魯西北平原地下水資源評價與可開采潛力分析

周錫博，王曉瑋，崔吉瑞

(1.中國地質大學(北京)，北京 100083；2.山東省國土空間生態(tài)修復中心，山東 濟南 250014)

山東省魯西北平原地下水資源豐富，開采條件好。但是20多年來，隨著社會經(jīng)濟的快速發(fā)展，生活用水量越來越大，魯西北平原地下水開采迅猛增加，由于人為作用的原因，地下水被超量開采，引起了一系列的水文地質條件的變化，并且產(chǎn)生了諸多的地下水環(huán)境的負效應[1]，比如地面沉降以及咸水入侵等問題。因此在地下水開采前進行可開采潛力分析是至關重要的，合理地評價、分析區(qū)域地下水資源及可開采潛力，是保證區(qū)域地下水可持續(xù)利用的研究基礎，也是指導區(qū)域合理規(guī)劃、配置水資源的理論基礎[2-3]。，同時對于今后的地下水資源的開發(fā)和管理也具有重要意義。

圖1 研究區(qū)位置圖

1 研究區(qū)域概況

魯西北平原由黃河泛濫沖積而成，是華北平原的組成部分，包含海河流域、黃河流域與淮河流域三大流域。東與膠萊平原相接，包括菏澤市、聊城市、德州市、濱州市、東營市的全部、濟寧市大部份、泰安市一部分。海拔大多在50 m以下，面積約5.21×104km2，占全省總面積的34%。屬于暖溫帶半濕潤季風氣候區(qū)，西部受大陸季風氣候制約，冬冷夏熱。平均氣溫在11.7℃～14.5℃之間，由西南向東北氣溫逐漸遞減。受季風和地形地貌影響，降水趨勢由北而南遞增。據(jù)1951-2020年降水觀測資料統(tǒng)計，魯西北平原各地市多年平均降水量為500～700 mm，是全省年均降水量最小的地區(qū)。該研究區(qū)的水文地質條件較為復雜，該區(qū)為華北臺坳的一部分，新生代以來一直緩慢下沉，沉積了巨厚的新近系、古近系和第四系松散堆積層，第四系及新近系含水砂層發(fā)育，各地厚度的差異受燕山期運動形成的一系列坳陷和隆斷控制，坳陷區(qū)沉積厚度大，含水砂層厚，顆粒較粗，為深層孔隙水的富水地帶，隆斷區(qū)地下水的賦存條件相對次之。淺部由于黃河歷史上的多次改道和強烈的淤積形成了多條近于平行的條帶狀砂層集中分布的古河道帶，為淺部地下水賦存的良好場所，且黃河在我省境內為地上河，地下水除大氣降水補給外，可得到黃河水的大量側滲補給，形成古河道淺層淡水的富水帶。山東省地下水含水層按巖性、地下水賦存條件、水理性質及其水力特征劃分為四大類型，即松散巖類孔隙水、碎屑巖類孔隙裂隙水、碳酸鹽巖類裂隙巖溶水、基巖裂隙水。而魯西北平原的地下水類型較為單一主要為松散巖類孔隙水含水巖組，而且含水層厚度大，水量豐富，單井涌水量大于500 m3·d-1屬于富水地段。

2 研究方法

目前，地下水資源量的常用計算方法主要包括解析法、數(shù)值法、水均衡法等。其中水均衡法具有原理簡單，可操作性強，并且能利用區(qū)域長系列動態(tài)資料等優(yōu)點，適合于魯西北平原地下水資源量的計算。水均衡法的原理是質量和能量守恒定律，在一個均衡期內地下水補給量和排泄量的差值為該均衡區(qū)內含水層中地下水存儲量的變化量[9]。

通過搜集2000-2019年的地下水資源評價相關資料及數(shù)據(jù)，采用均衡法，均衡期為2000-2019年，水均衡方程式為

μF=(Q補-Q排)

(1)

式中：μ為含水層的平均給水度；F為均衡區(qū)面積，km2；Δt為計算時段(或均衡期)，a;ΔH為在時段內含水層水位的平均變幅，m；Q補為含水層補給量，104m3·a-1；Q排為含水層排泄量，104m3·a-1。

地下水可開采潛力分析以開采潛力指數(shù)作為評判依據(jù)，計算公式如下：

P=Q可開采資源/Q現(xiàn)狀開采量

(2)

式中：P為開采潛力指數(shù)；Q可開采資源為地下水可開采資源量，104m3·a-1；Q現(xiàn)狀開采量為地下水現(xiàn)狀開采量，104m3·a-1；P值的判別指標:P>1.2有開采潛力，可擴大開采；1.2≥P≥1.0采補平衡區(qū)；P<1.0潛力不足，已超采。

