山西晋中地区地下水取水井空间分布特征分析

吴伟伟 孟 佩

（晋中市水利局，山西 晋中 030600）

地下水是赋存在岩土孔隙、裂隙、岩溶溶洞中，在重力作用下能够自由运动的水资源。由于地下水具有给水量稳定、污染少的优点，常被作为农业、工业、生活和景观用水的重要水源，同时地下水对协调自然环境也有着十分重要的作用。然而，在全球气候变化加剧的大背景下，极端高温和降水事件愈加频繁，严重干旱发生频率显著增加，并向着持续时间长、影响范围广、强度高的方向发展[1]。2022年夏季，东亚、欧洲、北美均遭遇了极端干旱，尤其是我国长江流域，更是发生了自1961年有完整气象记录以来最严重的干旱[2]，这更加突出了地下水资源的战略价值。以晋中地区为例，机电井从1952年开始出现，到1976年就达到了17651万眼，增幅达735眼/年，地下水资源快速减少，而同期地表水利用率却不足7%；1980—2001年降水减少，进入枯水期[3]，地下水开采从浅层水转向中深层承压水，超采面积达904km2，地下水位年降低1～3m，河水断流、泉水消失、地面沉陷、水生态破坏等问题相继出现[4-6]；2002年以来降水增加，进入丰水期，但是地下水资源恢复并不及预期[7]，局地地下水位仍在降低；2018—2019年又发生了严重干旱，河水断流、水库见底，依靠地下水才维持了基本的生活生产，更加凸显了地下水资源的重要性。联合国2022年世界水发展报告[8]以地下水为专题，提到地下水过度开采和依赖性问题，应重视对地下水资源的综合管理，为此本文对晋中地区地下水开采历史进行了搜集整理，对现有取水井进行了调查归类，形成了宝贵的资料和成果，以求更好地保护地下水资源。

1 区域概况

晋中地区位于山西省中部黄土高原东侧，面积为16347km2，属温带大陆性季风气候区，平均气温为3～11℃，年降水量为488mm，海拔574～2567mm。地势东高西低，分太行山脉、沁潞高原、太岳山脉和太原盆地4个地理单元，河流以太行山、太岳山中脊为界，分属黄河流域和海河流域。黄河流域位于西部，主要有潇河、象峪河、乌马河、昌源河等，均注入汾河；海河流域位于东部，主要有清漳河、浊漳河和松溪河等。地下水主要有松散岩类孔隙水、碳酸盐岩裂隙岩溶水、碎屑岩夹碳酸盐岩类裂隙岩溶水、碎屑岩类孔隙裂隙水及基岩裂隙水五大类[9-10]。松散岩类孔隙水多分布于太原盆地及黄土丘陵、台塬区、山间河谷，盆地中部多浅、中深双层含水系统，倾斜平原中上部多混合含水层系统，黄土台塬区多中层含水系统；碳酸盐岩裂隙岩溶水分布于昔阳、左权、和顺、介休绵山、灵石汾河河谷一带及介休上城南一带隐伏灰岩区，有洪山泉、郭庄泉、娘子关泉3个岩溶水系统；碎屑岩夹碳酸盐岩类裂隙岩溶水赋存于昔阳、和顺、左权隆起沿线及介休、灵石一带的中、上石炭系地层中；碎屑岩类孔隙裂隙水赋存于太原盆地东部山区的三叠系及二叠系砂岩地层中；基岩裂隙水赋存于长城系砂岩、前长城系变质岩及玄武岩地层中。

2 数据来源及方法

本文数据主要来源于2006年山西省机井专项普查、2011年全国水利普查[11]、2022年取水口调查晋中地区数据，通过三方数据对比，得出以村为单位的取水井数据，多半已精确到单井。在核实过程中辅以实地调查、电话询问、历史档案查询等方式，尽量避免重复统计，但受调查条件所限，一些关井压采机井、未及时销号的废井、无人使用的人力井未删除。

统计方法上采用规模、用途、密度、地形地貌、地下水类型、行政区划、水资源分区七大类分类归总。按规模分为规模以上机电井、规模以下机电井、人力井，规模以上机电井为井口管内径200mm及以上的机井、日取水量20m3及以上的供水机井，规模以下机电井为井口管内径200mm以下的机井、日取水量20m3以下的供水机井，人力井为以人力或畜力提取地下水的水井；按用途分为农业、工业、生活；按密度分为高密度、中高密度、中密度、中低密度、低密度五等，见表1；按地形地貌分为山丘区和平川区；按地下水类型分为浅层地下水和深层承压水；按行政区划分为11个县（区、市），分别为榆次、太谷、祁县、平遥、介休、灵石、寿阳、榆社、左权、和顺、昔阳，前6个为西部地区，后5个为东部地区；按水资源分区划分为13个区，见图1，黄河流域：潇河、象峪河、乌马河、昌源河、惠柳婴、汾河（二坝—义棠）、汾河（义棠—区界）区，海河流域：松溪河、出界未控河、清漳河东支、清漳河西支、清漳河汇合口以下、浊漳河区。

