廊坊平原區淺層地下水流場異變與影響因素研究

劉 超，朱小龍，蒲叢林，張旭虎

(河北省地質環境監測總站，石家莊 050021)

廊坊地處北京、天津兩大城市之間，具有獨特的區位優勢。近年來隨著城鎮規模擴張和人口快速增長，區內的地下水環境問題日益突出[1,2]。隨著京津冀一體化發展戰略的實施，廊坊作為京津冀中部核心功能區的重要城市，如何科學地開發利用地下水資源，控制因過量開采地下水所產生的環境地質問題，促進經濟快速協調發展成為一個重要課題。本文以廊坊平原區作為研究區，通過揭示近30年以來在人口增長和經濟規模不斷擴大的條件下，在降水量和開采量影響下平原區淺層地下水流場及水位動態變化規律，解析年降水量及開采量變化對地下水水位的影響。對廊坊平原區地下水動態特征及其影響因素進行分析，對今后合理開發本區地下水資源，發展區域經濟具有十分重要的意義。

1 研究區概況

廊坊市位于華北平原中部、海河流域中部下游，地理坐標東經116°07′～117°14′，北緯38°28′～40°15′。本區處于太行山、燕山山地與渤海灣之間的河北平原之上，除三河市東北部有48 km2低山丘陵區(蔣福山區)外均系平原。平原區地形總的趨勢為西北、西南高，呈扇形向渤海灣方向傾斜，大清河以北地勢則西北向東南低下，大清河以南地勢由西南向東北低下。地面坡降北部為1/1 700，南部(區、市)為1/2 500～1/10 000。

研究區屬北溫帶大陸性季風氣候，多年平均氣溫11.9 ℃ ，降水量年內分布不均勻，6-9月降水量占全年總降水量的80%以上，多年平均降雨量為554.4 mm。

2 數據資料與研究方法

本文所用地下水動態監測資料來自于河北省地質環境監測總站廊坊監測站的地下水實測資料。河北省地質環境監測總站廊坊監測站自1974年開始進行廊坊地區地下水監測工作，經多次調整，監測井數量經歷了由少到多，再到平穩期的過程。為了更精確的反映地下水的變化情況，采用當年監測井實際站網資料進行分析，主要選用1981-2015 年，全部為人工觀測基本井，地下水監測工作按《地下水監測規范》中的要求進行觀測整編。氣象資料收集了廊坊市氣象站1981-2015年氣象月平均降水資料。

3 結果分析

3.1 淺層地下水位埋深年際動態特征

從圖1看出，淺層地下水位總體呈下降趨勢，平均水位埋深從1981年的4.42 m增大到2015年的12.39 m，35 a累計增大約7.97 m，平均每年增大0.23 m。地下水位埋深最小值為1981年的4.42 m，最大值為2012年的13.05 m。最大增長幅度為8.63 m。

圖1 廊坊市淺層地下水水位多年動態曲線圖Fig.1 Years' dynamic change of shallow groundwater level in Langfang

根據降水資料，研究區1981-1986年處于相對枯水期，1987-1996年為相對豐水年，1997-2007年進入相對枯水期，2008年之后降水量有所回升，處于相對平水年。根據開采量數據，研究區1981-1990年淺層地下水開采量較小，平均為4.17億m3，1991-2000年迅速增加至年均7.10 億m3左右，2001-2015年地下水開采量雖有所下降但仍舊維持在5.8～6.8 億m3/a的較高水平。

對研究區淺層地下水水位多年動態曲線進行分析可知，1981-1997年間，因降水量較少(枯水期)，開采量較小，廊坊平原區地下水位埋深較淺，位于4～9 m之間。1988年以前，主要受降水影響，地下水位呈直線下降趨勢，下降速率較大，1988-1997年受開采與降水的雙重影響，地下水位有升有降，水位埋深基本保持在6～9 m左右。

1997-2001年經歷了4 a快速下降期，水位埋深從6.56增大到12.19m，2001年之后維持在11～13 m之間，至2015年淺層水位埋深呈緩慢下降趨勢，但水位埋深仍然較大。1997-2001年為相對枯水年，而隨國民經濟快速發展，地下水需求量增加，開采量增加到年均7.10 億m3，最高達8.59 億m3(2000年)，從而導致此階段地下水位下降迅速。2001年之后為相對枯水期和平水期，降水量不大，但地下水仍處于超采狀態，從而導致水位埋深較大。

