全面实施压采后石家庄平原区地下水时空动态特征分析

李梦涛，何 鑫，刘 淼，秦 韬

（1.河北工程大学数理科学与工程学院，河北 邯郸 056021；2.中国水利水电科学研究院水资源研究所，北京 100038；3.河北省水资源研究与水利技术试验推广中心，河北 石家庄 050000）

石家庄市作为一个资源型缺水城市，地表水资源稀缺，经济发展常年依靠超采地下水，导致地下水降落漏斗面积和深度持续扩大，水资源供需矛盾十分尖锐。

2015年，石家庄市被列入河北省地下水超采综合治理试点。2018年，石家庄市政府出台了《石家庄市地下水超采综合治理五年实施计划（2018—2022年）》，确定到2022年实现累计压采能力6.94 亿m3，从而使地下水漏斗中心水位回升、漏斗面积逐步减小。为实现此目标，需要及时掌握实施压采后石家庄市地下水时空动态特征，可为后续压采工作的部署和实施提供重要的科学依据。

1 研究区概况

石家庄市地处河北省中南部，地势东南低西北高，东部平原区总面积5 767 km2，根据平原区的水文地质条件可将其划分为北部的冲洪积平原区、中部的河山前坡积—洪积水文地质亚区、南部的磁河—沙河冲洪积扇水文地质亚区以及东部的滹沱河冲洪积扇水文地质亚区，各含水层底板的砂层厚度均大致由东向西递减。石家庄属于温带季风气候区，多年平均降水为543.2 mm，年内分布不均，季节差异明显，近3 a 降水量均小于多年平均降水量，年际变化大，降雨总量较少[1，2]。 市内多年平均气温13.4 ℃，春季风力大，地表回温快，蒸发旺盛，多年平均蒸发量1 616.6 mm。全市常住人口1 103.12 万人，水资源需求量大，2019 年石家庄总用水量达到30.49 亿m3，农业用水量占50.38%，总用水量中地表水用水量与地下水开采量分别占48.6% 和46.9%、其余4.5%为其他用水[3]。

2 地下水观测数据

目前，石家庄地区地下水监测站网共计242 个监测点，采取人工观测与自动监测相结合的方式，监测控制面积达8 685 km2[4]，笔者选取石家庄平原区80 个自动监测站2018 年1 月—2020 年10 月共34 个月的地下水观测数据进行分析。这些自动监测站均位于浅层，大部分处于北部的冲洪积平原区和中部的河山前坡积—洪积水文地质亚区，井口高程在28～138 m，观测期地下水平均埋深在3～57 m，单井单位涌水量大部分为30～50 m3∕（h·m）和10～30 m3∕（h·m），极少数为50～70 m3∕（h·m），监测频率为每日6 次，自每日零点开始每4 h 更新1 次数据。自动监测站分布如图1 所示，图中三角标志的站点为后文中进行趋势分析选取的典型观测井。

图1 石家庄平原区地下水自动监测站分布

3 地下水时空动态特征分析

3.1 时间序列变化及分析

首先，绘制自动监测站的地下水埋深时序图。由于监测设备偶尔会出现故障等问题，导致监测数据缺失和异常的情况，因此利用线性插值方法对缺失数据进行插补[5]，并去除明显的异常值，对于突然大幅度变化、长时间数据缺失的站点，认为其监测设备长期故障，不对其进行趋势分析。最终，选取71 个自动监测站进行地下水埋深趋势分析，观察各监测站点的埋深变化曲线，根据变化趋势将其分为6 类[6]，选择各类中的典型观测井进行趋势分析，如图2 所示。典型观测井的基础信息，详见表1。

图2 典型自动观测站地下水埋深变化曲线

表1 典型观测井基础信息

自动监测站在观测期内的地下水埋深随时间变化规律可以分成以下6类：①无明显变化趋势，围绕均值上下波动。典型观测站编号30970120，位于新乐市，变化趋势相近的站点有18 个，多位于石家庄平原区东北部，一般耕地居多。②整体下降趋势显著。典型观测站点编号30970021，位于深泽县，是选取的观测站点中变化趋势最普遍的一种，相似站点有24 个，多位于石家庄平原区中部，大部分为一般耕地。③持续上升。典型观测站点编号30970007，位于石家庄市辖区，相似站点有7个，多为高密度城镇，其中石家庄市辖区地下水埋深上升趋势最为显著。 ④先上升后下降。 典型观测站点编号30970134，位于鹿泉区，另外4 个相似站点均位于鹿泉区，地下水埋深相对较浅。⑤整体缓慢下降。典型观测站点编号30970090，位于赵县，相似站点有10 个，集中在石家庄平原区中南部，多为一般耕地或低密度城镇。⑥整体缓慢上升。典型观测站点编号30970148，位于元氏县，仅3个站点符合整体缓慢上升的趋势。

通过观察发现，①、②、⑤、⑥4 类均具有明显的周期性，其所对应的土地利用类型以耕地为主。地下水埋深在3 月前后达到最高，随着春耕及工业生产活动的进行，地下水水位持续下降，在8月前后达到最低。随后，由于农业需水量减少以及降雨量增多，地下水埋深出现缓慢回升，直到翌年春季达到最高，依此循环。

