沧州市地下水开采漏斗与城市地质环境演变模式及趋势分析

沧州市地下水开采漏斗与城市地质环境演变模式及趋势分析摘 要：通过对上个世纪七十年代以来沧州市地下水开发利用、地下水降落漏斗发展情况的分析，得出了沧州市地质环境条件下地面沉降、地下水漏斗发展与地下水开采的相关关系，提出了修复和控制地质环境的措施。关键词：沧州市 地下水开采 地下水埋深 地面沉降 开发利用因过量超采地下水，我国华北地区已经成为世界地下水开采漏斗分布最集中的地区。其中地处渤海之滨的河北沧州市因为特殊的不利水文地质环境和超采量最多，漏斗的面积和深度 “成长”最快。目前，漏斗中心水位埋深接近 100m，沧州市中心地面整体沉降已达 1.68m；2001 年底，沉降中心累计沉降量已经达到 2236mm。温家宝总理在 2000 年 12 月 15 日讲到“华北地区长期超量开采地下水已引起许多环境效应，河北平原近年出现了 4 万多平方公里的连片超巨型地下水位漏斗”。2001 年世界地球日，中央电视台“焦点访谈”对沧州市地下水漏斗进行了专题报道。可见沧州的地下水开采漏斗以及由此引发的地质环境问题已经被世人关注，长此以往，“桑田沧海”绝非杞人忧天。对漏斗及其地质环境演变趋势进行分析，对沧州市的可持续发展意义重大。1、 沧州市地下水开采历史回顾1.1 浅层地下水的开发历史沧州市素有“九河下梢”之称，河北省中、南部地区的洪、沥水大多经沧州境内入渤海。建国初期至六十年代中期，横贯境内的子牙河、南运河常年过水，客水资源相当丰富。当时，广大农村的经济基本处于缓慢的发展状态，靠天吃饭的思想占统治地位，也不具备开发利用地下水的技术和相应经济实力，因此，地下水基本上没有开采利用。六十年代后期至七十年代，上游相继建成了许多大大小小的蓄水工程，进入沧州境内的客水资源逐年减少。1970 年前后，南运河、子牙河相继断流。为了保证农业的快速稳定发展，开始逐步开发利用地下水资源，而且发展速度较快，其发展基本概况见表 1、图 1。从图表看出：沧州市浅层地下水开采可分为三个阶段。1976 年至 1980 年为第一阶段，这段时间机井建设发展较快，1978 年全市浅机井 75649 眼，是机井建设历史上机井数量最多的年份，在此基础上，地下水开采量大增，到 1980 年开采量增至本阶段的最高值，达 4.520108m3。1980 年至 1995 年为第二阶段，第二阶段开采量的变化特点是相对稳定的阶段，年开采量随年降水量的年际变化围绕多年平均开采量4.1108m3 这一均值上下波动。第三阶段是 1996 年至 2005 年，此阶段是浅层地下水年开采量下降的阶段。分析出现这种情况的原因，主要是因为 1996 年以后出现了又一个枯水年段，8 年中只有 2003 年降水量大于多年平均降水量，却有 1997、1999、2002 年等特枯年，连续的枯水年造成地下水位迅速下降，全市埋深从 1995 年的 4.09m 迅速增大到 8.69m。由于浅层地下水位的下降，地下水出水量在减少，提水成本在增加，许多地区真空泵井报废，浅层地下水井数目减少，开采量相应减少，取水量向深层地下水转移。1.2 深层地下水开采历史1966 年以前，沧州市工农业生产及城镇生活用水完全依靠地表水和少量的浅层地下水。广大农村的农业水利化程度极低，产量低而不稳，且没有保证。1966 年，为解决北方干旱地区农业低产的问题，国务院组织召开了北方八省（市）抗旱会议，开始对河北平原进行农田供水水文地质勘察。各县相继组建了打井队，开始了专业队伍与群众队伍相结合的打井高潮，使沧州的机井建设得到了飞速发展。为适应工农业生产发展的需要和城镇生活用水的需要，机井建设和机井配套工程也不断增加。到 1986 年，全市深机井总数达到 14679 眼，1990 年达到 15771 眼，1993 年达到 17191 眼，1999 年达到 21108 眼，2003 年达到24136 眼。随着深机井建设的快速发展，深层地下水的开采量也随之迅速增加。将 1976 年以来各开采年段的开采量统计如表 2|、图 2。 由图表看出，深层地下水的开发也大体经历了三个阶段：1976 年至 1980 年为第一阶段，此阶段为机井建设起步阶段，深机井数量急剧增加。