滄州市城區(qū)淺層地下水開發(fā)利用研究

郭洪起

(河北省滄州水文水資源勘測局，河北滄州061000)

滄州市位于河北省東部，屬于嚴(yán)重缺水型城市。隨著近年來經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展及對水資源的需求不斷加大，滄州市的水資源供需矛盾日益加劇。如何緩解這一矛盾，推動(dòng)滄州市經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展，已成為了我們必須要重點(diǎn)解決的一個(gè)問題。城市用水長期以來一直以開采深層地下水為主，由于超采嚴(yán)重，造成了地下水降落漏斗，引發(fā)了城市地面沉降、地裂縫等一系列地質(zhì)環(huán)境問題，既破壞了城市地質(zhì)環(huán)境，也損害了城市對外開放形象。隨著近年來滄州市政府關(guān)于限制深層地下水開采、關(guān)閉城市自備井等一系列強(qiáng)有力措施的出臺(tái)，城市地質(zhì)環(huán)境較之前已經(jīng)有所改善。隨著深層地下水的停采，對于城市水資源的利用，淺層地下水的合理開發(fā)利用無疑會(huì)成為一條行之有效的途徑，而如何合理有效的利用淺層地下水遍成為我們必須重點(diǎn)研究的課題。

1 研究區(qū)概況

1.1 自然地理概況

滄州市地處河北省東南部，為平原區(qū)，運(yùn)河以西屬低平原區(qū)，以東屬濱海平原區(qū)。地勢西高東低、自西南向東北略傾斜，自然坡降約0.29‰，地面高程5.6～10.3m。地貌成因類型為沖擊相和濱海湖積相。滄州市東臨渤海，南界山東，北與廊坊、天津?yàn)猷彛?、西南與保定、衡水相接。位于北緯37°28'～38°57'、東經(jīng) 115°42'～117°50'之間，南北長約 165 km，東西寬約 187 km，全市總面積14 056 km2，海岸線總長95.3 km。本次研究區(qū)的分析范圍以黃河路、長蘆大道、迎賓大道、渤海路為界的市區(qū)四環(huán)以內(nèi)的范圍，面積約64.56 km2。

1.2 水文氣象

滄州市屬暖溫帶半濕潤大陸性季風(fēng)氣候，四季分明，溫差較大。春季干燥多風(fēng)，夏季炎熱多雨，秋季天高氣爽，冬季寒冷干燥。研究區(qū)內(nèi)降水年際變化較大，最大年降水量1 160.7 mm，最小年降水量191.8 mm，多年(1963－2012年)平均降水量567.4 mm;降水年內(nèi)分布不均，主要分布在汛期，汛期降水占全年降水的八成左右。多年平均蒸發(fā)量1 122.2 mm(E601蒸發(fā)器，1963－2012年系列)，蒸發(fā)量最大月份為6月份，占年蒸發(fā)量的14.9%，蒸發(fā)量最小月份未1月份，僅占年蒸發(fā)量的2.1%。

1.3 地質(zhì)構(gòu)造

滄州市基底構(gòu)造比較復(fù)雜，分屬于冀中坳陷、滄縣隆起、黃驊坳陷和埕寧隆起四個(gè)基底構(gòu)造單元，本次研究區(qū)基底構(gòu)造分屬于滄縣隆起、黃驊坳陷兩個(gè)基底構(gòu)造單元。各單元之間均為東北向斷裂所分割，單元內(nèi)并有次一級的凸起和凹陷，研究區(qū)大部分位于黃驊坳陷區(qū)內(nèi)，西部小部分為滄縣隆起區(qū)

滄縣隆起:東臨黃驊坳陷，西為冀中坳陷，主要由寒武系、奧陶系、石炭二迭系及侏羅系構(gòu)成。滄縣隆起中心地帶位于滄縣西部。自上第三紀(jì)以來接受沉積，第四系厚約400 m。

黃驊坳陷:黃驊坳陷是中生代以來繼承性斷陷，沉陷中心在岐口東北海域，南為臨清坳陷，北臨渤海坳陷，呈東北向展布。其基底由侏羅系、白堊系組成。上第三系地板埋深1 600～3 200 m，第四系厚400～500 m。

