浅议安阳市区地下水位下降漏斗演变与地下水可持续利用规划

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　 摘要：在进行地下水资源评价时，地下水的补给排泄均衡项有许多不确定因素，这大大降低了评价的精度，也影响了地下水可持续利用规划的科学性与准确性。根据不同时期实测的安阳市区地下水位数据，研究地下水位演变过程，得出地下水位下降漏斗形成的初始与现状地下水位变幅值(1965年-2005年或1980年-2005年)，利用给水度μ值，可以较精确的计算这个时段的地下水超采量。安阳河冲洪积扇具有较大的含水空间，该地区已形成稳定的地下水位下降漏斗，此漏斗是建立地下水调蓄水库良好的场所。在安阳河冲洪积扇漏斗区规划实施地下水人工回灌是一条安阳市区地下水可持续利用之路。
　　关键词：安阳市区； 地下水位下降漏斗；可持续利用；规划

　　 安阳市区位于河南省最北部，市区面积543.6 km2，建成区面积87 km2，市区人口103.5万。安阳市区是中国八大古都之一、世界文化遗产殷墟所在地、甲骨文的故乡，它还是河南省重要的工业生产基地。
　　安阳市区工农业及生活用水主要依赖开采地下水，20世纪80年代中期以来，随着经济的发展，地下水开采规模与强度大幅度增加，地下水严重超采，地下水位持续下降，地下水位下降漏斗不断扩大，由此而引发了相关的地质环境问题。
　　在过去，由于人为因素，准确地统计地下水开采量与计算地下水资源量难度很大，造成地下水超采量计算误差较大，地下水规划缺乏较准确的数据支撑。中国地质调查局国土资源大调查 “华北平原地下水可持续利用调查评价”项目收集了20世纪50至90年代的地下水位资料，完成了2001年至2005年连续5年地下水统一调查及地下水长期观测，通过地下水位下降漏斗演变研究，可以较准确地计算地下水超采量，进行地下水可持续利用规划。
　　1 水文地质概况
　　安阳市地处半湿润温带大陆性季风气候区，年降水量约600～700 mm，属海河流域漳卫河水系，主要河流水库有：漳河、洹河(安阳河)、洪水河、岳城水库、小南海水库、彰武水库。大型的供水渠系有跃进渠、万金渠、幸福渠 洹南渠等，正在建设中的南水北调中线工程从本区西部经过。
　　安阳市西依太行山，东部为黄淮海平原。地势西高东低，南北高中间低，中部为安阳河冲洪积扇。
　　安阳河冲洪积扇是中、晚更新世及全新世后期复合堆积而成，具有明显的上细下粗的二元结构。上层为全新统(Q.h)、上更新统(Q.3)的黄土状粉土、粉质黏土，厚10～20 m；下层为上更新统(Q.3)和中更新统(Q.2 )卵砾石层及砂层，厚度15～40 m，自西向东逐渐增厚，分选性较差，局部钙质胶结成岩(俗称钙板)。京广铁路以西砾石层分布稳定，粒径粗大；以东呈多层状分布，夹黏性土透镜体，颗粒也明显变细。安阳市区独特的地层构造条件使安阳河冲洪积扇在空间上成为一独立封闭的水文地质单元，粗大巨厚的卵砾石层为地下水人工回灌提供了有利的储水介质条件。
　　安阳河冲洪积扇地下水主要为降水入渗、河流与侧向径流补给，总体流向为自西向东，受开采的影响，现由城市郊区四周向市区西部径流。安阳市区地处安阳河冲洪积扇的中上部，工农业及生活用水绝大部分是开采80～100 m以上的安阳河冲洪积扇卵砾石层中的孔隙水；开采方式一是自来水公司、钢厂与电厂的水源井集中开采，二是工矿企业自备井和农用井的分散面状开采；在集中开采区，目前已形成了安钢电厂、豆腐营、四水厂、三水厂等四个相对集中开采中心，中心地带地下水位埋深30～40 m，最大为44.9 m［1-2］。
　　2 地下水位下降漏斗演变
　　2.1 区域浅层地下水位下降状况
　　1965年-2005年安阳市区域浅层地下水位下降区面积为4 188.80km2，平均每年扩大104.72 km2；水位下降幅度大于35 m的区域分布于安阳市区，水位下降幅度大于20 m的区域分布于安阳市区、安阳县、滑县、内黄；各县市下降区的扩展速度见表1，滑县、内黄扩展速度较大。浅层地下水位下降区面积占总面积的95%［3］。
　　Table 1 List of groundwater depression area of Anyang city in 1965-2005
　　km2县市名称
　　浅层地下水位不同下降幅度的面积
　　35 m30~35 m25~30 m20~25 m15~20 m10~15 m5~10 m5 m小计
