清徐县白石河洪积扇地下水位动态特征研究

孔春梅,陈军锋,宁显林 ,金芳义

(太原理工大学 水利科学与工程学院,山西太原 030024)

清徐县是太原市的近郊县,也是太原市的水果蔬菜基地。境内地表水匮乏,地下水资源在国民经济、社会发展以及环境建设等方面占有十分重要的地位。边山洪积扇区地下水是清徐县县城及周边地区的主要供水水源。近十几年来,随着人口的增长,农业、工业以及城市建设的迅速发展,地下水资源开发利用水平不断提高,在白石河洪积扇区出现了地下水水位持续下降、水量减少、水质恶化等一系列水环境问题。水资源、水环境已成为县域可持续发展的瓶颈,合理解决这一问题迫在眉睫。

1 研究区概况

清徐县位于太原市南端,洪积扇区位于清徐县西边山,由 9～10个扇形组成,面积约 52 km2,是清徐县政治、经济、文化中心。其中白石河洪积扇面积大、富水性好,是县城居民生活饮用水的重要供水水源。

清徐县属温带半干旱大陆性气候区,春季干旱多风,夏季雨量集中。清徐县多年平均降雨量为 432mm(见图 1),西边山区一带降水量较大,山前到平原区降雨量较小,多年平均水面蒸发量为 1 086.3mm。

图1 清徐县 1951-2008年均降水量统计图

边山洪积扇裙区内沉积了一整套较厚的新生界地层,其中第四系厚 130～470 m。区内钻孔揭露地层有奥陶系、石炭系、二叠系、三叠系、第三系、第四系。白石河洪积扇地下水一般埋藏深度 10～20m,由扇裙前缘至顶部逐渐增大。含水层在 0～40 m主要有 3～4层,一般层厚 4～8m,总厚 20～30m。其含水层为全新统,上更新统冲洪积砂砾卵石层,由于它和山区发育有过渡型的黄土丘陵,山区内碎屑物在洪流作用下直接堆积于山口之外,形成粗颗粒的含水层,在平面上较稳定,其粒度与厚度沿轴部、中上部向侧部及中下部由粗变细,厚度变薄,富水性也相对减弱。本区主要接受来自山区的地下水、降水及地表径流补给。水力坡度 1/100～2/100,径流畅通,水量丰富,一般民井单位涌水量：q=3～10m3/h◦m。由于接受山前断裂带煤系地层地下水的补给,其水化学类型为 SO4◦HCO3-Ca◦Mg型水,矿化度一般小于3g/L。

2 地下水资源开发利用情况

白石河洪积扇区地下水主要开采单位为清徐县自来水一、二和三厂,属清徐县城区供水水源地,主要开采第四系中更新统含水层。取水用于城市居民生活用水、部分工业企业用水、城市绿地、道路洒水以及建筑业、洗车业、洗衣业等第三产业用水。根据清徐县城区用水现状及水资源可承载力,县自来水一、二、三厂已不能满足清徐城市发展用水需求。2007年,白石河洪积扇区孔隙地下水可采量为 210万 m3/a,区内现有开采井 155眼,实际开采量 589万 m3,开采系数达2.80。近 10年来,地下水位持续下降,使白石河洪积扇区形成了较大范围的地下水位降落漏斗,并与边山地区其它洪积扇漏斗连为一体,导致上部浅层含水层疏干,单井出水量减少,已远超过当地水资源承载能力。

3 地下水水位动态特征

白石河洪积扇是清徐县地下水相对较为丰富的地带,单井出水量大,所以开发较早。1980年以前,主要为浅层水开采。之后,深井开采量增加,水位标高一般在 770 m,水位埋深 17～25m;到 2001年水源地的水位埋深已增加到 40～50m,水位降至 740～750m。地下水水位动态的调查分析结果表明,该水源地的地下水位处于持续下降状态,平均下降速率为 1.0～1.5m/a,而且下降速率有加快的趋势。目前,地下水超采区面积大约为 15 km2。

3.1 浅层潜水

浅层潜水动态主要受气象、水文、水位埋深、包气带岩性及人为因素的影响。由于本区处于清徐县县城,城市人口密集、工农业发达,因此地下水开采量很大,浅层潜水含水层地下水已基本疏干。

3.2 中深层承压水

白石河洪积扇中深层承压水含水层埋深在 50～200m之间,含水层 4～7层,总厚 35～60 m,一般为 40 m,主要接受边山河流入渗、山前侧向补给和上伏含水层的越流补给,天然状态下单井涌水量 40～80m3/h,现状条件下单井涌水量40～ 60m3/h。

图 2为清徐县白石河洪积扇自来水一水厂深层井历年水位动态变化曲线。由图可知,2000年地下水水位为 726 m,2006年地下水位为 711 m,地下水位处于持续下降状态,下降速率 2.5m/a;2007年水位略有回升,上升为 712 m;2007年 ～2009年,地下水位又处于下降阶段,到 2009年,水位下降至 705m。总体上来看,2000～2009年一水厂深层地下水水位下降约 21m,平均每年下降 2.3m。水位快速下降导致含水层大面积疏干,这将直接影响到清徐县未来经济社会的可持续发展。

