南水北調(diào)中線河南省受水區(qū)淺層地下水水位演化規(guī)律

景兆凱，燕 青，肖 航，王盼盼，王 歡，李 洋

南水北調(diào)中線河南省受水區(qū)淺層地下水水位演化規(guī)律

景兆凱1，燕 青2，肖 航2，王盼盼1，王 歡1，李 洋2

(1. 河南省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局第二地質(zhì)環(huán)境調(diào)查院，河南 鄭州 450053；2. 河南省水文水資源局，河南 鄭州 450003)

南水北調(diào)中線工程供水后對河南省受水區(qū)淺層地下水位、用水結(jié)構(gòu)等產(chǎn)生了重要影響。首先回顧了河南省平原區(qū)以往地下水位埋深變化，并通過收集、統(tǒng)計2008—2018年河南省受水區(qū)淺層地下水位的監(jiān)測成果，基于ArcGIS軟件，針對南水北調(diào)中線供水前后河南省受水區(qū)淺層地下水位變化進行量化分區(qū)；結(jié)合降水量、地下水資源量、供水量等資料對供水前后河南省受水區(qū)用水結(jié)構(gòu)變化等進行分析。結(jié)果表明：自20世紀(jì)60年代至2008年，河南省平原區(qū)淺層地下水位平均埋深整體逐漸增加；河南省受水區(qū)地下水資源量隨降水量增加呈線性增加趨勢；南水北調(diào)中線一期供水后，2015—2018年平均地下水供水量在地下水資源量中的占比較2008—2014年減少9.55%；受水區(qū)淺層地下水位有所回升，且主要體現(xiàn)在埋深>8～12 m范圍向埋深>4～8 m及≤4 m范圍的轉(zhuǎn)變，埋深>12～16 m及>16～20 m范圍在受水前后基本保持不變，埋深>20 m的區(qū)域范圍有所減少；2008—2014年各監(jiān)測點分布縣區(qū)的淺層地下水位呈下降趨勢，2015—2018年供水期間有2/3以上縣區(qū)淺層地下水位逐漸恢復(fù)；農(nóng)林漁業(yè)用水和工業(yè)用水占比在供水后均有所減小，城鄉(xiāng)生活、環(huán)境綜合用水占比增加明顯。研究結(jié)果表明南水北調(diào)中線工程對河南省受水區(qū)淺層地下水位恢復(fù)及緩解供水矛盾問題等產(chǎn)生積極有效的影響。

南水北調(diào)中線；河南?。粶\層地下水；受水區(qū)；地下水資源

南水北調(diào)中線干線工程是國家南水北調(diào)工程的重要組成部分，是緩解我國黃淮海平原水資源嚴(yán)重短缺、優(yōu)化配置水資源的重大戰(zhàn)略性基礎(chǔ)設(shè)施，受水區(qū)之一的河南省雖然地跨海河、黃河、淮河、長江四大水系，但人均水資源占有量僅為全國平均水平的1/5。河南省以不足全國0.5%的水資源，承載著全國約7%的人口、10%的糧食生產(chǎn)和5%的GDP，是我國水資源供需矛盾最突出、用水競爭最強烈、地下水位下降較嚴(yán)重的地區(qū)之一[1-5]。尤其在豫北一帶，如鶴壁、新鄉(xiāng)、焦作、濮陽、安陽等地[6-7]，多年地下水供水量均大于地下水資源量，地下水嚴(yán)重超采，且引發(fā)一系列環(huán)境地質(zhì)問題，如地面沉降和地裂縫等，在安陽、濮陽等地的部分地區(qū)淺層地下水位埋深已超過20 m[8-10]。

相關(guān)研究[11-15]表明，南水北調(diào)工程通水以后可以有效緩解受水區(qū)地下水位下降、地面下沉、水質(zhì)惡化等問題：馮忠倫等[11]針對南水北調(diào)輸水對梁濟運河區(qū)域地下水位的影響進行研究，并指出南水北調(diào)東線供水后，輸水減弱并超過降水對地下水水位變幅影響的關(guān)聯(lián)度；南水進京后，典型區(qū)域地下水在回灌條件下水位恢復(fù)較快，地面沉降速率得到減緩，停止回灌水位仍可能出現(xiàn)下降現(xiàn)象[12-13]；預(yù)測研究表明淺層地下水位整體上升后，水質(zhì)逐漸向鹽化方向發(fā)展，水位恢復(fù)對地下水漏斗區(qū)域水質(zhì)改善具有一定積極作用[14]；張雪等[15]指出，2018 年 12 月，海河流域南水北調(diào)受水區(qū)的淺層地下水水位比 2014年12月平均回升僅0.46 m左右，回升區(qū)域僅占整個受水區(qū)的 27.6% 左右，由此可見，受水區(qū)地下水位在補水后不一定馬上恢復(fù)。

