多層抽水試驗地下水位動態(tài)與同位素淺析——以衡水試驗為例

劉鵬飛，劉少玉，靳盛海，韓雙平，王 哲，周曉妮，宋淑紅

（1.中國地質(zhì)科學(xué)院，北京 100037；2.中國地質(zhì)科學(xué)院水文地質(zhì)環(huán)境地質(zhì)研究所，河北正定 050803）

多層抽水試驗地下水位動態(tài)與同位素淺析
——以衡水試驗為例

劉鵬飛1，劉少玉2＊，靳盛海2，韓雙平2，王 哲2，周曉妮2，宋淑紅2

（1.中國地質(zhì)科學(xué)院，北京 100037；2.中國地質(zhì)科學(xué)院水文地質(zhì)環(huán)境地質(zhì)研究所，河北正定 050803）

針對不同深度含水層，揭示其富水性，探討地下水資源可恢復(fù)性、可利用性和淺層劣質(zhì)水改造利用可能性。以國土資源部衡水地下水試驗場為依托，在詳細(xì)調(diào)查試驗場影響區(qū)地下水開發(fā)利用狀況、監(jiān)測地下水年動態(tài)基礎(chǔ)上，開展分層抽水試驗和水化學(xué)同位素采樣。通過對大量抽水水位動態(tài)數(shù)據(jù)過程、局部流場特征和水化學(xué)同位素的分析，得出結(jié)論：該區(qū)農(nóng)業(yè)為影響地下水水位的主控因素；含水層系統(tǒng)承壓性、補給強度從下到上分別呈減弱、增強趨勢，除淺層外各含水層滲透性較強；各含水層滲流強度及方向不同等。提出實現(xiàn)地下水可持續(xù)開發(fā)利用建議：對淺層地下咸水適時進(jìn)行抽咸換淡、混灌輪灌改造利用；170m、300m強含水層作為工農(nóng)業(yè)用水主要開采層，深層地下水主要用于生活用水；按照水量平衡、分質(zhì)用水原則開發(fā)地下水。

地下水；分層抽水試驗；補給強度；持續(xù)開發(fā)利用

在我國北方有80%以上的城市以地下水供水為主。近年來，用水量增加、補給源減少和不合理開發(fā)利用引起地下水降落漏斗發(fā)展越來越嚴(yán)重，誘發(fā)的地面沉降等環(huán)境問題越來越突出，嚴(yán)重影響了居住安全、工程安全和生態(tài)安全，制約著經(jīng)濟社會可持續(xù)發(fā)展［1，2］。所以地下水可持續(xù)利用尤為重要。實現(xiàn)地下水可持續(xù)開發(fā)利用，最主要的是依據(jù)地下水補、徑、儲、排規(guī)律，按照水量平衡、分質(zhì)用水原則進(jìn)行開發(fā)利用。目前國內(nèi)對于地下水可持續(xù)開發(fā)利用研究主要集中在開源和區(qū)域范圍開采規(guī)劃方面，例如，費宇紅等［3］提出充分利用雨洪水資源減少地下水開采，而對小區(qū)域范圍內(nèi)地下水開發(fā)利用狀況、開采過程中水位動態(tài)的研究較少。本文以國土資源部衡水地下水試驗場為依托，在周邊影響區(qū)地下水開發(fā)利用狀況調(diào)查基礎(chǔ)上，利用已有多眼機井條件，開展分層抽水試驗和水樣采集，據(jù)此提出開發(fā)利用建議。

1 研究區(qū)概況

衡水市位于河北省東南部，屬大陸半干旱季風(fēng)氣候區(qū)。年均降水量510mm，最大702.4mm（1983年），最小307mm（1986年），年降水80%以上集中在6－9月份，且多為暴雨；年均蒸發(fā)量1 665mm。國土資源部衡水地下水試驗場位于衡水市北，深州市南，占地面積24 300m2。建于2004年，現(xiàn)有14眼機井，其中6眼為分層綜合水文地質(zhì)科研井，8眼為不同深度地下水觀測井，并實施了地下水長期動態(tài)監(jiān)測。本文選此試驗場為研究區(qū)。

