劉 超，朱小龍，蒲叢林，張旭虎

(河北省地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測總站，石家莊 050021)

廊坊地處北京、天津兩大城市之間，具有獨(dú)特的區(qū)位優(yōu)勢。近年來隨著城鎮(zhèn)規(guī)模擴(kuò)張和人口快速增長，區(qū)內(nèi)的地下水環(huán)境問題日益突出[1,2]。隨著京津冀一體化發(fā)展戰(zhàn)略的實(shí)施，廊坊作為京津冀中部核心功能區(qū)的重要城市，如何科學(xué)地開發(fā)利用地下水資源，控制因過量開采地下水所產(chǎn)生的環(huán)境地質(zhì)問題，促進(jìn)經(jīng)濟(jì)快速協(xié)調(diào)發(fā)展成為一個(gè)重要課題。本文以廊坊平原區(qū)作為研究區(qū)，通過揭示近30年以來在人口增長和經(jīng)濟(jì)規(guī)模不斷擴(kuò)大的條件下，在降水量和開采量影響下平原區(qū)淺層地下水流場及水位動(dòng)態(tài)變化規(guī)律，解析年降水量及開采量變化對地下水水位的影響。對廊坊平原區(qū)地下水動(dòng)態(tài)特征及其影響因素進(jìn)行分析，對今后合理開發(fā)本區(qū)地下水資源，發(fā)展區(qū)域經(jīng)濟(jì)具有十分重要的意義。

1 研究區(qū)概況

廊坊市位于華北平原中部、海河流域中部下游，地理坐標(biāo)東經(jīng)116°07′～117°14′，北緯38°28′～40°15′。本區(qū)處于太行山、燕山山地與渤海灣之間的河北平原之上，除三河市東北部有48 km2低山丘陵區(qū)(蔣福山區(qū))外均系平原。平原區(qū)地形總的趨勢為西北、西南高，呈扇形向渤海灣方向傾斜，大清河以北地勢則西北向東南低下，大清河以南地勢由西南向東北低下。地面坡降北部為1/1 700，南部(區(qū)、市)為1/2 500～1/10 000。

研究區(qū)屬北溫帶大陸性季風(fēng)氣候，多年平均氣溫11.9 ℃ ，降水量年內(nèi)分布不均勻，6-9月降水量占全年總降水量的80%以上，多年平均降雨量為554.4 mm。

2 數(shù)據(jù)資料與研究方法

本文所用地下水動(dòng)態(tài)監(jiān)測資料來自于河北省地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測總站廊坊監(jiān)測站的地下水實(shí)測資料。河北省地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測總站廊坊監(jiān)測站自1974年開始進(jìn)行廊坊地區(qū)地下水監(jiān)測工作，經(jīng)多次調(diào)整，監(jiān)測井?dāng)?shù)量經(jīng)歷了由少到多，再到平穩(wěn)期的過程。為了更精確的反映地下水的變化情況，采用當(dāng)年監(jiān)測井實(shí)際站網(wǎng)資料進(jìn)行分析，主要選用1981-2015 年，全部為人工觀測基本井，地下水監(jiān)測工作按《地下水監(jiān)測規(guī)范》中的要求進(jìn)行觀測整編。氣象資料收集了廊坊市氣象站1981-2015年氣象月平均降水資料。

3 結(jié)果分析

3.1 淺層地下水位埋深年際動(dòng)態(tài)特征

從圖1看出，淺層地下水位總體呈下降趨勢，平均水位埋深從1981年的4.42 m增大到2015年的12.39 m，35 a累計(jì)增大約7.97 m，平均每年增大0.23 m。地下水位埋深最小值為1981年的4.42 m，最大值為2012年的13.05 m。最大增長幅度為8.63 m。

圖1 廊坊市淺層地下水水位多年動(dòng)態(tài)曲線圖Fig.1 Years' dynamic change of shallow groundwater level in Langfang