图1 晋中市地势图和水资源分区图

表1 取水井密度等级划分标准 单位：眼/km2

3 地下水取水井分布及特征

3.1 取水井数量

据统计，晋中地区地下水取水井数量为19972眼，见表2。其中，规模以上机电井13207眼，占66.1%；规模以下机电井3592眼，占18.0%；人力井3173眼，占15.9%。太谷数量最多，为2954眼，寿阳最少，为846眼，平均每县1816眼。从取水井用途来看，农业灌溉井13966眼，占69.9%；工业供水井728眼，占3.7%；生活供水井5278眼，占26.4%。从地貌类型来看，山丘区取水井10752眼，占53.8%；平川区取水井9220眼，占46.2%。从地下水类型来看，浅层地下水取水井7263眼，占36.4%，其中规模以上570眼、规模以下3520眼、人力井3173眼；深层承压水取水井12709眼，占63.6%，其中规模以上12637眼、规模以下72眼。

表2 晋中地区地下水取水井数量及分类归总情况

取水井呈以下特征：

a. 取水井以规模以上机电井为主，人力井数量不少，但使用率很低。

b. 从取水井用途来看，以农业为主，生活次之，工业占比较低，反映出晋中仍是农业型城市，工业不够发达。

c. 从地貌分布来看，取水井分布不平衡，平川区面积仅占13.6%，井数已占到46.2%。

d. 深层承压水取水井数量远高于浅层地下水，反映出浅层地下水资源的枯竭，这与人类活动影响密切相关。

3.2 区域分布特征

按行政区划将取水井数量细化到乡镇，结果见图2，取水井呈以下分布特征：

图2 晋中地区取水井区域分布

a. 规模以上机电井呈西多东少、高度集中的特点，西部井数11927眼，占90.3%；东部井数1280眼，仅占9.7%。西部取水井又集中在平川区，面积是西部总面积的34.7%，但井数高达9220眼，占西部总井数的77.3%。

b. 规模以下机电井呈西聚东散、高度集中的特点，西部井数2152眼，多数乡镇没有，但仅灵石静升镇就有1835眼，占西部总井数的85.3%；东部井数1440眼，多数乡镇都有，但仅左权石匣乡就有859眼，占东部总井数的59.7%。同样高度集中，这与特殊的地理位置有关，静升镇位于太岳山脉中段静升河流经处，石匣乡位于太行山脉中段清漳河（西支）流经处。

c. 人力井呈西少东多的特点，基本上分布于山区，西部井数538眼，占17.0%；东部井数2635眼，占83.0%。按地貌类型划分，平川区仅60眼，占1.9%；山丘区3113眼，占到98.1%。

d. 取水井数量与农业息息相关，榆次、太谷、祁县、平遥四大国家产粮基地井数共11082眼，占55.5%，4县县均2771眼，远高于其他县均1270眼。

3.3 水资源分区分布特征

按水资源分区对取水井进行分类，受限于机电井密集区一些井位不清，仅对个别水资源分区进行了整合，结果见表3，取水井呈以下分布特征：

表3 晋中地区各水资源分区取水井数量

a. 分布严重不均衡。黄河流域井数是海河流域的3.67倍，其中规模以上机电井是12.3倍，规模以下机电井是1.6倍，人力井是0.6倍，反映出黄河流域地下水井数量多、密度高、超采多的特点。

b. 分布高度集中。规模以上机电井高度集中于黄河流域的潇河、象峪河、乌马河、昌源河、二坝—义棠、惠柳婴6个区，面积占48.3%，井数占90.4%；规模以下机电井高度集中于义棠—区界、清漳河西支2个区，面积占17.5%，井数占82.2%；人力井集中在潇河、松溪河、清漳河西支3个区，面积占42.5%，井数占68.2%。

c. 超采与潜力并存。目前黄河流域潇河、象峪河、乌马河、昌源河、二坝—义棠5个区存在超采问题，年超采量在5000万m3，而清漳河东支、西支及汇合口以下地下水大部分未开发，尚有巨大潜力。

3.4 取水井密度分布特征

取水井密度是指单位面积上的取水井数量，反映着取水井数量的区域分布特点。晋中地区各类取水井密度呈以下特征：

a. 整体处于低密度区，全区取水井密度为1.22眼/km2，呈西高东低形势，低于全国平均值。其中，西部取水井密度为2.28眼/km2，高于全国平均值；东部取水井密度为0.54眼/km2，西部是东部的4倍。密度最高的是祁县3.13眼/km2、太谷2.81眼/km2、灵石2.17眼/km2，最低的是和顺0.42眼/km2。

b. 规模以上机电井局部密度高，整体密度为0.81眼/km2，处于低密度区，但是粮食主产区的密度明显较大。按乡（镇）统计，中高密度区1个，中密度区12个，其中榆次3个、太谷3个、祁县5个、平遥1个；中低密度区25个，其中榆次2个、太谷4个、祁县2个、平遥10个、介休7个，均集中在太原盆地，见图3。

