淮北平原超深層地下水開采動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)問(wèn)題與智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)建設(shè)構(gòu)想研究

摘要：安徽省淮北平原是中、深及超深層地下水大量持續(xù)開采的區(qū)域，多年來(lái)已造成不同程度地面沉降及危害。歷史至今對(duì)大于500m超深層地下水的水位與開采量缺少監(jiān)測(cè)，持續(xù)發(fā)展可能造成較嚴(yán)重的地面沉降及其危害。及時(shí)建立智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，補(bǔ)充對(duì)超深層地下水水位與開采量的監(jiān)測(cè)與控制，防止地面沉降進(jìn)入快速衰變破壞階段，是十分重要的。

關(guān)鍵詞：超深層地下水；監(jiān)測(cè)問(wèn)題；地質(zhì)危害

1.研究區(qū)概況

安徽省淮北平原地處安徽省北部、黃淮海平原南緣，屬中亞熱帶濕潤(rùn)季風(fēng)氣候，氣候溫和、濕潤(rùn)，春夏多雨，盛夏炎熱，秋季干旱，冬季溫和，四季分明。多年平均氣溫16.5℃，最高氣溫40.4℃，最低氣溫-12.9℃。夏季平均氣溫31.7℃，冬季平均氣溫0.44℃，年平均相對(duì)濕度77%～80%，年平均潮濕系數(shù)0.95，屬濕度充足—適中帶。多年平均降水量1375.9mm，年最大可達(dá)2492.4mm，年平均蒸發(fā)量1369.8mm。

該地區(qū)第四系與新近系松散巖類發(fā)育，大部分地帶賦存有較豐富的地下水。根據(jù)埋藏條件、水力學(xué)特征等，一般將本區(qū)松散巖類孔隙地下水劃分淺層潛水、中層承壓水、深層承壓水三類，其中，淺層地下水埋深一般小于40mm，主要為農(nóng)業(yè)灌溉開采；中層地下水埋深40m～ 150m，主要為城市集中供水開采；深層地下水埋深在150m以下，主要為城市集中供水和農(nóng)村安全飲水工程井（以下簡(jiǎn)稱農(nóng)飲井）開采利用。據(jù)“安徽省2019年水資源公報(bào)”[1]估算，中層、深層地下水開采量約3.8×10⁸m3，中、深層地下水在淮北平原處于集中與區(qū)域性分散的全面大量開采狀態(tài)。

2.開采現(xiàn)狀及動(dòng)態(tài)特征

在淮北平原，超深層地下水是指開采深度大于500m的松散巖類孔隙水和松散巖孔隙與碎屑巖類孔隙裂隙地?zé)岬叵滤陨鲜兰o(jì)90年代以來(lái)，淮北平原陸續(xù)有超深層地下水開采，主要為一些大型企業(yè)生產(chǎn)用水和開采地下熱水用于洗浴、小區(qū)供水等。如亳州市某大型企業(yè)開采井深達(dá)到600m，年開采深層—超深層地下水達(dá)300萬(wàn)方之多[2]（2014年數(shù)據(jù)）。根據(jù)安徽省水工環(huán)地質(zhì)工作規(guī)劃地?zé)岬刭|(zhì)工作方向研究專題報(bào)告[3]（2014年），在2014年之前，亳州、阜陽(yáng)市域內(nèi)有統(tǒng)計(jì)的地?zé)峥子?3眼，實(shí)際可能達(dá)到20多眼以上，亳州地?zé)峥谆痉植荚谫裰莩鞘袃?nèi)，阜陽(yáng)地?zé)峥追植荚诟逢?yáng)城市內(nèi)和界首市臨泉縣等，處于部分開采利用狀態(tài)，主要用于洗浴，單眼開采量1000m3/d～ 2000m3/d不等。

由于近年來(lái)取締城市及鄉(xiāng)鎮(zhèn)燃煤鍋爐，主要在阜陽(yáng)、亳州市域施工取用超深層地下熱水作為洗浴明顯增多，雖然無(wú)證開采被查封的時(shí)有報(bào)道，但據(jù)了解仍有不少開采井在利用。

安徽省超深層地下水與地下熱水主要取用新近系明化鎮(zhèn)組以下管陶組半膠結(jié)含水層，其頂板埋深一般450m～ 500m，底板埋深約850m～900m[4][5]，大部分層段為粘性土夾中砂與中粗砂松散巖類孔隙水賦存，并與上部深層孔隙地下水不同程度存在水力聯(lián)系，這樣，大量開采超深層地下水與地下熱水導(dǎo)致水位快速下降與引起地面沉降。

根據(jù)有關(guān)文獻(xiàn)[6][7]，在上世紀(jì)90年代，天津市塘沽區(qū)地面沉降，其地下熱水儲(chǔ)層與安徽省阜陽(yáng)市、亳州地區(qū)類似，而后者巖土孔隙比更高，自然可壓縮性更高于天津市塘沽區(qū)，相近地下水開采條件下，發(fā)生地面沉降的速率與幅度會(huì)更大。

3.現(xiàn)有監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

根據(jù)安徽省地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測(cè)總站統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)[8]，淮北平原區(qū)是國(guó)家級(jí)地下水監(jiān)測(cè)網(wǎng)點(diǎn)重點(diǎn)區(qū)域，共完成國(guó)家級(jí)地下水監(jiān)測(cè)網(wǎng)點(diǎn)324個(gè)，其中新建及改建點(diǎn)297個(gè)，保留原國(guó)家級(jí)監(jiān)測(cè)孔27個(gè)，均為水位與水質(zhì)共用點(diǎn)；現(xiàn)有省級(jí)地下水監(jiān)測(cè)點(diǎn)74個(gè)。

