多因素驅動下的大慶市地下水動態演化分析

摘要：20世紀60年代之前，大慶市地下水流場處于原始狀態，之后，隨著開采量的不斷增加，原始流場受到破壞，形成了大規模的地下水漏斗，1998年發展到最大規模，之后隨著地下水開采量的減少，地下水漏斗逐漸萎縮并趨于穩定。大慶市地下水動態的演化不僅受人為開采量的驅動，還受氣溫、降水量等氣候變化因素的驅動，從氣象資料分析，大慶市氣候趨于干旱化，這將推動地下水環境惡化。

關鍵詞：地下水動態 氣候變化 地下水漏斗 氣溫 降水量

地下水動態是在各種影響因素以及使地下水動態產生變化的實現條件兩者共同作用下形成的。影響地下水動態的基本因素包括氣象、水文、地質、生物、宇宙及人為活動等等[1]。

大慶市是我國著名石油和石油化工為主體的新興工業城市，也是我國最缺水的城市之一，水資源問題已經成為制約大慶市社會經濟發展和油田開發建設的一個重要因素[2]。從地下水的少量開采，到大規模開采，再到限制開采，大慶市地下水環境也隨之演化，人為因素成為了大慶市地下水動態變化的主要驅動因素。與此同時，氣溫、降水滲入、蒸發等自然因素也在驅動研究區地下水環境演化。

1. 研究區概況

研究區位于松嫩平原中部，屬中溫帶半濕潤、半干旱季風氣候，多年平均降水量為420mm，大慶多年平均水面蒸發量為1，673mm。研究區屬安達閉流區，區內無江河分布，湖沼發育，工農業及居民生活用水主要是開采地下水和外引嫩江水作為供水水源。為了解決區域排水不暢問題，先后修建了安肇新河、西部排水干渠、中央排水干渠、東部排水干渠和東二排水干渠等區域排水工程。

研究區總的地勢是東北高、西南低，呈緩坡狀平原，局部地貌分布有起伏的河流、湖泊沼澤地、鹽堿低地、江灣漫灘階地等。地貌按其成因類型及形態特征，區域為沖湖積低平原、局部為沖積洪積河漫灘。

2. 研究區水文地質條件

2.1 第四系含水層

第四系含水層主要有哈爾濱組潛水和白土山組孔隙承壓含水層。

2.1.1 哈爾濱組孔隙潛水含水層

分布于整個大慶市，發育較好，巖性為黃褐色粉細砂、細砂，分布不穩定，埋藏較淺1—4m。砂層一般為2—3層，單層厚度一般在1.5—30m。粉細砂層之間的粉土及粉質粘土垂直節理發育，孔隙較大，水利聯系密切構成同一含水層組，形成厚度較大的孔隙潛水層。

由于第四系孔隙潛水含水層的巖性結構松散，埋藏較淺，直接接受大氣降水和地表水入滲的補給，是下部含水層主要的垂向補給來源，同時也易于污染及蒸發排泄。

2.1.2 白土山組孔隙承壓含水層

該含水層是由砂礫石組成，在長垣以西埋藏深度和厚度自東向西，自南向北加深加厚，在長垣的東部只在龍鳳——臥里屯一帶分布，含水層頂板埋深30—100m左右，綠色草原一帶埋深達114m，其含水層自上而下逐漸變粗，厚度東部5—15m，西部20—50m，原始水位距地面2—10m。

2.2 新近系泰康組砂礫石含水層

該層含水層主要是中細砂巖、砂礫巖，一般自上而下逐漸變粗，上部以中細砂和粉細砂為主，底部為砂礫石，該層主要分布于大慶市的西部地區，呈條帶狀分布，為主要的目的開采層。與上覆第四系砂礫石層之間，有一層分布不穩定的粘土和粉質粘土，其厚度一般為5—20m，在部分地區缺失，其隔水性差，使得兩套含水層大部分地區直接連通，具有同一水力特點，可視為同一含水系統。

含水層頂板埋深60—150m，自東南向西北逐漸加深，向北逐漸變淺變薄至尖滅。原始水位距地面2—13m，一般單井涌水量可達1，500—3，000m3/d。目前大慶市西部開采區水位已降落至30—36m，含水層富水性強，一般單井涌水量為3，000—8，000m3/d。

2.3 白堊系明水組含礫砂巖含水層

明水組含礫砂巖含水層廣泛分布于大慶市，只在長垣頂部缺失，該含水層具有分布穩定，單層層數多的特點，可分為明水組二段和明水組一段兩部分，頂板埋深一般在17—210m，明水組上段含水層一般由2—10個單層組成同一含水層，含水層以中粗砂巖為主，局部含礫砂巖，滲透性好，富水性強。分布極不穩定，多為透鏡體，含水層厚度一般為3—26m，累計厚度10—80m，最大厚度可達126m。單井涌水量2，400—3，000m3/d。

明水組一段含水層一般有1—8個單層組成，由于構造作用影響頂板埋深由南向北逐漸加深，單層厚度3—29m，累計厚度5—55m，最大可達66m。含水層巖性以含礫砂巖為主，局部為中粗砂巖，孔隙較大，連通性較好，富水性強，單井涌水量一般為1，700—3，300m3/d。

