卞玉梅 金辰 張靜 郭佳

摘? 要：在分析區(qū)域地下水超采以及由此引發(fā)環(huán)境問題的基礎(chǔ)上，以《地下水超采區(qū)評價導則》為依據(jù)，綜合分析超采區(qū)評價的指標和方法，建立下遼河平原地下水超采區(qū)評價體系。以2001—2011年為評價期，分別以水文地質(zhì)單元和縣級行政區(qū)為單元，采用開采系數(shù)法進行超采程度計算，同時，采用動態(tài)趨勢法、水位變幅法和誘變環(huán)境問題法等進行超采區(qū)綜合分析和評價。結(jié)果表明：區(qū)內(nèi)20世紀80—90年代因超采造成一定的環(huán)境惡化問題，但評價期內(nèi)有所緩解，僅沈陽市區(qū)第四系淺層孔隙水存在超采現(xiàn)象，劃定為一般超采區(qū)。結(jié)合地下水開采引起的環(huán)境問題，將濱海三角洲第四系淺層孔隙水咸水區(qū)及新近系明化鎮(zhèn)組深層承壓水全咸水區(qū)劃分為地下水禁采區(qū)。

關(guān)鍵詞：下遼河平原;地下水超采;評價方法;開采系數(shù);動態(tài)趨勢法;水位變幅法;誘變環(huán)境問題法;環(huán)境問題

中圖分類號：P641.8? ? ?文獻標識碼：A? ? ?文章編號：1007-1903（2019）03-0064-10

Evaluation and Calculation of Groundwater Over-exploitation in Lower Liaohe Plain

BIAN Yumei， JIN Chen， ZHANG Jing， GUO Jia

（Geological Environmental Monitoring Center of Liaoning Province， Shenyang 110032）

Abstract： Based on the analysis of the situation of groundwater over-exploitation and the environmental problems caused from it， and on the basis of “Guidelines for the Assessment of Groundwater Over-exploitation Zones”， the evaluation indexes and methods of groundwater over-exploitation zones are comprehensively analyzed， and the evaluation system of groundwater over-exploitation zones in the Lower Liaohe Plain is established. Taking the year 2001-2011 as the evaluation period， and taking hydrogeological unit and county-level administrative region as the unit， the degree of groundwater over-exploitation is calculated using exploitation coefficient method， and then， the over-exploitation zones are analyzed and evaluated using dynamic trend method， water level amplitude method and mutagenic environmental problem method. The result shows that although some environmental degradation problems were caused by over-exploitation in 1980s-1990s， they were alleviated in the evaluation period. Only the shallow pore water of the Quaternary System in Shenyang is over-exploited. Combined with the environmental problems caused by groundwater exploitation， the saltwater zone of pore water in shallow Quaternary System in the coastal delta and the whole saltwater zone of the deep confined water in the Minghuazhen Formation （Neogene） are divided as no-mining ones.

Keywords： Lower Liaohe Plain; groundwater over-exploitation; evaluation method; exploitation coefficient; dynamic trend method; water level amplitude method; mutagenic environmental problem method; environmental problem

1 研究背景

人類早在19世紀就已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了地下水超采及其引起的問題，但逐漸到20世紀初期才意識到其嚴重性。目前，國內(nèi)外眾多學者還在致力于研究地下水超采引發(fā)的資源枯竭、地面塌陷、海水入侵等問題（Camp et al，2010;Molina et al，2009;劉明坤等，2016;崔文君，2019）。 在我國，20世紀80年代初，原地礦部（現(xiàn)自然資源部）在全國范圍內(nèi)組織實施了地下水超采區(qū)的調(diào)查和劃分工作，90年代末到21世紀初，水利部也開展了地下水超采區(qū)劃分和復核工作（單蘭波等，2013）。各地關(guān)于超采及其帶來的一系列問題的研究大量涌現(xiàn)（崔新華等，2008;王宏等，2012;石建省等，2010）。2003年，水利部發(fā)布了《地下水超采區(qū)評價導則》（SL 286-2003）（以下簡稱“導則”），2012年底至2013年上半年，我國展開了新一輪的地下水超采區(qū)評價，并于2012年頒發(fā)了《全國地下水超采評價技術(shù)大綱》。

