三江平原地下水流場(chǎng)演化趨勢(shì)及影響因素

劉偉朋，崔虎群，劉偉坡，程旭學(xué)，李志紅

（中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局水文地質(zhì)環(huán)境地質(zhì)調(diào)查中心，河北 保定 071051）

三江平原位于黑龍江東北部，由黑龍江、烏蘇里江和松花江沖、洪積形成，土地肥沃，是我國(guó)重要的商品糧基地[1-2]。農(nóng)田灌溉用水占地下水總開采量的90%以上。隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和水稻種植面積的擴(kuò)大，昔日“北大荒”變?yōu)榻袢铡氨贝髠}(cāng)”。地下水的需求量顯著增加，部分地區(qū)地下水位持續(xù)下降，有些專家提出防止該區(qū)成為“第二個(gè)華北平原”[3]。

近年來(lái)，已有不少學(xué)者對(duì)該地區(qū)的地下水動(dòng)態(tài)進(jìn)行了研究和預(yù)測(cè)[4-7]。趙永清等[8]提出三江平原地下水自開采以來(lái)（至2001年）平均總下降約4.0 m，每年下降速率約0.2～0.3 m；徐夢(mèng)瑤等[9]認(rèn)為三江平原形成西部、中部和東部3個(gè)地下水超采區(qū)；梁勇[10]認(rèn)為地下水位下降較大的區(qū)域主要分布在同江市和撫遠(yuǎn)縣，且5年累計(jì)降幅小于1 m；楊湘奎等[11-13]認(rèn)為在松花江北部區(qū)域及建三江墾區(qū)部分農(nóng)場(chǎng)存在超采區(qū)。劉東等[4,14]預(yù)測(cè)八五三農(nóng)場(chǎng)地下水位未來(lái)4年平均年降幅約為0.9 m；梁勇[10]認(rèn)為三江平原地區(qū)的地下水沒(méi)有明顯下降，僅是隨著降水的豐平枯年份動(dòng)態(tài)變化。綜上，受數(shù)據(jù)量、資料和時(shí)間限制，三江平原超采區(qū)的分布位置不統(tǒng)一，未能確定超采區(qū)的范圍及形態(tài)，由于對(duì)地下水動(dòng)態(tài)的影響因素認(rèn)識(shí)不同，預(yù)測(cè)的水位結(jié)果也是升降各異。

為落實(shí)中央領(lǐng)導(dǎo)關(guān)于東北地區(qū)地下水超采的重要批示，查清三江平原地下水流場(chǎng)現(xiàn)狀及形成原因，2018年中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局把東北地區(qū)水文地質(zhì)與水資源調(diào)查列入2019—2021年重點(diǎn)地質(zhì)調(diào)查計(jì)劃，2019年著力加強(qiáng)了三江平原地下水位統(tǒng)測(cè)及超采研究。筆者基于GIS 技術(shù)，對(duì)三江平原地區(qū)1 100余組地下水統(tǒng)測(cè)數(shù)據(jù)、國(guó)家地下水監(jiān)測(cè)工程數(shù)據(jù)及地方水務(wù)局長(zhǎng)期地下水動(dòng)態(tài)觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行插值及對(duì)比分析。查明了三江平原地下水的空間分布特征，首次高精度確定了超采區(qū)范圍及形態(tài)，分析了其影響因素，為水資源的合理開發(fā)利用與保護(hù)提供了新視角，為國(guó)家及相關(guān)部門農(nóng)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整及水利基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)發(fā)展決策，維護(hù)國(guó)家糧食安全的壓艙石提供可靠數(shù)據(jù)支撐。

1 研究區(qū)概況

三江平原北起黑龍江、南至完達(dá)山、西鄰小興安嶺、東抵烏蘇里江，地形平坦，西部、南部地勢(shì)較高，東部、東北部較低。本文研究區(qū)為三江平原的小三江平原區(qū)（圖1），面積4.5×104km2。年均降水量為550 mm，蒸發(fā)量為（E601）700 mm[15]。

