寧河縣地下水狀況及開采控制研究

尚瑞朝，宮愛璽，胡海軍，郭中磊，李春輝，李麗瑋

（河北省水利技術(shù)試驗(yàn)推廣中心，河北石家莊050061）

寧河縣地下水狀況及開采控制研究

尚瑞朝，宮愛璽，胡海軍，郭中磊，李春輝，李麗瑋

（河北省水利技術(shù)試驗(yàn)推廣中心，河北石家莊050061）

分析了1987-2007年寧河縣地下水各含水層組年水位埋深、開采量變化情況以及累計(jì)水位降深與累計(jì)開采量、沉降量的變化規(guī)律，明確了地下水超采是引起寧河縣地面沉降及水位降深增加的主要原因。為了控制地面沉降及水位持續(xù)下降的趨勢(shì)，結(jié)合寧河縣地下水超采狀況、經(jīng)濟(jì)發(fā)展和地下水資源的戰(zhàn)略儲(chǔ)備需要，制定了以控制地面沉降量為約束條件的控沉方案，最終通過建立寧河縣地下水?dāng)?shù)值模型，并結(jié)合約束條件，預(yù)測(cè)了3個(gè)水平年地下水開采控制方案。研究成果可為今后寧河縣地下水優(yōu)化管理及開采控制研究提供參考。

寧河縣；水位埋深；開采量；沉降量；地面沉降；數(shù)值模型；開采控制

寧河縣地處天津市東北部，地貌成因類型主要屬?zèng)_積海積平原。寧河縣地下水主要開采層為2層及以下，因此本次研究主要以第2含水層以下承壓水為主。長(zhǎng)期以來，寧河縣大量開發(fā)深層地下水，已產(chǎn)生了大面積的地下水降落漏斗，形成了全縣以蘆臺(tái)鎮(zhèn)為中心的環(huán)形降落漏斗，并有進(jìn)一步發(fā)展的趨勢(shì)［1］。地下水是寧河縣內(nèi)工農(nóng)業(yè)和生活用水的最主要的水源，地下水的開發(fā)利用程度較高，多年的地下水開采已經(jīng)使該地區(qū)出現(xiàn)了大范圍的水位降幅［2］。地面沉降又稱地面下沉或地陷，是在自然條件和人為因素作用下，因地殼表層土壓縮而導(dǎo)致區(qū)域性地面標(biāo)高降低的一種環(huán)境地質(zhì)現(xiàn)象［3-4］。地面沉降作為一種廣泛的地質(zhì)災(zāi)害，造成最大的危害是損失地面標(biāo)高，并由此引起一系列的危害，如市政排水困難、海水倒灌等，特別是濱海地區(qū)，加大了風(fēng)暴潮對(duì)沿海地區(qū)的威脅［5］?？紤]到地面沉降所引發(fā)的一系列不良后果，必須對(duì)地面沉降量進(jìn)行一定的約束。筆者在分析寧河縣水位埋深和開采量多年變化趨勢(shì)及地面沉降和開采量關(guān)系的基礎(chǔ)上，明確了地下水超采作為地面沉降及水位降深增加的主要原因，結(jié)合寧河縣地下水超采狀況、經(jīng)濟(jì)發(fā)展和地下水資源的戰(zhàn)略儲(chǔ)備需要，制定了以控制地面沉降量為約束條件的控沉方案，最終通過建立寧河縣地下水?dāng)?shù)值模型，根據(jù)約束條件制定不同規(guī)劃水平年地下水開采方案。研究成果可為今后寧河縣地下水優(yōu)化管理及開采控制研究提供參考。