图2 自来水一厂长观井水位动态变化曲线

4 地下水位下降的原因及引发的水环境问题

4.1 地下水位下降原因探讨

由自来水一厂长观井历年水位变化曲线图可以看出,近十年来地下水位呈现出逐年下降的趋势。引起地下水位变化的原因有：

人类活动的影响占主要因素。白石河洪积扇区孔隙地下水是清徐县县城用水的主要水源地,伴随着工农业、城市建设的迅猛发展,城乡居民生活水平的提高,对水资源的需求量也越来越大,近 10年该区地下水处于严重超采状态。根调查,2007年白石河洪积扇地下水实际开采量589万 m3/a。地下水可采资源量 210万 m3/a,超采 379万m3/a。人类对水资源大规模的开发利用也改变了水资源的天然时空分布,加大了蒸发等水分垂向运动,减少了地表与地下径流的水平运动。

另外,气候也是影响地下水位变化的原因之一。白石河洪积扇地下水主要受大气降水补给。由降雨量图 1可以看出,2000～2008年之间,2007年降雨量达到最大。根据自来水一厂长观井水位动态变化曲线显示,2007年地下水位略有回升,因为降雨补给对该区地下水影响的滞后期相对较短。综合考虑该区干旱少雨,蒸发也相对较大,气候也在一定程度上影响着地下水位的变化。

4.2 引发的水环境问题

4.2.1 地下水位大幅度下降,降落漏斗范围扩大

近年来,清徐县西边山白石河洪积扇区地下水大量开采,整个地下水系统处于超负荷运行状态,机井不断更新加深,井距越来越小,开采强度越来越大,由此导致水位大幅下降,含水层疏干,天然贮水结构遭到破坏。白石河洪积扇区地下水的连续超采,已造成山前白石河洪积扇顶部的白石河漏斗。从 1990年初到 2007年,白石河洪积扇地下水位埋深由 17～25m已降至 70～80 m,水源地水位处于持续下降状态,而且下降速率有加快的趋势,地下水位的快速下降导致大范围漏斗的形成。

4.2.2 地质灾害

西边山洪积扇区地下水连续强度开采以及西山地区煤矿开采,地下水位下降迅速,引发一系列的地质灾害,如地面沉降、地裂缝、房屋裂缝甚至倒塌等,严重影响人民群众的生命和财产安全。

4.2.3 水质恶化

包气带防污性能较差,浅层水易受污染,降雨将污染物带进;水位下降,包气带厚度增大,水的氧化还原环境变化,硫酸根离子含量增加;水位下降后,导致部分边山岩溶水补给孔隙水,使得孔隙水硬度、TDS、硫酸根离子含量增加;地面沉降地区潜水严重污染,潜水中的有害物质通过越流或通过天窗进入承压水,使局部地段承压水受到污染;承压水位大幅度下降也使地下水的溶滤作用增加,从而使地层中的有害物质进入承压水中,使承压水水质恶化。2006年 4月 11日国家城市供水水质监测网太原监测站对清徐县自来水公司一水厂(位于白石河北岸)的 2#、4#进行水质检测,结果表明,一水厂 2#井除总硬度、硫酸盐、溶解性总固体、细菌总数超标;一水厂 4#井除总硬度、锰、硫酸盐、细菌总数超标。

5 防治对策

(1)关井压采,寻找新的替代水源。清徐县主要水源来自地下,地下水的水量变化将直接影响到经济社会的发展。在地下水已严重超采的情况下关井压采,让地下水休生养息迫在眉睫,寻找新的替代水源也刻不容缓。从充分利用当地水资源和尽量降低城市污水对环境的压力的角度考虑,清徐县应加快城市污水处理厂的速度,充分利用处理后的城市污水进行灌溉;清徐县对微咸水的开发利用率较低,为提高清徐县水资源的承载能力,应逐步开发利用这些地下微咸水资源;面对清徐县的农业种植结构,工业产值增长速度,清徐县在大力节水、挖掘当地和客水水资源潜力的情况下,其社会经济发展对水的需求难以满足,同时考虑到清徐县在全省和太原市的战略地位和引用黄河水的可能性,应适当考虑对黄河水的引用。

(2)为保证区域经济、社会、环境和谐发展,建议对经济结构与布局进行必要的调整,适当限制高耗水产业的发展,以保障全县经济社会全面、协调和可持续发展。把节约用水、提高水资源的利用率作为清徐县经济和社会发展的基本方针,加大工业、城县生活和农业的节水力度。强化水资源的保护和管理,建立和完善地下水资源质量、数量的监控网络,加大水资源保护和管理系统的数字化和信息化建设力度。

[1]王锐,刘文兆,赵小鹏.长武塬区地下水位动态特征分析,干旱地区农业研究,2010-5.

[2]杨丽丽,谢新民.大武水源地地下水水位变化及其影响因素,地下水,2010-1.

[3]郑艳军.邯郸市平原区浅层地下水动态变化及对策措施,地下水,2010-1.

[4]陈培均,吕晓俭,谢振华,北京地下水资源与首都持续发展,北京地质,1999(4)：1～6.