浅层地下水补给对人类活动影响的响应特征研究

王金哲, 张光辉, 母海东, 严明疆, 聂振龙, 王 莹

1)中国地质科学院水文地质环境地质研究所, 河北石家庄 050061;

2)河北省环境地质勘查院, 河北石家庄 050021

浅层地下水补给对人类活动影响的响应特征研究

王金哲1), 张光辉1), 母海东2), 严明疆1), 聂振龙1), 王 莹1)

1)中国地质科学院水文地质环境地质研究所, 河北石家庄 050061;

2)河北省环境地质勘查院, 河北石家庄 050021

本文通过数据整理分析, 查明滹沱河流域平原区1976-2005年以开采量、灌区引水量和河道过水量为代表的人类活动逐渐增强, 分析了浅层地下水补给在大气降水减少和人类活动逐渐增强背景下大幅减少的响应特征: 综合补给量所占比率由1976-1980年的21.6%下降到2000-2005年的11.3%。随后, 从开采量、河道过水量和灌区引水量三个方面分析了浅层地下水补给响应人类活动的变化特征: 地下水补给量与开采量呈 y=65.412x−0.2576模式随降水量增减而负相关变化; 河道渗漏补给量和渠水入渗量在地下水位不同埋深条件下表现出随来水量、引水量增加而增大的态势, 但在不同埋深条件下, 河道渗漏补给量与来水量之间、渠水入渗量和引水量之间关系不同。

滹沱河流域; 浅层地下水; 补给特征; 人类活动

补给量的变化直接决定一个地区的地下水资源量, 地下水补给是地下水资源得以持续利用的前提(张光辉等, 2003), 在当前人类活动和气候双重干扰下, 滹沱河流域平原区地下水补给环境发生了很大变化(王金哲等, 2009; 严明疆等, 2008; 费宇红等, 2007; 李桂芬, 2006), 如补给源减少、补给途径增加、补给能力下降等, 所有这些都使地下水的补给量和补给机制不可避免受之影响(刘克岩等, 1988),与地下水资源功能、生态功能、地质环境功能和社会功能密切相关的地下水补给究竟发生了怎样的变化, 曾有学者对研究区内石家庄市区城市化与浅层地下水补给之间的关系进行研究, 认为城市化进程增加浅层地下水补给(于开宁, 2001), 在平原区浅层地下水补给响应人类活动的结果如何, 查明这一问题将对本地区水资源的优化配置和探究人-水和谐发展提供科学依据。

本文通过收集整理研究区多年降水量、径流量和地下水补给数据, 对这一地区的多年来的补给特征和不同条件下的补给机制进行了分析。降水量数据收集于1958-2008年河北省统计年鉴和1992年完成的《海河流域降水量资料汇编》, 滹沱河多年径流量数据引自河北省水文水资源勘测局的“河北平原地下水承载力与安全采控研究”, 各时代浅层地下水补给数据资料主要引自河北省地质环境监测报告、2004年完成的华北平原地下水资源评价(河北部分)及实测数据。

滹沱河流域平原区位于河北省中南部, 地处滹沱河以南、滏阳河以北、太行山以东山前倾斜平原,面积8805 km2。

本区属温带半湿润、半干旱大陆性季风气候,降水量年际变化较大, 多年平均降雨量493 mm。滹沱河曾是本区最大河流, 属海河流域子牙河水系,自西向东贯穿本区, 在献县与滏阳河交汇, 目前已干涸。黄壁庄水库和岗南水库是位于滹沱河出山口的两个串联水库, 其中, 黄壁庄水库付坝全长 6900 m, 坝基坐落在滹沱河古道上, 岩层透水性极强。

滹沱河流域平原区位于滹沱河冲洪积扇上, 出山口河道及二级阶地包气带岩性为砂砾石层, 并直接裸露。从轴部向两侧及下游, 颗粒逐渐变细, 砂层的厚度逐渐变薄, 上覆一层10 m左右的不稳定薄层粘土、亚粘土。含水层下部无连续隔水层, 垂向水力联系好。

