徐州豐沛平原區深層地下水降落漏斗演變特征與成因機理研究

劉沂軒，熊彩霞

(1．中國礦業大學 資源與地球科學學院，江蘇 徐州 221008;2．江蘇省水文水資源勘測局 徐州分局，江蘇 徐州 221006;3．徐州中國礦大巖土工程新技術發展有限公司，江蘇 徐州 221100)

徐州豐沛平原區主要包括豐縣、沛縣行政區域和銅山區北部部分地區，面積為3 143．4 km2，地下水對于該區的經濟建設和社會發展起到非常重要的作用．隨著工、農業的快速發展，特別兩縣城區供水過度依賴地下水，造成地下水的不合理開采，于20世紀80 年代末分別在兩縣城區形成深層地下水水位降落漏斗，地下水水位的持續下降引發了不同程度的地面沉降．鑒于此，掌握該區深層地下水降落漏斗的演變特征與主導因素，提出合理的水資源開發利用模式，對于區域水資源可持續利用與地質環境保護工作有著重要的價值和意義．

1 研究區概況

研究區位于徐州市的西北部，處在黃泛沖積平原和魯南山區南緣沖積平原的交互地帶，屬暖溫帶半濕潤季風氣候區，兼有海洋性和大陸性氣候過渡區的特征，四季分明，多年平均降水量728．79 mm，降水多集中在夏季，約占全年降水量的77%，降水年際、年內分布不均衡．歷史上該區黃河決溢泛濫頻繁，形成了堆積厚度8 ～10 m 的扇形堆壟，自西南向東北傾斜，地勢西南高東北低，地面高程31～48 m［1］．

該區地質屬華北地層區，發育不全;揭露的太古界泰山群(Ars)是區內最老地層，并構成華北準地臺的基底;新生界下第三系(E)和上第三系(N)分布廣泛，第四系(Q)幾乎覆蓋全區．其間分布發育有全新統潛水、第Ⅰ承壓、第Ⅱ承壓、第Ⅲ承壓、第Ⅳ承壓5 個含水層組．其中第Ⅰ承壓含水層與上覆潛水層聯系密切，多具弱承壓水特征;第Ⅱ承壓含水層頂板埋深多在50 ～70 m，上部砂層較細，多為亞砂土、粉細砂，下部砂層較粗，多為粉細砂，局部中砂含礫，富水性好，氟離子含量大于1．0 mg/L;第Ⅲ承壓含水層由下更新統中細砂、中粗砂組成，厚度多在20 ～35 m(東薄西厚)，富水性較好;第Ⅳ承壓含水層由新近紀上新世河堆積的含礫粉土、含礫粗砂組成，頂板埋深170 ～210 m，厚10 ～20 m，富水性一般．第Ⅲ承壓含水層組為區域內地下水的主要開采層，也是此次研究的重心［1］．

2 演變特征分析

通過對研究區1984—2013 年地下水水位和1984—2012 年降水實際監測數據的分析，降水量不是影響豐縣城區地下水水位降落漏斗發展變化的主導因素，其整個發展變化過程可分3 個時期(直線發展階段、平穩發展階段、急劇擴張階段)．地下水水位降落漏斗中心水位與降水綜合動態如圖1 所示．

圖1 地下水水位降落漏斗中心水位與降水綜合動態圖

第1 個時期為直線發展階段(1984—1995 年)．1984 年以前，該區工農業生產及城鎮生活用水多依靠淺層地下水和地表水，后隨著工農業的快速發展，特別在城區由于需水量的急增，加之地表水資源的缺乏，城市生活及工業發展完全依靠深層地下水，造成地下水開采量陡升，成為了形成地下水位降落漏斗的主導因素． 1984 年全區深層開采量為0．88 億m3，全部為城市生活及工業用水，1995 年全區深層地下開采量1．38 億m3，其中城市生活及工業用水為1．12 億m3． 此間，漏斗中心水位從1984年的18．4 m下降到－4 m，共下降了22．4 m，平均每年下降約2．24 m，水位標高10 m(水位埋深30 m)等水位線封閉面積增加量為80．4 km2．

第2 個時期為平穩發展階段(1996—2004 年)．經過第1 階段之后，地下水開采量陡增之后開始變緩． 據統計，1997 年深層地下水開采量為1．53 億m3，其中城市生活及工業用水為0．92 億m3，2004 年深層地下水開采量為1．78 億m3，其中城市生活及工業用水為0．98 億m3．這一時期，降落漏斗中心水位降深為4．1 m，年平均降深為0．46 m，降深速度有所減緩，水位標高10 m(水位埋深30 m)等水位線封閉面積增加量為60．7 km2．

第3 個時期為急劇擴張階段(2005 年—)．隨著工農業生產的迅猛發展，需水量不斷增加，特別是城市化進程的加快，城市規模的迅速擴大，需要大量的水源作為保證．然而由于供水水源的單一，城市生活及工業用水過度依賴地下水，導致漏斗面積急劇擴大，水位埋深快速下降． 水位標高10 m(水位埋深30 m)等水位線封閉面積:2005 年為140． 4 km2、2008 年為185．7 km2、2013 年為221．4 km2．期間，江蘇省人民政府批復同意《江蘇省地下水超采區劃分方案》，規定該區禁采水位埋深為52 m，限采水位埋深為25 m，嚴格審批地下水開采項目，無疑對該區地下水資源的保護具有重要的意義．

