三江平原地下水流場演化趨勢及影響因素

劉偉朋，崔虎群，劉偉坡，程旭學，李志紅

（中國地質調查局水文地質環境地質調查中心，河北 保定 071051）

三江平原位于黑龍江東北部，由黑龍江、烏蘇里江和松花江沖、洪積形成，土地肥沃，是我國重要的商品糧基地[1-2]。農田灌溉用水占地下水總開采量的90%以上。隨著社會經濟的發展和水稻種植面積的擴大，昔日“北大荒”變為今日“北大倉”。地下水的需求量顯著增加，部分地區地下水位持續下降，有些專家提出防止該區成為“第二個華北平原”[3]。

近年來，已有不少學者對該地區的地下水動態進行了研究和預測[4-7]。趙永清等[8]提出三江平原地下水自開采以來（至2001年）平均總下降約4.0 m，每年下降速率約0.2～0.3 m；徐夢瑤等[9]認為三江平原形成西部、中部和東部3個地下水超采區；梁勇[10]認為地下水位下降較大的區域主要分布在同江市和撫遠縣，且5年累計降幅小于1 m；楊湘奎等[11-13]認為在松花江北部區域及建三江墾區部分農場存在超采區。劉東等[4,14]預測八五三農場地下水位未來4年平均年降幅約為0.9 m；梁勇[10]認為三江平原地區的地下水沒有明顯下降，僅是隨著降水的豐平枯年份動態變化。綜上，受數據量、資料和時間限制，三江平原超采區的分布位置不統一，未能確定超采區的范圍及形態，由于對地下水動態的影響因素認識不同，預測的水位結果也是升降各異。

為落實中央領導關于東北地區地下水超采的重要批示，查清三江平原地下水流場現狀及形成原因，2018年中國地質調查局把東北地區水文地質與水資源調查列入2019—2021年重點地質調查計劃，2019年著力加強了三江平原地下水位統測及超采研究。筆者基于GIS 技術，對三江平原地區1 100余組地下水統測數據、國家地下水監測工程數據及地方水務局長期地下水動態觀測數據進行插值及對比分析。查明了三江平原地下水的空間分布特征，首次高精度確定了超采區范圍及形態，分析了其影響因素，為水資源的合理開發利用與保護提供了新視角，為國家及相關部門農業結構調整及水利基礎設施建設發展決策，維護國家糧食安全的壓艙石提供可靠數據支撐。

1 研究區概況

三江平原北起黑龍江、南至完達山、西鄰小興安嶺、東抵烏蘇里江，地形平坦，西部、南部地勢較高，東部、東北部較低。本文研究區為三江平原的小三江平原區（圖1），面積4.5×104km2。年均降水量為550 mm，蒸發量為（E601）700 mm[15]。

圖1 研究區示意圖Fig.1 Location of the study area

廣大平原中部，自中生代以來始終處于以下沉為主的間歇性沉降運動中[16]，所以巨厚的新生界松散堆積，層層迭復，構成兩級上迭階地，與高低河漫灘組成平原區地貌的主體。平原區地層可概化為二元結構，上部淺地表地層為砂土、黏性土，下部為大厚度含礫中、粗砂。

三江平原農作物包括大豆、玉米等旱田作物，主要依靠雨水自然滋養，水田作物水稻種植需要人工灌溉，以抽取地下水為主。

2 資料來源與研究方法

本文數據源包括2019—2020年1 092個統測點2期地下水位3—4月份統測數據、44組國家地下水監測工程2019年數據、1980年72組地下水統測數據及建三江水務局提供1997—2019年地下水長期動態觀測數據。

利用克里金插值法[17-19]，生成50 m×50 m的地下水位分布柵格圖，將不同時期地下水位柵格圖進行代數運算，生成不同年份水位變幅圖，以獲取年際的地下水位變化情況。