圖1 研究區(qū)示意圖Fig.1 Location of the study area

廣大平原中部，自中生代以來(lái)始終處于以下沉為主的間歇性沉降運(yùn)動(dòng)中[16]，所以巨厚的新生界松散堆積，層層迭復(fù)，構(gòu)成兩級(jí)上迭階地，與高低河漫灘組成平原區(qū)地貌的主體。平原區(qū)地層可概化為二元結(jié)構(gòu)，上部淺地表地層為砂土、黏性土，下部為大厚度含礫中、粗砂。

三江平原農(nóng)作物包括大豆、玉米等旱田作物，主要依靠雨水自然滋養(yǎng)，水田作物水稻種植需要人工灌溉，以抽取地下水為主。

2 資料來(lái)源與研究方法

本文數(shù)據(jù)源包括2019—2020年1 092個(gè)統(tǒng)測(cè)點(diǎn)2期地下水位3—4月份統(tǒng)測(cè)數(shù)據(jù)、44組國(guó)家地下水監(jiān)測(cè)工程2019年數(shù)據(jù)、1980年72組地下水統(tǒng)測(cè)數(shù)據(jù)及建三江水務(wù)局提供1997—2019年地下水長(zhǎng)期動(dòng)態(tài)觀測(cè)數(shù)據(jù)。

利用克里金插值法[17-19]，生成50 m×50 m的地下水位分布柵格圖，將不同時(shí)期地下水位柵格圖進(jìn)行代數(shù)運(yùn)算，生成不同年份水位變幅圖，以獲取年際的地下水位變化情況。

3 結(jié)果與分析

3.1 地下水流場(chǎng)時(shí)空分布特征

3.1.1 1980年地下水流場(chǎng)特征

20世紀(jì)80年代，三江平原以開墾旱田為主，水田面積很少。1986年水田面積5.7×103km2，占總平原區(qū)面積的10%，該時(shí)期地下水的開采量遠(yuǎn)低于可開采量，地下水流場(chǎng)基本處于天然狀態(tài)。對(duì)收集到的72組1980年地下水位數(shù)據(jù)進(jìn)行插值，繪制了天然流場(chǎng)狀態(tài)下地下水位等值線圖（圖2a）。從圖中可以看出1980年地下水整體流向?yàn)楸睎|向、南北向，以北東向?yàn)橹?，最終排泄于烏蘇里江和黑龍江流出區(qū)外。以松花江為界，北部地下水由西向東分別向南北兩側(cè)的松花江和黑龍江排泄；南部地下水由西、南山區(qū)向平原中心區(qū)徑流，在富錦東側(cè)區(qū)域分支，主干地下水繼續(xù)向東流經(jīng)建三江墾區(qū)流入烏蘇里江，分支水流經(jīng)富錦—街津口斷面向北匯入黑龍江。在富錦東南側(cè)，大興—七星農(nóng)場(chǎng)區(qū)域?yàn)檎訚蓾竦?，水力梯度較小，地下水徑流緩慢，地下水以蒸發(fā)排泄為主；其余地區(qū)地下水水力梯度較大，地下水以徑流排泄為主。結(jié)合地面高程，1980年地下水位埋深在勤得利、八五九農(nóng)場(chǎng)等山前一帶和前哨農(nóng)場(chǎng)臺(tái)地區(qū)一般大于10 m，西部平原區(qū)小于5 m，東部建三江墾區(qū)一般為5～10 m。