3.2 區域流場動態特征

(1)監測起始期。河北省地質環境監測總站廊坊監測站自1974年開始廊坊地區地下水監測工作，這一時期人工開采相對較弱，地下水水位近似天然狀態。

這一時期淺層地下水流場近似天然狀態，地下水基本由北西向南東流，地下水漏斗尚未形成；在南部大清河一帶形成地下水分水嶺，為河流補給地下水，說明當時地表河流補給充足(圖2)。1974年淺層地下水埋深最顯著的特點是普遍較淺。

(2)水位快速下降期。1981-2000年，隨改革開放深入，國民經濟快速發展，對水資源需求的增加，地下水水位進入快速下降期，地下水天然流場發生變化，以1997年年末流場為代表。

這一時期淺層地下水天然流場發生變化，北部三河境內水位下降較快，夏墊局部地下水由南向北流；南部城市建成區反漏斗初現雛形，由城區向周圍補給，固安馬莊漏斗初現雛形，改變了局部地下水流向，即四周向漏斗中心匯集(圖2)。

(3)水位勻速下降期。2000年以來，地下水開采受到嚴格控制，水位下降速率有所放緩，基本呈均勻下降狀態。

近些年淺層地下水流場基本穩定，受開采影響北部由南向北流，即由香河向三河方向流動，主要流向三河城關、高樓兩個水位低點；南部城市建成區一帶反漏斗范圍有所擴大，仍向四周排泄，在固安城關、馬莊，文安興隆宮分別形成3個水位低點，致使四周地下水向其匯集，形成了有咸水區補給全淡區的現象(圖2)。人類開采活動，對地下水天然流場影響巨大，淺層水北部已由天然狀態下有北西向南東流，變為目前的由南向北流；南部由原來的全淡區補給有咸水區，變為了有咸水區補給全淡區。

圖2 1974-2015年廊坊平原區淺層地下水流場異變階段特征Fig.2 Evolution characteristic of shallow groundwater flow field grave in Langfang plain area during 1974-2015

(4)淺層地下水漏斗演變。以固安馬莊漏斗為例，該漏斗主要分布在霸州西部臨津，以及固安馬莊、永清龍虎莊一帶，曾命名為霸州武莊-臨津漏斗、霸州臨津漏斗。此漏斗形成于1983年，漏斗中心位于霸州武莊、臨津，1995年末移至固安馬莊。在水位快速下降期，該漏斗初步形成，中心水位先降后升，波動較大，自2000年進入水位勻速下降期后，漏斗中心平均水位穩定在-15 m左右(圖3)。地下水降落漏斗的形成改變了局部地下水流向，影響了地下水流場的動態變化。

圖3 地下水降落漏斗多年動態變化曲線Fig.3 Years' dynamic change of groundwater depression cone

3.3 淺層地下水位變化強度分析

北部淺層地下水整體呈下降趨勢，平均下降13.58 m，下降速率0.37 m/a；由香河王劉圈村(香7)下降0.32 m，降速0.01 m/a；向北下降幅度逐漸增大，至三河孤山(三2)下降32.73 m，降速0.94 m/a。

北部淺層水位下降幅度與當地水資源利用情況，經濟發展情況相符合。香河縣以利用地表水為主，經濟欠發達，淺層地下水水位下降較緩；向北大廠、三河以利用淺層地下水為主，尤其是三河縣域經濟較發展，淺層地下水水位下降較快。

南部全淡區淺層地下水整體下降趨勢，平均下降20.97 m，降速0.57 m/a。固安馬莊(固17-2)、西關(固2-1)下降最快，分別下降29.43、28.99 m，降速分別為0.84、0.83 m/a；知子營(固4-2)下降最緩，下降11.43 m，降速為0.33 m/a。