　　每年面积扩展速度非下降区面积面积合计
　　安阳市区0.744.1727.3523.9055.7349.1312.16173.184.33173.18

　 安阳县18.1757.13218.92311.93104.23710.3817.76710.38
　　滑 县7.26482.31825.53453.9927.401796.4944.9114.401810.89
　　内黄县67.83406.08650.0226.67 0.521151.1228.781151.12
　　汤阴县39.61121.8977.83118.30357.638.94208.57566.20
　　合 计0.744.1727.35117.161040.861865.49882.58250.454188.80104.72222.974411.77
　　2.2 安阳市区地下水位下降漏斗演变
　　漏斗演变大致分为三个时期：第一期，20世纪50至60年代中期，地下水循环系统近于天然状态，为天然状态时期；第二期，60年代中期，开展农田水利基本建设、农业扩大井灌后打破了地下水循环的天然状态，人工干预活动开始，为农灌人工干预期；第三期，进入80年代后，工业和城市的地下水水源地集中开采，从此彻底改变了地下水循环系统，此时期为农灌与集中供水人工干预期(见图1 )。
　　图1 1992年以后安阳市电机修造二厂地下水位动态
　　Fig.1 Trend of groundwater level of Second Electromotor Making Factory Anyang city after 1992 year

　　第一期，天然状态时期。在1965年以前，自山前冲洪积倾斜平原到黄河冲积平原地下水位埋藏都比较浅，一般2～15 m之间，山前冲洪积扇地带略深，一般小于15 m，地下水埋深7 m的区城仅分布在山前区，且面积较小；在冲积平原区地下水位埋深一般小于5 m，多数2～3 m，局部1～2 。此时期城镇人口少，工矿企业规模小，地下水开采量很小，而地表水相对较充足。山前冲洪积扇前缘多有地下水溢出，排泄地下水。地下水动态主要受降水与河流的控制，故为气象型或水文气象型。水位年变幅1～2 m。1965年，安阳市区浅层地下水位埋深一般4～5 m，安阳市区秋口浅层地下水位埋深也为4～5 m。
　　第二期，农灌人工干预期—漏斗形成初期。1965年-1978年期间，农田水利工程达到了高潮，河流上游大量修建水库等水利工程，人工调节作用增强，改变了山区地表径流模式，使下游地表水量骤减，多数水库修建有引水灌溉渠系，改变了自然径流模式，使地下水的补给方式也发生了变化。由于农业的发展和生产技术条件的改善，在平原区掀起了井泉建设高潮，机井数量猛增，农业对地下水的开采量也不断增加，浅层地下水位开始有不同程度下降；一般水位埋深为3～4 m，水位下降约1～2 m。地下水动态主要受降水和人工开采影响，地下水动态类型为气象—开采型。地下水埋深7 m漏斗区迅速扩展，已基本形成了现在埋深分区的雏形。1973年-1974年，安阳市区县浅层地下水位埋深一般2～4 m，安阳市区秋口浅层地下水位埋深为6～8 m。
　　第三期，农灌与集中供水人工干预期—漏斗逐步扩大期。1978年至今，尤其是20世纪80年代后期以来，随着城市建设快速发展和工矿企业规模的进一步扩大与农业的发展，需水量猛增，同时，由于地表水严重缺乏，大规模集中供水与面状农灌开采地下水，造成地下水的开采加剧，致使地下水位急骤下降，1980年安阳市区秋口浅层地下水位埋深也为6～8 m，1992年至1996年安阳市电机修造二厂地下水位下降了10 m（见图1），1996年以后漏斗则逐步缓慢扩大，大有与整个华北平原区域地下水位下降漏斗连成的趋势。人工开采已成为地下水排泄的主要方式，彻底改变了地下水循环系统，地下水动态表现为径流－开采型。
　　根据历年水位长期观测资料， 1979年-1985年随着工农业开采量的增加，地下水位逐年下降。1982年7月，地下水位下降到最低值，而后随着降雨的增多和丰水年的到来，又有所提升，基本恢复至原来水平，水位年变幅1.5 m，地下水位下降速率约0.5 m／a，此时，地下水处于采补基本平衡阶段。从1986年以来，地下水位持续下降，水位变幅2.3 m／a，下降速率约1.0 m／a，水位再也恢复不到原来的水平，尤其在1993年-1995年，地下水位下降速率甚至达到2．0 m／a，局部地段卵砾石含水层已疏干近2／3(市区西部大坡一带)，表明地下水处于严重超采阶段。