2 淺層地下水資源評價(jià)

2.1 淺層地下水資源數(shù)量評價(jià)

地下水是賦存于飽水帶(飽和帶)巖層孔隙中的重力水。本次評價(jià)的地下水資源主要是指與大氣降水和地表水體有直接水力聯(lián)系、參與地下水循環(huán)且可以更新的潛水即淺層地下水。

本次研究區(qū)地下水資源數(shù)量評價(jià)總的技術(shù)要求是:

(1)降水入滲補(bǔ)給量系列長度為1963－2012年50年系列，地下水資源量計(jì)算采用2009－2012年系列。以2009－2012年平均的地下水資源量作為現(xiàn)狀條件下多年平均地下水資源量。

(2)因本次研究區(qū)范圍內(nèi)均為溶解性總固體≤2 g/L淺層地下水，所以僅評價(jià)溶解性總固體≤2 g/L的淺層淡水資源量。

(3)以研究區(qū)為單元計(jì)算地下水各項(xiàng)補(bǔ)給量，再計(jì)算出研究區(qū)內(nèi)的各種補(bǔ)給量、地下水資源量和可開采量。

2.1.1 評價(jià)計(jì)算原理

本次淺層地下水資源評價(jià)計(jì)算依據(jù)水均衡原理，即某時(shí)段的地下水總補(bǔ)給量等于總排泄量與地下蓄變量之和。

總補(bǔ)給量=總排泄量±蓄變量

根據(jù)水均衡原理，采用河北省第二次水資源評價(jià)中提供的參數(shù)，結(jié)合滄州實(shí)際情況，分別計(jì)算各項(xiàng)補(bǔ)給量，匯總后可得總補(bǔ)給量。分項(xiàng)計(jì)算各項(xiàng)排泄量，匯總后可得總排泄量。計(jì)算時(shí)段內(nèi)的蓄變量，并按水均衡原理進(jìn)行平衡分析，將總補(bǔ)給量扣除地下水灌溉回歸量作為區(qū)域地下水資源量，并用可開采系數(shù)法計(jì)算地下水可開采資源量。

2.1.2 基本資料

地下水資源評價(jià)計(jì)算所采用的資料主要包括水文資料、降水資料、地下水資料，滄州市水資源公報(bào)和統(tǒng)計(jì)部門的資料。水文資料、降水資料、地下水資料采用經(jīng)過整編后的“水文年鑒”及“水文特征值年鑒”中刊布的資料。有關(guān)統(tǒng)計(jì)部門的資料有兩種情況:一是直接采用統(tǒng)計(jì)資料，如國民經(jīng)濟(jì)情況，各種用水情況等;二是實(shí)地調(diào)查的資料，如水利工程引水蓄水情況資料等，資料可靠性較好，能滿足本次水資源評價(jià)的精度要求。

2.1.3 地下水補(bǔ)給量的計(jì)算

本市淺層地下水補(bǔ)給項(xiàng)主要包括降水入滲補(bǔ)給量、河道滲漏補(bǔ)給量、灌溉補(bǔ)給量、蓄水體補(bǔ)給量、側(cè)向補(bǔ)給量等，各項(xiàng)補(bǔ)給量之和即為總補(bǔ)給量。用公式表示為:

式中:W總補(bǔ)為總補(bǔ)給量(108m3);W降為降水入滲補(bǔ)給量(108m3);W河為河道滲漏補(bǔ)給量(108m3);W渠灌為渠灌滲漏補(bǔ)給量(108m3);W井灌為井灌回歸量(108m3);W蓄為蓄水體滲漏補(bǔ)給量(108m3);W側(cè)補(bǔ)為側(cè)向徑流補(bǔ)給量(108m3)。