1 寧河縣地下水狀況分析

1.1 寧河縣各含水組水位及開采量年際變化分析

根據(jù)寧河縣1987—2007年地下水水位觀測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)，寧河縣1987—2007年水位埋深及開采量變化情況如圖1所示。從圖1可以看出，寧河縣第2-6含水組水位埋深均呈增加趨勢(shì)，各含水組1987—2007年21年累計(jì)水位降深及水位下降速率見表1；1987—2007年寧河縣開采量總體上也呈增加趨勢(shì)，但在2002年以后開采量有減少的趨勢(shì)。寧河縣21年的年均開采量為5 959萬m3，其中20世紀(jì)80年代年均開采量為4 638萬m3、20世紀(jì)90年代年均開采量為5 186萬m3、2000年后年均開采量為7505萬m3，2002年開采量最大、達(dá)10 651萬m3，約為年均開采量的1.8倍。

圖1 寧河縣各含水組水位埋深及開采量年變化曲線

表1 寧河縣各含水組水位變化

從圖1可以看出，寧河縣第2-4含水組水位埋深的波動(dòng)變化態(tài)勢(shì)與開采量的波動(dòng)變化態(tài)勢(shì)較一致，尤其在1999年以后，當(dāng)開采量增加時(shí)水位埋深隨之增加，當(dāng)開采量減少時(shí)水位埋深也隨之減??；盡管開采量有增加和減少的變化，但第5和第6含水組水位埋深呈持續(xù)增加的態(tài)勢(shì)，這說明第5和第6含水組的地下水開采量一直在增加。結(jié)合各含水組的水位變化情況，不難看出寧河縣開采量的增加量主要集中在第5和第6含水組，其中第6含水組開采量的增加量較大。

1.2 累計(jì)水位降深與累計(jì)開采量變化分析

寧河縣各含水組累計(jì)水位降深與累計(jì)開采量變化情況，如圖2所示。從圖2可以看出，第2-4含水組累計(jì)水位降深在1988—2002年期間總體上隨累計(jì)開采量的增加而增大，2002年以后有隨累計(jì)開采量增加而減少的趨勢(shì)，這說明2002年以后這3個(gè)含水組的開采量減少，使得水位抬升，進(jìn)而累計(jì)水位降深變??；第5和第6含水組的累計(jì)水位降深與累計(jì)開采量的相關(guān)性較強(qiáng)，累計(jì)水位降深隨累計(jì)開采量的增加而增大，說明第5和第6含水組的地下水開采量一直在增加，使得水位持續(xù)降低，累計(jì)水位降深逐漸增大。

圖2 寧河縣各含水組累計(jì)水位降深與累計(jì)開采量年變化曲線

1.3 寧河縣沉降量與開采量關(guān)系分析

寧河縣2000—2008年的年均沉降量為35.3 mm，其中2001和2002年沉降量最大，均為67mm，約為年均沉降量的1.9倍。寧河縣2000—2008年的沉降量和開采量變化情況，如圖3所示。由圖3可以看出，沉降量的波動(dòng)變化態(tài)勢(shì)與開采量的波動(dòng)變化態(tài)勢(shì)比較吻合，即在開采量增大時(shí)沉降量也相應(yīng)地增大、開采量減少時(shí)沉降量也相應(yīng)地減少。寧河縣2000—2008年的累計(jì)沉降量與累計(jì)開采量關(guān)系，如圖4所示。從圖4可以看出，累計(jì)沉降量與累計(jì)開采量呈顯著的正線性相關(guān)關(guān)系，即累計(jì)沉降量隨著累計(jì)開采量的增加而遞增，說明寧河縣地面沉降主要是由超采地下水引起的，這進(jìn)一步驗(yàn)證了開采量與沉降量之間的因果關(guān)系。

