陕北风沙滩区浅层地下水环境演化和发展趋势

孙胜祥

（陕西省地下水保护与监测中心，西安 710003）

陕北风沙滩区主要指陕西省榆林市明（秦）长城以北的沙漠区或沙盖区。西起定边县陕宁界，东至神木市大柳塔镇，南以明（秦）长城为界，北到陕蒙界，大致东北—南西向的条带。 东西长约400km，南北宽80km，面积约12178km2，占榆林市国土面积28.3%。由西向东涉及定边、靖边、横山、榆阳、神木、府谷六县（市、区），佳县在佳芦河左岸还有小范围分布。

陕北风沙滩区属中温带半干旱区， 平均降水400mm，温度8 ℃，蒸发量2000～2100mm。目前随风移动的流动沙丘、沙链已基本看不到，代之的是林地、草地或耕地，但细砂、粉砂、粉土等质底未变。此处属毛乌素沙漠与陕北黄土高原的接壤地带， 该地区干旱少雨，生态环境脆弱。

本文试图从内外动力地质作用和人为活动作用影响下的浅层地下水赋存空间环境变化入手， 分析风沙滩区浅层地下水演化规律，预测发展趋势，寻求区域地下水资源合理开发与生态环境保护相谐调，使地下水最大限度地服务于当地经济、社会。

1 浅层地下含水岩组地下水环境基本特征

1.1 浅层地下含水层岩性概况

风沙滩区浅层地下含水层主要是第四系砂层，砂层分为上、下两层，下部为第四系上更新统萨拉乌苏组冲湖积砂层，上部为全新统风积砂层。

萨拉乌苏组砂层广泛分布于考考乌素河以南，无定河以北的广大区域，分布连续、范围广、厚度大。 厚度由北而南，逐渐变薄，变化幅度一般在15～100m之间。岩性为一套灰黄、灰绿、青灰色粉细砂、粉土，局部有砂砾石夹薄层砂质黏土透镜体，具水平层理。该层受古地形结构控制，常呈湖盆状或条带状，盆地中部及古河道中心沉积厚度大，向盆地四周及古河道两侧逐渐变薄。

全新统风积砂层，为黄色、棕黄色中细砂、粉砂，厚度3～15m。

1.2 浅层地下水动态

分析风沙滩区潜水观测资料， 浅层水一般埋深在10m以内，大于20m埋深基本属于超采区。 从观测资料看，2009年时， 水位埋深在0～4m的面积约占43%，4～10m面积的约38%，10～20m面积的为11%，最深点在神木锦界镇， 次深区在靖边东坑镇；2017年时，埋深在0～4m面积的约41%，4～10m占面积的34%，10～20m占面积的20%，最深点在靖边东坑镇，神木锦界镇已缺测数年了。 风沙滩区浅层地下水位明显有下降趋势。

分析长系列观测资料， 风沙滩区浅层地下水位有以年为单位，周期性由高水位降到低水位（部分在底部振荡）、再恢复到高水位的特征，明显具有此特征的观测孔数占95%，如图1。 每年6—9月水位下降或振荡下降， 并在低水位处剧烈振荡；10月—次年4月基本为水位平稳期，是年内高水位期。水位变化在2009—2010年，低水位期波动相对较弱，高水位期当年恢复与往年持平。2011—2016年，低水位期水位波动相对强烈，尤其是2015—2016年；高水位期当年恢复较前一年稍有下降。2017年，低水位期水位波动相对较弱，高水位期水位恢复相较往年有所下降。

图1 风沙滩区浅层地下水位典型观测孔水位多年埋深变幅

1.3 浅层地下水补径排

1.3.1 补给

风沙滩区地形开阔，呈舒缓状起伏，上覆透水性强的现代风积砂，大气降水易于入渗补给，是浅层地下水主要补给源。在靖边东坑—梁镇井灌区，有灌溉回归水补给。在常规的水资源评价中，在该区域还常计入空气冷凝水。

1.3.2 径流

风沙滩区浅层地下水受地表分水岭控制， 西段以南部白于山为分水岭，与黄土高原分开；东段以无定河为南界，与黄土沟壑区分开。风沙滩区浅层地下水可划分为3个水文地质单元：①西部定边闭流区，以安边—四十里梁—东胜梁为界，与无定河流域分开；②中东部无定河、秃尾河、窟野河流域；③北部红碱淖闭流区。