南水北調(diào)中線工程河南省干線總長731 km，設(shè)計補水量為37億m3/a，受水區(qū)內(nèi)有11個省轄市和32個縣城(其中縣級市有7個)。受水區(qū)沿總干渠呈帶狀分布，南部南陽盆地屬長江漢水流域；方城以北、黃河以南屬淮河流域，為山前丘陵區(qū)和淮北平原區(qū)；黃河以北屬黃、海河流域太行山前沖積平原。2014年底河南省正式產(chǎn)生補水，截至2018年底，已累計補水64.23億m3，受水期間受水區(qū)沿線地下水位變化未見分析報道，其用水結(jié)構(gòu)變化等也未進行系統(tǒng)分析。

筆者通過收集、統(tǒng)計、分析2008—2018年河南省受水區(qū)淺層地下水位的監(jiān)測成果，對受水區(qū)地下水位在受水前后的埋深變化規(guī)律進行分析；結(jié)合河南省2008—2018年間降水量，對南水北調(diào)供水后的地下水資源量、供水量及其結(jié)構(gòu)等進行分析，分析結(jié)果將為研究南水北調(diào)中線工程河南段供水后對受水區(qū)地下水的抽采、地下水位的恢復(fù)、供水結(jié)構(gòu)等產(chǎn)生的影響具有重要指導(dǎo)意義。

1 河南省平原區(qū)淺層地下水位變化(1964—2008年)

國土資源部(原地質(zhì)礦產(chǎn)部)自20世紀(jì)60年代中期已經(jīng)開展河南省平原區(qū)淺層地下水位動態(tài)監(jiān)測工作，初期監(jiān)測點少，自1972年開展了全省區(qū)域性監(jiān)測，截至2008年，國土及水利部門在全省共設(shè)有1 300余個監(jiān)測點，監(jiān)測面積10.86萬km2，主要控制平原、崗區(qū)，且以淺層地下水為主。平原區(qū)監(jiān)測面積達7.9萬km2，占區(qū)域監(jiān)測總面積的74%。自1964年以來，平原區(qū)淺層地下水水位埋深逐漸增加，埋深≤4 m的面積逐漸減小[1-3]：20世紀(jì)60年代中期以前，85%以上區(qū)域水位埋深在4 m以淺，最大埋深小于8 m；70年代中期，地下水位埋深≤4 m區(qū)域仍占83%，最大埋深不超過16 m；20世紀(jì)80年代末，埋深≤4 m的區(qū)域縮小至48.6%，豫北大部分埋深大于16 m；20世紀(jì)90年代末，水位埋深≤4 m區(qū)域面積進一步減小至37.3%，埋深4～8 m區(qū)域面積最大，平均埋深為6.68 m，局部地區(qū)埋深達22 m，具體數(shù)據(jù)見表1。21世紀(jì)后，社會各界保護地下水意識有所增強，在科學(xué)管理提高水資源整體效益、控制地下水開采、開辟新水源、人工補給地下水等措施實施下，2010年水位埋深≤4 m區(qū)域在35%，全省平原區(qū)地下水位平均埋深5.74 m，有所回升。

表1 河南省平原區(qū)淺層地下水位不同埋深的面積占比(1964—2008)[1-4]

河南省平原區(qū)淺層地下水位埋深如圖1所示， 1964—2008年4 m以淺區(qū)域呈快速減小趨勢，8 m以淺區(qū)域也呈緩慢減小的規(guī)律。

圖1 河南省平原區(qū)淺層地下水位埋深0～4 m及0～8 m區(qū)域面積占比變化

河南省四大流域平原區(qū)淺層地下水位埋深變化如圖2所示，可以看出，淮河流域、長江流域安陽盆地、黃河流域、海河流域平原區(qū)淺層地下水位平均埋深依次增加；1980—2008年，海河、黃河、淮河、長江流域地下水位平均埋深均增加，分別增加7.25、3.14、0.39、1.45 m。

