（地质工程专业论文）华北平原典型区地下水质及咸淡水界面变化研究.pdf

揍要 华j e 中东部平琢区缝表东资源缺乏，篷下浅部鑫瓣向东穰状分奄饕大量缝下藏承，葳东 体之下深层地下淡水就成为该区的主鬻供水水源。3 0 多年来，随着经济迅猛发展，生滔水平 的日益提高，本区深层地下水一直处于超采状态，导致了深层地下水水质成化和憾淡水界面 下移，严薰藏躲本醚供东安全。西诧，地下承永质及娥淡水器面变纯麓自费急需深入研究的 翅题。 本文以华北中部平原的衡水市作为典型研究区，在系统分析地下水动力场演化的基础 上，通过分析研究媳下水化学与测并资料，_ 泉揭示衡水市地下水质及成淡水界蕊变他的规律 蒋矮，羲溪未采典蘩区求爨获藏淡承器嚣交化，提爨蟪下承开发季l 零豹台理建参叉。 在大量收集了剿焱地理、地质、水文地质、地下水开采着h 用、水质簿基础资料的基础上， 重点收集了2 7 0 0 多眼深井孔测井资料，并补充采取1 4 组成、淡水水质全分析地下水样。结 合藤久鲍稻关磷究，毒l 霜m k p ( ；i s 空麟分析方法、承膜分析方法、数壤统计方法等方法分聿厅 黟 究了地下承动力场演化、地下水质变纯及威淡求界嚣下移。3 0 多年求深层地下水自越莱， 导致衡水市深层地下水头持续下降，深层地下水头与浅层地下水位之黪达到4 0 m 以上，弓i 发 深膳地下水质咸优和咸淡水群面下移等交纯，经计算咸淡承界面年均下移0 4 m 。 爆荻惫理论懿渊( i ，i ) 模型怼典型区零矮变纯秘威淡承赛嚣下移进行了定量颈测，到 2 0 2 0 年界丽埋深平均下移约1 2 m ，年均下降约0 6 m ，比前3 0 年的年均下移0 4 m 还要增加 5 0 。，如果不采取有效措施咸淡水界面将加速下移。 因瑟，在华l 中东部平缀嚣应g 大藏承、徽袋承穰震，减少深瑶撼下隶西慕量，这撵毵 能增加水资源利用，又可缓解深层淡水成化幂日咸淡水界面下移的趋势。 关键词：衡水市地卜- 水超采地下水质变化成淡水界面f 移 a b s t r a c t t h es u r f a c ew a t e rr e s o u r c e sa r ed e f i c i e n ti nt h em i d d l ea n de a s t e r np l a i no fn o r t hc h i n a ， a n dm o s to fs h a l l o wg r o u n d w a t e ri ss a l t yw a t e rd i s t r i b u t e df r o mw e s tt oe a s tw i t haw e d g y s h a p e t h u s ，d e e pf r e s hg r o u n d w a t e ru n d e r l y i n gs a l t yw a t e rb o d yb e c o m e st h em a i nw a t e r s u p p l yr e s o u r c e si nt h i sr e g i o n o v e rt h ep a s t3 0y e a r s ，a l o n gw i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to f e c o n o m ya n dt h er a i s eo fl i v i n gs t a n d a r d ，d e e pg r o u n d w a t e rh a sb e e no v e r e x p l o i t e d c o n t i n u o u s l y s o ，i th a st h r e a t e n e dt h es e c u r i t yo fs u p p l yw a t e rs e r i o u s l yt h r o u g hd e e p g r o u n d w a t e rs a l i n i z a t i o na n dt h ei n t e r f a c eo fs a l ta n df r e s hw a t e rd o w n g o i n g t h e r e f o r e ，t h e t h o r o u g hr e s e a r c ho nt h ec h a n g eo fg r o u n d w a t e rw a t e rq u a l i t ya n dt h ei n t e r f a c eo fs a l ta n d f l e s hi su r g e n t l yn e e d e da tp r e s e n t w i t hh e n g s h u ic i t yi nt h em i d d l ep l a i no fn o r t hc h i n ap l a i na s t h e r e p r e s e n t a t i v e r e s e a r c ha r e a , t h i sp a p e r , b a s e do nt h e s y s t e ma