3个水文地质单元浅层地下水径流特征为： 定边闭流区浅层地下水由南向北偏西方向汇流，即由南部白于山分水岭向北流和东部安边—四十里梁—东胜梁分水岭向西流，整体向北偏西流。 无定河、秃尾河、窟野河流域内浅层地下水以干流河谷为轴线，由两侧自分水岭向河谷汇流，并偏向流域下游。红碱淖闭流区以湖区为中心，周边沙漠中地下水自分水岭向湖区汇聚。

在靖边东坑—梁镇超采区， 周边地下水向漏斗中心汇集。 煤炭开采区（榆横、榆神和神府3个煤田）浅层地下水漏失严重，榆阳、神木等多地出现大范围采煤疏干区，地下水向矿坑漏失严重。

1.3.3 排泄

地下水天然排泄方式为泉水或渗流溢出。 地下水以溢流形式转化为地表水， 并有部分垂直入渗补给下伏的基岩含水层。在水位浅埋处尚有蒸发排泄，人工开采也是地下水重要的排泄方式之一。 分析2008—2018年风沙滩区地下水供应量，地下水开采量由2008年23117万m3，增长到了2018年的26844万m3，年增长率为1.84%。其中浅层地下水增长率为1.09%。浅层地下水供水量占地下水年总供水量的3/5。

由前面分析可知，风沙滩区地下水分为3个水文地质单元：①西部定边闭流区，该单元因矿化度高，开采量较小，地下水补径排关系稳定；②中东部无定河、秃尾河、窟野河流域，因人工开采或煤炭开挖形成地下水大量外排，局部浅层地下水径流、排泄受人工作用影响大；③北部红碱淖闭流区，浅层地下水受人工开采和煤炭开挖影响较大。

1.4 与下伏含水层之间水力联系

第四系砂层与下伏的白垩系保安群或侏罗系砂岩直接接触。 白垩系保安群在风沙滩区主要是环河组和洛河组， 两者在横山—榆阳—红碱淖一线以西广泛分布，越向西厚度越大，在靖边县城南部形成一巨厚沉积组。 侏罗系地层在白垩系尖灭后直接与第四系砂层接触，主要分布于榆溪河、秃尾河、窟野河流域，侏罗系地层因煤层自燃大多又形成烧变岩。不论下伏的白垩系地层还是侏罗系地层， 均直接接受来自第四系砂层的地下水垂直入渗补给， 两者具有畅通的水力联系。 尤其在榆溪河、秃尾河、窟野河流域的煤炭开采区， 萨拉乌苏组砂层地下水构成煤炭矿坑涌水的主要来源。

1.5 地下水与地表水之间水力联系

风沙滩区第四系砂层具有强透水性， 浅层地下水和地表水系具很好的水力联系。接触泉（潜水沿含水层与隔水层接触面涌出的泉） 是风沙滩区浅层地下水最常见的天然排泄方式，形成地表径流，汇集成湖泊或河流，是沙漠河流、湖泊的主要补给源。 红碱淖是陕北风沙滩区最大的天然湖泊（碱水），巴图湾水库是风沙滩区最大的人工湖（水库，淡水），金鸡沙水库到纳林河段的红柳河（无定河的上游段）干流，均与第四系砂层水有着很好的水力联系。

靖边东坑—梁镇一带井灌区地下水超采， 浅层地下水位低于地表水系，地表水系补给地下水，沙漠海子水漏失，直至海子消失。 但当降水量丰富时，浅层地下水位上升后，低洼处还会出现局部积水。

2 风沙滩区浅层地下水环境问题

2.1 地下水位下降

2.1.1 降落漏斗

靖边东坑、梁镇是风沙滩区主要井灌区，井灌历史悠久。区内90世纪70年代以前，农田灌溉多采用深度很浅的马槽井（深度仅几米），到80年代马槽井就被多管井替代（深度20～30m）［1］，90年代初，陕西省在榆林市风沙滩区开展了以打为主的4万hm2粮副基地建设，灌溉面积迅速扩大，灌水保证率得到提高，相应的许多管井被浅机井（井深50～100m）替代，以后机井深度轮翻加大，近年已最浅到了300m。由于井灌面积的快速增加，在两镇南起风沙滩区边界，北到金鸡沙水库、伊党村，西起梁镇以西的西园子村，东到东坑万家坑村，约207km2区域地下水位持续下降，尤其是近十几年，下降趋势加剧，成为陕北地区范围最大的超采区［2］。