由此可見，自20世紀(jì)60年代至2008年，河南省平原區(qū)淺層地下水位平均埋深增加，海河流域淺層地下水位埋深增加幅度最大，其次為黃河流域；地下水位埋深8 m以淺區(qū)域快速減少，4 m以淺的區(qū)域也在緩慢減少。

2 供水前后河南省受水區(qū)供水結(jié)構(gòu)及淺層地下水位變化特征

南水北調(diào)中線工程自2014年底正式為河南省供水，初始供水量沒有達到設(shè)計補水量的37億m3/年，2015至2018年供水量逐年增加，分別增加9.13、13.30、18.60、23.20億m3/a，分別占河南省社會經(jīng)濟總用水量的4.3%、6.2%、8.5%、11.4%[5]。供水后，受水區(qū)沿線用水結(jié)構(gòu)、地下水開采量等發(fā)生一定程度變化，一定程度上有效緩解了受水區(qū)用水供需矛盾的問題。

圖2 河南省四大流域平原區(qū)地下水埋深變化過程[2]

2.1 降水量、地下水資源量及供水量

根據(jù)河南省水資源公報[16]，2008—2018年南水北調(diào)中線河南省受水區(qū)年平均降水量在536.6～852.1 mm，地下水資源量在80.447～117.847 億m3/a，如圖3a所示；地下水資源量隨降水量增加呈線性增加關(guān)系，如圖3b所示。2015年前，地下水供水量在87.471～94.154億m3/a，占地下水資源的80.440%～ 117.847%，平均為96.65%；2012—2014年為相對枯水年，年降水量較少，地下水供水量占地下水資源量的103.45%～117.04%，地下水超采較為嚴(yán)重，如圖4、圖5所示。

南水北調(diào)中線一期供水后，地下水供水量占地下水資源量的50.61%～97.40%，平均為87.10%，較供水前的96.65%減少9.55%，地下水供水量均小于地下水資源量，地下水超采問題得到很大程度緩解。

圖3 降水量、地下水資源量及供水量變化

圖4 地下水資源量、供水量變化關(guān)系

2.2 用水結(jié)構(gòu)變化

河南省地下水資源主要用于農(nóng)林漁業(yè)用水、工業(yè)用水及城鄉(xiāng)生活、環(huán)境綜合用水幾個方面[11]，2008—2014年，受水區(qū)農(nóng)業(yè)用水占比在51.27%～ 58.20%，平均54.62%；工業(yè)用水占比在23.56%～ 26.65%，平均25.32%；城鄉(xiāng)生活、環(huán)境綜合用水，占比在18.23%～23.02%，平均20.06%；2015—2018年：農(nóng)業(yè)用水占比在51.25%～56.34%，平均53.48%，減少1.14%；工業(yè)用水占比在22.72%～25.01%，平均23.38%，減少1.94%；城鄉(xiāng)生活、環(huán)境綜合用水，占比在20.67%～25.94%，平均23.14%，較供水前增加3.08%，如圖6所示。

圖5 地下水供水量占地下水資源量比例

圖6 農(nóng)業(yè)、工業(yè)、城鄉(xiāng)生活及環(huán)境綜合用水比例變化

可以看出，南水北調(diào)中線供水前后，河南省受水區(qū)用水結(jié)構(gòu)發(fā)生小幅度變化，農(nóng)林漁業(yè)用水與工業(yè)用水占比略有減小，城鄉(xiāng)生活、環(huán)境綜合用水占比增加幅度較為明顯。

2.3 淺層地下水水位不同埋深分區(qū)及變化規(guī)律

根據(jù)南水北調(diào)中線一期河南省受水區(qū)分布范圍，對該區(qū)沿線內(nèi)淺層地下水位監(jiān)測井水位監(jiān)測信息進行收集分析，從大量數(shù)據(jù)中挑選2008—2018年間連續(xù)監(jiān)測地下水位井點153處?；诖罅繑?shù)據(jù)的統(tǒng)計、分析，利用ArcGIS軟件對受水區(qū)及其鄰近區(qū)地下水位進行不同埋深區(qū)域變化擬合分析，分析區(qū)總面積為81 947 km2，2008—2018年南水北調(diào)中線河南省受水區(qū)淺層地下水埋深分區(qū)結(jié)果如圖7所示。

