靖边县水源地区域地下水环境变化研究

李欣艳，陈 凯，葛佳亮，王 玮

(1.长安大学 水利与环境学院，陕西 西安 710054；2.长安大学 旱区地下水文与生态效应教育部重点实验室，陕西 西安 710054；3.中核第四研究设计工程有限公司，河北 石家庄 050021)

1 研究背景

地下水是我国西北干旱半干旱地区的重要水源，过度开采、城市扩张、煤炭资源开发均可能破坏地下水系统的平衡，引起地下水位下降、地面沉降及水质恶化等地下水环境问题，这将严重限制当地经济社会的发展[1-3]。因此，越来越多的学者开始关注地下水环境的变化。高玉莹等[4]以新疆某开发区为研究对象，具体分析了氟化物和硫酸盐的非正常泄露引起的地下水环境变化，提出了应当采取从源头控制、做好风险评估及监测等措施来确保地下水环境的安全。李培月[5]针对宁夏南部平原地区，综合分析了地下水环境变化与人类活动的关系，提出建立系统的地下水监测体系来保护当地地下水资源。唐欢[6]、邢世录[7]分别针对定靖中部地区、呼和浩特等干旱半干旱地区，从自然和人为因素两方面着手研究地下水环境的动态变化，为当地地下水资源的保护与合理开采提供了可靠依据。使用的研究方法主要有解析法[4]、传统统计学[8-9]、地统计学[8]、模糊数学[10]、灰色关联熵[11]、水化学图解[12]、水文地球化学[13-14]和数值模拟[15]等。

上述研究成果为地下水环境变化的理论体系与研究方法的进一步完善提供了较好的借鉴。目前，关于靖边县水源地区域地下水环境变化的相关研究较少。鉴于此，本文使用统计学和水文地球化学方法，详细分析了该地区地下水环境在时间和空间上的变化，以期为当地地下水环境的管理和保护提供参考。

2 研究区概况

研究区(108°37′～108°53′E，37°32′～37°43′N)地处陕西省榆林市靖边县，位于中温带半干旱大陆性季风气候区，四季冷暖干湿分明，北抵陕蒙分界，总控面积为304 km2，包含四柏树、掌高兔等水源地。年均降水量398 mm，年均蒸发量1 930 mm，降水与蒸发年内分配不均，降水量1-7月逐渐增多，8月达到最大，9-12月逐渐减少，蒸发量4-8月较大，其余各月相对较低。区内总地势南高北低，西高东低，地貌界线明显，分布有沙漠(Ⅰ1)、滩地(Ⅰ2)、平原(Ⅱ)和黄土斜坡区(Ⅲ)，研究区地质地貌分区见图1。

潜水含水岩组由第四系上更新统冲湖积物和中更新统风积黄土层组成，含水层厚度为5～55 m，黄土斜坡区含水层厚度较小，平原和沙漠区含水层厚度较大。冲湖积含水岩组分布于平原和沙漠区，主要介质为粉砂，底部为粉土、粉质黏土等，富水性较好；风积黄土层分布于黄土斜坡区，由黏土夹砂层及古土壤层组成，富水性较差。承压水含水岩组由白垩系环河组和洛河组组成，含水层厚度为118～307 m，渗透系数为0.37～2.43 m/d，富水性较强。区内地下水主要受灌溉回归水、大气降水入渗和侧向径流补给影响，径流方向为南-北向，人工开采和潜水蒸发为主要排泄方式[16]。

3 数据和方法

本研究首先通过现场踏勘了解研究区的用水现状，再根据1995-2017年的地下水位统测资料分析第四系潜水和白垩系承压水的多年水位变化情况及其影响因素。同时选用1995、2009和2017年3个年份共90例采集水样，根据监测结果分析了地下水水化学特征及其时间和空间的演化规律。研究区采集水样统计见表1，潜水和承压水采样点分布见图2。

表1 研究区地下水采样统计表

4 结果与分析

4.1 地下水位动态变化

研究区2017年潜水水位和1995-2017年间潜水水位变幅等值线如图3所示。

由图3(a)可知，研究区内潜水流向整体向北，郭家庙、伊党湾已形成较大规模的降落漏斗。这是因为四柏树水源地郭家庙一带为靖边县城的集中供水水源地，西南伊党湾为大型农灌区，均存在大量地下水开采；由图3(b)可知，1995-2017年间研究区内潜水水位明显降低。西南和北部潜水位下降幅度最大，达16 m以上，东南部受芦河补给，降幅次之，达8 m以上，靖边县城至硬地塘之间潜水位略有下降。北边掌高兔位于沙漠区，潜水位降幅超过16 m。

2017年承压水水头和1995-2017年白垩系承压水水头变幅等值线如图4所示。

从图4(a)可以看出，研究区内承压水流向与潜水大致相同，伊党湾、郭家庙等地也存在降落漏斗，四柏树水源地郭家庙一带水源井均为潜水、承压水混合开采，运行长达15年以上，开采量高达5 000 m3/d[17]；从图4(b)可以看出，1995-2017年间承压水水头在西南部上升幅度较大，靖边县城、硬地塘附近变化不大，而在北部和东部地区呈现大幅度的下降。掌高兔降幅高达17 m，其原因为掌高兔水源地农灌井多为潜水、承压水混合开采，开采量约3 000 m3/d且运行时间均超过20年[17]。

4.2 地下水水化学特征及演化

结合研究区采样点分布图(图2)，水样采样点主要分布于三大区域：(1)中部平原区和北部沙漠、滩地区，该区地下水化学组分含量较低，多数属碳酸氢钙型水；(2)平原区与沙漠区交界处的小滩子一带，该区受人类活动影响较大，地下水化学成分较复杂，属混合型水；(3)黄土斜坡与平原交接处及杨家湾一带，该区多为高总溶解性固体水，部分为氯化钠型水。

以《地下水质量标准》(GB/T 14848-2017)[18]中III类标准为评价标准分析所取水样，结果见表2。

图1研究区地质地貌分区图 图2研究区地下水采样点分布图

图3 2017年潜水水位和1995-2017年潜水水位变幅等值线图

图4 2017年承压水水头和1995-2017年承压水水头变幅等值线图

据表2可得，1995-2017年样品超标率呈增大趋势。1995年潜水样超标率为12.5%，2017年远高于1995年，达75%。1995年承压水样超标率为17%，2017年较1995年增加了1倍多，为35%。表明1995-2017年间研究区内地下水水质逐渐恶化。

图5 不同年份研究区地下水中和TDS浓度超标范围

表2 研究区地下水水样质量分析结果

图6 研究区不同部位地下水化学成分对比图(2017年)

图7 不同年份小滩子和四柏树地区地下水水化学组分对比图

5 结论与建议

(1)随着靖边县城市化进程加剧，生产生活用水与灌溉用水急剧增加，地下水开采量加大，使得大部分区域地下水位显著下降，尤其在郭家庙区域已经出现了较大规模的降落漏斗。地下水位的大幅度下降可能引起开采井壁坍塌、农灌井掉泵或废弃等问题。同时也将导致北部沙漠滩地区原有的海子(湖泊)干涸，这将提高土地荒漠化的治理难度。

(3)由靖边县地下水环境研究结果可知，改善当地地下水环境势在必行。首先应该严格控制地下水开采量，避免降落漏斗进一步扩大。其次应加强地下水位动态监测，定期开展饮用水水源保护区内污染源调查，尤其是处于开采井补给区的潜在污染源。同时还应合理控制农药化肥的施用量。此外，在农业发达地区(如硬地塘)建议采用滴灌、喷灌等新型灌溉系统。