n a l y s i so ft h ed y n a m i c a le v o l v e m e n to f g r o u n d w a t e ra n dt h ea n a l y s i so nd a t ao fg r o u n d w a t e rh y d r o c h e m i s t r ya n dw e l ll o g ，h a s r e v e a l e dc h a n g ec h a r a c t e r i s t i co fg r o u n d w a t e rq u a i i t ya n dt h ei n t e r f a c eo fs a l ta n df l e s hw a t e r d o w n g o i n gi nt h i sa r e a ，h a sf o r e c a s tt h ec h a n g eo fg r o u n d w a t e rq u a l i t ya n dt h ei n t e r f a c eo f s a l ta n df l e s hw a t e rd o w n g o i n gi nt h er e p r e s e n t a t i v er e s e a r c ha r e a ，a n dh a sp u tf o r w a r d s r a t i o n a l i z a t i o np r o p o s a l sf o rg r o u n d w a t e re x p l o i t a t i o na sw e l l f o rt h es t u d y , l o t so f b a s i cd a t ac o n c e r n i n gt h ep h y s i c a ig e o g r a p h y , g e o l o g y , h y d r o g e o l o g y , g r o u n d w a t e rm i n i n gu s e ，w a t e rq u a l i t ya n ds oo nh a v e b e e nc o l l e c t e d f u r t h e r m o r e ，l o g i n f o r m m i o no fm o r et h a n2 7 0 0d e e pb o r e h o l e sh a sb e e ng a t h e r e da n d1 4g r o u p so fe n t i r e a n a l y s i ss a m p l e so fs a l t ya n df r e s hg r o u n d w a t e rq u a l i t yh a v eb e e nt a k e n i nc o m b i n a t i o nw i t h t h ef o r m e rc o r r e l a t i v er e s e a r c ha n dw i t ht h ea p p l i c a t i o no f s p a c ea n a l y s e sm e t h o do fm a p g i s ， w a t e rq u a l i t ya n a l y s i sm e t h o d ，m a t h e m a t i c a ls t a t i s t i cm e t h o da n ds oo n ，t h ed y n a m i c a l e v o l v e m e n to fg r o u n d w a t e r , t h ec h a n g eo fg r o u n d w a t e rq u a l i t ya n dt h ei n t e r f a c eo fs a l ta n d f l e s hw a t e rd o w n g o i n gh a v eb e e ns t u d i e di nt h i sp a p e r i nt h el a s tm o r et h a n3 0 y e a r s ， g r o u n d w a t e ro v e r e x p l o i t a t i o nc a u s e dt h ec o n t i n u a ld e c l i n eo fd e e pg r o u n d w a t e rh e a d ，t h e d i f f e r e n c eb e t w e e nt h eh e a do fd e e pg r o u n d w a t e ra n dt h es h a l l o wg r o u n d w a t e ra b o v e4 0m a n dt h ec h a n g eo fg r o u n d w a t e rq u a l i t ya n dt h ei n t e r f a c eo fs a l ta n df l e s