1 50年来典型人类活动变化特征

1.1 开采量变化

图1是近50多年来滹沱河流域平原区浅层地下水开采量柱状图。在 20世纪 50、60年代, 人们对地下水的开采较少, 浅层地下水的消耗量分别为13.49和17.08×108m3/a。在70、80年代有明显的增长, 80年代为最大消耗时期, 达到30.25×108m3/a。从90年代开始, 过量开采引发的一系列生态和地质环境问题引起了人们的重视, 农业节水措施和工业用水的循环率逐渐得到提高, 浅层地下水的消耗量在20世纪90年代和21世纪初期相对20世纪80年代有所下降, 90年代为28.17×108m3/a, 21世纪初期为27.68×108m3/a。

图1 不同时代滹沱河流域平原区浅层地下水开采量柱状图Fig. 1 Columnar section of exploitation quantities in the Hutuo River plain in different epochs

图2 滹沱河北中山水文站实测径流量Fig. 2 Measured flux of Hutuo water runoff at Beizhongshan hydrological station

1.2 河道过水

研究区位于滹沱河冲洪积扇上, 山前地带地层颗粒较粗, 河道渗透能力强, 过水时的河道渗漏为地下水重要补给源。

由图2近50年来滹沱河北中山站实测径流量数据, 明显看到河道过水的剧烈变化。20世纪70年代以前, 河道常年有水, 最小径流量为 17.4×108m3; 70年代表现为间歇性过水, 仅有1974、1975河道断流, 最大的弃水量也仅为1977年的5.8×108m3, 小的年份为0.06×108m3, 河道过水量很小。80年代以后, 河道几乎完全干涸, 仅有1988和1996年的丰水年有明显过水。

1.3 灌区引水量

石津灌区是区内主要地表水农业灌溉系统, 据调查, 近三分之二的渠道没有防渗处理, 春灌、冬灌时间累积有 5个月, 这个时段渠水渗漏是浅层地下水重要补给源之一。渠水渗漏量的大小与引水量、引水时间、渠道分布状况等有关, 其中引水量是重要因素, 引水量大, 渠水渗漏量相对就大; 否则, 就小。图 3是石津灌区历年引水量动态曲线, 引水量呈急速下降趋势, 且阶段特征明显在 20世纪 70年代, 灌区引水量强烈优势, 平均引水量 116723.1× 104m3/a; 降水偏少的80年代, 水库蓄水量有限, 从水资源平衡调控考虑, 灌区引水量仅为54253.1×104m3/a; 90年代受95、96丰水年的影响, 引水量有所提高, 为60886.2×104m3/a; 21世纪初期呈继续下降态势, 降至42624.4×104m3/a。

图3 石津灌区引水量动态变化曲线Fig. 3 Dynamic variation curve of water diversion in Shijin irrigation area

2 浅层地下水补给的响应特征

2.1 浅层地下水补给衰减特征

滹沱河流域平原区浅层地下水补给主要有降水入渗量、灌溉回归量、河渠渗漏量和侧向入渗量, 4项之和为综合补给量。近年来, 滹沱河流域平原区的浅层地下水资源日趋紧张, 除开采量增大这一主要因素外, 补给量的逐年减少同样至关重要, 表 1表明 1976-2005年降水入渗、灌溉回归和侧向入渗不同程度减少造成综合补给减少的现实。

滹沱河流域平原区浅层地下水补给资源的衰减首先表现为大气降水的衰减。在20世纪的76-80年和 81-85年两个时段, 大气降水补给量分别为10.18、12.1×108m3/a, 而随后的 86-90、90-95、96-2000和 2000-2005四个时段, 补给量处于 7.54-8.64×108m3/a之间, 减少(2.64～4.56)×108m3/a。由于研究区降水量的持续下降, 降水入渗量在综合补给量中所占比率持续下降, 由1981-1985的0.22下降至2001-2005的0.138(表1)。

