下辽河平原区地下水超采程度计算与评价

卞玉梅 金辰 张静 郭佳

摘  要：在分析区域地下水超采以及由此引发环境问题的基础上，以《地下水超采区评价导则》为依据，综合分析超采区评价的指标和方法，建立下辽河平原地下水超采区评价体系。以2001—2011年为评价期，分别以水文地质单元和县级行政区为单元，采用开采系数法进行超采程度计算，同时，采用动态趋势法、水位变幅法和诱变环境问题法等进行超采区综合分析和评价。结果表明：区内20世纪80—90年代因超采造成一定的环境恶化问题，但评价期内有所缓解，仅沈阳市区第四系浅层孔隙水存在超采现象，划定为一般超采区。结合地下水开采引起的环境问题，将滨海三角洲第四系浅层孔隙水咸水区及新近系明化镇组深层承压水全咸水区划分为地下水禁采区。

关键词：下辽河平原;地下水超采;评价方法;开采系数;动态趋势法;水位变幅法;诱变环境问题法;环境问题

中图分类号：P641.8     文献标识码：A     文章编号：1007-1903（2019）03-0064-10

Evaluation and Calculation of Groundwater Over-exploitation in Lower Liaohe Plain

BIAN Yumei， JIN Chen， ZHANG Jing， GUO Jia

（Geological Environmental Monitoring Center of Liaoning Province， Shenyang 110032）

Abstract： Based on the analysis of the situation of groundwater over-exploitation and the environmental problems caused from it， and on the basis of “Guidelines for the Assessment of Groundwater Over-exploitation Zones”， the evaluation indexes and methods of groundwater over-exploitation zones are comprehensively analyzed， and the evaluation system of groundwater over-exploitation zones in the Lower Liaohe Plain is established. Taking the year 2001-2011 as the evaluation period， and taking hydrogeological unit and county-level administrative region as the unit， the degree of groundwater over-exploitation is calculated using exploitation coefficient method， and then， the over-exploitation zones are analyzed and evaluated using dynamic trend method， water level amplitude method and mutagenic environmental problem method. The result shows that although some environmental degradation problems were caused by over-exploitation in 1980s-1990s， they were alleviated in the evaluation period. Only the shallow pore water of the Quaternary System in Shenyang is over-exploited. Combined with the environmental problems caused by groundwater exploitation， the saltwater zone of pore water in shallow Quaternary System in the coastal delta and the whole saltwater zone of the deep confined water in the Minghuazhen Formation （Neogene） are divided as no-mining ones.

Keywords： Lower Liaohe Plain; groundwater over-exploitation; evaluation method; exploitation coefficient; dynamic trend method; water level amplitude method; mutagenic environmental problem method; environmental problem

1 研究背景

人類早在19世纪就已经发现了地下水超采及其引起的问题，但逐渐到20世纪初期才意识到其严重性。目前，国内外众多学者还在致力于研究地下水超采引发的资源枯竭、地面塌陷、海水入侵等问题（Camp et al，2010;Molina et al，2009;刘明坤等，2016;崔文君，2019）。 在我国，20世纪80年代初，原地矿部（现自然资源部）在全国范围内组织实施了地下水超采区的调查和划分工作，90年代末到21世纪初，水利部也开展了地下水超采区划分和复核工作（单兰波等，2013）。各地关于超采及其带来的一系列问题的研究大量涌现（崔新华等，2008;王宏等，2012;石建省等，2010）。2003年，水利部发布了《地下水超采区评价导则》（SL 286-2003）（以下简称“导则”），2012年底至2013年上半年，我国展开了新一轮的地下水超采区评价，并于2012年颁发了《全国地下水超采评价技术大纲》。

下辽河平原是辽宁省的工业基地，也是全省的“粮仓”。地下水是下辽河平原的主要供水水源，在支撑经济社会发展和保障城市供水安全等方面具有不可替代的作用（王小军等，2010）。随着区域工业化和城市化进程的加快，区域对水资源的需求量也越来越大，对地下水的依赖性也越来越强，部分地区最终形成掠夺式开采，进而造成超采，并引发了一系列生态环境、地质环境和地质灾害等问题（陈崇西，2001）。因此，开展区域地下水超采评价，客观地划定超采区范围，对于合理开发利用地下水、逐步控制超采具有重要的指导意义。