全淡區主要分布在固安，當地以開采淺層地下水為主，馬莊漏斗和城關范圍降幅較大，與當地經濟發展迅速，集中開采量較大密切相關(圖4)。

除大城南端小范圍小幅上升外，南部有咸水區淺層地下水整體呈下降趨勢，平均下降7.18 m，降速0.18 m/a。大城南端水淺層水質較差，難以利用，水位在小范圍呈上升趨勢。有監測資料顯示，上升井為大城里坦(大29-1)上升2.98 m，升速0.06 m/a。靠近咸淡水分界線附近淺層微咸水可以利用，水位普遍下降幅度較大，其他區域水位下降較緩。最大降幅位于本站(廊31-2)下降17.77 m，降速0.43 m/a；最小降幅位于霸州楊家堡村(霸13-1)下降1.01 m，降速0.03 m/a(圖4)。

圖4 1974-2015年廊坊平原區淺層地下水水位變化強度Fig.4 Change intensity of shallow groundwater level in Langfang plain area during 1974-2015

4 地下水位動態變化主要影響因素分析

眾多學者從氣候變化和人類活動等方面，對河北平原區地下水流場發生異變的原因進行了研究。結果表明開采量和降水量的雙重影響是導致地下水流場變化的主要原因。

地下水數量變化與降水量之間具有明顯相關性[3]，降水量對地下水位年際變化的影響在豐水年和枯水年時表現明顯[4]。而隨著地下水流場階段變化，主導影響因素的貢獻率也不同[5,6]，人類活動對地下水的影響也在不斷變化[7,8]。

近年來研究表明，地下水開采是影響地下水水位的主要因素[9-11]。張福洋[12]等通過灰色關聯分析法計算得出，保定平原區年際、年內地下水位變化與開采量的關聯度大于與降水量的關聯度，說明開采量是年際、年內水位變化的主導因素。張光輝等研究表明[13,14]，開采量作為滹沱河流域平原區地下水流場發生異變的主導因素，隨降水量減增，同期地下水補給量與開采量呈互逆變化規律。而在開采量中，農業灌溉是引起石家莊地區地下水位下降的主要原因[15-17]。而以地下水作為灌溉主要水源的滹滏平原，地下水位下降的幅度與區內糧蔬播種強度和夏糧、蔬菜播種面積不斷增大密切相關[18]。

綜合以上研究成果，本文從降雨和開采量兩個因素出發，探討其對淺層地下水水位的影響。

4.1 大氣降水

降水是淺層地下水最直接、最主要的補給來源。因受溫帶大陸性季風氣候的影響，研究區降水量年內分配不均，汛期6-9月降水占年降水總量的85%左右。

根據1981-2015年降水量分析可知，研究區多年平均降水量為505 mm。受大陸性季風氣候影響，降水量年際變化較大，豐水年和枯水年相差2～3倍，豐枯交替出現。1981-1986年為相對枯水期，年均降水量為432 mm，地下水水位連年下降，水位埋深從1981年的4.42 m增大到1986年枯水年時的8.32 m。其中，1984年較1983年埋深增大幅度最大，達到1.03 m。1987-1996年為相對豐水年，年均降水量達到613 mm，地下水水位呈上升趨勢，1995年豐水年時，地下水位較上年上升了2.73 m。1997-2007年進入相對枯水期，年均降水量僅為420 mm，地下水位持續下降，在1997-2000年水位埋深在6.56～9.22 m，2001年埋深增大幅度最大(2.97 m)，之后平均水位埋深保持在12.35 m左右；而2008年之后降水量雖有所回升，但其年均降水量僅為540 mm處于相對平水年，地下水水位埋深呈總體下降趨勢，變化幅度較小，但平均水位埋深仍然較大(12.10 m)(圖5)。

圖5 研究區降水量與地下水位變化關系圖 Fig.5 Relationship between precipitation and groundwater level change

由此可知，在降水量充足的年份，由于開采量較少，地下水位埋深下降的趨勢緩慢，反之，降水量稀少時，開采量也隨之增加，導致地下水位埋深下降趨勢明顯。因此，降水量對地下水年際變化的影響在豐水年和枯水年時表現明顯[4]。