其次, 灌溉回归量的衰减在浅层地下水补给的衰减中也占有较大分量。20世纪的 76-80和 81-85两个时段, 灌溉回归量分别为 6.22、6.12×108m3/a,而其后的86-90、90-95、96-2000和2000-2005四个时段, 补给量介于(1.24~3.26)×108m3/a之间, 换句话说, 1985以前的灌溉回归量是1985年后的1.9-5倍, 目前的灌溉回归量已大大减少。灌溉回归量在综合补给量中所占比率由1981-1985年的0.285下降至2001-2005的0.056。

表1 滹沱河流域平原区各项补给量在不同时段所占比率Table 1 The rates of shallow groundwater recharges in the Hutuo River plain in different periods

侧向补给量的减少也是造成地下水综合补给量较少的原因之一。在20世纪的76-80、81-85和86-90三个时段, 山前的侧向补给量不小于 4×108m3, 而90年代以后, 侧向补给量急剧缩减, 尤其2000-2005年期间, 骤降至 1.56×108m3/a, 大大降低了对浅层地下水的补给。侧向入渗量在综合补给量中所占比率由1981-1985的0.206下降至2001-2005的0.081。

研究区 1956-1984 年的多年平均河道渗漏补给量0.57 亿m3/a, 滹沱河断流后, 河道渗漏补给量几乎为零(费宇红, 2001)。在20世纪的76-80年补给量较大, 为0.045×108m3/a; 80-85和86-90年补给量减少, 为0.021×108m3/a和0.017×108m3/a; 在91-95、96-2000两个时段渗漏补给量有明显增大, 这是由于1995和1996丰水年黄壁庄水库大量弃水所导致, 96-2000年达到最大值, 为0.057×108m3/a。河渠渗漏补给量在1981-1985、1991-1995和2001-2005三个时段在综合补给量中所占的比率分别为 0.206、0.140和0.081。

2.2 补给量对不同降水条件下开采量变化的响应特征

在区域性大规模开采地下水条件下, 年降水量减少, 则地下水补给量降低, 而开采量增大, 二者从源、汇两个方向加剧地下水系统水量负均衡态势。相反, 年降水量增大, 则地下水补给量增加, 开采量减少, 二者从源、汇两个方向加大地下水水量正均衡态势, 导致地下水位上升或下降。

图4 滹沱河流域平原区补给量、开采量与降水量之间关系图Fig. 4 Relationships betweeng recharge, exploitation and rainfall in the Hutuo River plain

图 4为滹沱河流域平原区浅层地下水补给量响应不同降水条件下开采量变化的特征。图中可见,区域地下水年补给量(Q补)、年农业开采量(Q开)随年降水量(p)增减而呈互逆变化: 补给量以 Q 补=0.071p0.8851模式增加, 农业开采量则以 Q 开=191.52p−0.2917模式减少。研究区地下水补给量与开采量呈 y=65.412x−0.2576模式随降水量增减而负相关变化。

在滹沱河流域平原区, 1978-1981期间年降水量减少37.4%, 则地下水补给量减少16.5%, 地下水开采量增加 33.9%。1995-1996年期间年降水量增加80.9%, 则地下水补给量增加 114.5%, 而农业开采量下降19.1%。

滹沱河流域平原区的年均降水量呈下降趋势,农业发展模式不会在短时间内发生较大变化, 基于这种背景, 农业开采量增加造成的地下水补给减少也不会在短时间内发生扭转(张光辉, 2006)。

