黄河下游平原地质环境退化及与地下水开采关系研究

杨丽芝,王雪琼，刘春华

(1.山东省地质调查院,山东 济南 250013;2.山东科技大学,山东 青岛　266510；3.青岛地质工程勘察院,山东 青岛　266071)

黄河下游平原地质环境退化及与地下水开采关系研究

杨丽芝1,王雪琼2,3，刘春华1

(1.山东省地质调查院,山东 济南 250013;2.山东科技大学,山东 青岛266510；3.青岛地质工程勘察院,山东 青岛266071)

自20世纪50年代末以来，黄河下游平原地质环境不断退化，产生了地面沉降、地裂缝、海咸水入侵、咸水界面下移等环境地质问题。这些问题的产生是由近60年来该区地下水过量开采所致。至21世纪，黄河下游平原地下水总开采量由不足20×108m3/a增至近52×108m3/a，超出地下水可利用资源量42×108m3/a。通过大量数据分析,笔者认为黄河下游平原地质环境退化与地下水长期超量开采和不合理的开采布局有关。地下水长期超量开采和不合理的开采布局，使地下水位持续下降，地下水位降落漏斗持续扩展，环境地质问题频发，地质环境不断恶化。有效遏止地质环境的进一步退化，需从合理开发利用地下水入手，修复和涵养平原地区地下水系统。

黄河下游平原；地质环境；退化；地下水开采

黄河下游流经山东省西南部及西北部，于东营市利津县东部入渤海。黄河下游平原包括山东省菏泽市、济宁市、聊城市、德州市、滨州市、东营市全部及济南市、淄博市、泰安市、枣庄市部分地区，面积约67 758km2。黄河下游平原是人类文明发祥地之一，人口密集，人类活动频繁，是山东省主要的粮棉及能源基地。黄河下游平原历史上饱受黄河水患之灾，新中国成立后，黄河水患得到控制，但因地处我国北方半干旱地区，水资源紧缺，地质环境脆弱，人类活动强烈，自20世纪80年代以来，凸显地面沉降、地裂缝、海咸水入侵等地质环境问题。这些问题的产生均与地下水不合理开发相关。地下水不仅仅具有资源功能，同时还具有生态和环境功能(张光辉等，2006)，过去地下水的资源功能过度强化，大量超采引发地下水位持续下降、开采漏斗扩展。地下水资源、生态和环境功能之间是相互制约、相互促进的互动关系,存在固有的内在规律。无论哪一个功能被过度利用，都会引起其他功能的相应变化。

笔者以地质环境问题形成为核心，以地下水合理利用及地质环境保护为目标，结合黄河下游平原地下水开采现状及开采漏斗的形成与扩展，以最新的调查、监测、统计和综合资料为研究基础，分析地质环境退化的特征与动因，为地质环境的保护与恢复提供依据。

1　自然背景

1.1自然地理

黄河下游平原地势平坦开阔，自南西向北东微倾，海拔高程一般小于70m。以黄河冲积平原为主体，西南微山湖周边为冲积-湖积平原，东北部为黄河三角洲和滨海平原，山前地带为冲积-洪积平原。区内最大的河流为过境入海的黄河，现代黄河以北属海河水系，主要河流有马颊河、徒骇河、德惠新河等，现代黄河以东数淮河水系，红卫河、万福河、洙赵新河、汶泗河等；主要湖泊有微山湖、东平湖、白云湖等。气候属于暖温带大陆型季风气候区，多年平均气温11.7～14oC，多年平均降水量557～838mm。