水位持续上升的自动监测站多位于石家庄市辖区，此处地下水开采几乎全部用于工业、生活，因此观测数据没有出现因农业灌溉开采而造成的水位年际波动。石家庄市辖区近年来开展了一系列地下水压采工作，进行了多处水源置换，地下水开采井关停，使得地下水位得到恢复。

3.2 空间变化及分析

在Surfer 软件中通过克里金法对地下水埋深数据进行空间插值[7]，绘制石家庄平原区地下水埋深等值线，选择2018年2月26日与2020年2月26日的地下水埋深等值线图进行对比，如图3所示，观察石家庄平原区地下水埋深的空间分布特点，并用2020年2 月26 日与2018 年2月26 日地下水埋深作差，如图4所示，观察地下水埋深空间变化趋势。

图3 不同时期石家庄平原区地下水埋深等值线

图4 石家庄平原区地下水埋深变化曲线

从整体空间分布来看，石家庄平原区地势西高东低，地下水水位北部地区显著高于南部地区，西部地区显著高于东部地区，水位由东南向西北逐渐升高。晋州市南部、辛集市北部、藁城市南部、赵县及高邑县全部范围地下水埋深最大，达到40～50 m；栾城县东部、藁城市中部、正定县东部、石家庄市辖区东部地下水埋深36～40 m；周边地区地下水埋深逐渐减小为20～36 m，鹿泉市东部、元氏县东部地下水埋深达到20 m左右。

从空间变化趋势来看，石家庄平原区地下水埋深整体变化在3.5 m以内，空间变化差异较大。中部、西部地区及辛集市北部地下水埋深明显减小，其中藁城市中部及正定县南部地下水埋深减小2～2.7 m，地下水位显著回升，鹿泉市东部、石家庄市辖区、元氏县东部、辛集市北部、无极县南部地下水埋深减小0.3～1.5 m；北部、南部及东部地区地下水埋深显著增大，特别是地下水埋深最大的赵县、晋州市一带地区埋深增大2～2.5 m，辛集市南部、深泽县、无极县北部、新乐市、行唐县、灵寿县、正定县北部地下水埋深增大0.3～1.8 m。结合图4与各自动监测站地下水埋深时序图来看，地下水埋深显著增大的是赵县，该区域内所有自动监测站的埋深时序图均有下降趋势；地下水埋深显著减小的是市辖区，该区域内所有自动监测站的埋深时序图均有上升趋势，地下水埋深时间、空间变化趋势吻合。

3.3 石家庄平原区蓄水变量

浅层地下水蓄水变量计算公式[8]为：

式中：Q蓄为研究区地下水蓄水变量（亿m3）；μ为含水层给水度；K为观测时期内的水位变幅（m）；S为各区县平原区面积（km2）。

借助ArcGIS软件进行分区统计，计算出2018年2 月26 日和2020 年2 月26 日石家庄平原区各区县的地下水平均埋深，以对应的地下水埋深作差得到水位变幅，平原区各区县面积、给水度数据均来自于《2019 年度石家庄水资源公报附表》。石家庄平原区各区县蓄水变量计算结果，详见表2。

由表2 计算结果可以得到，蓄水量增多的有正定县、藁城市、鹿泉区、市辖区、元氏县、赞皇县，处于平原区中部和西部；蓄水量减少的有灵寿县、行唐县、新乐市、深泽县、无极县、晋州市、栾城县、赵县、高邑县，处于平原区北部、南部、东部，整体蓄水量减少1.69 亿m3。结合图4可以看出，赵县、市辖区和晋州市全区地下水埋深变化趋势一致，蓄水量变化最大，变化量超过1 亿m3；正定县、藁城市、无极县、元氏县区域内地下水埋深有增有减，整体蓄水变化量较小，在0.28亿～0.43 亿m3。

表2 石家庄平原区各区县蓄水变量

4 地下水修复现状与未来修复前景分析

石家庄市水资源公报显示，2013 年石家庄平原区地下水平均埋深31.87 m，2014年增加到33.13 m，降幅速率为1.26 m∕a。之后，随着地下水超采综合治理工作的推进和南水北调中线工程的通水，2018年平原区地下水平均埋深为39.88 m，2019年增加到40.11 m[3]，降幅速率为0.23 m∕a，下降速率明显趋于平缓。南水北调工程的水源补给直接用于城镇生活和工业生产，因此农业用水占比小，工业及城镇生活用水占比大的石家庄市辖区地下水位有明显回升；而与之相反的赵县，地下水开采量仍然较大，地下水位也仍在下降。总体来看，地下水超采综合治理效果明显，到2018年已形成压采能力4.78 亿m3。

石家庄市最新压采计划《石家庄市地下水超采综合治理五年实施计划（2018—2022 年）》预计到2022 年新增地下水压采能力2.16 亿m3。从目前来看，平原区地下水位实现止跌回升的区县仍然偏少，未来的压采任务仍然十分艰巨。因此，需要进一步推广使用节水器具，加快节水设备改造，落实水源置换，特别是在农灌区需要继续调整种植结构，改变灌溉方式，增加建设人工湖或中小型蓄水工程等，从而改善全市水资源条件，增强水源涵养能力[9，10]。从长远来看，随着南水北调中线二期工程的规划和实施，长期坚持地下水压采工作并接受南水北调水源补给，石家庄地下水位将逐步回升并趋于平稳[11]。