为5 m，绝大部分地区小于2 m。1982—2003年，天津市浅层地下水水位埋深普遍下降，下降幅度基本为1～2 m，但大幅度水位下降面积并不大，说明了浅层水的两个特点：一是补给好，二是开采量小。

第I含水组地下水水位在天津市北部全淡水区由于开采量较大及受第Ⅱ含水组地下水开采的影响，水位出现一定的下降，且越靠近山前地下水水位埋深越大；在蓟县山前平原区水位埋深多在10～15 m，在北部最大约为16.19 m，在蓟县南部、宝坻区北部及武清区北部4～10 m，向南逐渐变浅。在天津市南部咸水分布区由于开采量较小及受下伏含水组开采的影响也小，地下水水位埋深浅，一般小于4 m；在东部环渤海和西青、武清部分地区小于2 m，多年水位保持相对稳定。第Ⅰ含水组地下水易接受降水补给，补给源充沛，又多为农业用水季节性开采或在咸水区为不开采状态，尚未形成水位下降漏斗。

2.2 第Ⅱ含水组地下水水位变化趋势

第Ⅱ含水组地下水在天然状况下埋深很浅，20世纪60年代初地下水水位一般接近地表。至70年代，由于工农业发展的需要，大量开采地下水，导致在市区周围水位下降很快，埋深超过40 m，但在郊县水位仍然较浅。之后，工农业大量凿井抽取深层淡水并超量开采，导致地下水水位逐年下降并形成区域性漏斗。80年代中期以来，在市区及塘沽城区采取了一系列措施控制地面沉降，禁采限采深层地下水是其中的重要措施。地下水的开采受到严格控制，开采量逐年减小，水位也随之上升。至目前，两处地下水水位已明显高于周边地区，形成了两个地下水水位反漏斗区，市区第Ⅱ含水组的水位上升到20 m左右，第Ⅲ含水组水位上升至30 m。但周边地区水位仍然存在下降趋势，漏斗中心水位不断加深，面积也在增大。

第Ⅱ含水组地下水南部形成以天津市区为中心的反漏斗区和以汉沽城区、静海县城及北辰宜兴埠为中心的3个漏斗区。汉沽漏斗、静海县城漏斗中心水位埋深超过60 m、影响范围较广，宜兴埠漏斗中心水位埋深超过60 m；其中，以静海漏斗50 m封闭等水位线面积最大，宜兴埠漏斗中心水位下降速率最大。2012年全市第Ⅱ含水组60 m埋深漏斗面积580 km2。

2.3 第Ⅲ含水组地下水水位变化趋势

第Ⅲ含水组主要分布在宝坻-新安镇断裂以南地区。根据20世纪60年代初钻孔查证，天津市中南部平原深层承压淡水水压面大多接近地面或高于地面1～3 m而自流。至70年代，静海县大部分区域仍存在自流现象，但在需水量大的地方如市区、汉沽等地水位下降很大，地下水受到人工开采的强烈影响。80年代后，在市区及塘沽城区采取措施控制地面沉降，地下水开采量逐年减小，水位才得以缓慢回升，但水位漏斗则从城区转移到邻区。至目前，城区地下水水位逐渐回升，郊县水位埋深普遍较深。

2012年，全市最大埋深漏斗位于西青区杨柳青镇、津南区北塘口至咸水沽、滨海新区大港官港，漏斗中心水位深达90 m；60 m埋深漏斗覆盖北辰区东南部、西青区全部、静海县全部、东丽区东南部、津南区全部、滨海新区大港北部，面积达3 703 km2。

2.4 第Ⅳ含水组地下水水位变化及漏斗情况

第Ⅳ含水组主要分布范围与第Ⅲ含水组相同。从多年观测数据看，开采之前原始水位高出地表，开采后水位迅速下降，地下水水位在持续下降中。随着开采量的不断增加，地下水水位埋深越来越大，形成了几个大型的地下水下降漏斗区，这一系列的漏斗中心随不同地区年开采量的变化而发生位置的变化，但总体特征为漏斗中心水位埋深不断增大，同一等水位线封闭的区域面积范围逐渐扩大。2002年，水位低于60 m等水位线面积达4 340.77 km2，漏斗已延伸至河北省境内，形成一个大范围复合漏斗。至2005年，天津市地下水埋深超过60 m的范围达到4 984.91 km2。在宝坻区的东部和南部、宁河县的北部地区，地下水主要开采利用浅层水，第Ⅳ含水组地下水水位下降幅度并不大，埋深小于30 m。2012年，全市最大埋深漏斗位于津南区北塘口至咸水沽一带，漏斗中心水位深达100 m；60 m埋深漏斗面积5 577 km2，几乎覆盖整个南部平原。