图3 晋中地区规模以上机电井密度分布

c. 规模以下机电井和人力井处于超低密度区，密度分别是0.22眼/km2、0.19眼/km2，受人类活动影响[12]，晋中浅层地下水资源减少，流失加速，规模以下机电井和人力井数量将会持续下降。

3.5 规模以上机电井成井时间

基于2011年第一次水利普查成果调查规模以上机电井成井时间，受调查条件所限，一些成井时间不够准确，还有一些机井未及时报废，导致统计存在一定的误差，但是误差可控，仍能够反映全区整体状况。晋中规模以上机电井成井时间分布见表4，呈明显的年代特征，距离现状较近的年份取水井数量较多。全区井数13207眼，其中1980年以前成井208眼，占1.6%，该时间段机井多数带病运行，多见于废弃村庄，但部分仍能够正常使用；1981—1990年成井1529眼，占11.6%，该时间段是打中层深井的高峰期，但多数已经在2010年后更新，如今在用的机井多数在水文地质良好的地区；1991—2000年成井3566眼，占27.0%，该时间段是打深井和更新机井的高峰期，该年代淘汰的机井多数是地下水枯竭造成的；2001—2010年成井4252眼，占32.2%，是占比最大的时间段，该时间段农业灌溉井多数为更新机井，生活和工业井多数是新打机井；2010—2022年成井3652眼，占27.6%，该时间段多数为更新机井，新打机井很少，主要在农村饮水领域。

表4 晋中地区规模以上机电井成井时间分布情况单位：眼

3.6 规模以上机电井井深分布

规模以上机电井井深与地下水埋深、地质等关系密切，在晋中地区呈明显的区域特征，见图4，不同区域差异很大，深层取水井依井深呈金字塔形分布，井深越深数量越少。全区规模以上机电井平均井深为147.3m，最深为灵石230.8m，最浅为左权77.3m。深度小于100m的井数为1481眼，占11.2%，地下水多为松散岩类孔隙水和碎屑岩类孔隙裂隙水，一般分布在古河道和洪积扇区，地下水也逐渐从潜水变为承压水；100（含）～200m的井数为10249眼，占77.6%，地下水多为松散岩类孔隙水、碎屑岩类孔隙裂隙水，地下水从浅层承压水变为中深层承压水；200（含）～300m的井数为1038眼，占7.9%，该层以下各类型地下水均有，包括碳酸盐岩裂隙岩溶水、碎屑岩夹碳酸盐岩类裂隙岩溶水、基岩裂隙水；300（含）～400m的井数为239眼，占1.8%；400（含）～500m的井数为89眼，占0.7%；500（含）m以上的井数为111眼，占0.8%。总体上，机井集中在100（含）～200m深度，西部较东部井深大，南部和北部较中部井深大。

图4 晋中地区规模以上机电井井深分布

4 取水井历史演变与发展趋势

晋中地区是中国农耕文化的发源地之一，在史前为古晋阳湖所在地，传说大禹治水，“打开灵石口、空出晋阳湖”，逐渐形成现今的太原盆地，取用地下水的历史久远，早在史前就有开凿水井的痕迹，商代就已经把凿井取水作为生活饮用水的主要来源，清代乾隆时期取水井数量达到顶峰，推算约2万余眼。晋中地区新中国成立以来的取水井演变情况见图5，新中国成立初期，取水井经过百年战乱已然破败不堪、亟待恢复，资料显示，1949年取水井10184眼，均为人力井，1950年代大兴水利工程，1952年出现第一眼机井，1956年出现第一眼深井；1960年取水井为20690眼，其中机电井2336眼（含深井1眼）、人力井18354眼；1970年取水井13193眼，其中机电井9166眼（含深井84眼）、人力井4027眼，井数减少主要是行政区划的改变和大量人力井的淘汰；1980年取水井17541眼，其中机电井15868眼（含深井3513眼）、人力井1673眼；1990年取水井19079眼，其中机电井16101眼（含深井6210眼）、人力井2978眼；2000年取水井20207眼，其中机电井17051眼（含深井8830眼）、人力井3156眼；2010年取水井21179眼，其中机电井18001眼（含深井11450眼）、人力井3178眼；2020年取水井20169眼，其中机电井16996眼（含深井12579眼）、人力井3173眼。总体时序上，取水井总数呈先波动后稳定的特征，1990年以前波动较大，1990年以后为稳定期；机电井呈先快速上升后平稳发展趋势，1976年以前为快速增长期，1976年以后为稳定期，上升速率变小；深井呈稳步向上趋势；人力井呈先波动再陡降后稳定趋势，1977年以前为波动下降趋势，1977年以后为稳定期。

图5 晋中地区各类取水井数历年变化情况

5 结语

通过此次调查研究，摸清了晋中地区地下水取水井基本情况，掌握了机井分布和开采深度，为地下水合理开发提供了宝贵资料。未来可将此次调查结果形成系统数据，发挥数据数字底座作用，结合水利一张图、数字孪生技术和水资源管理系统，实现地下水资源管理高效化、科学化、数字化，使晋中地区地下水处于良性循环和动态平衡状态，逐渐实现绿色发展。