天津市浅层和深层地下水功能区划研究

天津市浅层和深层地下水功能区划研究

地下水系统的空间结构复杂，空间分割方式强烈，受地下水富营条件、水动力特征、水质等综合因素的影响。其中,浅层地下水的形成与运动明显受地表水文系统的控制,是开放型地下水系统,而深层地下水系统则以半封闭型为主,不具备直接接受大气降水和地表水体入渗补给的条件。针对地下水系统的空间分异性特征,地下水资源的管理应是全方位、立体化的,需对研究区域按地下水空间特性进行功能划分。因此,科学的地下水功能区划分应根据地下水的自然属性,结合社会需求,确定地下水的功能及功能顺序。近年来,许多学者在地表水功能区划分及保护方面做了许多研究,而对地下水功能区划分的研究较少。唐克旺等介绍了我国地下水面临的主要问题,分析了地下水功能与当前地下水面临的诸多问题的关系,提出将地下水分布区划分成四类一级功能区,即开发利用区、生态环境保护区、地质灾害防治区和保留区;吕红等针对地下水与地表水的不同特点以及地下水超采造成的一系列问题,提出地下水功能区按两级划分,并以山东省为研究区域进行地下水功能区划分;罗小勇等根据云南省地下水开发利用现状,依据全国地下水功能区划分技术大纲,对云南省地下水功能区按二级进行区划;曹阳等针对泉州市地下水资源的分布特点,依据全国地下水功能区划分技术大纲,选取了地下水系统中具有代表性的驱动因子、状态因子和响应因子,综合地下水的资源供给功能、生态环境维持功能和地质环境稳定功能,将地下水功能区划分为开发区、保护区和保留区。上述研究中,地下水功能区划研究主要集中在浅层地下水;或者未区分浅层和深层地下水,将地下水系统按照整体进行功能区划,并且都按照二级区划体系进行划分。针对目前研究存在的问题,以及地下水本身具有的空间分异性,本文提出了基于地下水类型特征的功能区划分方法,旨在分析浅层和深层地下水不同特征的基础上,按照浅层和深层地下水分别区划,并在《全国地下水功能区划技术大纲》二级划分的框架下,对二级功能区进一步细化,以达到合理划分地下水功能区的目的,进而为地下水资源的合理开发利用、管理和有效保护提供科学依据。1天津市平原区基岩地下水概况天津市大部分地区被第四系覆盖,仅在北部低山丘陵及残丘地带有基岩出露。第四系中下段和新近系明化镇组上段含水层相对发育,是深层地下水的主要开采层位。天津市平原区以宝坻断裂为界,北部基岩埋深一般小于300m,分布有第四系孔隙地下水与下伏基岩地下水;南部分布有新生界,赋存孔隙地下水。以天津市水文地质特征为依据,结合地下水开发利用现状,将第四系、第三系孔隙水划分为Ⅰ~Ⅵ含水组六个含水组,以100m厚度为分界线,具体受沉积环境不同,底界标高略有变化。浅层地下水指平原区孔隙水第一含水组以及山区裸露基岩地下水,深层地下水包括第Ⅱ含水组以下承压水及隐伏岩溶水。2人类社会和环境的功能地下水功能是指地下水的质和量及其在空间和时间上的变化对人类社会和环境所产生的作用或效应,主要包括资源供给功能、生态环境维持功能和地质环境稳定功能。2.1天津市地下水开采量天津市地下水可开采量为10.71×108m3/年,其中浅层水中淡水5.24×108m3/年,矿化度2~3g/L的微咸水1.12×108m3/年,深层水2.94×108m3/年,岩溶水1.41×108m3/年。地下水开采量为7.59×108m3/年,其中浅层水开采量2.45×108m3/年,深层水开采量4.62×108m3/年,岩溶水开采量0.52×108m3/年。可见,目前天津市地下水开采量与可开采量基本保持平衡,但地下水资源开采布局不合理。浅层地下水和岩溶水补给条件较好,但是开发利用不充分,而深层水补给条件差,却大范围超采,特别是海河干流两侧的新四区及滨海地区严重超采,导致地下水水位持续下降,地下水资源日益枯竭;同时随着地下水的超采,加速了地表水的下渗,地表水体中的污染物也随之渗入,污染地下水,导致地下水资源供给功能逐渐丧失。2.2天津市湿地面积现状地表水生态系统和陆地非地带性植被都需要地下水的补给和调节。地下水位下降和水质的恶化对地表生态系统会带来严重影响。20世纪20年代天津市水域面积达5247km2,占总土地面积的45.9%。近一个世纪以来,天津市湿地面积呈现持续减少的势态,天然湿地面积已不足20世纪初的1/4,而且近年来这种减少的态势仍在继续。