徐州丰沛平原区深层地下水降落漏斗演变特征与成因机理研究

2014-12-11刘沂轩熊彩霞

华北水利水电大学学报(自然科学版) 2014年5期

刘沂轩，熊彩霞

(1．中国矿业大学资源与地球科学学院，江苏徐州 221008;2．江苏省水文水资源勘测局徐州分局，江苏徐州 221006;3．徐州中国矿大岩土工程新技术发展有限公司，江苏徐州 221100)

徐州丰沛平原区主要包括丰县、沛县行政区域和铜山区北部部分地区，面积为3 143．4 km2，地下水对于该区的经济建设和社会发展起到非常重要的作用．随着工、农业的快速发展，特别两县城区供水过度依赖地下水，造成地下水的不合理开采，于20世纪80 年代末分别在两县城区形成深层地下水水位降落漏斗，地下水水位的持续下降引发了不同程度的地面沉降．鉴于此，掌握该区深层地下水降落漏斗的演变特征与主导因素，提出合理的水资源开发利用模式，对于区域水资源可持续利用与地质环境保护工作有着重要的价值和意义．

1 研究区概况

研究区位于徐州市的西北部，处在黄泛冲积平原和鲁南山区南缘冲积平原的交互地带，属暖温带半湿润季风气候区，兼有海洋性和大陆性气候过渡区的特征，四季分明，多年平均降水量728．79 mm，降水多集中在夏季，约占全年降水量的77%，降水年际、年内分布不均衡．历史上该区黄河决溢泛滥频繁，形成了堆积厚度8 ～10 m 的扇形堆垄，自西南向东北倾斜，地势西南高东北低，地面高程31～48 m［1］．

该区地质属华北地层区，发育不全;揭露的太古界泰山群(Ars)是区内最老地层，并构成华北准地台的基底;新生界下第三系(E)和上第三系(N)分布广泛，第四系(Q)几乎覆盖全区．其间分布发育有全新统潜水、第Ⅰ承压、第Ⅱ承压、第Ⅲ承压、第Ⅳ承压5 个含水层组．其中第Ⅰ承压含水层与上覆潜水层联系密切，多具弱承压水特征;第Ⅱ承压含水层顶板埋深多在50 ～70 m，上部砂层较细，多为亚砂土、粉细砂，下部砂层较粗，多为粉细砂，局部中砂含砾，富水性好，氟离子含量大于1．0 mg/L;第Ⅲ承压含水层由下更新统中细砂、中粗砂组成，厚度多在20 ～35 m(东薄西厚)，富水性较好;第Ⅳ承压含水层由新近纪上新世河堆积的含砾粉土、含砾粗砂组成，顶板埋深170 ～210 m，厚10 ～20 m，富水性一般．第Ⅲ承压含水层组为区域内地下水的主要开采层，也是此次研究的重心［1］．

2 演变特征分析

通过对研究区1984—2013 年地下水水位和1984—2012 年降水实际监测数据的分析，降水量不是影响丰县城区地下水水位降落漏斗发展变化的主导因素，其整个发展变化过程可分3 个时期(直线发展阶段、平稳发展阶段、急剧扩张阶段)．地下水水位降落漏斗中心水位与降水综合动态如图1 所示．

图1 地下水水位降落漏斗中心水位与降水综合动态图

第1 个时期为直线发展阶段(1984—1995 年)．1984 年以前，该区工农业生产及城镇生活用水多依靠浅层地下水和地表水，后随着工农业的快速发展，特别在城区由于需水量的急增，加之地表水资源的缺乏，城市生活及工业发展完全依靠深层地下水，造成地下水开采量陡升，成为了形成地下水位降落漏斗的主导因素． 1984 年全区深层开采量为0．88 亿m3，全部为城市生活及工业用水，1995 年全区深层地下开采量1．38 亿m3，其中城市生活及工业用水为1．12 亿m3．此间，漏斗中心水位从1984年的18．4 m下降到－4 m，共下降了22．4 m，平均每年下降约2．24 m，水位标高10 m(水位埋深30 m)等水位线封闭面积增加量为80．4 km2．

第2 个时期为平稳发展阶段(1996—2004 年)．经过第1 阶段之后，地下水开采量陡增之后开始变缓．据统计，1997 年深层地下水开采量为1．53 亿m3，其中城市生活及工业用水为0．92 亿m3，2004 年深层地下水开采量为1．78 亿m3，其中城市生活及工业用水为0．98 亿m3．这一时期，降落漏斗中心水位降深为4．1 m，年平均降深为0．46 m，降深速度有所减缓，水位标高10 m(水位埋深30 m)等水位线封闭面积增加量为60．7 km2．

