天津市地下水變化趨勢分析

胡元，張永昊，柴成繁，張金鵬

（1.天津江河弘元環(huán)境技術(shù)研究有限公司，天津300062；2.天津市水務(wù)局海河管理處，天津300141；3.天津市水文水資源勘測管理中心，天津300061；4.天津市節(jié)約用水事務(wù)管理中心，天津300074）

天津市地下水變化趨勢分析

胡元1，張永昊2，柴成繁3，張金鵬4

（1.天津江河弘元環(huán)境技術(shù)研究有限公司，天津300062；2.天津市水務(wù)局海河管理處，天津300141；3.天津市水文水資源勘測管理中心，天津300061；4.天津市節(jié)約用水事務(wù)管理中心，天津300074）

對天津市地下水從無序開采產(chǎn)生的危害和近年來控制開采后地下水變化趨勢進行了分析研究，為今后天津市地下水合理、科學(xué)、可持續(xù)的利用提供技術(shù)依據(jù)。

地下水；科學(xué)利用；天津

1 基本情況

天津市地處華北平原東北部，海河流域最下游。地下水開采始于20世紀初。1907年在塘沽城區(qū)打成第一眼機井，至1949年塘沽區(qū)共有深井43眼，開采能力為1 699 m3/h。1923年在天津市區(qū)打成第一眼機井，1930年共有機井9眼，這些井均用于公共設(shè)施；1948年天津市區(qū)共有機井51眼，開采深層地下淡水，用于工業(yè)生產(chǎn)，當(dāng)時城市自來水取用地下水很少，開采量約4萬m3。至1957年，城郊共有43眼磚石砌井，開采淺層地下水，供人畜飲水。從1958年開始，城市和農(nóng)村的機井逐年增多，到1967年城市機井增加到300余眼，農(nóng)村水井已達1 550眼，主要開采咸水之下的深層淡水，年開采地下水約0.7億m3，其中Ⅱ組水占60%以上。這期間市區(qū)由于超量開采深層地下水，Ⅱ組含水層開始在白廟和大直沽工業(yè)區(qū)出現(xiàn)水位降落漏斗，最大水位埋深達51.68 m，并出現(xiàn)了地面沉降。

20世紀60年代末、70年代初天津相繼出現(xiàn)歷史罕見干旱，河流干枯，農(nóng)村和城市形成了打井高潮。1971年天津市區(qū)400 km2內(nèi)共有機井534眼，郊縣共有機井8 673眼。到1981年，市區(qū)機井849眼，郊縣30 585眼，最大開采深度超過900 m，開采量達10.38億m3，為天津市歷史上開采地下水最多的一年。至1999年，天津市共有完好配套機井23 570眼。地下水的大量開采，造成天津市中南部地區(qū)深層地下水含水層組中地下水位的大幅度下降，并引起了嚴重的地面沉降問題。

1983年9月引灤入津通水，每年可向天津供10億m3的灤河水，主要供給市區(qū)和塘沽，緩解了城市工業(yè)和生活用水的緊張局面。由于有了這個穩(wěn)定、可靠的水源，全市開始實施控制地面沉降計劃，在市區(qū)和塘沽采取了停封工業(yè)自備井700余眼等壓縮地下水開采措施。1981年全市實行了計劃取用地下水制度，企事業(yè)單位開采地下水需交納地下水資源費，并大力采取節(jié)水工程措施，實現(xiàn)地下水開采量的逐年回落。全市地下水年均開采量20世紀70年代達到7.14億m3、80年代增長到8.09億m3、90年代回落到7.41億m3，2013年降至5.53億m3。

由于開采地下水布局不合理特別是有咸水區(qū)深層承壓淡水仍存在著超采地區(qū)和超采層位，淺層淡水基本未加以利用。同時，地下水開采受降雨、豐枯水年的影響較大，如2002年為枯水年，全市的地下水開采量達8.19億m3。

2 地下水水位變化趨勢

近60年來，天津市地下水的開發(fā)利用在很大程度上緩解了地表水資源量的不足。在開采地下水的同時，也改變了地下水動力條件。最突出的是地下水在補給上發(fā)生了變化，體現(xiàn)為淺層地下水在各項補給來源的組成與自然條件下有所不同、深層地下水由原來的自下向上越流補給轉(zhuǎn)變?yōu)樽陨舷蛳略搅餮a給。

