淺層地下水補給對人類活動影響的響應特征研究

王金哲, 張光輝, 母海東, 嚴明疆, 聶振龍, 王 瑩

1)中國地質科學院水文地質環境地質研究所, 河北石家莊 050061;

2)河北省環境地質勘查院, 河北石家莊 050021

淺層地下水補給對人類活動影響的響應特征研究

王金哲1), 張光輝1), 母海東2), 嚴明疆1), 聶振龍1), 王 瑩1)

1)中國地質科學院水文地質環境地質研究所, 河北石家莊 050061;

2)河北省環境地質勘查院, 河北石家莊 050021

本文通過數據整理分析, 查明滹沱河流域平原區1976-2005年以開采量、灌區引水量和河道過水量為代表的人類活動逐漸增強, 分析了淺層地下水補給在大氣降水減少和人類活動逐漸增強背景下大幅減少的響應特征: 綜合補給量所占比率由1976-1980年的21.6%下降到2000-2005年的11.3%。隨后, 從開采量、河道過水量和灌區引水量三個方面分析了淺層地下水補給響應人類活動的變化特征: 地下水補給量與開采量呈 y=65.412x?0.2576模式隨降水量增減而負相關變化; 河道滲漏補給量和渠水入滲量在地下水位不同埋深條件下表現出隨來水量、引水量增加而增大的態勢, 但在不同埋深條件下, 河道滲漏補給量與來水量之間、渠水入滲量和引水量之間關系不同。

滹沱河流域; 淺層地下水; 補給特征; 人類活動

補給量的變化直接決定一個地區的地下水資源量, 地下水補給是地下水資源得以持續利用的前提(張光輝等, 2003), 在當前人類活動和氣候雙重干擾下, 滹沱河流域平原區地下水補給環境發生了很大變化(王金哲等, 2009; 嚴明疆等, 2008; 費宇紅等, 2007; 李桂芬, 2006), 如補給源減少、補給途徑增加、補給能力下降等, 所有這些都使地下水的補給量和補給機制不可避免受之影響(劉克巖等, 1988),與地下水資源功能、生態功能、地質環境功能和社會功能密切相關的地下水補給究竟發生了怎樣的變化, 曾有學者對研究區內石家莊市區城市化與淺層地下水補給之間的關系進行研究, 認為城市化進程增加淺層地下水補給(于開寧, 2001), 在平原區淺層地下水補給響應人類活動的結果如何, 查明這一問題將對本地區水資源的優化配置和探究人-水和諧發展提供科學依據。

本文通過收集整理研究區多年降水量、徑流量和地下水補給數據, 對這一地區的多年來的補給特征和不同條件下的補給機制進行了分析。降水量數據收集于1958-2008年河北省統計年鑒和1992年完成的《海河流域降水量資料匯編》, 滹沱河多年徑流量數據引自河北省水文水資源勘測局的“河北平原地下水承載力與安全采控研究”, 各時代淺層地下水補給數據資料主要引自河北省地質環境監測報告、2004年完成的華北平原地下水資源評價(河北部分)及實測數據。

滹沱河流域平原區位于河北省中南部, 地處滹沱河以南、滏陽河以北、太行山以東山前傾斜平原,面積8805 km2。

本區屬溫帶半濕潤、半干旱大陸性季風氣候,降水量年際變化較大, 多年平均降雨量493 mm。滹沱河曾是本區最大河流, 屬海河流域子牙河水系,自西向東貫穿本區, 在獻縣與滏陽河交匯, 目前已干涸。黃壁莊水庫和崗南水庫是位于滹沱河出山口的兩個串聯水庫, 其中, 黃壁莊水庫付壩全長 6900 m, 壩基坐落在滹沱河古道上, 巖層透水性極強。