地下水總補(bǔ)給量即以上各項(xiàng)補(bǔ)給量之和，地下水資源量即總補(bǔ)給量減去地下水灌溉回歸量，而本次評價(jià)范圍內(nèi)并無地下水灌溉回歸量，所以本次計(jì)算中總補(bǔ)給量即為地下水資源量，經(jīng)計(jì)算研究區(qū)2009－2012年平均淺層地下水總補(bǔ)給量為0.077 0億m3，即地下淡水資源量為0.077 0億m3。

2.1.4 地下水排泄量

淺層地下水的排泄項(xiàng)主要包括潛水蒸發(fā)量、河道排泄量、側(cè)向排泄量、越流排泄量及淺層地下水實(shí)際開采量，各項(xiàng)排泄量之和即為總排泄量，可用下式表示:

式中:W總排為總排泄量(108m3);W潛為潛水蒸發(fā)量(108m3);W開為淺層地下水開采量(108m3);W側(cè)補(bǔ)為地下水側(cè)向排泄量(108m3);W越為地下水越流排泄量(108m3);W河排為地下水向河道的排泄量(108m3)。

地下水排泄量即以上各量之和，因本次研究區(qū)范圍無河道排泄量、越流排泄量、側(cè)向排泄量和人為開采量，實(shí)際排泄量即為潛水蒸發(fā)量。經(jīng)計(jì)算，研究區(qū)年平均地下水排泄總量為0.043 2億 m3。

2.1.5 淺層地下水補(bǔ)排平衡分析

水均衡一般指均衡期間多年平均地下水總補(bǔ)給量、總排泄量和淺層地下水蓄水變量三者之間的均衡關(guān)系，即:

式中:W總補(bǔ)為淺層地下水總補(bǔ)給量(108m3);W總排為淺層地下水總排泄量(108m3);ΔW為淺層地下水蓄變量(108m3);X為絕對均衡差(108m3);δ為相對均衡差，用百分?jǐn)?shù)表示。

2.1.6 淺層地下水蓄變量計(jì)算

淺層地下水蓄變量是指計(jì)算時(shí)段內(nèi)多年平均地下水動(dòng)態(tài)的年際變化值?？捎孟率接?jì)算:

式中:Δh為計(jì)算時(shí)段始末的地下水位變差(m);μ為潛水變幅帶給水度;F為計(jì)算面積(Km2);10－2為單位換算系數(shù)。

本次蓄變量計(jì)算為與補(bǔ)給及排泄量計(jì)算系列相一致，采2009－2012年系列。經(jīng)計(jì)算，全市多年平均蓄變量為－0.008 8 億 m3。

2.1.7 地下水補(bǔ)排平衡分析

根據(jù)公式6－10和6－11對研究區(qū)內(nèi)水資源進(jìn)行補(bǔ)排平衡分析。研究區(qū)多年平均淺層地下淡水總補(bǔ)給量為0.077億m3，多年平均地下淡水總排泄量為0.043 2億m3，多年平均地下水蓄變量減少0.008 8億m3，補(bǔ)排均衡差為0.025億m3，相對均衡差為32.5%，計(jì)算結(jié)果精度符合本次研究要求。

2.1.8 地下水可開采量計(jì)算

淺層地下可開采量是指在經(jīng)濟(jì)合理、技術(shù)可行且不引起生態(tài)惡化的條件下，從地下水含水巖層中可以開采的最大水量。確定評價(jià)區(qū)的地下水可開采量，受評價(jià)區(qū)地下水補(bǔ)給條件和開采條件兩個(gè)因素制約。以現(xiàn)狀條件下淺層地下水資源量、開發(fā)利用水平及技術(shù)水平為基礎(chǔ)，根據(jù)評價(jià)區(qū)淺層地下水含水層的開采條件，在多年平均地下水總補(bǔ)給量均衡的基礎(chǔ)上，合理確定現(xiàn)狀條件下的淺層地下水可開采量。在平原區(qū)，可以采用開采系數(shù)法和扣除不可奪取的天然消耗量等方法計(jì)算評價(jià)區(qū)多年平均淺層地下水資源可開采量。本次評價(jià)采用開采系數(shù)法計(jì)算研究區(qū)淺層地下水可開采量，采用下式計(jì)算:

