太原市地下水動態(tài)變化特征分析

單利軍

(山西省地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測中心,太原 030024)

太原市是北方嚴重缺水城市之一,人均水資源量為173 m3,僅占全國人均量的8.4%,不足全省人均量的 50%,水資源的匱乏已明顯制約了當?shù)亟?jīng)濟的發(fā)展。地下水是太原市的重要供水水源,在生活和生產(chǎn)中發(fā)揮著重要作用。多年來為滿足經(jīng)濟發(fā)展的需求,地下水資源長期處于超采狀態(tài),太原市已形成多處地下水降落漏斗。隨著地下水位大幅度持續(xù)下降,區(qū)域性降落漏斗逐年擴大與加深,部分地段含水層已處于疏干、半疏干狀態(tài),同時引發(fā)地下水質(zhì)惡化、泉水斷流、地面沉降等一系列環(huán)境地質(zhì)問題的發(fā)生[1-3]。通過研究地下水的動態(tài)演化過程,分析地下水動態(tài)變化特征及其規(guī)律,可以為地下水合理開采、防災減災提供科學依據(jù),具有重要的理論與實際意義[4-5]。

在地下水不合理開采條件下分析地下水動態(tài)演變特征及其影響因素已成為水文地質(zhì)研究領(lǐng)域中的一個重要方向[6]。目前采用的研究方法主要是對地下水水位及水質(zhì)的數(shù)據(jù)進行對比、水化學及同位素分析、數(shù)值模擬及數(shù)學統(tǒng)計方法等,研究成果可以為區(qū)域地下水環(huán)境的保護與治理工作提供科學指導[7-8]。針對太原市地下水開采現(xiàn)狀及地下水動態(tài)特征,一些學者已經(jīng)開展過相關(guān)的研究[9-12]。本文主要在前期研究工作的基礎(chǔ)上,選擇太原市為研究區(qū),通過系統(tǒng)分析全區(qū)地下水位與水化學資料并與前期歷史數(shù)據(jù)進行對比,確定太原市地下水的動態(tài)演化特征及主要影響因素。

1 研究區(qū)概況

太原市地處晉中斷陷盆地北端,其中北、東、西三面環(huán)山,東部屬太行山系,西部為呂梁山系,北部為棋子山。中間系汾河沖積物和東西山洪積物構(gòu)成的斷陷盆地,盆地地形開闊平坦。研究區(qū)包括太原市六城區(qū)(即尖草坪區(qū)、杏花嶺區(qū)、萬柏林區(qū)、迎澤區(qū)、晉源區(qū)和小店區(qū))。地形總體上北高南低,東西兩側(cè)高中間低,山區(qū)向盆地階梯下降。西山與盆地間地形突變,兩者直接相接,邊山洪積扇呈裙狀起伏,扇小而坡度大。東山向盆地緩慢變化,有寬窄不等的黃土丘陵和臺塬。中間為汾河沖積平原區(qū)與邊山大川入侵的洪積扇,構(gòu)成寬闊平緩的沖積傾斜平原區(qū)。

研究區(qū)屬溫帶半干旱大陸性氣候,多年平均降水量為430.9 mm,最大年降水量652 mm(1996年)。降水量的區(qū)域分布規(guī)律是北部山區(qū)多于南部平川,而且年際間差異較大,年內(nèi)降水量70%以上集中于6月到9月,多年年均蒸發(fā)量為1 187.4 mm。區(qū)內(nèi)地表河流均屬黃河流域,汾河為縱貫全區(qū)的最大干流,多年平均流速為9.93 m3/s。自20世紀60年代中期以來,汾河流量總體趨勢逐年減少,對太原市地下水的補給產(chǎn)生較大影響。蘭村泉和晉祠泉是區(qū)內(nèi)兩個流量最大的巖溶泉。但由于地下水長期處于超采狀態(tài),蘭村泉已于1988年干涸,而晉祠泉也于1994年出現(xiàn)斷流。

