大規(guī)模開采條件下地下水位動(dòng)態(tài)特征與開發(fā)評(píng)價(jià)
——以山東雙村巖溶水系統(tǒng)為例

周亞醒，朱鳳娜，付一夫，陳 芳，許鶴鵬

(1.山東省魯南地質(zhì)工程勘察院(山東省地勘局 第二地質(zhì)大隊(duì))，山東 濟(jì)寧 272100；2.濟(jì)寧市巖溶地質(zhì)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 濟(jì)寧 272100)

21世紀(jì)以來隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展、人口的增加以及生活水平的不斷提高，人類對(duì)水資源的需求越來越大；地下水因分布范圍廣、使用方便、水質(zhì)優(yōu)良以及動(dòng)態(tài)要素穩(wěn)定等特點(diǎn)，成為工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和居民生活的主要供水水源。由于地下水資源的不合理開采，造成了區(qū)域性地下水水位持續(xù)下降、水質(zhì)惡化以及各類環(huán)境地質(zhì)問題，制約了地下水資源的可持續(xù)開發(fā)利用[1]。本文以山東雙村巖溶水系統(tǒng)為例，在長期監(jiān)測數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，詳細(xì)刻畫地下水水動(dòng)力特征，分析大規(guī)模開采對(duì)含水系統(tǒng)的影響，旨在為地下水資源的合理調(diào)控提供依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

雙村巖溶水系統(tǒng)地處山東省西南部，以奧陶紀(jì)馬家溝群灰?guī)r為主要含水介質(zhì)，是典型的單斜構(gòu)造型巖溶水系統(tǒng)，該含水系統(tǒng)地下水資源豐富，是區(qū)內(nèi)工業(yè)生產(chǎn)、居民生活以及農(nóng)業(yè)灌溉的主要供水水源，為中國北方特大型巖溶水源地。1985年，鄒縣電廠一號(hào)機(jī)組建成投產(chǎn)，區(qū)內(nèi)第一個(gè)集中供水水源地開始運(yùn)行，全區(qū)開采量達(dá)到6.48×104m3/d[2]，之后隨著雙村、太陽紙業(yè)、北亢阜、謝莊、兩城、西毛堂等多個(gè)水源地建成運(yùn)行，現(xiàn)狀開采量已達(dá)39.848×104m3/d(2017年)。自20世紀(jì)70年代起，研究區(qū)先后開展了多期水文地質(zhì)勘查和長期地下水動(dòng)態(tài)監(jiān)測工作，為本研究提供了詳細(xì)的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

2 巖溶水水動(dòng)力特征

雙村巖溶水系統(tǒng)在大氣降水、地下水開采和自身調(diào)節(jié)的共同作用下[3]，經(jīng)歷了自然均衡、采補(bǔ)均衡和超采等3個(gè)不同的時(shí)期。

2.1 自然均衡期水動(dòng)力特征

1986年以前，巖溶地下水開采量較小，平均開采量約2×104m3/d，水位標(biāo)高在33～35 m(圖1)，地下水由南北兩側(cè)向白馬河徑流，以淵源泉和兩城泉排泄為主，在黃路屯—泉上西南地段巖溶水水位高出孔隙水水位0.15～1.56 m，巖溶水向上層孔隙水頂托排泄，最終在馬坡鎮(zhèn)向西南方向排泄于南四湖(圖2)。該階段降水量是控制巖溶地下水動(dòng)態(tài)變化的主導(dǎo)因素，巖溶水系統(tǒng)處于自然均衡狀態(tài)。

圖1 自然狀態(tài)下的巖溶水水位動(dòng)態(tài)特征

圖2 自然狀態(tài)下的巖溶地下水流場

2.2 采補(bǔ)均衡期水動(dòng)力特征

1986—2007年，隨著巖溶水開采量的逐漸增加至逐步穩(wěn)定，研究區(qū)水動(dòng)力場經(jīng)歷了水位降落漏斗形成、發(fā)展和穩(wěn)定的發(fā)展過程。

該階段巖溶水水位多年動(dòng)態(tài)基本平衡(圖3)，最高水位在30 m左右波動(dòng)，但年內(nèi)水位變幅較大，尤其在2002—2004年特枯年、特豐年的銜接年份，最低水位14.42 m，最高水位31.65 m，水位變幅17.23 m，說明該含水系統(tǒng)連通性好、調(diào)節(jié)能力較強(qiáng)。1986—1988年巖溶水開采量相對(duì)較小，平均開采量5.76×104m3/d，初步形成了以唐村鎮(zhèn)駐地為中心，泉上、黃路屯一帶為邊緣的降落漏斗，水位標(biāo)高31.6 m，水位下降幅度不大(圖4)；該階段巖溶水水位低于孔隙水水位，不再向上層孔隙水頂托排泄，巖溶水開采襲奪了大部分的泉排泄量和向上層孔隙水的頂托排泄，降水量仍是控制巖溶水動(dòng)態(tài)變化的主導(dǎo)因素[4]。1989—1997年為漏斗發(fā)展期，此時(shí)的巖溶水開采量呈階梯式增加，水位動(dòng)態(tài)表現(xiàn)為下降幅度增大、漏斗加深、影響范圍擴(kuò)大(圖4)。在1998—2007年，多年平均開采量25×104m3/d，逐漸形成了以唐村、雙村為漏斗中心[5]，以夾道、石墻鎮(zhèn)為邊緣的較為穩(wěn)定的地下水流場，水位標(biāo)高26 m，與自然狀態(tài)相比下降約8 m(圖4)。通過自身調(diào)節(jié)，在襲奪泉流量、激發(fā)上層孔隙水越流補(bǔ)給、地表水補(bǔ)給以及側(cè)向徑流補(bǔ)給的共同作用下，雙村巖溶水系統(tǒng)建立了新的補(bǔ)徑排平衡。

