天津市漢沽區(qū)深層地下水演變研究

胡海軍，宮愛璽

(河北省水利技術(shù)試驗(yàn)推廣中心，河北石家莊050061)

天津市漢沽區(qū)深層地下水演變研究

胡海軍，宮愛璽

(河北省水利技術(shù)試驗(yàn)推廣中心，河北石家莊050061)

根據(jù)天津市漢沽區(qū)地下水歷史資料，分析區(qū)域地下水開采量、水位埋深、地面沉降變化及它們之間的聯(lián)系等。發(fā)現(xiàn)漢沽區(qū)地下水處于長期超采狀態(tài)，地下水位也呈逐年下降趨勢(shì)，地面不斷下沉，地下水的過量開采是引起地面沉降和水位持續(xù)下降的主要原因。通過建立漢沽區(qū)地下水流－地面沉降模型，設(shè)定三個(gè)水平年地下水開采方案，預(yù)測(cè)未來地下水位埋深及地面沉降變化。預(yù)測(cè)表明，隨著地下水開采量的消減，地下水位逐步上升，地面下沉趨勢(shì)可得到遏制。

深層地下水;地面沉降;開采量;水位埋深

多年來，天津市漢沽區(qū)過量開采地下水，導(dǎo)致地下水位持續(xù)下降，地面沉降趨勢(shì)加?。?］。地面沉降是一種可由多種因素引起的地面標(biāo)高緩慢降低的環(huán)境地質(zhì)現(xiàn)象，嚴(yán)重時(shí)會(huì)成為一種災(zāi)害［2］。引起地面沉降的原因很多，如軟弱土層的固結(jié)沉降、構(gòu)造運(yùn)動(dòng)、地震、靜動(dòng)荷載、油氣的開采等，而過量開采地下水是地面沉降的主要原因［3］?？紤]到在外來水源能基本解決漢沽區(qū)用水增長需求的情況下，尤其是南水北調(diào)中線工程通水以后，可以考慮適當(dāng)減少對(duì)地下水的開采，蓄養(yǎng)地下水資源，補(bǔ)給地下水虧空水量，達(dá)到恢復(fù)和保護(hù)生態(tài)環(huán)境的目的。對(duì)天津市漢沽區(qū)地下水歷史資料進(jìn)行了分析研究，其中包括對(duì)漢沽區(qū)地下水開采狀況、水位埋深、地面沉降以及它們之間的關(guān)系進(jìn)行了分析研究。并且運(yùn)用MODFLOW軟件［4－5］，建立漢沽區(qū)地下水流－地面沉降模型，規(guī)劃制定出地下水開采方案，預(yù)測(cè)了未來地下水位埋深及地面沉降的變化情況。研究成果可為今后漢沽區(qū)地下水開采控制及地下水優(yōu)化管理研究提供參考。

1 地下水開采狀況、水位及地面沉降變化分析

1.1 漢沽區(qū)地下水開采狀況

根據(jù)天津市漢沽區(qū)1980—2007年的開采量資料，天津市漢沽區(qū)從1980年到2007年的開采量變化情況如圖1所示。從圖1中可以看出，開采量總體呈減少的趨勢(shì)，但這種趨勢(shì)并不很明顯，其中1983年的開采量最大，為5 493萬 m3，1991年的開采量最小，為893萬 m3，1991年到1994年這一段時(shí)間的開采量較小，年均開采量為1 307萬 m3，28年的年均開采量為3 732萬 m3。

圖1 天津市漢沽區(qū)1980—2007年開采量變化

1.2 漢沽區(qū)深層地下水水位埋深變化

根據(jù)天津市漢沽區(qū)1980—2007年第Ⅱ～Ⅴ含水層組地下水長期觀測(cè)井的水位觀測(cè)資料，漢沽區(qū)第Ⅱ～Ⅴ含水層組水位埋深變化情況如圖2～圖5所示。從圖2～圖5可以看出，在1980—2007年的28 a里，漢沽區(qū)第Ⅱ～Ⅴ含水層組水位雖然個(gè)別年略有抬升，但總體呈下降趨勢(shì)。

天津市漢沽區(qū)自1980年到2007年，深層地下水各含水組累計(jì)水位降深及水位下降速率如表1所示。各含水組的累計(jì)水位降深均在40 m以上，年均水位下降速率均在1.45 m/a以上。其中第Ⅴ含水組的水位變化最大，該組的累計(jì)水位降深達(dá)57.48 m，該含水組的年均水位下降速率達(dá)2.05 m/a。