式中:W可采為淺層地下水可開采量(104m3);W總補(bǔ)為淺層地下水總補(bǔ)給量(104m3)。ρ為可開采系數(shù)。

從水均衡原理上講，可開采系數(shù)小于1.0，即可開采量不能大于總補(bǔ)給量，結(jié)合本次研究區(qū)內(nèi)的水文地質(zhì)條件及補(bǔ)給條件，參考《滄州市水資源調(diào)查評價(jià)及對策》研究成果確定值為0.70。經(jīng)計(jì)算研究區(qū)每年可開采量為539萬m3。

2.2 水質(zhì)評價(jià)

1)資料來源

采用滄州水文局淺層地下水觀測井2009－2012年資料進(jìn)行評價(jià)。

2)地下水化學(xué)類型及礦化度分區(qū)

水文局淺層地下水觀測井其水類型為〔CL〕Na型，礦化度＜2 g/L

3)環(huán)境質(zhì)量綜合評價(jià)

(1)評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)采用地下水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)(GB/T14848－93)，該標(biāo)準(zhǔn)將地下水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)分為五類。

Ⅰ類:主要反映地下水中化學(xué)組分的天然低背景值含量，適用于各種用途。

Ⅱ類:主要反映地下水化學(xué)組分的天然背景值含量，適用于多種用途。

Ⅲ類:以人體健康基準(zhǔn)為依據(jù)，適用于集中式生活飲用水源及工農(nóng)業(yè)用水。

Ⅳ類:以農(nóng)業(yè)和工業(yè)用水標(biāo)準(zhǔn)為依據(jù)，除適用于農(nóng)業(yè)和部分工業(yè)用水外，適當(dāng)處理后可做飲用水。

Ⅴ類:不宜飲用，其它目的的用水可根據(jù)具體要求選用。

(2)評價(jià)參數(shù)

依據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)的要求，結(jié)合本地實(shí)際情況，評價(jià)參數(shù)為:pH值、總硬度、氯化物、硫酸鹽、礦化度、硝酸鹽氮、氰化物、砷、揮發(fā)酚、六價(jià)鉻、汞、鎘、鉛、銅、鐵、錳、氟化物共17 項(xiàng)。

(3)評價(jià)方法

此次評價(jià)采用內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)法，根據(jù)各參評因子所在級別(見表1)確定Fi值，再按以下公式計(jì)算綜合指數(shù)F值。

表1 水質(zhì)類別與評價(jià)分值Fi關(guān)系表

式中:F為綜合污染指數(shù);Fi為單項(xiàng)污染指數(shù)值;F為各項(xiàng)指數(shù)Fi的平均值;Fmax為各項(xiàng)污染指數(shù)中的最大值;

按上式計(jì)算的F值和級別標(biāo)準(zhǔn)(表2)對照，來確定水質(zhì)級別。

表2 水質(zhì)綜合評價(jià)分級表

(4)評價(jià)結(jié)果

水文局淺層地下水觀測井自2009年一直到2012年共4年評價(jià)結(jié)果均為差級，其主要污染物為總硬度、硫酸鹽、礦化度、氯化物，詳見下表。由于評價(jià)測井位置處于滄州水文局院內(nèi)，受外界污染程度較小，較好的保持了觀測井自身水質(zhì)，其造成超標(biāo)的污染物主要受影響于觀測井所處的水文地質(zhì)單元。

表3 水文局淺層地下水觀測井水質(zhì)監(jiān)測成果表

4)功能評價(jià)

(1)評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

采用(GB5749－85)《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》和(GB5084－92)《農(nóng)田灌溉水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)》，進(jìn)行功能評價(jià)。

(2)評價(jià)因子

選用pH值、總硬度、氯化物、硫酸鹽、礦化度、硝酸鹽氮、氰化物、砷、揮發(fā)酚、六價(jià)鉻、汞、鎘、鉛、銅、氟化物、鐵、錳共17項(xiàng)。

(3)評價(jià)方法

采用比較法，用實(shí)測值和標(biāo)準(zhǔn)值對照，只要有一項(xiàng)不符合功能標(biāo)準(zhǔn)就認(rèn)為沒有此項(xiàng)功能。