3 漏斗成因分析

地下水位下降漏斗形成原因主要是強采地下水的結果，但是同時也受地表水狀況、供水水源結構、工業布局以及區域地質和水文地質條件控制，總結和歸納可以得出其主要影響和控制因素包含以下4個方面．

3．1 附近地表水資源缺乏

該區地表水資源時空分布不均，6—9 月份降水量占全年的70%以上，徑流量占全年80%以上，區內河流多為季節性河流． 城區附近河流河槽調蓄能力較低，加之城市垃圾和污水處理不當以及農藥、化肥的大量使用，水體遭受污染，無法提供合格的可供水源，進一步加劇了城區水資源短缺的矛盾，造成城市居民生活及絕大部分工業用水過度依賴地下水．

3．2 單一的供水水源結構

城區附近無地表供水水源，城市生活及工業用水完全依賴地下水，這種特殊的供水水源結構是導致形成地下水降落漏斗的外因之一．為解決此矛盾，兩縣政府已經啟動地面水廠的建設工作，通過水利工程實行區域調水以緩解深層地下水的開采壓力，南水北調東線工程的通水為該方案提供了保障． 同時地下水壓采方案已通過審批，將逐步封停漏斗區的開采井，使地下水降落漏斗進入恢復涵養期．

3．3 工業布局不合理及城區人口增長過快

一方面，隨著工業的快速發展，工業企業數量迅猛增加，在該區經濟環境相對落后和地方政府片面追求經濟利益雙重矛盾的促使下，進駐企業多為高耗能勞動密集型，加之企業為交通便利多選擇城區附近，增加了城區的用水需求． 另一方面，大量農村人口轉移至城區，進一步加劇了城區供水矛盾．兩方面原因促使城市生活及工業用水量的急劇增加，這是造成漏斗發展急劇擴張的主要原因．

3．4 特殊的地質及水文地質條件

全區廣泛分布5 個含水層組，其中第Ⅲ承壓含水層組為主要開采層，其補給源為來自東、東北方向的側向徑流補給．而開采強度較大的沛縣城區、龍固鎮分別位于豐縣縣城的東、東北方向，加之位于沛縣縣城東北方向的大屯礦區的煤礦塌陷對上述含水層組的破壞，由此造成了龍固鎮、沛縣縣城對豐縣縣城和大屯礦區對沛縣縣城的側向補給的截流，使得同層含水層組地下水得不到有效補給，加速了降落漏斗的發展［2］．

4 地下水超采下的環境響應與對策

地下水超采除了形成區域地下水位降落漏斗外，還引發了一系列諸如地面沉降、水質惡化等環境問題．過量抽取地下水，形成水頭差，導致含水層頂、底板被不斷壓密釋水，導致含水層骨架變形，除了造成地面沉降外，還有可能由于釋出水中的氟碘離子異常引起地下水水質惡化．該區地面沉降發現于20世紀90 年代初期，目前累計沉降量大于200 mm 的區域近200 km2，年沉降量超過10 mm，地面沉降導致城市建筑物損壞、管道變形、水準點破壞、地面積水和排水不暢等，危害巨大．

目前該地區已經推行了一些水資源優化配置的舉措，如逐步壓采地下水和實施區域調水等措施．在此，給出幾條水資源優化配置的建議:督促企業各單位提高水資源利用效率，根據用水水質要求分質取水，盡量降低日用新水量，提高重復利用率;大力推行低耗水量農作物，推行節水農業，提高灌溉利用系數，充分利用雨洪資源;對超采含水層組實施“限采”而非“禁采”，逐步實現地下水的采補平衡，保證地下水循環和更新;盡快制定淺層地下水開發利用規劃，使其成為備用水源之一;盡可能調整工業產業結構，使工業布局合理化，防治局部高強度取水［3－7］．

5 結 語

1)依據漏斗中心水位逐年變化情況，將深層地下水降落漏斗演化過程劃分為3 個階段，分別為直線發展階段、平穩發展階段、急劇擴張階段，各階段受不同因素的影響，漏斗中心水位各有其特征．

2)分析深層地下水位降落漏斗形成和演變主導因素得出:地表水狀況、供水水源結構、工業布局為外在驅動力，特殊的地質及水文地質條件成為控制其形態變化的主內因．

3)該區深層地下水位下降引發了地面沉降、水質惡化等環境地質問題，通過優化水資源配置、推行節水工業、逐步壓采地下水等措施減緩地下水水位下降的態勢，有效遏止環境地質問題的發生．

［1］江蘇省地質調查研究院，江蘇省水文水資源勘測局．江蘇省地下水超采區劃分報告［R］．南京:江蘇省人民政府，2013．

［2］劉沂軒，熊彩霞．地下水開發利用中的環境問題及對策［J］．江蘇水利，2003(5):31 －32．

［3］高正新，劉沂軒，徐慶軍，等．徐州市地下水污染成因分析及防治對策［J］．能源技術與管理，2005(4):61 －33．

［4］劉沂軒，徐慶軍，王猛． 城市化進程與水資源可持續利用的對策研究［J］．地下水，2005，27(4):238 －240．

［5］許愛芹，劉喜坤．快速城市化條件下地下水開發的環境效應研究［J］． 徐州師范大學學報:自然科學版，2000，26(3):69 －71．

［6］付麗，劉本華，何志宇． 城市地下水飲用水源地水環境健康風險評價［J］． 華北水利水電學院學報，2013，34(6):39 －42．

［7］李亞松，費宇紅，錢永，等．滄州地區深層地下水位降落漏斗演變特征與形成機理探討［J］． 干旱區資源與環境，2013，27(1):181 －183．