監(jiān)測(cè)孔以淺、中、深孔隙地下水為主，包括少數(shù)巖溶地下水和裂隙水，詳見表2。

從表2可見，淮北平原地下水動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)孔以孔隙地下水淺中深層為主，深層次之，最大深度監(jiān)測(cè)孔位于阜南縣，孔深372m。因此，大于500m超深層地下水與地下熱水的水位與開采量動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)基本空白，而目前尚未見其他單位與部門系統(tǒng)性的超深層地下水與地下熱水動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)的工作成果與數(shù)據(jù)。

地面沉降致災(zāi)過(guò)程至少存在3個(gè)階段，即自然沉降機(jī)制階段、緩變劣變質(zhì)階段以及快速衰變破壞階段[9]。因此，在做好中、深、超深層孔隙地下水動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)與壓采限采與禁采工作中，及時(shí)補(bǔ)充超深層地下水動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)的空白，防止地面沉降進(jìn)入快速衰變破壞階段，是十分重要的。

4.智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)構(gòu)想

超深層地下水與地下熱水一般為公司或個(gè)人所有，純用于監(jiān)測(cè)的井孔幾乎沒(méi)有。因此，應(yīng)根據(jù)水法對(duì)地下水資源開采的管理職權(quán)，由地方政府職能部門負(fù)責(zé)，指派或評(píng)定專業(yè)技術(shù)單位對(duì)已有超深層井孔實(shí)施動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)與控制方案。

目前，隨著互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)大數(shù)據(jù)的普及，我省地下水動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)大多實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化監(jiān)測(cè)與數(shù)據(jù)傳送，但地下水開采量監(jiān)測(cè)基本未實(shí)現(xiàn)常態(tài)化與自動(dòng)化，這對(duì)分析水資源保證程度、水資源平衡計(jì)算、預(yù)測(cè)地下水開采趨勢(shì)及防治地面沉降危害、合理優(yōu)化水資源配置等都十分不利。因此，建立地下水開采動(dòng)態(tài)智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是必需的，建議以阜陽(yáng)市為安徽省示范城市，首要建立超深層地下水與地下熱水的開采動(dòng)態(tài)智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，主要技術(shù)與流程框架如下：

4.1技術(shù)路線

通過(guò)資料收集與整理篩選出監(jiān)測(cè)要素，同時(shí)，確定監(jiān)測(cè)途徑與方法，在此基礎(chǔ)上建立各類模型、確定界限指標(biāo)，實(shí)現(xiàn)屬性關(guān)聯(lián)并且落實(shí)和補(bǔ)充必要的監(jiān)測(cè)手段，最終建立一套較為完整智能物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，在安裝后進(jìn)行必要的數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)響應(yīng)及系統(tǒng)反饋調(diào)試，以確保系統(tǒng)正常運(yùn)行。技術(shù)路線圖如下：

4.2.動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)功能實(shí)現(xiàn)

開采井地下水動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)包括水位動(dòng)態(tài)自動(dòng)監(jiān)測(cè)與開采量動(dòng)態(tài)自動(dòng)監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)精度不要求達(dá)到區(qū)域?qū)I(yè)性監(jiān)測(cè)水平，建議監(jiān)測(cè)精度不低于0.25%。建議可在國(guó)內(nèi)已有的無(wú)線液位變送器自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)基礎(chǔ)上增加一體式電磁流量計(jì)開采水量自動(dòng)計(jì)量，以同時(shí)自動(dòng)獲得水位與水量的基本數(shù)據(jù)，并傳輸轉(zhuǎn)入本監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

例如西安云儀儀器儀表有限公司生產(chǎn)的YDWX-31N是一款NB-IoT傳輸?shù)臒o(wú)線液位變送器，采用NB-IoT技術(shù)，具有功耗低，傳輸效率高，資費(fèi)低等優(yōu)點(diǎn)。

參考文獻(xiàn)：

[1]祝麗萍.安徽省2019年水資源公報(bào)（R），安徽：安徽省水利廳， 2019.

[2]李志剛.安徽省亳州市地面沉降調(diào)查評(píng)價(jià)報(bào)告（R），安徽：安徽省地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測(cè)總站， 2014.

[3]李志剛.安徽省水工環(huán)地質(zhì)工作規(guī)劃地?zé)岬刭|(zhì)工作方向研究專題報(bào)告（R），安徽：安徽省地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測(cè)總站， 2014.

[4]黃多成.安徽省亳州市地?zé)豳Y源詳查報(bào)告（R），安徽：安徽省地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測(cè)總站， 2013.

[5]陳學(xué)鋒.安徽省阜陽(yáng)市城區(qū)地?zé)豳Y源預(yù)可行性勘查報(bào)告（R），安徽：安徽省地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測(cè)總站， 2016.

[6]王德潛.西安地?zé)衢_發(fā)與地面沉降、地裂縫及地震的關(guān)系分析（Z），西安：陜西省國(guó)土資源廳， 2013.

[7]徐佳.天津市地?zé)衢_采與地面沉降關(guān)系研究（J），山西建筑， 2012， 38（14）， 71.

[8]朱學(xué)群.國(guó)家地下水監(jiān)測(cè)工程（安徽省）委托管理工作報(bào)告（R）安徽：安徽省地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測(cè)總站， 2018.

[9]張光輝.河海平原東部地區(qū)地面沉降機(jī)理與趨勢(shì)（J），中國(guó)地質(zhì)災(zāi)害與防治學(xué)報(bào)， 2005， 16（1）13-17.