3 結果與分析

3.1 地下水流場時空分布特征

3.1.1 1980年地下水流場特征

20世紀80年代，三江平原以開墾旱田為主，水田面積很少。1986年水田面積5.7×103km2，占總平原區面積的10%，該時期地下水的開采量遠低于可開采量，地下水流場基本處于天然狀態。對收集到的72組1980年地下水位數據進行插值，繪制了天然流場狀態下地下水位等值線圖（圖2a）。從圖中可以看出1980年地下水整體流向為北東向、南北向，以北東向為主，最終排泄于烏蘇里江和黑龍江流出區外。以松花江為界，北部地下水由西向東分別向南北兩側的松花江和黑龍江排泄；南部地下水由西、南山區向平原中心區徑流，在富錦東側區域分支，主干地下水繼續向東流經建三江墾區流入烏蘇里江，分支水流經富錦—街津口斷面向北匯入黑龍江。在富錦東南側，大興—七星農場區域為沼澤濕地，水力梯度較小，地下水徑流緩慢，地下水以蒸發排泄為主；其余地區地下水水力梯度較大，地下水以徑流排泄為主。結合地面高程，1980年地下水位埋深在勤得利、八五九農場等山前一帶和前哨農場臺地區一般大于10 m，西部平原區小于5 m，東部建三江墾區一般為5～10 m。

圖2 1980年和2019年地下水位等值線圖Fig.2 Contour map of groundwater levels in 1980 and 2019

3.1.2 2019年地下水流場特征

2019年3—4月份，在水稻灌溉（泡田期）地下水開采前期，采用1985 國家高程基準測量了研究區1 092個機民井水位，利用克里金插值，繪制了地下水流場。圖2（b）中可以看出，研究區內除沿黑龍江南岸一定范圍內地下水向東北排泄于黑龍江外，區域地下水整體由西向東徑流，最終排泄于烏蘇里江流出區外。在建三江墾區西邊界，地下水水力梯度明顯增大，在前進、濃江、洪河農場中心區域地下水流平緩，41 m等值線近似閉合，外圍地下水流網呈現由西北、西南、東北向中心區域匯流的特征，改變了天然流網的形態，形成了一定區域的地下水降落漏斗。目前，區域地下水位埋深在勤得利、八五九農場等山前一帶和前哨農場臺地區一般大于20 m，西部平原區小于5 m，東部建三江墾區一般為10～20 m。

3.1.3 1980—2019年地下水時空異變特征

（1）流場演化特征

與1980年地下水等水位線圖對比分析發現，潛水面形態發生明顯變化。在佳木斯至富錦段、洪河濕地至烏蘇里江段地下水水力坡度較1980年小，說明受人工開采影響該段地下水徑流排泄減少；在富錦東南側大興、七星農場等沼澤濕地區域，平緩潛水面區域消失并形成滑梯式潛水面，水力坡度向建三江墾區中心區域方向增加至0.44‰。同時沿富錦—街津山斷面地下水流場發生逆轉，說明在建三江墾區中部區域存在地下水超采。超采引起地下水流場、循環路徑變化，地下水處于負均衡狀態，在地下水自平衡調節過程中，邊界水力梯度增大以加大對超采區地下水的側向補給。

（2）水位埋深演化特征

利用柵格運算，生成2019年與1980年地下水位變幅圖。由圖3（a）可知，以建三江墾區西邊界為界，地下水位埋深差異明顯，建三江墾區地下水位累計降幅大于5 m的面積為1.17×104km2，其中在建三江墾區的創業、前進、洪河、濃江農場等中心區域地下水位降幅大于10 m的面積為3 400 km2；西部平原區及建三江墾區東部外圍區域地下水位累計降幅1～5 m的面積為2.6×104km2。

（3）超采區地下水位演化態勢及其形態特征

圖3 1980—2019年（a）和2019—2020年（b）地下水位變幅圖Fig.3 A map of changes in groundwater levels (a) from 1980 to 2019 and (b) from 2019 to 2020

為揭示三江平原建三江墾區降幅較大區域地下水年際動態變化特征，以建三江墾區中心區域的創業、前進及洪河3個農場的人工監測井點23 a（1997—2019年）地下水動態監測數據為基礎（圖1），編制了地下水位及水稻種植面積動態曲線（圖4）。由圖4可知，墾區水稻種植規模主要分為3個階段：第一階段（1997—2002年）水稻小規模種植，水稻田面積維持在1 467～2 000 km2，地下水開采以淺部土層彈性釋水為主，漏斗區地下水位年均降幅0.59 m；第二階段（2003—2012年），水稻種植快速擴張，水稻田面積由1 467 km2增加至6 694 km2，地下水開采以砂礫石層重力釋水為主，漏斗區地下水位年均降幅0.41 m；第三階段（2012—現在），水稻種植面積維持在約6 667 km2，漏斗區地下水位年均降幅0.29 m，趨于平緩。

