河北省平原区地下水水位年内动态类型特征

2020-08-08王玉清

水科学与工程技术 2020年3期

曹颐，王玉清，张艳

（1.河北省地质环境监测院，石家庄050031；2. 河北省地质资源环境监测与保护重点实验室，石家庄050031；3. 河北地质大学水资源与环境学院，石家庄050031）

地下水是河北平原的主要供水源，20世纪60年代，河北平原主要开采浅层地下水。20世纪70年代地下水开发规模加大，逐渐开采深层地下水，至1979年深层地下水年开采量达15亿～17亿m3，1995年深层地下水年开采量达24亿～28亿m3［1］。2010年河北平原浅层地下水开采约97.6亿m3，深层地下水开采约32.4亿m3［2］。河北平原地下水水位不断下降，由此产生了一系列的生态环境问题，如区域地下水水位下降、地面沉降、地裂缝、海水入侵、咸水下移、土壤次生盐渍化等［3－7］。这些地质环境问题的发生，制约了社会经济的可持续发展。

近年来，一些学者在该地区开展了地下水位动态变化分析的研究，张永强等［8］以栾城区为例，分析了华北平原地下水位动态变化；许月卿等［9］利用GIS技术，分析了1975～2000 年河北平原（北京、天津以南）浅层、深层地下水位波动状况；刘志国等［10］运用地球统计学方法研究了1986～2000年河北平原地下水位时空变化规律；王仕琴等［11］分析华北平原39 处浅层地下水监测结果，将地下水动态分为六大类型。

本文对河北省冀东平原区和京津以南平原区地下水动态类型特征及其影响因素进行总结，便于地下水资源合理开发利用和生态环境保护。

1 研究区概况

河北平原主要有海河、滦河和马颊河等三大水系冲积而成，地势低平，海拔由100m左右降低到渤海沿岸的3m左右。属暖温带季风气候，多年平均降水量550mm。研究区范围如图1。

图1 河北平原区范围

河北平原是新生代以来的构造沉降带。由纬向和新华夏系深大断裂与山地分割开，按形态成因可分三个亚区：山前冲洪积倾斜平原亚区，位于燕山南麓和太行山东麓，地形微向南和东倾斜，由山前诸河流冲洪积扇和扇裙组成，地面标高50～100m；中部冲湖积平原亚区，地势平坦，海拔标高一般不超过50m，常见有沙丘垄岗、湖泊、洼淀等；滨海冲积湖积平原亚区，分布在冀东沿海和津浦铁路以东，渤海湾西岸一带，海拔标高低于5m，地势低洼，有沼泽湿地、盐碱地分布。

2 地质及水文地质条件

2.1 地层

新近纪主要是一套棕红、紫、灰绿、棕黄等颜色的泥岩与砂岩互层的湖相沉积。第四系地层在此之上连续沉积，岩性为砾石、砂、黏土等互层，岩相、沉积厚度等变化大。河北平原东部滨海的南堡凹陷地区第四系地层厚度最大［12-17］。

2.2 水文地质条件

河北平原是大型的第四系沉积盆地，从山前到东部平原区，含水层的岩性成分具有以粗颗粒为主变为以细颗粒为主的区域性变化规律。第四系含水介质自上而下可分为四个含水层组，基本对应于第四系全新统Q4、上更新统Q3、中更新统Q2和下更新统Q1。第Ⅰ含水层组底界埋深20～50m，第Ⅱ含水层组底界埋深120～170m，第Ⅲ含水层组底界埋深250～350m，第Ⅳ含水层组底界埋深350～550m。

第Ⅰ、 Ⅱ含水层组主要接受大气降水和地表水补给，水循环条件较好，以大量开采和蒸发为主，地下水为无压或具微承压性，一般称为浅层地下水；第Ⅲ、 Ⅳ含水层组主要接受上部含水层越流补给和侧向径流补给，以侧向径流、垂向越流及大量开采为排泄途径，地下水具承压性，水循环条件较差，一般称为深层地下水。第四系地下水的径流条件，主要受含水层顶底板分布标高的控制，区域上一般是由西向东和由北、北西向南和南东方向流动。由于多年采大于补，在平原区的Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ含水组形成众多降落漏斗，故现在地下水流向，已改变天然流向，多以漏斗为中心区，由周边向漏斗中心区汇流。