2 地下水超采区的评价体系

（1）评价指标

从“导则”中对“地下水超采区”的定义及划分来看，地下水超采区判定的主要依据为开采量超过可开采量、由超采造成地下水位持续下降或导致环境问题。因此，其评价指标包含3个方面，即开采指标--开采系数，状态指标--地下水位持续下降速率，环境指标--泉流量衰减、地面塌陷、地裂缝、水质污染、海水入侵、咸水入侵、土地沙化和地面沉降程度等。

（2）评价方法

根据评价指标，确定地下水超采区评价方法，其主要包括开采系数法、水位变幅法和诱发环境问题法三大类。所谓开采系数法主要根据一个区域评价时期内的地下水开采量与地下水可开采量的比值，即开采系数，来直观地判断区域是否发生超采（刘志忠，1998）。水位变幅法是利用开采条件下，地下水位变化与开采状况间的直接联系，即由于开采造成的区域地下水位持续下降情况来进行超采区评价。诱发环境问题法，则指在排除其它原因的情况下，根据地下水超采所引发的诸多环境地质灾害及生态环境恶化现象的程度来进行地下水超采评价（杨国强等，2012）。值得注意的是，在使用水位变幅法和诱发环境问题法来评价超采区时，首先应先分析确定其形成原因是否是由超采引起的，可采用的方法有动态趋势法、相关分析法等。

（3）评价流程

地下水超采区评价方法较多，且各有优缺点，应将其有机结合，对区域进行综合评价。具体流程见图1。

3 下辽河平原概况

（1）自然地理情况

下辽河平原位于辽宁省中部，总面积2.3万km2。在气候上，其地处温带半湿润半干旱季风气候区，有着雨热同季的特点。在地形上，其是三面环山、一面开口的半封闭式冲积平原。在大地构造上，其位于中朝准地台的东北部，是由近南北向压扭长期作用而形成的断陷盆地。

（2）水文地质条件

区域地下水资源比较丰富，是一个由补给区、径流区到排泄区的比较完整的水文地质单元。地下水的总径流方向为由山前向中部平原呈放射状流入，至中部平原，径流方向由北东向南西，汇入辽东湾。区域主要可以分为柳绕平原、东部山前倾斜平原、西部山前倾斜平原、中部冲积平原和滨海咸水区五大水文地质单元（图2）。

区内可划分4种主要含水类型，即第四系松散岩类孔隙水、碎屑岩类孔隙裂隙水、碳酸盐岩类裂隙岩溶水及基岩裂隙水。其中，第四系松散岩类孔隙水遍布全区，含水层厚大、分布稳定、水量丰富、开采方便，为区域内最主要的地下水类别。碎屑岩类孔隙裂隙水主要分布于北东向、北北东向中生代构造盆地或单斜构造中，在滨海三角洲地区为主要供水水源，分为明化镇组和馆陶组两个含水岩组，其补给条件不好，径流滞缓，循环周期长。碳酸盐岩类裂隙岩溶水主要赋存在寒武系和奥陶系的灰岩之中，含水层呈北东南西的条状分布于工作区的东部。基岩裂隙水除在鞍山和海城南部呈大面积分布外，其余均沿平原周边零星分布。

4 下辽河平原超采区评价

4.1 超采区评价初选指标

本次超采区评价，超采区分类、分级等各项标准均参照“导则”。即，根据地下水超采区面积的大小，将地下水超采区划分为特大型、大型、中型和小型4种（表1）;根据地下水超采区在开发利用时期的年均地下水水位持续下降速率、年均地下水超采区系数以及环境地质灾害或生态环境恶化的程度，将各级地下水超采区划分成一般超采区和严重超采区两种，必要时划分禁采区（表2）。

超采区评价划定的时段为2001-2011年，共11年。所选择时段包括了丰、平、枯年份，时段的平均降水量與多年平均降水量基本一致，且满足“导则”中不少于10年的规定。