(4)評價(jià)結(jié)果

水文局觀測井的水質(zhì)不符合生活飲用水標(biāo)準(zhǔn)，影響飲用功能的主要項(xiàng)目是總硬度、氯化物、礦化度、硫酸鹽;同時(shí)也不具備農(nóng)田灌溉功能，影響灌溉功能的主要項(xiàng)目是氯化物、礦化度。但對于淺層地下水來講，開發(fā)和利用的前景依然十分廣闊，尤其是抽咸補(bǔ)淡，良性循環(huán)后，水質(zhì)將會(huì)得到大幅度的改善。

3 淺層地下水應(yīng)用分析

本次的研究區(qū)范圍為滄州市的主城區(qū)，范圍內(nèi)主要為居民、商用住宅樓、商場等建筑物，無農(nóng)業(yè)灌溉用水，少量工業(yè)用水主要來源于深層地下水，城市綠化主要采用水罐車人工澆灌，城區(qū)居民生活飲用水主要來源于大浪淀水庫，對淺層地下水基本無開采使用。

經(jīng)計(jì)算研究區(qū)內(nèi)淺層地下水年平均水資源量為0.077 0億m3，年可開采地下水量0.053 9億m3，在現(xiàn)狀開采條件下尚有較大得的可開發(fā)潛力。在合理開采的前提下，淺層地下水資源的有效利用不僅可以緩解部分水資源供需矛盾、減輕深層地下水的開采負(fù)擔(dān)，同時(shí)其意義還在于:

(1)提高地下水資源保護(hù)能力

污染物隨著地表水入滲進(jìn)入土壤包氣帶后，會(huì)產(chǎn)生一系列復(fù)雜的物理、化學(xué)和生物作用，從而降低污染物對地下水的影響。土壤包氣帶與其他環(huán)境因素一樣有自凈能力，這種能力的大小，由包氣帶的巖性及顆粒大小的因素決定，一般用包氣帶環(huán)境容量來衡量。土壤厚度大，就延長了污染物在包氣帶中運(yùn)移的途徑和時(shí)間，使得污染物與包氣帶介質(zhì)間的作用更充分，結(jié)果是提高了包氣帶的自凈能力，增大了它的環(huán)境容量，也增大了污染物穿過包氣帶進(jìn)入地下水中的途徑，提高了水資源保護(hù)能力。

(2)提高大氣降水可利用率

研究區(qū)多年平均降雨量567.4 mm(1963－2012年)，但是僅有一小部分滲入地下，絕大部分稱為徑流排入河道。如果能充分利用淺層地下水，就可以騰出地下水庫容，在雨季就可以接納、蓄存更多的得雨水，當(dāng)然這還要配合完善的雨水收集系統(tǒng)。這樣做可以使收到污染的地下水得到置換、凈化。淺層地下水水位降低導(dǎo)致部分含水層疏干，富余出更大的空間可以接納地表水入滲，減少地下水蒸發(fā)。

當(dāng)然淺層地下水的開發(fā)必定會(huì)引起水位的下降及地質(zhì)環(huán)境的改變，如若開采過程中處理不當(dāng)，也會(huì)造成嚴(yán)重后果。因此，我們在最大限度地開采淺層地下水的同時(shí)，必須以保護(hù)和改善城市地質(zhì)環(huán)境為前提條件。

(1)考慮淺水蒸發(fā)和大氣降水入滲等方面的因素，確定研究區(qū)內(nèi)淺層地下水位埋深界線為5m，不僅可以防止土壤鹽漬化，增加降水補(bǔ)給，還可以有效地保護(hù)地基與地下管線。

(2)為了防止集中抽水引起地面沉降，從而導(dǎo)致建筑物變形等問題的產(chǎn)生，根據(jù)滄州市的水文地質(zhì)條件，經(jīng)計(jì)算分析確定兩井之間距離不應(yīng)小于100 m。