圖2 1980年和2019年地下水位等值線圖Fig.2 Contour map of groundwater levels in 1980 and 2019

3.1.2 2019年地下水流場(chǎng)特征

2019年3—4月份，在水稻灌溉（泡田期）地下水開采前期，采用1985 國(guó)家高程基準(zhǔn)測(cè)量了研究區(qū)1 092個(gè)機(jī)民井水位，利用克里金插值，繪制了地下水流場(chǎng)。圖2（b）中可以看出，研究區(qū)內(nèi)除沿黑龍江南岸一定范圍內(nèi)地下水向東北排泄于黑龍江外，區(qū)域地下水整體由西向東徑流，最終排泄于烏蘇里江流出區(qū)外。在建三江墾區(qū)西邊界，地下水水力梯度明顯增大，在前進(jìn)、濃江、洪河農(nóng)場(chǎng)中心區(qū)域地下水流平緩，41 m等值線近似閉合，外圍地下水流網(wǎng)呈現(xiàn)由西北、西南、東北向中心區(qū)域匯流的特征，改變了天然流網(wǎng)的形態(tài)，形成了一定區(qū)域的地下水降落漏斗。目前，區(qū)域地下水位埋深在勤得利、八五九農(nóng)場(chǎng)等山前一帶和前哨農(nóng)場(chǎng)臺(tái)地區(qū)一般大于20 m，西部平原區(qū)小于5 m，東部建三江墾區(qū)一般為10～20 m。

3.1.3 1980—2019年地下水時(shí)空異變特征

（1）流場(chǎng)演化特征

與1980年地下水等水位線圖對(duì)比分析發(fā)現(xiàn)，潛水面形態(tài)發(fā)生明顯變化。在佳木斯至富錦段、洪河濕地至烏蘇里江段地下水水力坡度較1980年小，說(shuō)明受人工開采影響該段地下水徑流排泄減少；在富錦東南側(cè)大興、七星農(nóng)場(chǎng)等沼澤濕地區(qū)域，平緩潛水面區(qū)域消失并形成滑梯式潛水面，水力坡度向建三江墾區(qū)中心區(qū)域方向增加至0.44‰。同時(shí)沿富錦—街津山斷面地下水流場(chǎng)發(fā)生逆轉(zhuǎn)，說(shuō)明在建三江墾區(qū)中部區(qū)域存在地下水超采。超采引起地下水流場(chǎng)、循環(huán)路徑變化，地下水處于負(fù)均衡狀態(tài)，在地下水自平衡調(diào)節(jié)過(guò)程中，邊界水力梯度增大以加大對(duì)超采區(qū)地下水的側(cè)向補(bǔ)給。

（2）水位埋深演化特征

利用柵格運(yùn)算，生成2019年與1980年地下水位變幅圖。由圖3（a）可知，以建三江墾區(qū)西邊界為界，地下水位埋深差異明顯，建三江墾區(qū)地下水位累計(jì)降幅大于5 m的面積為1.17×104km2，其中在建三江墾區(qū)的創(chuàng)業(yè)、前進(jìn)、洪河、濃江農(nóng)場(chǎng)等中心區(qū)域地下水位降幅大于10 m的面積為3 400 km2；西部平原區(qū)及建三江墾區(qū)東部外圍區(qū)域地下水位累計(jì)降幅1～5 m的面積為2.6×104km2。

（3）超采區(qū)地下水位演化態(tài)勢(shì)及其形態(tài)特征

圖3 1980—2019年（a）和2019—2020年（b）地下水位變幅圖Fig.3 A map of changes in groundwater levels (a) from 1980 to 2019 and (b) from 2019 to 2020

為揭示三江平原建三江墾區(qū)降幅較大區(qū)域地下水年際動(dòng)態(tài)變化特征，以建三江墾區(qū)中心區(qū)域的創(chuàng)業(yè)、前進(jìn)及洪河3個(gè)農(nóng)場(chǎng)的人工監(jiān)測(cè)井點(diǎn)23 a（1997—2019年）地下水動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)（圖1），編制了地下水位及水稻種植面積動(dòng)態(tài)曲線（圖4）。由圖4可知，墾區(qū)水稻種植規(guī)模主要分為3個(gè)階段：第一階段（1997—2002年）水稻小規(guī)模種植，水稻田面積維持在1 467～2 000 km2，地下水開采以淺部土層彈性釋水為主，漏斗區(qū)地下水位年均降幅0.59 m；第二階段（2003—2012年），水稻種植快速擴(kuò)張，水稻田面積由1 467 km2增加至6 694 km2，地下水開采以砂礫石層重力釋水為主，漏斗區(qū)地下水位年均降幅0.41 m；第三階段（2012—現(xiàn)在），水稻種植面積維持在約6 667 km2，漏斗區(qū)地下水位年均降幅0.29 m，趨于平緩。