1981 年至 1995 年为第二阶段，此阶段为稳定发展阶段，深机井数量在经过了第一阶段的急剧增长后速率缓了下来，总数维持在 1500017000 眼左右，年平均开采量也保持在 4.45.2108m3。1996 年至 2005 年，随着工农业生产的迅猛发展，需水量急剧增加，上个世纪末期的 1996 年至 2000 年，年平均开采量达到了 6.5108m3，进入 21 世纪以来，2001 年至 2005 年，年均开采量高达 7.3108m3。按照水资源评价导则确定的方法计算，沧州市的深层地下水允许开采量为 2.92108m3，由此计算20012005 年的年平均超采系数为 1.5，说明最近几年深层地下水的超采严重。2、超量开采地下水形成地下水漏斗情况2.1 浅层地下水漏斗浅层地下水主要接受降水和灌溉的补给，因为开采强度差异，沧州市境内形成两个主要漏斗区：河间献县、南皮盐山，2005 年埋深大于 10m 的面积达到 3688km2，占整个沧州市总面积的 26%。河间献县漏斗发展变化见图 3。2.2 深层地下水漏斗地下水的连年超采造成地下水漏斗面积不断扩大，漏斗中心埋深不断加大，漏斗向纵深方向发展的同时漏斗面积不断扩大。以 50 m 埋深等值线为例，1975 年 50m 埋深等值线所包围的面积为 76km2，南北长为 9km，东西宽为 16km，到 2003 年漏斗 50m 埋深等值线的面积已达 6862km2，占全市总面积的 49%。南北长增大到 150km，东西宽增大到 141km ，28 年内面积增加了 6786 km2，平均年增长速率为 242 km2。从漏斗东西方向的剖面图（如下图）可以很清晰的看出近二十多年漏斗在纵向和横向的发展情况。如今漏斗形态已发生了变化，和其它漏斗连成了一片，从单一漏斗发展成复合漏斗，形成了 1.4 万km2 全国罕见的降落“漏斗群”。3、 地下水漏斗形成的原因分析3.1、不利的水文气象条件沧州市多年平均降水量 549.5mm，但是从上个世纪八十年代以来，沧州市进入降水相对较枯的时期，平均降水量只有 516.3mm。本地地表径流量逐年减少，从 10 亿 m3 降到 1.8 亿 m3。图 5 沧州市不同年代河道径流量统计 单位：亿 m33.2、特殊的地质、地理条件沧州市远离山前地区，深层地下水补给路线长，侧项补给量十分有限，埋藏较深的再生能力弱。上游水利工程拦蓄，使进入沧州的地表水大幅度减少。由于连年干旱与需水量增加，水库过度拦截基流，导致河道相继断流，河流生态系统几近毁灭，并大大减少了平原地下水的补给源。3.3、无节制开发地下水是漏斗形成的主观原因虽然地下水补给量减少，但是工农业生产取用的地下水水量由 1980 年的 4.7 亿 m3,变为 2005 年的7.3 亿 m3。资源量减少、开采量增大使得地下水漏斗形成不可避免。4、 地下水漏斗引发的地质环境问题4.1、地面沉降大量超采地下水引起沧州市地下水位的的大幅下降，特定的水文地质条件（易压缩的粘性土比例较大）引发了大幅度的地面沉降。我国 4 个地面沉降超过 2 米的城市中，沧州名列其中，2001 年其沉降中心累计沉降量已达 2236mm，平均每年下降 100.4 mm。地面的大幅度沉降给沧州带来了一系列的社会和环境危害。（1）城区内涝积水严重。由于地面沉降，原来城建设计修建的城市排水系统因地面沉降形成倒坡，致使管道淤积或堵塞，造成排水不畅，每年雨季大雨过后，不少居民小区的积水深及腰部，很多居民屋内也是积水难排，形成大面积积水，影响了城市交通，给人民生活造成不便。 （2）对水利工程防洪造成的危害。地面沉降造成各河道的防洪能力都大大降低，洪涝灾害加剧。南运河从沧州市区穿流而过，1989 年南运河务处测量结果表明，市区段两岸堤防平均下沉 0.80m，致使原设计行洪标准 120m3/s 的南运河，现在（2003 年引黄济津）通过 80m3/s 流量时就险象环生，两岸告急，如仍按原设计标准行洪，势必造成漫堤决口之害。为保证未来南水北调东线正常输水，只能对市区段运河大堤加高，而运河也将成为地上悬河，形成船在高处走，车在低处行的状况，对市区安全造成严重的威胁。（3）对测量标志造成的危害。国家投巨资建设的水准网点，由于地面沉降高程发生了变动，已不能称其为“水准点”，给水利、城市规划、和交通建设带来很大困难。（4）地面沉降对楼房、铁路、公路、桥梁、输油管道、天然气管道的安全是一种潜在的威胁。