根據《地下水超采區評價導則》（GB/T 34 968-2017）標準，地下水開采造成地下水水位呈持續下降趨勢條件界定，對比20世紀80年代近似天然流場的地下水位，按照水位降深10 m，圈定漏斗中心區面積3 400 km2。平面范圍為以七星農場、濃江農場、勝利農場為頂角，底邊朝向東北、尖角朝向西南的“似三角形”，其底邊長66 km、尖角高103 km。剖面形態為“平底鍋”狀，鍋底到鍋沿深5～6 m，鍋底到地面深15～16 m。

3.1.4 2019—2020年地下水位時空異變特征

沿襲2019年統測點，2020年3—4月同期完成研究區水位統測工作，據佳木斯氣象站觀測數據，2019年降水量達858.1 mm，為69 a（1951—2019年）來最大值，保證率1.4%，是多年平均降水量549.4 mm的1.6倍，為典型豐水年。

圖4 建三江墾區漏斗中心區地下水位多年動態曲線Fig.4 Multi-year dynamic curve of groundwater levels in the central area of the Jiansanjiang groundwater level funnel

對比分析2019年和2020年同期水位統測數據，繪制2019—2020年地下水位變幅圖（圖3b）。由圖可知，除大興農場，以建三江墾區邊界為界，西部平原及建三江墾區外圍區域地下水位上升，對比統測數據分析，集賢—友誼—寶清山前地段以及綏濱北部綏濱農場等地，升幅達1.5 m，松花江下游富錦至同江段兩岸影響條帶，地下水位上升幅度最大接近2 m，撓力河下游北岸地表水影響條帶，地下水位上升幅度最大接近3 m，反映出該地區地下水位對豐水年的響應較明顯，降水可有效增加補給地下水。東部建三江墾區大部分區域地下水位以下降為主，降幅在0.2～0.6 m，平均降幅0.3 m。對比20世紀80年代近似天然流場的地下水位，按照水位降深10 m，圈定2020年漏斗中心區，面積為3 518 km2，與2019年（漏斗中心區面積3 400 km2）相比，形態基本一致，面積增大118 km2。

3.2 原因分析

3.2.1 降水量影響分析

降水通過非飽和帶垂向入滲進入含水層的過程屬于地下水的直接補給，是大多數地區地下水資源的重要組成部分[20-21]。本文利用三江平原代表西、東部的2個氣象站1951—2019年年降水量資料，繪制了全年降水量、多年平均值及線性趨勢線（圖5）。由圖可以看出，佳木斯站的多年平均降水量略大于建三江站多年平均降水量，2009年以后，多數年降水量大于多年平均值，屬于偏豐年；建三江雨量站自1999年以后，多數年降水量小于多年平均值，屬于偏枯年。章光新等[22]多年季節性降雨分析，三江平原地區的佳木斯站、富錦站及撫遠站各站的雨季（5—10月）降雨量呈顯著下降趨勢，旱季（11—翌年4月）都呈上升趨勢，說明旱季降水量增加，雨季減少。三江平原的水稻種植季節正好在雨季，地下水開采是水稻種植的主要水源，因此，地下水的開采強度必然隨氣候干旱的加劇而增大，一旦雨、旱季地下水受地層影響補給不暢，無法滿足采補平衡，地下水位必然連續下降。

3.2.2 降水入滲影響分析

（1）地層空間差異分析

圖5 年降雨量變化特征曲線Fig.5 Characteristic curve of the annual precipitation change

三江平原近地表土層結構性質差異明顯，具有“西砂、東黏”特點。受古地理環境和地質作用影響，三江平原近地表土層結構差異明顯，土層性質截然不同。同江—富錦—寶清以西，近地表為砂土，厚度較小，透水性好，保水性差，雨水和地表水可直接下滲到地下水，地下水補給有利，工農業開采地下水未引起水位明顯下降。說明其開采量與補給量處于平衡狀態，即采補平衡。目前，砂土層結構區的地下水位埋深，依然保持在3～5 m；以東為黏土，厚度較大，3～20 m，且連續分布，透水性差，保水性好，阻礙雨水和地表水下滲[23-24]，不利于地下水補給，當地下水開采量超過其補給量時，必然形成地下水虧損，引起地下水位下降。這是建三江墾區地下水位下降10 m，形成地下水漏斗的基本原理。