hw a t e rd o w n g o i n g a f t e rc a l c u l a t i o nt h ea v e r a g ey e a r l yn u m e r i c a lv a l u eo ft h ei n t e r f a c eo fs a l ta n df r e s hw a t e r d o w n g o i n gi s0 4m t h eg m ( 1 ，1 ) m o d e lh a sb e e nu s e dt of o r e c a s tt h ec h a n g eo f g r o u n d w a t e rq u a l i t ya n dt h e i n t e r f a c eo fs a l ta n df r e s hw a t e rd o w n g o i n gi nt h et y p i c a la r e a t h eb u r i e dd e p t ho ft h e i n t e r f a c ew i l ld e c l i n e12 m a v e r a g e l yb y2 0 2 0 ，w i t hy e a r l ya v e r a g e d e c l i n eb ys o m e0 6ma n d 5 0 i n c r e a s ec o m p a r i n gw i t ho 4 mo f a v e r a g ed e c l i n eo v e rp r e v i o u s3 0y e a r s i f t h ee f f e c t i v e m e a s u r e sa r en o tt a k e n ，t h ei n t e r f a c eo fs a l ta n df r e s hw a t e rw i l ld e c l i n eq u i c k l y t h e r e f o r e ，i nt h em i d d l ea n de a s t e r np l a i no fn o a hc h i n as h o u l de n l a r g et h eu s eo ft h e s a l t yw a t e ra n dt h em i c r os a l t yw a t e rf o rr e d u c i n gd e 印g r o u n d w a t e rm i n i n gq u a n t i t y t h i s m e a s u r eb o t hc a ni n c r e a s et h ew a t e rr e s o u r c e su t i l i z m i o na n dm a ya l l e v i a t et h ed e c l i n i n g t e n d e n c yo f t h ei n t e r f a c eo f s a l ta n df r e s hw a t e r k e yw o r d s ：h e n g s h u ic i t y , g r o u n d w a t e ro v e r e x p l o i t a t i o n ，c h a n g eo fg r o u n d w a t e rq u a l i t y i n t e r f a c eo fs a l ta n df r e s hw a t e rd o w n g o i n g 中旧地蜃科学院恤l 学位【仑殳：1 母北l 蟓蚰型噬地r 水质肚成淡水抖由变化删究 第一章绪论 1 1 地下水在华北平原的作用 华北平原位于我国东部，东临渤海，西抵太行山，北接燕山，南至黄河；地理坐标 为东经1 1 2 。3 0 一1 1 9 。3 07 ，北纬3 4 。4 6 一4 0 。2 5 ：行政区划包括北京、天津、 河北三省( 市) 的全部平原及河南、山东二省的黄河以北平原，面积约1 3 6 x 1 0 l k m 2 ， 人口约1 1 l 亿，人口密度6 0 8 人k m 2 ，有北京、天津、石家庄、唐山等1 8 座大中城市。 2 0 0 0 年国内生产总值( g d p ) 1 0 9 3 0 亿元，占全国的1 2 ，人均g d p 9 8 1 8 元，高出全国 平均水平的四分之一强。耕地面积近1 5 亿亩，有效灌溉面积约1 亿亩，粮食总产量 5 0 0 0 万吨，占全国粮食总产量的1 0 。 地下水资源是支撑华北平原经济可持续发展的重要支柱。华北平原地下水资源具有 水质良好、不易污染、空间分布广和时间上的可调节性等优点。无论是过去、现在还是 将来，地下水在华北平原经济建设中均将起到重要的不可替代的作用。建国初期，华北 平原地下水丌采量较少；随着工农业经济的发展，人们生活水平的提高，用水量显著增 长，地下水开采量不断增加，2 0 世纪7 0 年代、8 0 年代地下水年均丌采量分别为1 5 6 5 7 x1 0 “m 和2 1 1 0 9 1 0 “m 3 ，到2 0 0 0 年地下水开采量已达到2 1 1 9 8 1 0 ”m 3 。