按目前情况分析，沧州市的地面沉降系均匀沉降，一旦出现非均匀性沉降的情况，对城市建筑的危害及造成的损失就是不可估量的。（5）地面的沉降又进一步导致了地裂缝的发生。最近 5 年中，沧州共发现地裂缝 20 余处，孟村小戴庄至沧县东卷子地裂缝，宽口达 20 厘米，深不见底，并伴有小面积塌陷。在任丘出现的一条地裂缝，最宽处达 3m，长约 4km。白洋淀千里堤、滹沱河北大堤曾发现大的横穿裂缝，严重影响防洪安全。地裂缝的频频发生给人们的生命安全带来了危机。（6）风暴潮危害进一步加重。 19982001 年，沿海一带地面沉降量约为 45mm，累计沉降量约为500600mm。地面沉降、造成抗风暴潮能力的降低，加大风暴潮的危害程度。从 19922003 年发生的 3次风暴潮来看，其危害程度逐年加重。如不采取有效措施控制地面沉降，若干年后海岸带地面将低于海平面，如遇风暴潮，海挡将失去效能，所造成的危害会越来越大。4.2、咸淡水界面下移地下水的严重超采引起咸淡水界面明显下移。1990 年到 2000 年沧州市沧县典型研究区的咸淡水界面下移超过 8.81m，最大下移深度超过 30m。咸淡水界面的下移使咸水入侵深层淡水，最终将导致深层水的咸化，其后果不堪设想。4.3、机井报废加快，提水成本增加，引起一些社会问题地下水位埋深的连年增加,造成水井提水泵扬程不断加大，机井单井出水量在减少，水井运行费用大幅度增加，机井报废加快，提水费用增高。沧州市年均报废机井 5000 眼左右，机泵已经换了代。机井越打越深，东部沿海县市深井已达 500m800，每眼井投资 20 万25 万元。打井费用、浇地成本与 20世纪 80 年代相比增加了 510 倍。地下水位下降使农村饮用水井干涸，带来新的人蓄引水困难和饮水安全问题，造成城市和农村、工业和农业之间的争水矛盾不断加深和扩大。饮用水问题，越来越成为城乡居民安居乐业的重要考虑因素，群众生活不安心，已成为严重的社会问题。地下水开采漏斗不仅伴随着地面沉降、海水入侵，也预示着这一地区今后的可持续发展将会面临更大问题。5、 地下水环境修复措施沧州市已经成为全国地下水超采最严重、地下水位降落漏斗面积和地面沉降面积最大的地区之一。地下水的开发利用形势已很严峻，在可预见的以后几年，本区水资源不会有太大的变化，本地区的人口和经济结构要求的需水量在没有其它外来水源的替代下，也不会有大的浮动。如此，在维持现状开采条件下，地下水的开发利用前景将不容乐观。因此必须采取措施加紧治理，扼制环境地质继续恶化。 （1）通过采取封停自备井控制压缩深层水开采、扩大非传统水利用、调整产业及种植结构、发展旱作农业及地下水降落漏斗中心回灌等综合措施后，可使市区长期超采的深层地下水得到恢复，逐步达到地下水采补平衡。 （2）沧州市东临渤海，有丰富的海水资源，目前开发程度很低，而淡水缺乏又一直制约着工业的发展。因此，开发利用海水，解决工业缺水问题势在必行。海水一是可以直接利用，主要作为冷却水。二是海水淡化，这项技术国内外发展很快，被广泛应用，应充分利用这一资源优势，将沧州市区工业发展向东部转移，建立工业发展基地，沧州市区应主要发展精细高科技项目。利用海水集中发展化工业及其它行业，既能缓解缺水矛盾，又能保护水生态环境，利国利民。（3）针对沧州地处九河下梢的地理优势，充分利用平原区的河道和河网，地下水与地表水联合调度，实现雨洪水资源化。（4）为了合理开发和高效利用水资源，保障地下水合理开发使用，促进水资源持续利用，依照水法地下水和有关的法律法规，结合本市水资源现状制定配套的管理办法。加大水资源管理执法力度，依法严厉打击违法违规行为。逐步建立地下水限采区和禁采区。限采区内严格按照建设项目水资源论证管理办法规定，进行水资源论证，水行政主管部门对取水用户实行总量控制和定额管理；禁采区内禁止新建、改建、扩建建设项目取用地下水资源；使地下水超采得到控制和治理，生态环境逐步得到改善。（5）做好南水北调配套工程。根据南水北调供水时间，要做好蓄水配套工程和完善供水系统，使宝贵的水源能够高效利用，避免浪费，同时要加强水污染防治工作。沧州市水资源紧缺的状况还将依然存在，而且还将继续扩展，社会各个环节都应把节水放到首位，自然规律既然是不可改变的，那么就约束人类自己的活动，把地表水和地下