圖7 河南省受水區(qū)淺層地下水位不同埋深分區(qū)變化(2008—2018年)

由圖7可以看出，南水北調(diào)中線河南段受水區(qū)沿線區(qū)域，海河流域、黃河流域及淮河流域北部、西部區(qū)域淺層地下水位埋深都在12 m以上，尤其在海河流域東北部、黃河流域北部的鶴壁市淇縣、?？h等區(qū)域，淺層地下水位埋深在20 m以深；淮河流域中南部、長江流域淺層地下水位埋深大都小于8 m，埋深≤4 m區(qū)集中在漯河市的臨潁，舞陽、郾城等區(qū)域。

2008—2018年淺層地下水位不同埋深區(qū)域占分析區(qū)總面積的比例變化情況如圖8所示，可以看出，2008—2014年，埋深4 m以下區(qū)域面積明顯減少，尤其在2012—2014年，最小值為0.4%，由圖3—圖5可以看出，該年間為枯水期，受水區(qū)正處于地下水供水量大于地下水資源量階段，屬于地下水超采期間；埋深20 m以上區(qū)域在2008—2011年持續(xù)增加，2011—2014年稍有回落；埋深>4～8 m區(qū)域波動性最大，分布所占比最大且在30%～60%波動；埋深>8～12 m區(qū)域在2008—2014年呈持續(xù)緩慢增加趨勢，基本與>4～8 m及≤4 m區(qū)域減小呈相對應(yīng)關(guān)系；埋深>12～16 m及>16～20 m區(qū)域基本穩(wěn)定不變。

圖8 淺層地下水不同埋深區(qū)域占比變化(2008—2018)

2014年底開始供水后，區(qū)內(nèi)淺層地下水埋深≤4 m區(qū)域呈增加趨勢，埋深>20 m的區(qū)域有所減少，埋深>8～12 m區(qū)域先增加后持續(xù)減小并向埋深>4～8 m區(qū)轉(zhuǎn)化，埋深>4～8 m范圍在前期減小后期持續(xù)增加；埋深>12～16 m及>16～20 m范圍在受水前后仍基本穩(wěn)定，沒有發(fā)生明顯變化。整體上看，南水北調(diào)中線補水后，河南省受水區(qū)淺層地下水位埋深有所減小，淺層地下水位有所回升，且主要體現(xiàn)在埋深>8～12 m范圍向埋深>4～8 m及≤4 m范圍轉(zhuǎn)變。

為進一步分析2008—2018年河南省受水區(qū)淺層地下水位的變化情況，以2008年各監(jiān)測點地下水位埋深數(shù)據(jù)為參考基數(shù)，其他各年份監(jiān)測點水位埋深數(shù)據(jù)與其對比，埋深增加為正數(shù)、埋深減少為負(fù)數(shù)，數(shù)值越大水位埋深增加越大，監(jiān)測點分布各縣區(qū)水位具體變化結(jié)果如圖9所示。

圖9 南水北調(diào)中線河南省受水區(qū)淺層地下水位波動情況

由圖9可以看出，2008—2014年，各監(jiān)測點淺層地下水位大部分呈埋深逐漸增加的趨勢，說明在地下水抽取等影響下淺層地下水位在下降；2015—2018年，受水區(qū)接受南水北調(diào)中線供水之后，除鄧州、滑縣、湯陰、中牟、武陟等5縣區(qū)淺層地下水位仍呈下降趨勢外，其他10縣區(qū)(占總監(jiān)測區(qū)縣的2/3)淺層地下水位均呈轉(zhuǎn)折性回升趨勢或基本不再下降，淺層地下水位埋深逐漸減小或相對穩(wěn)定。

將所統(tǒng)計縣區(qū)2015—2018年地下水位變化數(shù)據(jù)分別進行線性擬合，各擬合曲線的斜率平均值為–0.06，小于0，說明南水北調(diào)中線河南省受水區(qū)淺層地下水位整體呈緩慢恢復(fù)的趨勢，南水北調(diào)中線供水對河南省受水區(qū)淺層地下水位恢復(fù)產(chǎn)生積極的影響。