7 0 年代前， 大力发展水利工程，地表水资源得到了充分利用，近3 0 年来，主要靠超量丌采地下水 来满足社会对水需求的增加，地下水利用量在总水资源利用量中的比例不断上升，9 0 年代地下水年均丌采量1 9 9 2 6 x1 0 1 ，己占年均水资源利用量的5 5 3 4 。 总之，华北平原社会经济的发展离不开水特别是地下水，地下水是华北平原最重要 的供水水源。 1 2 选题依据及研究意义 1 2 1 选题依据 最近3 0 年是华北平原地下水大外发时期，金区地下水丌采量从2 0 世纪7 0 年代的 】j 6 5 7 x 1 0 “m ：a ，增加到2 0 0 0 年的2 l 】，9 8 1 0 、m a ，增长：3 j ，地下水的大量丌采满 足了工农业和居民生活用水的要求，推动了社会经济的快速发展。但是，地下水在支撑 q ，罔地赝科学院仙 卜学位论殳：1 产i l t 蟓典型b 地下水赝搜成淡水抖血蹙化州究 华北平原社会经济发展的同时，山于长期超采地下水，也引发了一系列的地质环境问题， 例如地下水水质变化、地面沉降、地裂缝、地面塌陷、海水入侵、泉水干枯、湿地减少 等等。 水质变化是上述环境地质问题中影响范围比较大的一个。水质变化主要表现在水化 学类型改变、矿化度变化、咸淡水界面变化等方面。水质变化会产生两种结果，一种是 向有利于人们利用的方向转化即矿化度减小、污染程度减轻从而水质变好，水质逐渐淡 化；另一种则向不利于人们利用的方向转化即污染物增加、离子浓度变大、矿化度增加， 水质咸化。咸淡水界面下移就是引起深层淡水咸化的一个主要因素，另一方面咸淡水界 面下移也是深层水水质恶化的表现形式。 目前在研究区所在的华北平原中东部地区，由于长期超采深层地下水，深层地下水 位埋深急剧下降，分别形成了著名的冀枣衡漏斗、沧州漏斗和德州漏斗，各个漏斗区的 面积还在不断扩大，漏斗区正在连成一片，且漏斗中心水位埋深也越来越大，所以在这 些区域产生的咸淡水界面下移也非常明显。成淡水界面下移首先将使部分成井段接近咸 水的机井报废，造成经济损失，如果任其发展不采取有效措施，最终结果将是宝贵的深 层淡水成化，危及到人们的正常生活生产，影响到社会经济的可持续发展。 选择深层地下水超采严重、地下水水质变化比较明显且成淡水界面变化也比较大的 衡水市作为华北平原典型研究区。衡水市位于华北平原中部，由于地表水资源严重不足， 地下浅部分布着大量地下咸水，咸水体下面的深层淡水就成为主要供水水源，超采地下 水程度尤其强烈，引起的地质环境问题也特别突出，水质及成淡水界面变化就是其中最 主要的问题，也是目前急需深入研究解决的问题。 现在人们已逐渐认识到了咸淡水界面下移和深层水质成化的危害，前人也进行了一 些研究，但针对华北平原典型区衡水市水质变化及咸淡水界面变化特征的系统研究还不 是特别深入，因此，对于典型区地下水质变化的规律及造成成淡水界面变化特征的原因 还有必要进一步分析研究，本文把研究水质变化和咸淡水界面下移结合起来进行分析研 究。 1 2 2 研究意义 地下水水质成化和成淡水界面下移必将破坏宝贵的有限深层淡水资源，有必要对此 问题进行进一步的研究。通过对华北平原典型区衡水市的水质及成淡水界面变化进行系 统研究找出地下水水质变化的规律特征，预测未柬研究区的水质及咸淡水界面变化情 t n 地质科学院坝i j 学位沧殳：。p 北、1 7 胤典掣卜地_ 卜水顺，土成淡水抖叫娈 j 6 j o i 究 况，提出合理的地下水丌发利用建议，以利j 今后更好的丌发利用地下水，村华北t 原 其他相似地区起到借鉴作用，促进华北平原地_ 卜水水资源的可持续刀发利用，支撑社会 经济的可持续发展。因此，开展华北平原典型区地下水水质及咸淡水界面变化研究符合 国家和社会发展的需求，具有重要的实际应用价值和重大的理论科学意义。本论文由国 土资源大调查项目“华北平原地下水可持续利用调查评价”( 编号：1 2 1 2 0 1 0 4 3 0 3 5 1 ) 项目资助。 1 3 国内外研究现状及研究基础 1 3 1 国内外研究现状 1 地下水水质变化研究 地下水水质变化方面的研究主要包括地下水化学成分以及他们在天然和人为因素 影响下在时间和空间上所发生的变化。 国外有关地下水化学成分时空变化的研究众多，其中也包含对影响其演化的天然和 人为因素的讨论。1 9 9 7 年2 月r s t e p h e nf i s h e r 研究了美国t e x a s 北部沙漠地带n a s o 。 n a c l 型水的化学演化，研究表明地下水的组分受控于非饱和带中的化学反应、非饱和 带中的沉积物和含水层中的矿物及其在水流系统中的位置，还与大面积灌溉有关“1 。 1 9 9 7 年6 月m a f y i n 研究了s a n d l k l l 平原水化学演化及沿地下水流过程中的水质问 题，表明水化学演化与地下水流路径有关，研究区主要包括h c 0 3 - - c a m g 和 s o ；h c o r c a m g 两种类型，前者在补给区浅水径流条件好的浅水中占优，而后者在排 泄区浅水及混合水中占优，离子浓度、t d s 、水质与地下水年龄及水型相关”1 。