造成湿地逐年干涸的原因除降雨量逐年减少、淤积造田等原因外,地下水的过度开采使湿地的水源补给受阻也是湿地减少的原因之一。2.3地下水开采期灾害天津市由于长期过量开采地下水,造成地下水位持续大幅度下降,宝坻断裂以南平原及滨海平原均不同程度的出现地面沉降,地面沉降已成为天津市的主要地质灾害。随着深层地下水的长期开采,深层地下水位持续下降,造成咸水体底板下移,深层水上部含水层水质有咸化趋势。综上所述,由于天津市地下水开发利用布局不合理,部分地区长期超采,引发了资源枯竭、生态功能退化、地质灾害加剧等问题。这些问题是地下水服务功能丧失和受到破坏的外在表现,是地下水系统完整性受到严重影响的集中反映。3地下水功能区的划分地下水的资源供给功能、生态环境维持功能和地质环境稳定功能彼此制约和相互作用,无论地下水哪一种功能过度强化,都必然引起地下水的其他功能相应的变化。因此,在地下水管理和保护工作中,必须根据地下水系统服务功能和地下水开发利用的实际情况,以地下水主导功能为基础,进行地下水功能区的划分。本文根据水利部《全国地下水功能区划分技术大纲》,结合天津市地下水资源特点,按照浅层和深层地下水分别划分出一级功能区,在此基础上,结合区域地下水主导功能划分二级功能区,再依据天津市具体地形、地貌、地质构造、土地利用以及社会经济情况,对地下水二级功能区再次划分,最终确定出三级功能区。3.1分散式利用区天津市地下水可开采量模数全市均不小于2万m3/(年·km2),浅层地下水以宝坻断裂带为界,断裂带以北至山前为矿化度小于2g/L的全淡水区,含水层厚度大,水量丰富,平均涌水量在1000~3000m3/d;断裂带南侧和西部冲积平原分布有浅层淡水,浮与下伏咸水体之上,涌水量多在1000~2000m3/d。将上述区域划定为开发区,而天津市浅层地下水主要以分散开发利用为主,故将浅层地下水开发区划分为1类二级功能区,即分散式开发利用区。深层地下水属水质较好的淡水,强富水区涌水量可达3000m3/d以上,弱富水区也在500m3/d左右,深层地下水可开采量模数全市均不小于2万m3/(年·km2)。将天津市深层地下水全部划分为开发区。天津市目前已建成了下仓、武清下伍旗、宁河北等几个集中式供水水源地,主要开采第Ⅱ含水组及以下的深层地下水。因此,在深层地下水功能二级区划中,将集中供水水源地所在乡镇划定为集中式开发利用区,开发区中除集中式开发利用区外的其余部分划分为分散式开发利用区。本次地下水功能区划以乡镇为基本单元,天津市各乡镇城镇化程度较高,建成区面积占较大比例,且天津市地下水开采主要是通过机电井,主要是分布在人口密集的建成区内。因此,分散式开发利用区可细化为1类三级功能区,即建成区分散式开发利用区;集中式开发利用区可细化为1类三级功能区,即建成区集中式开发利用区。3.2自然灾害易区范围依据大纲对保护区的相关规定,结合天津市自然保护区、生态湿地、名泉、国土部门确定的地质灾害易发区,将保护区划分为生态脆弱区和地质灾害易发区2类地下水二级功能区。3.2.1生态脆弱区的划分地表生态系统主要与浅层地下水发生直接作用,浅层地下水水位是地表生态环境的主要影响因素。因此,保护区区划过程中,只在浅层地下水功能区设置生态脆弱区。依据保护区保护对象的不同,生态脆弱区可分为自然保护生态脆弱区和湿地沼泽生态脆弱区2类三级功能区。为保护自然保护区生态环境,将蓟县中上元古界国家自然保护区、八仙山国家级自然保护区和盘山自然风景名胜古迹自然保护区所在乡镇缓冲区内均划为自然保护生态脆弱区。天津市目前主要有古海岸与湿地国家级自然保护区(七里海)、北大港湿地自然保护区、团泊鸟类自然保护区和大黄堡湿地自然保护区等四个湿地自然保护区,将其所在乡镇缓冲区内均划分为湿地沼泽生态脆弱区。3.2.2灾害易发区域3.2.2.浅层地下水开发区5-1类天津市蓟县山丘区以南至宝坻—蓟运河断裂以北地区为全淡水区,含水介质主要为第四系松散岩类孔隙含水岩系,主要为冲洪积扇沉积物。该区域地下水的特点是含水层颗粒粗,地下水径流条件好,埋藏浅,水质好,水量丰富,地下水采补基本平衡。由于含水层颗粒粗、埋藏浅,所以地下水易受到污染;而且地下水径流条件好,水力坡度较陡,污染后传播扩散较快。因此,对于浅层地下水地质灾害主要问题是地下水污染,可将浅层地下水地质灾害易发区细化为1类三级功能区,即地下水易污染区。