1.2地质环境特征

从大地构造分区来看，黄河以北属华北坳陷区济阳坳陷，黄河以东以南属鲁西隆起区的鲁西潜隆。自中生代末期以来，黄河下游平原接受了巨厚的新近纪—第四纪松散沉积物。新近系明化镇组由一套半固结的河湖相物质组成，第四系平原组由一套松散的河湖相、滨海相及山前冲洪积相物质组成。区内地下水系统主要由新近系上部明化镇组和第四系组成(张宗祜等，2000)，砂层和黏性土层相间展布，构成多层水文地质结构。根据含水层结构、地下水的补径排条件及水化学特征，孔隙地下水可分为3个属性层。浅层地下水赋存深度30～70m，含水层多为黄河冲积的粉细砂层，水位埋深3～20m，是农业及部分农村居民生活的重要水源，浅层地下水不仅具有可利用的资源功能，同时具有较强的生态功能，尤其是黄河三角洲湿地保护区，地下水维系着整个湿地的生态平衡。中层地下水赋存深度70～300m，多为蒸发浓缩或海进时期留下的咸水，矿化度3～20g/L，目前开发利用较少。深层地下水一般赋存于300m以下，水质普遍较好，是城镇居民生活、工业用水的主要开采层。该层地下水补给条件差，循环途径长，更新能力小，不仅具有可利用的资源功能，地下水还是地质结构的一部分，维系着地质环境的稳定，具有较强的地质环境功能。

2　地质环境退化特征及危害

自20世纪80年代以来，黄河下游平原开始出现地面沉降、海咸水入侵、咸水界面下移、地裂缝等环境地质问题，使本来脆弱的地质环境进一步退化。地面沉降、海咸水入侵、地裂缝等环境地质问题的形成，无一例外地都是由于地下水不合理开采引发的。

2.1地面沉降

地面沉降又称为地面下沉或地陷。它是在人类工程经济活动影响下，由于地下松散地层固结压缩，导致地壳表面标高降低的一种局部的下降运动。截至2012年12月，中国有50余个城市出现地面沉降，长三角地区、黄河平原和汾渭盆地已成重灾区(王德潜等，2002)。根据地面沉降发生的原因可分为：①抽汲地下水引起的地面沉降。②采掘固体矿产引起的地面沉降。③开采石油、天然气引起的地面沉降。④抽汲卤水引起的地面沉降。⑤地面下施工如地铁施工引起的地面沉降。黄河下游平原地面沉降主要由于抽汲地下水引起的。地下水含水层被疏干，特别是深层水的疏干，必然导致相关的黏性夹层塑性形变(王秀艳等，2003)，造成地面沉降。

黄河下游平原地面沉降发现于20世纪70年代初，主要发生在深层地下水集中开发利用的德州、菏泽、济宁及黄河三角洲的滨州、东营城市及周边地区(石建省等，2006)。目前。整个黄河下游平原区地面沉降面积超过10 000km2，累计最大沉降量已超过1 000mm，且沉降继续向外围和纵深发展。

德州地面沉降始于20世纪70年代(杨丽芝，2009)，1989～1991年沉降区面积仅为587km2，沉降量7～55mm。至2010年，德州城区累计沉降量发展至500～900mm，大于250mm沉降等值线的面积达3 113km2。地面沉降使本来地处低洼的市区排水产生严重困难，汛期出现严重内涝现象。

济宁地面沉降于1988年发现，-100mm沉降面积88km2，-150mm沉降面积15.5km2，市区最大沉降量已达177mm，沉降中心位于城北的刘堤头，累计沉降量超过300mm。济宁地面沉降已经引发了房屋开裂、城市排水管道错位等灾害现象。

菏泽市地面沉降主要分布于市区的深层地下水强开采地段，总面积217km2。菏泽市地面沉降于1980年已产生，1978～1986年总沉降量为77.40mm，平均降速9.70mm/a；2002～2003年监测沉降速率为13mm/a。

东营市地面沉降发现于1985年。据2002～2008年实测资料，东营市有2个明显的地面沉降区：一个位于东营市东营区胜利油田基地，-150mm沉降区面积15km2，中心累计沉降量155.1mm，平均沉降速率28.2mm/a；一个位于广饶县城北开发区，-150mm沉降区面积523km2，中心累计沉降量356mm，平均沉降速率64.7mm/a。

滨州市有2个明显的地面沉降区。据2005年监测资料，一个位于滨州市滨城区，-100mm沉降面积为234km2，中心累计沉降量为187.7mm；另一个位于黄河以南的博兴县城东，-50mm沉降面积为1 613km2，-150mm沉降面积为38km2，中心累计沉降量为174mm。

