关中城市群开采地下水有关环境地质问题及其防治对策建议

陶虹，丁佳

陕西省地质环境监测总站，西安，710054

内容提要：关中城市群地下水自集中开采以来区域地下水位呈整体下降趋势，主要城市集中供水水源地水位降幅30～50 m，最大超过120 m。长期过量开采地下水引起了地下水位持续下降、地面沉降、地裂缝以及水质污染等环境地质问题。近年随着城市群限制开采量，地下水水位下降及其相关环境地质问题在局部地段有所缓和。本文以50年地下水动态监测数据为基础，针对关中城市群地下水动态特征及相关的环境地质问题进行研究分析，并对预防和缓解环境地质问题、合理开发地下水资源提出建议。

关中城市群位于我国西北部关中盆地，水资源贫乏，地下水开采强烈。截止上世纪90年代中期，地下水是几个主要城市如西安、咸阳、宝鸡、渭南等单一供水水源。长期大量的开采改变了地下水的天然流场，使地下水资源量及空间分布发生变化，导致了区域地下水位持续下降、地面沉降、地裂缝、水质污染等严重的环境地质问题，制约了经济发展。2000年后关中城市群逐步调整供水结构，采用多水源城市供水，较大程度地缓解了水位下降。本文系统分析了近五十年来关中城市群不同历史阶段地下水开采、水位动态以及地质环境监测数据，找出由于过量开采地下水引起的环境地质问题及其发展规律，对预防和缓解环境地质问题、合理开发地下水资源提出建议。

1 水文地质条件

关中盆地形成于白垩纪末第三纪初，是一个典型的新生代断陷盆地，盆地内堆积了厚逾千米的第四纪松散沉积物，为地下水储存和运移提供了良好的空间。关中城市群主要开采渭河及其支流冲积平原松散层孔隙水，含水介质由第四纪冲积相砂、砂砾石组成，单井出水量一般3000～5000m3/d（张茂省等，2005）。以70～90m之间的粘性土为界，分为上部潜水和下部承压水。潜水主要分布于渭河及其支流漫滩和一级阶地区，埋深约1～20m，含水层厚20～50m，傍河地带含水介质粒度粗，利于河水激发补给，是城市供水水源地的有利开采地段；承压水分布于各级地貌单元下部，总厚20～120m，一般由渭河向南北两侧厚度逐渐变薄。渭河南岸孔隙水水质一般较好，矿化度小于1g/L；渭河北岸孔隙水泾河以西水质一般较好，矿化度小于1g/L，泾河以东水质一般较差，矿化度一般1～4g/L。

2 地下水开采特征

关中盆地地下水开发利用历史悠久。建国后至90年代中期，盆地内主要城市生产生活用水均以开采地下水为主，2000年以后，由于启动黑河、石头河、冯家山水库等多水源引水工程，缓解了地下水供水压力，地下水开采量逐年下降。关中城市群地下水开采过程大致分为三个阶段。

1975年以前，关中城市群地下水集中开采以西安、宝鸡为主。开采初期，开采井数少，开采量小，1970年，西安市地下水开采量仅3700×104m3/a。1970年后，随着供水需求的不断上升，盆地内开采量每年增加1200×104m3。截止1975年底，开采量为13737.60×104m3/a（彭建兵等❶）。

1975年以后，关中盆地城市群加强了地下水开采的管理，开凿深井数量的增速显著减小，但由于实际开采井数仍在增加，地下水开采量仍然以每年350×104m3的速度逐年上升。截止1995年，西安（含近郊）、咸阳、宝鸡、渭南开采量分别为26257.88×104m3/a（康金栓等❷）、9926.14×104m3/a（师菊芹等❸）、7292.70×104m3/a（翟乖乾等❹）、5013×104m3/a（王佳武，1997）。

1995年以后开采量显著减少。1997年黑河引水工程通水后，西安市逐步减少了自备井的开采量，2000年宝鸡市和咸阳市分别启动“引嘉济清”和“冯家山引水”工程，大大缓解了关中盆地城市供水紧张的矛盾。自1997年至今，关中盆地主要城市累计封停自备井企事业单位自备井2000余眼，年减少地下水开采量约2×108m3，供水格局从以地下水为主改为以地表水为主。2011年，西安、咸阳、宝鸡市地下水开采量分别为5652.27×104m3/a、7075.60×104m3/a、1153.4×104m3/a（陶虹等❺）。