下遼河平原是遼寧省的工業(yè)基地，也是全省的“糧倉”。地下水是下遼河平原的主要供水水源，在支撐經(jīng)濟社會發(fā)展和保障城市供水安全等方面具有不可替代的作用（王小軍等，2010）。隨著區(qū)域工業(yè)化和城市化進程的加快，區(qū)域?qū)λY源的需求量也越來越大，對地下水的依賴性也越來越強，部分地區(qū)最終形成掠奪式開采，進而造成超采，并引發(fā)了一系列生態(tài)環(huán)境、地質(zhì)環(huán)境和地質(zhì)災害等問題（陳崇西，2001）。因此，開展區(qū)域地下水超采評價，客觀地劃定超采區(qū)范圍，對于合理開發(fā)利用地下水、逐步控制超采具有重要的指導意義。

2 地下水超采區(qū)的評價體系

（1）評價指標

從“導則”中對“地下水超采區(qū)”的定義及劃分來看，地下水超采區(qū)判定的主要依據(jù)為開采量超過可開采量、由超采造成地下水位持續(xù)下降或?qū)е颅h(huán)境問題。因此，其評價指標包含3個方面，即開采指標--開采系數(shù)，狀態(tài)指標--地下水位持續(xù)下降速率，環(huán)境指標--泉流量衰減、地面塌陷、地裂縫、水質(zhì)污染、海水入侵、咸水入侵、土地沙化和地面沉降程度等。

（2）評價方法

根據(jù)評價指標，確定地下水超采區(qū)評價方法，其主要包括開采系數(shù)法、水位變幅法和誘發(fā)環(huán)境問題法三大類。所謂開采系數(shù)法主要根據(jù)一個區(qū)域評價時期內(nèi)的地下水開采量與地下水可開采量的比值，即開采系數(shù)，來直觀地判斷區(qū)域是否發(fā)生超采（劉志忠，1998）。水位變幅法是利用開采條件下，地下水位變化與開采狀況間的直接聯(lián)系，即由于開采造成的區(qū)域地下水位持續(xù)下降情況來進行超采區(qū)評價。誘發(fā)環(huán)境問題法，則指在排除其它原因的情況下，根據(jù)地下水超采所引發(fā)的諸多環(huán)境地質(zhì)災害及生態(tài)環(huán)境惡化現(xiàn)象的程度來進行地下水超采評價（楊國強等，2012）。值得注意的是，在使用水位變幅法和誘發(fā)環(huán)境問題法來評價超采區(qū)時，首先應先分析確定其形成原因是否是由超采引起的，可采用的方法有動態(tài)趨勢法、相關(guān)分析法等。

（3）評價流程

地下水超采區(qū)評價方法較多，且各有優(yōu)缺點，應將其有機結(jié)合，對區(qū)域進行綜合評價。具體流程見圖1。

3 下遼河平原概況

（1）自然地理情況

下遼河平原位于遼寧省中部，總面積2.3萬km2。在氣候上，其地處溫帶半濕潤半干旱季風氣候區(qū)，有著雨熱同季的特點。在地形上，其是三面環(huán)山、一面開口的半封閉式?jīng)_積平原。在大地構(gòu)造上，其位于中朝準地臺的東北部，是由近南北向壓扭長期作用而形成的斷陷盆地。

（2）水文地質(zhì)條件

區(qū)域地下水資源比較豐富，是一個由補給區(qū)、徑流區(qū)到排泄區(qū)的比較完整的水文地質(zhì)單元。地下水的總徑流方向為由山前向中部平原呈放射狀流入，至中部平原，徑流方向由北東向南西，匯入遼東灣。區(qū)域主要可以分為柳繞平原、東部山前傾斜平原、西部山前傾斜平原、中部沖積平原和濱海咸水區(qū)五大水文地質(zhì)單元（圖2）。