1 9 9 9 年 1 2 月v p p a r n a c h e v 等研究了半干旱地区s o i c 1 一n a 型水的演化，发现硅酸盐风化及 石膏石盐溶解及c a c o ；的沉淀使得地下水的盐度越高“。同期x s o n g 等研究了s r i l a n k a 西部地区的水质演化，运用野外调查，化学及同位素技术表明地下水中主要离子的浓度 和电导率随季节变化小，除了n a ，s j ，c 】，其余离子及电导率都沿地下水方向呈增加 趋势。2 0 0 0 年1 0 月r f a v a r a 研究了s a l s o 河流域沿地下水水流方向的水化学空间演 化及主要污染过程，在区域内包括三种水型1 t c 0 ，一c a m g 、s o c a m g 、c 卜a 型，其中 h c o r c a m g 水反映x a d o n i e 山碳酸盐地形中地f 水的化学组成。2 0 0 1 年1 0 月 c h r i s t i a n k b e t g 讨沦了水岩反应系统中溶解性计算的几个不确定性，包括实验数掘 的不确定性熳概念的彳：确定性等“。 中田地质f 学院倾l 。学位论殳：o 卢i l 、卜原典型区地| 、水赝搜成淡水抖匝变化研宄 国内近年来也有很多人在此方面进行了大量研究。1 9 8 4 年曹玉清等射自城地区丌 采含水层地下水化学成分及其形成作用作了探讨，重点讨论了不同地貌单元f 地下水中 离子含量随p h ，t d s 变化的规律性“1 。1 9 8 6 年沈照理在“水文地球化学基础”中也详细 讲述了地下水的化学成分特征。1 。1 9 9 7 年郭永海、沈照理研究了河北平原地下水化学环 境在人类活动下的演化问题，揭示了其演化机制”3 。1 9 9 7 年张宗祜等人对华北平原地下 水系统和地下水化学环境演化进行了论述”“”。1 9 9 7 年刘爱菊、郭平战等讨论了三门 峡库区朝邑滩地下水化学分带性规律，说明该地区地下水化学特征均受水文地质条件及 环境水文地质条件的控制“。1 9 9 9 年9 月任增平、闰俊萍等分析了达拉特旗平原区第 四系地下水形成的地质、水文地质背景条件，重点研究了潜水和承压水水化学平面分布 特征及其形成机制，结果表明：潜水水质主要由溶滤作用和浓缩作用形成“。2 0 0 2 年郭 占荣等通过地下水水质简分析数据分析了三屯河流域平原地下水系统中主要离子、t d s 和水化学类型的特征及其变化“。2 0 0 2 年周邦炜研究表明双塔灌区地下水化学特征和 化学组分的形成，受地下水补给、径流和排泄条件的控制，通过研究地下水的化学特征， 结合地下水的矿化度和化学类型，进行了地下水分区“。 2 水质及咸淡水界面变化预测 预测是对研究对象的未来发展做出推测和估计，是对发展变化事物的未来做出科学 的分析。地下水水质预测是根据己掌握的资料和监测数据，对未来的地下水水质发展趋 势进行的估计和推测，为防治地下水质进一步恶化和制定改善水质的措施提供依据“”。 早在2 0 世纪初，国外就丌始应用数学模型来研究地下水问题，但把数学模型应用 于地下水水质模拟研究从2 0 世纪6 0 年代开始。对孔隙介质中水动力弥散研究的详细综 述是1 9 7 6 年由前苏联r 别尔等科学家完成的”“，他们根据简化的和统计的模型来讨 论各种水动力弥散理论、边界与初始条件的形式，以及弥散系数与水流速度和渗透介质 几何形状关系的理论，并给出了实验资料，尤其指出了水动力弥散可由纵向弥散系数和 横向弥散系数来表征。1 9 7 2 年j f r i e d “进一步研究了经典模型与水动力弥散方程，浚 方程式是以宏观孔隙介质连续的为前提建立的，认为孔隙介质的每个无穷小单元体都是 由固体物质与孔隙构成的，并提出了考虑固体物质与孔隙分界面上浓度于浓度梯度跳跃 变动的新水动力弥敖模型，导致水动力弥敖方程中增加了补充项。至于可预测含水层中 污染物浓度的复杂数学模型是在二十几年前由l k o n i k o w ”等人建立的。近几年固外对 污染物迁移转化的随机模型也丌始广泛的研究，新的成果不断问世”。，在迁移载体水分 运动方面，又发展到考虑可动水体和不可动水体等因素。 中刚地厩科学院倾i j 学位论史：1 列b 、| 蟓典型m 地f 水质及成淡水抖血业化i 忻究 国内对地下水水质模型的研究起步很晚”“，直到1 9 8 0 年，j 丌：始这力丽的研究： 作， 但进展很快，它的应用已遍及与地下水有关的各个领域和各个产业部j 。从建立的模型 来看，以水流模型为主，溶质运移模型次之。北京市环境保护研究所等单位建立了我国 第一个地下水水质模型，采用食盐、荧光染料及放射性示踪剂在野外实测了弥散系数， 取得了我国首批弥散系数野外观测资料。我国越流含水层系统分布十分广泛，吴吉春、 薛禹群( 1 9 9 6 ) ”首次建立了越流含水层系统地下水污染的数学模型，导出了包括越流项 和井流项的溶质运移方程，并将其应用于平原盆地地下水污染，c l 浓度和水位计算结 果与野外观测结果拟合良好，还探讨了现行溶质运移模型求解中井点附近容易出现不合 理结果的原因，并从理论上给出了正确的表达式。2 0 0 1 年吴吉春、薛禹群，黄海等建 立了地下水中c l 一运移行为的局部区域二维可混溶溶质运移模型，模型考虑了地下水中 溶解盐分浓度的变化引起的地下水密度的改变，及其导致的地下水水头的变化，并将该 模型应用于山西柳林泉地区“。