根據(jù)《地下水超采區(qū)評(píng)價(jià)導(dǎo)則》（GB/T 34 968-2017）標(biāo)準(zhǔn)，地下水開采造成地下水水位呈持續(xù)下降趨勢(shì)條件界定，對(duì)比20世紀(jì)80年代近似天然流場(chǎng)的地下水位，按照水位降深10 m，圈定漏斗中心區(qū)面積3 400 km2。平面范圍為以七星農(nóng)場(chǎng)、濃江農(nóng)場(chǎng)、勝利農(nóng)場(chǎng)為頂角，底邊朝向東北、尖角朝向西南的“似三角形”，其底邊長(zhǎng)66 km、尖角高103 km。剖面形態(tài)為“平底鍋”狀，鍋底到鍋沿深5～6 m，鍋底到地面深15～16 m。

3.1.4 2019—2020年地下水位時(shí)空異變特征

沿襲2019年統(tǒng)測(cè)點(diǎn)，2020年3—4月同期完成研究區(qū)水位統(tǒng)測(cè)工作，據(jù)佳木斯氣象站觀測(cè)數(shù)據(jù)，2019年降水量達(dá)858.1 mm，為69 a（1951—2019年）來(lái)最大值，保證率1.4%，是多年平均降水量549.4 mm的1.6倍，為典型豐水年。

圖4 建三江墾區(qū)漏斗中心區(qū)地下水位多年動(dòng)態(tài)曲線Fig.4 Multi-year dynamic curve of groundwater levels in the central area of the Jiansanjiang groundwater level funnel

對(duì)比分析2019年和2020年同期水位統(tǒng)測(cè)數(shù)據(jù)，繪制2019—2020年地下水位變幅圖（圖3b）。由圖可知，除大興農(nóng)場(chǎng)，以建三江墾區(qū)邊界為界，西部平原及建三江墾區(qū)外圍區(qū)域地下水位上升，對(duì)比統(tǒng)測(cè)數(shù)據(jù)分析，集賢—友誼—寶清山前地段以及綏濱北部綏濱農(nóng)場(chǎng)等地，升幅達(dá)1.5 m，松花江下游富錦至同江段兩岸影響條帶，地下水位上升幅度最大接近2 m，撓力河下游北岸地表水影響條帶，地下水位上升幅度最大接近3 m，反映出該地區(qū)地下水位對(duì)豐水年的響應(yīng)較明顯，降水可有效增加補(bǔ)給地下水。東部建三江墾區(qū)大部分區(qū)域地下水位以下降為主，降幅在0.2～0.6 m，平均降幅0.3 m。對(duì)比20世紀(jì)80年代近似天然流場(chǎng)的地下水位，按照水位降深10 m，圈定2020年漏斗中心區(qū)，面積為3 518 km2，與2019年（漏斗中心區(qū)面積3 400 km2）相比，形態(tài)基本一致，面積增大118 km2。

3.2 原因分析

3.2.1 降水量影響分析

降水通過(guò)非飽和帶垂向入滲進(jìn)入含水層的過(guò)程屬于地下水的直接補(bǔ)給，是大多數(shù)地區(qū)地下水資源的重要組成部分[20-21]。本文利用三江平原代表西、東部的2個(gè)氣象站1951—2019年年降水量資料，繪制了全年降水量、多年平均值及線性趨勢(shì)線（圖5）。由圖可以看出，佳木斯站的多年平均降水量略大于建三江站多年平均降水量，2009年以后，多數(shù)年降水量大于多年平均值，屬于偏豐年；建三江雨量站自1999年以后，多數(shù)年降水量小于多年平均值，屬于偏枯年。章光新等[22]多年季節(jié)性降雨分析，三江平原地區(qū)的佳木斯站、富錦站及撫遠(yuǎn)站各站的雨季（5—10月）降雨量呈顯著下降趨勢(shì)，旱季（11—翌年4月）都呈上升趨勢(shì)，說(shuō)明旱季降水量增加，雨季減少。三江平原的水稻種植季節(jié)正好在雨季，地下水開采是水稻種植的主要水源，因此，地下水的開采強(qiáng)度必然隨氣候干旱的加劇而增大，一旦雨、旱季地下水受地層影響補(bǔ)給不暢，無(wú)法滿足采補(bǔ)平衡，地下水位必然連續(xù)下降。

