郑州城区地下水水位动态特征研究

陈 婷 危 超 储小东 苏 玮

（江西省地质环境监测总站，江西 南昌 330000）

“在与环境相互作用下，含水层各要素（如水位、水量、水化学成分、水温等）随时间的变化，称为地下水动态”[1]。 地下水动态是一个复杂的自然过程，在某一特定的环境中多种因素下地下水均衡的外在表现。随着郑州市经济的快速发展，地下水开采量也日益增大，地下水大量开采，同时也带来一系列的环境地质问题，主要表现为区域地下水水位持续下降。

自20 世纪80 年代以来，随着经济和社会的快速发展，郑州市水资源开发利用过程中的供、用、耗、排关系等发生了较大的变化，生活、生产、生态环境用水需求量迅速增加，造成郑州市水资源严重短缺，地下水位急剧下降。

由于郑州市地下水位的急剧下降，区域形成大面积的地下水降落漏斗， 如郑州市城区浅层、 中深层降落漏斗， 漏斗面积分别为153.65km2和72km2。而降落漏斗很容易诱发地面沉降。为防止这一环境地质问题的发生，有必要分析地下水动态规律，明确地下水水位的变化趋势。

1 概况

1.1 自然地理

郑州市北临黄河，西依嵩山，东南为广阔的黄河冲积平原。郑州市地势总体上是由西南向东北倾斜，形成高、中、低三个阶梯，由中山、低山、 丘陵过渡到平原， 山区、 丘陵与平原分界明显。 郑州市总面积7446.2km2，地理坐标：东径 112°42′～114°14′，北纬 34°17′～34°58′。 但是本文重点调查研究的范围只是郑州市城区，面积约为352km2。

1.2 气象、水文

1.2.1 气侯特征

郑州市属北温带大陆性季风气候。冷暖气团交替频繁，春、夏、秋、冬四季分明。 年平均气温14.3℃，最热月和最冷月的平均气温差26～27℃，以 1 月份最低，7 月份最高。

1.2.2 降水的时空分布

全市多年平均降水量629.63mm， 最大降水量发生在1964 年为1041.3mm,最小降水量发生在1997 年为380.6mm。

（1）降水的年际变化：受温带大陆性季风气候的不稳定性和天气系统的多变性，郑州市降水的年际变化较为剧烈，主要表现为最大与最小年降水量的比值(即极值比)较大，年降水量变差系数Cv 较大和年际间丰枯变化频繁等特点。郑州市区雨量站年降水量的极值比一般为2.6～3.6。Cv 值的大小反映出降水量的多年变化规律，Cv 值越小，降水量年际变化越小；Cv 值越大，降水量年际变化越大。 郑州市年降水量变差系数一般为0.24～0.32。

（2）降水的年内分布：多年平均降水年内分配的特点表现为汛期集中，季节分配不均匀和最大最小月相差悬殊等。

1.2.3 水文

郑州市区主要属于淮河流域，其大部分水流也是淮河支流，包括贾鲁河、东风渠、金水河三条，另有东风渠的支流熊耳河过境。 而索须河和七里河分别是郑州北部和郑州市郊主要的泄洪排涝河道[2]。

1.3 水文地质条件

含水层系统是以含水层为基本单位的一组具有固定边界、互有联系的、同一时代或不同时代的若干含水岩组。它有固定的边界，可以仅与一个地下水系统相对应，也可以有若干个地下水系统组成，或者它仅仅是某个地下水系统的一部分[3]。 松散岩类孔隙含水层系统是郑州市最主要的、分布范围很广泛的含水层系统，按埋藏深度可划分为浅层、中深层两个含水层亚系统。

（1）浅层含水层亚系统是指埋藏在60m 以上的地下水，郑州城区含水层单元为全新统、上更新统中细砂层，局部为粉砂，厚10～20m。单井涌水量 100～1000m3/d，渗透系数 6.76～17.86m/d。

（2） 中深层含水层亚系统是指埋藏在60～350m 之间的层状孔隙承压水。 郑州市含水层岩性以中细砂为主，其次为粗砂、粉细砂，厚度一般 25～50m，最厚可达 104.2m。 单井实抽水量 25～118m3/h，降深 4～40.6m，换算水量 1000～1878m3/d。

