滄州地下水超采與地面沉降關(guān)系的分析與探討

李志敏,孫炳華

(1.河北省滄州水利勘測設(shè)計院,河北 滄州 061000;2.河北省滄州市水利科學研究所,河北滄州 061000)

滄州地下水超采與地面沉降關(guān)系的分析與探討

李志敏1,孫炳華2

(1.河北省滄州水利勘測設(shè)計院,河北 滄州 061000;2.河北省滄州市水利科學研究所,河北滄州 061000)

針對滄州市水資源嚴重匱乏、為維持村地區(qū)民眾和生存和發(fā)展,不得不大量超采深層地下水,并由此而引發(fā)的地下水位下降、地面沉降等一系列環(huán)境地質(zhì)問題,通過地面沉降機理的分析、沉降層的確定等,結(jié)合多年觀測資料,分析探討了地下水超采與地面沉降的關(guān)系,結(jié)果表明:地下水超采已引發(fā)了嚴重的地質(zhì)環(huán)境問題,包括地面沉降。

地下水;超采;地面沉降;探討

1 概述

滄州是我國水資源嚴重短缺的地區(qū)之一。全市多年平均地表水資源量為 5.74億 m3,地下水資源量為 6.7億 m3,扣除重復(fù)計算量 0.5億 m3,全市多年平均水資源總量為 11.94億 m3。全市人均水資源占有量 183m3,為全國平均值的8%,河北省平均值的 61%,不足國際公認的絕對貧水標準(人均水資源量少于 500m3的為絕對貧水)的 40%。為維持本地區(qū)人民的正常生活和生產(chǎn),自上個世紀七十年代以來,主要依賴于超采地下水。而近年來,又不得不依靠引調(diào)外源水維護生活、生產(chǎn)和生態(tài)。

2 地下水超過采狀況及其引發(fā)的環(huán)境問題

2.1 深層地下水概況

2.1.1 深層地下水開發(fā)利用現(xiàn)狀

滄州市深層地下水的開發(fā)利用始于上世紀六十年代中期,2005年深機井達到 23747眼。全市深層地下水的限采量為 2.93億 m3,2005年全市開采深層地下水 7.50億 m3,處于嚴重超采狀態(tài)。

2.1.2 超采情況

根據(jù)歷年滄州市水資源公報,經(jīng)計算分析,滄州市深層地下水限采量為 29 239萬m3,多年平均開采量為 77 405萬m3,超采量為 48 166萬 m3。超采系數(shù)大于 2.0的縣市有任丘市、東光縣、南皮縣、鹽山縣、黃驊市、青縣。其中鹽山縣超采系數(shù)達到了 3.89。

2.2 地下水水位及漏斗情況

2.2.1 地下水位

深層地下水的補給非常緩慢,可以說是不可再生的資源。由于深層地下水的連年超采造成地下水位埋深大幅度增加,吳橋縣年平均水位下降速度達到 2.34m/a,見圖 1、圖2。自 1998年以來,滄州各縣(市、區(qū))深層地下水水位下降速率加大。

2.2.2 地下水漏斗

地下水的連年超采造成地下水漏斗面積不斷擴展,漏斗中心埋深不斷增深,形成全國聞名的地下水超采漏斗區(qū)。

1975年漏斗中心水位埋深為 50.28 m,至 2005年漏斗中心最大埋深已達 100.88 m,二十多年內(nèi)埋深增加了 50多m。

如今漏斗形態(tài)已發(fā)生了變化,和其它漏斗連成了一片,從單一漏斗發(fā)展成復(fù)合漏斗,形成了 1.4萬 km2全國罕見的降落“漏斗群”。

圖 1 第Ⅲ含水組單井變化過程線

圖 2 第Ⅳ含水組埋深變化過程線

2.3 地下水資源開發(fā)利用引起的環(huán)境生態(tài)問題

滄州是河北省水資源最短缺的地區(qū)之一,地下水的連年超采引起了地下水位下降、地下水漏斗擴展、地面沉降、地裂縫和塌陷等一系列水環(huán)境問題。

2.3.1 地面沉降

由于滄州市地下水位的大幅下降,引發(fā)了滄州市地面沉降加重。我國 4個地面沉降超過 2m的城市中,滄州名列其中,其沉降中心累計沉降量已達 2 236 mm,平均每年下降100.4mm。全市現(xiàn)有滄州市區(qū)沉降區(qū)、黃驊沉降區(qū)、河間沉降區(qū)、任丘沉降區(qū) 4個較嚴重沉降區(qū)。

