山西晉中地區(qū)地下水取水井空間分布特征分析

吳偉偉 孟 佩

（晉中市水利局，山西 晉中 030600）

地下水是賦存在巖土孔隙、裂隙、巖溶溶洞中，在重力作用下能夠自由運(yùn)動的水資源。由于地下水具有給水量穩(wěn)定、污染少的優(yōu)點(diǎn)，常被作為農(nóng)業(yè)、工業(yè)、生活和景觀用水的重要水源，同時地下水對協(xié)調(diào)自然環(huán)境也有著十分重要的作用。然而，在全球氣候變化加劇的大背景下，極端高溫和降水事件愈加頻繁，嚴(yán)重干旱發(fā)生頻率顯著增加，并向著持續(xù)時間長、影響范圍廣、強(qiáng)度高的方向發(fā)展[1]。2022年夏季，東亞、歐洲、北美均遭遇了極端干旱，尤其是我國長江流域，更是發(fā)生了自1961年有完整氣象記錄以來最嚴(yán)重的干旱[2]，這更加突出了地下水資源的戰(zhàn)略價值。以晉中地區(qū)為例，機(jī)電井從1952年開始出現(xiàn)，到1976年就達(dá)到了17651萬眼，增幅達(dá)735眼/年，地下水資源快速減少，而同期地表水利用率卻不足7%；1980—2001年降水減少，進(jìn)入枯水期[3]，地下水開采從淺層水轉(zhuǎn)向中深層承壓水，超采面積達(dá)904km2，地下水位年降低1～3m，河水?dāng)嗔?、泉水消失、地面沉陷、水生態(tài)破壞等問題相繼出現(xiàn)[4-6]；2002年以來降水增加，進(jìn)入豐水期，但是地下水資源恢復(fù)并不及預(yù)期[7]，局地地下水位仍在降低；2018—2019年又發(fā)生了嚴(yán)重干旱，河水?dāng)嗔?、水庫見底，依靠地下水才維持了基本的生活生產(chǎn)，更加凸顯了地下水資源的重要性。聯(lián)合國2022年世界水發(fā)展報告[8]以地下水為專題，提到地下水過度開采和依賴性問題，應(yīng)重視對地下水資源的綜合管理，為此本文對晉中地區(qū)地下水開采歷史進(jìn)行了搜集整理，對現(xiàn)有取水井進(jìn)行了調(diào)查歸類，形成了寶貴的資料和成果，以求更好地保護(hù)地下水資源。

1 區(qū)域概況

晉中地區(qū)位于山西省中部黃土高原東側(cè)，面積為16347km2，屬溫帶大陸性季風(fēng)氣候區(qū)，平均氣溫為3～11℃，年降水量為488mm，海拔574～2567mm。地勢東高西低，分太行山脈、沁潞高原、太岳山脈和太原盆地4個地理單元，河流以太行山、太岳山中脊為界，分屬黃河流域和海河流域。黃河流域位于西部，主要有瀟河、象峪河、烏馬河、昌源河等，均注入汾河；海河流域位于東部，主要有清漳河、濁漳河和松溪河等。地下水主要有松散巖類孔隙水、碳酸鹽巖裂隙巖溶水、碎屑巖夾碳酸鹽巖類裂隙巖溶水、碎屑巖類孔隙裂隙水及基巖裂隙水五大類[9-10]。松散巖類孔隙水多分布于太原盆地及黃土丘陵、臺塬區(qū)、山間河谷，盆地中部多淺、中深雙層含水系統(tǒng)，傾斜平原中上部多混合含水層系統(tǒng)，黃土臺塬區(qū)多中層含水系統(tǒng)；碳酸鹽巖裂隙巖溶水分布于昔陽、左權(quán)、和順、介休綿山、靈石汾河河谷一帶及介休上城南一帶隱伏灰?guī)r區(qū)，有洪山泉、郭莊泉、娘子關(guān)泉3個巖溶水系統(tǒng)；碎屑巖夾碳酸鹽巖類裂隙巖溶水賦存于昔陽、和順、左權(quán)隆起沿線及介休、靈石一帶的中、上石炭系地層中；碎屑巖類孔隙裂隙水賦存于太原盆地東部山區(qū)的三疊系及二疊系砂巖地層中；基巖裂隙水賦存于長城系砂巖、前長城系變質(zhì)巖及玄武巖地層中。