2.2地裂缝

地裂缝是地表岩层、土体在自然因素或人为因素作用下，产生开裂，并在地面形成一定长度和宽度的裂缝的一种宏观地表破坏现象。黄河下游平原地裂缝主要由地下水位下降引发，或伴随地面沉降、地面塌陷发生。由于地下水位的大幅度下降，造成包气带的岩土应力条件的改变和包气带的水分缺失，再加上地表土层沉积时代新，固结程度低，失水后干缩压密，在降水的诱发下发生地裂缝。同时，超量开采地下水引发差异性地面沉降，一般产生沉降明显差异的地带易产生地裂缝。目前，黄河下游平原发现的地裂缝有30余条，其规模大小不一，一般单条长20～300m，短者仅十余米。

开采地下水引发的地裂缝主要分布于菏泽、聊城古河道区、济宁市京杭运河及南四湖沿岸。自20世纪90年代初开始，菏泽南部黄河故道带发生多起地裂缝，致使道路破坏，房屋受损。1992年7月10日，单县高韦庄赵集村发生地裂缝，走向以北西方向为主，缝宽5～20cm，单条长10～20m不等，有十几条之多。1993年8月5日，曹县梁堤头石香炉村发生地裂缝，呈北西和北东2个走向，单长20多米，宽10cm，深4～5m，见地裂缝4条，其中一条切房基而过，造成房屋墙体开裂。2001年5月，山东临清市松林镇西尚官村发生2条长120m、宽10cm的地裂缝，35户村民受到安全威胁，严重影响农田的耕作(图1)。

上述地裂缝发生于黄河故道带上，地表岩性以粉细砂或粉土为主。灾情多发生于雨季，由地质、气象及地下水水位大幅升降等原因共同作用引起。地裂缝对环境影响大，破坏力强。

1.深层地下水降落漏斗；2.浅层地下水降落漏斗；3.漏斗中心及水位；4.地面沉降；5.海水入侵；6.地裂缝图1　黄河下游平原水位降落漏斗及地质环境问题分布图Fig.1　The distributing of groundwater depression cone and entironmen accidents

2.3海水入侵

黄河下游平原海水入侵主要发生在莱州湾南岸地区。1976年寿光、寒亭、莱州等地的地下水动态长期监测井中首先发现水质变咸、CL-浓度增高等海水入侵现象(吴吉春等，1996)，当时仅为几处孤立的点状入侵，整个20世纪70年代末80年代初发展比较缓慢，入侵面积小，为发生阶段。

2.4咸水界面下移

黄河下游平原地区在浅层淡水和深层淡水之间存在一层咸水。在自然状态下，深层地下淡水与中层地下咸水保持稳定的压力平衡。近30年以来深层淡水顶界面下移和中层咸水界面南侵，表明地下水系统发生着不利于地下水淡水储存和可持续利用的问题，原因与不合理超采地下水密切相关(沈照理等，1995)。

据2001年在山东济阳王圈乡—宁津柴胡店的电测深资料研究，相对1978年的资料，南部济阳、商河一带的淡水底界面已经下移8～20m。北部的宁津一带，咸水界面上移(图2)。据1978年与2001年电测深资料对比，区内深层淡水顶界面基本呈下移趋势，下移幅度20～60m。通过滨州的博兴—高青一带的200余眼深层井资料分析发现，与20世纪70年代施工井的资料比较，2000年以后施工的机井中淡咸水界面下移10～50m，成井深度增大50～100m。近30年以来，咸水底界面平均下侵淡水体20～30m。20世纪90年代之前，中层咸水边界位于桓台县北部的起凤镇—博兴县的寨郝镇—广饶县北部的小清河南岸一线。目前，咸水边界已经南移至桓台县南部的侯庄镇—博兴县的兴福镇—广饶县城一带。20年间咸水界线向南侵约20km。

图2　1978～2001年黄河下游平原咸淡水界面埋深变化图Fig.2　The depth variation of fresh groundwater and salt groundwater interface in the Yellow river plain

3　地质环境退化动因分析

3.1地下水开采量持续增加

1949年，新中国成立后，工业、农业生产开始迅猛发展，水资源需求量日渐增加。然而，大规模开采地下水，还是在20世纪60～70年代，黄河下游平原遭受连年干旱，在人们对含水层储存能力认识的提高和打井技术的成熟带动下，区内掀起了大打机井的热潮。地下水开发利用由初期供水水源井点状开采，发展至形成供水水源井集中的供水水源地、工业生活自备井和面状分布的农业井、深浅层地下水的大范围、高强度立体开采的格局。而地质环境问题的大量涌现，恰恰出现在这个时期，这说明地下水大量的开采是地质环境退化的诱因。

