介休市城区-宋古漏斗区演变及成因分析

翟小艳

(大同市水文水资源勘测站，山西 大同 037043)

由于山西省地表水资源匮乏、保证率低，地下水成为人民生活的主要供水水源。近年来，由于不合理地开发利用地下水资源，地下水位不断下降，不仅对全省的国民经济建设和人民生活造成了严重的影响，也引发了地面沉降、地裂缝和地面塌陷等环境地质灾害，已形成以城市和集中开采区为中心的地下水超采区[1]。目前，山西省晋中市榆次源涡、榆次城区、介休城区-宋古等8处水源地已被划分为地下水漏斗区[2]。

国内外学者对地下水位及漏斗区的研究，主要集中在发展历史、形成原因、恢复措施等方面。Glass et al.[3]利用MODFLOW-NWT建立了越南河内地下水瞬态数值流动模型，并对模型进行了校正，为水资源可持续管理提供解决方案；Yi-Xuan et al.[4]在满足社会经济用水需求的同时，提出了一种新的水库运行模型，为湿地和降落漏斗提供了水源；陈立[5]对哈密盆地水位实测资料进行分析，运用surfer软件绘制地下水开采降落漏斗图，并计算疏干量，对漏斗形成的原因进行分析、预测，提出治理方案；陆海玉等[6-7]通过建立地下水数值模型，提出了其研究区漏斗修复方案；白细民等[8]采用R/S分析法对南昌市地下水位和降落漏斗的发展趋势进行预测分析，为地源热泵系统推广应用和地下水资源开发利用提供参考；赖乔枫等[9]采用ArcGIS空间分析和主成分分析法对大安市地下水动态变化规律进行分析，运用BP神经网络对地下水位进行预测，提出了适合该研究区的农灌方式，为合理开发地下水资源、严格控制地下水超采提供可靠依据；邵景林等[10]通过对廊坊市漏斗区发展动态的分析，采用相关分析法对研究区开采量与漏斗面积进行预测，得出其发展趋势；袁野等[11]通过研究呼和浩特市平原区内降水量、开采量、地下水位动态变化过程及特征，运用相关分析和回归分析方法，分析影响区域地下水水位动态变化的影响要素，进而揭示三者之间的互馈效应。还有一些学者在分析地下水降落漏斗形成的基础上，提出相关治理保护措施，为各研究区合理开发利用地下水资源、恢复区域水生态平衡提供参考和建议[12-17]。

长期以来，介休市各行业供水以地下水为主，随着经济社会用水的增加和大气降水的减少，介休市水资源开发利用中水资源供需矛盾尖锐、遭到人为破坏严重、有效利用率低以及水质污染严重等问题日益突出[18]。尤其在介休市城关、宋古一带，地下水位大幅度下降，已形成以宋古为中心的115.00km2的地下水位降落漏斗，同时还产生了洪山泉断流、水环境恶化等问题，这些已成为制约介休市经济社会可持续发展的主要瓶颈。介休市城区的宋古漏斗区是介休市最重要的城镇供水水源地之一，对该漏斗区的演变及成因进行分析，可为介休市水资源、水环境和水生态保护提供重要依据，对于推动介休市经济社会发展与水资源、水环境承载能力相协调，支撑介休市经济社会的可持续发展具有重要的现实意义。

1 研究区概况

介休市城区-宋古漏斗区是介休市城区水源地，位于山西省介休市西北部，龙凤河、兴地河洪积扇上，属大陆性气候，四季分明，冷热、干湿对比明显。受龙凤河冲积、堆积、沉积影响和边山、丘陵前沿断裂切割作用，赋存有极丰富的地下水，具有比较完整的地下水补给、径流和排泄条件。在20世纪60年代中期，宋古井灌区建立，70年代后，一些耗水量大的企业供水井相继建成投产，地下水开采量相继增加，由于缺乏合理规划，致使水位逐年下降，形成包括城关、宋古两乡全部以及三佳、义安、绵山、义棠等乡镇部分地区，并扩展到孝义市境内的区域水位降落漏斗[19]。2016年，该漏斗区面积115.00km2，占全市总面积743.7km2的15.5%，其中严重超采区面积45.00km2，漏斗区大体分布于介休市城区周围，北起洪相孟王堡、南至东内封、西以汾河为界、东至连福镇龙头，呈东北—南西向椭圆状分布，主要包括介休城区、宋古、三佳、义安等。现状地下水开采深度在150～300m之间，有深井300余眼，水位埋深40～120m，单井出水量30～80m3/h。区内由于工农业集中强度开采，地下水位大幅持续下降。地下水位动态监测网由20个观测孔组成，其中有1个专门观测孔，其余为生产井。

2 漏斗区发展阶段划分与演变分析

2.1 发展阶段划分

1979年，城区-宋古地下水位最低点为726.42m，位于城关乡罗王庄一带，漏斗初步形成于20世纪80年代初。查阅《介休市水资源规划报告》等相关资料，1985—2016年介休市城区-宋古地下水漏斗区水位埋深变化见图1。根据水位变化特征将地下水漏斗发展分为4个阶段，分别为直线发展阶段(1985—1990年)、急剧扩张阶段(1990—2000年)、稳定发展阶段(2000—2010年)和逐渐恢复阶段(2010—2016年)[20-21]。