2 數(shù)據(jù)來源及方法

本文數(shù)據(jù)主要來源于2006年山西省機(jī)井專項(xiàng)普查、2011年全國水利普查[11]、2022年取水口調(diào)查晉中地區(qū)數(shù)據(jù)，通過三方數(shù)據(jù)對比，得出以村為單位的取水井?dāng)?shù)據(jù)，多半已精確到單井。在核實(shí)過程中輔以實(shí)地調(diào)查、電話詢問、歷史檔案查詢等方式，盡量避免重復(fù)統(tǒng)計，但受調(diào)查條件所限，一些關(guān)井壓采機(jī)井、未及時銷號的廢井、無人使用的人力井未刪除。

統(tǒng)計方法上采用規(guī)模、用途、密度、地形地貌、地下水類型、行政區(qū)劃、水資源分區(qū)七大類分類歸總。按規(guī)模分為規(guī)模以上機(jī)電井、規(guī)模以下機(jī)電井、人力井，規(guī)模以上機(jī)電井為井口管內(nèi)徑200mm及以上的機(jī)井、日取水量20m3及以上的供水機(jī)井，規(guī)模以下機(jī)電井為井口管內(nèi)徑200mm以下的機(jī)井、日取水量20m3以下的供水機(jī)井，人力井為以人力或畜力提取地下水的水井；按用途分為農(nóng)業(yè)、工業(yè)、生活；按密度分為高密度、中高密度、中密度、中低密度、低密度五等，見表1；按地形地貌分為山丘區(qū)和平川區(qū)；按地下水類型分為淺層地下水和深層承壓水；按行政區(qū)劃分為11個縣（區(qū)、市），分別為榆次、太谷、祁縣、平遙、介休、靈石、壽陽、榆社、左權(quán)、和順、昔陽，前6個為西部地區(qū)，后5個為東部地區(qū)；按水資源分區(qū)劃分為13個區(qū)，見圖1，黃河流域：瀟河、象峪河、烏馬河、昌源河、惠柳嬰、汾河（二壩—義棠）、汾河（義棠—區(qū)界）區(qū)，海河流域：松溪河、出界未控河、清漳河?xùn)|支、清漳河西支、清漳河匯合口以下、濁漳河區(qū)。

圖1 晉中市地勢圖和水資源分區(qū)圖

表1 取水井密度等級劃分標(biāo)準(zhǔn) 單位：眼/km2

3 地下水取水井分布及特征

3.1 取水井?dāng)?shù)量

據(jù)統(tǒng)計，晉中地區(qū)地下水取水井?dāng)?shù)量為19972眼，見表2。其中，規(guī)模以上機(jī)電井13207眼，占66.1%；規(guī)模以下機(jī)電井3592眼，占18.0%；人力井3173眼，占15.9%。太谷數(shù)量最多，為2954眼，壽陽最少，為846眼，平均每縣1816眼。從取水井用途來看，農(nóng)業(yè)灌溉井13966眼，占69.9%；工業(yè)供水井728眼，占3.7%；生活供水井5278眼，占26.4%。從地貌類型來看，山丘區(qū)取水井10752眼，占53.8%；平川區(qū)取水井9220眼，占46.2%。從地下水類型來看，淺層地下水取水井7263眼，占36.4%，其中規(guī)模以上570眼、規(guī)模以下3520眼、人力井3173眼；深層承壓水取水井12709眼，占63.6%，其中規(guī)模以上12637眼、規(guī)模以下72眼。