地下水总的流向是由北向南、由西向东径流。 其中黄河以南的郑州城区及中牟西部，地下水由北向南径流，地下水位埋深3～8 米。由于受城区人工开采影响，在郑州城区已形成降落漏斗，地下水由四周向漏斗中心径流，郑州城区漏斗中心水位埋深达43 米。

2 水位年际动态特征

2.1 开采量变化特征

浅层地下水的开采量在2000 年达到最高峰(图1)，近些年来，开采量由减少的趋势，2002 年开采量低于1993 年。 而中深层地下水开采特征（图2）是：从1971 年到2004 年，地下水开采量经历两次大的高峰值，为1981 年是34 年来开采量最大值；而1995 年开采量有个小高峰，这是因为在1995 年后，在政府的管理下，节约用水，尽量减少开采量，使得开采量逐年下降，直至2004 年是34 年来的最小值[4]。

图1 1993-2002 年间郑州市浅层地下水的开采量

图2 1971-2004 年郑州市中深层地下水开采量

2.2 水位动态特征

1995 年后，随着水资源管理及节水力度的加大，地下水开采量逐年下降。 在1997～2002 年间，郑州市浅层地下水开采量增加，在2000年浅层水的开采量达最大，从而对于小范围的城区来说，地下水的开采量也会增加，地下水位呈现下降趋势。 但由于郑州城区各不同地方的影响因素不同，地下水位下降速率也不尽相同[5]。

通过分析各孔的水位资料， 可以按水位下降速率的不同划分，共划分为急剧下降型（大于3.0m/a）、快速下降型（1.0～3.0m/a）、缓慢下降型（0.3～1.0m/a）和稳定型（小于 0.3m/a）四类。 现叙述如下：

2.2.1 急剧下降型（大于 3.0m/a）

主要分布在郑州城区靠近河流的地方，主要是地下水向河流排泄及开采的共同作用使得浅层地下水位下降。而中深层地下水主要分布在郑州城区中心地带，靠近水源地，，水位的下降主要受开采因素的影响。 地下水位的多年平均下降速率竟达4.583m/a 和5m/a。

2.2.2 快速下降型（1.0～3.0m/a）

主要分布在降落漏斗中心附近，比如沟赵乡附近的漏斗和城区西南角的降落漏斗区。 由于前几年的大量开采的影响，形成大面积的降落漏斗区。而在这几年中，浅层地下水开采量增加，使得以前形成的降落漏斗中心的水位下降速率增大。其地下水位的多年平均下降速率分别为 1.625m/a 和 2.125m/a。

2.2.3 缓慢下降型（0.3～1.0m/a）

主要是在受季节变化的同时逐步下降。 分布于城区远离水源地和河流的地方。 在夏季蒸发量增大，用水量增多，使得开采量增大，水位降低；在冬季蒸发量最小，使得水位回升。 其中ZK-2（即是碧沙岗公园的水位观测孔）位于城区降落漏斗中心，但是其浅层地下水位下降速率较缓慢的原因是：植被面积大，绿地的蓄水作用，和对绿地的灌溉[5]。 这两图中地下水位的多年平均下降速率分别为0.875m/a 和0.6875m/a。

2.2.4 稳定型（小于 0.3m/a）

位于贾鲁河和贾鲁支河之间以及灌区，河面工程的下游，离河面工程比较远。这类曲线的动态变化较稳定。其主要受季节变化的影响，其水量开采比较小且较为稳定。在每年的放水时期，水位抬升，形成一次波峰。还与含水层系统的结构有关，通过长时间的运移和滤波作用，使其水位动态趋于稳定。由于郑州城区大部分面积处于中深层的降落漏斗区，其水位下降速率都比较大，没有符合这种类型的点。这两图中浅层地下水位的下降速率分别是0.075m/a 和0.2125m/a。

3 水位年内动态特征

根据影响地下水位动态变化的主要因素，城区内地下水动态可以划分为以下几个类型。由于收集资料中只有2005 年的蒸发资料，而月蒸发量没有太大的变化。因此为研究的方便，暂用2005 年的蒸发资料代替2002 年的蒸发资料进行分析。