2.3 河道渗漏补给与河道过水量响应特征

图5为1976-1980和1986-1990两个时段滹沱河来水量-河道渗漏补给-地下水位埋深之间的线性关系图。20世纪80年代前, 研究区河道几乎常年有水,地下水埋深较浅, 包气带毛细顶托作用明显, 1976-1980年平原区地下水位平均埋深7.2 m, 河道来水量与河道渗漏补给之间的关系为y = 0.2798x + 0.1114, 单位来水量对地下水的渗漏补给为 0.3912× 108m3, 这一期间河道过水的入渗率为0.29～0.30; 80年代后河道常年干涸, 包气带水分亏缺, 水位埋深加大, 1986-1990年地下水位平均埋深12.5 m, 河道来水量与河道渗漏补给之间的关系为y = 0.4309x + 0.0346, 单位来水量对地下水的渗漏补给为 0.4655× 108m3, 河道过水入渗率提高到0.40～0.47。1986-1990年与1976-1980年比较, 地下水埋深增幅5.3 m, 单位过水量对地下水的渗漏补给增加0.0743×108m3。所以, 地下水位埋深在一定范围内增大可使同样来水条件下的河道渗漏补给在一定程度上增加, 但这种增加不是无限制的。图 6为不同时代的河道过水渗漏补给所占比率变化图, 在 1996-2000时段之前,河道渗漏补给率呈缓慢增加趋势; 但之后, 明显下降。在地表水补给源日益缺乏的趋势下, 渗漏补给率的下降将使河道渗漏补给这一地下水补给项逐步减少, 加剧地下水补给衰减的情势。

图5 不同埋深条件下河道来水量与补给量之间关系Fig. 5 Relationship between flux and recharge at different groundwater levels

图6 不同时代河道渗漏补给所占比率Fig. 6 Flux leakage percentages in the total recharge in different epochs

2.4 渠道渗漏对灌区引水量响应特征

灌区的引水量大小决定渠水入渗量, Q渠= Q引(1-α)(1-β), 其中, α为渠系利用率, 与渠道的修筑方式、是否防渗处理有关, β为包气带消耗系数, 与研究区的包气带岩性有关, 这样情况下的α、β为常量,渠水入渗量直接取决于灌区引水量的大小。石津灌区的渠水入渗量与灌区引水量呈线性关系(图7), 渠水入渗量与灌区引水量的关系式为 y = 0.2166x + 1.9914。

图7 引水量与渠水入渗量之间关系Fig. 7 Relationship between flux and recharge in different periods

多年来, 滹沱河流域平原区的地下水系统已经发生了很大变化, 浅层地下水从 20世纪 80年代的平均埋深7.2 m发展到现状年的28.7 m, 渠水对浅层地下水的补给路径增加 4倍, 包气带在长期缺水状态下对入渗渠水的沿途袭夺造成渠水入渗途中的损失量增多, 包气带消耗系数增大(张光辉等, 2007;李金柱, 2009)。而且, 20世纪70年代中后期和90年代的两次大规模骨干渠道防渗处理使得渠系的利用系数增大, 据河北省水文水资源勘测局 1991～2000年资料, 在目前防渗情况下, 灌区渠系水有效利用系数由原来的0.424提高到0.55, 减弱了渠系渗漏对浅层地下水的入渗补给。因为每年石津灌区的灌溉时间基本一致, 在引水量不变、包气带消耗系数和渠系利用系数同时增大的情况下, 80年代前与80年代后引水量与渠水入渗量之间的关系不同(图7), 80年代前灌区引水量与渠水入渗量的关系为y = 0.2298x + 2.1632, 80年代后灌区引水量与渠水入渗量的关系为y = 0.1362x + 2.2069。80年代前单位引水量对浅层地下水的入渗补给为 2.393×108m3, 80年代后为2.3431×108m3, 减少0.0499×108m3, 说明地下水埋深加大和渠道衬砌行为造成灌区引水对浅层地下 水的补给减弱, 如果影响浅层地下水的人类活动进一步加强, 灌区引水对浅层地下水的补给将进一步减少。

3 结论

通过上述分析, 可以得到以下结论:

