全面實施壓采后石家莊平原區地下水時空動態特征分析

李夢濤，何 鑫，劉 淼，秦 韜

（1.河北工程大學數理科學與工程學院，河北 邯鄲 056021；2.中國水利水電科學研究院水資源研究所，北京 100038；3.河北省水資源研究與水利技術試驗推廣中心，河北 石家莊 050000）

石家莊市作為一個資源型缺水城市，地表水資源稀缺，經濟發展常年依靠超采地下水，導致地下水降落漏斗面積和深度持續擴大，水資源供需矛盾十分尖銳。

2015年，石家莊市被列入河北省地下水超采綜合治理試點。2018年，石家莊市政府出臺了《石家莊市地下水超采綜合治理五年實施計劃（2018—2022年）》，確定到2022年實現累計壓采能力6.94 億m3，從而使地下水漏斗中心水位回升、漏斗面積逐步減小。為實現此目標，需要及時掌握實施壓采后石家莊市地下水時空動態特征，可為后續壓采工作的部署和實施提供重要的科學依據。

1 研究區概況

石家莊市地處河北省中南部，地勢東南低西北高，東部平原區總面積5 767 km2，根據平原區的水文地質條件可將其劃分為北部的沖洪積平原區、中部的河山前坡積—洪積水文地質亞區、南部的磁河—沙河沖洪積扇水文地質亞區以及東部的滹沱河沖洪積扇水文地質亞區，各含水層底板的砂層厚度均大致由東向西遞減。石家莊屬于溫帶季風氣候區，多年平均降水為543.2 mm，年內分布不均，季節差異明顯，近3 a 降水量均小于多年平均降水量，年際變化大，降雨總量較少[1，2]。 市內多年平均氣溫13.4 ℃，春季風力大，地表回溫快，蒸發旺盛，多年平均蒸發量1 616.6 mm。全市常住人口1 103.12 萬人，水資源需求量大，2019 年石家莊總用水量達到30.49 億m3，農業用水量占50.38%，總用水量中地表水用水量與地下水開采量分別占48.6% 和46.9%、其余4.5%為其他用水[3]。

2 地下水觀測數據

目前，石家莊地區地下水監測站網共計242 個監測點，采取人工觀測與自動監測相結合的方式，監測控制面積達8 685 km2[4]，筆者選取石家莊平原區80 個自動監測站2018 年1 月—2020 年10 月共34 個月的地下水觀測數據進行分析。這些自動監測站均位于淺層，大部分處于北部的沖洪積平原區和中部的河山前坡積—洪積水文地質亞區，井口高程在28～138 m，觀測期地下水平均埋深在3～57 m，單井單位涌水量大部分為30～50 m3∕（h·m）和10～30 m3∕（h·m），極少數為50～70 m3∕（h·m），監測頻率為每日6 次，自每日零點開始每4 h 更新1 次數據。自動監測站分布如圖1 所示，圖中三角標志的站點為后文中進行趨勢分析選取的典型觀測井。

圖1 石家莊平原區地下水自動監測站分布

3 地下水時空動態特征分析

3.1 時間序列變化及分析

首先，繪制自動監測站的地下水埋深時序圖。由于監測設備偶爾會出現故障等問題，導致監測數據缺失和異常的情況，因此利用線性插值方法對缺失數據進行插補[5]，并去除明顯的異常值，對于突然大幅度變化、長時間數據缺失的站點，認為其監測設備長期故障，不對其進行趨勢分析。最終，選取71 個自動監測站進行地下水埋深趨勢分析，觀察各監測站點的埋深變化曲線，根據變化趨勢將其分為6 類[6]，選擇各類中的典型觀測井進行趨勢分析，如圖2 所示。典型觀測井的基礎信息，詳見表1。

圖2 典型自動觀測站地下水埋深變化曲線

表1 典型觀測井基礎信息

自動監測站在觀測期內的地下水埋深隨時間變化規律可以分成以下6類：①無明顯變化趨勢，圍繞均值上下波動。典型觀測站編號30970120，位于新樂市，變化趨勢相近的站點有18 個，多位于石家莊平原區東北部，一般耕地居多。②整體下降趨勢顯著。典型觀測站點編號30970021，位于深澤縣，是選取的觀測站點中變化趨勢最普遍的一種，相似站點有24 個，多位于石家莊平原區中部，大部分為一般耕地。③持續上升。典型觀測站點編號30970007，位于石家莊市轄區，相似站點有7個，多為高密度城鎮，其中石家莊市轄區地下水埋深上升趨勢最為顯著。 ④先上升后下降。 典型觀測站點編號30970134，位于鹿泉區，另外4 個相似站點均位于鹿泉區，地下水埋深相對較淺。⑤整體緩慢下降。典型觀測站點編號30970090，位于趙縣，相似站點有10 個，集中在石家莊平原區中南部，多為一般耕地或低密度城鎮。⑥整體緩慢上升。典型觀測站點編號30970148，位于元氏縣，僅3個站點符合整體緩慢上升的趨勢。

通過觀察發現，①、②、⑤、⑥4 類均具有明顯的周期性，其所對應的土地利用類型以耕地為主。地下水埋深在3 月前后達到最高，隨著春耕及工業生產活動的進行，地下水水位持續下降，在8月前后達到最低。隨后，由于農業需水量減少以及降雨量增多，地下水埋深出現緩慢回升，直到翌年春季達到最高，依此循環。