本研究中采用的2019年降雨量和蒸發(fā)量數(shù)據(jù)來自于山東省氣象局，開采量和用水量數(shù)據(jù)主要參考2015-2018年山東省及各地市水資源公報，地下水位數(shù)據(jù)來自于山東省國家地下水監(jiān)測工程、省級地下水監(jiān)測工程以及流域地下水統(tǒng)測數(shù)據(jù)等。

3 地下水資源量

地下水資源量計算涉及水文地質參數(shù)確定、地下水補給量和排泄量計算；地下水開采潛力計算包括富水地段地下水可開采量和現(xiàn)狀開采量計算。

3.1 水文地質參數(shù)

本研究區(qū)水文地質參數(shù)是根據(jù)綜合分析2002年山東省地下水資源評價報告與魯西北平原地區(qū)野外調查獲取的數(shù)據(jù)資料以及前人調查研究該區(qū)域所得到的水文地質資料確定，本文重點介紹大氣降水入滲系數(shù)和潛水蒸發(fā)系數(shù)。

3.1.1 大氣降水入滲系數(shù)

大氣降水入滲系數(shù)是求取降水入滲補給量的重要參數(shù)，由于山東省降水入滲補給量占地下水總補給量的80%以上，因此對于降水入滲系數(shù)的求取非常重要。降水入滲補給量主要受到水位埋深、包氣帶巖性、地形地貌以及降水特征等因素影響。利用區(qū)域地質調查資料和均衡試驗場資料以及降水量數(shù)據(jù)求得大氣降水入滲系數(shù)，數(shù)值見表1。

3.1.2 潛水蒸發(fā)系數(shù)

潛水蒸發(fā)系數(shù)的大小主要取決于氣候因素和潛水水位埋深，其次受包氣帶巖性和植被發(fā)育等情況的影響。根據(jù)長期的野外觀測數(shù)據(jù)可知，魯西北平原區(qū)在水位埋深4.0～8.0 m的區(qū)域潛水蒸發(fā)系數(shù)已經(jīng)很小，大于8.0 m時潛水蒸發(fā)系數(shù)基本為0。潛水蒸發(fā)系數(shù)公式[10]為

(3)

式中：Eg為地下水蒸發(fā)強度，m·a-1；E0為水面蒸發(fā)強度，m·a-1；d0為地下水蒸發(fā)極限埋深，m；d為地下水位埋深，m；n為蒸發(fā)指數(shù)。潛水蒸發(fā)系數(shù)見表2。

表1 魯西北平原大氣降水入滲系數(shù)計算表

表2 魯西北平原潛水蒸發(fā)系數(shù)計算表

3.2 地下水補給量計算

魯西北平原地下水的補給量主要來自于大氣降水入滲補給、地表水體補給、渠灌和井灌田間入滲補給以及側向流入補給，其中占比最高的是降水入滲。地下水補給量及后續(xù)計算的排泄量、可開采量的均衡期為2019年。

3.2.1 大氣降水入滲量

計算公式為

Q入滲=a·P·A

(4)

式中：Q入滲為大氣降水入滲量，104m3· a-1；a為大氣降水入滲系數(shù)；P為年度降水量，m。A為計算區(qū)降雨入滲面積，km2。

經(jīng)過計算平原區(qū)在2019年6月-2020年5月的大氣降水入滲量為104.97×108m3。

3.2.2 地表水體補給量

在對地表水與地下水的補排關系分析后，確定出地表水補給地下水的地段，采用水文分析法計算。根據(jù)水文站徑流量測量資料和渠首計量資料，對境內主要河道、渠系等進行水文均衡分析。

計算公式為

Q表補=M·(Q上站-Q下站)

(5)

式中：Q上站為上游斷面測流/計算水量(104m3a-1)；Q下站為下游斷面測流/計算水量(104m3a-1)；經(jīng)過計算平原區(qū)地表水體補給量為6.13×108m3。

3.2.3 渠灌和井灌田間入滲補給量

渠灌田間入滲補給量是地表水通過農(nóng)渠、毛渠灌溉時經(jīng)過包氣帶入滲補給地下水的量。井灌田間回歸補給量是指抽取地下水灌溉后經(jīng)過包氣帶入滲補給地下水的量。計算公式為

Q渠回=β·Q渠灌量

(6)

Q井回=β·Q井灌量

(7)

式中：β為田間入滲補給系數(shù)；Q渠灌量為地表輸水灌溉水量(104m3a-1)；Q井灌量為地下水灌溉水量(104m3a-1)。經(jīng)過計算平原區(qū)渠灌田間入滲補給量為3.88×108m3，井灌回歸補給量為2.24×108m3。