根據(jù)含水介質(zhì)的特點和地下水的賦存條件、水力特征、埋藏條件及水位埋深等,研究區(qū)內(nèi)地下水可劃分為松散巖類孔隙水、碎屑巖類裂隙水、碎屑巖夾碳酸巖類巖溶裂隙水和碳酸鹽巖類裂隙巖溶水四種基本類型。本次研究工作主要針對松散巖類孔隙水和碳酸鹽巖類裂隙巖溶水兩大類進行研究。

1.1 松散巖類孔隙水

松散層孔隙水主要夾持于東、西山巖溶水系統(tǒng)之間,其主要含水層為第四系全新統(tǒng)和更新統(tǒng)的沖洪積層和河湖相地層。根據(jù)巖性、賦存特征及補徑排條件可劃分三個主要含水層巖組:全新統(tǒng)和上更新統(tǒng)為第一含水巖組(又稱淺層水，一般埋深小于50 m);中更新統(tǒng)為第二含水組;下更新統(tǒng)為第三含水組。淺層水分為潛水、微承壓水,將第二、三含水組視為承壓水(又稱中深層水)。

1.2 碳酸鹽巖類裂隙巖溶水

該含水組大面積分布于太原東山、西山及北山,或埋藏于太原市盆地區(qū)深部。含水層主要為奧陶系中統(tǒng)上、下馬家溝組石灰?guī)r,奧陶系下統(tǒng)及寒武系的白云巖、泥質(zhì)白云巖及白云質(zhì)灰?guī)r,富水性較差,灰?guī)r巖溶發(fā)育程度受巖性、構(gòu)造、補給與排泄條件的控制而極不均一。奧陶系中統(tǒng)巖溶尤為發(fā)育,是太原東西山地區(qū)巖溶水的主要含水層,出露有上蘭泉、晉祠泉兩個大型的巖溶泉。

2 地下水水位動態(tài)特征

地下水水位動態(tài)受降水量、蒸發(fā)量、地表河流補給等自然環(huán)境和人為因素如井泉開采量、灌溉回滲量的綜合影響,并隨時間的推移和自然條件的改變而發(fā)生變化。

2.1 淺層孔隙水水位動態(tài)特征

淺層水水位動態(tài)主要受大氣降水、人工開采、側(cè)向徑流等多個因素的影響,總體表現(xiàn)為水位隨季節(jié)及氣象呈周期性變化。一般每年的3、4月份,由于降水量較少而農(nóng)田灌溉需水量增加,致使水位迅速下降一直持續(xù)到6、7月份。7月降水量明顯增加,相對地下水開采量有所減少,水位出現(xiàn)回升。由于降水入滲的滯后補給及側(cè)向徑流的補給作用,使地下水位高水位期一直持續(xù)到次年的1、2月份?？傮w上研究區(qū)的淺層孔隙水動態(tài)類型可概括為以下幾種類型。

1)氣象徑流型主要分布于太原市西部和西北部的黃土丘陵區(qū)、沖洪積扇及洪積傾斜平原上部地帶,水位埋深10 m～30 m,不直接受降雨影響,其主要補給來源為山區(qū)地下水徑流。地下水位升降變化受上半年降水量大小的影響,通常水位變化幅度小,水位曲線平緩。觀測孔最高水位出現(xiàn)在12月至次年3月,最低水位出現(xiàn)在7月到9月。

2)氣象灌溉型主要分布于傾斜平原下部,水位動態(tài)受季節(jié)性灌溉控制,降雨補給為次要因素,其特征是年內(nèi)水位呈緩慢上升趨勢,上升幅度不等?？傮w上高水位出現(xiàn)在8月到10月,低水位在3月到4月,年內(nèi)變化幅度為0.2 m～1.0 m,年際水位變化呈緩慢上升趨勢。