表2 晉中地區(qū)地下水取水井?dāng)?shù)量及分類歸總情況

取水井呈以下特征：

a. 取水井以規(guī)模以上機(jī)電井為主，人力井?dāng)?shù)量不少，但使用率很低。

b. 從取水井用途來看，以農(nóng)業(yè)為主，生活次之，工業(yè)占比較低，反映出晉中仍是農(nóng)業(yè)型城市，工業(yè)不夠發(fā)達(dá)。

c. 從地貌分布來看，取水井分布不平衡，平川區(qū)面積僅占13.6%，井?dāng)?shù)已占到46.2%。

d. 深層承壓水取水井?dāng)?shù)量遠(yuǎn)高于淺層地下水，反映出淺層地下水資源的枯竭，這與人類活動影響密切相關(guān)。

3.2 區(qū)域分布特征

按行政區(qū)劃將取水井?dāng)?shù)量細(xì)化到鄉(xiāng)鎮(zhèn)，結(jié)果見圖2，取水井呈以下分布特征：

圖2 晉中地區(qū)取水井區(qū)域分布

a. 規(guī)模以上機(jī)電井呈西多東少、高度集中的特點(diǎn)，西部井?dāng)?shù)11927眼，占90.3%；東部井?dāng)?shù)1280眼，僅占9.7%。西部取水井又集中在平川區(qū)，面積是西部總面積的34.7%，但井?dāng)?shù)高達(dá)9220眼，占西部總井?dāng)?shù)的77.3%。

b. 規(guī)模以下機(jī)電井呈西聚東散、高度集中的特點(diǎn)，西部井?dāng)?shù)2152眼，多數(shù)鄉(xiāng)鎮(zhèn)沒有，但僅靈石靜升鎮(zhèn)就有1835眼，占西部總井?dāng)?shù)的85.3%；東部井?dāng)?shù)1440眼，多數(shù)鄉(xiāng)鎮(zhèn)都有，但僅左權(quán)石匣鄉(xiāng)就有859眼，占東部總井?dāng)?shù)的59.7%。同樣高度集中，這與特殊的地理位置有關(guān)，靜升鎮(zhèn)位于太岳山脈中段靜升河流經(jīng)處，石匣鄉(xiāng)位于太行山脈中段清漳河（西支）流經(jīng)處。

c. 人力井呈西少東多的特點(diǎn)，基本上分布于山區(qū)，西部井?dāng)?shù)538眼，占17.0%；東部井?dāng)?shù)2635眼，占83.0%。按地貌類型劃分，平川區(qū)僅60眼，占1.9%；山丘區(qū)3113眼，占到98.1%。

d. 取水井?dāng)?shù)量與農(nóng)業(yè)息息相關(guān)，榆次、太谷、祁縣、平遙四大國家產(chǎn)糧基地井?dāng)?shù)共11082眼，占55.5%，4縣縣均2771眼，遠(yuǎn)高于其他縣均1270眼。

3.3 水資源分區(qū)分布特征

按水資源分區(qū)對取水井進(jìn)行分類，受限于機(jī)電井密集區(qū)一些井位不清，僅對個別水資源分區(qū)進(jìn)行了整合，結(jié)果見表3，取水井呈以下分布特征：

表3 晉中地區(qū)各水資源分區(qū)取水井?dāng)?shù)量

a. 分布嚴(yán)重不均衡。黃河流域井?dāng)?shù)是海河流域的3.67倍，其中規(guī)模以上機(jī)電井是12.3倍，規(guī)模以下機(jī)電井是1.6倍，人力井是0.6倍，反映出黃河流域地下水井?dāng)?shù)量多、密度高、超采多的特點(diǎn)。

b. 分布高度集中。規(guī)模以上機(jī)電井高度集中于黃河流域的瀟河、象峪河、烏馬河、昌源河、二壩—義棠、惠柳嬰6個區(qū)，面積占48.3%，井?dāng)?shù)占90.4%；規(guī)模以下機(jī)電井高度集中于義棠—區(qū)界、清漳河西支2個區(qū)，面積占17.5%，井?dāng)?shù)占82.2%；人力井集中在瀟河、松溪河、清漳河西支3個區(qū)，面積占42.5%，井?dāng)?shù)占68.2%。

c. 超采與潛力并存。目前黃河流域?yàn)t河、象峪河、烏馬河、昌源河、二壩—義棠5個區(qū)存在超采問題，年超采量在5000萬m3，而清漳河?xùn)|支、西支及匯合口以下地下水大部分未開發(fā)，尚有巨大潛力。