區(qū)內(nèi)可劃分4種主要含水類型，即第四系松散巖類孔隙水、碎屑巖類孔隙裂隙水、碳酸鹽巖類裂隙巖溶水及基巖裂隙水。其中，第四系松散巖類孔隙水遍布全區(qū)，含水層厚大、分布穩(wěn)定、水量豐富、開采方便，為區(qū)域內(nèi)最主要的地下水類別。碎屑巖類孔隙裂隙水主要分布于北東向、北北東向中生代構(gòu)造盆地或單斜構(gòu)造中，在濱海三角洲地區(qū)為主要供水水源，分為明化鎮(zhèn)組和館陶組兩個含水巖組，其補給條件不好，徑流滯緩，循環(huán)周期長。碳酸鹽巖類裂隙巖溶水主要賦存在寒武系和奧陶系的灰?guī)r之中，含水層呈北東南西的條狀分布于工作區(qū)的東部?；鶐r裂隙水除在鞍山和海城南部呈大面積分布外，其余均沿平原周邊零星分布。

4 下遼河平原超采區(qū)評價

4.1 超采區(qū)評價初選指標

本次超采區(qū)評價，超采區(qū)分類、分級等各項標準均參照“導則”。即，根據(jù)地下水超采區(qū)面積的大小，將地下水超采區(qū)劃分為特大型、大型、中型和小型4種（表1）;根據(jù)地下水超采區(qū)在開發(fā)利用時期的年均地下水水位持續(xù)下降速率、年均地下水超采區(qū)系數(shù)以及環(huán)境地質(zhì)災害或生態(tài)環(huán)境惡化的程度，將各級地下水超采區(qū)劃分成一般超采區(qū)和嚴重超采區(qū)兩種，必要時劃分禁采區(qū)（表2）。

超采區(qū)評價劃定的時段為2001-2011年，共11年。所選擇時段包括了豐、平、枯年份，時段的平均降水量與多年平均降水量基本一致，且滿足“導則”中不少于10年的規(guī)定。

綜合分析以往勘查、監(jiān)測資料及研究成果，下遼河平原區(qū)內(nèi)沒有因地下水開采造成的地面沉降、地面塌陷、地裂縫及土地沙化現(xiàn)象，也沒有需要保護的名泉等，因此初步選定了超采區(qū)評價指標為：開采系數(shù)、水位持續(xù)下降速率、海水入侵、咸水入侵、水質(zhì)污染程度。

4.2 評價指標與地下水開采的相關(guān)性分析

主要采用動態(tài)趨勢法對區(qū)域初步選定的狀態(tài)指標和環(huán)境指標與地下水開采的相關(guān)性進行分析。

4.2.1 水位下降

對區(qū)域地下水水位動態(tài)特征進行分析可知，評價時間段內(nèi)，沈陽市區(qū)開采區(qū)第四系孔隙水和盤錦市新近系館陶組深層承壓水水位有持續(xù)下降現(xiàn)象。

沈陽市地下水開采量自2001-2006年呈增長趨勢，自2006年起，呈波動下降趨勢，但整體來說，開采量有所增長。而區(qū)內(nèi)開采水源地觀測井水位與開采量變化趨勢較為一致，這說明開采區(qū)內(nèi)地下水位的下降與開采量緊密相關(guān)（圖3）。

盤錦市主要開采明化鎮(zhèn)組和館陶組地下水，而近年來，明化鎮(zhèn)組開采量有所減少，館陶組則有所增加。區(qū)域館陶組地下水位完全受開采的影響，部分地區(qū)有持續(xù)降低趨勢（圖4）。

4.2.2 水質(zhì)污染

于2011年豐水期，選取137個水質(zhì)監(jiān)測點進行水樣采集和分析。其中，淺層孔隙水監(jiān)測點122個，深層孔隙水監(jiān)測點6個，明化鎮(zhèn)組孔隙裂隙水監(jiān)測點4個，館陶組孔隙裂隙水監(jiān)測點5個。與收集的歷年資料進行對比分析，結(jié)果表明：淺層孔隙水水質(zhì)有惡化的現(xiàn)象，主要集中在東部山前傾斜平原前緣、太子河沖積扇北部一帶及柳河平原阜新市彰武縣一帶，其它地區(qū)相對穩(wěn)定。深層地下水及新近系地下水水質(zhì)均較穩(wěn)定。淺層孔隙水主要組分統(tǒng)計見表3，水質(zhì)惡化區(qū)典型監(jiān)測點主要離子歷時曲線見圖5和圖6。

