沧州地下水超采与地面沉降关系的分析与探讨

李志敏,孙炳华

(1.河北省沧州水利勘测设计院,河北 沧州 061000;2.河北省沧州市水利科学研究所,河北沧州 061000)

沧州地下水超采与地面沉降关系的分析与探讨

李志敏1,孙炳华2

(1.河北省沧州水利勘测设计院,河北 沧州 061000;2.河北省沧州市水利科学研究所,河北沧州 061000)

针对沧州市水资源严重匮乏、为维持村地区民众和生存和发展,不得不大量超采深层地下水,并由此而引发的地下水位下降、地面沉降等一系列环境地质问题,通过地面沉降机理的分析、沉降层的确定等,结合多年观测资料,分析探讨了地下水超采与地面沉降的关系,结果表明:地下水超采已引发了严重的地质环境问题,包括地面沉降。

地下水;超采;地面沉降;探讨

1 概述

沧州是我国水资源严重短缺的地区之一。全市多年平均地表水资源量为 5.74亿 m3,地下水资源量为 6.7亿 m3,扣除重复计算量 0.5亿 m3,全市多年平均水资源总量为 11.94亿 m3。全市人均水资源占有量 183m3,为全国平均值的8%,河北省平均值的 61%,不足国际公认的绝对贫水标准(人均水资源量少于 500m3的为绝对贫水)的 40%。为维持本地区人民的正常生活和生产,自上个世纪七十年代以来,主要依赖于超采地下水。而近年来,又不得不依靠引调外源水维护生活、生产和生态。

2 地下水超过采状况及其引发的环境问题

2.1 深层地下水概况

2.1.1 深层地下水开发利用现状

沧州市深层地下水的开发利用始于上世纪六十年代中期,2005年深机井达到 23747眼。全市深层地下水的限采量为 2.93亿 m3,2005年全市开采深层地下水 7.50亿 m3,处于严重超采状态。

2.1.2 超采情况

根据历年沧州市水资源公报,经计算分析,沧州市深层地下水限采量为 29 239万m3,多年平均开采量为 77 405万m3,超采量为 48 166万 m3。超采系数大于 2.0的县市有任丘市、东光县、南皮县、盐山县、黄骅市、青县。其中盐山县超采系数达到了 3.89。

2.2 地下水水位及漏斗情况

2.2.1 地下水位

深层地下水的补给非常缓慢,可以说是不可再生的资源。由于深层地下水的连年超采造成地下水位埋深大幅度增加,吴桥县年平均水位下降速度达到 2.34m/a,见图 1、图2。自 1998年以来,沧州各县(市、区)深层地下水水位下降速率加大。

2.2.2 地下水漏斗

地下水的连年超采造成地下水漏斗面积不断扩展,漏斗中心埋深不断增深,形成全国闻名的地下水超采漏斗区。

1975年漏斗中心水位埋深为 50.28 m,至 2005年漏斗中心最大埋深已达 100.88 m,二十多年内埋深增加了 50多m。

如今漏斗形态已发生了变化,和其它漏斗连成了一片,从单一漏斗发展成复合漏斗,形成了 1.4万 km2全国罕见的降落“漏斗群”。

图 1 第Ⅲ含水组单井变化过程线

图 2 第Ⅳ含水组埋深变化过程线

2.3 地下水资源开发利用引起的环境生态问题

沧州是河北省水资源最短缺的地区之一,地下水的连年超采引起了地下水位下降、地下水漏斗扩展、地面沉降、地裂缝和塌陷等一系列水环境问题。

2.3.1 地面沉降

由于沧州市地下水位的大幅下降,引发了沧州市地面沉降加重。我国 4个地面沉降超过 2m的城市中,沧州名列其中,其沉降中心累计沉降量已达 2 236 mm,平均每年下降100.4mm。全市现有沧州市区沉降区、黄骅沉降区、河间沉降区、任丘沉降区 4个较严重沉降区。

地面的大幅度沉降给沧州带来了一系列社会和环境危害。其主要有城区内涝积水严重,对水利工程防洪、测量标志造成严重危害;对楼房、铁路、公路、桥梁等地面建筑物的安全造成的危害,地面的沉降又进一步导致了地裂缝和风暴潮危害的进一步加重等。

2.3.2 咸淡水界面下移

由于深层地下水的严重超采引起咸淡水界面明显下移。据沧县典型区研究资料显示,咸淡水界面平均下移 18 m,最小下移 10m,最大下移 50 m。

2.3.3 机井报废加快,提水成本增加

地下水位埋深的连年增加,造成水井提水泵扬程不断加大,单井出水量减少,水井运行费用大幅度增加,机井报废加快,提水费用增高。

3 地面沉降机理分析

深层地下水开采资源由侧向径流补给、越流补给、含水层的弹性释水和粘性土的压密释水四部分组成,但只有侧向补给和越流补给是来自深层地下水系统外部的水,是深层地下水的主要补给来源,反应深层地下水的更新能力。深层含水层开采早期,开采资源主要由含水层弹性释水、越流补给和侧向补给三部分组成,粘性土压密释水所占比例很小;随着开采的继续,水位降落漏斗的扩展,地面沉降的产生,粘性土压密释水所占比重越来越大。