天津市淺層地下水只有在北部全淡水區(qū)才被大量開采，用于農(nóng)業(yè)灌溉和人畜飲用。全淡水區(qū)主要分布在寶坻、武清和寧河縣（區(qū)）北部，為山前沖洪積相，易于接受大氣降水、山前側(cè)向補給、地表水體入滲補給等。地下水位埋藏淺，補給量大，盡管多年來長期開采，但水位基本沒有大的下降，在3～5 m波動，只在局部很小的范圍內(nèi)水位埋深超過10 m，但在豐水期也能回升。在天津南部地區(qū)，由于淺層水為咸水，礦化度大，很少直接利用。在咸水體“天窗”處，開鑿了少量磚石砌井開采地下水或者直接開采咸水作冷卻等工業(yè)用水，但量都不大。

深層地下水由于埋藏較深，補給條件比淺層地下水差，不能直接接受降水補給，主要是越流補給和側(cè)向徑流補給。未開采狀態(tài)的地下水，整體表現(xiàn)為含水層越深水位越高，下部含水層向上部含水層越流補給；經(jīng)過開采，地下水位迅速下降，下部含水層水位下降速率大，至目前水位表現(xiàn)為含水層越深水位埋藏越大，地下水的越流補給轉(zhuǎn)變?yōu)樽陨隙?。由于長期集中大量開采，在各個含水層中均出現(xiàn)了水位下降漏斗，地下水側(cè)向徑流方向由自然狀態(tài)下自西北向東南流動改變?yōu)橛陕┒愤吘壪蚵┒分行牧鲃印?jù)已有資料分析，天津市中南部平原區(qū)除第Ⅰ含水組和咸水亞組外，第Ⅱ含水組及以下深層地下水均已形成水位下降漏斗。這充分說明在開采條件下深層地下水的相互補給關(guān)系已經(jīng)發(fā)生了極大變化。

2.1 淺層地下水水位變化趨勢

天津市第Ⅰ含水組地下水水位埋深整體自北向南逐漸變淺，流向為由北部山前向南部平原區(qū)流動，主要受到地表河流和地勢的影響。1982年水位埋深中，天津市淺層水位最深為5 m，絕大部分地區(qū)小于2 m。1982—2003年，天津市淺層地下水水位埋深普遍下降，下降幅度基本為1～2 m，但大幅度水位下降面積并不大，說明了淺層水的兩個特點：一是補給好，二是開采量小。

第I含水組地下水水位在天津市北部全淡水區(qū)由于開采量較大及受第Ⅱ含水組地下水開采的影響，水位出現(xiàn)一定的下降，且越靠近山前地下水水位埋深越大；在薊縣山前平原區(qū)水位埋深多在10～15 m，在北部最大約為16.19 m，在薊縣南部、寶坻區(qū)北部及武清區(qū)北部4～10 m，向南逐漸變淺。在天津市南部咸水分布區(qū)由于開采量較小及受下伏含水組開采的影響也小，地下水水位埋深淺，一般小于4 m；在東部環(huán)渤海和西青、武清部分地區(qū)小于2 m，多年水位保持相對穩(wěn)定。第Ⅰ含水組地下水易接受降水補給，補給源充沛，又多為農(nóng)業(yè)用水季節(jié)性開采或在咸水區(qū)為不開采狀態(tài)，尚未形成水位下降漏斗。

2.2 第Ⅱ含水組地下水水位變化趨勢

第Ⅱ含水組地下水在天然狀況下埋深很淺，20世紀60年代初地下水水位一般接近地表。至70年代，由于工農(nóng)業(yè)發(fā)展的需要，大量開采地下水，導(dǎo)致在市區(qū)周圍水位下降很快，埋深超過40 m，但在郊縣水位仍然較淺。之后，工農(nóng)業(yè)大量鑿井抽取深層淡水并超量開采，導(dǎo)致地下水水位逐年下降并形成區(qū)域性漏斗。80年代中期以來，在市區(qū)及塘沽城區(qū)采取了一系列措施控制地面沉降，禁采限采深層地下水是其中的重要措施。地下水的開采受到嚴格控制，開采量逐年減小，水位也隨之上升。至目前，兩處地下水水位已明顯高于周邊地區(qū)，形成了兩個地下水水位反漏斗區(qū)，市區(qū)第Ⅱ含水組的水位上升到20 m左右，第Ⅲ含水組水位上升至30 m。但周邊地區(qū)水位仍然存在下降趨勢，漏斗中心水位不斷加深，面積也在增大。