圖3 采補(bǔ)均衡下的巖溶水水位動(dòng)態(tài)特征

2.3 超采期水動(dòng)力特征

該階段巖溶水水位多年持續(xù)下降(圖5)，巖溶水水位由27.60 m(2008年)下降至在1.82 m(2017年)，水位降幅25.78 m，巖溶地下水處于超采狀態(tài)。2008年以來，巖溶水開采量明顯增加，平均開采量達(dá)到30.2×104m3/d，同時(shí)在多個(gè)集中供水水源地相互疊加作用下，巖溶水水位整體平盤下降，漏斗邊緣擴(kuò)散至系統(tǒng)邊界，水位標(biāo)高15 m，與自然狀態(tài)相比下降約20～25 m(圖6、圖7)。此時(shí)，巖溶水系統(tǒng)開采量大于各項(xiàng)補(bǔ)給量之和，系統(tǒng)在消耗靜態(tài)水資源量。因此開采量是控制巖溶水水位的主要因素，降水具有一定的調(diào)節(jié)作用。

圖5 超采期巖溶水水位動(dòng)態(tài)特征

圖6 超采期巖溶地下水流場

圖7 巖溶水水位下降趨勢剖面圖

3 含水系統(tǒng)變化特征

大規(guī)模開采條件下，巖溶水水位下降、水位降落漏斗形成、水位變化幅度增大，含水系統(tǒng)的補(bǔ)徑排特征變化明顯[6]，主要表現(xiàn)為巖溶地下水補(bǔ)給增加、地下水自然排泄量減少以及地下水徑流條件的改變。水動(dòng)力條件的改變使得巖溶含水系統(tǒng)的自我調(diào)節(jié)能力增強(qiáng)等[2],控制開采是解決巖溶水水位持續(xù)下降的有效途徑[7]。

(1)降水入滲補(bǔ)給增加。大規(guī)模開采使得巖溶水水位下降，裸露巖溶區(qū)可接收更多的降水入滲補(bǔ)給，降水入滲系數(shù)由初期的0.206提高到了0.248。

(2)孔隙水越流補(bǔ)給增加。越流量與第四系孔隙水和巖溶水的水位差成正比。2008年以來，隨著開采量的增加、巖溶水水位下降，水位差由16 m增至37 m(圖8)，表現(xiàn)為上層孔隙水向下層巖溶水的越流補(bǔ)給增加。

圖8 超采期巖溶水、孔隙水水位對(duì)比圖

(3)河流滲漏補(bǔ)給增加。隨著巖溶水開采量的不斷增加，巖溶水水位逐漸下降，2008年以來由低于河水位1 m增至15 m(圖9),從而激發(fā)了河水對(duì)巖溶水的滲漏補(bǔ)給。

圖9 超采期巖溶水、河水水位對(duì)比圖

(4)自然排泄量減少。自然狀態(tài)下，巖溶地下水在淵源泉和兩城泉以泉的形式排泄，并在泉上以南地段向上頂托補(bǔ)給孔隙地下水；隨著開采量的增加和巖溶水水位下降，含水系統(tǒng)不再以泉和向上層孔隙水的頂托排泄。

(5)改變了地下水水力坡度和徑流方向。自然狀態(tài)下，地下水由南北兩側(cè)向白馬河徑流，水力坡度平緩為0.09‰；開采條件下，地下水漏斗中心徑流，水力坡度增至0.15‰。巖溶水水力坡度的增大使碳酸鹽巖溶蝕作用增強(qiáng)、巖溶含水介質(zhì)再造，巖溶水再生能力增強(qiáng)。

4 結(jié)論與開發(fā)評(píng)價(jià)建議

(1)受大氣降水、越流補(bǔ)給、地下水開采和自身調(diào)節(jié)的共同影響，雙村巖溶水系統(tǒng)經(jīng)歷了自然均衡、采補(bǔ)均衡和超采等3個(gè)不同的時(shí)期。

(2)大規(guī)模開采條件下，大氣降水、地表水、孔隙地下水與巖溶地下水的補(bǔ)排關(guān)系轉(zhuǎn)化明顯，主要表現(xiàn)為降水入滲補(bǔ)給、孔隙水越流補(bǔ)給、地表水滲漏補(bǔ)給的增加，以泉排泄和向孔隙地下水頂托排泄的減少。

(3)大規(guī)模開采條件下，碳酸鹽巖溶蝕作用增強(qiáng)、巖溶含水介質(zhì)再造，雙村巖溶水系統(tǒng)的自我調(diào)節(jié)能力增強(qiáng)。

(4)隨著開采量的增大，制約巖溶地下水動(dòng)態(tài)變化的主導(dǎo)因素由降水逐漸轉(zhuǎn)化為降水、開采、河(湖)水水位，最后變?yōu)橐蚤_采為主導(dǎo)。

(5)從多年水位動(dòng)態(tài)特征來看，當(dāng)開采量≤25×104m3/d時(shí)，含水系統(tǒng)處于多年動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài)。因此，筆者認(rèn)為雙村巖溶水系統(tǒng)可采資源量為25×104m3/d較為合理。