3.2.4 側向流入量

山前沖洪積平原上游的含水層多由粗砂、卵礫石組成，滲透性好，而且水力坡度較大，具有接收山區(qū)側向補給的良好條件。側向徑流補給主要來源于山前地區(qū)的非河谷潛流(包括水庫側滲)和部分地段的巖溶水，另外，在平原區(qū)的邊界處也有側向流入。

計算公式為

Q側入=K·I·L·H·T·10-4

(8)

式中：K為含水層加權平均滲透系數(shù)，m d-1；I為計算斷面水力坡度；L為計算斷面長度，m；H為含水層平均厚度，m；T為計算時段長度，d；經(jīng)過計算魯西北平原區(qū)側向流入量為2.36×108m3。

3.3 地下水排泄量計算

3.3.1 地下水開采量

淺層地下水的開采以農(nóng)業(yè)開采和和生態(tài)用水為主，其它用途還包括局部的工業(yè)開采和生活開采。本次開采量的數(shù)據(jù)主要參考2015-2018年各地市水資源公報提供的縣區(qū)淺層地下水開采量數(shù)據(jù)。魯西北平原區(qū)地下水開采量為65.56×108m3。

3.3.2 潛水蒸發(fā)量

計算公式為

Q蒸發(fā)=C·ε0·F

(9)

式中：C為潛水蒸發(fā)系數(shù)；ε0為水面蒸發(fā)強度，m a-1；F為計算區(qū)面積，m2；經(jīng)過計算得到魯西北平原潛水蒸發(fā)量為46.96×108m3。

3.3.3 側向流出量

側向流出量包括河流側向流出和邊界處的側向流出，采用斷面法計算，計算公式為：

Q側出=K′·I′·L′·H′·T′·10-4

(10)

式中：K′為含水層加權平均滲透系數(shù)，m d-1；I′為計算斷面水力坡度，%；L′為計算斷面長度，m；H′為含水層平均厚度，m；T′為計算時段長度，d；側向排泄量參數(shù)選取同側向徑流入量。經(jīng)過計算可知魯西北平原側向流出量為6.23×108m3。

3.4 地下水可開采資源量計算

魯西北平原地下水可開采資源量計算采用開采系數(shù)法，公式如下：

Q可開采資源=Q補×a

(11)

式中：Q可開采資源為地下水可開采資源量，104m3·a-1；Q補為多年平均總補給量，104m3·a-1；a為開采系數(shù)。

魯西北平原區(qū)潛水含水層厚度較大，地下水位埋藏較淺，存儲量調節(jié)能力強，富含充足的淺層地下水，并且含水砂層厚，顆粒較粗，為深層孔隙水的富水地帶。故開采系數(shù)取值0.85。經(jīng)計算，魯西北平原可開采量為104.08×108m3·a-1。

3.5 地下水資源量特點

按照流域建立地下水均衡方程式進行計算，地下水資源量計算結果見表3。

表3 地下水均衡計算表 104m3·a-1

當ΔQ>0時為正均衡，地下水補給量大于排泄量，表現(xiàn)為地下水位上升；當ΔQ<0時為負均衡，地下水補給量小于排泄量，表現(xiàn)為地下水位下降；當ΔQ=0時，表示地下水補給量等于排泄量。

由以上計算結果可以看出在魯西北平原的三個地下水資源區(qū)中，海河地下水資源區(qū)和黃河地下水資源區(qū)在均衡期內均屬于負均衡，并且兩個地下水資源區(qū)的均衡差相差較大，其值分別為-8.19×108m3·a-1和-1.78×108m3·a-1，這表明兩個區(qū)域的地下水均呈現(xiàn)下降趨勢，而且海河流域的地下水位下降更為明顯。從表中可以看出海河流域的地下水開采和蒸發(fā)排泄是導致負均衡的主要因素，開采量占排泄量的29.75%，蒸散發(fā)量占排泄量的69.38%。側向流出量僅占0.87%，可以看出其對地下水的影響較小。而補給量的主要影響因素是降雨入滲，占到了總補給量的95.51%，表明該區(qū)域的補給量主要取決于降雨入滲量。對于黃河流域來說降雨入滲量占到了總補給量的51.20%，地表水補給和側向徑流補給共同占總補給量的42.05%，因此地表水補給和側向徑流補給對于黃河流域的地下水位動態(tài)影響與降雨入滲產(chǎn)生的影響同樣重要。從黃河流域的排泄項可以看出，地下水開采和蒸發(fā)排泄是影響排泄量的主要因素，開采量占排泄量的53.75%，蒸散發(fā)量占排泄量的32.72%。而淮河流域屬于正均衡，其值為147 094.81×104m3·a-1，表明這個區(qū)域的地下水位呈上升趨勢，從表中可以看出影響補給量的主要因素是降雨入滲，影響排泄量的主要因素是人為開采。