近年来，国内推广了邓聚龙教授创立的灰色系统理论 ”。“，其中的g m ( 】，1 ) 模型是灰色系统理论常用的预测模型，也是灰色系统理论应用 中的重要内容，在地下水水质预测中的到了广泛的应用，解决了许多一般方法难以解决 的水质预测问题。地下水水质预测的灰色系统方法以水质监测资料为基础，计算过程简 单，精度高且预测结果合理，符合地下水系统的灰色特征，模型适应性好，预测结果与 环境状况吻合，能较好的应用于地下水水质预测，是一种较理想的水质预测方法。目前 国内也有多人，如孙鸣“、王开章。“将灰色系统用于大武水源地的水质预测，鲁万滨、 张唤智做了地下水系统的灰色模拟和预测1 ，取得来了良好的预测结果。但同时也发现， 该模型的应用有很大的局限性，吕海涛、赵林明提出了应用灰色模型g m ( i ，1 ) 时注意 的一些问题”，这些都为进一步应用灰色系统理论，提供了很好的建议。对于地下水水 质预测，也有人应用指数平滑法进行了某些尝试，该方法是一种非统计型的方法，在整 个预测过程中，始终不断地用预测误差来纠正新的预测值，预测结果接近于实际，具有 较为满意的精度，适用于短期或中一短期的预测”1 。此外，国内近年来人工神经网络 在预测领域中的应用也迅速发展起来，例如华东师范大学的过仲阳、陈中原等人2 ”1 把神 经网络技术应用于地下水水质动态的预测。 3 研究区研究现状 1 9 7 3 年地质科学研究院水文地质工程地质研究所和河北省革委会地质局第九地质 大队【”1 在“河北平原( 黑龙港) 地下水资源评价及合理丌发利用的研究”_ 九屯三年阶 段性研究成果之( h ) 中对衡水地区地f 水的水化学特征进行了研究。1 9 7 6 年河北省 中罔地赝科学院坝i 学位论：业：母北1 r 棣碘型恒地f 水质发咸淡水捍血变化删究 地质局第九地质大队1 。”在“河北省衡水地区地f 水水化学特征及其分布规律”中 人为本 区从西北向东南，水化学类型不同，其特点表现出有明显的水平分带规律：由全淡水到 咸水又过渡到成水：在垂直方向上变化复杂，由地表向下，水质具有多层结构：即淡水 咸水的二层分带和淡水一成水一淡水的三层分带，此外，关于咸水成因初步认为可能 是由大陆盐渍化所形成的。1 9 9 7 年郭永海等人”1 应用水文地球化学定量方法一水文地球 化学模拟，通过水一岩作用模拟研究地下水化学环境演化，从水文地球化学作用角度揭 示了河北平原中东部地区水平及垂向上的咸淡水混合使地下淡水水质趋于恶化，这种恶 化是混合及水文地球化学作用综合影响所致。1 9 9 7 年张宗祜等人”o “对华北平原中、 东部平原区咸、淡水混合的水文地球化学模拟表明了淡水成化是区内大量开采地下水， 水动力环境发生变化引起的，大量开采深层地下水，在衡水、沧州地区已形成两个大型 漏斗，在两个漏斗区各选择一条水流路径，应用反应路径模拟程序p h r e e q e ，计算结果 表明，衡水漏斗路径终点( 衡6 2 井) 1 9 8 0 年地下水化学成分的形成是由9 8 的上游水和 2 的上层咸水混合所致。1 9 9 8 年李彦茹o ”对衡水市浅层地下水水质状况进行了分析评 价，认为衡水市浅层地下水化学成分浓缩、工业生产和日常生活中污水的排放和咸水侧 向侵入淡水的综合作用，增加了浅层水的污染程度。2 0 0 0 年张宗祜等人。”在“华北平 原地下水环境演化”中对衡水市的地下水水质的演化和咸水下移进行了论述。 1 9 8 6 年明木和等人。“在8 0 年代通过衡水市3 0 0 0 余个测井曲线的统计分析，得出剖面 上的咸淡水界面多年平均下移速率为0 1 2 m a 。1 9 9 0 年河北省第三水文地质大队与中国 地质大学( 武汉) 地下水系统研究组根据t o t hi f l j e n g e l e n 等人发展的地下水流动系统 理论，通过计算机模拟计算得出衡水市咸水底界最大下移速率为0 1 3 m a ，平均值为 0 0 9 m a 。1 9 9 2 年明木和、沈珍瑶。“对衡水咸水底界变化进行了初步分析。1 9 9 9 年付学功 州对衡水市阜城县深层地下水咸淡水界面下移进行了研究，认为从1 9 8 0 - - 1 9 9 3 年，衡水 市阜城县深层地下水成淡水界面下移了约l o 一2 0 m ，咸水入侵范围遍及全县，深层地下水 矿化度平均升高0 3g l ，氯离子含量变化量大，平均升高1 0 6 8mg l ，全县深层地下 水淡水随着水位下降而逐渐变成。2 0 0 0 年河北省水文水资源勘测局”。1 在其报告中认为衡 水市沧县、阜城、桃城区1 9 8 0 年至1 9 9 7 年问，成水底界面年均下移速度为l m 左右。2 0 0 0 年张彦增等人“1 认为衡水市阜城县深层淡水均受到咸水入侵，且成淡水界面发生不同程 度的下移，其下移的速度和幅度受地一f t j ( 开采强度和区域性下降漏斗的影响，尤其是受 到沧州漏斗的影响。2 0 0 2 年牟纯儒等人“认为河北平原中东部有成水区深层地下淡j j t j 位大幅度的下降及大面积降落漏斗的产生和发展是深层地下水采补失调、存储资源几益 中国地质千| 学院坝i 学位论文：华北、r 燎典型区地下水质发咸淡水界瑚变化研究 衰竭的过程，是深层地下淡水在量的均衡上的外部表现形式，而咸淡水界面下移即成水 入侵，则是深层地下水在量的均衡上的内在表现形式；越流补给是咸水入侵的主要原因， 它正在破坏经过漫长地质时期而形成的极其有限的、珍贵的深层地下淡水资源。