　　区域降落漏斗的形成和发展演变改变了区内地下水流场特征。首先，激发了一定量的侧向径流补给，从而改变了地下水原来的径流方向，使得周围的地下水向漏斗中心汇流．漏斗周围地段的水力坡度由1991年的1.6‰增至目前的5.3‰；其次，由于地下水位不断下降，大范围疏干了卵砾石含水层。在市区西部吉党、大坡一带，卵砾石层疏干厚度已大于含水层厚度的60％，为地下水的人工回灌腾空了库容；另外，由于市区东部一带地下水位也在不断下降，与市区之间形成了地下分水岭，随市区地下水开采量的增加，分水岭的位置缓慢向东推移，目前已到达西于曹-西辛安-中所屯一线。
　　2001年-2005年，河南省地质调查院每年都对安阳市区县进行了浅层地下水位埋深统一调查，通过调查得出，安阳市区秋口一带浅层地下水位埋深一般都大于30 m（见表2，图2）。
　　Table 2 List of groundwater level of Qiukou Anyang city downtown in 2001-2005
　　调查点原编号经度纬度地理位置水位埋深/m水位标高/m统测日期安25114°17′18.0″36°08′29.2″安阳市区秋口南（河北边）30.9451.762003-12-6
　　安25114°17′18.0″36°08′29.2″安阳市区秋口南（河北边）30.4652.242004-7-10
　　安26114°17′18.0″36°08′29.2″安阳市区秋口南（河北边）30.7851.922005-6-5
　　G2154114°16′30″36°07′50″安阳市区郭柴库村东44.3140.592002-6-18
　　G2154114°16′30″36°07′50″安阳市区郭柴库村东46.3138.592001-12-28
　　G2151114°19′46″36°08′27″安阳市区董王度村西南26.548.92002-6-18
　　G2151114°19′46″36°08′27″安阳市区董王度村西南25.8449.562001-12-27
　　图2 安阳市区地下水调蓄条件(据2005年6月地下水位埋深资料)
　　Fig.2 The condition map of underground adjusting and storing reservoir in Anyang city downtown
　　2.3 2005年6月漏斗概况
　　2005年6月1日至15日河南省地质调查院对豫北浅层地下水进行了统一调查，其中心水位埋深为43.8 mm；其它部分埋深一般都大于15 m。漏斗面积统计成果见表3。
　　Table 3 List of groundwater level depression area of Anyang city downtown(adding County) on 2005.6km2

　　浅层地下水埋深区间/m15~2020~2525~3030~3535~4040~45小计15总面积
　　漏斗区面积/km210759242741222676.14898.143 地下水超采量计算
　　3.1 地下水超采量计算时段
　　地下水超采量计算时段选择2005年6月地下水降落漏斗的水位界面为底界面，1980年、1965年的地下水降落漏斗水位分别为顶界面，分别计算1980年-2005年、1965年-2005年地下水超采量。
　　3.2 地下水超采量计算公式
　　地下水超采量采用以下公式计算：
　　Q=∑Q.i
　　Q.i=μ.iF.iH.i
　　式中：Q—地下水超采量（m3）；Q.i—各计算小区的地下水超采量（m3）；F.i—各计算小区的地下水超采量面积（m2）；μ.i—各计算小区对应的储水系数；H.i—各小区对应的地下水位下降幅度（m）。
　　3.3 参数μ的选取
　　在河南安阳、禹州、新乡调蓄工程报告的基础上，本论文参数选取成果见表4。
　　Table 1 List of lithology specific yield of groundwater reservoir
　　岩性给水度（μ）
　　卵砾石0.29
　　黏性土0.05

　　 在此基础上，本次计算参数的选取综合考虑水文地质条件，用类比法确定其它成果给水度参数为：砂0.2；砂卵石029；风化泥灰岩0.25；粉质黏土0.05。地下水超采量使用了地层的加权平均岩性给水度。