圖2 第Ⅱ含水組水位埋深變化

圖3 第Ⅲ含水組水位埋深變化

圖4 第Ⅳ含水組水位埋深變化

表1 天津市漢沽區(qū)各含水組水位變化統(tǒng)計(jì)

1.3 漢沽區(qū)地面沉降變化

根據(jù)天津市漢沽區(qū)1985—2009年地面沉降資料，漢沽區(qū)沉降量變化情況如圖6所示。從圖6可以看出，漢沽區(qū)沉降量總體上呈明顯的波動(dòng)式遞減趨勢(shì)，在1985年到2009年的25年里，1985年的沉降量最大，達(dá)82 mm，2009年的沉降量最小，為14 mm，最大值為最小值的5.6倍，25年的平均沉降量為42.76 mm。80年代的年均沉降量為58.2 mm，90年代的年均沉降量為44.8 mm，2000年以后年均沉降量為33 mm，通過對(duì)三個(gè)年代的沉降量對(duì)比也可明顯看出，沉降量有較明顯的減少趨勢(shì)，但地面一直處于下沉的趨勢(shì)。

2 開采量與地下水埋深及地面沉降關(guān)系

2.1 漢沽區(qū)開采量與地下水埋深關(guān)系分析

根據(jù)天津市漢沽區(qū)1980—2007年的開采量變化趨勢(shì)及各含水層組水位埋深變化情況，可以看出，漢沽區(qū)開采量的波動(dòng)變化態(tài)勢(shì)與水位埋深的波動(dòng)變化態(tài)勢(shì)有一定程度的相似，即在開采量明顯增加時(shí)，水位埋深也明顯增加，相應(yīng)的地下水位下降;開采量明顯減少時(shí)，水位埋深也明顯減小，相應(yīng)的地下水位抬升。從圖1及圖2～圖5中還可以看出，從1991年到1994年，漢沽區(qū)開采量處于歷史低谷，各組水位的變化較小，水位相對(duì)于其它年份有所抬升。由此可知，漢沽區(qū)地下水位的變化與開采量的變化存在相關(guān)關(guān)系，并且地下水各含水層組水位埋深持續(xù)下降的趨勢(shì)與地下水的持續(xù)過量開采存在很大的關(guān)系。

圖6 天津市漢沽區(qū)1985—2009年沉降量變化

2.2 漢沽區(qū)開采量與地面沉降關(guān)系分析

由圖1開采量變化情況及圖6沉降量變化情況可以看出，開采量的波動(dòng)變化與沉降量的波動(dòng)變化基本一致，即在開采量變大時(shí)，沉降量也變大，開采量減少時(shí)，沉降量也減少。圖7反映了1985—2007年的累計(jì)開采量與累計(jì)沉降量的關(guān)系，從圖中可以看出，開采量與沉降量之間有顯著的正線性相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)的平方達(dá)0.96，說明長期對(duì)漢沽區(qū)地下水的過量開采是導(dǎo)致漢沽區(qū)地面持續(xù)沉降的主要原因之一。

圖7 天津市漢沽區(qū)累積開采量與累積沉降量關(guān)系

3 漢沽區(qū)地下水模型及預(yù)測(cè)

通過對(duì)天津市漢沽區(qū)地下水歷史統(tǒng)計(jì)資料的分析研究，可以看出地下水超采是引起漢沽區(qū)地面沉降和水位持續(xù)下降的主要原因，為了控制地面沉降及地下水位持續(xù)下降的趨勢(shì)，必須把各含水組的地下水開采量限制在一定的范圍內(nèi)，讓各含水組通過越流補(bǔ)給或側(cè)向補(bǔ)給使地下水處于采補(bǔ)平衡狀態(tài)。以下通過建立漢沽區(qū)地下水流－地面沉降模型，并規(guī)劃制定漢沽區(qū)地下水開采量方案，預(yù)測(cè)地下水位埋深及地面沉降在三水平年(2015、2020、2030年)的變化情況。