從整體分析可知，研究區(qū)在均衡期內總補給量為122.44×108m3·a-1，總補給量中大氣降水入滲量占85.73%，其他四項分別占5.58%(Q表補)、3.17%(Q渠灌)、1.83%(Q井灌)、3.70%(Q側向)；總排泄量為118.74×108m3·a-1，其中開采量和蒸發(fā)量兩項占主導地位，占總排泄量的94.75%，側向徑流排泄量僅占總排泄量的5.25%。補排差為4.74×108m3·a-1，即計算區(qū)地下水資源呈正均衡。說明多年來整體地下水處于緩慢上升狀態(tài)。

綜上，整個區(qū)域內地下水的主要補給方式為大氣降水補給，人工開采和蒸發(fā)排泄為主要的排泄方式，地下水實際開采量占到了總排泄量的55.21%。雖然整體魯西北平原的地下水補排差是處于正均衡的，但是海河流域和黃河流域都處于負均衡，而且海河流域的地下水開采量非常大，整個魯西北平原的地下水的排泄量在各個區(qū)域相差較大。因此在今后隨著補給量的基本不變的情況下，如何減少地下水的排泄量并是非常重要的。對于某些城市比如德州，地下水開采嚴重，已經(jīng)發(fā)生了嚴重的地面沉降，所以應盡快采取對于地下水的管控措施，減少開采量、定期回灌、應及時調整開采層位，而且要合理安排開采井的平面布局，并且要進一步建立完善的地下水監(jiān)測系統(tǒng)，每年都要在豐水期和枯水期進行觀測，而且部分地區(qū)地下水開采嚴重，已經(jīng)出現(xiàn)了海水入侵的問題，因此要定期進行地下水的水質檢測，必要時采取地下水回灌。

4 地下水開采潛力特點及原因

根據(jù)開采潛力計算方法和判別標準，魯西北平原按流域開采潛力計算結果見表4。

表4 魯西北平原各流域開采潛力指數(shù)表

從表4可知，魯西北平原地下水可開采資源量為104.08×108m3，現(xiàn)狀開采量為65.56×108m3。三個流域的開采潛力指數(shù)分別為2.40、1.41、1.33?？梢钥闯隹砷_采資源量與現(xiàn)狀開采量同時影響著可開采潛力。海河流域的開采潛力指數(shù)是三個流域中最大的，主要原因是海河流域的地下水的主要補給方式是大氣降水入滲補給，在豐水期降雨可以大量補給地下水，但是海河流域的開采潛力指數(shù)僅僅是2.40，主要是人工開采地下水導致現(xiàn)狀開采量較大。三個流域的潛力指數(shù)都大于1.2，表明各個富水地段地下水均有開采潛力，但是開采潛力都比較小，尤其淮河流域，開采潛力是最小的。主要原因是淮河流域的現(xiàn)狀開采量比較接近可開采資源量，導致開采系數(shù)較小。根據(jù)之前的均衡表的數(shù)據(jù)可以看出，只有淮河流域的地下水屬于正均衡狀態(tài)，海河流域和黃河流域都由于人工開采量和蒸發(fā)量過大導致排泄量大于補給量，地下水位呈現(xiàn)逐年下降趨勢。

5 結語

(1)通過水均衡法計算可知，在均衡期內總補給量為122.44×108m3·a-1，總排泄量為118.74×108m3·a-1，補排差為4.74×108m3·a-1，研究區(qū)地下水資源處于正均衡狀態(tài)，但是均衡差較小。其中海河流域和黃河流域均處于負均衡狀態(tài)，人工開采和蒸發(fā)是兩個區(qū)域呈現(xiàn)負均衡的主要因素，尤其海河流域人工開采量對于地下水的影響非常大。而淮河流域呈正均衡狀態(tài)，表明該區(qū)域地下水位呈上升趨勢。因此對于負均衡地區(qū)，政府要采取合理有效的管理措施，減少地下水的開采，定期對地下水進行回灌，加強居民的節(jié)水意識，合理調整產(chǎn)業(yè)結構，加大水利工程的投資力度，以緩解流域面臨的水資源危機；正均衡地區(qū)在保證地下水供需平衡的基礎上，可以適當加大地下水開采，促進當?shù)禺a(chǎn)業(yè)發(fā)展。

(2)通過開采潛力分析可知三個流域的潛水開采潛力指數(shù)分別為2.40、1.41、1.33。開采潛力指數(shù)小，主要是由于地下水現(xiàn)狀開采量過大造成的。由于魯西北平原含水層厚度較大，可以開采淺層的地下水用于農(nóng)田灌溉和畜牧業(yè)用水，深層的地下水可以用于工業(yè)及城鎮(zhèn)居民生活用水，由于開采潛力指數(shù)較小，所以要嚴格管控地下水資源開采量，確保該區(qū)域地下水資源的可持續(xù)發(fā)展。