清徐縣白石河洪積扇地下水位動態(tài)特征研究

孔春梅,陳軍鋒,寧顯林 ,金芳義

(太原理工大學(xué) 水利科學(xué)與工程學(xué)院,山西太原 030024)

清徐縣是太原市的近郊縣,也是太原市的水果蔬菜基地。境內(nèi)地表水匱乏,地下水資源在國民經(jīng)濟(jì)、社會發(fā)展以及環(huán)境建設(shè)等方面占有十分重要的地位。邊山洪積扇區(qū)地下水是清徐縣縣城及周邊地區(qū)的主要供水水源。近十幾年來,隨著人口的增長,農(nóng)業(yè)、工業(yè)以及城市建設(shè)的迅速發(fā)展,地下水資源開發(fā)利用水平不斷提高,在白石河洪積扇區(qū)出現(xiàn)了地下水水位持續(xù)下降、水量減少、水質(zhì)惡化等一系列水環(huán)境問題。水資源、水環(huán)境已成為縣域可持續(xù)發(fā)展的瓶頸,合理解決這一問題迫在眉睫。

1 研究區(qū)概況

清徐縣位于太原市南端,洪積扇區(qū)位于清徐縣西邊山,由 9～10個扇形組成,面積約 52 km2,是清徐縣政治、經(jīng)濟(jì)、文化中心。其中白石河洪積扇面積大、富水性好,是縣城居民生活飲用水的重要供水水源。

清徐縣屬溫帶半干旱大陸性氣候區(qū),春季干旱多風(fēng),夏季雨量集中。清徐縣多年平均降雨量為 432mm(見圖 1),西邊山區(qū)一帶降水量較大,山前到平原區(qū)降雨量較小,多年平均水面蒸發(fā)量為 1 086.3mm。

圖1 清徐縣 1951-2008年均降水量統(tǒng)計圖

邊山洪積扇裙區(qū)內(nèi)沉積了一整套較厚的新生界地層,其中第四系厚 130～470 m。區(qū)內(nèi)鉆孔揭露地層有奧陶系、石炭系、二疊系、三疊系、第三系、第四系。白石河洪積扇地下水一般埋藏深度 10～20m,由扇裙前緣至頂部逐漸增大。含水層在 0～40 m主要有 3～4層,一般層厚 4～8m,總厚 20～30m。其含水層為全新統(tǒng),上更新統(tǒng)沖洪積砂礫卵石層,由于它和山區(qū)發(fā)育有過渡型的黃土丘陵,山區(qū)內(nèi)碎屑物在洪流作用下直接堆積于山口之外,形成粗顆粒的含水層,在平面上較穩(wěn)定,其粒度與厚度沿軸部、中上部向側(cè)部及中下部由粗變細(xì),厚度變薄,富水性也相對減弱。本區(qū)主要接受來自山區(qū)的地下水、降水及地表徑流補(bǔ)給。水力坡度 1/100～2/100,徑流暢通,水量豐富,一般民井單位涌水量：q=3～10m3/h?m。由于接受山前斷裂帶煤系地層地下水的補(bǔ)給,其水化學(xué)類型為 SO4?HCO3-Ca?Mg型水,礦化度一般小于3g/L。

2 地下水資源開發(fā)利用情況

白石河洪積扇區(qū)地下水主要開采單位為清徐縣自來水一、二和三廠,屬清徐縣城區(qū)供水水源地,主要開采第四系中更新統(tǒng)含水層。取水用于城市居民生活用水、部分工業(yè)企業(yè)用水、城市綠地、道路灑水以及建筑業(yè)、洗車業(yè)、洗衣業(yè)等第三產(chǎn)業(yè)用水。根據(jù)清徐縣城區(qū)用水現(xiàn)狀及水資源可承載力,縣自來水一、二、三廠已不能滿足清徐城市發(fā)展用水需求。2007年,白石河洪積扇區(qū)孔隙地下水可采量為 210萬 m3/a,區(qū)內(nèi)現(xiàn)有開采井 155眼,實際開采量 589萬 m3,開采系數(shù)達(dá)2.80。近 10年來,地下水位持續(xù)下降,使白石河洪積扇區(qū)形成了較大范圍的地下水位降落漏斗,并與邊山地區(qū)其它洪積扇漏斗連為一體,導(dǎo)致上部淺層含水層疏干,單井出水量減少,已遠(yuǎn)超過當(dāng)?shù)厮Y源承載能力。

