衡水市淺層地下水時空動態變化特征分析

于曉彤

（河北省衡水水文勘測研究中心，河北 衡水 053000）

衡水市為華北平原水資源最為匱乏的地區之一。由于長期超采深層地下水，區域地下水位不斷下降，形成地下水降落漏斗，進而引發地裂縫、地面沉降、地下水水質污染等環境地質問題。為解決地下水嚴重超采問題，國家有關部門逐步開展了華北地區地下水超采治理工作，使衡水深層地下水超采狀況得到有效緩解，但水資源供需矛盾依然嚴峻，且對淺層地下水的開發利用需求十分迫切[1]。

淺層地下水資源量為地下水飽和含水層逐年更新的動態水量，可以直接接受大氣降水和地表水補給。淺層地下水資源為水資源的重要組成部分，受地質構造及水文地質條件等因素影響，與大氣降水資源和地表水資源密切聯系，互相轉化。本文通過研究衡水不同水平年淺層地下水動態特征及其對降水的響應，為合理高效開發利用衡水淺層地下水提供一定參考。

1 研究區概況

衡水位于河北省東南部平原區，屬于溫帶大陸性季風氣候，多年平均降水量509.7 mm，年蒸發量129.5 mm。地勢平坦，海拔12～30 m，屬于沖洪積、沖湖積平原地貌，根據第四系地層特征，平面上橫跨3 個構造單元，即西北部冀中坳陷區、中部滄縣隆起區和東南部黃驊坳陷區；垂向上自上而下劃分為4 個含水組即第Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ含水組，第Ⅰ、Ⅱ含水組為淺層地下水，第Ⅲ、Ⅳ含水組為深層地下水[2]。

本文研究淺層地下水，其補、徑、排條件在天然狀態下受其所在地域的地形地貌及含水層巖性等因素的制約。衡水淺層地下水屬于潛水和微承壓水，位于第Ⅰ、Ⅱ含水組，巖性以粉砂為主，大氣降水入滲、地表水滲漏為其主要的補給來源。由于衡水地勢平緩，地下水水力坡度小于1/400，地下水徑流較弱，側向補給量、排泄量很小，所以人工開采、潛水蒸發、越流排泄為其主要排泄方式。

2 數據來源

20 世紀70年代，為全面掌握衡水地下水動態，衡水水文中心設立了人工地下水觀測井，如今衡水形成由366 眼監測井組成的地下水自動監測站網。本文選取衡水參與河北省地下水情況通報淺層地下水自動監測站，并從中選取代表不同層位埋深的地下水代表站。由于降水補給為淺層地下水資源主要補給來源，不同水平年降水量大小直接影響當年地下水水位變幅情況。2019—2021年衡水降水量分別為382.5、510.4、843.7 mm，將其作為枯、平、豐水平年的代表年。

3 淺層地下水時間動態變化特征

通過對2019—2021年衡水淺層地下水自動監測站網監測井埋深數據統計，衡水淺層地下水動態類型主要有降水入滲蒸發型、農業灌溉-降水入滲越流型、降水入滲開采型。

3.1 降水入滲蒸發型

該類型淺層地下水補給項主要為降水入滲，排泄項主要為潛水蒸發，主要分布于桃城區中部、南部，冀州區北部，故城縣北部、東部，地下水埋深小于5 m。2021年故城縣青罕淺層地下水埋深動態變化，如圖1所示。

圖1 2021年故城縣青罕淺層地下水埋深動態變化

該類型地下水動態變化年內可分為3 個階段：第1階段發生在1—5月，淺層地下水埋深逐漸增大，此階段大氣降水較少，不足全年的20%，隨著3、4 月氣溫回升，植被生長，潛水蒸發作用不斷增強，地下水位逐漸下降；第2 階段發生在5—10 月，涵蓋整個雨季，淺層地下水埋深不斷減小，此階段為全年降水的集中發生時節，占全年的66%以上，而蒸發作用在此階段減弱，降水入滲作用占主導地位，地下水位大幅度回升，而埋深最小峰值晚于降水最大峰值，說明降水入滲補給地下水具有滯后性[3]；第3階段發生在10 月至年末，地下水埋深不斷增大，此階段降水大幅減少，潛水蒸發逐漸成為主要影響因素，地下水位不斷下降。

3.2 農業灌溉-降水入滲越流型

該類型淺層地下水補給項為農業灌溉入滲、降水入滲，排泄項主要為越流排泄，主要分布于桃城區西北部，冀州區，武邑縣，深州市南部，景縣、阜城縣西部等有咸水分布的農灌區，地下水埋深多為5～15 m。2020年桃城區代家口淺層地下水埋深動態變化，如圖2所示。

