冀枣衡漏斗中心埋深发展现状及特征分析

于晓彤

(河北省衡水水文勘测研究中心,河北 衡水 053000)

0 引言

地下水是支撑社会经济及农业发展的重要水源,自上世纪70年代以来,随着衡水市工业化、城镇化发展,城市居民用水、工业生产用水以及其它城市用水需求逐年增加,由于供水能力不足,水资源短缺,长期超采地下水,区域地下水位不断下降,逐渐形成地下水降落漏斗[1-2]。2013年底,河北省已累计超采地下水1 500亿 m3左右,面积达到6.7万 km2。2014年3月,中央的1号文件提出“在华北地区河北省开展地下水超采综合治理试点工作”。为解决地下水严重超采问题,项目试点区域涵盖了河北省9个设区市115个县、市、区。其中,衡水市全域均为深层地下水超采区。2023年为河北省开展地下水超采综合治理工作第十个年头,对衡水市地下水深层漏斗现状及特征进行分析,对处理好发展与压采、地下水调控研究具有重要意义。

1 概况

衡水市位于河北省东南部,属于温带大陆性半湿润半干旱季风气候,多年平均降水量509.7 mm,且年内分配不均,6-9月降水占全年76%,多年平均蒸发量1 209.5 mm。衡水市地貌为冲洪积、湖积平原区,地势自西南向东北缓慢倾斜,海拔高度12～30 m。衡水市水文地质剖面,垂向上可分为四个含水组,其中,工农业、生活用水主要开采层集中在第三含水组,属承压水,矿化度小于1 g/L,底板深度在350～450之间。

衡水境内存在全国最大、最深的深层地下水漏斗—冀枣衡漏斗,仅限于冀州、枣强、桃城区一带,形成于上世纪70年代初期,性质为农业开采型漏斗,至2004年,地下水位下降漏斗覆盖衡水市全部区域,面积为8 815 km2,发展成为“衡水漏斗”。

2014年,河北省开展地下水超采综合治理工作,压采、节水、调整种植结构等一系列措施的实行,加上南水北调中线、东线北延工程通水,及加大引黄入冀水量,地下水开采量有所减少,在一定程度上缓解了水资源问题,但地下水仍处于超采状态。至2019年,河北平原区累积地下水压采量超过50亿 m3,虽然漏斗整体处于扩张状态,但是在局部地区显示出了一定程度的疏解[3]。

2 漏斗中心动态特征

2.1 年际变化

基于近10年《河北省水资源公报》衡水市深层地下水漏斗中心埋深数据,探究近年来深层漏斗变化情况,并绘制2014-2022年末衡水市深层地下水漏斗中心埋深过程线。公报数据显示:2014年末衡水市深层漏斗中心已由衡水市开发区东移至景县境内,漏斗中心埋深97.08 m,85 m地下水埋深(约为-70 m水位)等值线包围漏斗区面积为1 927 km2。2014年后,衡水漏斗中心一直位于景县境内。从图1中可见,2014-2019年,衡水市深层地下水埋深呈逐渐增大趋势,2020年为转折点,埋深停止增大,开始减小,2021年末,漏斗中心水位已逐渐回升至2014年地下水超采区综合治理开始时期水平。公报数据显示,2022年末,衡水漏斗中心埋深86.15 m,无-70 m水位等值线包围漏斗区。因此,至2022年末,衡水漏斗中心埋深、漏斗区面积均成大幅减小趋势。2014-2022年末衡水漏斗中心埋深变化见图1。

图1 2014-2022年末衡水漏斗中心埋深

2.2 年内变化

2.2.1 埋深动态

对衡水市深层地下水漏斗中心的代表站—后留名府深站,进行地下水年内埋深分析。从图2中可以看出,衡水漏斗中心地下水位年内动态变化随灌溉季节波动明显。年内埋深变化规律一般为2-6月份水位下降,6月底出现最低水位;进入汛期降水基本能满足农作物生长要求,农业灌溉用水相对较少,7月份开始水位缓慢回升;10-12月份,冬小麦造墒和冻水灌溉期间,地下水位有小幅下降;之后农业灌溉水量基本停止,地下水位逐渐回升,至次年1-2月出现最高水位。

2.2.2 低水位期同比变化

由于降水主要集中在汛期,汛期降水场次的多少、强度的高低,直接影响着农灌用水量,间接影响着地下水位高低。从图2中2022年与2023年埋深过程线可以看出,进入汛期以来,埋深过程线出现两个极值,分别在6月上旬的埋深最小极值,及6月下旬的埋深最大极值。但2023年低水位期埋深变幅明显大于2022年,究其原因是,由于2023年汛前降水较为充足,较2022年偏多近3倍,较常年偏多近1倍。6月上旬,水位一直处于上升趋势,至6月8日出现汛期最高水位,即埋深最小极值,较2022年同期最高水位,回升5.68 m。然而,由于此时期正值农作物玉米播种期,需要大量灌溉用水,后续降水不足,2023年6月8日-6月25日降水较2022年同期降水,偏少8成以上。2023年6月26日代表站出现汛期最低水位,即埋深最大极值,较2022年同期最低水位,下降8.91m。2023年低水位期埋深变幅较2022年增大14.59 m。