3 主要环境地质问题

持续过量地开采地下水，导致区域地下水位持续下降、形成区域降落漏斗，造成地面沉降、地裂缝、水质污染等一系列环境地质问题。

3.1 地下水位持续下降，形成区域性降落漏斗

由于水源地均围绕关中主要城市而建，造成水源地布局不合理，开采井群在空间分布上高度集中，高强度的开采状况改变了区域地下水天然流场，形成了以城市水源地为中心的大面积地下水位降落漏斗。

西安市城区从50年代初到90年代，自备井从2口猛增到500余口，开采量从77.2×104m3/a骤增到11223.75×104m3/a，而可采资源只有6960.36×104m3/a（彭建兵等❶）。长期超量开采使承压水头迅速下降，在90年代中期形成该地区历史上最大面积降落漏斗，面积达234.75km2（康金栓等❷），漏斗中心水位埋深142.28m。2000年以后，西安市逐步全面封停主城区企事业单位自备井，开采量2011年回落至5652.27×104m3/a，基本遏制了城区地下水位长期下降的势头，部分地段水位趋于回升，漏斗面积有所减小（表1）。但是，由于西安市开发建设重点移至西南郊高新技术开发区，使该处局部地段用水量激增，承压水位在近10年间下降了20余米，导致严重地面沉降的发生。2012年，西安城区降落漏斗面积216km2，较2011年增加8km2（陶虹等❺）。

咸阳市主要开采300m以内的第四系孔隙潜水和承压水。在90年代以前，由于地下水资源不清且没有统一规划，地下水开采以自备井为主，1985年达10585×104m3/a，超采约80%（张茂增❻），直接导致水位持续下降，形成区域降落漏斗22.8km2（师菊芹等❸）。2000年后，咸阳市启动石头河水库供水，开采量逐年减小，水位有所回升。截止2012年，咸阳市承压水静水位累计最大下降30m，漏斗面积15.88 km2（陶虹❺等）。

宝鸡市主要开采浅层承压水，开采之初，水头接近地面，1970年起集中开采。截止2000年，水位平均降幅20.35～33.52m（翟乖乾❼），最大降幅超过50m。2012年漏斗面积 28.1km2（陶虹等，2013）。超强度开采不仅使单井抽水量急速减小，而且由于缺乏连续有效的上覆隔水层，导致上部潜水含水层水位迅速降低，基本呈疏干、半疏干状态。

渭南市城区自备井水源地因开采井数多，密度大，平均每平方千米达10眼以上，现有开采井一般深120～250m，采用潜水、承压水混合开采方式。在城区30.14km2范围内，潜水可采资源量1650.17×104m3/a，而开采量已达2932.20×104m3/a，超采量1282.03×104m3/a。由于过量开采地下水，1989年以来地下水位以0.34～2.30m/a（王佳武，1997）速率持续下降，近二十年来水位下降二十余米。2012年形成降落漏斗36.42 km2（陶虹等❺）。

3.2 区域地面沉降

关中城市群发生地面沉降的城市有西安、咸阳、渭南等，其中以西安市最为严重，其主要原因为地下水超采导致水位大幅度下降，进而导致粘性土层释水压密造成的（陶虹，2000）。

西安市地面沉降的发生、空间展布及历时发展趋势与自备井开采、承压水水位动态有着紧密联系，承压水开采最强烈，水位降幅最大，漏斗高速扩张时期，也是地面沉降高速发展时期（图1（廖曾禧❽）。

80～90年代中期，西安市城区自备井开采最为强烈，开采井群主要分布在城区及近郊，形成了以胡家庙、小寨等地为中心的水位漏斗，承压水头下降速率最大可达10m/a。该阶段也是地面沉降高速扩张的时期，与承压水开采漏斗相对应，形成了以西工大、胡家庙等为中心的7个地面沉降漏斗（陶虹，2000），漏斗中心沉降速率50～100mm/a。2000年以后，随着城区封停自备井，承压水位逐渐稳定，老沉降区活动量逐渐减小，300m以上地层压密量由1997年的83.13mm下降至2011年的5.78mm（李勇❾），胡家庙、辛家庙等沉降漏斗消失。而西南郊高新技术开发区投入建设，承压水开采量激增，形成新的开采漏斗，地面沉降中心向该地区移动（图 2），2012年，高新技术开发区最大地面沉降量14.6cm。

表1西安市承压水开采漏斗多年变化统计Table 1 Annual statistics of depressions in the confined aquifersin Xi'an

图1 西安市胡家庙地区承压水位与地面沉降量历时曲线图Fig.1 The confined water level and land subsidence at Hujiamiao area，Xi'an