由于明水組砂巖含水層在長垣西側埋藏較深，且上部有第四系及新近系泰康組含水層，因此西部不開發此含水層，而在長垣東部及肇州北部地區缺失其他含水層，由于該層分布廣，埋藏淺，原始水位一般距地面8—30m，是這一區域的開采目的層。

3. 人為開采對地下水動態的影響

大慶市地下水的大規模開采始于20世紀60年代，大規模開采之前，大慶市地下水流場受較少的人為因素影響。地下水流場處于原始狀態，地下水徑流方向整體上從北向南流。潛水動態特征類型屬降水滲入—蒸發型，主要受到降水滲入和蒸發的影響，低水位期與蒸發期相吻合在2—5月，高水位期與雨季相吻合在7—10月，水位動態曲線呈單峰型。承壓水屬越流—徑流型，地下水在水位差的作用下，發生垂向越流及側向徑流，接受相鄰含水層的越流補給，并向南部徑流，補給松花江。第四系承壓水峰谷明顯，前第四系承壓水動態曲線比較平緩[3]。

20世紀70年代之后，大慶市地下水開始大規模開采，工農業用水量增加，特別是油田開發對地下水的需求量急劇增加，大慶市地下水水位持續快速下降，以大慶長垣為界，相繼形成了西部和東部兩個大型地下水漏斗。到1998年，西部漏斗面積達4，000km2，漏斗中心水位埋深下降到歷史最低點，達48.73m[4]。東部漏斗區面積近1，500km2，中心水位埋深達53.4m。2000年之后，隨著大慶地表水源地的相繼建成并投入使用，地下水開采量有所減少，地下水漏斗逐漸萎縮，并趨于穩定。這期間，承壓水地下水動態變化特征以開采型為主，水位變化曲線呈下降型，局部有所波動。

2000年以來，大慶市地表水用水量比重增加，地下水開采管理更加嚴格，部分地下水源地關閉，漏斗區地下水位逐漸回升，特別是大慶西部漏斗區，回升趨勢非常明顯。據《松遼流域水資源公報》數據，2008年末大慶西部漏斗區面積為1，450km2，漏斗中心位于獨立屯水源地，中心水位埋深為35.27m。東部漏斗區面積為1，340km2，漏斗中心位于前進水源地，中心水位埋深45.78m。在人工開采的強烈作用下，大慶市承壓含水層地下水流場受到較大影響，地下水由漏斗四周向中心流。人工開采成為主導性因素，越流補給、側向徑流為輔助因素。

4. 自然因素對地下水動態的影響

大慶市地下水動態變化除了受到人工開采的影響外，還受氣候變化等自然因素的影響，包括氣溫、降水量等因素。

4.1 氣溫對地下水動態的影響

氣溫變化可以導致地下水溫度的變化，改變地下水的補給條件，冬季氣溫較低時，不發生入滲補給，春季氣溫升高，融冰產生大量持續的下滲補給。長期的氣溫變化還能改變當地的氣候環境，驅動地下水蒸發量及降水入滲量發生變化。

大慶市地處松嫩平原中部，地下水埋藏較淺，湖泡發育，地表水體面積大，蒸發量大，地下水對氣溫的變化尤為敏感。在全球變暖的大背景下，我國氣候也發生著明顯的變化，據王紹武等繪制的全國不同地區1951—1999年平均地面氣溫的變化趨勢，東北地區氣溫升高趨勢非常顯著，許多地區每10a以0.3℃—0.7℃的速度增暖[5]。據中國氣象局提供的數據資料，大慶市氣溫變化比較顯著，1953年—2010年年平均氣溫變化曲線見圖1，從圖中可以看出大慶市年平均氣溫有顯著上升趨勢，特別20世紀80年代到90年代，有一個顯著的躍升，平均溫度從3.45℃升高至4.54℃，升高了1.09℃。氣溫的升高必然推動區域氣候演化，從而影響區域地下水環境變化。

4.2 降水量變化對地下水動態的影響

降水所產生的地下水補給量與氣候條件和地貌特征有關，降水與蒸發對地下水動態的影響還受到很多因素的影響，比如空氣濕度飽和差、地面植被特征、風速、巖石組成、土壤狀況等。但是從較長時間域討論，地下水水位過程線與降水量變化具有同步關系。

根據大慶市的降水量資料分析，大慶市降水量變化有個階段，第一個階段為20世紀50—70年代，這個時期，大慶市降水量逐漸降低，50年代平均降水量為475mm，到了70年代為407mm。第二階段為20世紀80年代到21世紀前10年，這個階段由80年代降水量小幅增加，到此后三十年緩慢減少。80年代平均降水量為448mm，90年代為430mm，到了21世紀前10年降水量減少為413mm。大慶市降水量變化曲線見圖2，采用線性回歸分析，從總體上看，大慶市在近60年的時間內，降水量處于減少的趨勢。從氣溫和降水量變化總體來看，大慶市的氣候向溫暖干燥的趨勢演化，這將帶來該區域生態環境的惡化，并有可能加劇地下水資源的短缺。

5. 結論

在巨大的人為開采量作用下，大慶市地下水環境發生顯著變化，地下水天然流場被破壞，大規模的地下水漏斗成為大慶市地下水動態變化的焦點。人為開采量直接作用于地下水動態變化，氣溫及降水量的變化推動了區域氣候的干旱化，并對地下水環境帶來負效應。