3.1 气象-水文型

主要分布在贾鲁河和贾鲁支河间两侧的河流影响地带，该区主要受降水、蒸发的影响，其次是河流影响，一般距河边线2～5km，水位变幅一般在1.0～2.5m 之间。 区内年最高水位与大的集中降水期一致，最低水位则出现与蒸发量最大，降水量最小的月份相对应。 整个高水位期和低水位期又分别与河流汛期和枯水期相一致(图3)。

图3 ZK-32 孔2002 年地下水埋深图

3.2 气象-灌溉型

主要分布在东风渠引黄灌溉区及其他地表水灌溉区，浅层水主要受气象和灌溉控制（图4）。 年变幅一般在2.0～3.0m 之间，局部地区受开采的影响。 年内最高水位出现在降雨量集中期，与降水量大致相对应。 受河流的影响，在5～6 月份水位稍有下降。 2 月中旬～4 月中旬为引黄灌期。 无降水、灌溉时段，浅层水受蒸发和径流的影响而缓慢下降。

图4 ZK-1 孔2002 年地下水埋深图

3.3 气象-开采型

主要广泛分布在郑州城区地下水开发利用程度较高的地方（如城区西北角）。主要受降水入渗补给，而排泄以人工开采和向河流排泄为主。 一般年内水位动态特征变化为：上半年人工开采水位下降—汛期降水入渗补给水位上升—汛期结束后至年底因降水少，农田灌溉开采停止或少量开采，而使水位保持相对稳定（见图5）。 由于3 月后水位随蒸发量增大而缓慢下降，6～9 月开采量的增大，使得水位急剧下降，但水位埋深较大，降水入渗补给滞后，9 月后开采量减少，水位回升至来年3 月。

3.4 径流-开采型

区内中深层地下水，岩溶水，基岩裂隙水都属于径流-开采型，地下水补给来源主要为地下水侧向径流补给，由于其补给条件差，补给区较远，地下水动态影响因素主要是人工开采，开采量增大，水位下降，开采量减少，水位就回复一部分（见图6）。

图5 ZK-2 孔2002 年地下水埋深图

图6 Z-7 孔2002 年地下水埋深图

3.5 回灌-开采型

为遏制地下水滥采现象，郑州市将自备井纳入规范管理，封停黑井，规范管理必用的地下井。 同时，坚持地下水回灌，保持地下水的基本采补平衡。 郑州市的纺织、啤酒、饮料等行业在取水的同时，定期坚持由使用单位购买自来水回灌地下。 为此，这类型主要分布在郑州城区棉纺厂一带，基本不改变水位的正常动态，冬灌夏用，回灌期间水位抬升（见图7）。

图7 ZK-15 孔2002 年地下水埋深图

4 结语

区内地下水主要是松散岩类孔隙水系统，其含水层按埋深可以分为浅层和中深层两个亚系统，通过对48 个观测孔（36 个浅层地下水，12 个深层地下水）水位资料进行统计分析，可以得出以下结论：

1）地下水年际动态主要受人工开采的影响。地下水的开采量的变化，使得地下水位总体呈现下降趋势。按水位下降速率的不同划分，共划分为急剧下降型、快速下降型、缓慢下降型和稳定型四类。

2）区内浅层地下水的年内动态主要受气象、水文和开采因素的制约，其补给以贾鲁河、东风渠等的侧渗和大气降水为主。 可以分为气象-水文型、气象-灌溉型、气象-开采型、径流开采型和回灌开采型五类。

［1］王大纯，张人权，等.水文地质学基础[M].地质出版社，1995,6.

［2］河南省地质矿产局.河南省区域地质志[Z].1982，7.

［3］河南省郑州地质工程勘察院.河南省郑州北郊水源地供水水文地质勘探报告[R].1995，8.

［4］河南省水利厅.河南省水资源公报[Z].1998-2004.

［5］赵孟芹，孙永贺.三江平原地下水动态及影响因素分析[J].黑龙江水专学报，2004，9，31（3）:7-9.

［6］苏英，陈玲侠.咸阳城区地下水位动态分析及预测[J].干旱地区农业研究，2005，11，23（6）:179-183.