3 河北平原区地下水动态类型

河北省广大的平原区域，水文地质条件复杂，城镇建设发展迅速，水源地等地下水开发利用工程、人类其他的工程活动影响复杂，地下水动态类型较多。

3.1 浅层地下水动态类型及特征

（1）降水入渗―蒸发型。有咸水分布区的浅层水多属该动态类型。该区浅层淡水匮乏，咸水较发育，开采量较小，地下水埋深很浅，补给来源以降水为主，地表水次之，在微咸水渠灌区地下水还接受灌溉入渗回归补给，主要消耗于蒸发。年初在蒸发作用影响下，水位缓慢下降，汛期来临前，水位达到最低值，到7、8月份雨季，降水入渗引起水位升高到最高值。入渗停止后，在蒸发影响下水位开始下降至年末。该类型地下水水位动态变化与降水量关系曲线如图2。

图2 海21孔2018年地下水位与降水量关系

（2）降水入渗―开采型。全淡水区水位埋深大于4m的浅层水地区地下水多属该类型。本类型地下水受大气降水垂直渗漏补给和开采消耗影响明显，水力交替作用强烈，水位升降幅度较大。在平原广大地区地下水以农业季节性开采为主，市区地下水以工业及城市生活长期开采为主。水位年内动态变化规律一般为：3月份春灌开始后，地下水水位由上升变为下降，4～6月份随着对地下水开采量的增加，地下水水位下降速度加快，在雨季到来之前的6月末降至年内最低水位。进入雨季后，由于降雨入渗补给量增加、农业开采量减小，地下水水位开始逐渐回升，冬灌季节水位短期下降，尔后由于停采，水位缓慢上升至年末。该类型地下水水位动态变化与降水量关系曲线如图3。

图3 饶112孔2017年地下水位与降水量关系

（3）河渠水渗漏―径流型。该类型主要分布在渠灌区及河流两侧地带。地下水位变化过程主要受河、渠水控制，常年流水河、渠两侧地下水位变化平缓，变幅小；季节性河、渠地下水由于受季节性输水影响，地下水位变幅较大，并且受河流流量影响，河、渠水的渗漏对地下水位动态影响是主要的，而降水、农业开采是次要的。典型监测点的年内水位动态变化曲线如图4。

图4 石家庄吴家营副孔2017年地下水位与降水量关系

（4）降水入渗―开采越流型。该类型主要位于中部平原有咸水区，水位变化主要受降雨入渗、灌溉回渗、人工开采、向深层越流排泄及蒸发作用（水位埋深较浅区域）等综合因素影响。地下水主要为工、农业开采，水位年内动态变化规律一般为：年初地下水水位变化幅度不大，春灌开始后水位呈下降状态，6月底水位达最低值，在枯水年份水位一直下降到10月份；汛期降雨入渗补给量增加，水位开始回升，其后保持相对稳定状态直到年末或翌年1月份。典型监测点的年内水位动态变化曲线如图5。

图5 市供54孔2018年地下水位与降水量关系

3.2 深层地下水动态类型及特征

深层地下水为承压淡水，以越流补给和侧向径流补给为主，漏斗中心以周边径流补给为主，地下水开采是主要排泄途径，平原区深层地下水动态类型为径流—开采型、越流—开采型。

（1）径流―开采型。该类型主要位于平原区山前地带。水位变化受降水影响较小，动态曲线主要受开采影响，无明显峰值出现，低水位之后，水位回升相当缓慢，年水位动态变化呈下降趋势。如图6年内水位动态变化与降水量关系曲线，该区为全淡水区，深浅层地下水无分层开采，深浅水水力联系较密切，水位相差不大，浅层地下水水位略高于深层地下水。

图6 定州支白土村2018年地下水位与降水量关系

（2）越流—开采型。该地下水动态类型主要分布于平原中东部。其补给来源主要以上覆含水层的越流补给及下伏含水层的顶托越流补给为主，侧向径流补给次之。大部分地区深层淡水发育，开采强度较大，开采层位主要集中在Ⅲ含水组，水位变化主要随开采量变化而变化，近几年农业开采是其主要排泄方式。每年4～5月份农田灌溉开采使水位急速下降，开采停止，在越流入渗补给下水位开始缓慢回升，年末前后水位可回升至本次回升周期的最高水位。深层水水位动态开采阶段下降急速，回升缓慢，变幅较大，其水位动态变化与降水量关系曲线如图7。