3.2.2 降水入滲影響分析

（1）地層空間差異分析

圖5 年降雨量變化特征曲線Fig.5 Characteristic curve of the annual precipitation change

三江平原近地表土層結(jié)構(gòu)性質(zhì)差異明顯，具有“西砂、東黏”特點(diǎn)。受古地理環(huán)境和地質(zhì)作用影響，三江平原近地表土層結(jié)構(gòu)差異明顯，土層性質(zhì)截然不同。同江—富錦—寶清以西，近地表為砂土，厚度較小，透水性好，保水性差，雨水和地表水可直接下滲到地下水，地下水補(bǔ)給有利，工農(nóng)業(yè)開采地下水未引起水位明顯下降。說(shuō)明其開采量與補(bǔ)給量處于平衡狀態(tài)，即采補(bǔ)平衡。目前，砂土層結(jié)構(gòu)區(qū)的地下水位埋深，依然保持在3～5 m；以東為黏土，厚度較大，3～20 m，且連續(xù)分布，透水性差，保水性好，阻礙雨水和地表水下滲[23-24]，不利于地下水補(bǔ)給，當(dāng)?shù)叵滤_采量超過(guò)其補(bǔ)給量時(shí)，必然形成地下水虧損，引起地下水位下降。這是建三江墾區(qū)地下水位下降10 m，形成地下水漏斗的基本原理。

（2）年內(nèi)地下水時(shí)空動(dòng)態(tài)分析

為揭示三江平原不同地層結(jié)構(gòu)區(qū)地下水動(dòng)態(tài)空間變化規(guī)律，選用三江平原東西向7個(gè)典型國(guó)家地下水監(jiān)測(cè)點(diǎn)2019年1—10月逐天動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)點(diǎn)空間分布（圖1），編制了三江平原地下水埋深動(dòng)態(tài)變化曲線圖（圖6）?？梢悦黠@看出，以建三江墾區(qū)西部邊界線為界，東部地區(qū)監(jiān)測(cè)點(diǎn)地下水埋深介于15～25 m，西部地區(qū)地下水埋深介于0～10 m，東部地下水埋深年內(nèi)動(dòng)態(tài)變化幅度較西部地區(qū)明顯偏小，結(jié)合區(qū)域地層分布特點(diǎn)，說(shuō)明東部地區(qū)地層降水入滲系數(shù)較小，地下水受大氣降水影響程度偏小，地下水補(bǔ)給量小于開采量，地下水位在豐水期處于波動(dòng)下降狀態(tài)。

圖6 地下水埋深動(dòng)態(tài)變化曲線Fig.6 Dynamic variation curve of groundwater depth

4—5月地下水集中開采期間，除山前監(jiān)測(cè)點(diǎn)Ⅰ周圍為旱田，地下水埋深動(dòng)態(tài)保持相對(duì)穩(wěn)定，其他監(jiān)測(cè)點(diǎn)地下水埋深均呈不等幅度增大。地下水埋深增大幅度為0.57～6.03 m，西部平均增幅為3.19 m，最大增幅為6.03 m，東部平均增幅為0.67 m，最大增幅為0.72 m，西部地下水埋深增幅較東部整體偏大。

6—8月集中降雨期間，受降水入滲空間差異影響，西部地區(qū)地下水埋深波動(dòng)呈減小趨勢(shì)，東部地區(qū)呈平緩增大趨勢(shì)（表1），可以看出，西部平均減小幅度為4.002 m，東部平均增大幅度為0.055 m。

表1 6—8月地下水埋深增大幅度Table1 Depth of groundwater increased significantly from June to August

