靖邊縣水源地區(qū)域地下水環(huán)境變化研究

李欣艷，陳 凱，葛佳亮，王 瑋

(1.長安大學 水利與環(huán)境學院，陜西 西安 710054；2.長安大學 旱區(qū)地下水文與生態(tài)效應教育部重點實驗室，陜西 西安 710054；3.中核第四研究設計工程有限公司，河北 石家莊 050021)

1 研究背景

地下水是我國西北干旱半干旱地區(qū)的重要水源，過度開采、城市擴張、煤炭資源開發(fā)均可能破壞地下水系統(tǒng)的平衡，引起地下水位下降、地面沉降及水質惡化等地下水環(huán)境問題，這將嚴重限制當?shù)亟?jīng)濟社會的發(fā)展[1-3]。因此，越來越多的學者開始關注地下水環(huán)境的變化。高玉瑩等[4]以新疆某開發(fā)區(qū)為研究對象，具體分析了氟化物和硫酸鹽的非正常泄露引起的地下水環(huán)境變化，提出了應當采取從源頭控制、做好風險評估及監(jiān)測等措施來確保地下水環(huán)境的安全。李培月[5]針對寧夏南部平原地區(qū)，綜合分析了地下水環(huán)境變化與人類活動的關系，提出建立系統(tǒng)的地下水監(jiān)測體系來保護當?shù)氐叵滤Y源。唐歡[6]、邢世錄[7]分別針對定靖中部地區(qū)、呼和浩特等干旱半干旱地區(qū)，從自然和人為因素兩方面著手研究地下水環(huán)境的動態(tài)變化，為當?shù)氐叵滤Y源的保護與合理開采提供了可靠依據(jù)。使用的研究方法主要有解析法[4]、傳統(tǒng)統(tǒng)計學[8-9]、地統(tǒng)計學[8]、模糊數(shù)學[10]、灰色關聯(lián)熵[11]、水化學圖解[12]、水文地球化學[13-14]和數(shù)值模擬[15]等。

上述研究成果為地下水環(huán)境變化的理論體系與研究方法的進一步完善提供了較好的借鑒。目前，關于靖邊縣水源地區(qū)域地下水環(huán)境變化的相關研究較少。鑒于此，本文使用統(tǒng)計學和水文地球化學方法，詳細分析了該地區(qū)地下水環(huán)境在時間和空間上的變化，以期為當?shù)氐叵滤h(huán)境的管理和保護提供參考。

2 研究區(qū)概況

研究區(qū)(108°37′～108°53′E，37°32′～37°43′N)地處陜西省榆林市靖邊縣，位于中溫帶半干旱大陸性季風氣候區(qū)，四季冷暖干濕分明，北抵陜蒙分界，總控面積為304 km2，包含四柏樹、掌高兔等水源地。年均降水量398 mm，年均蒸發(fā)量1 930 mm，降水與蒸發(fā)年內分配不均，降水量1-7月逐漸增多，8月達到最大，9-12月逐漸減少，蒸發(fā)量4-8月較大，其余各月相對較低。區(qū)內總地勢南高北低，西高東低，地貌界線明顯，分布有沙漠(Ⅰ1)、灘地(Ⅰ2)、平原(Ⅱ)和黃土斜坡區(qū)(Ⅲ)，研究區(qū)地質地貌分區(qū)見圖1。

潛水含水巖組由第四系上更新統(tǒng)沖湖積物和中更新統(tǒng)風積黃土層組成，含水層厚度為5～55 m，黃土斜坡區(qū)含水層厚度較小，平原和沙漠區(qū)含水層厚度較大。沖湖積含水巖組分布于平原和沙漠區(qū)，主要介質為粉砂，底部為粉土、粉質黏土等，富水性較好；風積黃土層分布于黃土斜坡區(qū)，由黏土夾砂層及古土壤層組成，富水性較差。承壓水含水巖組由白堊系環(huán)河組和洛河組組成，含水層厚度為118～307 m，滲透系數(shù)為0.37～2.43 m/d，富水性較強。區(qū)內地下水主要受灌溉回歸水、大氣降水入滲和側向徑流補給影響，徑流方向為南-北向，人工開采和潛水蒸發(fā)為主要排泄方式[16]。

3 數(shù)據(jù)和方法

本研究首先通過現(xiàn)場踏勘了解研究區(qū)的用水現(xiàn)狀，再根據(jù)1995-2017年的地下水位統(tǒng)測資料分析第四系潛水和白堊系承壓水的多年水位變化情況及其影響因素。同時選用1995、2009和2017年3個年份共90例采集水樣，根據(jù)監(jiān)測結果分析了地下水水化學特征及其時間和空間的演化規(guī)律。研究區(qū)采集水樣統(tǒng)計見表1，潛水和承壓水采樣點分布見圖2。