3 地下水水位動態(tài)特征

白石河洪積扇是清徐縣地下水相對較為豐富的地帶,單井出水量大,所以開發(fā)較早。1980年以前,主要為淺層水開采。之后,深井開采量增加,水位標(biāo)高一般在 770 m,水位埋深 17～25m;到 2001年水源地的水位埋深已增加到 40～50m,水位降至 740～750m。地下水水位動態(tài)的調(diào)查分析結(jié)果表明,該水源地的地下水位處于持續(xù)下降狀態(tài),平均下降速率為 1.0～1.5m/a,而且下降速率有加快的趨勢。目前,地下水超采區(qū)面積大約為 15 km2。

3.1 淺層潛水

淺層潛水動態(tài)主要受氣象、水文、水位埋深、包氣帶巖性及人為因素的影響。由于本區(qū)處于清徐縣縣城,城市人口密集、工農(nóng)業(yè)發(fā)達(dá),因此地下水開采量很大,淺層潛水含水層地下水已基本疏干。

3.2 中深層承壓水

白石河洪積扇中深層承壓水含水層埋深在 50～200m之間,含水層 4～7層,總厚 35～60 m,一般為 40 m,主要接受邊山河流入滲、山前側(cè)向補(bǔ)給和上伏含水層的越流補(bǔ)給,天然狀態(tài)下單井涌水量 40～80m3/h,現(xiàn)狀條件下單井涌水量40～ 60m3/h。

圖 2為清徐縣白石河洪積扇自來水一水廠深層井歷年水位動態(tài)變化曲線。由圖可知,2000年地下水水位為 726 m,2006年地下水位為 711 m,地下水位處于持續(xù)下降狀態(tài),下降速率 2.5m/a;2007年水位略有回升,上升為 712 m;2007年 ～2009年,地下水位又處于下降階段,到 2009年,水位下降至 705m。總體上來看,2000～2009年一水廠深層地下水水位下降約 21m,平均每年下降 2.3m。水位快速下降導(dǎo)致含水層大面積疏干,這將直接影響到清徐縣未來經(jīng)濟(jì)社會的可持續(xù)發(fā)展。

圖2 自來水一廠長觀井水位動態(tài)變化曲線

4 地下水位下降的原因及引發(fā)的水環(huán)境問題

4.1 地下水位下降原因探討

由自來水一廠長觀井歷年水位變化曲線圖可以看出,近十年來地下水位呈現(xiàn)出逐年下降的趨勢。引起地下水位變化的原因有：

人類活動的影響占主要因素。白石河洪積扇區(qū)孔隙地下水是清徐縣縣城用水的主要水源地,伴隨著工農(nóng)業(yè)、城市建設(shè)的迅猛發(fā)展,城鄉(xiāng)居民生活水平的提高,對水資源的需求量也越來越大,近 10年該區(qū)地下水處于嚴(yán)重超采狀態(tài)。根調(diào)查,2007年白石河洪積扇地下水實際開采量589萬 m3/a。地下水可采資源量 210萬 m3/a,超采 379萬m3/a。人類對水資源大規(guī)模的開發(fā)利用也改變了水資源的天然時空分布,加大了蒸發(fā)等水分垂向運(yùn)動,減少了地表與地下徑流的水平運(yùn)動。

另外,氣候也是影響地下水位變化的原因之一。白石河洪積扇地下水主要受大氣降水補(bǔ)給。由降雨量圖 1可以看出,2000～2008年之間,2007年降雨量達(dá)到最大。根據(jù)自來水一廠長觀井水位動態(tài)變化曲線顯示,2007年地下水位略有回升,因為降雨補(bǔ)給對該區(qū)地下水影響的滯后期相對較短。綜合考慮該區(qū)干旱少雨,蒸發(fā)也相對較大,氣候也在一定程度上影響著地下水位的變化。