地面的大幅度沉降給滄州帶來了一系列社會和環(huán)境危害。其主要有城區(qū)內(nèi)澇積水嚴重,對水利工程防洪、測量標志造成嚴重危害;對樓房、鐵路、公路、橋梁等地面建筑物的安全造成的危害,地面的沉降又進一步導(dǎo)致了地裂縫和風暴潮危害的進一步加重等。

2.3.2 咸淡水界面下移

由于深層地下水的嚴重超采引起咸淡水界面明顯下移。據(jù)滄縣典型區(qū)研究資料顯示,咸淡水界面平均下移 18 m,最小下移 10m,最大下移 50 m。

2.3.3 機井報廢加快,提水成本增加

地下水位埋深的連年增加,造成水井提水泵揚程不斷加大,單井出水量減少,水井運行費用大幅度增加,機井報廢加快,提水費用增高。

3 地面沉降機理分析

深層地下水開采資源由側(cè)向徑流補給、越流補給、含水層的彈性釋水和粘性土的壓密釋水四部分組成,但只有側(cè)向補給和越流補給是來自深層地下水系統(tǒng)外部的水,是深層地下水的主要補給來源,反應(yīng)深層地下水的更新能力。深層含水層開采早期,開采資源主要由含水層彈性釋水、越流補給和側(cè)向補給三部分組成,粘性土壓密釋水所占比例很小;隨著開采的繼續(xù),水位降落漏斗的擴展,地面沉降的產(chǎn)生,粘性土壓密釋水所占比重越來越大。

伴隨著含水層的彈性釋水和粘性土的壓密,地面沉降隨之產(chǎn)生。當水位降深較小時,含水層與粘性土隔水層之間的水頭差所產(chǎn)生的應(yīng)力小于土層的前期固結(jié)壓力,地面沉降發(fā)展緩慢;而當水位降深較大時,若含水層與粘性土隔水層之間的水頭差所產(chǎn)生的應(yīng)力大于土層前期固結(jié)壓力,甚至造成土層結(jié)構(gòu)破壞時,地面沉降的沉降速率必將加快。地面沉降速率與地下水位下降速率、地面沉降量與地下水位降幅有很好的相關(guān)性,沉降面積與承壓水水位下降漏斗在時空分布上基本相符。此外,地面沉降的發(fā)展和地下水位降落漏斗的發(fā)展也是一脈相承,均經(jīng)歷了緩慢發(fā)展——快速發(fā)展——穩(wěn)定發(fā)展的過程。

在漫長的地質(zhì)年代中,含水組與上覆地層壓力處于原始平衡狀態(tài),上覆地層壓力由含水組地層巖土顆粒骨架和孔隙水共同承擔,根據(jù)太沙基公式 P=P1+UW

式中:P為上覆地層的總壓力;P1為巖土顆粒骨架所承受的有效應(yīng)力;UW為孔隙水承受的有效應(yīng)力,等于彈性水頭

當抽取地下水時,地下水位下降,等于孔隙水承壓力減小,在上覆地層壓力不變的情況下,孔隙水承壓減小部分轉(zhuǎn)嫁給巖土顆粒骨架,使其壓力增大,導(dǎo)致土體壓密而地面下沉。