為進一步分析地下水位隨降水量的變化規律，將1981-2015年降水量與多年平均降水量差值作為橫坐標，以平均水位埋深變幅作為縱坐標，建立兩者相關關系圖，見圖5。從圖5可以看出，降水量小于多年平均值，則水位埋深變化多為正值，水位下降；降水量越少，埋深增大越明顯，說明水位下降越明顯，隨著降水量的增大，水位下降的速率減緩，甚至出現回升，二者具有一定的相關關系[19]。

依據1989-2015年三14和永4-1兩個觀測井的26 a長系列觀測資料分析其動態變化特征。

三14處于北部山前沖洪積平原水文地質區，水文地質條件較好。從其水位變化曲線可以看出，1989-1998年年末水位隨年降水量多寡而起伏變化，此期間水位雖起伏波動，但從總的趨勢看可視為相對平穩段。1999、2000年連續兩個枯水年，地下水位大幅度下降；2001年降水量增加，水位有所回升；2002年復下降；2002-2005年為水位平穩段，2006-2010年水位緩慢下降，2011-2015年受開采影響，水位緩慢下降(圖6)。

永4-1處于南部永定河沖積平原水文地質區，其水位變化與北部基本相似。1989-1998年水位隨年降水量大小起伏變化，峰谷迭現，但仍屬于水位變化相對平穩段；1998年以后至2006年以枯水年為主，水位持續下降，為水位緩慢下降段；2007-2015年永清縣降水量較大，地下水位緩慢上升，為水位上升段(圖6)。

圖6 典型井淺層地下水水位變化與降水量關系曲線圖Fig.6 Relationship between precipitation and water level change in shallow groundwater of type-well

由此可以看出，降水量的年際性變化規律對地下水動態規律有重要影響，在排除開采因素干擾后，水位隨降水量變化而變化[20]。

4.2 人工開采

地下水位年際變化表現出持續下降的態勢，與開采量持續增大密切相關。由圖7可知，1981-1990年，淺層地下水開采量較小，平均為4.17 億m3，在此期間開采量呈不斷增大的趨勢，從1981年的3.46 億m3增大到1988年的4.29 億m3，相應地地下水位埋深從4.42 m增大到8.67 m。

而1991-2000年開采量迅速增加，除個別年份開采量較大，如1992、1993、2000年達到8.0 億m3，其他年份淺層地下水平均開采量基本保持在7.10 億m3/a，平均地下水位埋深基本保持在7.2 m左右，2000年最大為9.22 m。

2001-2015年地下水開采量有所下降，總體呈下降趨勢，地下水位下降趨勢有所緩和，但水位埋深仍然較大。2001-2006年平均開采量為6.78 億m3/a，平均水位埋深為12.31 m，2006年以后地下水開采量雖維持在平均5.83 億m3/a，但仍然處于超采狀態，平均水位埋深為12.16 m。淺層地下水開采量與地下水位埋深關系擬合曲線見圖7，隨著開采量的增加，淺層地下水水位埋深逐漸增大，增大速率由小變大，二者相關關系較為明顯。

圖7 淺層地下水開采量和地下水位變化圖Fig.7 Variation of shallow groundwater withdrawal and groundwater lever

5 結 語

(1)廊坊平原區淺層地下水年際呈明顯下降趨勢，1997年之前因降水量較少，開采量亦不大，水位埋深較淺；1997-2001年因處于相對枯水年，加之開采量的增大，水位迅速下降，埋深變大；2001年之后降水量不大，地下水仍處于超采狀態，水位緩慢下降，但埋深仍然較大。受降水和開采的雙重影響，廊坊平原區多年淺層地下水連續下降。

(2)廊坊淺層地下水流系統演化總體上分為3個階段。監測起始期，淺層地下水流場近似天然狀態，地下水埋深普遍較淺；水位快速下降期，天然流場發生變化，地下水漏斗初現雛形；水位勻速下降期，流場基本穩定，地下水降落漏斗中心水位相對穩定，地下水流向及補給均發生改變。

(3)地下水開采和大氣降水是導致地下水流系統變化的主導因素。降水量對地下水位年際變化的影響在豐水年和枯水年時表現明顯，豐水年出現地下水位回升或下降幅度減緩，枯水年地下水位下降幅度明顯增大。地下水位年際變化表現出持續下降的態勢，與開采量持續增大密切相關。

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