第3 个时期为急剧扩张阶段(2005 年—)．随着工农业生产的迅猛发展，需水量不断增加，特别是城市化进程的加快，城市规模的迅速扩大，需要大量的水源作为保证．然而由于供水水源的单一，城市生活及工业用水过度依赖地下水，导致漏斗面积急剧扩大，水位埋深快速下降．水位标高10 m(水位埋深30 m)等水位线封闭面积:2005 年为140． 4 km2、2008 年为185．7 km2、2013 年为221．4 km2．期间，江苏省人民政府批复同意《江苏省地下水超采区划分方案》，规定该区禁采水位埋深为52 m，限采水位埋深为25 m，严格审批地下水开采项目，无疑对该区地下水资源的保护具有重要的意义．

3 漏斗成因分析

地下水位下降漏斗形成原因主要是强采地下水的结果，但是同时也受地表水状况、供水水源结构、工业布局以及区域地质和水文地质条件控制，总结和归纳可以得出其主要影响和控制因素包含以下4个方面．

3．1 附近地表水资源缺乏

该区地表水资源时空分布不均，6—9 月份降水量占全年的70%以上，径流量占全年80%以上，区内河流多为季节性河流．城区附近河流河槽调蓄能力较低，加之城市垃圾和污水处理不当以及农药、化肥的大量使用，水体遭受污染，无法提供合格的可供水源，进一步加剧了城区水资源短缺的矛盾，造成城市居民生活及绝大部分工业用水过度依赖地下水．

3．2 单一的供水水源结构

城区附近无地表供水水源，城市生活及工业用水完全依赖地下水，这种特殊的供水水源结构是导致形成地下水降落漏斗的外因之一．为解决此矛盾，两县政府已经启动地面水厂的建设工作，通过水利工程实行区域调水以缓解深层地下水的开采压力，南水北调东线工程的通水为该方案提供了保障．同时地下水压采方案已通过审批，将逐步封停漏斗区的开采井，使地下水降落漏斗进入恢复涵养期．

3．3 工业布局不合理及城区人口增长过快

一方面，随着工业的快速发展，工业企业数量迅猛增加，在该区经济环境相对落后和地方政府片面追求经济利益双重矛盾的促使下，进驻企业多为高耗能劳动密集型，加之企业为交通便利多选择城区附近，增加了城区的用水需求．另一方面，大量农村人口转移至城区，进一步加剧了城区供水矛盾．两方面原因促使城市生活及工业用水量的急剧增加，这是造成漏斗发展急剧扩张的主要原因．

3．4 特殊的地质及水文地质条件

全区广泛分布5 个含水层组，其中第Ⅲ承压含水层组为主要开采层，其补给源为来自东、东北方向的侧向径流补给．而开采强度较大的沛县城区、龙固镇分别位于丰县县城的东、东北方向，加之位于沛县县城东北方向的大屯矿区的煤矿塌陷对上述含水层组的破坏，由此造成了龙固镇、沛县县城对丰县县城和大屯矿区对沛县县城的侧向补给的截流，使得同层含水层组地下水得不到有效补给，加速了降落漏斗的发展［2］．

4 地下水超采下的环境响应与对策

地下水超采除了形成区域地下水位降落漏斗外，还引发了一系列诸如地面沉降、水质恶化等环境问题．过量抽取地下水，形成水头差，导致含水层顶、底板被不断压密释水，导致含水层骨架变形，除了造成地面沉降外，还有可能由于释出水中的氟碘离子异常引起地下水水质恶化．该区地面沉降发现于20世纪90 年代初期，目前累计沉降量大于200 mm 的区域近200 km2，年沉降量超过10 mm，地面沉降导致城市建筑物损坏、管道变形、水准点破坏、地面积水和排水不畅等，危害巨大．

目前该地区已经推行了一些水资源优化配置的举措，如逐步压采地下水和实施区域调水等措施．在此，给出几条水资源优化配置的建议:督促企业各单位提高水资源利用效率，根据用水水质要求分质取水，尽量降低日用新水量，提高重复利用率;大力推行低耗水量农作物，推行节水农业，提高灌溉利用系数，充分利用雨洪资源;对超采含水层组实施“限采”而非“禁采”，逐步实现地下水的采补平衡，保证地下水循环和更新;尽快制定浅层地下水开发利用规划，使其成为备用水源之一;尽可能调整工业产业结构，使工业布局合理化，防治局部高强度取水［3－7］．