3.4 取水井密度分布特征

取水井密度是指單位面積上的取水井?dāng)?shù)量，反映著取水井?dāng)?shù)量的區(qū)域分布特點(diǎn)。晉中地區(qū)各類取水井密度呈以下特征：

a. 整體處于低密度區(qū)，全區(qū)取水井密度為1.22眼/km2，呈西高東低形勢，低于全國平均值。其中，西部取水井密度為2.28眼/km2，高于全國平均值；東部取水井密度為0.54眼/km2，西部是東部的4倍。密度最高的是祁縣3.13眼/km2、太谷2.81眼/km2、靈石2.17眼/km2，最低的是和順0.42眼/km2。

b. 規(guī)模以上機(jī)電井局部密度高，整體密度為0.81眼/km2，處于低密度區(qū)，但是糧食主產(chǎn)區(qū)的密度明顯較大。按鄉(xiāng)（鎮(zhèn)）統(tǒng)計，中高密度區(qū)1個，中密度區(qū)12個，其中榆次3個、太谷3個、祁縣5個、平遙1個；中低密度區(qū)25個，其中榆次2個、太谷4個、祁縣2個、平遙10個、介休7個，均集中在太原盆地，見圖3。

圖3 晉中地區(qū)規(guī)模以上機(jī)電井密度分布

c. 規(guī)模以下機(jī)電井和人力井處于超低密度區(qū)，密度分別是0.22眼/km2、0.19眼/km2，受人類活動影響[12]，晉中淺層地下水資源減少，流失加速，規(guī)模以下機(jī)電井和人力井?dāng)?shù)量將會持續(xù)下降。

3.5 規(guī)模以上機(jī)電井成井時間

基于2011年第一次水利普查成果調(diào)查規(guī)模以上機(jī)電井成井時間，受調(diào)查條件所限，一些成井時間不夠準(zhǔn)確，還有一些機(jī)井未及時報廢，導(dǎo)致統(tǒng)計存在一定的誤差，但是誤差可控，仍能夠反映全區(qū)整體狀況。晉中規(guī)模以上機(jī)電井成井時間分布見表4，呈明顯的年代特征，距離現(xiàn)狀較近的年份取水井?dāng)?shù)量較多。全區(qū)井?dāng)?shù)13207眼，其中1980年以前成井208眼，占1.6%，該時間段機(jī)井多數(shù)帶病運(yùn)行，多見于廢棄村莊，但部分仍能夠正常使用；1981—1990年成井1529眼，占11.6%，該時間段是打中層深井的高峰期，但多數(shù)已經(jīng)在2010年后更新，如今在用的機(jī)井多數(shù)在水文地質(zhì)良好的地區(qū)；1991—2000年成井3566眼，占27.0%，該時間段是打深井和更新機(jī)井的高峰期，該年代淘汰的機(jī)井多數(shù)是地下水枯竭造成的；2001—2010年成井4252眼，占32.2%，是占比最大的時間段，該時間段農(nóng)業(yè)灌溉井多數(shù)為更新機(jī)井，生活和工業(yè)井多數(shù)是新打機(jī)井；2010—2022年成井3652眼，占27.6%，該時間段多數(shù)為更新機(jī)井，新打機(jī)井很少，主要在農(nóng)村飲水領(lǐng)域。