根據(jù)降水資料，研究區(qū)1981-1986年處于相對枯水期，1987-1996年為相對豐水年，1997-2007年進(jìn)入相對枯水期，2008年之后降水量有所回升，處于相對平水年。根據(jù)開采量數(shù)據(jù)，研究區(qū)1981-1990年淺層地下水開采量較小，平均為4.17億m3，1991-2000年迅速增加至年均7.10 億m3左右，2001-2015年地下水開采量雖有所下降但仍舊維持在5.8～6.8 億m3/a的較高水平。

對研究區(qū)淺層地下水水位多年動(dòng)態(tài)曲線進(jìn)行分析可知，1981-1997年間，因降水量較少(枯水期)，開采量較小，廊坊平原區(qū)地下水位埋深較淺，位于4～9 m之間。1988年以前，主要受降水影響，地下水位呈直線下降趨勢，下降速率較大，1988-1997年受開采與降水的雙重影響，地下水位有升有降，水位埋深基本保持在6～9 m左右。

1997-2001年經(jīng)歷了4 a快速下降期，水位埋深從6.56增大到12.19m，2001年之后維持在11～13 m之間，至2015年淺層水位埋深呈緩慢下降趨勢，但水位埋深仍然較大。1997-2001年為相對枯水年，而隨國民經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，地下水需求量增加，開采量增加到年均7.10 億m3，最高達(dá)8.59 億m3(2000年)，從而導(dǎo)致此階段地下水位下降迅速。2001年之后為相對枯水期和平水期，降水量不大，但地下水仍處于超采狀態(tài)，從而導(dǎo)致水位埋深較大。

3.2 區(qū)域流場動(dòng)態(tài)特征

(1)監(jiān)測起始期。河北省地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測總站廊坊監(jiān)測站自1974年開始廊坊地區(qū)地下水監(jiān)測工作，這一時(shí)期人工開采相對較弱，地下水水位近似天然狀態(tài)。

這一時(shí)期淺層地下水流場近似天然狀態(tài)，地下水基本由北西向南東流，地下水漏斗尚未形成；在南部大清河一帶形成地下水分水嶺，為河流補(bǔ)給地下水，說明當(dāng)時(shí)地表河流補(bǔ)給充足(圖2)。1974年淺層地下水埋深最顯著的特點(diǎn)是普遍較淺。

(2)水位快速下降期。1981-2000年，隨改革開放深入，國民經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，對水資源需求的增加，地下水水位進(jìn)入快速下降期，地下水天然流場發(fā)生變化，以1997年年末流場為代表。

這一時(shí)期淺層地下水天然流場發(fā)生變化，北部三河境內(nèi)水位下降較快，夏墊局部地下水由南向北流；南部城市建成區(qū)反漏斗初現(xiàn)雛形，由城區(qū)向周圍補(bǔ)給，固安馬莊漏斗初現(xiàn)雛形，改變了局部地下水流向，即四周向漏斗中心匯集(圖2)。

(3)水位勻速下降期。2000年以來，地下水開采受到嚴(yán)格控制，水位下降速率有所放緩，基本呈均勻下降狀態(tài)。

近些年淺層地下水流場基本穩(wěn)定，受開采影響北部由南向北流，即由香河向三河方向流動(dòng)，主要流向三河城關(guān)、高樓兩個(gè)水位低點(diǎn)；南部城市建成區(qū)一帶反漏斗范圍有所擴(kuò)大，仍向四周排泄，在固安城關(guān)、馬莊，文安興隆宮分別形成3個(gè)水位低點(diǎn)，致使四周地下水向其匯集，形成了有咸水區(qū)補(bǔ)給全淡區(qū)的現(xiàn)象(圖2)。人類開采活動(dòng)，對地下水天然流場影響巨大，淺層水北部已由天然狀態(tài)下有北西向南東流，變?yōu)槟壳暗挠赡舷虮绷鳎荒喜坑稍瓉淼娜瓍^(qū)補(bǔ)給有咸水區(qū)，變?yōu)榱擞邢趟畢^(qū)補(bǔ)給全淡區(qū)。

圖2 1974-2015年廊坊平原區(qū)淺層地下水流場異變階段特征Fig.2 Evolution characteristic of shallow groundwater flow field grave in Langfang plain area during 1974-2015