由表中可以看出，2011年淺層孔隙水中常量組分中大多數(shù)離子平均含量及超標率增大，尤其以總硬度、SO4、NO3、NO2、NH4最為明顯。而水質(zhì)惡化區(qū)域均非地下水集中開采區(qū)。分析惡化原因，主要是由于農(nóng)業(yè)施肥、工業(yè)廢水、生活污水等排放對淺層地下水的大量下滲補給造成的，地下水的開采雖起到一定加速遷移的作用，但不是主要因素。

4.2.3 海水入侵

下遼河平原南部緊鄰遼東灣，部分地段已出現(xiàn)了海水入侵情況，主要分布于凌海市娘娘宮-北二溝-義合屯-喜鵲溝一線以南，向內(nèi)陸入侵5～15km，入侵面積約335km2。評價期內(nèi)，海水入侵區(qū)地下水開采量呈減少趨勢，其水源地觀測井水位呈上升趨勢（圖7）。海水入侵情勢基本處于平衡狀態(tài)。

4.2.4 咸水入侵

下遼河平原咸水入侵情況主要發(fā)生于南部濱海平原，包括第四系咸水入侵和新近系明化鎮(zhèn)組咸水入侵。

第四系咸水區(qū)分布范圍廣，總面積達3255.25km2。咸淡水界線位于山前沖積平原和濱海平原交界地帶（遼寧地勘局第一水文地質(zhì)工程地質(zhì)大隊，1997）。目前，咸淡水界線普遍比20世紀60年代向淡水區(qū)擴張0.5～2.0km。評價期內(nèi)，盤錦市已關(guān)閉全咸水區(qū)第四系孔隙水開采井，僅盤錦西部、北部和東北部等部分地區(qū)仍在開采第四系地下淡水。明化鎮(zhèn)組咸水主要分布在盤錦市中部，總面積約1697.54km2，由南向北呈舌狀分布。明化鎮(zhèn)組地下咸水是在陸相沉積環(huán)境下，湖水蒸發(fā)濃縮形成的咸水湖隨著沉積作用被封存下來的結(jié)果。區(qū)內(nèi)咸水未開發(fā)利用，但由于其周圍的盤東、盤山、歡喜嶺、熱合臺等明化鎮(zhèn)組淡水水源開采，部分地段曾出現(xiàn)咸淡水界面內(nèi)移現(xiàn)象。評價期內(nèi)，其地下水位有抬升趨勢，咸水入侵趨勢較穩(wěn)定。

綜上所述，下遼河平原區(qū)與地下水開采有關(guān)的評價指標主要有開采系數(shù)、水位持續(xù)下降速率、海水入侵和咸水入侵。

4.3 開采系數(shù)法分析

采用地下水超采系數(shù)法進行超采區(qū)評價，地下水可開采量和實際開采量的確定最為重要。地下水超采區(qū)評價單元應盡量與水文地質(zhì)單元相一致，但實際工作中收集的各項開采資料往往根據(jù)行政區(qū)劃分，為保證結(jié)果的可靠性，這里分別對各水文地質(zhì)單元和縣級行政區(qū)進行超采區(qū)評價。

地下水可開采量的計算方法比較多（王家兵等，2010;王金生等，2006;劉佩貴等，2008;鹿海員等，2013），本次采用可開采系數(shù)法計算。而實際開采量則根據(jù)收集到的各市集中供水水源地開采資料、各縣區(qū)歷年開采比例、工農(nóng)業(yè)發(fā)展情況及人口比例等資料，結(jié)合實地調(diào)查統(tǒng)計資料，分別計算。

各水文地質(zhì)單元和縣級行政區(qū)超采評價結(jié)果見表4、5。

由表3、表4中可以看到，按各水文地質(zhì)單元進行評價，其均未超采，但渾河沖積扇、太子河沖積扇、海城河沖積扇、大小凌河沖積扇等地區(qū)開采程度較高。按各縣級行政單元進行評價，僅沈陽市市區(qū)超采，但沈陽市于洪區(qū)、蘇家屯區(qū)、沈北新區(qū)和東陵區(qū)的開采程度較高。雖然評價區(qū)域劃分不同，但其評價結(jié)果較一致。