综合分析以往勘查、监测资料及研究成果，下辽河平原区内没有因地下水开采造成的地面沉降、地面塌陷、地裂缝及土地沙化现象，也没有需要保护的名泉等，因此初步选定了超采区评价指标为：开采系数、水位持续下降速率、海水入侵、咸水入侵、水质污染程度。

4.2 评价指标与地下水开采的相关性分析

主要采用动态趋势法对区域初步选定的状态指标和环境指标与地下水开采的相关性进行分析。

4.2.1 水位下降

对区域地下水水位动态特征进行分析可知，评价时间段内，沈阳市区开采区第四系孔隙水和盘锦市新近系馆陶组深层承压水水位有持续下降现象。

沈阳市地下水开采量自2001-2006年呈增长趋势，自2006年起，呈波动下降趋势，但整体来说，开采量有所增长。而区内开采水源地观测井水位与开采量变化趋势较为一致，这说明开采区内地下水位的下降与开采量紧密相关（图3）。

盘锦市主要开采明化镇组和馆陶组地下水，而近年来，明化镇组开采量有所减少，馆陶组则有所增加。区域馆陶组地下水位完全受开采的影响，部分地区有持续降低趋势（图4）。

4.2.2 水质污染

于2011年丰水期，选取137个水质监测点进行水样采集和分析。其中，浅层孔隙水监测点122个，深层孔隙水监测点6个，明化镇组孔隙裂隙水监测点4个，馆陶组孔隙裂隙水监测点5个。与收集的历年资料进行对比分析，结果表明：浅层孔隙水水质有恶化的现象，主要集中在东部山前倾斜平原前缘、太子河冲积扇北部一带及柳河平原阜新市彰武县一带，其它地区相对稳定。深层地下水及新近系地下水水质均较稳定。浅层孔隙水主要组分统计见表3，水质恶化区典型监测点主要离子历时曲线见图5和图6。

由表中可以看出，2011年浅层孔隙水中常量组分中大多数离子平均含量及超标率增大，尤其以总硬度、SO4、NO3、NO2、NH4最为明显。而水质恶化区域均非地下水集中开采区。分析恶化原因，主要是由于农业施肥、工业废水、生活污水等排放对浅层地下水的大量下滲补给造成的，地下水的开采虽起到一定加速迁移的作用，但不是主要因素。

4.2.3 海水入侵

下辽河平原南部紧邻辽东湾，部分地段已出现了海水入侵情况，主要分布于凌海市娘娘宫-北二沟-义合屯-喜鹊沟一线以南，向内陆入侵5～15km，入侵面积约335km2。评价期内，海水入侵区地下水开采量呈减少趋势，其水源地观测井水位呈上升趋势（图7）。海水入侵情势基本处于平衡状态。

4.2.4 咸水入侵

下辽河平原咸水入侵情况主要发生于南部滨海平原，包括第四系咸水入侵和新近系明化镇组咸水入侵。

第四系咸水区分布范围广，总面积达3255.25km2。咸淡水界线位于山前冲积平原和滨海平原交界地带（辽宁地勘局第一水文地质工程地质大队，1997）。目前，咸淡水界线普遍比20世纪60年代向淡水区扩张0.5～2.0km。评价期内，盘锦市已关闭全咸水区第四系孔隙水开采井，仅盘锦西部、北部和东北部等部分地区仍在开采第四系地下淡水。明化镇组咸水主要分布在盘锦市中部，总面积约1697.54km2，由南向北呈舌状分布。明化镇组地下咸水是在陆相沉积环境下，湖水蒸发浓缩形成的咸水湖随着沉积作用被封存下来的结果。区内咸水未开发利用，但由于其周围的盘东、盘山、欢喜岭、热合台等明化镇组淡水水源开采，部分地段曾出现咸淡水界面内移现象。评价期内，其地下水位有抬升趋势，咸水入侵趋势较稳定。

综上所述，下辽河平原区与地下水开采有关的评价指标主要有开采系数、水位持续下降速率、海水入侵和咸水入侵。

4.3 开采系数法分析

采用地下水超采系数法进行超采区评价，地下水可开采量和实际开采量的确定最为重要。地下水超采区评价单元应尽量与水文地质单元相一致，但实际工作中收集的各项开采资料往往根据行政区划分，为保证结果的可靠性，这里分别对各水文地质单元和县级行政区进行超采区评价。