(4)淺層地下水漏斗演變。以固安馬莊漏斗為例，該漏斗主要分布在霸州西部臨津，以及固安馬莊、永清龍虎莊一帶，曾命名為霸州武莊-臨津漏斗、霸州臨津漏斗。此漏斗形成于1983年，漏斗中心位于霸州武莊、臨津，1995年末移至固安馬莊。在水位快速下降期，該漏斗初步形成，中心水位先降后升，波動(dòng)較大，自2000年進(jìn)入水位勻速下降期后，漏斗中心平均水位穩(wěn)定在-15 m左右(圖3)。地下水降落漏斗的形成改變了局部地下水流向，影響了地下水流場的動(dòng)態(tài)變化。

圖3 地下水降落漏斗多年動(dòng)態(tài)變化曲線Fig.3 Years' dynamic change of groundwater depression cone

3.3 淺層地下水位變化強(qiáng)度分析

北部淺層地下水整體呈下降趨勢，平均下降13.58 m，下降速率0.37 m/a；由香河王劉圈村(香7)下降0.32 m，降速0.01 m/a；向北下降幅度逐漸增大，至三河孤山(三2)下降32.73 m，降速0.94 m/a。

北部淺層水位下降幅度與當(dāng)?shù)厮Y源利用情況，經(jīng)濟(jì)發(fā)展情況相符合。香河縣以利用地表水為主，經(jīng)濟(jì)欠發(fā)達(dá)，淺層地下水水位下降較緩；向北大廠、三河以利用淺層地下水為主，尤其是三河縣域經(jīng)濟(jì)較發(fā)展，淺層地下水水位下降較快。

南部全淡區(qū)淺層地下水整體下降趨勢，平均下降20.97 m，降速0.57 m/a。固安馬莊(固17-2)、西關(guān)(固2-1)下降最快，分別下降29.43、28.99 m，降速分別為0.84、0.83 m/a；知子營(固4-2)下降最緩，下降11.43 m，降速為0.33 m/a。

全淡區(qū)主要分布在固安，當(dāng)?shù)匾蚤_采淺層地下水為主，馬莊漏斗和城關(guān)范圍降幅較大，與當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)發(fā)展迅速，集中開采量較大密切相關(guān)(圖4)。

除大城南端小范圍小幅上升外，南部有咸水區(qū)淺層地下水整體呈下降趨勢，平均下降7.18 m，降速0.18 m/a。大城南端水淺層水質(zhì)較差，難以利用，水位在小范圍呈上升趨勢。有監(jiān)測資料顯示，上升井為大城里坦(大29-1)上升2.98 m，升速0.06 m/a?？拷痰纸缇€附近淺層微咸水可以利用，水位普遍下降幅度較大，其他區(qū)域水位下降較緩。最大降幅位于本站(廊31-2)下降17.77 m，降速0.43 m/a；最小降幅位于霸州楊家堡村(霸13-1)下降1.01 m，降速0.03 m/a(圖4)。

圖4 1974-2015年廊坊平原區(qū)淺層地下水水位變化強(qiáng)度Fig.4 Change intensity of shallow groundwater level in Langfang plain area during 1974-2015

4 地下水位動(dòng)態(tài)變化主要影響因素分析

眾多學(xué)者從氣候變化和人類活動(dòng)等方面，對河北平原區(qū)地下水流場發(fā)生異變的原因進(jìn)行了研究。結(jié)果表明開采量和降水量的雙重影響是導(dǎo)致地下水流場變化的主要原因。

地下水?dāng)?shù)量變化與降水量之間具有明顯相關(guān)性[3]，降水量對地下水位年際變化的影響在豐水年和枯水年時(shí)表現(xiàn)明顯[4]。而隨著地下水流場階段變化，主導(dǎo)影響因素的貢獻(xiàn)率也不同[5,6]，人類活動(dòng)對地下水的影響也在不斷變化[7,8]。

