焦作市浅层地下水资源评价与开发利用研究

刘翠然，樊德军，魏艳卿，张东晓

（1.洛阳理工学院，河南 洛阳 471023；2.河南省地质科学研究所，河南 郑州 450001）

0 引言

以全球变暖为主要特征的气候变化已成为当前世界最重要的环境问题之一。 气候变化对水文与水资源有着直接的影响， 会引起水资源时空分配的变化和水资源总量的改变，增加洪涝、干旱等极端灾害发生的频率和强度， 进而使得区域水资源短缺问题更加突出［1］。 在地表水资源短缺和水环境恶化问题日益严峻的现实条件下，研究地下水资源开发潜力对促进区域可持续发展具有重要意义［2］。 因此，国内外学者就地下水资源开发潜力进行了大量的研究［3－5］。

焦作市是河南省重要的能源基地， 是一座以能源为主，兼顾机械、化工、冶金、橡胶、建材、轻工、纺织等综合发展的新型工业城市。 该区浅层地下水资源不仅是农业灌溉、工业和城市生活的重要水源，还是维持生态环境平衡的重要因子。 由于浅层地下水的过量开采，焦作市已形成了地下水降落漏斗，并且降落漏斗有持续扩大加深的趋势。 笔者根据焦作市地形地貌、地下水埋藏深度、含水层岩性等划分计算区，通过地下水水位长期观测、水文地质测绘、抽水试验、物探、钻探等工作，综合考虑最大开采量与可开采能力的互馈效应［6］，采用地下水位稳定均衡方程进行地下水资源开发潜力计算， 并根据计算结果制订了地下水资源合理开发利用方案， 以期对地下水资源合理开发利用以及生态环境保护提供参考。

1 研究区概况

1.1 地理位置

焦作市地处东经113°00′～113°30′，北纬35°00′～35°20′，位于河南省西北部，北依太行、南临黄河，面积4 071 km2，总人口352 万，下辖6 县（市）、4 区和1个城乡一体化示范区。 研究区位于焦作市辖区内。

1.2 浅层地下水分布特征

依据含水介质性质， 可将研究区地下水划分成4 个主要含水层组：第四系松散岩类孔隙含水层组、新近系半胶结岩类孔隙裂隙含水岩组、 二叠－石炭系碎屑岩夹碳酸盐岩类裂隙岩溶含水岩组及中奥陶－寒武系碳酸盐岩岩溶裂隙含水岩组。 第四系松散岩类孔隙含水层组依其埋藏深度分为浅层与中深层。松散岩类浅层孔隙含水层组（以下简称浅层含水层组） 是指埋藏在40～110 m 深度内的含水岩组，即为本文研究的对象。浅层含水层组由全新统及上、中更新统碎石，卵砾石，沙砾石，沙层组成，主要赋存潜水。该含水层组主要是由丹河冲洪积扇、西石河冲洪积扇、山门河冲洪积扇、纸坊沟冲洪积扇与黄沁河冲积平原的一部分冲洪积物堆积而成。 由于含水层是在多期冲洪积作用下形成的， 因此整个含水层组在空间上分布不稳定， 自山前向平原区由单一结构逐步过渡到多层结构。 浅层含水层单层厚度约为3～15 m，累计总厚度变化较大，一般在20～50 m 之间，其富水性差异也较大。 根据单孔抽水试验资料，按推测降深5 m 时单井涌水量的大小， 可将浅层含水层划分为极强富水区（涌水量大于5 000 m3／d）、强富水区（涌水量3 000～5 000 m3／d）、中等富水区（涌水量1 000～3 000 m3／d）、弱富水区（涌水量小于1 000 m3／d），其分布见图1。

图1 研究区浅层地下水资源分布简图Fig.1 Schematic diagram of shallow groundwater distribution of research area

2 浅层地下水资源开发潜力计算

2.1 计算分区

先根据地下水埋藏深度、地形地貌、含水层岩性等进行计算分区，再根据地形微地貌等进行亚区划分。依据地形地貌将浅层地下水分为两个区： 即冲洪积平原区（Ⅰ）和冲积平原区（Ⅱ），再根据微地貌等进行亚区划分，计算分区如图2 所示，各计算分区属性特征如表1 所示。

图2 浅层地下水资源计算分区图Fig.2 Zoning map of shallow groundwater resources calculation

区号 面积／km2 地貌类型 微地貌 地表岩性 含水层岩性Ⅰ1 111.02 冲洪积平原 坡洪积斜地 粉土 粉细沙Ⅰ2 198.37 冲洪积平原 冲洪积扇 粉土 粉细沙Ⅰ3 120.33 冲洪积平原 扇间平原 粉土 粉细沙Ⅰ4 322.99 冲洪积平原 交接洼地 粉土、粉质黏土 粉细沙Ⅱ1 180.66 冲积平原 黄沁泛流平地 粉土、粉质黏土 粉细沙Ⅱ2 108.42 冲积平原 沁河决口扇 粉土 粉细沙Ⅱ3 183.61 冲积平原 沁蟒河床高地 粉土 粉细沙Ⅱ4 193.39 冲积平原 黄沁泛流高地 粉土 粉细沙