3)開采徑流型主要分布于黃土丘陵和洪積扇區(qū)。該區(qū)淺層水開采量較小,但存在淺層水向下滲漏補給深層水,導致淺層水水位下降。隨著深層水降落漏斗的擴大與加深,使淺層水下滲越流補給速度加劇,以致于淺層水水位大幅度下降,淺層含水層大面積被疏干,淺井大量報廢。

4)開采氣象型主要分布于距汾河2 km以外的廣大傾斜平原區(qū),水位埋深一般在2 m～15 m,地下水位動態(tài)主要受開采量與降水量控制,用水季節(jié)開采量增大,水位下降。雨季過后,水位回升,最高水位與降雨季節(jié)相吻合。

5)開采水文型主要分布于汾河沖積平原區(qū),水位埋深一般小于5 m,水位動態(tài)主要受降水、汾河流量、春灌解凍和開采的影響,一般每年出現(xiàn)2次水位高峰,12月至次年1月水位最低?？傮w上地下水水位動態(tài)較為穩(wěn)定,每年呈有規(guī)律的波狀周期變化,年水位變幅較小。

2.2 深層孔隙水水位動態(tài)特征

深層水含水層巖性主要為第四系中、下更新統(tǒng)洪積、沖積、沖湖積砂卵石、砂層等,含水層底板埋深7 m～350 m。深層水水位動態(tài)主要受側(cè)向徑流、淺層水向下越流補給和人工開采的綜合制約,水位變化不直接受降水和蒸發(fā)的影響。按其動態(tài)特征可劃分為開采下降型和開采徑流型兩種類型。

1)開采下降型主要分布于沖積平原區(qū)和傾斜平原中下部大部分地區(qū),水位動態(tài)受開采量大小的控制,自然因素對地下水水位作用微弱。4月份以后由于地下水開采量迅速增大,地下水水位出現(xiàn)明顯的下降趨勢,至7月降至水位最低點。進入雨季之后由于降水量的增多,開采量的減少,水位出現(xiàn)回升。

2)開采徑流型主要分布于東、西山傾斜平原中部,水位動態(tài)主要受地下徑流和人類開采雙重影響。水位一般滯后雨季一個月左右開始上升,反映了地下水運動以水平徑流為主。

2.3 巖溶水水位動態(tài)特征

研究區(qū)巖溶水主要分布于西山和東山兩大區(qū)域,主要開采的是奧陶系馬家溝組的巖溶水。據(jù)多年監(jiān)測結(jié)果可按其動態(tài)特征劃分為開采下降型和開采徑流型兩種類型。

1)開采下降型主要分布于棗溝、蘭村水源及三給地壘的巖溶水集中開采區(qū),地下水動態(tài)主要受巖溶水開采量大小的影響。

2)徑流開采型主要分布在水源地邊緣地段或兩水源地交接地段,受巖溶水開采量和地下徑流的雙重影響,動態(tài)曲線呈波狀起伏,有升有降。

2.4 影響地下水水位動態(tài)主要因素分析

研究區(qū)地下水水位動態(tài)在天然狀態(tài)下受大氣降水和蒸發(fā)控制,但在開采條件下,則同時受自然與人為因素的影響?？傮w上，地下水水位動態(tài)主要受開采和降水兩個主要因素的影響:在雨季降水量多而開采量小,地下水位往往呈現(xiàn)回升趨勢;枯水期降水量明顯減少,而開采量大,地下水位又出現(xiàn)下降趨勢;在部分地區(qū)由于集中過量開采地下水,已形成明顯的降落漏斗。

降水量是地下水的主要補給來源,降水量的大小直接或間接影響地下水水位的升降變化,其中尤以淺層水影響最為明顯。區(qū)內(nèi)年內(nèi)降水主要集中于每年的6月到8月,一般年份從5月開始降水逐漸增多,到7月出現(xiàn)降水高峰,之后降水逐漸減少。因此淺層水水位從6月開始水位升高,到8月出現(xiàn)最高水位,之后水位逐漸降低。在降水量偏少的月份,其地下水水位也偏低,水位動態(tài)與降水動態(tài)極其相似。這充分顯示了降水對地下水水位動態(tài)的影響特征。