(1) 滹沱河流域平原区的人类活动逐渐增强,主要表现在: 开采量大幅提高, 从20世纪50年代的13.49×108m3发展到 21世纪初期的 27.68×108m3;河道过水量几乎全部拦蓄, 从 20世纪 70年代的最小 14.7×108m3发展到 80年代后的常年为零; 灌区引水量剧烈减少, 从20世纪70年代的116723.1×104m3/a的下降到21初期的42624.4×104m3/a。

(2) 在降水减少和人类活动增强背景下, 浅层地下水补给大幅减少, 主要表现为: 1976-1980年 5年累计综合补给量在整个研究时段综合补给量中所占比率为21.6%, 在2000-2005年下降至11.3%, 几近一半。

(3) 浅层地下水补给随开采量、引水量和过水量发生明显变化, 地下水补给量与开采量呈y=65.412x−0.2576模式随降水量增减而负相关变化;河道渗漏补给量和渠水入渗量在地下水位不同埋深条件下表现出随来水量、引水量增加而增大的态势,但在不同埋深条件下, 渗漏补给量与来水量之间、渠水入渗量和引水量之间关系不同。

因此, 在气候越来越干旱的今天, 人类活动的增强将使地下水补给减少的恶劣境况加剧, 以致在连续枯水年份情势下这种影响具有较大的潜在灾害性(张光辉, 2003), 虽然城市化进程增加局部地区的浅层地下水补给(于开宁, 2001), 整个研究区浅层地下水补给减少是不争事实, 通过河道、渗坑等人工调蓄场所转化连续丰水年或洪水年的雨洪资源为地下水资源(王银堂等, 2009), 增加地下水的补给, 有效应对北方地区日趋紧张的地下水紧缺现状, 这对于提高区域地下水资源供给安全保障能力具有重要意义。

费宇红, 张兆吉, 张凤娥, 王昭, 陈宗宇, 陈京生, 钱永, 李亚松. 2007. 气候变化和人类活动对华北平原水资源影响分析[J].地球学报, 28(6): 567-571.

高玲. 2006. 南水北调石家庄受水区地下水压采方案探讨[J]. 南水北调与水利科技, 4(4): 23-25.

李桂芬. 2006. 石家庄市区地下水超采状况及对策[J]. 河北水利, 19(2): 22-23.

李金柱. 2009. 降水入渗补给系数综合分析[J]. 水文地质工程地质, 29(2): 29-32.

刘克岩, 王焕榜. 1988. 河北平原区年降雨入渗补给系数的初步分析[J]. 水文, (3): 6-10.

王金哲, 张光辉, 严明疆, 聂振龙. 2009. 滹沱河流域平原浅层地下水演变时代特征研究[J]. 干旱区资源与环境, 23(2): 7-11.

王银堂, 胡庆芳, 张书函, 刘克琳. 2009. 流域雨洪资源利用评价及利用模式研究[J]. 中国水利, 15: 13-16.

严明疆, 张光辉, 王金哲, 聂振龙, 申建梅, 郝明亮. 2009. 滹滏平原地下水系统脆弱性最佳地下水水位埋深探讨[J]. 地球学报, 30(2): 243-248.

于开宁. 2001. 城市化对地下水补给的影响[J]. 地球学报, 22(2): 175-178.

张光辉, 费宇红, 申建梅, 杨丽芝. 2007. 降水补给地下水过程中包气带变化对入渗的影响[J]. 水利学报, 38(5): 611-616.

张光辉, 费宇红, 王金哲, 陈宗宇, 聂振龙. 2003. 300年以来太行山前平原地下水补给演化特征与趋势[J]. 地球学报, 24(3): 261-266.

张光辉, 费宇红, 杨丽芝. 2006. 地下水补给与开采量对降水变化响应特征: 以京津以南河北平原为例[J]. 地球科学, 31(6): 879-884.