研究區(qū)位于華北斷坳區(qū)次一級構(gòu)造——臨清臺陷的南部，處于西部沖積平原向東部低平原過渡帶，巖性逐漸變細(xì)，屬多層結(jié)構(gòu)含水層區(qū)。該區(qū)降水入滲系數(shù)較小，巖層透水、儲水和給水能力較弱。淺層分布有咸水體，為潛水－微承壓水，屬“開放”系統(tǒng)；其下為深層承壓水，屬“半封閉”系統(tǒng)。該區(qū)淺層地下水分布復(fù)雜，底界埋深50～70m，含水層厚度10～25m，巖性以粉砂、細(xì)砂為主，局部地段無含水砂層，涌水量小于5m3／（h·m）。TDS為1.64～9.7 g／L，其中15m以上一般小于6g／L，15～55m一般大于10g／L，60m以下約3g／L；咸水體下部深層淡水TDS小于2g／L。淺層地下水從淡水、微咸水、半咸水到咸水都有分布，其中淡水主要分布在西部，東部主要受河道影響呈不同程度淡化［4，5］。

2 試驗場周圍地下水開采狀況及動態(tài)監(jiān)測

2.1 地下水開采狀況

為掌握試驗場周邊地下水開采對抽水試驗影響程度，在5km范圍內(nèi)開展地下水開采狀況調(diào)查。針對以往地下水開采量統(tǒng)計不夠準(zhǔn)確的狀況，主要從兩方面展開核實性比較調(diào)查：一是地下水開采井使用情況，即從抽水水泵定額、抽水次數(shù)、抽水持續(xù)時間和井出水量大小方面進(jìn)行統(tǒng)計；二是從生活用水、農(nóng)業(yè)用水兩方面進(jìn)行用水量統(tǒng)計。

調(diào)查結(jié)果為：人口共17 270人；耕地3 518hm2，其中棉花1 067hm2，小麥和復(fù)種夏玉米2 451hm2；現(xiàn)有機井432眼，分布于50m以上（2眼）、100～200m（125眼）、120～200m（305眼）。深井主要用于生活用水，中深井主要用于農(nóng)業(yè)灌溉。人均生活用水量為75L／d，每年全區(qū)生活用水量為47.65萬m3。小麥、棉花每年灌溉用水量分別為4 500m3／hm2、2 250m3／hm2。除西黃龍和西杜為渠水灌溉外，其它村鎮(zhèn)均為井水灌溉，實際井灌面積為2 951hm2，其中棉花933hm2。計算得每年井灌量為958.38萬m3。

因此，研究區(qū)全年地下水開采總量為1 006.03萬m3，人均582.5m3。據(jù)有關(guān)資料［6］計算得，衡水地區(qū)每年人均水資源占有量僅為310m3?？梢?，每年人均超采272m3，人均開采量接近當(dāng)?shù)厝司Y源占有量的兩倍，說明研究區(qū)地下水開發(fā)利用存在不合理現(xiàn)象。

2.2 地下水動態(tài)監(jiān)測

為進(jìn)一步掌握試驗場周邊不同深度地下水年動態(tài)規(guī)律及影響因素，依據(jù)現(xiàn)有機井空間分布情況，部署23眼不同深度的水位動態(tài)觀測井，其中以150～170m和250～300m兩組井為主體，周期為1年，5天1測，并詳細(xì)記錄了降雨和開采情況。部分代表性飲水井、灌溉井水位變化情況如圖1所示。典型井（300m）春灌前水位（2010－03－30）和初期水位（2010－04－05）等值線比較如圖2所示。

圖1顯示，4月春灌和10月冬灌（冬灌短，春灌長）均造成地下水位快速下降，反映地下水位下降主要受農(nóng)灌影響。在灌溉期，灌溉井一般比飲水井水位下降速度快、幅度大、影響范圍廣。圖2顯示，南張家莊附近300m（春灌初期）地下水位從最高點變?yōu)樽畹忘c，中心區(qū)水位下降幅度約15m，水力梯度略微變小，地下水總體流向從SW-NE變?yōu)镹W-SE。圖1、圖2表明，無論是水位動態(tài)過程還是空間分布，灌溉開采是影響研究區(qū)地下水動態(tài)的主控因素。