计算研究区浅层地下水资源的水文地质参数主要有降水入渗系数（α）、渗透系数（k）、重力给水度（μ）、灌溉回渗系数（β）、潜水蒸发系数（c）等。根据现场试验及前人研究成果， 综合确定各分区主要水文地质参数，结果如表2 所示。

2.2 浅层地下水已开采量计算

研究区内浅层地下水资源开采量主要包括工业开采量、生活开采量、农业灌溉开采量等。 根据焦作市水利局资料， 各分区浅层地下水资源开发利用情况如表3 所示，开采现状如图3 所示。

图3 浅层地下水开采现状图Fig.3 Current situation of shallow groundwater exploitation

区号 面积／km2 渗透系数k／（m／d） 降水入渗系数α 井灌回渗系数β1 渠灌回渗系数β2 给水度μ 潜水蒸发系数cⅠ1 111.02 10 0.20 0.15 0.25 0.025 0.100Ⅰ2 198.37 12 0.25 0.15 0.25 0.025 0.100Ⅰ3 120.33 15 0.25 0.15 0.25 0.025 0.100Ⅰ4 322.99 10 0.20 0.15 0.25 0.025 0.100Ⅱ1 180.66 15 0.25 0.10 0.20 0.04 0.100Ⅱ2 108.42 15 0.25 0.10 0.20 0.04 0.100Ⅱ3 183.61 15 0.25 0.10 0.20 0.04 0.100Ⅱ4 193.39 20 0.20 0.10 0.20 0.06 0.100

区号 农业灌溉用水量 工业用水量 生活用水量 合计Ⅰ1 1 665.29 3 864.50 2 386.50 7 916.29Ⅰ2 2 975.54 1 037.10 757.60 4 770.24Ⅰ3 1 804.94 4 901.60 3 100.35 9 806.89Ⅰ4 4 844.83 122.50 872.65 5 939.98Ⅱ1 3 481.00 122.50 685.65 4 289.15Ⅱ2 3 304.96 457.00 1 308.15 5 070.11Ⅱ3 1 951.55 0.00 0.00 1 951.55Ⅱ4 3 251.86 1 256.00 537.75 5 045.61合计 23 279.97 11 761.20 9 648.65 44 689.82

由表3 可知， 焦作市浅层地下水资源年开采量约为44 689.82 万m3， 农业灌溉用水开采量占总开采量的52%。 由于局部地下水超采造成地下水位下降，形成降落漏斗，从而引起一系列的环境问题。因此， 迫切需要科学规划地下水资源开采模式与布局。

2.3 可开采量计算

地下水资源可开采量是指在经济合理， 技术可行且利用后不会造成地下水位持续下降、水质恶化、地面沉降等环境地质问题和不对生态环境造成不良影响的情况下， 允许从地下含水层中取出的最大水量。它与补给和排泄所形成的地下水动态平衡有关，不包括含水层中得不到补偿的储存量。

在开采条件下， 地下水的补给和排泄条件将会发生变化［2］。 地下水的补给方式主要为大气降水入渗、灌溉回渗、沁河渗漏补给、山区河流潜流补给、地下水侧向径流补给等。 地下水的排泄量主要为地下水的可开采量、蒸发量、地下水侧向径流排泄量。 在开采条件下， 地下水位达到稳定时的均衡方程如式（1）和式（2）所示。

式中：Q可为浅层地下水资源可开采量，m3／a；Q降为降水入渗补给量，m3／a；Q 径补为侧向径流补给量，m3／a；Q 河渗为沁河渗漏补给量，m3／a；Q潜为山区河流潜流补给量，m3／a；Q灌溉为灌溉与渠道回渗量，m3／a；Q径排为侧向径流排泄量，m3／a；Q蒸为浅层地下水蒸发排泄量，m3／a。

地下水资源的可开采量采用多年平均值进行计算，计算结果如表4 所示。 根据计算结果，绘制各区地下水资源分布图，如图4 所示。

图4 各分区浅层地下水资源开采潜力区划图Fig.4 Zoning map of exploitation potential of shallow groundwater resources in each zone

2.4 地下水资源开采潜力分析评价

地下水资源开采潜力主要依据地下水资源开采的潜力指数p 和可增加开采量q 等综合分析确定。地下水资源可开采潜力指数是可采量与实际开采量的比值， 可增加开采量是可开采量与实际开采量的差值，它们的大小分别按公式（3）与（4）计算。研究区浅层地下水资源开采潜力计算结果如表5 所示。