3.1 地下水流－地面沉降模型

對(duì)天津市漢沽區(qū)地下水位及地面沉降在三個(gè)規(guī)劃水平年的預(yù)測(cè)將采用MODFLOW軟件，建立起漢沽區(qū)地下水流－地面沉降耦合模型，模型可概化為三維、非均質(zhì)水平各向同性的非穩(wěn)定地下水流和一維垂向壓縮土體模型。

根據(jù)漢沽區(qū)的水文地質(zhì)條件，將漢沽區(qū)地下水系統(tǒng)概化為五層:第一層為潛水含水層;第二到第五層為承壓含水層，本次研究主要為第二至第五含水層。模型的識(shí)別和檢驗(yàn)采用試估－校正法。據(jù)漢沽區(qū)的歷史開采量資料，模型識(shí)別期選為1998年至2006年，模型驗(yàn)證期選為2007年至2008年，一個(gè)月為一應(yīng)力期，共計(jì)132個(gè)應(yīng)力期。經(jīng)模型擬合，地下水流場(chǎng)與實(shí)際地下水流場(chǎng)基本一致，地面沉降量與實(shí)際沉降量基本一致，平均相對(duì)誤差為2.03%，且識(shí)別出的水文地質(zhì)參數(shù)與實(shí)際水文地質(zhì)條件相符，在合理范圍內(nèi)，能反映出研究區(qū)的實(shí)際情況。

3.2 地下水壓采原則及壓采方案

根據(jù)水資源可持續(xù)開發(fā)利用原則及考慮南水北調(diào)中線工程通水后水資源調(diào)度情況，在以往嚴(yán)重超采的部分地區(qū)要壓采地下水，嚴(yán)格控制開采量?？傮w上地下水壓采要遵循“先壓采嚴(yán)重超采區(qū)后壓采一般區(qū)，先壓采深層再壓采淺層，先壓采城市地區(qū)后壓采農(nóng)村地區(qū)”的原則。

結(jié)合南水北調(diào)中線工程規(guī)劃及地下水超采區(qū)內(nèi)的社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展情況，分三個(gè)階段規(guī)劃地下水壓采方案:近期目標(biāo)定在2015年南水北調(diào)中線工程剛剛通水后，以控制地下水開采量不增加，控制發(fā)生新的超采或現(xiàn)有的超采范圍與程度擴(kuò)大，遏制生態(tài)環(huán)境惡化趨勢(shì)為主要目標(biāo);中期目標(biāo)定在2020年，即南水北調(diào)工程通水后，壓縮嚴(yán)重超采區(qū)的地下水開采，減少一般超采區(qū)地下水開采量，實(shí)現(xiàn)在一定水位條件下的采補(bǔ)平衡;遠(yuǎn)期目標(biāo)定在2030年，考慮到南水北調(diào)配套工程逐步完善和供水量的增加、節(jié)水治污水平的提高和水資源的優(yōu)化配置等，漢沽區(qū)地下水將實(shí)施全面禁采，逐步恢復(fù)生態(tài)環(huán)境健康和地下水系統(tǒng)的良性循環(huán)。

綜合以上壓采原則及地下水壓采方案，給出了三個(gè)不同時(shí)期的地下水規(guī)劃開采量，如表2所示。

表2 漢沽區(qū)地下水規(guī)劃開采方案 104m3/a

3.3 模型預(yù)測(cè)

將規(guī)劃好的地下水開采量及調(diào)整好的參數(shù)帶入模型，并以2010年為模型起始年份，保持模型邊界條件和含水層參數(shù)不變，并將應(yīng)力期延長至252個(gè)，對(duì)漢沽區(qū)未來三個(gè)規(guī)劃水平年深層地下水各含水層組的水位埋深和年平均地面沉降量進(jìn)行預(yù)測(cè)。

3.3.1 地下水位埋深預(yù)測(cè)

經(jīng)模型預(yù)測(cè)，漢沽區(qū)深層地下水各含水層組的平均水位埋深情況如表3所示。由表3數(shù)據(jù)分析可以看出南水北調(diào)中線工程通水以后，由于對(duì)三水平年地下水開采量的逐漸壓采，天津市漢沽區(qū)水位整體回升，且恢復(fù)速度較快。從近期到中期目標(biāo)，整個(gè)漢沽區(qū)平均水位上升約4～7 m;從中期到遠(yuǎn)期目標(biāo)漢沽區(qū)平均水位上升約5～14 m，水位恢復(fù)的幅度整體上要比從近期到中期的水位恢復(fù)幅度大，主要是由于開采量變化大導(dǎo)致的水位恢復(fù)幅度大，這充分說明要想水位得到快速的恢復(fù)就必須限制地下水的開采力度。