地下水開采是地下水的主要消耗途徑之一,開采量的大小直接影響地下水水位的升降變化。據(jù)資料統(tǒng)計,近幾十年來,降水量整體偏少,而80年代以來太原市地下水開采量呈遞增趨勢,過量抽取地下水使地下水資源得不到有效的補給和恢復,從而造成區(qū)域地下水水位總體呈下降趨勢。

2003年來以來,黃河水引入太原,地表水替代地下水。太原市采取了關(guān)停自備井、禁采地下水和循環(huán)利用等“關(guān)井壓采”措施,減少了地下水開采量,累計關(guān)閉自備井396眼,壓縮地下水開采量35.3萬m3/d。地下水水位下降的趨勢得到遏制,開始平穩(wěn)回升。2008年2011年,太原市松散巖類孔隙承壓水水位每年平均上升約1 m,汾河兩岸回升明顯,年平均上升3 m～4 m,最高回升16.17 m。2014年以后年際變化較小,承壓水水位基本穩(wěn)定。

3 地下水水質(zhì)動態(tài)特征

近年來,由于地下水的開采深度不斷增加,本次淺層水的水質(zhì)分析主要針對西張—太鋼水源地和幾個重點污染地段,而對深層水和巖溶水的分析主要從水源地角度進行分析。

3.1 淺層水水質(zhì)動態(tài)

淺層地下水監(jiān)測點的主要離子含量統(tǒng)計結(jié)果如表1所示。

表1淺層地下水監(jiān)測點主要離子含量統(tǒng)計

Table 1Major ions concentration of groundwater in the shallow aquifers(mg·L-1)

項目監(jiān)測點位西張—太鋼水源地北堰武家莊小站1983年2011年1982年2011年1984年2011年1982年2011年 TDS3305706309503 3503 3608002 620 K++Na+62.878.394.972.5301.552731.4186.9 Ca2+65.574.1156.3176452.9396136.8504 Mg2+37.335.966.976.6262.619264.8102 Cl36.9142149.8359384.690917.776.2 SO42-132.1127302.61391 582.51 0813771 590 HCO3318.5223349.3247736.5500353.9323

3.1.1西張—太鋼水源地

西張—太鋼水源地水化學類型由1983年HCO3·SO4—Ca·Mg·Na型水轉(zhuǎn)變?yōu)?011年Cl·HCO3·SO4—Ca·Na·Mg型水,礦化度也由0.33 g/L增加到0.57 g/L。主要離子含量中變化較大的為：Cl增加了105.1 mg/L,HCO3減少了95.5 mg/L。1983年到2011年該水源地一直為Ⅲ類水,但水質(zhì)總體呈下降趨勢。

3.1.2重點污染地段

1)北堰監(jiān)測點。位于太原化工區(qū),1982年水化學類型為SO4·HCO3—Ca·Mg型,礦化度0.63 g/L,2011年地下水類型為Cl—Ca·Mg型,礦化度0.95 g/L。從表1中可以看出,主要離子含量中變化較大的Cl增加了209.2 mg/L,SO42-減少了163.6 mg/L,HCO3減少了102.3 mg/L。1982年到2011年地下水始終為Ⅴ類水,多次檢出酚超標,地下水持續(xù)受到污染。

2)武家莊監(jiān)測點。位于晉陽湖北部,地下水由1984年SO4—Ca·Mg型水,礦化度3.35 g/L,轉(zhuǎn)變?yōu)?011年Cl·SO4—Ca·Na·Mg型水,礦化度3.36 g/L。從表1中可以看出,1984年有溶解總固體、SO42-、Cl、Na+四項超標,至2011年總硬度、溶解總固體、SO42-、Cl、Na+五項超標,水質(zhì)呈持續(xù)惡化。綜合評價該范圍淺層水為Ⅴ類極差水,地下水屬重度污染。