水位持續上升的自動監測站多位于石家莊市轄區，此處地下水開采幾乎全部用于工業、生活，因此觀測數據沒有出現因農業灌溉開采而造成的水位年際波動。石家莊市轄區近年來開展了一系列地下水壓采工作，進行了多處水源置換，地下水開采井關停，使得地下水位得到恢復。

3.2 空間變化及分析

在Surfer 軟件中通過克里金法對地下水埋深數據進行空間插值[7]，繪制石家莊平原區地下水埋深等值線，選擇2018年2月26日與2020年2月26日的地下水埋深等值線圖進行對比，如圖3所示，觀察石家莊平原區地下水埋深的空間分布特點，并用2020年2 月26 日與2018 年2月26 日地下水埋深作差，如圖4所示，觀察地下水埋深空間變化趨勢。

圖3 不同時期石家莊平原區地下水埋深等值線

圖4 石家莊平原區地下水埋深變化曲線

從整體空間分布來看，石家莊平原區地勢西高東低，地下水水位北部地區顯著高于南部地區，西部地區顯著高于東部地區，水位由東南向西北逐漸升高。晉州市南部、辛集市北部、藁城市南部、趙縣及高邑縣全部范圍地下水埋深最大，達到40～50 m；欒城縣東部、藁城市中部、正定縣東部、石家莊市轄區東部地下水埋深36～40 m；周邊地區地下水埋深逐漸減小為20～36 m，鹿泉市東部、元氏縣東部地下水埋深達到20 m左右。

從空間變化趨勢來看，石家莊平原區地下水埋深整體變化在3.5 m以內，空間變化差異較大。中部、西部地區及辛集市北部地下水埋深明顯減小，其中藁城市中部及正定縣南部地下水埋深減小2～2.7 m，地下水位顯著回升，鹿泉市東部、石家莊市轄區、元氏縣東部、辛集市北部、無極縣南部地下水埋深減小0.3～1.5 m；北部、南部及東部地區地下水埋深顯著增大，特別是地下水埋深最大的趙縣、晉州市一帶地區埋深增大2～2.5 m，辛集市南部、深澤縣、無極縣北部、新樂市、行唐縣、靈壽縣、正定縣北部地下水埋深增大0.3～1.8 m。結合圖4與各自動監測站地下水埋深時序圖來看，地下水埋深顯著增大的是趙縣，該區域內所有自動監測站的埋深時序圖均有下降趨勢；地下水埋深顯著減小的是市轄區，該區域內所有自動監測站的埋深時序圖均有上升趨勢，地下水埋深時間、空間變化趨勢吻合。

3.3 石家莊平原區蓄水變量

淺層地下水蓄水變量計算公式[8]為：

式中：Q蓄為研究區地下水蓄水變量（億m3）；μ為含水層給水度；K為觀測時期內的水位變幅（m）；S為各區縣平原區面積（km2）。

借助ArcGIS軟件進行分區統計，計算出2018年2 月26 日和2020 年2 月26 日石家莊平原區各區縣的地下水平均埋深，以對應的地下水埋深作差得到水位變幅，平原區各區縣面積、給水度數據均來自于《2019 年度石家莊水資源公報附表》。石家莊平原區各區縣蓄水變量計算結果，詳見表2。

由表2 計算結果可以得到，蓄水量增多的有正定縣、藁城市、鹿泉區、市轄區、元氏縣、贊皇縣，處于平原區中部和西部；蓄水量減少的有靈壽縣、行唐縣、新樂市、深澤縣、無極縣、晉州市、欒城縣、趙縣、高邑縣，處于平原區北部、南部、東部，整體蓄水量減少1.69 億m3。結合圖4可以看出，趙縣、市轄區和晉州市全區地下水埋深變化趨勢一致，蓄水量變化最大，變化量超過1 億m3；正定縣、藁城市、無極縣、元氏縣區域內地下水埋深有增有減，整體蓄水變化量較小，在0.28億～0.43 億m3。

表2 石家莊平原區各區縣蓄水變量

4 地下水修復現狀與未來修復前景分析

石家莊市水資源公報顯示，2013 年石家莊平原區地下水平均埋深31.87 m，2014年增加到33.13 m，降幅速率為1.26 m∕a。之后，隨著地下水超采綜合治理工作的推進和南水北調中線工程的通水，2018年平原區地下水平均埋深為39.88 m，2019年增加到40.11 m[3]，降幅速率為0.23 m∕a，下降速率明顯趨于平緩。南水北調工程的水源補給直接用于城鎮生活和工業生產，因此農業用水占比小，工業及城鎮生活用水占比大的石家莊市轄區地下水位有明顯回升；而與之相反的趙縣，地下水開采量仍然較大，地下水位也仍在下降。總體來看，地下水超采綜合治理效果明顯，到2018年已形成壓采能力4.78 億m3。

石家莊市最新壓采計劃《石家莊市地下水超采綜合治理五年實施計劃（2018—2022 年）》預計到2022 年新增地下水壓采能力2.16 億m3。從目前來看，平原區地下水位實現止跌回升的區縣仍然偏少，未來的壓采任務仍然十分艱巨。因此，需要進一步推廣使用節水器具，加快節水設備改造，落實水源置換，特別是在農灌區需要繼續調整種植結構，改變灌溉方式，增加建設人工湖或中小型蓄水工程等，從而改善全市水資源條件，增強水源涵養能力[9，10]。從長遠來看，隨著南水北調中線二期工程的規劃和實施，長期堅持地下水壓采工作并接受南水北調水源補給，石家莊地下水位將逐步回升并趨于平穩[11]。