鄭州城區(qū)地下水水位動(dòng)態(tài)特征研究

陳 婷 危 超 儲(chǔ)小東 蘇 瑋

（江西省地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測(cè)總站，江西 南昌 330000）

“在與環(huán)境相互作用下，含水層各要素（如水位、水量、水化學(xué)成分、水溫等）隨時(shí)間的變化，稱為地下水動(dòng)態(tài)”[1]。 地下水動(dòng)態(tài)是一個(gè)復(fù)雜的自然過程，在某一特定的環(huán)境中多種因素下地下水均衡的外在表現(xiàn)。隨著鄭州市經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，地下水開采量也日益增大，地下水大量開采，同時(shí)也帶來一系列的環(huán)境地質(zhì)問題，主要表現(xiàn)為區(qū)域地下水水位持續(xù)下降。

自20 世紀(jì)80 年代以來，隨著經(jīng)濟(jì)和社會(huì)的快速發(fā)展，鄭州市水資源開發(fā)利用過程中的供、用、耗、排關(guān)系等發(fā)生了較大的變化，生活、生產(chǎn)、生態(tài)環(huán)境用水需求量迅速增加，造成鄭州市水資源嚴(yán)重短缺，地下水位急劇下降。

由于鄭州市地下水位的急劇下降，區(qū)域形成大面積的地下水降落漏斗， 如鄭州市城區(qū)淺層、 中深層降落漏斗， 漏斗面積分別為153.65km2和72km2。而降落漏斗很容易誘發(fā)地面沉降。為防止這一環(huán)境地質(zhì)問題的發(fā)生，有必要分析地下水動(dòng)態(tài)規(guī)律，明確地下水水位的變化趨勢(shì)。

1 概況

1.1 自然地理

鄭州市北臨黃河，西依嵩山，東南為廣闊的黃河沖積平原。鄭州市地勢(shì)總體上是由西南向東北傾斜，形成高、中、低三個(gè)階梯，由中山、低山、 丘陵過渡到平原， 山區(qū)、 丘陵與平原分界明顯。 鄭州市總面積7446.2km2，地理坐標(biāo)：東徑 112°42′～114°14′，北緯 34°17′～34°58′。 但是本文重點(diǎn)調(diào)查研究的范圍只是鄭州市城區(qū)，面積約為352km2。

1.2 氣象、水文

1.2.1 氣侯特征

鄭州市屬北溫帶大陸性季風(fēng)氣候。冷暖氣團(tuán)交替頻繁，春、夏、秋、冬四季分明。 年平均氣溫14.3℃，最熱月和最冷月的平均氣溫差26～27℃，以 1 月份最低，7 月份最高。

1.2.2 降水的時(shí)空分布

全市多年平均降水量629.63mm， 最大降水量發(fā)生在1964 年為1041.3mm,最小降水量發(fā)生在1997 年為380.6mm。

（1）降水的年際變化：受溫帶大陸性季風(fēng)氣候的不穩(wěn)定性和天氣系統(tǒng)的多變性，鄭州市降水的年際變化較為劇烈，主要表現(xiàn)為最大與最小年降水量的比值(即極值比)較大，年降水量變差系數(shù)Cv 較大和年際間豐枯變化頻繁等特點(diǎn)。鄭州市區(qū)雨量站年降水量的極值比一般為2.6～3.6。Cv 值的大小反映出降水量的多年變化規(guī)律，Cv 值越小，降水量年際變化越??；Cv 值越大，降水量年際變化越大。 鄭州市年降水量變差系數(shù)一般為0.24～0.32。

（2）降水的年內(nèi)分布：多年平均降水年內(nèi)分配的特點(diǎn)表現(xiàn)為汛期集中，季節(jié)分配不均勻和最大最小月相差懸殊等。

1.2.3 水文

鄭州市區(qū)主要屬于淮河流域，其大部分水流也是淮河支流，包括賈魯河、東風(fēng)渠、金水河三條，另有東風(fēng)渠的支流熊耳河過境。 而索須河和七里河分別是鄭州北部和鄭州市郊主要的泄洪排澇河道[2]。