3)小站監(jiān)測點。位于晉陽湖南部,水化學類型由1982年SO4·HCO3—Ca·Mg型水,礦化度0.8 g/L,轉(zhuǎn)變?yōu)?011年SO4—Ca型水,礦化度2.62 g/L。從表1中可以看出,1982年SO42-含量377 mg/L,為Ⅴ類水,至2011年SO42-、總硬度、溶解總固體三項超標,SO42-含量增加1 213 mg/L,水質(zhì)持續(xù)惡化,屬重度污染，綜合評價為Ⅴ類水。

3.2 深層水水質(zhì)動態(tài)

深層地下水監(jiān)測點的主要離子含量統(tǒng)計結(jié)果如表2所示。

表2深層地下水監(jiān)測點主要離子含量統(tǒng)計

Table 2Major ions concentration of groundwater in the deep aquifers(mg·L-1)

項目監(jiān)測點位西張—太鋼水源地西山地區(qū)南屯化工水源地北營地區(qū)1983年2011年1983年2011年1982年2011年1982年2011年 TDS190380600810420420530520 K++Na+14.322.53934.365.851.1115.6105.7 Ca2+69.579.2125.318767.161.151.153.3 Mg2+25.531.638.343.221.324.928.929.2 Cl9.929.426.686.926.662.472.765.9 SO42-26.460211.132960124117.7106 HCO3314.3320323.4262360195289.9325

3.2.1西張—太鋼水源地

西張—太鋼水源地,1983年水化學類型為HCO3—Ca·Mg型水,礦化度0.19 g/L,2011年水化學類型為HCO3—Ca·Mg型水,礦化度0.38 g/L。主要離子含量均有所增加,其中SO42-含量增加33.6 mg/L,Cl含量增加19.5 mg/L。地下水由1983年的Ⅱ類水下降為2011年的Ⅲ類水,水源地水質(zhì)受到污染。

3.2.2西山地區(qū)

西山地區(qū)水化學類型由1983年的HCO3·SO4—Ca·Mg型水,礦化度0.60 g/L,轉(zhuǎn)變?yōu)?011年的SO4·HCO3—Ca型水,礦化度0.81 g/L,Ca2+、SO42-含量有較大增加。從表2中可以看出,1983年各項指標均不超標,2011年超標項目主要為總硬度、SO42-,水質(zhì)變差,綜合評價為Ⅴ類水,作為飲用水源時,應先作處理。

3.2.3南屯化工水源地

南屯化工水源地水化學類型由1982年的HCO3—Ca·Na型水,礦化度0.42 g/L,轉(zhuǎn)變2011年的HCO3·SO4—Ca·Na·Mg型水,礦化度0.42 g/L。從表2中可以看出,1982年到2011年,SO42-含量增加了64 mg/L,Cl含量增加了35.8 mg/L,其余項目離子含量變化不大?？傮w上地下水水質(zhì)呈下降趨勢,單各項指標均未超標。

3.2.4北營地區(qū)

北營地區(qū)水化學類型由1982年的HCO3—Na·Ca型水,礦化度0.53 g/L,轉(zhuǎn)變?yōu)?011年的HCO3—Na·Ca型水,礦化度0.52 g/L。從表2中可以看出,1982年到2011年間,各離子含量變化不大,水質(zhì)動態(tài)基本穩(wěn)定。但是該區(qū)范圍內(nèi)的地下水中氟化物含量較高,1982年F含量1.6 mg/L,2011年F含量1.13 mg/L,為F單項超標地下水,水質(zhì)評價為Ⅳ類。

3.3 巖溶水水質(zhì)動態(tài)