表3 漢沽區(qū)深層地下水三水平年預(yù)測(cè)水位埋深 m

3.3.2 地面沉降變化預(yù)測(cè)

經(jīng)模型預(yù)測(cè)，漢沽區(qū)三水平年地面沉降變化情況如表4所示。南水北調(diào)實(shí)施后，由于地下水開采量大幅減小，不僅水位得到了快速回升，同時(shí)也使得地面沉降得到緩解，甚至出現(xiàn)地面回彈現(xiàn)象。由表4分析得知，在近期地面還有繼續(xù)下沉的趨勢(shì)，年平均沉降量為20.74 mm;到中期及遠(yuǎn)期目標(biāo)，隨著地下水開采量的大幅度消減，地面沉降現(xiàn)象得到遏制，地面不再下沉，并且處于逐步的恢復(fù)之中?？傊?，通過對(duì)地下水開采量的分期逐步壓采，漢沽區(qū)地面沉降得到了有效的控制。

表4 漢沽區(qū)三水平年預(yù)測(cè)年平均沉降量 mm/a

4 結(jié)語

通過對(duì)天津市漢沽區(qū)地下水歷史資料的分析研究，得出漢沽區(qū)地下水處于過量開采狀態(tài)，地下水位呈逐年下降趨勢(shì)，地面不斷下沉;從開采量與地下水位關(guān)系及開采量與地面沉降關(guān)系分析中得出，地下水的過量開采是引起漢沽區(qū)地面沉降和水位持續(xù)下降的主要原因。為了控制地面沉降及地下水位持續(xù)下降的趨勢(shì)，必須把各含水組的地下水開采量限制在一定范圍內(nèi)，讓各含水組通過越流補(bǔ)給或側(cè)向補(bǔ)給使地下水處于采補(bǔ)平衡狀態(tài)。通過建立的漢沽區(qū)地下水流－地面沉降模型，并制定三個(gè)水平年地下水規(guī)劃開采方案，將開采量輸入模型，預(yù)測(cè)地下水位埋深及地面沉降變化情況。預(yù)測(cè)結(jié)果表明，隨著地下水開采量的消減，地下水位逐步抬升，地面沉降現(xiàn)象得到遏制。研究成果可為今后漢沽區(qū)地下水開采控制及地下水資源優(yōu)化管理研究提供參考依據(jù)。

［1］朱慶川，徐冬.漢沽區(qū)地面沉降及控制措施［J］.工程地質(zhì)學(xué)報(bào).2005，(S1):82 －85.

［2］薛禹群.論地下水超采與地面沉降［J］.地下水.2012，34(6):1－5.

［3］周載陽.地下水開采引起地面沉降的機(jī)理研究［J］.工程勘察.2012，40(3):22 －26.

［4］宋小軍.基于MODFLOW對(duì)天津?qū)幒涌h的地面沉降預(yù)測(cè)研究［J］.礦產(chǎn)勘查.2010，1(6):564 －568.

［5］李文運(yùn)，崔亞莉，蘇晨，等.天津市地下水流－地面沉降耦合模型［J］.吉林大學(xué)學(xué)報(bào).2012，42(3):805 －813.

Study on Deep Groundwater Evolution in Hangu District of Tianjin

HU Hai－jun，GONG Ai－xi
(HeBei Extenrion and Experiment Center for Water Technology，Shijiazhuang 050061，Hebei)

By analyzing past data of groundwater in Hangu District，Tianjing，the paper makes a study on groundwater exploitation quantity，groundwater depth，land subsidence and the relationship between the three.Results show that groundwater in the studied area has been over exploited for a long time，which makes groundwater level dropping and the land sinking constantly.To prevent the situation from worsening，the paper puts forward three groundwater exploitation schemes，which are then tested by Hangu groundwater flow －land subsidence model.Results indicate that groundwater level may recover and land subsidence may stop if groundwater exploitation quantity decrease.

Deep groundwater;land subsidence;exploitation quantity and groundwater depth

TV211.1+2

A

1004－1184(2014)02－0022－03

2013－12－27

胡海軍(1975－)，男，河北懷安人，高級(jí)工程師，主要從事水資源與水土保持。