圖3 寧河縣沉降量與開采量變化

圖4 寧河縣累計(jì)沉降量與累計(jì)開采量關(guān)系

2 寧河縣地下水開采控制

根據(jù)寧河縣地下水歷史統(tǒng)計(jì)資料的分析研究，即從水位與開采量變化趨勢(shì)及沉降量與開采量的關(guān)系分析中，可以看出地下水的過量開采導(dǎo)致了水位的持續(xù)下降，加劇了地面下沉趨勢(shì)。為了控制地面沉降及水位持續(xù)下降的趨勢(shì)，必須對(duì)各含水組制定一個(gè)合理的開采量。以下通過建立寧河縣地下水?dāng)?shù)值模型，并給出寧河縣地下水沉降量約束條件，預(yù)測(cè)寧河縣在給定地面沉降約束條件下的3個(gè)水平年（2015、2020、2030年）的開采控制方案，為指導(dǎo)今后寧河縣地下水控制開采及管理提供幫助。

2.1 地下水?dāng)?shù)值模型

本研究通過建立寧河縣地下水?dāng)?shù)值模型來預(yù)測(cè)在給定地面沉降約束條件下的地下水開采控制方案。模型建立之前首先要收集資料，所需資料主要包括氣象水文資料、前人研究成果圖、鉆孔數(shù)據(jù)、觀測(cè)孔水位等詳細(xì)水文地質(zhì)資料。通過對(duì)水文地質(zhì)邊界條件、初始條件、地下水系統(tǒng)源匯項(xiàng)等分析，利用MODFLOW作為模擬軟件，建立寧河縣地下水?dāng)?shù)值模型。

模型研究區(qū)范圍為整個(gè)寧河縣域。研究區(qū)內(nèi)以沉積物質(zhì)為基礎(chǔ)，以水文地質(zhì)特征為依據(jù)，結(jié)合地下水開發(fā)利用現(xiàn)狀，在模型中將研究區(qū)地下水系統(tǒng)概化為6層：第1層為潛水含水層；第2—6層為承壓含水層，本次研究主要為第2—6含水層。模型要求輸入前期固結(jié)水頭、初始沉降量、地面沉降觀測(cè)站的位置、彈性釋水系數(shù)和非彈性釋水系數(shù)的初始值，然后迭代求解。通過對(duì)各觀測(cè)站地面沉降量計(jì)算值序列與實(shí)測(cè)值序列的對(duì)比，調(diào)整參數(shù)值，最終達(dá)到計(jì)算值與實(shí)測(cè)值的最佳擬合，以求得擬合最佳時(shí)的參數(shù)值。最后將調(diào)整后的參數(shù)帶入模型并輸入模型所需要的初始條件來進(jìn)行預(yù)測(cè)研究。模型可用如下微分方程［6］的定解問題來描述：式中：S為自由面以下含水層儲(chǔ)水率（1/m）；Ssk為骨架儲(chǔ)水率（1/m）；Ss′為滯后黏性土層儲(chǔ)水率（1/m）；K為含水介質(zhì)的水平滲透系數(shù)（m/d）；Kz為含水介質(zhì)垂向滲透系數(shù)（m/d）；Kn為邊界面法線方向的滲透系數(shù)（m/d），n為邊界面的法線方向；Kv′為滯后黏性土層垂向滲透系數(shù)（m/d）；ε為含水層的源匯項(xiàng)（1/d）；q為總壓縮釋水量（1/d）；q1為非滯后壓縮釋水量（1/d）；μ為潛水含水層在潛水面上的重力給水度；p為潛水面的蒸發(fā)和降水入滲強(qiáng)度（m/d）；h為地下水系統(tǒng)的水位標(biāo)高（m）；h0為系統(tǒng)的初始水位分布（m）；hr為III類邊界水位標(biāo)高（m）；h＇為滯后黏性土層水位（m）；Γ0為滲流區(qū)域的上邊界，即地下水的自由表面；Γ1為滲流區(qū)域的Ⅰ類邊界；Γ2為滲流區(qū)域的Ⅱ類邊界；Γ3為滲流區(qū)域的III類邊界；Γ4為非滯后壓縮含水層區(qū)域；Γ5為滯后性壓縮黏土區(qū)域；σ為III類邊界的阻力系數(shù)（d）；Δb為非滯后壓縮量（m3），b為非滯后壓縮層厚度（m）；Δb0為初始沉降量（m）；Ω為滲流區(qū)域。