3 分層抽水水位動態(tài)分析

3.1 分層抽水總體部署

為避開灌溉季節(jié)大量開采和冰凍影響，抽水試驗分兩期（2009年12月18日－2010年1月14日，2010年3月31日－4月3日），歷時32d，總體情況如表1所示，各監(jiān)測井分布如圖3所示。

表1 分層抽水試驗總體情況Table 1 Overall situation of the layered pumping test

3.2 分層抽水試驗分析

3.2.1 TW1抽水試驗 該井深600m，濾水管位置436～524m，含水層巖性以細(xì)砂、中粗砂為主，厚度52.93m。抽水和恢復(fù)水位變化如圖4，抽水開始5 min內(nèi)井水位下降35.38m，降幅大，說明含水層具有承壓性；該過程中水量主要來自承壓水頭的消耗。在2h時水位達(dá)到基本穩(wěn)定，用時較短，水位在持續(xù)下降11h時達(dá)到穩(wěn)定，此時累計降深達(dá)42.79m，補排達(dá)到基本平衡；恢復(fù)期水位在5min內(nèi)回升幅度為38.68m，說明井附近含水層的滲透補給較強，但總恢復(fù)時間達(dá)27.72h；大降深和較長恢復(fù)時間說明該含水層補給條件有一定局限性。

圖3 試驗場分層抽水各監(jiān)測井分布Fig.3 Distribution of monitoring wells during the layered pumping in the test site

圖4 TW1井水位變化Fig.4 Changes of the water level of TW1 well

3.2.2 TW2抽水試驗 該井深384m，濾水管位置315～378m，含水層巖性以細(xì)砂、中粗砂為主，厚度32.1m。觀測井1個。兩井水位變化如圖5所示。抽水時TW2水位變化和TW1有相同趨勢（圖5a），但最初5min內(nèi)降幅和最后累計降深分別比TW1小15.98m、11.84m，說明該含水層比下伏TW1含水層承壓性弱，補給條件好。觀測井OW2水位在抽水和恢復(fù)期間（圖5b）都出現(xiàn)高于抽水前水位現(xiàn)象；另外，恢復(fù)期間TW2水位在10min內(nèi)迅速達(dá)到穩(wěn)定，且略高于抽水前水位。不同井水位同步上升，可能與抽水激發(fā)周邊補給增加有關(guān)，反映該井徑流補給條件較好。

圖5 TW2井和觀測井水位變化Fig.5 Changes of water level of TW2 and observation well

3.2.3 TW3抽水試驗 該井深304m，濾水管位置191～298m，含水層巖性以中砂、中粗砂為主，厚度45.83m。觀測井有6個。各井水位變化如圖6所示，穩(wěn)定、恢復(fù)與抽水前水位等值線比較如圖7所示。圖6a中TW3水位在抽水開始3min內(nèi)下降了7.23m，說明含水層具有承壓性；在10min時水位初步達(dá)到穩(wěn)定，9h時達(dá)到完全穩(wěn)定，累計降深（9.32m）較小，耗時也短；恢復(fù)時各井水位迅速達(dá)到穩(wěn)定（圖6b），穩(wěn)定后水位等值線形狀變化不大（圖7a），而恢復(fù)水位略有變化（圖7b），說明含水層補給條件較好，但有局限性。上層觀測井OW4在抽水和恢復(fù)過程中水位變化都很小，反映該層與上覆含水層水力聯(lián)系較弱，以同層側(cè)向補給為主，垂向越流補給量很小。比較TW3抽水、恢復(fù)動態(tài)與圖1相同之處是水位升降迅速，反映出水層承壓性好；不同之處是年水位降幅較大、恢復(fù)時間長，說明當(dāng)?shù)亻_采對地下水干擾較大，已嚴(yán)重影響地下水資源的可恢復(fù)性。

圖6 TW3井和觀測井水位變化Fig.6 Changes of water level of TW3 and observation wells

圖7 TW3抽水穩(wěn)定、恢復(fù)與抽水前水位等值線比較Fig.7 Comparisons between contours of stability，recovery and non-pumping water levels in TW3 pumping

圖6a中各觀測井因距抽水井距離不同及含水層的非均質(zhì)性，水位下降表現(xiàn)為近先遠(yuǎn)遲；根據(jù)降深／距抽算得WS1、WS2、WS3三個方向平均水力梯度分別為4.8%、2.9%、2.2%，匯流強度NW最強，SE最弱（圖7a）。