2 0 0 3 年 中国地质科学院水文地质环境地质研究所“”在“华北地下水可持续开发利用前景”报告 中也对研究区所在的河北平原中部地区的地下水流场、水质演化等进行了分析研究。 另外，河北省地勘局第三水文工程地质大队“”在衡水地区五年地质环境监测报告中 也对衡水地区的地下水动态、水质变化情况进行了比较详细的叙述，本文也引用了其中 的部分观测数据。河北省衡水地区水位年鉴“1 和衡水地区水质年鉴“”中也对早期衡水地 区的地下水位、水质变化情况进行了详细记录。 1 3 2 研究基础 建国以来，地矿部门在包括研究区在内的华北平原进行了大量的水文地质基础工作 和研究工作，取得了大量的资料和研究成果。 2 0 世纪5 0 年代到7 0 年代中期，是以查明水文地质条件为主的水资源开发利用阶 段。其间1 9 5 6 一1 9 6 2 年全区进行了l ：2 0 万区域水文地质普查，初步查明水文地质条 件，进行了水文地质分区；其后又进行了1 ：1 0 万、l ：5 万农用供水水文地质勘查， 开展了国家重点科研项目河北平原( 重点黑龙港地区) 地下水资源评价及合理开发利 用勘查科研工作等，历史上首次对本区第四系作了统一划分，建立了地层层序，在此 基础上进行了含水组的划分，进一步查明水文地质条件和咸水埋藏分布及其水化学特征， 分全淡水区、浅层、深层地下水初步进行了地下水资源计算“”。为掌握地下水动态规律， 自1 9 5 6 年开始至2 0 世纪7 0 年代初以地区为单位陆续建立了水文地质监测站，从1 9 7 5 年后全区分区提交系列五年动态监测报告，取得了地下水基础动态数据。通过本阶段工 作初步查明了区域地下水类型，含水层及地下水量与水质分布特征，主要城市规划区的 水文地质条件，为合理开采地下水提供了初步依据。 从2 0 世纪7 0 年代初期丌始，华北平原地下水位开始区域性下降，并出现若干水位 下降漏斗，打破了那种认为地下水是“取之不尽，用之不竭”的概念，在实践中开始认 识到地下水资源是有限的，必须合理开采利用。因此，2 0 世纪7 0 年代中期至8 0 年代 中期是以地下水资源评价为主的阶段。这一时段以黄淮海平原水文地质综合评价为代 表，确定了水文地质系列参数，对浅层淡水资源进行了计算与综合评价，提出了合理开 发利用方案，查明了咸水成因分布规律，并结合试验成果，提出了咸水改造利用方案等， 中吲地赝科学院坝l ：学位论文：母北1 7 原典型k 地下水质披咸淡水界曲变化研究 为该区地_ f 水丌采提供了可靠的资料依据【1 。 2 0 世纪8 0 年代中期至今为地f 水资源合理丌发利用与保护的科学管理研究阶段。 这一时段在以往勘查成果( 尤其是黄淮海平原水文地质综合评价) 基础上，针对地下水 开发引起的问题开展了一系列专题科研项目。其中以“六五”国家重点科技攻关项目第 3 8 项“华北地区水资源及水源利用研究”为代表，分专题对地下水补给、地下水水质 及水源保护、地下水与地表水相互转化关系、地下水调蓄、咸水改造利用等方面进行攻 关，揭示了地下水资源的时空规律“；其后又进行了“七五”国家重点科技攻关项目第 5 7 项“华北地区地下水资源评价”，提出地矿和水利部门认可的地下水资源量，给本区 水资源开发方案和国民经济发展规划提供了科学依据。 以上研究所取得的大量基础资料为本文在典型区的研究打下了坚实的基础。 1 4 研究目标、思路、创新点及主要内容 1 4 1 研究目标 找出华北平原典型区衡水市地下水质及咸淡水界面变化的规律特征，预测未来典型 区水质及咸淡水界面变化，提出地下水开发利用的合理建议，促进该地区的社会经济可 持续发展，同时对华北平原其他相似地区起到借鉴作用，从而促进华北平原地下水资源 的可持续开发利用。 1 4 2 研究思路 首先收集有关典型区的基本资料，掌握其自然地理条件；然后收集有关该区域的地 下水开采利用资料、地下水流场资料，用m a p g i s 的空间分析等方法分析人类活动影响 下的地下水动力场演化；在分析地下水动力场演化的基础上结合水质资料，用水化学方 法中的水质分析方法和数学统计方法分析矿化度和离子浓度变化研究水质变化；结合水 质变化研究，用m a p g i s 的空间分析和数理统计方法统计分析成井物探资料，进行咸淡 水界面下移问题研究；经过上述分析研究得出典型区衡水市地下水质及成淡水界面变化 的规律特征；最后采用灰色理论的g m ( 1 ，1 ) 模型预测未来典型区水质及咸淡水界面 变化，根据预测结果提出地下水开发利用的合理建议。 1 4 3 创新点 中困地质利学院硼1 学位论立：产北t7 原典型区地下水质及咸淡水抖血变化训f 究 1 对人类活动影响下的衡水市深、浅层地f t k 动力场时空演化进行了分析对比研 究； 、 2 从人类活动影响结合自然条件的角度探讨了大量超采深层淡水引起的衡水市水 质及咸淡水界面变化，并分析了其原因。 