第Ⅱ含水組地下水南部形成以天津市區(qū)為中心的反漏斗區(qū)和以漢沽城區(qū)、靜?？h城及北辰宜興埠為中心的3個漏斗區(qū)。漢沽漏斗、靜海縣城漏斗中心水位埋深超過60 m、影響范圍較廣，宜興埠漏斗中心水位埋深超過60 m；其中，以靜海漏斗50 m封閉等水位線面積最大，宜興埠漏斗中心水位下降速率最大。2012年全市第Ⅱ含水組60 m埋深漏斗面積580 km2。

2.3 第Ⅲ含水組地下水水位變化趨勢

第Ⅲ含水組主要分布在寶坻-新安鎮(zhèn)斷裂以南地區(qū)。根據(jù)20世紀60年代初鉆孔查證，天津市中南部平原深層承壓淡水水壓面大多接近地面或高于地面1～3 m而自流。至70年代，靜?？h大部分區(qū)域仍存在自流現(xiàn)象，但在需水量大的地方如市區(qū)、漢沽等地水位下降很大，地下水受到人工開采的強烈影響。80年代后，在市區(qū)及塘沽城區(qū)采取措施控制地面沉降，地下水開采量逐年減小，水位才得以緩慢回升，但水位漏斗則從城區(qū)轉(zhuǎn)移到鄰區(qū)。至目前，城區(qū)地下水水位逐漸回升，郊縣水位埋深普遍較深。

2012年，全市最大埋深漏斗位于西青區(qū)楊柳青鎮(zhèn)、津南區(qū)北塘口至咸水沽、濱海新區(qū)大港官港，漏斗中心水位深達90 m；60 m埋深漏斗覆蓋北辰區(qū)東南部、西青區(qū)全部、靜?？h全部、東麗區(qū)東南部、津南區(qū)全部、濱海新區(qū)大港北部，面積達3 703 km2。

2.4 第Ⅳ含水組地下水水位變化及漏斗情況

第Ⅳ含水組主要分布范圍與第Ⅲ含水組相同。從多年觀測數(shù)據(jù)看，開采之前原始水位高出地表，開采后水位迅速下降，地下水水位在持續(xù)下降中。隨著開采量的不斷增加，地下水水位埋深越來越大，形成了幾個大型的地下水下降漏斗區(qū)，這一系列的漏斗中心隨不同地區(qū)年開采量的變化而發(fā)生位置的變化，但總體特征為漏斗中心水位埋深不斷增大，同一等水位線封閉的區(qū)域面積范圍逐漸擴大。2002年，水位低于60 m等水位線面積達4 340.77 km2，漏斗已延伸至河北省境內(nèi)，形成一個大范圍復(fù)合漏斗。至2005年，天津市地下水埋深超過60 m的范圍達到4 984.91 km2。在寶坻區(qū)的東部和南部、寧河縣的北部地區(qū)，地下水主要開采利用淺層水，第Ⅳ含水組地下水水位下降幅度并不大，埋深小于30 m。2012年，全市最大埋深漏斗位于津南區(qū)北塘口至咸水沽一帶，漏斗中心水位深達100 m；60 m埋深漏斗面積5 577 km2，幾乎覆蓋整個南部平原。

3 地下水水質(zhì)變化趨勢

天津平原區(qū)北部為全淡水區(qū)，中部平原和濱海平原淺部有咸水體分布。第四系地下水在北部全淡水區(qū)因含水層埋深不同劃分為第Ⅰ、Ⅱ含水組；中南部劃分為第Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ含水組。第Ⅳ含水組在隆起區(qū)主要為新近系頂部地層。

3.1 第Ⅰ含水組地下水水化學(xué)特征及其變化規(guī)律

天津市淺層地下水總體水化學(xué)變化具有由北向南和由北西向南東的水平分帶性，即由北部的HCO3—Ca、Ca·Mg型過渡到HCO3—Ca·Na、Na·Ca、Na·Mg→HCO3·Cl—Ca·Na、Na·Ca、Na·Mg→Cl· HCO3—Na、Na·Ca→Cl·SO4—Na、Na·Ca、Na·Mg型，過渡到濱海地區(qū)的Cl—Na型；地下水的礦化度也由北部小于0.5 g/L過渡到濱海地區(qū)大于10 g/L。水化學(xué)環(huán)境由北部的pH值以小于8為主演變到南部以大于8為主。水化學(xué)成分的形成除與大氣降水入滲溶解含水介質(zhì)有關(guān)外，還接受地表河流滲漏及地下水補給、徑流、交替條件等影響。