滹沱河流域平原區位于滹沱河沖洪積扇上, 出山口河道及二級階地包氣帶巖性為砂礫石層, 并直接裸露。從軸部向兩側及下游, 顆粒逐漸變細, 砂層的厚度逐漸變薄, 上覆一層10 m左右的不穩定薄層粘土、亞粘土。含水層下部無連續隔水層, 垂向水力聯系好。

1 50年來典型人類活動變化特征

1.1 開采量變化

圖1是近50多年來滹沱河流域平原區淺層地下水開采量柱狀圖。在 20世紀 50、60年代, 人們對地下水的開采較少, 淺層地下水的消耗量分別為13.49和17.08×108m3/a。在70、80年代有明顯的增長, 80年代為最大消耗時期, 達到30.25×108m3/a。從90年代開始, 過量開采引發的一系列生態和地質環境問題引起了人們的重視, 農業節水措施和工業用水的循環率逐漸得到提高, 淺層地下水的消耗量在20世紀90年代和21世紀初期相對20世紀80年代有所下降, 90年代為28.17×108m3/a, 21世紀初期為27.68×108m3/a。

圖1 不同時代滹沱河流域平原區淺層地下水開采量柱狀圖Fig. 1 Columnar section of exploitation quantities in the Hutuo River plain in different epochs

圖2 滹沱河北中山水文站實測徑流量Fig. 2 Measured flux of Hutuo water runoff at Beizhongshan hydrological station

1.2 河道過水

研究區位于滹沱河沖洪積扇上, 山前地帶地層顆粒較粗, 河道滲透能力強, 過水時的河道滲漏為地下水重要補給源。

由圖2近50年來滹沱河北中山站實測徑流量數據, 明顯看到河道過水的劇烈變化。20世紀70年代以前, 河道常年有水, 最小徑流量為 17.4×108m3; 70年代表現為間歇性過水, 僅有1974、1975河道斷流, 最大的棄水量也僅為1977年的5.8×108m3, 小的年份為0.06×108m3, 河道過水量很小。80年代以后, 河道幾乎完全干涸, 僅有1988和1996年的豐水年有明顯過水。

1.3 灌區引水量

石津灌區是區內主要地表水農業灌溉系統, 據調查, 近三分之二的渠道沒有防滲處理, 春灌、冬灌時間累積有 5個月, 這個時段渠水滲漏是淺層地下水重要補給源之一。渠水滲漏量的大小與引水量、引水時間、渠道分布狀況等有關, 其中引水量是重要因素, 引水量大, 渠水滲漏量相對就大; 否則, 就小。圖 3是石津灌區歷年引水量動態曲線, 引水量呈急速下降趨勢, 且階段特征明顯在 20世紀 70年代, 灌區引水量強烈優勢, 平均引水量 116723.1× 104m3/a; 降水偏少的80年代, 水庫蓄水量有限, 從水資源平衡調控考慮, 灌區引水量僅為54253.1×104m3/a; 90年代受95、96豐水年的影響, 引水量有所提高, 為60886.2×104m3/a; 21世紀初期呈繼續下降態勢, 降至42624.4×104m3/a。

圖3 石津灌區引水量動態變化曲線Fig. 3 Dynamic variation curve of water diversion in Shijin irrigation area

2 淺層地下水補給的響應特征

2.1 淺層地下水補給衰減特征

滹沱河流域平原區淺層地下水補給主要有降水入滲量、灌溉回歸量、河渠滲漏量和側向入滲量, 4項之和為綜合補給量。近年來, 滹沱河流域平原區的淺層地下水資源日趨緊張, 除開采量增大這一主要因素外, 補給量的逐年減少同樣至關重要, 表 1表明 1976-2005年降水入滲、灌溉回歸和側向入滲不同程度減少造成綜合補給減少的現實。

滹沱河流域平原區淺層地下水補給資源的衰減首先表現為大氣降水的衰減。在20世紀的76-80年和 81-85年兩個時段, 大氣降水補給量分別為10.18、12.1×108m3/a, 而隨后的 86-90、90-95、96-2000和 2000-2005四個時段, 補給量處于 7.54-8.64×108m3/a之間, 減少(2.64～4.56)×108m3/a。由于研究區降水量的持續下降, 降水入滲量在綜合補給量中所占比率持續下降, 由1981-1985的0.22下降至2001-2005的0.138(表1)。