图1 介休市城区-宋古漏斗区水位埋深变化

2.1.1 直线发展阶段(1985—1990年)

20世纪50年代，介休市城周有几十处大小泉眼，泉水长流不断。在介休市东北洪积扇中下部埋藏着丰富的承压水，有自流井近百眼，水头高出地面数米至数十米。洪积扇边沿地带，地下水溢出地表，形成大片盐碱下湿地。

60年代中期，随着农业与水利事业的发展，相继建成了宋古、湛泉、城关井灌区，灌溉面积达到几万亩；随着工业的发展，介休造纸厂、介休纺织厂、山西印染厂、汾西洗煤厂等用水大户相继建成投产。由于缺乏地下水开采的合理规划与管理，加之当时错误地认为地下水是取之不尽、用之不竭的，因此处于盲目的、无节制的、掠夺性的开采状况，使地下水开采量直线上升。

1985年，介休市境内漏斗区面积发展到91.15km2(按720m水位线考虑，下同)，并已跨过汾河进入孝义县境内，总面积约100km2，漏斗区中心位于绵山镇东内封村，水位708.20m，水位埋深50.00m。进入80年代后期，降水量减少，河川径流衰减，致使地下水补给量减小，造成地下水位急剧下降，地下水资源遭到严重破坏。开始是小泉断流，继而是自流井报废，再者是较大泉水扁担泉、葫芦泉、城南泉干涸，逐步形成了城区-宋古地下水降落漏斗区。

2.1.2 急剧扩张阶段(1990—2000年)

1990年，介休市境内的地下水漏斗面积发展到108.06km2，总面积已发展到130.00km2，漏斗区中心东内封长观井地下水位697.18m，水位埋深61.02m。1985—1990年，介休市境内漏斗面积增加16.91km2，平均每年外扩3.38km2，扩展方向主要是向北、向西；中心水位下降11.02m，下降速率2.20m/a。

2.1.3 稳定发展阶段(2000—2010年)

2000年，介休市境内地下水漏斗区面积发展到129.77km2，总面积达到180.00km2左右，漏斗中心移至宋古村，水位为677.30m，水位埋深87.64m。1990—2000年，介休市境内漏斗区面积外扩21.71km2，平均每年外扩2.17km2，扩展方向主要是向北；中心水位下降19.88m，下降速率1.99m/a。

2.1.4 逐渐恢复阶段(2010—2016年)

2010年介休市境内漏斗区面积发展到142.17km2，总面积达到200.00km2左右，漏斗中心宋古水位为651.54m，水位埋深92.81m。2000—2010年，漏斗区面积外扩12.40km2，平均每年外扩1.24km2，扩展方向主要是向北；中心水位下降25.76m，下降速率2.58m/a。

近年来，介休市人民政府采取了一系列超采区治理措施，基本实现了超采区地下水位的止降回升。2016年底城区-宋古漏斗区总面积130.00km2，其中介休市境内面积为115.00km2，漏斗中心位于宋古一带，中心水位为656.22m，埋深86.97m。2010—2016年漏斗区面积有所减少，中心水位止降回升，但速度缓慢。

2.2 演变分析

2.2.1 水平演变分析

多年来区域地下水一直处于超采状况，水位严重下降。基于介休市城区-宋古漏斗区1985年、2010年和2016年的地下水水位等值线图(见图2～图4)，对漏斗区进行水平演变分析。1985年，漏斗面积91.00km2，漏斗中心位于东内封，水位为708.20m。到2010年，漏斗面积120.00km2，年均扩大1.16km2，形成以宋古、张家庄、三道河为中心的椭圆形漏斗区，其中宋古为主要漏斗中心，水位651.54m，与1985年相比，下降56.66m，下降速率2.27m/a。到2016年，漏斗面积恢复到115.00km2，年均缩小0.83km2，漏斗中心向北、向西演变，形成以张家庄、东湛泉、宋古、韩屯为中心的椭圆形漏斗区，主要漏斗中心依然为宋古，与2010年相比，水位有明显回升的态势，上升4.68m，年均回升0.78m。

图2 介休市城区-宋古漏斗区1985年地下水水位等值线图

图3 介休市城区-宋古漏斗区2010年地下水水位等值线图

图4 介休市城区-宋古漏斗区2016年地下水水位等值线图

2.2.2 垂直演变分析

1985—2016年东西、南北地下水位变化剖面见图5、图6。东西向主要包括东大期、义安、西湛泉、南张家庄、宋古、东内封和义棠7个村庄，南北向主要包括张家庄、南桥头、下站、韩屯、东内封和西靳屯6个村庄。从图5可以看出，1985—2010年，地下水位逐年下降，平均降幅为1.09%，接近漏斗中心变幅明显。2016年西湛泉、宋古和义棠地下水位略有下降，其余均回升，平均回升幅度为1.10%。