1.3 水文地質(zhì)條件

含水層系統(tǒng)是以含水層為基本單位的一組具有固定邊界、互有聯(lián)系的、同一時(shí)代或不同時(shí)代的若干含水巖組。它有固定的邊界，可以僅與一個(gè)地下水系統(tǒng)相對(duì)應(yīng)，也可以有若干個(gè)地下水系統(tǒng)組成，或者它僅僅是某個(gè)地下水系統(tǒng)的一部分[3]。 松散巖類孔隙含水層系統(tǒng)是鄭州市最主要的、分布范圍很廣泛的含水層系統(tǒng)，按埋藏深度可劃分為淺層、中深層兩個(gè)含水層亞系統(tǒng)。

（1）淺層含水層亞系統(tǒng)是指埋藏在60m 以上的地下水，鄭州城區(qū)含水層單元為全新統(tǒng)、上更新統(tǒng)中細(xì)砂層，局部為粉砂，厚10～20m。單井涌水量 100～1000m3/d，滲透系數(shù) 6.76～17.86m/d。

（2） 中深層含水層亞系統(tǒng)是指埋藏在60～350m 之間的層狀孔隙承壓水。 鄭州市含水層巖性以中細(xì)砂為主，其次為粗砂、粉細(xì)砂，厚度一般 25～50m，最厚可達(dá) 104.2m。 單井實(shí)抽水量 25～118m3/h，降深 4～40.6m，換算水量 1000～1878m3/d。

地下水總的流向是由北向南、由西向東徑流。 其中黃河以南的鄭州城區(qū)及中牟西部，地下水由北向南徑流，地下水位埋深3～8 米。由于受城區(qū)人工開采影響，在鄭州城區(qū)已形成降落漏斗，地下水由四周向漏斗中心徑流，鄭州城區(qū)漏斗中心水位埋深達(dá)43 米。

2 水位年際動(dòng)態(tài)特征

2.1 開采量變化特征

淺層地下水的開采量在2000 年達(dá)到最高峰(圖1)，近些年來，開采量由減少的趨勢(shì)，2002 年開采量低于1993 年。 而中深層地下水開采特征（圖2）是：從1971 年到2004 年，地下水開采量經(jīng)歷兩次大的高峰值，為1981 年是34 年來開采量最大值；而1995 年開采量有個(gè)小高峰，這是因?yàn)樵?995 年后，在政府的管理下，節(jié)約用水，盡量減少開采量，使得開采量逐年下降，直至2004 年是34 年來的最小值[4]。

圖1 1993-2002 年間鄭州市淺層地下水的開采量

圖2 1971-2004 年鄭州市中深層地下水開采量

2.2 水位動(dòng)態(tài)特征

1995 年后，隨著水資源管理及節(jié)水力度的加大，地下水開采量逐年下降。 在1997～2002 年間，鄭州市淺層地下水開采量增加，在2000年淺層水的開采量達(dá)最大，從而對(duì)于小范圍的城區(qū)來說，地下水的開采量也會(huì)增加，地下水位呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。 但由于鄭州城區(qū)各不同地方的影響因素不同，地下水位下降速率也不盡相同[5]。

通過分析各孔的水位資料， 可以按水位下降速率的不同劃分，共劃分為急劇下降型（大于3.0m/a）、快速下降型（1.0～3.0m/a）、緩慢下降型（0.3～1.0m/a）和穩(wěn)定型（小于 0.3m/a）四類。 現(xiàn)敘述如下：

2.2.1 急劇下降型（大于 3.0m/a）

主要分布在鄭州城區(qū)靠近河流的地方，主要是地下水向河流排泄及開采的共同作用使得淺層地下水位下降。而中深層地下水主要分布在鄭州城區(qū)中心地帶，靠近水源地，，水位的下降主要受開采因素的影響。 地下水位的多年平均下降速率竟達(dá)4.583m/a 和5m/a。