2.1.2 煤炭开采致浅层地下水流失

榆横、榆神、神府煤田因煤炭开采而使榆溪河、秃尾河、窟野河流域浅层地下水大量流失。 1990年4月神木矿区前矿畔井田瓷窑湾矿，在送巷过程中发生冒顶涌水涌沙事故，导致附近顺沟渠水库干涸（库容7000m3），周围植被死亡，饮马泉（流量45L/s）流量锐减［3］。 榆神煤田某大型煤矿从2006年10月起扩大产能，产生大量矿坑排水，排水量达16400～25000m3/d［4］。据测算，2013年，榆溪河流域经矿井漏失萨拉乌苏组地下水量405.02万m3， 占该层当年可开采资源量的3.41%；秃尾河流域经矿井漏失萨拉乌苏组地下水量678.44万m3，占该层当年可开采资源量3.02%［5］。

榆横矿区榆阳煤矿，在煤矿未开采之前，浅层地下水位仅随气候干旱、 雨涝变化，2001年煤炭开采后，水位开始波动，但因煤矿开采初期，6年间地下水位下降了0.95m。 从2007年开始矿区各煤矿大幅度提高开采量和开采高强度，地下水位多处大幅下降，到2015年已累计下降了7.66m，年均下降1m多。 神木西湾露天煤矿， 在2007—2015年浅层地下水位下降了14.7m，而此段时间正是西湾露天煤矿剥离上覆地层以及大面积开采，地下水位变化与其同步进行［6］。

2.1.3 海子（湖泊）面积锐减

海子（湖泊）作为风沙滩区地下水与地表水的联结体，其面积大小直接反映着地下水位的变化。从定边到神木，沙漠区分布着大大小小海子近千个，以定边、靖边、神木为最多。 而最大的自然湖泊为位于神木北部的红碱淖，是风沙滩区最大的咸水湖。

靖边县北部掌高兔水源地（海则滩乡西部）是县城北几个工业石区供水水源地， 该区域在20世纪50—60年代有海子18个，有286.7hm2，到90年代末，海子面积急剧缩减至13.3hm2，到2008年，海子仅存2个，面积也只剩0.8hm2，水源不得不关闭［7］。

2.2 地下水体质量下降

浅层地下水的水质为HCO3—Ca或HCO3—Ca.Mg型水，矿化度0.13～0.29g/L。 除个别地段受人为污染细菌总数超标外， 其他指标均符合生活饮用水水质标准。侏罗系基岩含水层水质由浅往深逐渐变差。由HCO3—Ca或HCO3—Ca.Mg型水变为HCO3.SO4—Na及Cl—Na型水。 矿化度由0.2g/L升至14.50g/L［3］。

榆神煤田某大型煤矿从2006年10月起扩大产能， 产生大量矿坑排水， 排水量一般为16400～25000m3/d， 这些未经处理的矿坑水直接排放到附近的沙漠丘间洼地之中，形成总面积达1.0万m2污水池。污染物顺地下水流向运移，污染离子以SO42-，Na+，Ca2+最为明显［4］。

陕北风沙滩区地表风积沙渗透性较强， 煤矿排水、工业污水等易于入渗，使浅层地下水易受污染。

3 地下水环境演化规律和特征

3.1 含（隔）水层的演化

从前面分析可知， 风沙滩区浅层地下水每年在夏秋季有剧烈振荡的特点，大幅的反复升降，不利于含水层细粒物的稳定。萨拉乌苏组地层为砂岩，质地疏松，剧烈波动的地下水位，使地层中的细粒物或溶水物质随水而动，动摇了含水层的结构稳定。长此以往，加速含水层疏松演化。 导致地面塌陷，只是沙地疏松对少量塌陷表现不明显。