3.2.4 TW4抽水試驗 該井深175.0m，濾水管位置66.43～168m，含水層巖性以粉細(xì)砂、中細(xì)砂為主，厚度47.63m。觀測井有5個。各井水位變化如圖8所示，穩(wěn)定、恢復(fù)與抽水前水位等值線比較如圖9所示。圖8a中TW4水位在抽水開始3min內(nèi)下降了1.81m，較TW1、TW2、TW3小很多，反映該含水層承壓性較弱；約10min時基本達(dá)到穩(wěn)定，累計降深為3.16m，用時較短。同時圖8b中TW4水位6h時恢復(fù)至抽水前水位，圖9中穩(wěn)定、恢復(fù)后的水位等值線形狀變化不大，說明含水層滲透性較強，補給條件較好。上層觀測孔OW5水位在抽水和恢復(fù)過程中水位基本不變，最大變化量為1 cm，反映該層與上覆含水層水力聯(lián)系較弱，以同層側(cè)向補給為主，垂向越流補給量很小。比較TW4井抽水、恢復(fù)動態(tài)和圖1，與TW3變化相似，表明當(dāng)?shù)氐叵滤_采干擾大，嚴(yán)重影響了該層地下水資源可恢復(fù)性。

圖8 TW4井和觀測井水位變化Fig.8 Changes of water level of TW4 and observation wells

圖9 TW4抽水穩(wěn)定、恢復(fù)與抽水前水位等值線比較Fig.9 Comparisons between contour of stability，recovery and non-pumping water levels in TW4 pumping

同層觀測井中，除OW4水位有些變化外，WSQ1、WSQ2、WSQ3水位變化很小，根據(jù)降深／距抽算得三個方向平均水力梯度分別為0.55%、0.31%、0.40%，匯流強度NW向（WSQ2方向）最強，SW向（WSQ1方向）最弱（圖9a）。

3.2.5 TW6抽水試驗 該井為淺咸井，深50.0m，全水泥花管，含水層巖性以粉細(xì)砂、中細(xì)砂為主。觀測井有3個。各井水位變化如圖10所示，穩(wěn)定、恢復(fù)與抽水前水位等值線比較如圖11所示。抽水時TW6水位下降比較平緩（圖10a），但前3min內(nèi)降幅（3m）相對較大，反映含水層具一定微承壓性。在1h左右達(dá)到穩(wěn)定，此時累計降深為9m，用時較短，各觀測井的累計降深也較小，反映出含水層富水性較好。3個同層觀測孔（G1、G2、TW5）水位下降平緩，且達(dá)到穩(wěn)定需要的時間比抽水井長，另外各井水位恢復(fù)至穩(wěn)定所需時間較長（圖10b），反映出局域含水層滲透連通性較差。最后各井水位都恢復(fù)到抽水前水位（圖10b），說明該含水層補給條件尚好。

抽水時3個觀測井水位趨勢線分別為y＝0.0451x＋7.9097，y＝0.0186x＋7.0938，y＝0.0109x＋7.5275，反映抽水井對周圍觀測井的影響近大遠(yuǎn)小，根據(jù)降深／距抽算得觀測井G1、G2、TW5三個方向平均水力梯度分別為72.4%、13.5%、9.7%，匯流強度東部（TW5方向）最強，北部（淺觀1方向）最弱（圖11a）。

圖10 TW6井和觀測井水位變化Fig.10 Changes of water level of TW6 and observation wells

圖11 TW6抽水穩(wěn)定、恢復(fù)與抽水前水位等值線比較Fig.11 Comparisons of contours of stability，recovery and non-pumping water levels in TW6 pumping

比較圖11a、圖9a、圖7a可知，穩(wěn)定后的水位等值線變化中（從抽水流量、平均降深、平均水力梯度和水流方向方面考慮）淺層含水層變化最大，300m、 175m兩含水層變化相當(dāng)，反映出淺層含水層滲透性最差，若將其與圖2對比，可看出抽水試驗對地下水的影響遠(yuǎn)小于灌溉的影響；再綜合圖11b、圖9b、圖7b可看出，175m含水層恢復(fù)最好，淺層和300m含水層恢復(fù)較差，反映出175m含水層補給條件較好，淺層和300m含水層補給條件較差，與依據(jù)抽水試驗數(shù)據(jù)計算的滲透系數(shù)規(guī)律基本相符，即：K（TW2）＝1.688m／d，K（TW3）＝1.455m／d，K（TW4）＝4.237m／d，K（TW6）＝0.759m／d。