3 地下水水质变化趋势

天津平原区北部为全淡水区，中部平原和滨海平原浅部有咸水体分布。第四系地下水在北部全淡水区因含水层埋深不同划分为第Ⅰ、Ⅱ含水组；中南部划分为第Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ含水组。第Ⅳ含水组在隆起区主要为新近系顶部地层。

3.1 第Ⅰ含水组地下水水化学特征及其变化规律

天津市浅层地下水总体水化学变化具有由北向南和由北西向南东的水平分带性，即由北部的HCO3—Ca、Ca·Mg型过渡到HCO3—Ca·Na、Na·Ca、Na·Mg→HCO3·Cl—Ca·Na、Na·Ca、Na·Mg→Cl· HCO3—Na、Na·Ca→Cl·SO4—Na、Na·Ca、Na·Mg型，过渡到滨海地区的Cl—Na型；地下水的矿化度也由北部小于0.5 g/L过渡到滨海地区大于10 g/L。水化学环境由北部的pH值以小于8为主演变到南部以大于8为主。水化学成分的形成除与大气降水入渗溶解含水介质有关外，还接受地表河流渗漏及地下水补给、径流、交替条件等影响。

3.2 第Ⅱ含水组地下水水化学特征及其变化规律

由于水文地质条件、岩性、地貌、气候等因素的差异，从山前冲洪积平原到滨海平原地下水水化学类型、矿化度呈现出较明显的水平分带规律：地下水中的主要组分由溶滤迁移为主变为以聚集为主，由北向南水化学类型为HCO3—Ca·Mg→HCO3—Na· Ca→HCO3—Na→HCO3·Cl—Na→Cl·HCO3—Na→Cl·SO4—Na型。矿化度由山前及东北部小于0.3 g/L过渡至南部接近2 g/L，呈现缓慢升高的矿化过程。

HCO3—Ca·Mg型水主要分布于蓟县山前平原。该区位于地下水补给区，大气降水直接入渗，溶解地层中的方解石及白云石形成阳离子以钙和钙镁为主、阴离子以HCO3为主的地下水。其补给及径流条件良好，含水层岩性颗粒较粗，为溶滤型的水化学环境，矿化度一般小于0.5 g/L。

HCO3·Cl—Na、Cl·HCO3—Na及Cl·SO4—Na型水主要分布于天津市区及南部静海、大港等地，地下水溶解性总固体一般在1 g/L左右。这里地下水远离补给区，径流滞缓，水岩作用充分处于离子聚集的水化学环境。同时，由于近年地下水的大量开采导致第Ⅱ含水组的水位大幅度下降，其上覆浅层水渗漏补给较高矿化度的水。

3.3 第Ⅲ含水组地下水水化学特征及其变化规律

第Ⅲ含水组地下水主要分布于宝坻-新安镇断裂以南地区，水化学类型较简单，HCO3—Na·Ca型水只分布于宝坻区新安镇-林亭口镇一带，该区水质良好，F离子含量均小于1 mg/L，溶解性固体小于0.3 g/L，CaCO3饱和指数较高。HCO3—Na型水为中部平原直至塘沽的第Ⅲ含水组水的主要类型，该区只零星分布HCO3·Cl—Na型水（可能由于个别地方水文地质条件的差异致使上覆咸水渗漏所致），第Ⅲ含水组地下水溶解性总固体均低于1 g/L并且以宁河-汉沽一带最低（小于0.3 g/L）。

3.4 第Ⅳ含水组地下水水化学特征及其变化规律

第Ⅳ含水组地下水分布范围与第Ⅲ含水组相同，水化学特征比较简单并有更加明显的分带性。

对比第Ⅳ含水组多年水质动态资料，其水化学各种参数均无明显的变化。