3.2 地下水补径排关系演化

在人类活动尚未打破原始采补平衡时， 大气降水（局地有灌溉回归水）进入第四系砂层，形成潜水，潜水沿下伏地层面在沟谷沿岸溢出形成大量接触泉，或在沙漠低洼处形成湖泊，或补给河流，或垂直入渗补给下伏地层。

自20世纪80年代末，国家在风沙滩区开展4万hm2粮副基地建设后，大规模的经济开发接踵而来，最终将榆林确定为国家能源重化工基地， 当地经济发展进入了快车道，榆林市GDP从2008—2012连续5年两位数增长，随后又保持在7%～9%。 经济飞速发展，水资源短缺频频亮红灯。为支持当地经济建设，地下水开采量以每年1.8%的增量增加， 浅层地下水开采量一直保持在1.0%以上的增长率， 为当地经济做出巨大贡献。换来的代价是，井灌区形成巨大的地下水降落漏斗区，煤炭开采区浅层地下水大量流失，石油开采区地下水面临污染风险，风沙滩区湖泊干枯等环境问题。地下水位下降改变了原有的补径排关系。西部自流区因地下水开采较少，补径排关系基本无变化。无定河流域的靖边东坑梁镇纯井灌区， 因为灌溉农业面积不断扩大， 井网密度增加， 地下水位一降再降，2016年被陕西省划定为一般超采区，地下水补径排也发生了改变，由原始的向无定河排泄，改变为向漏斗中心汇集。 榆溪河、秃尾河、窟野河流域浅层地下水大量通过煤炭开采矿坑或人工强排而流失，地表水径流量锐减，原来的补径排关系被打破。红碱淖闭流区因周边地下水位下降，水面一缩再缩，2016年保护政策出台后，周边地下水位上升，水面才有所扩大。

3.3 地下水流场演化

风沙滩区地下水原始流场在西部定边闭流区为一独立区域，由南部分水岭向北偏西方向汇流；在无定河、 秃尾河、 窟野河流域以由分水岭向主河谷汇流，并偏向下游；红碱淖闭流区为一独立区域，向湖区汇集。

20世纪80年代末， 国家在榆林北部风沙区开展的以井灌工程为主的4万hm2粮副基地建设， 打配各类水井6461眼，其中机井5688眼，建成井灌面积2.97万hm2［8］。此大量的马槽井逐渐被多管井取代，没过几年， 多管井又被中深井代替。 浅层地下水大面积下降，形成范围较大的降落漏斗区，浅层地下水很快失去了供水能力，地下水流场相应也发生了改变；靖边县城北部的杨桥畔镇，是靖边县自来水公司水源地，近年浅层地下水已出现下降， 并在由点状向面状发展，有连成一片的趋势；榆溪河、秃尾河、窟野河流域浅层地下水漏失严重，面临被疏干危险，地下水流场已被打乱。 由于人类大量活动打破了区域原始地下水补径排关系，致使地下水流场发展改变。

3.4 地下水动态变化特征及规律

由前面分析可知， 风沙滩区浅层地下水位以年为周期在夏秋季出现下降探底， 而后在冬春季恢复到年内高水位。 西部闭流区浅层地下水位将会延续夏秋季低位振荡或探底，冬春季恢复的趋势；无定河流域靖边县东坑、 梁镇一带地下水降落漏斗区被划为一般超采区，已制定了治理方案，正在逐步落实，该片区浅层地下水下降的趋势会得到遏制， 并在一定程度上得到恢复，但要使漏斗区消失，短时间内可能很难实现。 榆溪河、秃尾河、窟野河流域浅层地下水只有在煤炭开采全部结束后才有可能得到全面恢复。在目前煤炭密集开采初期阶段，浅层地下水漏失量仍会随着采煤量增加而增加， 虽然各煤炭开采公司都使用了保水采煤法，能减少一定漏失量，但要彻底解决恐难达到。

3.5 各含水层水力联系演化规律

浅层地下水含水层主要是第四系砂层， 砂导可分为下部的上更新统萨拉乌苏组砂层和上部的全新统风积砂层，两者有很好的水力联系，降水入渗后通过上部风积砂层很畅通地进入萨拉乌苏组， 形成潜水。 萨拉乌苏组下伏的白垩系洛河组砂岩或侏罗系砂泥岩、烧变岩，直接接受萨拉乌苏组垂直入渗补给。