黄河下游平原20世纪70年代平均地下水开采量为20.10×108m3/a，开采强度为2.97×104m3/km2·a。90年代增至37.32×108m3/a，开采强度为5.51×104m3/ km2·a。2000年以后增长势头依然不减，目前，开采量保持在51.71×108m3/a，开采强度为7.63×104m3/ km2·a(表1)。

3.2持续下降地下水位导致降落漏斗形成

自20世纪60年代以来，在黄河下游平原开始大规模开发利用地下水，历过50多年的开采，地下水水位不断下降。1959年以来，全区浅层地下水水位平均下降6.19m，漏斗中心水位最大下降42.5m。地下水位下降的同时，形成一系列水位降落漏斗。浅层地下水位下降漏斗主要有冠县-莘县漏斗、单县漏斗、桓台-广饶-寿光-昌邑漏斗等。

每个班级都有学优生和学困生，而教学往往是面对大多数的中等生，这样势必会造成学优生吃不饱，学困生听不懂。如果在课后把上课的知识点的微课上传到平台，学困生可以通过反复观看不明白的地方，最终能弄明白课堂中的教学内容，从而做到补差。对于学优生，我们可以收集一些拓展内容的讲解视频放在平台上，通过自主学习，从而达到培优的效果。所以说网络教学平台以后会是数学课堂分层教学，因材施教的一项重要法宝。

聊城市冠县漏斗1982年漏斗中心平均水位为32.47m，2010年为11.09m，28年下降了21.38m，平均下降速率0.76m/a(图3)。菏泽的单县漏斗形成于20世纪80年代末，1988年漏斗中心平均水位为3.68m，2010年为18.81m，22年下降了15.13m，平均下降速率0.68m/a。

表1　黄河下游平原地下水开采量状况统计表

图3　冠县漏斗中心浅层地下水位历时曲线图Fig.3　The dynamic state diagram of the shallow groundwater in Guanxian Dongjie

桓台-广饶-寿光-昌邑漏斗为区域性大漏斗，形成于1984年，漏斗中心位埋深23.00m，水位标高-14.80m，漏斗不断发展，目前，总面积超过3 000km2,漏斗中心水位下降速率0.67m/a。莱州湾南岸海水入侵的发生和发展，与该区地下水位持续下降，水位漏斗形成相关(孙晓明等，2006)(图4)。

深层地下水下降幅度更大，全区深层地下水平均水位下降24.51m，产生了德州漏斗、滨州漏斗、济宁城区漏斗、菏泽漏斗等深层漏斗。其中规模最大的漏斗当属德州漏斗。德州漏斗中心水位在20世纪60～70年代尚且自流，2012年中心水位埋深达到139.37m，水位标高降为-117.11m，降深大于137m。地下水水位持续下降导致开采深度不断增加，取水越来越困难，如德州深层开采井，过去开采深度300～500m，目前开采深度一般在600～700m，局部超过1 000m。地下水水位持续下降导致不可逆转的地面沉降产生，据资料分析(杨丽芝等，2010)，德州漏斗区地面沉降与深层地下水位降深具有较好的相关性。德州地面沉降范围与深层地下水降落漏斗范围一致，地面沉降中心和降落漏斗中心重合(图5)，这充分说明，地下水位持续下降，降落漏斗的形成是地面沉降形成的根本原因。

图4　莱州湾海水入侵与地下水位关系图Fig.4　Relationship between groundwater lever and seawater intrusion in bay of Laizhou

3.3地质环境保护措施

地面沉降、海咸水入侵、地裂缝等环境地质问题使黄河下游平原地质环境退化，而上述环境地质问题的形成，均与地下水不合理开发利用相关(张茂省等，2011)。因此，保护黄河下游平原地质环境，必须从解决其水资源短缺，合理开发利用地下水入手。