2.2 地面沉降約束條件

根據(jù)寧河縣地下水超采的情況，以控制地面沉降量為約束條件，利用建立的地下水?dāng)?shù)值模型進(jìn)行預(yù)測(cè)，最終制定出3個(gè)不同規(guī)劃水平年的地下水開采控制方案。

根據(jù)參考文獻(xiàn)[7]中關(guān)于地面沉降的規(guī)定，并考慮寧河縣經(jīng)濟(jì)發(fā)展和地下水資源的戰(zhàn)略儲(chǔ)備需要，設(shè)置如下地面沉降約束條件：在近期（2015年），實(shí)現(xiàn)整個(gè)寧河縣的年均沉降量控制在30mm以內(nèi)；到中期（2020年），實(shí)現(xiàn)整個(gè)寧河縣的年均沉降量控制在20mm以內(nèi)；到遠(yuǎn)期（2030年），實(shí)現(xiàn)整個(gè)寧河縣的年均沉降量控制在10mm以內(nèi)。

2.3 地下水開采控制方案確定

寧河縣農(nóng)業(yè)灌溉井較多，而農(nóng)業(yè)抽水因需而采，時(shí)間的不確定性和規(guī)模的不統(tǒng)一性勢(shì)必造成農(nóng)業(yè)用水難以計(jì)量，給地下水統(tǒng)計(jì)造成較大的困難，統(tǒng)計(jì)出來的開采量往往存在較大誤差。本研究利用2000—2007年實(shí)測(cè)水位觀測(cè)資料，得到各鄉(xiāng)鎮(zhèn)、各含水組的平均實(shí)際水位，將統(tǒng)計(jì)的開采量作為初始開采量帶入模型運(yùn)行，將模擬得到的各鄉(xiāng)鎮(zhèn)平均水位值與實(shí)際水位值進(jìn)行比較，對(duì)開采量進(jìn)行校正和反演。最后根據(jù)反演后的各年開采量求出多年平均開采量，以此來反映現(xiàn)狀開采狀況，反演結(jié)果見表2。

表2 寧河縣地下水現(xiàn)狀開采量104m3/a

將反演校正后的現(xiàn)狀開采量分別按照100%、90%、80%、70%、60%、50%、40%、30%、20%、10%的比例得出模型初始開采量，輸入模型并保持?jǐn)?shù)值模型邊界條件和含水層參數(shù)不變，利用模型進(jìn)行預(yù)測(cè)，最后得出近期、中期、遠(yuǎn)期3個(gè)水平年的開采量與地面沉降量之間的公式關(guān)系。將控制地面沉降的約束條件代入公式，分別求出各個(gè)水平年對(duì)應(yīng)的開采量，再根據(jù)現(xiàn)狀開采量確定3個(gè)不同水平年的開采比例。由于公式存在一定的誤差，將得出的開采量再次帶入模型，經(jīng)過多次調(diào)整開采比例，并與給定目標(biāo)年沉降量進(jìn)行調(diào)整擬合，獲得最終擬合的開采比例和不同水平年年均沉降量，結(jié)果見表3-4。

表3 寧河縣地下水開采比例系數(shù)

表4 寧河縣不同水平年年均沉降量擬合結(jié)果mm/a

根據(jù)最終擬合的開采比例以及現(xiàn)狀開采量，得出寧河縣在3個(gè)水平年對(duì)應(yīng)的地下水開采控制方案，見表5。

表5 寧河縣地下水開采控制方案104m3/a

3 結(jié)論

（1）寧河縣開采量及第2-6含水組水位埋深均呈增加趨勢(shì)，其中開采量在2002年以后有減少的趨勢(shì)。第2-4含水組水位埋深的波動(dòng)態(tài)勢(shì)與開采量的波動(dòng)變化態(tài)勢(shì)較一致；第5和第6含水組水位埋深呈持續(xù)增加的態(tài)勢(shì)，說明第5和第6含水組的地下水開采量一直在增加。