在西部闭流区降水由全新统风积砂层到萨拉乌苏组砂层再到洛河组砂岩，水力联系畅通，不受任何影响。 在无定河流域靖边县东坑、梁镇井灌区，潜水已无供水能力，机井已主要开采白垩系砂岩水，造成大面积潜水位下降， 也证明浅层水与洛河组砂岩含水层有紧密的水力联系， 降水通过砂层而到达下伏基岩面，由于基岩与砂层渗透系数的差异，穿过包气带的降水，在基岩面之上滞留，形成潜水，潜水再通过垂直入渗补给下伏含水岩层。降落漏斗的形成，增大了浅层地下水水力梯度，加速了地下水的流动。

榆溪河、秃尾河、窟野河流域因煤炭开采而使浅层地下水漏失严重，泉水断流，地表径流量减少，地下水位出现陡降，采煤活动加速了地下水的流动。因采煤而使顶板岩层受到扰动，形成渗漏通道，浅层地下水通过此通道源源不断地漏失， 更加密切了上下地层水力联系。

4 风沙滩区地下水环境发展趋势

4.1 风沙滩区植被持续趋好

国家自1959年开始在毛乌素沙漠大力兴建防风林带，引水拉沙，引洪淤地。榆林市在风沙滩区，经几代人不懈努力，到21世纪初，已经有80%的毛乌素沙漠得到治理，止沙生绿成为现实。许多沙地变成了林地、 草地和良田。 榆林市在风沙滩区累计新辟农田106.67万hm2，“沙漠之都”变成了“大漠绿洲”。随着国家对生态环境的重视，沙漠区绿化治理将越来越好，风沙滩区植被会持续好起来，直到沙漠得到彻底治理。

沙漠区改造成大片的林地、草地，对防风固沙可起到显而易见的作用，但大面积改造成农田，目前看来尚有诸多问题，最显著的是庄稼收获后，土地裸露时间过长，而又多在大风、少雨期，给沙尘暴提供了有利土源。 以马铃薯种植为例，定、靖两县在沙漠区开发了相当面积的马铃薯种植区，从5月初下种，8月初收获，生长期约100d，叶片能覆盖地表天数约70d，即一年有近300d地表裸露，期间播种和收获，至少翻地两次，造成地表土壤疏松，加剧了飞沙、扬尘。因此在沙漠区未形表层成有效固结之前， 减少人为扰动成为最好的治理方法。 对沙漠区有计划地适度开发利用非常必要，但应慎重。

4.2 地下水降落漏斗仍会存在

目前形成降落漏斗的区域基本上是地表水源缺乏的区域，要维持经济持续发展就得有一定量的供水保证，在地表水源不充分的情况下，抽取地下水仍是首选，尤其是浅层地下水，当长期开采量大于补给量时，地下水位会持续下降，形成降落漏斗。 开采量越大，漏斗范围和深度越大。降落漏斗在人工干预下，范围和深度得到控制，直到恢复正常。比如东坑、梁镇漏斗区在合理的压采方案下，定会收到一定治理效果。

在风沙滩区农业灌溉面积应加以适当控制。 风沙滩区多年平均降水量为400mm， 按75%有效降水量全部入渗计算，每km2年可产生地下水资源30.0万m3，按85%可提取， 地下水资源可开采量25.5万m3/km2。即以正方形布置抽水井，井距1km情况下，单井年可取水量25.5万m3。

定、靖两县在风沙滩区种植了大面积马铃薯，采用圆形移动行走式喷灌机组灌溉， 每组灌溉面积33.33hm2，从马铃薯下种到收获生长期约100d，喷灌机一天24h不停歇连续工作约95d， 喷洒量30m3/h，一个生长期灌溉用水量6.48万m3/33.33hm2，1km2可布置3个33.33hm2喷灌机组，则年需水19.44万m3，远超出浅层水供水能力。由于灌溉季大气蒸发强烈，喷洒量不形成地表径流，基本不形成灌溉回归水量。农业区大面积发展灌溉农业（包括马铃薯种植区），靖、定两县已将马铃薯作为县域乡村振兴支柱产业， 但高强度的耗水量，非当地水资源所能承受。