分区 计算面积/km2 天然补给资源量/（万m3/a）可开采资源模数/万m3/（km2·a）Ⅰ1 111.02 3 370.05 30.36 3 370.05 30.36Ⅰ2 198.37 4 545.37 22.91 3 818.08 19.25Ⅰ3 120.33 2 606.92 21.66 2 493.52 20.72Ⅰ4 322.99 6 207.30 19.22 4 136.66 12.81Ⅱ1 193.39 3 754.61 19.41 3 649.17 18.87Ⅱ2 183.61 3 564.74 19.41 3 564.74 19.41Ⅱ3 108.42 3 637.94 33.55 3 637.94 33.55Ⅱ4 180.66 3 292.50 18.22 2 237.34 12.38合计 1 418.79 30 979.44 21.84 26 907.49 18.97天然资源模数/（万m3/km2）可开采量/（万m3/a）

式中：p 为地下水资源开采潜力指数；q 为地下水资源可增加开采量，m3／a；Q可为地下水资源可开采量，m3／a；Q采为地下水资源实际开采量，m3／a。

根据水文地质手册， 地下水资源开采潜力指数p 的判定指标如下：当p＞1.2 时，表示有开采潜力，可扩大开采；当1.2≥p≥0.8 时，表示采补基本平衡；当p＜0.8 时，表示已超采。

由表5 可以看出，全区浅层地下水资源可开采量为26 907.49 万m3，已开采量为44 689.82 万m3，可开采潜力为－17 782.33 万m3，开采潜力指数为0.60，已超采。分区情况为：Ⅰ1、Ⅰ3、Ⅱ2、Ⅱ4区的地下水资源开采潜力指数p＜0.8，其地下水资源已超采；Ⅱ1、Ⅰ2区的地下水资源开采潜力指数p≥0.80， 其地下水资源采补基本平衡；Ⅱ3区的地下水资源开采潜力指数p＞1.2，其地下水资源有开采潜力。

3 浅层地下水资源开发利用规划

水功能区划是实现水资源综合开发、合理利用、积极保护、科学管理的基础工作，是实现运用法律、行政、经济手段强化水资源目标管理工作的条件，是防治水污染、保护水资源的重要措施［7－8］。目前，由于浅层地下水资源的大量开发利用， 导致区域地下水水位下降，形成地下水下降漏斗，并向外围扩大。 地下水下降漏斗的形成与扩大也导致水位埋深1～3 m的范围缩小，使得区内博爱县磨头镇－李万新区－修武县五里源湿地面积萎缩。 由于地下水水位低于排泄地下水的名泉泉口标高，导致区内多处名泉（如九里山泉、王母泉、灵泉陂泉）相继断流消失。 另外，地下水过度开发利用还会导致工作区内水文地质补给、径流与排泄条件恶化等环境问题增多。 因此，合理开采地下水资源已成为迫在眉睫的民生大事。

为了实现地下水资源可持续利用，保证当地生态平衡和经济良性发展，地下水资源的开采必须结合所在地区供水条件和用水单位生产、用水状况，确保总的开采量控制在允许开采量之内［9］。 本文依据地下水资源开采潜力分析成果、水文地质条件和地形地貌等将研究区划分为地下水资源可扩大开采区、控制开采区和调减开采区。 据此，提出如下建议：（1）可扩大开采区。 即潜力指数为1.86，地下水资源剩余量较多的Ⅱ3区。 该区主要分布在沁河两岸地区，补给条件好，潜力较大，可适当扩大开采，但要注意开采方法及使用的合理性。（2）控制开采区。即潜力指数为0.80～1.2，地下水资源采补平衡的Ⅰ2、Ⅰ4、Ⅱ1区。该区地下水资源开采程度低， 地下水水位埋深除在城市附近较大外，一般地区为4～8 m，因此应在现有开采的基础上适量调整，超采地段减少开采量，补给条件好的有潜力地段可适当扩大开采量。（3）调减开采区。即潜力指数小于0.8 的Ⅰ1、Ⅱ2、Ⅱ4区。 该区地下水资源均有不同程度超采，历年来地下水水位持续下降，需适量调减地下水开采量。 根据目前的状况，可以通过引入Ⅱ3区的地下水，回灌地下水、利用深层地下水和种植耐旱农作物等措施来保护地下水，使其可持续发展。

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4 结语

在以往的地下水资源评价研究中， 往往过度追求最大开采量的单一因素， 从而引发一系列环境问题。本文针对研究区的实际问题，提出了综合考虑最大开采量与可开采能力的互馈效应。 通过研究得出以下结论：研究区浅层地下水资源可开采量为26 907.49 万m3， 实际开采量为44 689.82 万m3，开采潜力为－17 782.33 万m3，潜力指数为0.60，已超采。依据水文地质条件、地形地貌和地下水资源开采潜力分析成果等， 将研究区划分为可扩大开采区、控制开采区和调减开采区。