9—10月，隨著降水量的減少，西部地下水埋深呈平緩增大趨勢(shì)，平均增幅為0.61 m；隨著建三江墾區(qū)地下水開采量的減少及地下水側(cè)向補(bǔ)給的影響，東部地下水埋深呈平緩減小趨勢(shì)，平均減小0.16 m。

（3）年際地下水空間動(dòng)態(tài)分析

在2019年特豐水年影響下，2020年同期地下水位除三江平原東部建三江墾區(qū)大面積區(qū)域外，其余地區(qū)地下水均回升并超過(guò)2019年同期水位，從區(qū)域分布上看，升幅大于0.5 m區(qū)域，主要分布在河流影響帶地表水補(bǔ)給地下水區(qū)域和淺部砂土地層區(qū)域，地下水接受降水垂向入滲和河流側(cè)向徑流雙向補(bǔ)給；在地下水回升0～0.5 m區(qū)域，主要分布在西部砂土地層受垂向入滲補(bǔ)給區(qū)和建三江墾區(qū)外圍受側(cè)向徑流補(bǔ)給區(qū)；在建三江墾區(qū)超采區(qū)，垂向上受表層厚黏土層影響，降水垂向入滲受阻；平面上距河流側(cè)向影響帶較遠(yuǎn)，地下水側(cè)向徑流補(bǔ)給遲緩；加之地下水人工超采，因此，造成了即使在近70 a 一遇的特豐水年，該區(qū)地下水仍然無(wú)法實(shí)現(xiàn)以豐補(bǔ)欠自平衡狀態(tài)，年際地下水位仍處于下降趨勢(shì)。

3.3 水稻種植影響分析

自20世紀(jì)80年代，隨著三江平原農(nóng)業(yè)種植結(jié)構(gòu)的不斷調(diào)整，水稻種植面積由1986年的0.58×108km2發(fā)展到2018年的2.82×108km2，地下水開采量從1986年的5.99×108m3增加至2018年的8.55×109m3（據(jù)2017年水資源公報(bào)數(shù)據(jù)推算），2018年地下水開采量約為1986年的14倍。其中，建三江墾區(qū)從1996年后開始大面積種植水稻，當(dāng)年種植960 km2，到2018年種植面積達(dá)6 787 km2，是三江平原最大的水稻連片種植區(qū)，約占三江平原水稻種植面積的36%，其中，93.2%（6 327 km2）為井灌水田。水資源實(shí)際利用量約為32.5×108m3，農(nóng)業(yè)用水量3.24×109m3，占總用水量的99.7%；利用地下水2.824×109m3，占總用水量的88.49%。據(jù)文獻(xiàn)[25]，當(dāng)前建三江墾區(qū)地下水開采量超可開采量（11.08×108m3）的1.6倍。依據(jù)現(xiàn)狀下降速率估算，目前建三江墾區(qū)每年超采地下水存儲(chǔ)量5×108～1.0×109m3。因此，建三江墾區(qū)水稻的大面積連片種植，地下水超采是形成建三江墾區(qū)地下水位連續(xù)下降的主導(dǎo)因素。

4 結(jié)論

（1）近20余年來(lái)，三江平原建三江墾區(qū)水稻面積的快速擴(kuò)增、地下水超采是形成墾區(qū)地下水連續(xù)下降的主導(dǎo)因素?！拔魃啊|黏”的地層條件導(dǎo)致降雨入滲空間差異，是東、西部平原區(qū)地下水位降幅演化差異的影響因素。

（2）三江平原地下水超采集中于建三江墾區(qū)，水位降幅大于5 m的面積1.17×104km2，以降深10 m，圈定漏斗中心區(qū)面積3 400 km2。

（3）在建三江墾區(qū)超采區(qū)域，即使在特豐水年，地下水無(wú)法實(shí)現(xiàn)以豐補(bǔ)欠自平衡，因此建議盡快實(shí)施灌渠工程，充分利用灌渠直灌或蓄水補(bǔ)灌，實(shí)現(xiàn)地表水置換地下水的目的，同時(shí)開展地下水回灌與閾值研究，探索“春采夏補(bǔ)”的地下水人工回補(bǔ)途徑。