地下水可开采量的计算方法比较多（王家兵等，2010;王金生等，2006;刘佩贵等，2008;鹿海员等，2013），本次采用可开采系数法计算。而实际开采量则根据收集到的各市集中供水水源地开采资料、各县区历年开采比例、工农业发展情况及人口比例等资料，结合实地调查统计资料，分别计算。

各水文地质单元和县级行政区超采评价结果见表4、5。

由表3、表4中可以看到，按各水文地质单元进行评价，其均未超采，但浑河冲积扇、太子河冲积扇、海城河冲积扇、大小凌河冲积扇等地区开采程度较高。按各县级行政单元进行评价，仅沈阳市市区超采，但沈阳市于洪区、苏家屯区、沈北新区和东陵区的开采程度较高。虽然评价区域划分不同，但其评价结果较一致。

4.4 水位变幅法分析

选取典型监测点，利用其2001-2011年11年的地下水位监测资料，进行地下水位持续下降速率的计算，计算结果见表6。

由表6可知，沈阳市区开采区地下水水位下降速率为0.005～0.54m/a，为一般超采区，与开采系数法评价结果相同。而馆陶组地下水开采是以疏干弹性贮存量为主的消耗性开采，其为全淡水，埋藏在500～600m以下，开采基本不会产生环境水文地质问题。按照开采50年、地下水压力水头标高在-100m的条件对其进行资源评价，地下水开采资源为43.56亿m3，年平均允许开采量为0.87亿m3。目前，其地下水已开采近40年，地下水水位下降不足70m，没有达到预计下降深度，虽然馆陶组地下水位持续下降，速率最高达1.84m/a，但在现状开采条件下，未来10年地下水压力水头标高最多降至-88.84m，并未达到压力水头下降100m的限值，因此结合实际开采条件和开采系数计算成果，馆陶组地下水仍不构成超采。

4.5 诱发环境问题法分析

根据分析，区内由于地下水开采引起的生态环境恶化现象主要为海水入侵和咸水入侵，且多为20世纪70年代至90年代地下水开采量大、开采布局不合理而造成，进入21世纪后，随着地下水开采方案的调整，区域地下水位有升高趋势，海水入侵和咸水入侵也已趋于稳定。结合地下水开采系数法和水位降幅法评价结果，区域2001-2011年期间，不存在大范围超采地下水诱发环境问题现象。

但由于超采所造成的海水入侵和咸水入侵问题是严重的生态环境恶化现象，不易恢复。且受滨海三角洲原生环境条件影响，区域咸水面积大，矿化度和氯离子浓度高，咸水已不宜饮用。因此，虽然海水入侵区和咸水区在评价期内不超采，这里仍将滨海三角洲地区地下水氯离子含量大于1000mg/L和地下水矿化度大于3000mg/L的地区划分成地下水禁采区。

4.6 综合评价结果

综合以上各种方法的评价结果，依据超采判据及分类标准，划分区域超采区，结果见图8、表7。

5 结论和建议

（1）依据“导则”，分析了研究区地下水超采区评价的指标，针对下辽河平原地区进行了地下水超采评价，结果表明，下辽河平原虽然历史上曾经超采严重，对环境造成了一定影响，但近年来有所改善。评价期内仅沈阳市市区存在浅层孔隙水一般超采现象，超采区面积187.53km2。同时，考虑到海（咸）水入侵问题的严重性和破坏性，在滨海三角洲咸水区划分了地下水禁采区，其中，锦州市娘娘宫、阎家-盘锦市石新、高升-营口市大石桥一带浅层孔隙水禁采区面积为4930.89km2，盘锦市田庄台-清水一带明化镇全咸水禁采区面积达960.04 km2。

（2）辽宁省已启动了“全省封闭地下水取水工程总体方案”，将陆续封存（转为备用供水水源）区域有关地下水取水工程，封存之后减少地下水开采势必使得部分地区地下水水位回升，缓解局部地下水超采引起的环境问题，但地下水位上升又会引起新的一系列的环境和地质效应，应尽早考虑防范措施，以免发生不可挽回的事故。

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