山东省广饶县地下水位多年动态及其地质环境效应分析

刘 帅,刘志涛,段晓飞，冯 颖，蒋书杰，黄 松

(1.山东省地勘局第二水文地质工程地质大队，山东 德州 253072；2.山东省鲁北地质工程勘察院，山东 德州 253072)

0 引言

地下水是地质环境领域中的一项重要研究内容。前人在我国陆区和沿海地区做了大量分析工作，探讨了不同地质环境下地下水变化特征及引起的地质环境效应，为地质环境问题研究提供了基础性资料[1-5]。广饶县是山东省淡水资源较为丰富的地区，浅层地下水和深层地下水是当地工农业生产和生活用水的重要水源[6]。长期大量开采地下水引发了地下水降落漏斗、咸水入侵、地面沉降等环境地质问题[6-8]。为研究地下水动态变化规律，寻求地质环境问题的解决方案，山东省地质矿产勘查开发局在该区进行了地下水多年动态监测工作。本文通过对该区地下水监测资料的整理与分析，研究了地下水水位变化规律，重点分析了地下水开采与地质环境问题的关系，并进一步提出了地下淡水资源开发利用的建议，为该区地下水的合理开采及地质环境问题的防治提供了依据。

1 研究区概况

1.1 水文地质特征

广饶县位于东营市南部，属鲁西北平原松散岩类水文地质区，包括2个水文地质亚区，大致以石村镇—肖家村—稻庄镇一线为界，以南属冲积洪积平原淡水水文地质亚区，以北属海积冲积、冲积海积平原咸水水文地质亚区[9](图1)。该区地下水类型属第四系松散岩类孔隙水，按水力特征又分为浅层孔隙潜水-微承压水(以下简称为浅层地下水)、中深层承压水和深层承压水(图1、表1)。

1.2 地下水监测现状

为研究地下水动态变化特征，寻求地质环境问题的最佳解决方案，自1983年开始，山东省地质矿产勘查开发局等相关单位对该区浅层地下水和深层地下水进行了长期监测，现保留有22个动态监测点(图1、表2)。

图1 广饶县水文地质分区及地下水位监测点分布Fig.1 Hydrogeological subdivision and distribution of groundwater level monitoring points in Guangrao County

表1 研究区水文地质特征Tab.1 Hydrogeological characteristics of the study area

表2 地下水动态监测点情况Tab.2 List of groundwater dynamic monitoring points

2 地下水位多年动态

2.1 浅层地下水

广饶县南部多为井灌区，地下水埋藏一般较深，水位受蒸发作用影响很小，人工开采是地下水的主要排泄途径。地下水主要补给来源是大气降水，其次是比较微弱的径流补给，其动态类型为降水入渗-径流-开采型。由于多年过量开采地下水，各监测点水位呈多年下降趋势(图2)，目前已经形成了地下水降落漏斗(图3)。根据2016年9月监测资料，浅层地下水降落漏斗中心为李鹊镇苏家村和大王镇南陈官村。

(a) 水位动态曲线及开采量

图3 2016年9月广饶县南部浅层地下水降落漏斗Fig.3 Depression funnel of shallow groundwater in Southern Guangrao County in September 2016

地下水多年动态监测资料显示：李鹊镇苏家村监测点在2006年之前，由于地下水开采量较大，降水量相对较小，地下水水位一直呈下降趋势，1986年至2006年地下水位下降了20.20 m，下降速率为1.01 m/a；2006年之后降水量增多，开采量逐步减少，水位有一个缓慢回升的过程，但幅度不是很大。据此推测，在维持现有开采量不变的前提下，考虑降水补给现状，地下水补给和排泄基本能达到平衡，苏家村浅层地下水水位可保持在目前较稳定的状态，不会出现较大变化(图4)。

(a) 水位动态曲线

大王镇南陈官村监测点2014年之前地下水水位一直表现为下降趋势，1997—2014年地下水水位下降了16.85 m，下降速率为0.99 m/a；2014年之后，水位处于平稳状态，并有小幅回升，主要是近年来开采量减少的结果。据此推测，在现有开采量维持不变的前提下，降水补给基本能使地下水补给和排泄达到平衡，南陈官村浅层地下水水位可保持在现有状态，不会出现较大变化(图5)。其他监测点近几年水位也出现平稳现象，说明本区浅层地下水降落漏斗已基本稳定。

(a) 水位动态曲线

2.2 中深层承压水和深层承压水

中深层承压水和深层承压水水位动态与当地的气象、水文等因素关系不大，主要受人工开采因素影响。因每个井开采需求不同，年内水位动态无规律，其水位随开采量的变化而变化，开采量大则水位下降，开采量小则水位缓慢回升。

根据以往资料，1980年本区200～500 m深层地下水具有较高承压水头，原始状态下均能溢出地表自流，自流高度由南向北、由西向东逐渐减小，一般为3～10 m，广饶南部最大，高出地面22.08 m(1972年12月)。监测资料显示，1991年深层地下水水位已有明显下降，均不能出现自流现象。由于不同地区历年开采量不同，深层地下水水位空间分布存在较大差异。广饶县城水位埋深最大，2017年10月统测水位埋深最大为110 m。漏斗外围水位埋深相对较小，但均处于多年下降过程中。大码头乡东燕村附近水位下降年速率为1.71 m/a(图6)。

