山東省廣饒縣地下水位多年動態(tài)及其地質(zhì)環(huán)境效應(yīng)分析

劉 帥,劉志濤,段曉飛，馮 穎，蔣書杰，黃 松

(1.山東省地勘局第二水文地質(zhì)工程地質(zhì)大隊，山東 德州 253072；2.山東省魯北地質(zhì)工程勘察院，山東 德州 253072)

0 引言

地下水是地質(zhì)環(huán)境領(lǐng)域中的一項重要研究內(nèi)容。前人在我國陸區(qū)和沿海地區(qū)做了大量分析工作，探討了不同地質(zhì)環(huán)境下地下水變化特征及引起的地質(zhì)環(huán)境效應(yīng)，為地質(zhì)環(huán)境問題研究提供了基礎(chǔ)性資料[1-5]。廣饒縣是山東省淡水資源較為豐富的地區(qū)，淺層地下水和深層地下水是當?shù)毓まr(nóng)業(yè)生產(chǎn)和生活用水的重要水源[6]。長期大量開采地下水引發(fā)了地下水降落漏斗、咸水入侵、地面沉降等環(huán)境地質(zhì)問題[6-8]。為研究地下水動態(tài)變化規(guī)律，尋求地質(zhì)環(huán)境問題的解決方案，山東省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局在該區(qū)進行了地下水多年動態(tài)監(jiān)測工作。本文通過對該區(qū)地下水監(jiān)測資料的整理與分析，研究了地下水水位變化規(guī)律，重點分析了地下水開采與地質(zhì)環(huán)境問題的關(guān)系，并進一步提出了地下淡水資源開發(fā)利用的建議，為該區(qū)地下水的合理開采及地質(zhì)環(huán)境問題的防治提供了依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

1.1 水文地質(zhì)特征

廣饒縣位于東營市南部，屬魯西北平原松散巖類水文地質(zhì)區(qū)，包括2個水文地質(zhì)亞區(qū)，大致以石村鎮(zhèn)—肖家村—稻莊鎮(zhèn)一線為界，以南屬沖積洪積平原淡水水文地質(zhì)亞區(qū)，以北屬海積沖積、沖積海積平原咸水水文地質(zhì)亞區(qū)[9](圖1)。該區(qū)地下水類型屬第四系松散巖類孔隙水，按水力特征又分為淺層孔隙潛水-微承壓水(以下簡稱為淺層地下水)、中深層承壓水和深層承壓水(圖1、表1)。

1.2 地下水監(jiān)測現(xiàn)狀

為研究地下水動態(tài)變化特征，尋求地質(zhì)環(huán)境問題的最佳解決方案，自1983年開始，山東省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局等相關(guān)單位對該區(qū)淺層地下水和深層地下水進行了長期監(jiān)測，現(xiàn)保留有22個動態(tài)監(jiān)測點(圖1、表2)。

圖1 廣饒縣水文地質(zhì)分區(qū)及地下水位監(jiān)測點分布Fig.1 Hydrogeological subdivision and distribution of groundwater level monitoring points in Guangrao County

表1 研究區(qū)水文地質(zhì)特征Tab.1 Hydrogeological characteristics of the study area

表2 地下水動態(tài)監(jiān)測點情況Tab.2 List of groundwater dynamic monitoring points

2 地下水位多年動態(tài)

2.1 淺層地下水

廣饒縣南部多為井灌區(qū)，地下水埋藏一般較深，水位受蒸發(fā)作用影響很小，人工開采是地下水的主要排泄途徑。地下水主要補給來源是大氣降水，其次是比較微弱的徑流補給，其動態(tài)類型為降水入滲-徑流-開采型。由于多年過量開采地下水，各監(jiān)測點水位呈多年下降趨勢(圖2)，目前已經(jīng)形成了地下水降落漏斗(圖3)。根據(jù)2016年9月監(jiān)測資料，淺層地下水降落漏斗中心為李鵲鎮(zhèn)蘇家村和大王鎮(zhèn)南陳官村。

(a) 水位動態(tài)曲線及開采量

圖3 2016年9月廣饒縣南部淺層地下水降落漏斗Fig.3 Depression funnel of shallow groundwater in Southern Guangrao County in September 2016