图5 介休市城区-宋古地下水降落漏斗区地下水位东西剖面图

图6 介休市城区-宋古地下水降落漏斗区地下水位南北剖面图

从南北剖面图可以看出，1985—2010年，漏斗区地下水位平均降幅为0.91%；2016年，下站、韩屯地下水位略有下降，其余4处地下水位均呈回升态势，张家庄、南桥头和东内封回升明显，平均回升幅度为2.17%，表明在此阶段该水源地管理部门对漏斗区进行了严格的管理和保护。

3 漏斗区成因分析

漏斗区地下水位下降的成因归结为自然因素和人为因素，自然因素主要是降水量的影响，人为因素主要是开采量的影响。

3.1 降水量与地下水位关系

根据介休市气象局宋古雨量站1985—2016年降水量资料可知，多年平均降水量为443.00mm，最大年降水量为661.20mm(1988年)，最小年降水量为260.90mm(1997年)，极值比为2.53，该漏斗区降水量与地下水水位变化见图7。由图7可知，该漏斗区仅1985年、1988年、2003年、2013年降水超过600.00mm，其余年份均都低于600mm。1991年之前降水量虽然较大，但漏斗中心地下水位降速也大，主要是由于人为无节制地肆意开采地下水所导致的。1995—2005年降水量偏小，漏斗中心地下水位降速较大，漏斗区持续扩展。2005年之后降水量偏大，水位逐渐回升。

图7 1985—2016年介休市城区-宋古漏斗区降水量与水位变化

3.2 开采量与地下水位关系

基于介休市城区-宋古超采区1985—2016年开采量数据资料，典型年开采量与开采系数见表1。漏斗区多年平均开采量为3534.6万m3，开采量与地下水位关系见图8。1985—1990年，开采量逐年增加，1990年，开采量甚至达到4253.0万m3，超采1293.0万m3，开采系数为1.44。1990—2000年，开采量持续稳定在4000.0万m3左右，水位大幅下降，之后，开采量处于递减趋势，水位降速减缓。直到2010年，介休市城区-宋古相关管理部门对漏斗区实施限采，漏斗区地下水位逐渐回升。

表1 1986—2016年介休市城区-宋古漏斗区开采量与开采系数

图8 1985—2016年介休市城区-宋古漏斗区开采量与水位变化

3.3 灰色关联度分析

通过以上分析可知，介休市城区-宋古超采区主要形成原因为降水量和人为开采，运用灰色关联度分析法计算两个因素与水位间的关联程度，确定其对地下水超采区影响的程度。

灰色系统理论克服了回归分析等传统数理统计分析方法的不足[22-23]。灰色关联度法是一种通过确定各自变量指标权重的多因素统计分析方法，自变量与因变量之间的相关程度用关联系数r来表示，r的绝对值越接近于1，两变量的关联程度越强，r的绝对值越接近0，两变量的关联程度越弱[24-26]。计算公式为

(i=1,2,…,m;k=1,2,…,n)

(1)

式中：Y(k)为参考序列；Y′(k)为参考序列平均值；Xi(k)为第i个比较序列；X′i(k)为第i个比较序列平均值。

(2)

式中：ξi(k)为关联系数；ρ为分辨率系数，本文取0.5；minmminn|Y′(k)-X′i(k)|、maxmmaxn|Y′(k)-X′i(k)|分别为两级最小差和最大差。

(3)

式中：ri为关联度。

以1985—2016年介休市城区-宋古漏斗区的降水量、地下水开采量与地下水位数据为依据，利用上述公式计算，得出降水量和开采量与地下水位的关联度分别为0.595和0.736。因此，该漏斗区地下水位变化受到地下水开采量的影响程度大于降水量。

介休市已失去洪山泉，不能再失去城区-宋古水源地。近几年，在介休市人民政府和相关部门的限制开采下，该漏斗区地下水位止降回升，按此趋势，该水源地地下水位有望恢复2000年的水平。

4 结 论

从20世纪60年代开始，由于宋古井灌区建设和工业发展，使介休市城区、宋古一带地下水位急剧下降，进而形成地下水降落漏斗，严重影响该市地下水资源可持续利用。本文通过漏斗区发展演变和多年数据分析，得出以下主要结论：

a.介休市城区-宋古漏斗区的发展划分四个阶段：直线发展阶段、急剧扩张阶段、稳定发展阶段和逐渐恢复阶段。第四阶段即目前所处阶段，漏斗区面积有所减少，中心水位止降回升，但速度缓慢。按此趋势，该水源地地下水位有望恢复2000年的水平。

b.根据从地下水位等值线图、地下水位变化剖面图对水平、垂直两个维度进行演变分析，结果均不同程度地表明该漏斗区地下水位处于回升趋势。

c.降水量的减少、开采量的增加与地下水位下降密切相关，灰色关联分析计算得出降水量和开采量与地下水位的关联度分别为0.595和0.736，表明漏斗区形成的主要因素是地下水的过量开采。

该研究的结果可为今后地下水资源科学利用、精准生态回灌提供理论基础，在限定的气候条件下为精准施策合理恢复地下水资源提供参考。