3.2 第Ⅱ含水組地下水水化學(xué)特征及其變化規(guī)律

由于水文地質(zhì)條件、巖性、地貌、氣候等因素的差異，從山前沖洪積平原到濱海平原地下水水化學(xué)類型、礦化度呈現(xiàn)出較明顯的水平分帶規(guī)律：地下水中的主要組分由溶濾遷移為主變?yōu)橐跃奂癁橹?，由北向南水化學(xué)類型為HCO3—Ca·Mg→HCO3—Na· Ca→HCO3—Na→HCO3·Cl—Na→Cl·HCO3—Na→Cl·SO4—Na型。礦化度由山前及東北部小于0.3 g/L過渡至南部接近2 g/L，呈現(xiàn)緩慢升高的礦化過程。

HCO3—Ca·Mg型水主要分布于薊縣山前平原。該區(qū)位于地下水補給區(qū)，大氣降水直接入滲，溶解地層中的方解石及白云石形成陽離子以鈣和鈣鎂為主、陰離子以HCO3為主的地下水。其補給及徑流條件良好，含水層巖性顆粒較粗，為溶濾型的水化學(xué)環(huán)境，礦化度一般小于0.5 g/L。

HCO3·Cl—Na、Cl·HCO3—Na及Cl·SO4—Na型水主要分布于天津市區(qū)及南部靜海、大港等地，地下水溶解性總固體一般在1 g/L左右。這里地下水遠離補給區(qū)，徑流滯緩，水巖作用充分處于離子聚集的水化學(xué)環(huán)境。同時，由于近年地下水的大量開采導(dǎo)致第Ⅱ含水組的水位大幅度下降，其上覆淺層水滲漏補給較高礦化度的水。

3.3 第Ⅲ含水組地下水水化學(xué)特征及其變化規(guī)律

第Ⅲ含水組地下水主要分布于寶坻-新安鎮(zhèn)斷裂以南地區(qū)，水化學(xué)類型較簡單，HCO3—Na·Ca型水只分布于寶坻區(qū)新安鎮(zhèn)-林亭口鎮(zhèn)一帶，該區(qū)水質(zhì)良好，F(xiàn)離子含量均小于1 mg/L，溶解性固體小于0.3 g/L，CaCO3飽和指數(shù)較高。HCO3—Na型水為中部平原直至塘沽的第Ⅲ含水組水的主要類型，該區(qū)只零星分布HCO3·Cl—Na型水（可能由于個別地方水文地質(zhì)條件的差異致使上覆咸水滲漏所致），第Ⅲ含水組地下水溶解性總固體均低于1 g/L并且以寧河-漢沽一帶最低（小于0.3 g/L）。

3.4 第Ⅳ含水組地下水水化學(xué)特征及其變化規(guī)律

第Ⅳ含水組地下水分布范圍與第Ⅲ含水組相同，水化學(xué)特征比較簡單并有更加明顯的分帶性。

對比第Ⅳ含水組多年水質(zhì)動態(tài)資料，其水化學(xué)各種參數(shù)均無明顯的變化。

4 結(jié)論

天津市地下水開發(fā)利用走過了一條從無序開采到控制開采、科學(xué)開采之路，隨著國家生態(tài)文明建設(shè)力度的加大，地下水管理必然會上升到更高的高度。這里，筆者建議應(yīng)從以下幾個方面加大對地下水資源科學(xué)、規(guī)范的管理力度。

（1）嚴格執(zhí)行地下水管理法律法規(guī)和地下水取水許可制度，認真履行地下水水資源論證程序，加大對地下水用水戶的執(zhí)法檢查。

（2）加大科學(xué)研究的投入，結(jié)合京津冀一體化發(fā)展，組織三地地下水專家積極研究“京津冀地下水合理開發(fā)、優(yōu)化配置”重大研究課題，使有限的地下水資源為經(jīng)濟社會的發(fā)展提供重要的基礎(chǔ)保障。

（3）加快地下水實時監(jiān)控系統(tǒng)建設(shè)，及時掌握地下水水位變化、水質(zhì)變化、水量變化、地面沉降變化，掌握地下水動態(tài)變化趨勢。

（4）在推進和應(yīng)用地源熱泵、水源熱泵等節(jié)能新技術(shù)的同時，要利用好采灌平衡技術(shù)措施，并積極研究和推廣應(yīng)用涵養(yǎng)地下水技術(shù)、回灌技術(shù)、地下淺層苦咸水開發(fā)利用技術(shù)、封井技術(shù)。

TV213.4；P641.8

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1004-7328（2014）04-0004-03

10.3969/j.issn.1004-7328.2014.04.002

2014-03-10

胡元（1962-），男，高級工程師，主要從事水資源開發(fā)管理工作。