地下水多年動態(tài)監(jiān)測資料顯示：李鵲鎮(zhèn)蘇家村監(jiān)測點在2006年之前，由于地下水開采量較大，降水量相對較小，地下水水位一直呈下降趨勢，1986年至2006年地下水位下降了20.20 m，下降速率為1.01 m/a；2006年之后降水量增多，開采量逐步減少，水位有一個緩慢回升的過程，但幅度不是很大。據(jù)此推測，在維持現(xiàn)有開采量不變的前提下，考慮降水補給現(xiàn)狀，地下水補給和排泄基本能達到平衡，蘇家村淺層地下水水位可保持在目前較穩(wěn)定的狀態(tài)，不會出現(xiàn)較大變化(圖4)。

(a) 水位動態(tài)曲線

大王鎮(zhèn)南陳官村監(jiān)測點2014年之前地下水水位一直表現(xiàn)為下降趨勢，1997—2014年地下水水位下降了16.85 m，下降速率為0.99 m/a；2014年之后，水位處于平穩(wěn)狀態(tài)，并有小幅回升，主要是近年來開采量減少的結(jié)果。據(jù)此推測，在現(xiàn)有開采量維持不變的前提下，降水補給基本能使地下水補給和排泄達到平衡，南陳官村淺層地下水水位可保持在現(xiàn)有狀態(tài)，不會出現(xiàn)較大變化(圖5)。其他監(jiān)測點近幾年水位也出現(xiàn)平穩(wěn)現(xiàn)象，說明本區(qū)淺層地下水降落漏斗已基本穩(wěn)定。

(a) 水位動態(tài)曲線

2.2 中深層承壓水和深層承壓水

中深層承壓水和深層承壓水水位動態(tài)與當?shù)氐臍庀?、水文等因素關(guān)系不大，主要受人工開采因素影響。因每個井開采需求不同，年內(nèi)水位動態(tài)無規(guī)律，其水位隨開采量的變化而變化，開采量大則水位下降，開采量小則水位緩慢回升。

根據(jù)以往資料，1980年本區(qū)200～500 m深層地下水具有較高承壓水頭，原始狀態(tài)下均能溢出地表自流，自流高度由南向北、由西向東逐漸減小，一般為3～10 m，廣饒南部最大，高出地面22.08 m(1972年12月)。監(jiān)測資料顯示，1991年深層地下水水位已有明顯下降，均不能出現(xiàn)自流現(xiàn)象。由于不同地區(qū)歷年開采量不同，深層地下水水位空間分布存在較大差異。廣饒縣城水位埋深最大，2017年10月統(tǒng)測水位埋深最大為110 m。漏斗外圍水位埋深相對較小，但均處于多年下降過程中。大碼頭鄉(xiāng)東燕村附近水位下降年速率為1.71 m/a(圖6)。

圖6 廣饒縣大碼頭鄉(xiāng)東燕村深層地下水多年水位動態(tài)Fig.6 Multi-year dynamic curve of deep groundwater level in Dongyan Village of Damatou Town in Guangrao County

3 地質(zhì)環(huán)境效應(yīng)的約束水位

3.1 咸水入侵

3.1.1 發(fā)展趨勢

區(qū)內(nèi)咸水入侵始于1965年，1986年入侵加劇。根據(jù)歷年監(jiān)測資料，廣饒縣咸水入侵主要表現(xiàn)為由北向南發(fā)展，1980—2017年入侵面積約41.58 km2。2017年，咸淡水界線(咸水入侵鋒面)大致分布在石村鎮(zhèn)—東南村—后燕村—肖家村—小楊家—閆口村北—段一村北一線(圖7、表3)。

圖7 廣饒縣咸水入侵示意圖Fig.7 Saltwater intrusion in Guangrao County

表3 咸水入侵取樣點水質(zhì)分析結(jié)果Tab.3 List of water quality analysis results in saltwater intrusion sampling points

咸水入侵是在天然和人類活動的復合作用下地下咸水和淡水共同運動的流體動力學過程。水文地質(zhì)條件是形成咸水入侵的物質(zhì)基礎(chǔ)，地下淡水資源的過度開采是引發(fā)咸水入侵的主要影響因素。地下水過度開采造成區(qū)內(nèi)淺層地下水降落漏斗的生成，破壞了含水層中咸水和淡水之間的動態(tài)平衡，咸水區(qū)地下水向漏斗中心流動造成了咸水入侵的發(fā)生，繼而造成水環(huán)境惡化，地下淡水資源量減少，使得本來就緊張的供需矛盾更加緊張[10]。

咸水入侵必然導致地下水礦化度和氯離子濃度的升高，因此地下水礦化度和氯離子濃度可以指示咸水侵入的程度和淡水與咸水的平衡狀態(tài)。從咸淡水界線附近幾個監(jiān)測點的歷年水質(zhì)分析資料(圖8—圖10)可以看出，監(jiān)測點地下水的礦化度和氯離子濃度大致在一個范圍內(nèi)波動，并沒有出現(xiàn)持續(xù)上升和下降。這說明，目前在咸淡水界線附近，入侵的咸水與地下淡水基本處于平衡狀態(tài)。