（2）寧河縣第2-4含水組累計(jì)水位降深隨累計(jì)開采量的變化而變化；第5和第6含水組地下水開采量一直在增加，水位持續(xù)降低，累計(jì)水位降深在逐漸增大。

（3）沉降量的波動(dòng)變化態(tài)勢(shì)與開采量的波動(dòng)變化態(tài)勢(shì)比較吻合；累計(jì)沉降量與累計(jì)開采量呈顯著的正線性相關(guān)關(guān)系，說明寧河縣地面沉降主要是由超采地下水引起的。

（4）為了控制地面沉降及水位持續(xù)下降的趨勢(shì)，對(duì)寧河縣地下水各含水組制定一個(gè)合理的開采量。通過建立寧河縣地下水?dāng)?shù)值模型，并給出寧河縣地下水沉降量約束條件，預(yù)測(cè)寧河縣在給定地面沉降約束條件下3個(gè)水平年的開采控制方案。

[1]石文學(xué).天津市寧河縣地下水脆弱性評(píng)價(jià)體系研究[J].地下水，2009，31（3）：23-25.

[2]劉禧超，李立偉，石文學(xué).天津市寧河縣地下水安全AHP模糊評(píng)價(jià)淺析[J].地下水，2010，32（4）：13-17.

[3]周載陽(yáng).地下水開采引起地面沉降的機(jī)理研究[J].工程勘察，2012，40（3）：22-26.

[4]宋小軍.基于MODFLOW對(duì)天津?qū)幒涌h的地面沉降預(yù)測(cè)研究[J].礦產(chǎn)勘查，2010，1（6）：564-568.

[5]王志剛，宋小軍，石文學(xué)，等.天津市寧河縣地面沉降問題研究[J].地質(zhì)調(diào)查與研究，2008，31（1）：16-23.

[6]閆學(xué)軍，周亞萍，張偉，等.地下水開發(fā)利用水位水量“二元”指標(biāo)管理模式研究[J].河北工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2012，41（2）：65-68.

[7]天津市水務(wù)局.關(guān)于進(jìn)一步加強(qiáng)天津市地面沉降控制工作的意見[R].天津：天津市水務(wù)局，2009.

Study on Situation of Deep Groundwater and the Exploitation Control in Ninghe County

SHANGRui-chao，GONGAi-xi，HUHai-jun，GUO Zhong-lei，LIChun-hui，LIli-wei
（HeBeiExtension and ExperimentCenter forWater Technology，Shijiazhuang 050061，China）

Firstly，the annual change situation ofeach aquiferwater depth and exploitation in Ninghe County hasbeen analyzed.Then the annual change situation of each aquifer cumulative drawdown and cumulative exploitation has been discussed，aswell as the relationship between cumulative settlementand cumulative exploitation has been studied.Analysis resultsshow that theexcessiveexploitation of groundwater is themain reasonwhich caused land subsidenceand groundwater depth increasing in Ninghe County.In order to control the ground subsidence and water level continued to decline，combined with the groundwater overexp loitation status，economic development and groundwater resources strategic reserve needs，the control settlement scheme has been set to control land subsidence which is as constraint condition in Ninghe County.Finally，through the establishmentof Ninghe County groundwater numericalmodel，combined with the constraint condition，the control scheme of groundwater exploitation in three level years has been predicted.The resultsmay serve as a reference for the future optimalmanagementof the groundwater and study on control of groundwater exploitation in Ninghe County.

Ninghe County；groundwater depth；exp loitation yield；settlement；ground subsidence；numerical model；exploitation control

TV213.4；P641.8

B

1004-7328（2014）03-0010-04

10.3969/j.issn.1004-7328.2014.03.004

2014-01-20

尚瑞朝（1972-），男，工程師，主要從事水資源與水土保持工作。