2.2.3 高、低水位期变化

天然状态下,衡水市深层水地下水流向为自西向东。但由于近年来过量开采深层地下水,区域地下水降落漏斗的形成,改变了地下水的天然流向,使地下水向漏斗中心汇流[4]。衡水市深层地下水的主要补给来源是侧向径流补给、越流补给。主要排泄途径,70年代前,为径流排泄,而70年代后,改变为人工开采,以消耗地下水储存量为主。

对衡水漏斗中心年内动态变化特征分析,以2022年衡水市深层地下水埋深等值线为例,利用地统计学插值分析法绘制衡水市低水位期(6月)、高水位期(12月)地下水埋深分布图(见图3)。

图3 2022年衡水市深层地下埋深等值线图

衡水漏斗中心低水位期与高水位期,埋深变幅最大接近30 m。深层地下水流向受漏斗区位置直接影响,总体上流向从西北、东南方向,向漏斗中心汇流。低水位期,区域内易形成复合漏斗,漏斗中心分布于景县中西部及冀州区和枣强县的南部,漏斗中心埋深大于100 m,面积占比7.4%。高水位期,漏斗中心水位逐渐回升,低水位期时各自相对独立的深层降落漏斗已无法单独区别,呈连片趋势,漏斗中心埋深在80～90 m之间,面积占比10.0%。

3 深层地下水位影响因素分析

深层地下水水位在气候、人工开采、水文地质条件等多种因素综合作用下,不停变化。气候因素是制约水循环的最主要的因素,气候上年内、年际交替变化,影响着地下水补给与排泄的平衡,而人类活动是造成地下水位下降的主导因子。其中,最重要的制约因素,气候因素为降水,人为因素为开采[5]。上文提到,降水因素对地下水水位为间接影响因素,而开采因素为直接影响因素。依据2014-2022年度《衡水市水资源公报》降水、深层地下水开采量数据,分析制约水位变化的主导因素间相关关系(表1和表2)。

表1 2014-2022年衡水市降水量、深层地下水开采量、埋深统计表

表2 地下水影响因素相关关系

深层地下水漏斗中心埋深与降水量呈负相关关系,相关性不显著,但漏斗中心埋深同比与降水量呈显著正相关关系。说明降水量大小影响漏斗中心埋深大小,且对后者影响存在一定的时效性,如第一年降水显著增加,第二年漏斗中心埋深将同比上年减小。

深层地下水漏斗中心埋深与深层地下水开采呈正相关关系,相关性不显著,但漏斗中心埋深同比与深层地下水开采呈显著正相关关系。自2014年地下水超采综合治理工作以来,衡水市引调水量逐年增加,深层地下水开采量逐年减小,开采量大小,受全市当年引调水量用于农灌水量大小影响。因此,探究深层地下水漏斗中心埋深与深层地下水开采量关系,如结合引调水量用于农灌水量,将更准确反映人为因素对深层地下水漏斗中心埋深的影响。

*在 0.05 级别(双尾),相关性显著。

4 结语

(1)本世纪初,衡水市深层地下水漏斗—冀枣衡漏斗已覆盖衡水市全部区域,发展成为“衡水漏斗”。2014年,漏斗中心已由从城市向农村转移,之后,衡水漏斗中心一直位于景县境内,2020年末,漏斗中心水位开始止降反升,2021年末,漏斗中心水位已逐渐恢复至2014年地下水超采区综合治理开始时期水平。

(2)通过对漏斗中心埋深动态变化分析,漏斗中心6月底出现年内最低水位,次年1-2月出现年内最高水位。但不同年份低水位期漏斗中心最大埋深、埋深变幅大小受汛期降水场次的多少、强度的高低影响。建议相关部门在地下水低水位期结合降水量,精准规划引调水量进行农灌,进而控制地下水年内最低水位,及降低年内变幅。

(3)区域地下水降落漏斗的形成,改变了地下水的天然流向,衡水漏斗总体上流向从西北、东南方向,向漏斗中心汇流。低水位期,区域内易形成复合漏斗;高水位期,漏斗中心水位逐渐回升,漏斗呈连片趋势。

(4)深层地下水漏斗中心埋深,与降水量和深层地下水开采量分别呈,负相关关系、正相关关系,但相关性不显著。深层地下水漏斗中心埋深同比与降水量呈显著正相关关系。降水量对漏斗中心埋深的影响存在一定的时效性。