3 結(jié)論

a. 河南省受水區(qū)地下水資源量隨降水量呈線性關(guān)系增加；南水北調(diào)中線一期供水后，地下水供水量占地下水資源量較供水前減少9.55%，地下水超采問題得到很大程度緩解；用水結(jié)構(gòu)發(fā)生小幅變化，農(nóng)林漁業(yè)用水與工業(yè)用水占比略有減小，城鄉(xiāng)生活、環(huán)境綜合用水占比增加幅度較為明顯。

b.南水北調(diào)中線補水后，河南省受水區(qū)淺層地下水位埋深有所減小，淺層地下水位有所回升，且主要體現(xiàn)在埋深>8～12 m范圍向埋深>4～8 m及≤4 m范圍轉(zhuǎn)變，埋深>12～16 m及>16～20 m范圍在受水前后基本保持穩(wěn)定，埋深>20 m的區(qū)域有所減少；2014年底供水前各監(jiān)測點分布縣區(qū)淺層地下水位呈下降趨勢，供水后有2/3以上縣區(qū)淺層地下水位逐漸恢復(fù)。

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Evolution law of the phreatic aquifer water table in the water intake area of South-to-North Water Diversion Central Line in Henan Province

JING Zhaokai1, YAN Qing2, XIAO Hang2, WANG Panpan1, WANG Huan1, LI Yang2

(1. The Second Geological Environment Survey Institute, Bureau of Geology and Mineral Exploration and Development of Henan Province, Zhengzhou 450053, China; 2. Henan Province Bureau of Hydrology and Water Resources, Zhengzhou 450003, China)

The water supply of the South-to-North Water Diversion has presented a significant impact on the phreatic aquifer water table and the water consumption structure in the intake area of Henan Province. This paper firstly reviews the previous changes of groundwater level burial depth in the plain area of Henan Province, and by collecting and counting the monitoring results of shallow groundwater level in the receiving area of Henan Province from 2008 to 2018, we quantified and partitioned the changes of shallow groundwater level in the receiving area of Henan Province before and after the water supply of the South-to-North Water Transfer Central Line based on ArcGIS software. Then we analyzed the changes of water use structure in the receiving area of Henan Province before and after water supply by combining the information of rainfall, underground water resources and water supply. The results show that from the 1960s to 2008, the average buried depth of shallow groundwater in plain area of Henan Province has gradually increased; the groundwater resources increased linearly with the increase of precipitation. The average groundwater output from 2015-2018 is reduced by 9.55% compared with that of 2008-2014 due to South-to-North Water Diversion Project on Henan section. The phreatic aquifer water table presents recovery, with the area of phreatic line depth of >8-12m changing into >4-8 m and ≤4 m. The area of phreatic line depth of >2-20 m remains at stable, and the area of phreatic line depth larger than 20 m reduces gradually. The phreatic aquifer water tables in the monitoring points area showed a downward trend before the water supply, which presented a gradually recovery after the water supply in more than 2/3 of the counties. The proportion of water used for agriculture, forestry and fishery and industrial use decreased after the water supply, while the proportion of water used for urban and rural living and environmental integration increased significantly. The research results indicate that the South-to-North Water Diversion Project has a positive and effective impact on the restoration of shallow groundwater level in the receiving area of Henan Province and the alleviation of water supply contradiction problems.

South-to-North Water Diversion Central Line; Henan Province; phreatic aquifer; intake area; groundwater resources

語音講解

P641

A

1001-1986(2021)06-0230-07

2021-05-10；

2021-09-01

景兆凱，1979年生，男，河南鄭州人，高級工程師，從事水文地質(zhì)、工程地質(zhì)、環(huán)境地質(zhì)和地下水監(jiān)測等領(lǐng)域的生產(chǎn)研究工作. E-mail：hndkjjzk@163.com

王盼盼，1989年生，女，河南鄭州人，工程師，從事水文地質(zhì)、工程地質(zhì)、環(huán)境地質(zhì)等方面的生產(chǎn)研究工作. E-mail：panpan26@163.com

景兆凱，燕青，肖航，等. 南水北調(diào)中線河南省受水區(qū)淺層地下水水位演化規(guī)律[J]. 煤田地質(zhì)與勘探，2021，49(6)：230–236. doi: 10.3969/j.issn.1001-1986.2021.06.027

JING Zhaokai，YAN Qing，XIAO Hang，et al. Evolution law of the phreatic aquifer water table in the water intake area of South-to-North Water Diversion Central Line in Henan Province[J]. Coal Geology & Exploration，2021，49(6)：230–236. doi: 10.3969/j.issn.1001-1986.2021.06.027

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(責(zé)任編輯 周建軍)