(3)滄州市淺井在開采過程中，受地層及開采條件等因素的影響明顯，其影響范圍及影響程度不盡相同。地層含水條件越差、開采量越大、抽水時(shí)間越長的井，其影響范圍越大，反之越小;但在

短期抽水情況下，地層含水條件越差，則形成的水力坡度越陡，短時(shí)間內(nèi)的影響距離越小。通過在抽水實(shí)驗(yàn)過程中建筑變形監(jiān)測分析，在長時(shí)間的抽水過程中隨著水位的下降，會(huì)對一定范圍內(nèi)的建筑物產(chǎn)生嚴(yán)重影響，可導(dǎo)致建筑物變形。淺井在抽水過程中所形成的水力坡度曲線在較陡處對建筑物的影響較明顯，會(huì)產(chǎn)生不均勻地面沉降;距離漸遠(yuǎn)水力坡度曲線變平緩，由水位下降所形成的地面下沉量較小且相對均勻，對建筑物危害明顯減小。經(jīng)綜合分析，確定淺井與建筑物的安全距離為10～18 m。

4 結(jié)論

本次研究區(qū)的分析以黃河路、長蘆大道、迎賓大道、渤海路為界的市區(qū)四環(huán)以內(nèi)的范圍，面積約64.56 km2。主要對研究區(qū)內(nèi)1963－2012年的降水、蒸發(fā)及2009－2012年淺層地下水進(jìn)行了評價(jià)。通過評價(jià)得出研究區(qū)內(nèi)多年(1963－2012年)平均降雨量為567.4 mm，1963年－2012年系列最大雨量值為1 160.7mm，最小雨量值為191.8 mm，降水年紀(jì)變化較大，且年內(nèi)降水分布也不均，降水主要分布在汛期，汛期降水量占全年降水的八成左右。研究區(qū)多年平均(1963－2012年)年水面蒸發(fā)量為1 122.2 mm(E－601蒸發(fā)皿)，是多年平均降水量的1.98倍。年際變化顯著，年最大蒸發(fā)量2104.2 mm，最小852.1 mm。年內(nèi)最大月蒸發(fā)量出現(xiàn)在6月份，占全年蒸發(fā)量的14.9%;最小月蒸發(fā)量出現(xiàn)在1月份，僅占全年蒸發(fā)量的2.1%。本次研究評價(jià)的淺層地下水水質(zhì)采用水文局淺層地下水觀測井2009年至2012年4年觀測資料為代表，經(jīng)計(jì)算其主要污染物為總硬度、硫酸鹽、礦化度、氯化物，詳見下表。由于評價(jià)測井位置處于滄州水文局院內(nèi)，受外界污染程度較小，較好的保持了觀測井自身水質(zhì)，其造成超標(biāo)的污染物主要受影響于觀測井所處的水文地質(zhì)單元。經(jīng)評價(jià)，研究區(qū)內(nèi)淺層地下水水質(zhì)不符合生活飲用水標(biāo)準(zhǔn)，影響飲用功能的主要項(xiàng)目是總硬度、氯化物、礦化度、硫酸鹽;同時(shí)也不具備農(nóng)田灌溉功能，影響灌溉功能的主要項(xiàng)目是氯化物、礦化度。但對于淺層地下水來講，開發(fā)和利用的前景依然十分廣闊，尤其是抽咸補(bǔ)淡，良性循環(huán)后，水質(zhì)將會(huì)得到大幅度的改善。由于本次研究區(qū)范圍為滄州市城區(qū)，淺層地下水補(bǔ)給主要來源于降水入滲，經(jīng)計(jì)算淺層地下水多年平均水資源總補(bǔ)給量為0.077億m3，而淺層地下水排泄主要是淺層地下水蒸發(fā)，經(jīng)計(jì)算多年平均地下水排泄總量為0.042 3 m3。研究區(qū)內(nèi)淺層地下水現(xiàn)在基本屬于零開發(fā)狀態(tài)，如果能進(jìn)行合理有效的開發(fā)利用的話，對減輕研究區(qū)內(nèi)深層地下水壓力、減緩地下水漏斗加深都有著十分重要的作用。