圖8 廣饒縣石村監(jiān)測點礦化度和氯離子含量變化曲線Fig.8 Variation curve of salinity and chloride ion content in the monitoring points of Shicun Village in Guangrao County

圖9 廣饒縣甄廟村監(jiān)測點礦化度和氯離子含量變化曲線Fig.9 Variation curve of salinity and chloride ion content in the monitoring points of Zhenmiao Village in Guangrao County

圖10 廣饒縣肖家村監(jiān)測點礦化度和氯離子含量變化曲線Fig.10 Variation curve of salinity and chloride ion content in the monitoring points of Xiaojia Village in Guangrao County

總之，在保持現(xiàn)有淺層地下水開采量不變的前提下，淺層地下水降落漏斗不會惡化，同時，咸水入侵現(xiàn)象也不會加劇。但是，如果淺層地下水的開采量增加，就會打破淺層地下水的補、排平衡，造成咸水入侵現(xiàn)象加劇。

3.1.2 臨界水位

廣饒縣咸淡水界線附近甄廟村監(jiān)測點水位監(jiān)測資料(圖11)顯示：1997年之前水位一直呈現(xiàn)下降趨勢，咸水入侵處于發(fā)展狀態(tài)，當水位出現(xiàn)下降時，咸水入侵監(jiān)測點的礦化度在次年會有一個增大的過程；1998年之后，水位迅速回升，咸淡水界線沒有持續(xù)南侵。

圖11 廣饒縣甄廟村多年水位動態(tài)曲線Fig.11 Multi-year dynamic curve of the water level in Zhenmiao Village of Guangrao County

由甄廟村監(jiān)測點地下水水位動態(tài)及地下水礦化度變化曲線可知：當水位埋深大于10 m時，石村及肖家監(jiān)測點礦化度多大于2 g/L；當水位埋深小于10 m時，水質(zhì)監(jiān)測點礦化度會有所下降，小于2 g/L。由此推斷，石村甄廟附近的咸水入侵臨界水位為10 m。

3.2 地面沉降

廣饒縣地面沉降較為嚴重，為本區(qū)主要環(huán)境地質(zhì)問題之一。沉降中心位于廣饒縣北部，沉降中心14 a累計沉降量達1.605 m，平均沉降速率為114.6 mm/a。深層地下水大量開采，地下水水位持續(xù)下降是本區(qū)不均勻沉降發(fā)生的主要誘因[11-15]。對廣饒縣2002年至2016年地面沉降量與地下水水頭埋深監(jiān)測數(shù)據(jù)分析結(jié)果顯示，地面沉降量與深層地下水水頭高度相關(guān)(相關(guān)系數(shù)為0.98)。兩者之間的關(guān)系表示為

y=0.213x2-11.772x+296.94。

(1)

式中：y為沉降中心地面累計沉降量，mm；x為沉降中心深層地下水位埋深，m。

分析表明，沉降量隨水位埋深的變化而變化，且水位埋深越大，地面沉降量越大。如圖12所示，存在一個臨界值m，當水位埋深大于m時，地面沉降速率隨著水位埋深的增加而急劇增大。根據(jù)現(xiàn)有數(shù)據(jù)分析，m取值應(yīng)為60～80 m，因此，區(qū)內(nèi)深層地下水開采最大允許水位埋深不應(yīng)大于80 m。

圖12 廣饒縣地面沉降量與深層地下水位關(guān)系Fig.12 The correlation curve between land subsidence and deep groundwater level in Guangrao County

4 結(jié)論

本文通過分析廣饒縣地下水多年動態(tài)監(jiān)測資料及其與地質(zhì)環(huán)境問題的關(guān)系，得出以下結(jié)論。

(1)由于地下水的過量開采，廣饒縣已形成了淺層、深層地下水降落漏斗，引發(fā)了咸水入侵、地面沉降等地質(zhì)環(huán)境問題，目前淺層地下水降落漏斗已基本穩(wěn)定，無加重趨勢。

(2)根據(jù)對咸淡水界線附近測點淺層地下水水位與地下水礦化度和氯離子濃度監(jiān)測資料的分析推斷，在石村甄廟附近發(fā)生咸水進一步入侵的地下水臨界水位為10 m。

(3)通過深層地下水與地面沉降擬合曲線，推測本區(qū)深層地下水開采最大允許埋深不應(yīng)大于80 m。