图6 广饶县大码头乡东燕村深层地下水多年水位动态Fig.6 Multi-year dynamic curve of deep groundwater level in Dongyan Village of Damatou Town in Guangrao County

3 地质环境效应的约束水位

3.1 咸水入侵

3.1.1 发展趋势

区内咸水入侵始于1965年，1986年入侵加剧。根据历年监测资料，广饶县咸水入侵主要表现为由北向南发展，1980—2017年入侵面积约41.58 km2。2017年，咸淡水界线(咸水入侵锋面)大致分布在石村镇—东南村—后燕村—肖家村—小杨家—闫口村北—段一村北一线(图7、表3)。

图7 广饶县咸水入侵示意图Fig.7 Saltwater intrusion in Guangrao County

表3 咸水入侵取样点水质分析结果Tab.3 List of water quality analysis results in saltwater intrusion sampling points

咸水入侵是在天然和人类活动的复合作用下地下咸水和淡水共同运动的流体动力学过程。水文地质条件是形成咸水入侵的物质基础，地下淡水资源的过度开采是引发咸水入侵的主要影响因素。地下水过度开采造成区内浅层地下水降落漏斗的生成，破坏了含水层中咸水和淡水之间的动态平衡，咸水区地下水向漏斗中心流动造成了咸水入侵的发生，继而造成水环境恶化，地下淡水资源量减少，使得本来就紧张的供需矛盾更加紧张[10]。

咸水入侵必然导致地下水矿化度和氯离子浓度的升高，因此地下水矿化度和氯离子浓度可以指示咸水侵入的程度和淡水与咸水的平衡状态。从咸淡水界线附近几个监测点的历年水质分析资料(图8—图10)可以看出，监测点地下水的矿化度和氯离子浓度大致在一个范围内波动，并没有出现持续上升和下降。这说明，目前在咸淡水界线附近，入侵的咸水与地下淡水基本处于平衡状态。

图8 广饶县石村监测点矿化度和氯离子含量变化曲线Fig.8 Variation curve of salinity and chloride ion content in the monitoring points of Shicun Village in Guangrao County

图9 广饶县甄庙村监测点矿化度和氯离子含量变化曲线Fig.9 Variation curve of salinity and chloride ion content in the monitoring points of Zhenmiao Village in Guangrao County

图10 广饶县肖家村监测点矿化度和氯离子含量变化曲线Fig.10 Variation curve of salinity and chloride ion content in the monitoring points of Xiaojia Village in Guangrao County

总之，在保持现有浅层地下水开采量不变的前提下，浅层地下水降落漏斗不会恶化，同时，咸水入侵现象也不会加剧。但是，如果浅层地下水的开采量增加，就会打破浅层地下水的补、排平衡，造成咸水入侵现象加剧。

3.1.2 临界水位

广饶县咸淡水界线附近甄庙村监测点水位监测资料(图11)显示：1997年之前水位一直呈现下降趋势，咸水入侵处于发展状态，当水位出现下降时，咸水入侵监测点的矿化度在次年会有一个增大的过程；1998年之后，水位迅速回升，咸淡水界线没有持续南侵。

图11 广饶县甄庙村多年水位动态曲线Fig.11 Multi-year dynamic curve of the water level in Zhenmiao Village of Guangrao County

由甄庙村监测点地下水水位动态及地下水矿化度变化曲线可知：当水位埋深大于10 m时，石村及肖家监测点矿化度多大于2 g/L；当水位埋深小于10 m时，水质监测点矿化度会有所下降，小于2 g/L。由此推断，石村甄庙附近的咸水入侵临界水位为10 m。

3.2 地面沉降

广饶县地面沉降较为严重，为本区主要环境地质问题之一。沉降中心位于广饶县北部，沉降中心14 a累计沉降量达1.605 m，平均沉降速率为114.6 mm/a。深层地下水大量开采，地下水水位持续下降是本区不均匀沉降发生的主要诱因[11-15]。对广饶县2002年至2016年地面沉降量与地下水水头埋深监测数据分析结果显示，地面沉降量与深层地下水水头高度相关(相关系数为0.98)。两者之间的关系表示为

y=0.213x2-11.772x+296.94。

(1)

式中：y为沉降中心地面累计沉降量，mm；x为沉降中心深层地下水位埋深，m。

分析表明，沉降量随水位埋深的变化而变化，且水位埋深越大，地面沉降量越大。如图12所示，存在一个临界值m，当水位埋深大于m时，地面沉降速率随着水位埋深的增加而急剧增大。根据现有数据分析，m取值应为60～80 m，因此，区内深层地下水开采最大允许水位埋深不应大于80 m。

图12 广饶县地面沉降量与深层地下水位关系Fig.12 The correlation curve between land subsidence and deep groundwater level in Guangrao County

4 结论

本文通过分析广饶县地下水多年动态监测资料及其与地质环境问题的关系，得出以下结论。

(1)由于地下水的过量开采，广饶县已形成了浅层、深层地下水降落漏斗，引发了咸水入侵、地面沉降等地质环境问题，目前浅层地下水降落漏斗已基本稳定，无加重趋势。

(2)根据对咸淡水界线附近测点浅层地下水水位与地下水矿化度和氯离子浓度监测资料的分析推断，在石村甄庙附近发生咸水进一步入侵的地下水临界水位为10 m。

(3)通过深层地下水与地面沉降拟合曲线，推测本区深层地下水开采最大允许埋深不应大于80 m。