2.2.2 快速下降型（1.0～3.0m/a）

主要分布在降落漏斗中心附近，比如溝趙鄉(xiāng)附近的漏斗和城區(qū)西南角的降落漏斗區(qū)。 由于前幾年的大量開采的影響，形成大面積的降落漏斗區(qū)。而在這幾年中，淺層地下水開采量增加，使得以前形成的降落漏斗中心的水位下降速率增大。其地下水位的多年平均下降速率分別為 1.625m/a 和 2.125m/a。

2.2.3 緩慢下降型（0.3～1.0m/a）

主要是在受季節(jié)變化的同時(shí)逐步下降。 分布于城區(qū)遠(yuǎn)離水源地和河流的地方。 在夏季蒸發(fā)量增大，用水量增多，使得開采量增大，水位降低；在冬季蒸發(fā)量最小，使得水位回升。 其中ZK-2（即是碧沙崗公園的水位觀測(cè)孔）位于城區(qū)降落漏斗中心，但是其淺層地下水位下降速率較緩慢的原因是：植被面積大，綠地的蓄水作用，和對(duì)綠地的灌溉[5]。 這兩圖中地下水位的多年平均下降速率分別為0.875m/a 和0.6875m/a。

2.2.4 穩(wěn)定型（小于 0.3m/a）

位于賈魯河和賈魯支河之間以及灌區(qū)，河面工程的下游，離河面工程比較遠(yuǎn)。這類曲線的動(dòng)態(tài)變化較穩(wěn)定。其主要受季節(jié)變化的影響，其水量開采比較小且較為穩(wěn)定。在每年的放水時(shí)期，水位抬升，形成一次波峰。還與含水層系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)有關(guān)，通過長時(shí)間的運(yùn)移和濾波作用，使其水位動(dòng)態(tài)趨于穩(wěn)定。由于鄭州城區(qū)大部分面積處于中深層的降落漏斗區(qū)，其水位下降速率都比較大，沒有符合這種類型的點(diǎn)。這兩圖中淺層地下水位的下降速率分別是0.075m/a 和0.2125m/a。

3 水位年內(nèi)動(dòng)態(tài)特征

根據(jù)影響地下水位動(dòng)態(tài)變化的主要因素，城區(qū)內(nèi)地下水動(dòng)態(tài)可以劃分為以下幾個(gè)類型。由于收集資料中只有2005 年的蒸發(fā)資料，而月蒸發(fā)量沒有太大的變化。因此為研究的方便，暫用2005 年的蒸發(fā)資料代替2002 年的蒸發(fā)資料進(jìn)行分析。

3.1 氣象-水文型

主要分布在賈魯河和賈魯支河間兩側(cè)的河流影響地帶，該區(qū)主要受降水、蒸發(fā)的影響，其次是河流影響，一般距河邊線2～5km，水位變幅一般在1.0～2.5m 之間。 區(qū)內(nèi)年最高水位與大的集中降水期一致，最低水位則出現(xiàn)與蒸發(fā)量最大，降水量最小的月份相對(duì)應(yīng)。 整個(gè)高水位期和低水位期又分別與河流汛期和枯水期相一致(圖3)。

圖3 ZK-32 孔2002 年地下水埋深圖

3.2 氣象-灌溉型

主要分布在東風(fēng)渠引黃灌溉區(qū)及其他地表水灌溉區(qū)，淺層水主要受氣象和灌溉控制（圖4）。 年變幅一般在2.0～3.0m 之間，局部地區(qū)受開采的影響。 年內(nèi)最高水位出現(xiàn)在降雨量集中期，與降水量大致相對(duì)應(yīng)。 受河流的影響，在5～6 月份水位稍有下降。 2 月中旬～4 月中旬為引黃灌期。 無降水、灌溉時(shí)段，淺層水受蒸發(fā)和徑流的影響而緩慢下降。