4.4 水位變幅法分析

選取典型監(jiān)測點，利用其2001-2011年11年的地下水位監(jiān)測資料，進行地下水位持續(xù)下降速率的計算，計算結(jié)果見表6。

由表6可知，沈陽市區(qū)開采區(qū)地下水水位下降速率為0.005～0.54m/a，為一般超采區(qū)，與開采系數(shù)法評價結(jié)果相同。而館陶組地下水開采是以疏干彈性貯存量為主的消耗性開采，其為全淡水，埋藏在500～600m以下，開采基本不會產(chǎn)生環(huán)境水文地質(zhì)問題。按照開采50年、地下水壓力水頭標高在-100m的條件對其進行資源評價，地下水開采資源為43.56億m3，年平均允許開采量為0.87億m3。目前，其地下水已開采近40年，地下水水位下降不足70m，沒有達到預計下降深度，雖然館陶組地下水位持續(xù)下降，速率最高達1.84m/a，但在現(xiàn)狀開采條件下，未來10年地下水壓力水頭標高最多降至-88.84m，并未達到壓力水頭下降100m的限值，因此結(jié)合實際開采條件和開采系數(shù)計算成果，館陶組地下水仍不構(gòu)成超采。

4.5 誘發(fā)環(huán)境問題法分析

根據(jù)分析，區(qū)內(nèi)由于地下水開采引起的生態(tài)環(huán)境惡化現(xiàn)象主要為海水入侵和咸水入侵，且多為20世紀70年代至90年代地下水開采量大、開采布局不合理而造成，進入21世紀后，隨著地下水開采方案的調(diào)整，區(qū)域地下水位有升高趨勢，海水入侵和咸水入侵也已趨于穩(wěn)定。結(jié)合地下水開采系數(shù)法和水位降幅法評價結(jié)果，區(qū)域2001-2011年期間，不存在大范圍超采地下水誘發(fā)環(huán)境問題現(xiàn)象。

但由于超采所造成的海水入侵和咸水入侵問題是嚴重的生態(tài)環(huán)境惡化現(xiàn)象，不易恢復。且受濱海三角洲原生環(huán)境條件影響，區(qū)域咸水面積大，礦化度和氯離子濃度高，咸水已不宜飲用。因此，雖然海水入侵區(qū)和咸水區(qū)在評價期內(nèi)不超采，這里仍將濱海三角洲地區(qū)地下水氯離子含量大于1000mg/L和地下水礦化度大于3000mg/L的地區(qū)劃分成地下水禁采區(qū)。

4.6 綜合評價結(jié)果

綜合以上各種方法的評價結(jié)果，依據(jù)超采判據(jù)及分類標準，劃分區(qū)域超采區(qū)，結(jié)果見圖8、表7。

5 結(jié)論和建議

（1）依據(jù)“導則”，分析了研究區(qū)地下水超采區(qū)評價的指標，針對下遼河平原地區(qū)進行了地下水超采評價，結(jié)果表明，下遼河平原雖然歷史上曾經(jīng)超采嚴重，對環(huán)境造成了一定影響，但近年來有所改善。評價期內(nèi)僅沈陽市市區(qū)存在淺層孔隙水一般超采現(xiàn)象，超采區(qū)面積187.53km2。同時，考慮到海（咸）水入侵問題的嚴重性和破壞性，在濱海三角洲咸水區(qū)劃分了地下水禁采區(qū)，其中，錦州市娘娘宮、閻家-盤錦市石新、高升-營口市大石橋一帶淺層孔隙水禁采區(qū)面積為4930.89km2，盤錦市田莊臺-清水一帶明化鎮(zhèn)全咸水禁采區(qū)面積達960.04 km2。

（2）遼寧省已啟動了“全省封閉地下水取水工程總體方案”，將陸續(xù)封存（轉(zhuǎn)為備用供水水源）區(qū)域有關(guān)地下水取水工程，封存之后減少地下水開采勢必使得部分地區(qū)地下水水位回升，緩解局部地下水超采引起的環(huán)境問題，但地下水位上升又會引起新的一系列的環(huán)境和地質(zhì)效應，應盡早考慮防范措施，以免發(fā)生不可挽回的事故。

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