将天津市蓟县山丘区以南至宝坻—蓟运河断裂以北地区的全淡水区所在乡镇划定为地下水易污染区。3.2.2.地下水易污染区区划由于深层地下水长期超采,引起深层地下水位持续下降,从而导致地面沉降、深层地下水污染、咸水入侵深层地下水等灾害问题。因此,深层地下水地质灾害易发区又可划分为3类三级功能区,即地下水易污染区、地面沉降易发区和咸水下移区。(1)地下水易污染区。在浅层地下水区划中将全淡水区划定为地下水易污染区,全淡水区第Ⅱ含水组顶部粘性土隔水层分布不稳定,垂直入渗条件较好,若浅层地下水受到污染,随着深层地下水的开采,污染物随之进入深层地下水,故深层地下水易污染区的区划范围与浅层一致,即将全淡水区划定为地下水易污染区。(2)地面沉降易发区。由于长期超采地下水,天津市宝坻断裂以南平原及滨海平原均不同程度的出现地面沉降,面积达7300km2,其中累计沉降量超过1m的面积达4080km2,并形成了天津市区、塘沽、汉沽、大港及海河下游工业区等几个沉降中心。地面沉降已成为天津市的主要地质灾害,故天津市地面沉降易发区主要发生在市区、塘沽区、汉沽区、大港区的中塘镇、静海县的静海镇及其外围地区。(3)咸水下移区。由于地质构造和古地理条件的控制,在宝坻断裂以南的冲积和冲积海积平原,广泛分布咸水,有咸水区面积约占全市面积的63%,其中矿化度大于3g/L的咸水占49%。咸水北界大体与宝坻断裂分界线的分布一致,由北向南和东南咸水厚度增大,咸水底界埋藏深度加深,咸水矿化度增高。由于深层地下水超采,深层地下水位持续下降,使浅层咸水底界下移,局部地区深层水有咸化趋势。因此,将宝坻断裂以南区域划定为咸水下移区。3.2.3水源喷涌流量地下水水源涵养区是指为了保持重要泉水一定的喷涌流量或为了涵养水源而限制地下水开采的区域。天津市无地表出露泉水,不设置地下水水源涵养区。3.3采条件较差,人工开源区保留区指当前及规划期内由于水量、水质和开采条件较差,开发利用难度较大或有一定的开发潜力但作为储备水源的区域;划分为不宜开采区、储备区、应急水源区3类二级功能区。3.3.1资源分布,下低密度高天津市宝坻断裂以南区域,浅层地下水广泛分布咸水,南部冲海积平原分布有微咸水和咸水,矿化度可达3~15g/L;东南部滨海平原分布有盐卤水,矿化度可达10~30g/L,最高达79.7g/L,含盐度较高,无法供给生活生产用水。浅层地下水功能区划中,将该区域划分为不宜开采区,根据具体不宜开采原因,细化为1类三级功能区,即水质较差不宜开采区。3.3.2采动高度情况地下水是天津市各区县工农业和生活用水的主要水源,地下水开采具有相当的规模,开采程度已高达90.45%,除蓟县、宝坻、宁河、静海略有盈余外,其余各区、县均已超采。可见,天津市地下水开发利用程度已经较高,地下水赋存、水质条件较好、具有开采潜力的地区均有不同程度的开采,故在此次功能区划中不设置储备区和应急水源区。4分散式利用区与地下水易污染区的划分地下水的功能往往是复合的,只要不影响生态保护的主导目标和功能,保护区内也可以存在一定的开采;同样,开发区也不能肆意开采,否则也会诱发严重的生态与环境问题。因此,地下水功能区科学界定的主要依据是地下水的主导功能。将天津市浅层和深层地下水各功能区分别进行叠加分析,以主导功能确定该功能区的划定,再对相应的功能分区以乡镇行政区的界线进行分割,作为地下水功能区的基本单元。天津市浅层地下水功能区划,各功能区叠加后,从山前到宝坻断裂带以北的区域主要分布为地下水易污染区,是分散式开发利用区与地下水易污染区叠加的结果;断裂带南侧和西部冲积平原分布有浅层淡水,满足分散式开发利用区的划分条件,且与其他功能区没有重叠,最终划分为建成区分散式开发利用区;南部和东南部平原,由于浅层水含盐度较高,划分为不宜开采区;北部山区全部划定为自然保护生态脆弱区,七里海湿地、北大港湿地、团泊湖和大黄堡湿地零星分布,其所在乡镇划分为湿地沼泽生态脆弱区。天津市深层地下水功能区划,山前全淡水区除集中供水水源地以外,其余部分全部是地下水易污染区;断裂带南侧和西部平原除去集中供水水源地下武旗,其余部分全部是分散式开发利用区;市区、塘沽、汉沽、大港及海河下游工业区及外围区域主要是地面沉降易发区;宝坻南部,武清东部,宁河、静海和大港的大部分是咸水下移区。5地下水分层区划(1)在分析目前地下水功能区划研究进展与不足的基础上,根据浅层和深层地下水特征,