4.2 引發(fā)的水環(huán)境問題

4.2.1 地下水位大幅度下降,降落漏斗范圍擴(kuò)大

近年來,清徐縣西邊山白石河洪積扇區(qū)地下水大量開采,整個地下水系統(tǒng)處于超負(fù)荷運(yùn)行狀態(tài),機(jī)井不斷更新加深,井距越來越小,開采強(qiáng)度越來越大,由此導(dǎo)致水位大幅下降,含水層疏干,天然貯水結(jié)構(gòu)遭到破壞。白石河洪積扇區(qū)地下水的連續(xù)超采,已造成山前白石河洪積扇頂部的白石河漏斗。從 1990年初到 2007年,白石河洪積扇地下水位埋深由 17～25m已降至 70～80 m,水源地水位處于持續(xù)下降狀態(tài),而且下降速率有加快的趨勢,地下水位的快速下降導(dǎo)致大范圍漏斗的形成。

4.2.2 地質(zhì)災(zāi)害

西邊山洪積扇區(qū)地下水連續(xù)強(qiáng)度開采以及西山地區(qū)煤礦開采,地下水位下降迅速,引發(fā)一系列的地質(zhì)災(zāi)害,如地面沉降、地裂縫、房屋裂縫甚至倒塌等,嚴(yán)重影響人民群眾的生命和財產(chǎn)安全。

4.2.3 水質(zhì)惡化

包氣帶防污性能較差,淺層水易受污染,降雨將污染物帶進(jìn);水位下降,包氣帶厚度增大,水的氧化還原環(huán)境變化,硫酸根離子含量增加;水位下降后,導(dǎo)致部分邊山巖溶水補(bǔ)給孔隙水,使得孔隙水硬度、TDS、硫酸根離子含量增加;地面沉降地區(qū)潛水嚴(yán)重污染,潛水中的有害物質(zhì)通過越流或通過天窗進(jìn)入承壓水,使局部地段承壓水受到污染;承壓水位大幅度下降也使地下水的溶濾作用增加,從而使地層中的有害物質(zhì)進(jìn)入承壓水中,使承壓水水質(zhì)惡化。2006年 4月 11日國家城市供水水質(zhì)監(jiān)測網(wǎng)太原監(jiān)測站對清徐縣自來水公司一水廠(位于白石河北岸)的 2#、4#進(jìn)行水質(zhì)檢測,結(jié)果表明,一水廠 2#井除總硬度、硫酸鹽、溶解性總固體、細(xì)菌總數(shù)超標(biāo);一水廠 4#井除總硬度、錳、硫酸鹽、細(xì)菌總數(shù)超標(biāo)。

5 防治對策

(1)關(guān)井壓采,尋找新的替代水源。清徐縣主要水源來自地下,地下水的水量變化將直接影響到經(jīng)濟(jì)社會的發(fā)展。在地下水已嚴(yán)重超采的情況下關(guān)井壓采,讓地下水休生養(yǎng)息迫在眉睫,尋找新的替代水源也刻不容緩。從充分利用當(dāng)?shù)厮Y源和盡量降低城市污水對環(huán)境的壓力的角度考慮,清徐縣應(yīng)加快城市污水處理廠的速度,充分利用處理后的城市污水進(jìn)行灌溉;清徐縣對微咸水的開發(fā)利用率較低,為提高清徐縣水資源的承載能力,應(yīng)逐步開發(fā)利用這些地下微咸水資源;面對清徐縣的農(nóng)業(yè)種植結(jié)構(gòu),工業(yè)產(chǎn)值增長速度,清徐縣在大力節(jié)水、挖掘當(dāng)?shù)睾涂退Y源潛力的情況下,其社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展對水的需求難以滿足,同時考慮到清徐縣在全省和太原市的戰(zhàn)略地位和引用黃河水的可能性,應(yīng)適當(dāng)考慮對黃河水的引用。

(2)為保證區(qū)域經(jīng)濟(jì)、社會、環(huán)境和諧發(fā)展,建議對經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)與布局進(jìn)行必要的調(diào)整,適當(dāng)限制高耗水產(chǎn)業(yè)的發(fā)展,以保障全縣經(jīng)濟(jì)社會全面、協(xié)調(diào)和可持續(xù)發(fā)展。把節(jié)約用水、提高水資源的利用率作為清徐縣經(jīng)濟(jì)和社會發(fā)展的基本方針,加大工業(yè)、城縣生活和農(nóng)業(yè)的節(jié)水力度。強(qiáng)化水資源的保護(hù)和管理,建立和完善地下水資源質(zhì)量、數(shù)量的監(jiān)控網(wǎng)絡(luò),加大水資源保護(hù)和管理系統(tǒng)的數(shù)字化和信息化建設(shè)力度。

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