（2）年內地下水時空動態分析

為揭示三江平原不同地層結構區地下水動態空間變化規律，選用三江平原東西向7個典型國家地下水監測點2019年1—10月逐天動態監測數據，動態監測點空間分布（圖1），編制了三江平原地下水埋深動態變化曲線圖（圖6）。可以明顯看出，以建三江墾區西部邊界線為界，東部地區監測點地下水埋深介于15～25 m，西部地區地下水埋深介于0～10 m，東部地下水埋深年內動態變化幅度較西部地區明顯偏小，結合區域地層分布特點，說明東部地區地層降水入滲系數較小，地下水受大氣降水影響程度偏小，地下水補給量小于開采量，地下水位在豐水期處于波動下降狀態。

圖6 地下水埋深動態變化曲線Fig.6 Dynamic variation curve of groundwater depth

4—5月地下水集中開采期間，除山前監測點Ⅰ周圍為旱田，地下水埋深動態保持相對穩定，其他監測點地下水埋深均呈不等幅度增大。地下水埋深增大幅度為0.57～6.03 m，西部平均增幅為3.19 m，最大增幅為6.03 m，東部平均增幅為0.67 m，最大增幅為0.72 m，西部地下水埋深增幅較東部整體偏大。

6—8月集中降雨期間，受降水入滲空間差異影響，西部地區地下水埋深波動呈減小趨勢，東部地區呈平緩增大趨勢（表1），可以看出，西部平均減小幅度為4.002 m，東部平均增大幅度為0.055 m。

表1 6—8月地下水埋深增大幅度Table1 Depth of groundwater increased significantly from June to August

9—10月，隨著降水量的減少，西部地下水埋深呈平緩增大趨勢，平均增幅為0.61 m；隨著建三江墾區地下水開采量的減少及地下水側向補給的影響，東部地下水埋深呈平緩減小趨勢，平均減小0.16 m。

（3）年際地下水空間動態分析

在2019年特豐水年影響下，2020年同期地下水位除三江平原東部建三江墾區大面積區域外，其余地區地下水均回升并超過2019年同期水位，從區域分布上看，升幅大于0.5 m區域，主要分布在河流影響帶地表水補給地下水區域和淺部砂土地層區域，地下水接受降水垂向入滲和河流側向徑流雙向補給；在地下水回升0～0.5 m區域，主要分布在西部砂土地層受垂向入滲補給區和建三江墾區外圍受側向徑流補給區；在建三江墾區超采區，垂向上受表層厚黏土層影響，降水垂向入滲受阻；平面上距河流側向影響帶較遠，地下水側向徑流補給遲緩；加之地下水人工超采，因此，造成了即使在近70 a 一遇的特豐水年，該區地下水仍然無法實現以豐補欠自平衡狀態，年際地下水位仍處于下降趨勢。

3.3 水稻種植影響分析

自20世紀80年代，隨著三江平原農業種植結構的不斷調整，水稻種植面積由1986年的0.58×108km2發展到2018年的2.82×108km2，地下水開采量從1986年的5.99×108m3增加至2018年的8.55×109m3（據2017年水資源公報數據推算），2018年地下水開采量約為1986年的14倍。其中，建三江墾區從1996年后開始大面積種植水稻，當年種植960 km2，到2018年種植面積達6 787 km2，是三江平原最大的水稻連片種植區，約占三江平原水稻種植面積的36%，其中，93.2%（6 327 km2）為井灌水田。水資源實際利用量約為32.5×108m3，農業用水量3.24×109m3，占總用水量的99.7%；利用地下水2.824×109m3，占總用水量的88.49%。據文獻[25]，當前建三江墾區地下水開采量超可開采量（11.08×108m3）的1.6倍。依據現狀下降速率估算，目前建三江墾區每年超采地下水存儲量5×108～1.0×109m3。因此，建三江墾區水稻的大面積連片種植，地下水超采是形成建三江墾區地下水位連續下降的主導因素。

4 結論

（1）近20余年來，三江平原建三江墾區水稻面積的快速擴增、地下水超采是形成墾區地下水連續下降的主導因素。“西砂、東黏”的地層條件導致降雨入滲空間差異，是東、西部平原區地下水位降幅演化差異的影響因素。

（2）三江平原地下水超采集中于建三江墾區，水位降幅大于5 m的面積1.17×104km2，以降深10 m，圈定漏斗中心區面積3 400 km2。

（3）在建三江墾區超采區域，即使在特豐水年，地下水無法實現以豐補欠自平衡，因此建議盡快實施灌渠工程，充分利用灌渠直灌或蓄水補灌，實現地表水置換地下水的目的，同時開展地下水回灌與閾值研究，探索“春采夏補”的地下水人工回補途徑。