圖2 2020年桃城區代家口淺層地下水埋深動態變化

該類型地下水動態變化年內可分為4 個階段：第1階段發生在1—5月，淺層地下水埋深逐漸減小，此階段1—3 月降水量較少，引黃、引衛等地表水引水工程有效緩解了春灌用水短缺，農業灌溉入滲水量占主導地位，4—5 月降水量增多，淺層地下水位逐漸上升；第2階段為5—7月初，淺層地下水埋深不斷增大，此階段深層地下水開采量大、埋深大，潛水越流補給承壓水[4]，降水及引水工程補充不足，淺層地下水位快速下降；第3 階段發生在7—10 月，淺層地下水埋深不斷減小，此階段大量的降水使地下水得到補充，地下水位不斷回升，且降水入滲補給地下水具有滯后性；第4階段發生在10月至年末，此階段降水大幅減少，地下水埋深不斷增大。

3.3 降水入滲開采型

該類型為衡水淺層地下水典型動態類型，補給項主要為降水入滲，排泄項主要為人工開采，廣泛分布于衡水北部、東部、南部淡水分布區，地下水埋深為10～50 m。 2020年安平縣安平淺層地下水埋深動態變化，如圖3所示。

圖3 2020年安平縣安平淺層地下水埋深動態變化

該類型地下水動態變化年內可分為4 個階段：第1 階段發生在1、2 月，無地下水開采，地下水埋深緩慢減小；第2 階段發生在2 月末至6 月初，降水量較少，而農業開采量較大，地下水埋深迅速增大，5 月降水增大使地下水位短暫回升后繼續下降；第3 階段發生在6—9 月，降水量較大，農業開采量減少，地下水位埋深不斷減小，且降水入滲補給地下水具有滯后性；第4 階段發生在9 月末至年末，降水量減少，秋灌開采使地下水位短暫下降后緩慢回升。

4 淺層地下水空間動態變化特征

對衡水淺層地下水動態類型分析，發現降水補給為淺層地下水補給最主要來源。采用2019—2021年衡水淺層地下水自動監測站網地下水埋深監測數據，利用地統計學插值分析法繪制衡水不同水位期地下水埋深分布，分別如圖4—6所示。

圖4 2019年衡水低水位期（6月）與高水位期（9月）埋深分布

從圖4—6 可以看出，衡水淺層地下水埋深整體呈現自西北向東南方向遞減分布特點，大部分區域埋深在1～15 m，年內變幅約在0～5 m，中部、東南部部分區域埋深較淺，小于5 m，而北部區域埋深最大且變幅大，高水位期（12 月）埋深為30～50 m，低水位期（6月）埋深為30～70 m。

對比衡水淺層地下水不同水平年高、低水位期特征值發現，不同水平年低水位期地下水埋深覆蓋范圍與面積空間變化不明顯，而高水位期受汛期降水補給影響，0～10 m 埋深覆蓋范圍與面積出現明顯增大趨勢。枯水年（2019年）高水位期比低水位期0～10 m 埋深覆蓋范圍及面積為減少趨勢，10～50 m 埋深覆蓋范圍及面積為增大趨勢，這是由于汛期降水補給不足導致的，而且側面反映了淺層地下水埋深動態變化受降水入滲深度影響，極限深度小于10 m[5]。平水年（2020年）高、低水位期埋深覆蓋范圍與面積空間變化不明顯。豐水年（2021年）高水位期比低水位期0～10 m 埋深覆蓋范圍及面積為明顯增大趨勢，10～15 m 埋深覆蓋范圍及面積為明顯減小趨勢，說明豐富的降水補充了地下水存量，抬升了地下水水位。衡水淺層地下水不同水平年高、低水位期特征值，詳見表1。

表1 衡水淺層地下水不同水平年高、低水位期特征值

5 結論

在地下水超采治理背景下，本文以2019—2021年衡水淺層地下水自動監測站地下水埋深數據為基礎，通過分析研究得出如下結論。

（1）近幾年，淺層地下水動態類型主要有降水入滲蒸發型、農業灌溉-降水入滲越流型、降水入滲開采型。分析淺層地下水動態變化特征，得出以下結果：降水入滲蒸發型分布于地下水埋深小于5 m 的區域，年內地下水動態變化可分為3 個階段，水位年初至年末經歷下降-回升-下降；農業灌溉-降水入滲越流型多分布于有咸水的農灌區，地下水埋深約在5～15 m，年內地下水動態變化可分為4 個階段，水位年初至年末經歷上升-快速下降-快速上升-下降；降水入滲開采型廣泛分布于衡水淡水分布區，地下水埋深約在10～50 m，年內地下水動態變化可分為4 個階段，水位年初至年末經歷短暫上升-持續下降短暫回升后快速下降-階段上升-短暫下降后上升。

（2）降水入滲為地下水主要補給來源，結合降水年內變化，從3 種地下水動態類型均能反映出降水入滲補給地下水具有滯后性。

（3）利用地統計學插值分析法繪制衡水不同水位期地下水埋深分布圖，發現衡水淺層地下水埋深整體呈現自西北向東南方向遞減分布特點，大部分區域在1～15 m，年內變幅約在0～5 m，而北部區域最大且變幅大。不同水平年低水位期地下水埋深覆蓋范圍與面積空間變化不明顯，而高水位期受汛期降水補給影響，0～10 m 埋深覆蓋范圍與面積豐水年出現明顯增大趨勢。