4.3 地下水位下降会长期存在

从地质作用看， 风沙滩区与浅层地下水赋存空间相关的土地面积、含水层结构在有限时期内，不会有大的变化，而在人类活动作用下的地下水开采、废污水排放、采煤活动等在有限时期内不会减缓。只要人类围绕这几项活动不减， 浅层地下水位恢复就很难有大的改观。

风沙滩区地下水位下降来自两部分： ①区域性下降， 原因是各地都有发展经济的需求， 陕西榆林有，内蒙的鄂尔多斯也有，经济的快速增长，必定会消耗大量的水资源， 而作为还不能完全退出的地下水资源，定会发挥其应有的支撑作用。所以经济要发展， 大范围的地下水开采至少近十几年内不可能停止，因此地下水位也不会有大幅上升。②局部性的强开采（强排）不会停，比如东部煤炭开采区，就是再先进的保水开采技术，还会对地下水造成一定影响，否则每天矿坑内大量的涌水早就消失了。

4.4 海子面积局部有可能增加

随着人们对沙漠区的海子关注度增加，在人工干预下，像红碱淖等面积较大、具有旅游价值、或供水意义的海子面积会逐渐增大， 直到稳定在一定面积区间。 主要功能将为人们旅游、休闲提供场所或承担供水任务。 其他已消失的海子，恢复的可能性不大。

西部海子的消失主要原因应该是工农业大量取用水，地下水补给量满足不了开采量，使海子存蓄的那点水通过地下水通道回到了含水层，被开采走。为遏制地下水位快速下降， 在加大地表水开发力度的同时， 关停工业开采井也十分必要， 此部分水退出后，可以减少地下水消耗量，使水位得到一定程度上升，海子面积定会有所增加。红碱淖闭流区海子面积减小，主要因为煤炭开采和工业取水，政府自2016年加大治理力度以来，湖水面积明显增大，地下水位也相应上升。

4.5 水质变化趋势

西部的闭流区（定边县境内）水质矿化度大于1g/L，在红盐池—莲花池—溢泥池—盐场堡—苟池一带地下水水质矿化度大于3g/L，因地下水利用较少，局部水位埋深浅，造成潜水蒸发，加重了土壤盐渍化。 盐环定引黄工程等地表水引入， 会对地下水体有一定改善作用。

无定河流域靖边东坑梁镇井灌区， 大量使用化肥造成浅层地下水氨氮超标，形成面源污染，由于地下水位大范围下降， 水力坡度增大， 利于地下水流动， 便于污染物扩散。 榆溪河流域榆横矿区2012年时， 煤炭开采直接入河或入洼地的矿坑涌水量有1333万m3/a，直接造成受水体污染。 被污染的水体同浅层地下水有着很好的水力联系， 极易使浅层地下水受到污染。 而这部分外排水成为浅层地下水体的带状或点状污染源。

随着社会用水量的增加，水质污染的风险也随之增加，地下水体亦如此。但随着公众环保意识的增强，生态环境建设加快，地下水体又会得到很好的保护。

5 结语

（1）陕北风沙滩区生态环境脆弱，生物种类很少。地下水水质好，埋深浅，开采容易，成了工农业均看好的首选水源。 自榆林4万hm2粮副基地建设以后，地下水开采量迅速增加， 致使靖边东坑梁镇井灌区地下水位大范围下降，出现降落漏斗，在城市供水水源地也出现漏斗；榆溪河、窟野河流域由于煤炭开采，浅层地下水被严重疏干，已失去了开发利用功能。红碱淖闭流区在经历水量大幅下降后， 自2016年开始治理以来，水位得到了很好的恢复。

（2）风沙滩区地下水位在夏秋季出现大幅波动，加速含水层中细粒物的析出，导致含水层疏松，加快了地下水流速，但更加不利于含水层的稳定。风沙滩区地下水降落漏斗的出现改变了地下水原始流场。浅层地下水环境在人为破坏和人为保护双向发力下，向相反的方向演化，并表现出时好时坏，所以在人为破坏没有停止之前，人为保护虽有作用，但不治本。