引起西安地裂缝强烈活动的主要因素是过量开采承压水引发的地裂缝两侧地层不均匀沉降，地裂缝垂向活动量的70%～90%是由于承压水位下降导致地面差异沉降造成的（李新生等，2001）。西安地区第四系是由粘性土层与砂、砂砾石层组成的不等厚结构，在黄土梁区和洼地区，粘性土层厚度存在明显的差异，洼地区粘性土厚度大于黄土梁区，而西安市地裂缝均位于黄土梁洼接壤地带。过量抽汲承压水，致使承压水位大幅度下降，引发粘性土层释水压密变形。而地裂缝两侧粘性土厚度不同，又导致沉降程度不同，加剧了地裂缝的垂向活动。

多年监测资料表明，2000年以后，西安市地裂缝相对活动量也在逐年减小，最后至微小值后开始上下波动（图3）。

3.3 地裂缝

地裂缝是关中盆地最有特点的地质灾害之一，目前主要分布在西安市城区及近郊155km2的范围内，已发现的地裂缝带有14条，总体走向 70°～80°左右，各地裂缝带间呈1～1.5km等间距排列（彭建兵等❶）。

图2 西安市承压水开采漏斗与地面沉降中心分布图Fig.2 The centers of confined water funnel and land subsidence in Xi'an

图3 西安市地裂缝垂向活动量与承压水位历时曲线Fig.3 Duration Curves of vertical displacements of ground fissure and confined ground water level in Xi'an

3.4 地下水污染

关中城市群潜水含水层主要为渭河及其支流的冲洪积型砂层，由于强烈开采致使水源地水位大幅度下降，导致渭河及其支流激化补给地下水。由于渭河水质近年污染严重，导致关中城市群傍河开采水源地潜水污染严重，根据2011年水质监测报告，其结果与20世纪60年代比较，发现地下水中矿化度、总硬度含量有明显上升，污染区主要在咸阳、西安、渭南等水源地集中开采区 （陶虹等❺）。

承压含水层与潜水之间存在一弱透水层，阻隔了污染物的下渗，故水质尚可。但有部分地段如西安北郊超标，经研究为受污染的潜水通过混合开采井渗入承压含水层造成污染或通过不连续的隔水层、弱透水层造成污染。

4 防治对策建议

关中城市群由于地下水过量开采引起的环境地质问题主要有区域地下水位持续下降、地面沉降、地裂缝、水质污染等。近年城市供水结构调整，地下水开采量逐渐减小，水位日趋平稳略有回升，地面沉降、地裂缝等环境地质问题在地下水位稳定地段有所缓解，而在开采量加大地段加速发展。对于目前关中城市群地下水开发利用及保护现状，可采取以下措施预防和缓解环境地质问题的发生，合理高效利用地下水资源。

（1）优化完善地下水动态监测网络：优化完善关中城市群地下水动态监测网络，对地下水进行实时监控。对于重点城市及重要工程建设区，加密监测点，逐步实现地下水自动化监测与数据传输，及时发布地下水情通报，为地下水的合理开采提供依据。

（2）开展主要城市环境地质问题监测及研究：对于西安、咸阳等地面沉降、地裂缝活动强烈城市，开展地面沉降、地裂缝监测，实时掌握地质环境变化特征。开展地面沉降地裂缝与地下水动态耦合关系研究，确定地面沉降发生的临界水位，建立预警预报模型，以地下水资源的合理开采量为标准，科学配置水资源。

（3）开展合理开采地下水技术方法研究及实践：开展地下水开采技术方法研究，对于已经产生环境地质问题的地区，可考虑“人工回灌”，控制地下水位下降，缓解地面沉降和地裂缝的发展趋势。同时严格控制回灌水的水质标准及操作规范，防止人为污染地下水。

注 释 / Notes

❶彭建兵，张勤，宋彦辉，卢全中，李新生，门玉明，黄强兵，孙渊，王玮，李斌.2010.汾渭盆地典型地区地裂缝地面沉降监测与防治研究成果报告.

❷康金栓，徐从义，王兴安.西安地区地下水动态报告1986～1995年）.

❸师菊芹，李存长.1997.咸阳市区地下水动态报告（1986～1995）.

❹翟乖乾.1997.宝鸡市区地下水动态报告（1985～1995）.

❺陶虹，丁佳，陶福平.2013.陕西省地下水动态研究报告（2012年度）.

❻张茂增.1987.咸阳市环境水文地质问题及防治对策.见：陕西省地矿局地质科学技术交流会论文汇编，219～224.

❼翟乖乾.2000.2000年宝鸡市地下水环境监测报告.

❽廖曾禧.1985.西安市地面沉降发展趋势预测.见：陕西省地矿局地质科学技术交流会论文编汇.

❾李勇.2012.西安市地面沉降地裂缝监测报告（2011年）.