其次, 灌溉回歸量的衰減在淺層地下水補給的衰減中也占有較大分量。20世紀的 76-80和 81-85兩個時段, 灌溉回歸量分別為 6.22、6.12×108m3/a,而其后的86-90、90-95、96-2000和2000-2005四個時段, 補給量介于(1.24~3.26)×108m3/a之間, 換句話說, 1985以前的灌溉回歸量是1985年后的1.9-5倍, 目前的灌溉回歸量已大大減少。灌溉回歸量在綜合補給量中所占比率由1981-1985年的0.285下降至2001-2005的0.056。

表1 滹沱河流域平原區各項補給量在不同時段所占比率Table 1 The rates of shallow groundwater recharges in the Hutuo River plain in different periods

側向補給量的減少也是造成地下水綜合補給量較少的原因之一。在20世紀的76-80、81-85和86-90三個時段, 山前的側向補給量不小于 4×108m3, 而90年代以后, 側向補給量急劇縮減, 尤其2000-2005年期間, 驟降至 1.56×108m3/a, 大大降低了對淺層地下水的補給。側向入滲量在綜合補給量中所占比率由1981-1985的0.206下降至2001-2005的0.081。

研究區 1956-1984 年的多年平均河道滲漏補給量0.57 億m3/a, 滹沱河斷流后, 河道滲漏補給量幾乎為零(費宇紅, 2001)。在20世紀的76-80年補給量較大, 為0.045×108m3/a; 80-85和86-90年補給量減少, 為0.021×108m3/a和0.017×108m3/a; 在91-95、96-2000兩個時段滲漏補給量有明顯增大, 這是由于1995和1996豐水年黃壁莊水庫大量棄水所導致, 96-2000年達到最大值, 為0.057×108m3/a。河渠滲漏補給量在1981-1985、1991-1995和2001-2005三個時段在綜合補給量中所占的比率分別為 0.206、0.140和0.081。

2.2 補給量對不同降水條件下開采量變化的響應特征

在區域性大規模開采地下水條件下, 年降水量減少, 則地下水補給量降低, 而開采量增大, 二者從源、匯兩個方向加劇地下水系統水量負均衡態勢。相反, 年降水量增大, 則地下水補給量增加, 開采量減少, 二者從源、匯兩個方向加大地下水水量正均衡態勢, 導致地下水位上升或下降。

圖4 滹沱河流域平原區補給量、開采量與降水量之間關系圖Fig. 4 Relationships betweeng recharge, exploitation and rainfall in the Hutuo River plain

圖 4為滹沱河流域平原區淺層地下水補給量響應不同降水條件下開采量變化的特征。圖中可見,區域地下水年補給量(Q補)、年農業開采量(Q開)隨年降水量(p)增減而呈互逆變化: 補給量以 Q 補=0.071p0.8851模式增加, 農業開采量則以 Q 開=191.52p?0.2917模式減少。研究區地下水補給量與開采量呈 y=65.412x?0.2576模式隨降水量增減而負相關變化。

在滹沱河流域平原區, 1978-1981期間年降水量減少37.4%, 則地下水補給量減少16.5%, 地下水開采量增加 33.9%。1995-1996年期間年降水量增加80.9%, 則地下水補給量增加 114.5%, 而農業開采量下降19.1%。

滹沱河流域平原區的年均降水量呈下降趨勢,農業發展模式不會在短時間內發生較大變化, 基于這種背景, 農業開采量增加造成的地下水補給減少也不會在短時間內發生扭轉(張光輝, 2006)。