近年來研究表明，地下水開采是影響地下水水位的主要因素[9-11]。張福洋[12]等通過灰色關(guān)聯(lián)分析法計(jì)算得出，保定平原區(qū)年際、年內(nèi)地下水位變化與開采量的關(guān)聯(lián)度大于與降水量的關(guān)聯(lián)度，說明開采量是年際、年內(nèi)水位變化的主導(dǎo)因素。張光輝等研究表明[13,14]，開采量作為滹沱河流域平原區(qū)地下水流場發(fā)生異變的主導(dǎo)因素，隨降水量減增，同期地下水補(bǔ)給量與開采量呈互逆變化規(guī)律。而在開采量中，農(nóng)業(yè)灌溉是引起石家莊地區(qū)地下水位下降的主要原因[15-17]。而以地下水作為灌溉主要水源的滹滏平原，地下水位下降的幅度與區(qū)內(nèi)糧蔬播種強(qiáng)度和夏糧、蔬菜播種面積不斷增大密切相關(guān)[18]。

綜合以上研究成果，本文從降雨和開采量兩個(gè)因素出發(fā)，探討其對淺層地下水水位的影響。

4.1 大氣降水

降水是淺層地下水最直接、最主要的補(bǔ)給來源。因受溫帶大陸性季風(fēng)氣候的影響，研究區(qū)降水量年內(nèi)分配不均，汛期6-9月降水占年降水總量的85%左右。

根據(jù)1981-2015年降水量分析可知，研究區(qū)多年平均降水量為505 mm。受大陸性季風(fēng)氣候影響，降水量年際變化較大，豐水年和枯水年相差2～3倍，豐枯交替出現(xiàn)。1981-1986年為相對枯水期，年均降水量為432 mm，地下水水位連年下降，水位埋深從1981年的4.42 m增大到1986年枯水年時(shí)的8.32 m。其中，1984年較1983年埋深增大幅度最大，達(dá)到1.03 m。1987-1996年為相對豐水年，年均降水量達(dá)到613 mm，地下水水位呈上升趨勢，1995年豐水年時(shí)，地下水位較上年上升了2.73 m。1997-2007年進(jìn)入相對枯水期，年均降水量僅為420 mm，地下水位持續(xù)下降，在1997-2000年水位埋深在6.56～9.22 m，2001年埋深增大幅度最大(2.97 m)，之后平均水位埋深保持在12.35 m左右；而2008年之后降水量雖有所回升，但其年均降水量僅為540 mm處于相對平水年，地下水水位埋深呈總體下降趨勢，變化幅度較小，但平均水位埋深仍然較大(12.10 m)(圖5)。

圖5 研究區(qū)降水量與地下水位變化關(guān)系圖 Fig.5 Relationship between precipitation and groundwater level change

由此可知，在降水量充足的年份，由于開采量較少，地下水位埋深下降的趨勢緩慢，反之，降水量稀少時(shí)，開采量也隨之增加，導(dǎo)致地下水位埋深下降趨勢明顯。因此，降水量對地下水年際變化的影響在豐水年和枯水年時(shí)表現(xiàn)明顯[4]。

為進(jìn)一步分析地下水位隨降水量的變化規(guī)律，將1981-2015年降水量與多年平均降水量差值作為橫坐標(biāo)，以平均水位埋深變幅作為縱坐標(biāo)，建立兩者相關(guān)關(guān)系圖，見圖5。從圖5可以看出，降水量小于多年平均值，則水位埋深變化多為正值，水位下降；降水量越少，埋深增大越明顯，說明水位下降越明顯，隨著降水量的增大，水位下降的速率減緩，甚至出現(xiàn)回升，二者具有一定的相關(guān)關(guān)系[19]。

依據(jù)1989-2015年三14和永4-1兩個(gè)觀測井的26 a長系列觀測資料分析其動(dòng)態(tài)變化特征。

三14處于北部山前沖洪積平原水文地質(zhì)區(qū)，水文地質(zhì)條件較好。從其水位變化曲線可以看出，1989-1998年年末水位隨年降水量多寡而起伏變化，此期間水位雖起伏波動(dòng)，但從總的趨勢看可視為相對平穩(wěn)段。1999、2000年連續(xù)兩個(gè)枯水年，地下水位大幅度下降；2001年降水量增加，水位有所回升；2002年復(fù)下降；2002-2005年為水位平穩(wěn)段，2006-2010年水位緩慢下降，2011-2015年受開采影響，水位緩慢下降(圖6)。