工业及生活用水过于集中，使得地下水开采，尤其是深层地下水开采过于集中，地下水位持续下降，超过允许的最大降深值，开采漏斗持续扩展。因此，调整工业开采强度和布局，逐步关闭或兼并部分效益差、耗水多、污染重的企业，可有效缓解深层地下水超采引发的地面沉降和咸水入侵等地质环境问题。

客水资源是缓解黄河下游平原本地水资源不足的有效途径之一。引黄和南水北调等工程使得黄河和长江客水资源有效地缓解黄河下游平原水资源矛盾。南水北调东线工程已实现正式通水，每年将向山东地区供给长江水14.67×108m3。在客水源能基本解决用水增长需求的前提下，有计划的停采部分地下水，蓄养地下水资源，补给亏空水量，达到修复和保护地质环境的目的。

重视地表水与地下水联合调蓄(张光辉等，2004)的优势和功效，可同时解决地下水调蓄水源、地表水调蓄空间问题，可以降低因蒸发产生的无效耗水，还有利于地下水位漏斗区地质环境和地下水可持续利用能力的修复。平原地区由于大量开采地下水，地下水位逐年加大，腾出了可观的地下调蓄库容，特别是山前冲洪积扇和古河道带分布较厚砂层的地区，更具有较高的调蓄能力。据计算，黄河下游平原可调蓄区面积为3 500km2，地下水可调蓄量为29.3×108m3。

图5　德州漏斗水位与地面沉降剖面图Fig.5　Section of water table and land subsidence in Dezhou depression cone

4　结论

黄河下游平原地质环境退化主要表现在地面沉降、地裂缝、海咸水入侵、咸水界面下移等环境地质问题日夜严重。地下水不合理开采，地下水水位持续下降，地下水位降落漏斗持续扩展，导致地下水资源功能衰退的同时，致使地质环境质量不断下降。地质环境退化给工农业生产和人类生活带来安全隐患。地质环境退化主要由于地下水长期过量开采和不合理的开采布局引起，其修复和保护最根本的措施是修复和涵养地下水系统。具体包括调整地下水的开采强度和布局、合理引用客水资源，地表水与地下水联合调蓄等综合举措。

张光辉，申建梅，聂振龙，等.区域地下水功能及可持续利用性评价理论与方法[J]. 水文地质工程地质，2006(4):62-71.

ZHANG Guanghui, SHEN Jianmai,NIE Zhenlong, et al .Theory and methodology of regional groundwater function and sustainable utilization assessment in China[J].hydrogeology & Engineering Geology, 2006，(4):62-71.

张宗祜，沈照理，薛禹群.华北平原地下水环境演化[M].北京:地质出版社,2000.

ZHANG Zonghu,SHEN Zhaoli,XUE Yuqun.Groundwater environment Evolution in the North China Plain[M] . Beijing: Geological Publishing House,2000.

王德潜,刘祖植.西北地区水资源若干问题探讨[J].西北地质,2002,35(3):1-6.

WANG Deqian,LIU Zuzhi.Discussion of several problems of water resources in the northwest China[J]. Northwestern Geology, 2002,35(3):1-6.

王秀艳，刘长礼.深层黏性土渗透释水规律的探讨[J].岩土工程学报, 2003,25(3):308-312.

WANG Xiuyan ,LIU Changli.Discus sion on permeability of deep clayey soil[J]. Chinese Journal of Geotechnical Engineering,2003, 25(3):308-312.

石建省，郭娇，孙彦敏，等.京津冀德深层地下水开采与地面沉降关系空间分析[J].地质论评,2006,(6):804-809.

SHI Jiansheng , GUO Jiao , SUN Yanmin , et al .Spatial Analys is of the Relation between Deep Groundwater Exploitation and Land Subsidence in Beijing-Tianjin-Hebei-DezhouPla in Area [J].Geological Review, 2006,(6):804-809.

杨丽芝.德州深层地下水位降落漏斗演变机制与可调控性研究[D].北京：中国地质科学院,2009.

YANG Lizhi.Form Princple and Controlling-adjusting Research about Deep Groundwater Depression Cone in Dezhou[D].Beijing: Chinese Academy of Geological Sciences,2009.