2.3 河道滲漏補給與河道過水量響應特征

圖5為1976-1980和1986-1990兩個時段滹沱河來水量-河道滲漏補給-地下水位埋深之間的線性關系圖。20世紀80年代前, 研究區河道幾乎常年有水,地下水埋深較淺, 包氣帶毛細頂托作用明顯, 1976-1980年平原區地下水位平均埋深7.2 m, 河道來水量與河道滲漏補給之間的關系為y = 0.2798x + 0.1114, 單位來水量對地下水的滲漏補給為 0.3912× 108m3, 這一期間河道過水的入滲率為0.29～0.30; 80年代后河道常年干涸, 包氣帶水分虧缺, 水位埋深加大, 1986-1990年地下水位平均埋深12.5 m, 河道來水量與河道滲漏補給之間的關系為y = 0.4309x + 0.0346, 單位來水量對地下水的滲漏補給為 0.4655× 108m3, 河道過水入滲率提高到0.40～0.47。1986-1990年與1976-1980年比較, 地下水埋深增幅5.3 m, 單位過水量對地下水的滲漏補給增加0.0743×108m3。所以, 地下水位埋深在一定范圍內增大可使同樣來水條件下的河道滲漏補給在一定程度上增加, 但這種增加不是無限制的。圖 6為不同時代的河道過水滲漏補給所占比率變化圖, 在 1996-2000時段之前,河道滲漏補給率呈緩慢增加趨勢; 但之后, 明顯下降。在地表水補給源日益缺乏的趨勢下, 滲漏補給率的下降將使河道滲漏補給這一地下水補給項逐步減少, 加劇地下水補給衰減的情勢。

圖5 不同埋深條件下河道來水量與補給量之間關系Fig. 5 Relationship between flux and recharge at different groundwater levels

圖6 不同時代河道滲漏補給所占比率Fig. 6 Flux leakage percentages in the total recharge in different epochs

2.4 渠道滲漏對灌區引水量響應特征

灌區的引水量大小決定渠水入滲量, Q渠= Q引(1-α)(1-β), 其中, α為渠系利用率, 與渠道的修筑方式、是否防滲處理有關, β為包氣帶消耗系數, 與研究區的包氣帶巖性有關, 這樣情況下的α、β為常量,渠水入滲量直接取決于灌區引水量的大小。石津灌區的渠水入滲量與灌區引水量呈線性關系(圖7), 渠水入滲量與灌區引水量的關系式為 y = 0.2166x + 1.9914。

圖7 引水量與渠水入滲量之間關系Fig. 7 Relationship between flux and recharge in different periods

多年來, 滹沱河流域平原區的地下水系統已經發生了很大變化, 淺層地下水從 20世紀 80年代的平均埋深7.2 m發展到現狀年的28.7 m, 渠水對淺層地下水的補給路徑增加 4倍, 包氣帶在長期缺水狀態下對入滲渠水的沿途襲奪造成渠水入滲途中的損失量增多, 包氣帶消耗系數增大(張光輝等, 2007;李金柱, 2009)。而且, 20世紀70年代中后期和90年代的兩次大規模骨干渠道防滲處理使得渠系的利用系數增大, 據河北省水文水資源勘測局 1991～2000年資料, 在目前防滲情況下, 灌區渠系水有效利用系數由原來的0.424提高到0.55, 減弱了渠系滲漏對淺層地下水的入滲補給。因為每年石津灌區的灌溉時間基本一致, 在引水量不變、包氣帶消耗系數和渠系利用系數同時增大的情況下, 80年代前與80年代后引水量與渠水入滲量之間的關系不同(圖7), 80年代前灌區引水量與渠水入滲量的關系為y = 0.2298x + 2.1632, 80年代后灌區引水量與渠水入滲量的關系為y = 0.1362x + 2.2069。80年代前單位引水量對淺層地下水的入滲補給為 2.393×108m3, 80年代后為2.3431×108m3, 減少0.0499×108m3, 說明地下水埋深加大和渠道襯砌行為造成灌區引水對淺層地下 水的補給減弱, 如果影響淺層地下水的人類活動進一步加強, 灌區引水對淺層地下水的補給將進一步減少。