地面沉降是動用地下水儲存資源引起的一種惡果,是采大于補,造成水資源枯竭的一種外部表現(xiàn)。尤其是動用不可補償?shù)膬Υ尜Y源引起永久性地面沉降而不能消除,同時使含水系統(tǒng)的供水調(diào)節(jié)能力相應(yīng)減少,資源條件將遭受無法彌補的損害。對于已開采的孔隙承壓水系統(tǒng)水位的恢復(fù),并不意味著資源量的恢復(fù),因為儲存資源的一部分已轉(zhuǎn)化成了永久性地面沉降量而不能補償。因此再次開采地下水時,同樣的水位降深只能得到較小的水量。地層中易壓縮的粘性土所占比例越大,產(chǎn)生的永久性地面沉降量也越大,對含水系統(tǒng)供水調(diào)節(jié)能力的損害也越大。

4 地下水超采與地面沉降的關(guān)系

4.1 主要沉降層的確定

目前,滄州已經(jīng)開采利用的地下水含水層是第四系松散沉積地層,包括Ⅰ -Ⅳ含水組,第Ⅰ含水組為無壓淺層水,其水位埋深的升降主要與降雨豐枯和開采量有關(guān),地層的自然受力狀態(tài)并沒有受到破壞,所以不存在壓密沉降問題。第Ⅱ含水組除肅寧部分全淡區(qū)有水量開采外,其余絕大部分為咸水,目前尚未大面積開采,基本處于自然受力狀態(tài),尚未引起沉降。第Ⅲ、Ⅳ含水組為主要開采層,并長期處于超采狀態(tài),因此滄州區(qū)域的地面沉降主要由第Ⅲ、Ⅳ含水組壓密變形引發(fā)。

4.2 地下水超采與地面沉降關(guān)系分析

地下水超過采導(dǎo)致地下水水位埋深下降,從而導(dǎo)致地面沉降,在滄州地區(qū),地面沉降中心的累計沉降量與該處的深層地下水水位降深呈高度正相關(guān)關(guān)系(下圖),并呈現(xiàn)如下規(guī)律:

(1)當?shù)叵滤┒分行乃宦裆?20～60m時,地面沉降速率為 3.75 mm/m(即水位每下降 1 m,地面相應(yīng)沉降 3.75 mm,下同),此時,地面沉降處于緩慢沉降階段,不會發(fā)生大面積沉降,地面沉降僅在開采區(qū)中心出現(xiàn);

(2)當?shù)叵滤┒分行乃宦裆?60～70m時地面沉降速率增到 32mm/m,是 20～60m速率的 8.5倍,水位埋深加速,并擴展至整個漏斗區(qū);而水位埋深 70 m是地面沉降發(fā)展過程中的一個十分明顯的拐點。

(3)當?shù)叵滤┒分行乃宦裆畲笥?70m后,地面沉降從緩慢增長幾乎變?yōu)橹本€增長,沉降速率為 62.5 mm/m,遠比水位降深 70m之前大得多。所以,在滄州地區(qū),其警戒水位為漏斗中心水位埋深 60m,危急水位為漏斗中心水位埋深70m。

圖 3 滄州市地面累計沉降量與地下水位降深關(guān)系曲線

5 結(jié)語

綜上所述,滄州地區(qū)的地下水超過采已引發(fā)了嚴重的地質(zhì)環(huán)境問題,為遏制這種現(xiàn)象的惡化,嚴格控制地下水的開采,實行最嚴格的水資源管理制度,做到總量控制、定額管理,實現(xiàn)水資源的可持續(xù)利用和國民經(jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展,使滄州水環(huán)境得到修復(fù)和改善。

[1]胡榮花,王婧雅等 淺議滄州地表水環(huán)境綜合修復(fù)技術(shù)及應(yīng)用[J].地下水,2009.

[2]河北省滄州市水利局.滄州市水資源調(diào)查評價及對策,2004.04.

[3]河北省滄州市水務(wù)局.河北省滄州市地下水壓采實施方案編制及管理政策研究,2008.12.

P641.69

B

1004-1184(2010)03-0035-02

2009-09-29

李志敏(1965-),女,河北獻縣人,高級工程師,主要從事水利工程工作。