巖溶地下水監(jiān)測點的主要離子含量統(tǒng)計結(jié)果如表3所示。

表3巖溶地下水監(jiān)測點主要離子含量統(tǒng)計

Table 3Major ions concentration of groundwater inthe karst groundwater monitoring stations(mg·L-1)

項目監(jiān)測點位上蘭水源地棗溝水源地晉祠泉1982年2011年1992年2011年1982年2011年 TDS270350180200840930 K++Na+1327.310.9211.820.526.8 Ca2+62.165.180.234.1117.7190Mg2+19.524.910.921.335.352.9 Cl829.47.110.316.822.7 SO42-28.877.83723.1253.9531 HCO3268.5244276193233.4214

3.3.1上蘭水源地

上蘭水源地水化學類型為HCO3—Ca·Mg型水,1982年礦化度0.27 g/L,2011年礦化度0.35 g/L,為Ⅲ類水。從表3中可以看出,1982年到2011年,SO42-含量增加了49 mg/L,增長了170%,Cl含量增加了21.4 mg/L,增長了268%,2011年檢出NO2(0.107 mg/L),且總硬度、溶解總固體均有較大幅度增加,地下水受到污染,水質(zhì)呈下降趨勢。

3.3.2棗溝水源地

棗溝水源地水化學類型由1992年HCO3—Ca型水,礦化度0.18g/L,轉(zhuǎn)變?yōu)?011年HCO3—Mg·Ca型水,礦化度0.2 g/L。從表3中可以看出,總體上主要離子含量中Ca2+、Mg2+、Cl、SO42-有較大變化幅度,Ca2+減少58%、Mg2+增加95%、Cl增加45%、SO42-減少38%。但總體上離子含量絕對數(shù)量水平仍然較低,水質(zhì)優(yōu)良,為Ⅱ類水。

3.3.3晉祠泉

晉祠泉現(xiàn)為人工回灌水,水化學類型由1982年SO4·HCO3—Ca·Mg型水,礦化度0.84 g/L,轉(zhuǎn)變?yōu)?011年SO4—Ca·Mg型水,礦化度0.93 g/L。從表3中可以看出,1982年到2011年除HCO3減少19.4 mg/L外,其余均有所增加,1982年SO42-、F含量超標,為Ⅳ類水。2011年,SO42-、NO2、總硬度和溶解總固體四項指標超標,為Ⅴ類水,水質(zhì)有進一步惡化趨勢。

4 結(jié)論

1)從淺層水地下水水位動態(tài)上看,洪積傾斜平原和沖積傾斜平原區(qū)水位動態(tài)主要受大氣降水的影響,個別地段由于受深層地下水開采的影響,對深層地下水有越流補給作用。從水質(zhì)特征上看,淺層水西張—太鋼水源地水質(zhì)為Ⅲ類,水質(zhì)較好。重點污染地段水質(zhì)均為Ⅴ類,污染嚴重，水質(zhì)整體呈下降趨勢，因此保護和合理利用淺層地下水資源問題仍然十分嚴峻。

2)從深層地下水水位動態(tài)特征上分析,深層水的動態(tài)類型受開采和地下徑流雙重影響,動態(tài)曲線呈波狀起伏,開采量大時,水位下降,反之,水位回升。從水質(zhì)上分析,深層水西張—太鋼水源地水質(zhì)較好,化工水源地次之,西山最差。通過近三十年深層地下水水質(zhì)動態(tài)特征監(jiān)測,深層地下水水質(zhì)總體呈下降趨勢,應繼續(xù)加強深層地下水的保護工作。

3)從巖溶水水位動態(tài)特征上分析,受開采和地下徑流雙重影響,巖溶水水位動態(tài)曲線呈波狀起伏,總體呈下降趨勢。從水質(zhì)上看，因其埋藏較深、不易受地表水及人類活動影響整體上水質(zhì)較好。但由于近年來人類活動的加劇,水質(zhì)呈下降趨勢,尤其是晉祠泉水質(zhì)很差,應繼續(xù)加大治理工作的力度。