　　3.4 地下水超采量的统计计算结果
　　地下水超采面积F与地下水位下降幅度H统计计算成果见表1。
　　在1965年-2005年40年时间段内，安阳市区地下水超采量5.14×108 m3，每年地下水超采量0.13×108m3(见表5); 在1980年-2005年25年时间段内， 安阳市区地下水超采量4.74×108 m3，每年地下水超采量0.19×108 m3。
　　Table 5 List of the surpass-extracting quantity for groundwater level depression amplitude of Anyang city downtown(adding County) in 1965-2005 year
　　县市名称
　　不同地下水下降幅度的地下水超采量下降幅度/m3530~3525~3020~2515~2010~155~105小计
　　每年地下水超采发展速度/（108m3·a-1）安阳市区
　　下降面积/km20.744.1727.3523.9055.7349.1312.16173.18
　　地下水超采量/108m3-0.05-0.23-1.27-0.93-1.64-0.92-0.11-5.14
　　-0.13安阳县
　　下降面积/km218.1757.13218.92311.93104.23710.38
　　地下水超采量/108m3-0.27-0.78-2.42-2.05-0.19-5.71
　　-0.144 地下水可持续利用规划建议
　　根据统计计算， 安阳市区地下水超采量0.19×108m3/a，安阳市区当地的水资源已不能满足用水需求，必须采取“引外补内”的办法，才能真正解决含水层补给和供水的问题。安阳市区内存在着较好的适宜于地下水调蓄的水文地质结构，使用雨洪、水库河流弃水、工矿弃水等与南水北调中线水源调蓄，开展地表水与地下水资源联合调度，做到“以丰补歉”，是解决安阳市区水资源紧缺问题，地下水可持续利用的有效途径［5-8］。
　　4.1 安阳市区地下水库调蓄规划
　　根据已有的地质、地貌、构造以及水文地质条件等资料，安阳河冲洪积扇具有较大的含水空间，周围封闭性较好， 安阳市区经过几十年的地下水开采，已形成稳定的地下水位下降漏斗，此漏斗是建立地下水调蓄库良好的场所。
　　安阳市地下水调蓄库地处安阳河冲洪积扇之上，是一相对封闭的储水单元，平面范围为：西起西梁村－南流寺村－郭里一线；东至东于曹－西辛庄－中所屯一线；北自大碾屯－六寺村－韩陵山一线；南到许张村—牛房一线，面积约170.6km2。经计算，1980年-2005年计算调蓄库容为4.24×108 m3，回灌量3.81×108 m3。
　　回灌工程应建一条引水回灌渠和管道，再增加回灌渗井和渗坑加渗井。回灌取水工程按西补西采，东部适当增加开采的方式进行。
　　4.2 南水北调中线运行之前， 地下水可持续利用规划
　　根据安阳市的自然条件，回灌水源主要为地表水。目前安阳市引用岳城水库的水量仅为0.36×108 m3／a，还有2.34×108 m3／a的水量可以利用。因此就现状来说，如扩大岳城水库的引水量，是完全能够满足回灌要求的。虽然彰武水库主要供给安钢和电厂，扩大其引水量已经是不可能，但考虑到汛期洪水具有历时短、来量大的特点，可以利用水库的有效库容大量蓄水，作为回灌的一种补充水源。
　　利用本地区的工矿弃水、城市集中雨水: 大型企业的弃水．如安钢和电厂的冷却水，经人工处理后，也可作为回灌水源。工矿弃水将随着工业的发展和科学进步产生一定的变化，但必须明确指出，其水质必须达标后方可作为调蓄水源。
　　4.3 南水北调中线运行后， 地下水可持续利用规划
　　从长远考虑，本地区水资源是不足的，仅靠本地区调节水资源是不能满足城市日趋增长的用水量的。据南水北调中线规划资料，中线线路将在安阳市西郊沿西南部丘陵前经南流寺、史车村一带穿过安阳河向北，在南流寺一带设立放水口门，预计分配给安阳市的净水量为3.49×108 m3／a，其中供城市规划区生活及工业用水量为1.41×108 m3／a。剩余的水量除了供给农业生产以外，还可以用来调节地下水。由此看来，南水北调中线工程的实现将给本地区的发展增添新的活力，同时对于调节地下水、改善地质环境和生态环境将起到决定性的作用。
　　参考文献:
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