綜合本次抽水試驗可得出：該區(qū)多含水層承壓性從下到上逐漸減弱，淺層地下水為潛水—微承壓水；除淺層含水層外其余含水層滲透性都較強；各含水層間水力聯(lián)系較小，補給以同層側(cè)向補給為主，垂向越流補給量很小，補給強度從下到上呈越來越強趨勢，其中175m含水層最強，175m、300m含水層為當(dāng)?shù)刂饕_采層；各含水層介質(zhì)均具有非均質(zhì)性，在抽水過程中各層匯流強度分布不同，方向各異。

3.3 水化學(xué)同位素簡析

為進(jìn)一步確定研究區(qū)地下水補、徑、排規(guī)律，在不同位置和深度進(jìn)行了水化學(xué)同位素采樣，根據(jù)采樣深度分為5組：小于50m（3處）、170～230m（3處）、280～314m（7處）、350～400m（5處）和600m（1處），分別進(jìn)行氘、氧18、氚、碳14分析，結(jié)果如下：

（1）淺層地下水氘、氧18含量在SW-NE呈增加趨勢，與河流及地下水流向一致，受蒸發(fā)影響較明顯；氚含量從西向東呈減少趨勢，可能是西部多用地表水灌溉的原因。

（2）200m含水層地下水中氘、氧18含量以南張家莊和董家莊為中心呈低值分布，可能是受抽水產(chǎn)生少量越流補給的影響；氚含量在東部較高，可能是局部受淺層水或地表水補充的影響。

（3）300m含水層地下水中西部氘、氧18含量較高，可能是補給源蒸發(fā)較強烈的原因；氚含量低，說明該層地下水參與現(xiàn)代水交替循環(huán)作用較微弱。

（4）400m含水層地下水中氘、氧18、氚含量分布比較穩(wěn)定，說明該層地下水基本不受大氣和環(huán)境的影響，水循環(huán)條件差。

（5）根據(jù)碳14測得的地下水年齡，淺層地下水最小，400m最老，600m小于200m，從一定程度上反映出400m以上地下水循環(huán)強度從上到下逐漸減弱，而后向深部逐漸增強。

4 結(jié)論與建議

（1）通過地下水開采調(diào)查，發(fā)現(xiàn)研究區(qū)每年開采地下水資源量接近當(dāng)?shù)氐叵滤Y源量的兩倍，其中農(nóng)業(yè)是影響地下水的主控因素，說明地下水開發(fā)利用存在不合理現(xiàn)象，應(yīng)對該區(qū)水資源開發(fā)利用進(jìn)行合理規(guī)劃。

（2）通過抽水試驗水位動態(tài)表現(xiàn)形式，可判斷抽水井出水來源組成和方向，揭示富水性和地下水恢復(fù)能力，從而判斷其可持續(xù)開發(fā)利用能力。試驗表明，研究區(qū)深層含水層承壓性從下到上呈減弱趨勢，淺層地下水為潛水—微承壓水；除淺層含水層外其余含水層滲透性較強；各含水層間水力聯(lián)系較弱，補給以同層側(cè)向為主，垂向越流補給很小，補給強度從下到上呈增強趨勢，其中175m含水層最強。試驗場抽水試驗與周邊影響區(qū)地下水動態(tài)監(jiān)測比較，農(nóng)灌開采是影響該區(qū)地下水的主控因素，且已嚴(yán)重影響到了該區(qū)地下水的可恢復(fù)性。

（3）各含水層介質(zhì)均具有非均質(zhì)性，抽水過程中各個方向匯流強度不同，TW3抽水中NW向最強，SE向最弱；TW4抽水中NW向最強，SW向最弱；TW6抽水中東部最強，北部最弱。