永4-1處于南部永定河沖積平原水文地質(zhì)區(qū)，其水位變化與北部基本相似。1989-1998年水位隨年降水量大小起伏變化，峰谷迭現(xiàn)，但仍屬于水位變化相對平穩(wěn)段；1998年以后至2006年以枯水年為主，水位持續(xù)下降，為水位緩慢下降段；2007-2015年永清縣降水量較大，地下水位緩慢上升，為水位上升段(圖6)。

圖6 典型井淺層地下水水位變化與降水量關(guān)系曲線圖Fig.6 Relationship between precipitation and water level change in shallow groundwater of type-well

由此可以看出，降水量的年際性變化規(guī)律對地下水動(dòng)態(tài)規(guī)律有重要影響，在排除開采因素干擾后，水位隨降水量變化而變化[20]。

4.2 人工開采

地下水位年際變化表現(xiàn)出持續(xù)下降的態(tài)勢，與開采量持續(xù)增大密切相關(guān)。由圖7可知，1981-1990年，淺層地下水開采量較小，平均為4.17 億m3，在此期間開采量呈不斷增大的趨勢，從1981年的3.46 億m3增大到1988年的4.29 億m3，相應(yīng)地地下水位埋深從4.42 m增大到8.67 m。

而1991-2000年開采量迅速增加，除個(gè)別年份開采量較大，如1992、1993、2000年達(dá)到8.0 億m3，其他年份淺層地下水平均開采量基本保持在7.10 億m3/a，平均地下水位埋深基本保持在7.2 m左右，2000年最大為9.22 m。

2001-2015年地下水開采量有所下降，總體呈下降趨勢，地下水位下降趨勢有所緩和，但水位埋深仍然較大。2001-2006年平均開采量為6.78 億m3/a，平均水位埋深為12.31 m，2006年以后地下水開采量雖維持在平均5.83 億m3/a，但仍然處于超采狀態(tài)，平均水位埋深為12.16 m。淺層地下水開采量與地下水位埋深關(guān)系擬合曲線見圖7，隨著開采量的增加，淺層地下水水位埋深逐漸增大，增大速率由小變大，二者相關(guān)關(guān)系較為明顯。

圖7 淺層地下水開采量和地下水位變化圖Fig.7 Variation of shallow groundwater withdrawal and groundwater lever

5 結(jié) 語

(1)廊坊平原區(qū)淺層地下水年際呈明顯下降趨勢，1997年之前因降水量較少，開采量亦不大，水位埋深較淺；1997-2001年因處于相對枯水年，加之開采量的增大，水位迅速下降，埋深變大；2001年之后降水量不大，地下水仍處于超采狀態(tài)，水位緩慢下降，但埋深仍然較大。受降水和開采的雙重影響，廊坊平原區(qū)多年淺層地下水連續(xù)下降。

(2)廊坊淺層地下水流系統(tǒng)演化總體上分為3個(gè)階段。監(jiān)測起始期，淺層地下水流場近似天然狀態(tài)，地下水埋深普遍較淺；水位快速下降期，天然流場發(fā)生變化，地下水漏斗初現(xiàn)雛形；水位勻速下降期，流場基本穩(wěn)定，地下水降落漏斗中心水位相對穩(wěn)定，地下水流向及補(bǔ)給均發(fā)生改變。

(3)地下水開采和大氣降水是導(dǎo)致地下水流系統(tǒng)變化的主導(dǎo)因素。降水量對地下水位年際變化的影響在豐水年和枯水年時(shí)表現(xiàn)明顯，豐水年出現(xiàn)地下水位回升或下降幅度減緩，枯水年地下水位下降幅度明顯增大。地下水位年際變化表現(xiàn)出持續(xù)下降的態(tài)勢，與開采量持續(xù)增大密切相關(guān)。

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