吴吉春，薛禹群，谢春红，等.海水入侵过程中水岩间的阳离子交换[J]. 水文地质工程地质，1996,(3):18-19.

WU Jichun,XUE Yuchun,XIE Chunhong, et al.The Cations Exchange betweent Water and Soil in the Process of Sea Water Invasion[J]. Hydrogeology & Engineering Geology, 1996,(3):18-19.

沈照理，钟佐燊，郭永海.河北平原咸水下移及其与浅层咸水淡化的关系[J].水文地质工程地质，1995,(2):8-12.

HEN Zhaoli, ZHONG Zhuoxing,GUO Yonghai , et al. The ralations of Saline water downgoing and shallow saline water desalination in Hebei plain[J].Hydrogeology & Engineering Geology, 1995,(2):8-12.

孙晓明，徐建国，杨齐青，等.环渤海地区海(咸)水入侵特征与防治对策[J].地质调查与研究,2006,29(3):203-211.SUN Xiaoming , XU Jianguo , YANG Qiqing,et al.Character and Prevention Strategies of Sea ( Saline) Water Invasion in Circum-Bohai-Sea Region[J]. Geological Surver and Research,2006,29(3):203-211.

杨丽芝，张光辉，刘中业，等.开采条件下德州深层水开采资源组成及其与地面沉降关系探讨[J]. 地质通报,2010,29(4):589-597.

YANG Lizhi , ZHANG Guanghui ,LIU Zhongye , et al. Discussion about deep groundwater resources composition correspongding with land subsidence under the conditions of exploitation in Dezhou city[J]. Geological Bulletin of China,2010,29(4):589-597.

张茂省,黎志恒,王根龙,等.白龙江流域地质灾害特征及勘查思路[J].西北地质,2011,44(3):1-9.

ZHANG Maosheng,LI Zhiheng,WANG Genlong, et al. The Geological Hazard Characteristics and Exploration Ideas of the Bailong River Basin[J]. Northwestern Geology, 2011,44(3):1-9.

张光辉,费宇红,邢开,等.太行山前平原动水条件地下地下调蓄功能实验研究[J].干旱区资源与环境,2004,8(1):42-48.

ZHANG Guanghui, FEI Yuhong,XING Kai, et al .A Study on artificial underground reserve function in the aquifer with river channels inTaihang piedmont plain of China[J].Journal of Arid Land Resource and Environment, 2004,8(1):42-48.

Researchon the Causality between Geological Environment Degenerating and Groundwater Sustainable Exploitation in the Yellow River Downriver Plain

YANG Lizhi1, WANG Xueqiong2,3, LIU Chunhua1

(1.Shandong Institute of Geological Survey, Jinan 250013,Shandong,China;2.Shandong University of Science and Technology, Qingdao 266510,Shandong,China;3.Qingdao Geo-engineering Exploration Institute, Qingdao 266071,Shandong,China)

Since the end of 1950s, the geological environment is degenerating continuously, caused a series of geological environment problems, such as land subsidence, ground fissure, seawater or salty-water encroachment, and downward movement of saline-fresh water interface. All these problems were caused by the exceeded exploitation of groundwater during lately 60 years.At the 21 century, the quantity of groundwater exploitation is fleetly increased from 20×108m3/a to 52×108m3/a, which exceeds the available amount of groundwater 42×108m3/a in the Yellow River Downriver Plain. Because of long time extra-exploitation and irrational exploiting distribution, the groundwater table kept descending, the cone of groundwater depression kept spread. Thus, theenvironment accidents are frequent appeared, the quality of geological environment is deteriorating. In order to preventthe further deteriorating of geological environment, the groundwater must be reasonably developed in the present condition, and the groundwater system in plain area must be rehabilitated and conserved.

Yellow river downriver plain; geological environment; degenerate; groundwater exploitation

2015-01-12；

2015-03-03

国家“973”计划重点课题“海河流域水循环演变机理与水资源高效利用”(2006CB403401)及中国地质调查局大调查项目“山东地下水污染调查评价“(1212010634603)

杨丽芝(1966-),女,湖南沅江人,博士,研究员，主要从事地下水循环演化研究工作。E-mail：ylz200456@163.com

P66

A

1009-6248(2015)04-0226-08