（4）400m以上水化學(xué)同位素結(jié)論支持抽水試驗結(jié)論，地下年齡從上到下呈增加趨勢；400～600m結(jié)論出現(xiàn)不一致，抽水試驗得出循環(huán)條件從上到下呈減弱趨勢，而同位素則相反，因此有關(guān)地下水區(qū)域流動系統(tǒng)的研究需區(qū)域資料的補充完善和證實。

（5）綜合以上條件考慮，建議將170m、300m地下水作為當(dāng)?shù)刂饕叵滤垂┺r(nóng)業(yè)和工業(yè)使用（開采井盡量布置在匯流強的區(qū)域），并與該區(qū)淺層咸水做混合合理配比利用和適時進(jìn)行抽咸換淡改造［7］，深層地下水主要作為生活用水。

［1］ 盧耀如，劉少玉，張鳳娥.中國水資源開發(fā)與可持續(xù)發(fā)展［J］.國土資源，2003（2）：4－11.

［2］ 段永侯，肖國強.河北平原地下水資源與可持續(xù)利用［J］.水文地質(zhì)工程地質(zhì)，2003（1）：2－8.

［3］ 費宇紅，王金哲，石迎新.石家莊市地下水持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略研究［J］.河北省科學(xué)院學(xué)報，2002，19（2）：108－111.

［4］ 周曉妮，劉少玉，王哲，等.華北平原典型區(qū)淺層地下水化學(xué)特征及可利用性分析——以衡水地區(qū)為例［J］.水科學(xué)與工程技術(shù)，2008（2）：56－59.

［5］ 高業(yè)新.通過抽水試驗研究河北平原深層地下水的補給來源［J］.干旱區(qū)資源與環(huán)境，2010，24（7）：68－71.

［6］ 張兆吉，雒國中，王昭，等.華北平原地下水資源可持續(xù)利用研究［J］.資源科學(xué)，2009，31（3）：355－360.

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Preliminary Analysis on the Groundwater Regime of the Pumping Test and Isotopes in Multi-aquifers：A Case Study of the Test Site in Hengshui

LIU Peng－fei1，LIU Shao－yu2，JIN Sheng－h(huán)ai2，HAN Shuang－ping2，WANG Zhe2，ZHOU Xiao－ni2，SONG Shu－h(huán)ong2
（1.Chinese Academy of Geological Sciences，Beijing 100037；
2.Institute of Hydrogeology and Environmental Geology，CAGS，Zhengding 050803，China）

With regard to the aquifers of different depths，this paper is aimed at revealing their water abundance and studying the recoverability and availability of groundwater resources and the transformation and utilization possibility of the shallow groundwater with poor quality.Relying on the Hengshui groundwater test field of Ministry of Land and Resources，layered pumping test and the sampling of water chemistry isotopes were conducted on the basis of the detailed investigation of groundwater development and utilization status and monitoring the groundwater annual regime around the test field-affected zone.According to the analyses of the processes of a large number of water levels dynamic data from pumping test，local flow field characteristics and hydrochemical isotopes，conclusions are achieved as follows：agriculture is the main controlling factor affecting the groundwater；from the bottom to the top in multi-aquifers，the artesian pressure has the weakening trend while the recharge intensity has the increasing trend，and permeabilities，in addition to in the shallow aquifer，are all good；the seepage intensity and directions vary a lot from aquifer to aquifer，etc.The advices are given as follows：the shallow saline groundwater should be developed and utilized by pumping saline-water and supplying fresh-water in the right time and appropriate irrigation；the aquifers of 170mand 300m，which are rich aquiferous layers，can be the main exploitation aquifers for industry and agriculture；the deep groundwater is utilized primarily as the domestic water；water with different qualities should be used for relevant aspects，etc.Then the sustainable development and utilization of the groundwater can be realized.

groundwater；layered pumping test；recharge intensity；sustainable development and utilization

P641.8

A

1672－0504（2012）03－0087－06

2011－09－27；

2011－11－28

中國地質(zhì)調(diào)查局工作項目（1212010634106）；水環(huán)所所控項目“咸淡水體平衡狀態(tài)下的界面條件研究”（SK201005）

劉鵬飛（1986－），男，碩士研究生，主要從事地下水可持續(xù)開發(fā)利用研究。＊通訊作者E－mail：liushaoyu323＠263.net