表4 晉中地區(qū)規(guī)模以上機(jī)電井成井時間分布情況單位：眼

3.6 規(guī)模以上機(jī)電井井深分布

規(guī)模以上機(jī)電井井深與地下水埋深、地質(zhì)等關(guān)系密切，在晉中地區(qū)呈明顯的區(qū)域特征，見圖4，不同區(qū)域差異很大，深層取水井依井深呈金字塔形分布，井深越深數(shù)量越少。全區(qū)規(guī)模以上機(jī)電井平均井深為147.3m，最深為靈石230.8m，最淺為左權(quán)77.3m。深度小于100m的井?dāng)?shù)為1481眼，占11.2%，地下水多為松散巖類孔隙水和碎屑巖類孔隙裂隙水，一般分布在古河道和洪積扇區(qū)，地下水也逐漸從潛水變?yōu)槌袎核?00（含）～200m的井?dāng)?shù)為10249眼，占77.6%，地下水多為松散巖類孔隙水、碎屑巖類孔隙裂隙水，地下水從淺層承壓水變?yōu)橹猩顚映袎核?00（含）～300m的井?dāng)?shù)為1038眼，占7.9%，該層以下各類型地下水均有，包括碳酸鹽巖裂隙巖溶水、碎屑巖夾碳酸鹽巖類裂隙巖溶水、基巖裂隙水；300（含）～400m的井?dāng)?shù)為239眼，占1.8%；400（含）～500m的井?dāng)?shù)為89眼，占0.7%；500（含）m以上的井?dāng)?shù)為111眼，占0.8%?？傮w上，機(jī)井集中在100（含）～200m深度，西部較東部井深大，南部和北部較中部井深大。

圖4 晉中地區(qū)規(guī)模以上機(jī)電井井深分布

4 取水井歷史演變與發(fā)展趨勢

晉中地區(qū)是中國農(nóng)耕文化的發(fā)源地之一，在史前為古晉陽湖所在地，傳說大禹治水，“打開靈石口、空出晉陽湖”，逐漸形成現(xiàn)今的太原盆地，取用地下水的歷史久遠(yuǎn)，早在史前就有開鑿水井的痕跡，商代就已經(jīng)把鑿井取水作為生活飲用水的主要來源，清代乾隆時期取水井?dāng)?shù)量達(dá)到頂峰，推算約2萬余眼。晉中地區(qū)新中國成立以來的取水井演變情況見圖5，新中國成立初期，取水井經(jīng)過百年戰(zhàn)亂已然破敗不堪、亟待恢復(fù)，資料顯示，1949年取水井10184眼，均為人力井，1950年代大興水利工程，1952年出現(xiàn)第一眼機(jī)井，1956年出現(xiàn)第一眼深井；1960年取水井為20690眼，其中機(jī)電井2336眼（含深井1眼）、人力井18354眼；1970年取水井13193眼，其中機(jī)電井9166眼（含深井84眼）、人力井4027眼，井?dāng)?shù)減少主要是行政區(qū)劃的改變和大量人力井的淘汰；1980年取水井17541眼，其中機(jī)電井15868眼（含深井3513眼）、人力井1673眼；1990年取水井19079眼，其中機(jī)電井16101眼（含深井6210眼）、人力井2978眼；2000年取水井20207眼，其中機(jī)電井17051眼（含深井8830眼）、人力井3156眼；2010年取水井21179眼，其中機(jī)電井18001眼（含深井11450眼）、人力井3178眼；2020年取水井20169眼，其中機(jī)電井16996眼（含深井12579眼）、人力井3173眼?？傮w時序上，取水井總數(shù)呈先波動后穩(wěn)定的特征，1990年以前波動較大，1990年以后為穩(wěn)定期；機(jī)電井呈先快速上升后平穩(wěn)發(fā)展趨勢，1976年以前為快速增長期，1976年以后為穩(wěn)定期，上升速率變??；深井呈穩(wěn)步向上趨勢；人力井呈先波動再陡降后穩(wěn)定趨勢，1977年以前為波動下降趨勢，1977年以后為穩(wěn)定期。

圖5 晉中地區(qū)各類取水井?dāng)?shù)歷年變化情況

5 結(jié)語

通過此次調(diào)查研究，摸清了晉中地區(qū)地下水取水井基本情況，掌握了機(jī)井分布和開采深度，為地下水合理開發(fā)提供了寶貴資料。未來可將此次調(diào)查結(jié)果形成系統(tǒng)數(shù)據(jù)，發(fā)揮數(shù)據(jù)數(shù)字底座作用，結(jié)合水利一張圖、數(shù)字孿生技術(shù)和水資源管理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)地下水資源管理高效化、科學(xué)化、數(shù)字化，使晉中地區(qū)地下水處于良性循環(huán)和動態(tài)平衡狀態(tài)，逐漸實(shí)現(xiàn)綠色發(fā)展。