圖4 ZK-1 孔2002 年地下水埋深圖

3.3 氣象-開采型

主要廣泛分布在鄭州城區(qū)地下水開發(fā)利用程度較高的地方（如城區(qū)西北角）。主要受降水入滲補(bǔ)給，而排泄以人工開采和向河流排泄為主。 一般年內(nèi)水位動(dòng)態(tài)特征變化為：上半年人工開采水位下降—汛期降水入滲補(bǔ)給水位上升—汛期結(jié)束后至年底因降水少，農(nóng)田灌溉開采停止或少量開采，而使水位保持相對(duì)穩(wěn)定（見圖5）。 由于3 月后水位隨蒸發(fā)量增大而緩慢下降，6～9 月開采量的增大，使得水位急劇下降，但水位埋深較大，降水入滲補(bǔ)給滯后，9 月后開采量減少，水位回升至來年3 月。

3.4 徑流-開采型

區(qū)內(nèi)中深層地下水，巖溶水，基巖裂隙水都屬于徑流-開采型，地下水補(bǔ)給來源主要為地下水側(cè)向徑流補(bǔ)給，由于其補(bǔ)給條件差，補(bǔ)給區(qū)較遠(yuǎn)，地下水動(dòng)態(tài)影響因素主要是人工開采，開采量增大，水位下降，開采量減少，水位就回復(fù)一部分（見圖6）。

圖5 ZK-2 孔2002 年地下水埋深圖

圖6 Z-7 孔2002 年地下水埋深圖

3.5 回灌-開采型

為遏制地下水濫采現(xiàn)象，鄭州市將自備井納入規(guī)范管理，封停黑井，規(guī)范管理必用的地下井。 同時(shí)，堅(jiān)持地下水回灌，保持地下水的基本采補(bǔ)平衡。 鄭州市的紡織、啤酒、飲料等行業(yè)在取水的同時(shí)，定期堅(jiān)持由使用單位購買自來水回灌地下。 為此，這類型主要分布在鄭州城區(qū)棉紡廠一帶，基本不改變水位的正常動(dòng)態(tài)，冬灌夏用，回灌期間水位抬升（見圖7）。

圖7 ZK-15 孔2002 年地下水埋深圖

4 結(jié)語

區(qū)內(nèi)地下水主要是松散巖類孔隙水系統(tǒng)，其含水層按埋深可以分為淺層和中深層兩個(gè)亞系統(tǒng)，通過對(duì)48 個(gè)觀測(cè)孔（36 個(gè)淺層地下水，12 個(gè)深層地下水）水位資料進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，可以得出以下結(jié)論：

1）地下水年際動(dòng)態(tài)主要受人工開采的影響。地下水的開采量的變化，使得地下水位總體呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。按水位下降速率的不同劃分，共劃分為急劇下降型、快速下降型、緩慢下降型和穩(wěn)定型四類。

2）區(qū)內(nèi)淺層地下水的年內(nèi)動(dòng)態(tài)主要受氣象、水文和開采因素的制約，其補(bǔ)給以賈魯河、東風(fēng)渠等的側(cè)滲和大氣降水為主。 可以分為氣象-水文型、氣象-灌溉型、氣象-開采型、徑流開采型和回灌開采型五類。

［1］王大純，張人權(quán)，等.水文地質(zhì)學(xué)基礎(chǔ)[M].地質(zhì)出版社，1995,6.

［2］河南省地質(zhì)礦產(chǎn)局.河南省區(qū)域地質(zhì)志[Z].1982，7.

［3］河南省鄭州地質(zhì)工程勘察院.河南省鄭州北郊水源地供水水文地質(zhì)勘探報(bào)告[R].1995，8.

［4］河南省水利廳.河南省水資源公報(bào)[Z].1998-2004.

［5］趙孟芹，孫永賀.三江平原地下水動(dòng)態(tài)及影響因素分析[J].黑龍江水專學(xué)報(bào)，2004，9，31（3）:7-9.

［6］蘇英，陳玲俠.咸陽城區(qū)地下水位動(dòng)態(tài)分析及預(yù)測(cè)[J].干旱地區(qū)農(nóng)業(yè)研究，2005，11，23（6）:179-183.