表1 研究區(qū)地下水采樣統(tǒng)計表

4 結果與分析

4.1 地下水位動態(tài)變化

研究區(qū)2017年潛水水位和1995-2017年間潛水水位變幅等值線如圖3所示。

由圖3(a)可知，研究區(qū)內潛水流向整體向北，郭家廟、伊黨灣已形成較大規(guī)模的降落漏斗。這是因為四柏樹水源地郭家廟一帶為靖邊縣城的集中供水水源地，西南伊黨灣為大型農(nóng)灌區(qū)，均存在大量地下水開采；由圖3(b)可知，1995-2017年間研究區(qū)內潛水水位明顯降低。西南和北部潛水位下降幅度最大，達16 m以上，東南部受蘆河補給，降幅次之，達8 m以上，靖邊縣城至硬地塘之間潛水位略有下降。北邊掌高兔位于沙漠區(qū)，潛水位降幅超過16 m。

2017年承壓水水頭和1995-2017年白堊系承壓水水頭變幅等值線如圖4所示。

從圖4(a)可以看出，研究區(qū)內承壓水流向與潛水大致相同，伊黨灣、郭家廟等地也存在降落漏斗，四柏樹水源地郭家廟一帶水源井均為潛水、承壓水混合開采，運行長達15年以上，開采量高達5 000 m3/d[17]；從圖4(b)可以看出，1995-2017年間承壓水水頭在西南部上升幅度較大，靖邊縣城、硬地塘附近變化不大，而在北部和東部地區(qū)呈現(xiàn)大幅度的下降。掌高兔降幅高達17 m，其原因為掌高兔水源地農(nóng)灌井多為潛水、承壓水混合開采，開采量約3 000 m3/d且運行時間均超過20年[17]。

4.2 地下水水化學特征及演化

結合研究區(qū)采樣點分布圖(圖2)，水樣采樣點主要分布于三大區(qū)域：(1)中部平原區(qū)和北部沙漠、灘地區(qū)，該區(qū)地下水化學組分含量較低，多數(shù)屬碳酸氫鈣型水；(2)平原區(qū)與沙漠區(qū)交界處的小灘子一帶，該區(qū)受人類活動影響較大，地下水化學成分較復雜，屬混合型水；(3)黃土斜坡與平原交接處及楊家灣一帶，該區(qū)多為高總溶解性固體水，部分為氯化鈉型水。

以《地下水質量標準》(GB/T 14848-2017)[18]中III類標準為評價標準分析所取水樣，結果見表2。

圖1研究區(qū)地質地貌分區(qū)圖 圖2研究區(qū)地下水采樣點分布圖

圖3 2017年潛水水位和1995-2017年潛水水位變幅等值線圖

圖4 2017年承壓水水頭和1995-2017年承壓水水頭變幅等值線圖

據(jù)表2可得，1995-2017年樣品超標率呈增大趨勢。1995年潛水樣超標率為12.5%，2017年遠高于1995年，達75%。1995年承壓水樣超標率為17%，2017年較1995年增加了1倍多，為35%。表明1995-2017年間研究區(qū)內地下水水質逐漸惡化。

圖5 不同年份研究區(qū)地下水中和TDS濃度超標范圍

表2 研究區(qū)地下水水樣質量分析結果

圖6 研究區(qū)不同部位地下水化學成分對比圖(2017年)

圖7 不同年份小灘子和四柏樹地區(qū)地下水水化學組分對比圖

5 結論與建議

(1)隨著靖邊縣城市化進程加劇，生產(chǎn)生活用水與灌溉用水急劇增加，地下水開采量加大，使得大部分區(qū)域地下水位顯著下降，尤其在郭家廟區(qū)域已經(jīng)出現(xiàn)了較大規(guī)模的降落漏斗。地下水位的大幅度下降可能引起開采井壁坍塌、農(nóng)灌井掉泵或廢棄等問題。同時也將導致北部沙漠灘地區(qū)原有的海子(湖泊)干涸，這將提高土地荒漠化的治理難度。

(3)由靖邊縣地下水環(huán)境研究結果可知，改善當?shù)氐叵滤h(huán)境勢在必行。首先應該嚴格控制地下水開采量，避免降落漏斗進一步擴大。其次應加強地下水位動態(tài)監(jiān)測，定期開展飲用水水源保護區(qū)內污染源調查，尤其是處于開采井補給區(qū)的潛在污染源。同時還應合理控制農(nóng)藥化肥的施用量。此外，在農(nóng)業(yè)發(fā)達地區(qū)(如硬地塘)建議采用滴灌、噴灌等新型灌溉系統(tǒng)。