References:

FEI Yu-hong, ZHANG Zhao-ji, ZHANG Feng-e, WANG Zhao, CHEN Zong-yu, CHEN Jing-sheng, QIAN Yong, LI Ya-song. 2007. An Ana lysis of the Influence of Human Activ ity and Clima te Changeon water Resources of the North China Plain[J]. Acta Geoscientica Sinica, 28(6): 567-571(in Chinese with English abstract).

GAO ling. 2006. Shijiazhuang Exploitation Control Plan of Water Imported Areas in the South-to-North Water Transfer Project[J]. South-to-North Water Transfers and Water Science & Technology, 4(4): 23-25(in Chinese with English abstract).

Li Gui-fen. 2006. The over exploitation state of groundwater and measure in Shijiazhuang city[J]. Hebei Hydraulic Engineering, 19(2): 22-23(in Chinese with English abstract).

LI Jin-zhu. 2009. An analysis of the coefficient of replenishment from infiltration of precipitation[J]. Hydrogeology & Engineering Geology, (2): 29-32(in Chinese with English abstract).

LIU Ke-yan, WANG Huan-bang. 1988. An primary analysis of the coefficient of replenishment from infiltration of precipitation in Hebei plain[J]. Journal of China Hydrology, (3): 6-10(in Chinese with English abstract).

WANG Jin-zhe, ZHANG Guang-hui, YAN Ming-jiang, N IE Zhen-long. 2009. Research on the Plot Groundwa ter Spacia-temporal Evolvement Rule in Hutuohe Va lley[J]. Journal of Arid Land Resources and Environment, 23(2): 7-11(in Chinese with English abstract).

WANG Ying-tang, Hu Qing-fang, ZHANG Shu-han, LIU Ke-ling. 2009. Study on rain & flood resources utilization assessment and utilization model[J]. China Water Resources, 15: 13-16(in Chinese with English abstract).

YAN Ming-jiang, ZHANG Guang-hui, WANG Jin-zhe, SHEN Jian-mei, NIE Zhen-long. 2009. The Spatial Relationship between the Function of Groundwa ter Resource and the Sensitivity to Pollution[J]. Acta Geoscientica Sinica, 30(2): 243-248(in Chinese with English abstract).

YU Kai-ning. 2001. The Impact of Urbanization on Groundwater Recharge[J]. Acta Geoscientica Sinica, 22(2): 175-178(in Chinese with English abstract).

ZHANG Guang-hui, FEI Yu-hong, SHEN Jian-mei, YANG Li-zhi. 2007. Influence of unsaturated zone thickness on precipitation infiltration for recharge of groundwater[J]. Journal of Hydraulic Engineering, 38(5): 611-616(in Chinese with English abstract).

ZHANG Guang-hui, FEI Yu-hong, WANG Jin-zhe, CHEN Zong-yu, NIE Zhen-long. 2003. Evolution Characteristics and Trend of Shallow Groundwater Recharge in Taihangshan Piedmont Plain over the Last 300 Years[J]. Acta Geoscientica Sinica, 24(3): 261-266(in Chinese with English abstract).

ZHANG Guang-hui, FEI Yu-hong, YANG Li-zhi, HAO Ming-liang, SHEN Jian-mei. 2006. Influence of unsaturated zone thickness on precipitation infiltration for recharge of groundwater[J]. Journal of Hydraulic Engineering, 38(5): 611-616(in Chinese with English abstract).

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课题(编号: 2006CB403401)、国家科技支撑计划课题(编号: 2007BAD69B02)和中国地质科学院重点开放实验室、水环所基本科研业务(编号: SK07022)联合资助。

2010-02-01; 改回日期: 2010-04-07。

王金哲, 女, 1969年生。副研究员, 主要从事地下水资源评价和可持续利用研究。通讯地址: 050061, 石家庄市石岗大街406号。E-mail: 5885970@sina.com。