1 4 4 主要内容 1 深浅层地下水动力场的演化研究，包括人类开发利用情况、深浅层水位变化、 深浅层水位时空变化情况等； 2 水质变化研究，分为深层水质变化、浅层水质变化及其变化成因分析； 3 咸淡水界面变化研究，包括咸淡水界面下移情况及其机理分析； 4 运用灰色理论的6 m ( 1 ，1 ) 模型分别预测水质变化及咸淡水界面变化，主要包 括建模原理、模型精度检验、模型的应用和预测结果分析等。 1 5 技术路线及研究成果 1 5 1 技术路线 本文进行研究的技术路线如下： 1 收集研究区的自然地理、地质、水文地质等基础资料和前人相关的研究成果， 主要通过网上收集、图书馆和资料室收集为主； 2 充分收集研究区有关咸水、水质和测井物探资料，室内收集结合野外收集； 3 在充分分析收集的水质资料基础上进行野外工作，有重点的补充采集典型观测 井孔的咸、淡水样作水质全分析； 4 参考和借鉴前人研究成果基础上，根据得到的资料分析研究区的地下水动力场 演化、水质及咸淡水界面变化情况： 5 分析整理收集的2 7 0 0 多个深井的测井物探资料，基于m a p g i s 软件绘制研究区 不同时段的咸淡水界面埋深图及其变化对比图来验证咸水下移及其幅度： 6 建立预测模型g m ( 1 ，1 ) ，应用模型预测水质和咸淡水界面变化，分析预测结果 ( 见图1 1 ) 。 中旧地赝f + 学院坝f 学位论史：t h t 、i 腺媳型选地下水质发咸淡水界咖，叟化例究 野外取水样补充水质资料、补充收集测井物探资料 分析研究地下水动力场、水质及咸淡水界面 变化特征及其机理 建立灰色模型g m ( 1 ，1 ) 应用模型进行水质、咸淡水界面预测 图11 论文技术路线流程示意图 o t 阳地质科学院坝l 学位论艾：7 产此。lj 糸媳型区地下水质歧成渍水抖向坐 u 0 1 宄 1 5 2 研究成果 通过分析人类丌采条件下的衡水市地下水动力场变化，研究了浚地区地下水化学场 变化导致的地下水质变化，并结合水质变化分析了咸淡水界面变化，取得的主要成果如 卜： 1 分析了衡水市超采深层地下水导致的深浅层地下水动力场的演化及其差异； 2 浅层地下水质变化分为稳定型、淡化型和咸化型，总体上说浅层地下水质变化 不大，只有局部存在水质淡化和成化；深层地下水质变化分为稳定型和咸化型，研究区 多年来大量超采深层淡水，导致咸水下移，深层地下水的水质有逐渐变差的趋势，特别 是在与咸水相临的第1 i 含水层组； 3 经过计算，衡水市咸淡水界面多年平均下移0 4 m 左右； 4 经过分析认为超采深层地下水是地下水质及咸淡水界面变化的根本原因； 5 用g m ( 1 ，1 ) 预测模型对衡水市水质变化和咸淡水界面下移进行了定量预测， 根据8 组典型深机井组的咸淡水界面下移资料预测到2 0 2 0 年界面埋深平均下移约1 2 m ， 年均下降约0 6 m ，比前3 0 年的年均下移0 4 m 还要增加5 0 ，表明在2 0 2 0 年以前研究 区的深层地下水水质将逐渐咸化，咸淡水界面仍将不断下移； 6 建议加大咸水、微成水利用，减少深层地下水丌采量，这样既能增加水姿源利 用，又可缓解深层淡水咸化和咸淡水界面下移的趋势。 中国地质科学院硕士学位论文：华北平原熊塑区地下水质及咸淡水界面变化研究 2 1 。1 葵鍪耩究莲蓬瓣 第二章区域背景概况 2 1 自然撼理概援 德水市搬于河北省中南郝，属于牮北平原中的河a b 平原中部，予1 9 9 6 年5 月3 1 日撤地建市，地理坐标为东缀1 1 5 。1 0 一1 1 6 。3 47 ，北纬3 7 。0 47 3 8 62 2 ，俪 积8 8 1 5 k m 2 ，2 0 0 0 年求人口4 1 1 5 万；雩亍政医艇趣摇桃城区、深州枣、冀媸枣、枣强婺、 安平县、饶阳县、武强县、武邑县、阜城县、景县和故城县等1 1 个市区县( 见图2 1 秘圈2 。2 ) 。餐采赘竣瘸获在遴是冀孛毒交遴枢邃，褥彝索丸铁路尚东莲秘石德铁路 圈2 1 磺突嚣在华蘸平暴孛静建鬟 中国地质科学院硕士学位论文：华北平原典型区地下水质及咸淡水界面变化研究 在市区十字交叉通过，1 0 6 路国道贯穿市区，公路四通八达，交通十分便利。 2 1 2 地形地貌 图2 2 衡水市行政区划图 本区地貌属冲洪积、洪积平原，境内地势平坦，海拔高程1 3 5 2 8 5 m ，以0 3 - - 0 6 的坡度微倾向东北。区内有大小坑塘2 0 0 0 余个，其中最大的洼地衡水湖( 千倾洼) 面积7 5 k m 2 。 2 1 3 气象 中瑚地赝科学院帧i 学位论殳：扛北、卜燎典型区地下水质技咸淡水抖血馊化i | j 究 本区属大陆性半干旱季风气候，在季风坏流的影响下，区内四季分明，春季凶受大 陆气团的影响，偏北或偏西北风盛行，。天气多变，骤寒骤暖，蒸发较大，多形成干旱天 气；夏季因太平洋副热带高压脊线北移，促使东南和西南洋面上暖湿气流向区内输送， 成为本区的主要降雨季节；秋季因东南季风减退，极地大陆气团加强，形成秋高气爽的 少雨季节：冬季在蒙古高气压控制下，西北风较强，气候变得寒冷，风雪较少。 多年平均气温1 3 。c ，最高气温4 2 7 ，最低气温一2 3 。c 。多年平均降水量约5 2 2 m m ， 降水量年际变化较大，2 0 0 0 年降水量5 5 0 8 m m ；降水年内分布不平衡，主要集中在汛期 的6 9 月。 2 1 4 水文 本区属海河流域，境内自西北至东南分