3 結論

通過上述分析, 可以得到以下結論:

(1) 滹沱河流域平原區的人類活動逐漸增強,主要表現在: 開采量大幅提高, 從20世紀50年代的13.49×108m3發展到 21世紀初期的 27.68×108m3;河道過水量幾乎全部攔蓄, 從 20世紀 70年代的最小 14.7×108m3發展到 80年代后的常年為零; 灌區引水量劇烈減少, 從20世紀70年代的116723.1×104m3/a的下降到21初期的42624.4×104m3/a。

(2) 在降水減少和人類活動增強背景下, 淺層地下水補給大幅減少, 主要表現為: 1976-1980年 5年累計綜合補給量在整個研究時段綜合補給量中所占比率為21.6%, 在2000-2005年下降至11.3%, 幾近一半。

(3) 淺層地下水補給隨開采量、引水量和過水量發生明顯變化, 地下水補給量與開采量呈y=65.412x?0.2576模式隨降水量增減而負相關變化;河道滲漏補給量和渠水入滲量在地下水位不同埋深條件下表現出隨來水量、引水量增加而增大的態勢,但在不同埋深條件下, 滲漏補給量與來水量之間、渠水入滲量和引水量之間關系不同。

因此, 在氣候越來越干旱的今天, 人類活動的增強將使地下水補給減少的惡劣境況加劇, 以致在連續枯水年份情勢下這種影響具有較大的潛在災害性(張光輝, 2003), 雖然城市化進程增加局部地區的淺層地下水補給(于開寧, 2001), 整個研究區淺層地下水補給減少是不爭事實, 通過河道、滲坑等人工調蓄場所轉化連續豐水年或洪水年的雨洪資源為地下水資源(王銀堂等, 2009), 增加地下水的補給, 有效應對北方地區日趨緊張的地下水緊缺現狀, 這對于提高區域地下水資源供給安全保障能力具有重要意義。

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The Shallow Groundwater Recharging Characteristics Responding to Human Activities

WANG Jin-zhe1), ZHANG Guang-hui1), MU Hai-dong2), YAN Ming-jiang1), NIE Zhen-long1), WANG Ying1)
1) Institute of Hydrogeology and Environmental Geology, Shijiazhuang, Hebei 050061;
2) Hebei Institute of Hydrogeology and Environmental Geology, Shijiazhuang, Hebei 050021

Through data preparation and analysis of the precipitation recharge, irrigating recursive recharge, seepage from rivers and canals and lateral infiltration recharge, the authors found out that the shallow groundwater recharge resource was decreasing year after year under the background of increasing human activities: the integrated recharge was reduced acutely from 21.6% in 1976-1980 to 11.3% in 2000-2005. On such a basis, this paper analyzed the shallow groundwater variation characteristics in answer to human activities, which included exploitation, flux and irrigation area flux. The relationship between the groundwater recharge and the exploitation is expressed as y=65.412x-0.2576, which implies that the exploitation is negatively correlated with the recharge. The relationship between the riverway leakage and irrigation flux recharge and the water amount increase tends to be positive but is different at different groundwater levels. This study is of great significance for the alleviation of the overexploitation of groundwater.

Hutuo River valley; shallow groundwater; recharge character; human activity

P333; S273.4; TV211.12

A

1006-3021(2010)04-557-06

本文由973課題(編號: 2006CB403401)、國家科技支撐計劃課題(編號: 2007BAD69B02)和中國地質科學院重點開放實驗室、水環所基本科研業務(編號: SK07022)聯合資助。

2010-02-01; 改回日期: 2010-04-07。

王金哲, 女, 1969年生。副研究員, 主要從事地下水資源評價和可持續利用研究。通訊地址: 050061, 石家莊市石崗大街406號。E-mail: 5885970@sina.com。