伴随着含水层的弹性释水和粘性土的压密,地面沉降随之产生。当水位降深较小时,含水层与粘性土隔水层之间的水头差所产生的应力小于土层的前期固结压力,地面沉降发展缓慢;而当水位降深较大时,若含水层与粘性土隔水层之间的水头差所产生的应力大于土层前期固结压力,甚至造成土层结构破坏时,地面沉降的沉降速率必将加快。地面沉降速率与地下水位下降速率、地面沉降量与地下水位降幅有很好的相关性,沉降面积与承压水水位下降漏斗在时空分布上基本相符。此外,地面沉降的发展和地下水位降落漏斗的发展也是一脉相承,均经历了缓慢发展——快速发展——稳定发展的过程。

在漫长的地质年代中,含水组与上覆地层压力处于原始平衡状态,上覆地层压力由含水组地层岩土颗粒骨架和孔隙水共同承担,根据太沙基公式 P=P1+UW

式中:P为上覆地层的总压力;P1为岩土颗粒骨架所承受的有效应力;UW为孔隙水承受的有效应力,等于弹性水头

当抽取地下水时,地下水位下降,等于孔隙水承压力减小,在上覆地层压力不变的情况下,孔隙水承压减小部分转嫁给岩土颗粒骨架,使其压力增大,导致土体压密而地面下沉。

地面沉降是动用地下水储存资源引起的一种恶果,是采大于补,造成水资源枯竭的一种外部表现。尤其是动用不可补偿的储存资源引起永久性地面沉降而不能消除,同时使含水系统的供水调节能力相应减少,资源条件将遭受无法弥补的损害。对于已开采的孔隙承压水系统水位的恢复,并不意味着资源量的恢复,因为储存资源的一部分已转化成了永久性地面沉降量而不能补偿。因此再次开采地下水时,同样的水位降深只能得到较小的水量。地层中易压缩的粘性土所占比例越大,产生的永久性地面沉降量也越大,对含水系统供水调节能力的损害也越大。

4 地下水超采与地面沉降的关系

4.1 主要沉降层的确定

目前,沧州已经开采利用的地下水含水层是第四系松散沉积地层,包括Ⅰ -Ⅳ含水组,第Ⅰ含水组为无压浅层水,其水位埋深的升降主要与降雨丰枯和开采量有关,地层的自然受力状态并没有受到破坏,所以不存在压密沉降问题。第Ⅱ含水组除肃宁部分全淡区有水量开采外,其余绝大部分为咸水,目前尚未大面积开采,基本处于自然受力状态,尚未引起沉降。第Ⅲ、Ⅳ含水组为主要开采层,并长期处于超采状态,因此沧州区域的地面沉降主要由第Ⅲ、Ⅳ含水组压密变形引发。

4.2 地下水超采与地面沉降关系分析

地下水超过采导致地下水水位埋深下降,从而导致地面沉降,在沧州地区,地面沉降中心的累计沉降量与该处的深层地下水水位降深呈高度正相关关系(下图),并呈现如下规律:

(1)当地下水漏斗中心水位埋深 20～60m时,地面沉降速率为 3.75 mm/m(即水位每下降 1 m,地面相应沉降 3.75 mm,下同),此时,地面沉降处于缓慢沉降阶段,不会发生大面积沉降,地面沉降仅在开采区中心出现;

(2)当地下水漏斗中心水位埋深 60～70m时地面沉降速率增到 32mm/m,是 20～60m速率的 8.5倍,水位埋深加速,并扩展至整个漏斗区;而水位埋深 70 m是地面沉降发展过程中的一个十分明显的拐点。

(3)当地下水漏斗中心水位埋深大于 70m后,地面沉降从缓慢增长几乎变为直线增长,沉降速率为 62.5 mm/m,远比水位降深 70m之前大得多。所以,在沧州地区,其警戒水位为漏斗中心水位埋深 60m,危急水位为漏斗中心水位埋深70m。

图 3 沧州市地面累计沉降量与地下水位降深关系曲线

5 结语

综上所述,沧州地区的地下水超过采已引发了严重的地质环境问题,为遏制这种现象的恶化,严格控制地下水的开采,实行最严格的水资源管理制度,做到总量控制、定额管理,实现水资源的可持续利用和国民经济的可持续发展,使沧州水环境得到修复和改善。

[1]胡荣花,王婧雅等 浅议沧州地表水环境综合修复技术及应用[J].地下水,2009.

[2]河北省沧州市水利局.沧州市水资源调查评价及对策,2004.04.

[3]河北省沧州市水务局.河北省沧州市地下水压采实施方案编制及管理政策研究,2008.12.

P641.69

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1004-1184(2010)03-0035-02

2009-09-29

李志敏(1965-),女,河北献县人,高级工程师,主要从事水利工程工作。