靳博文,王文科,段 磊,馬稚桐,王 一,黃鑫慧
(1.長安大學(xué)水利與環(huán)境學(xué)院, 陜西 西安 710054;2.旱區(qū)地下水文與生態(tài)效應(yīng)教育部重點(diǎn)實(shí)驗室(長安大學(xué)), 陜西 西安 710054)
近40年來,由于地下水位持續(xù)下降[1],華北平原出現(xiàn)一系列生態(tài)環(huán)境負(fù)效應(yīng),如地下水降落漏斗[2]、地面沉降[3-4]、區(qū)域地下水文循環(huán)發(fā)生變化[5]以及河流生態(tài)基流無法得到有效保障[6]等,這些生態(tài)環(huán)境負(fù)效應(yīng)的出現(xiàn)破壞了平原內(nèi)原有的山水林田湖草格局。大量研究表明,地下水在維持河流生態(tài)基流[7-8]、湖泊濕地水域面積[9]、提供植被需水[10-11]、調(diào)節(jié)土壤含水量與含鹽量、維持地質(zhì)環(huán)境的穩(wěn)定性等方面具有重要作用[12],地下水位在一定程度上驅(qū)動著生態(tài)環(huán)境演化[13-15],從恢復(fù)區(qū)域地下水生態(tài)環(huán)境格局的角度考慮,確定區(qū)域地下水生態(tài)水位是恢復(fù)地下水生態(tài)環(huán)境的重要抓手。目前關(guān)于生態(tài)水位的研究多集中在干旱半干旱地區(qū)[16],其研究內(nèi)容主要是基于滿足植物生長需求[17-20]、消除土壤鹽漬化[21-22]、協(xié)調(diào)地下水資源開發(fā)利用與表生生態(tài)環(huán)境之間的關(guān)系[23]進(jìn)而提出最優(yōu)地下水位。常見的方法有生態(tài)調(diào)查統(tǒng)計法[24]、數(shù)值模型法[25]、3S(GPS、RS 和GIS)法[26];生態(tài)調(diào)查統(tǒng)計法實(shí)施起來易操作,所得數(shù)據(jù)直觀,但野外調(diào)查工作量較大,耗時較多,不適宜進(jìn)行大尺度研究;數(shù)值模型法理論性較強(qiáng),適用于大尺度研究,且能夠通過設(shè)立參數(shù)進(jìn)行情景預(yù)測模擬,但模型建立過程涉及諸多要素,需要充足的數(shù)據(jù)支撐,且模型使用前需通過大量實(shí)地觀測資料進(jìn)行校核驗證;3S 法適用于大尺度研究,處理結(jié)果直觀,但該方法對遙感數(shù)據(jù)精度要求很高。綜上所述,提出一種針對大尺度流域研究,能夠聯(lián)系實(shí)地情況、綜合考慮多方面因素,計算操作簡易、合理、結(jié)果可靠的地下水生態(tài)水位計算方法已成為生態(tài)環(huán)境治理修復(fù)的迫切需求和領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)方向。
本文以保定平原區(qū)為例,從環(huán)境地質(zhì)與生態(tài)環(huán)境格局的角度出發(fā),運(yùn)用地下水位及生態(tài)環(huán)境的歷史回歸法、GIS 法確定研究區(qū)地下水生態(tài)水位閾值,通過差分網(wǎng)格計算法量化生態(tài)水位恢復(fù),為保定平原區(qū)生態(tài)環(huán)境建設(shè)和水資源合理利用提供一定參考,對地下水生態(tài)水位閾值的確定也具有一定的借鑒意義。
保定平原區(qū)位于太行山東麓的華北平原區(qū),西靠太行山,屬山前傾斜平原,地勢由西北向東南逐漸降低,地面高程大部分在5~26 m 之間,地面坡降一般小于2‰,根據(jù)地貌類型可進(jìn)一步劃分為山前沖洪積平原、沖積平原、沖湖積平原(圖1)。山前沖洪積平原位于靠近太行山的西部地區(qū),地面高程7~23 m;沖積平原位于南部邊界及東南地區(qū),地面高程5~17 m;沖湖積平原位于中東部地區(qū),由近代河流沖積和湖沼沉積形成,地勢較低,地面高程多為5~10 m。研究區(qū)屬暖溫帶季風(fēng)型大陸性半濕潤半干旱氣候,年平均氣溫12.7 ℃,水系發(fā)育,河渠縱橫,主要河流包括南拒馬河、唐河、萍河、漕河、瀑河等。區(qū)域地表出露第四系沖洪積松散地層,第四系以下的巖層包括新近系、古近系、奧陶系、寒武系、中上元古界、太古界等,堆積了巨厚的松散堆積物,為第四系松散巖類孔隙地下水的分布與賦存提供了良好的場所。
圖1 研究區(qū)地理位置及計算單元劃分Fig.1 Geographical location and calculation unit division of the study area
研究區(qū)淺層地下水屬潛水-承壓水,主要為第I、II 含水層組,自出山口至沖洪積扇群前緣,地下水由礫卵石、砂礫石組成的單一潛水含水層,向黏土和砂礫石及中砂組成的潛水-微承壓水含水層過渡,厚10~50 m 不等,地下水補(bǔ)給、徑流條件較好??拷角暗谋辈烤荞R河沖洪積扇群(I1)、西部漕河—瀑河沖洪積扇群(I2)、南部唐河—大沙河沖洪積扇群(I3),是平原區(qū)第四系孔隙水的主要補(bǔ)給區(qū),自山前至平原中部表現(xiàn)出良好的水文地質(zhì)分帶性(圖2)。區(qū)域內(nèi)地下水基本沿山前沖洪積扇展布方向自西向東徑流,徑流方向和梯度與地形傾斜方向和坡降基本一致,區(qū)域內(nèi)地下水位在維持地質(zhì)環(huán)境穩(wěn)定、保障白洋淀水域面積與水生態(tài)安全、控制生態(tài)環(huán)境格局等方面發(fā)揮重要作用。
圖2 研究區(qū)2—2’水文地質(zhì)剖面圖(據(jù)文獻(xiàn)[28]修改)Fig.2 Hydrogeological profile of 2—2’ in the study area(modified from Ref.[28])
本研究所用1959年淺層地下水位數(shù)據(jù)來源于《華北平原地下水可持續(xù)利用圖集》[27];1982年、2000年、2010年、2015年淺層地下水位數(shù)據(jù)與多年地下水降落漏斗數(shù)據(jù)均來源于《京津冀協(xié)同發(fā)展保定市平原區(qū)地質(zhì)環(huán)境保障調(diào)查評價報告》[28];2019年淺層地下水位數(shù)據(jù)來源于地下水位統(tǒng)測點(diǎn)實(shí)測數(shù)據(jù);2005—2020年地下水位、降水量、地下水開采量數(shù)據(jù)均來自《保定市水資源公報(2005—2020年)》;地下水資源計算含水層給水度(μ)的取值和分區(qū),主要參考文獻(xiàn)[27-28]成果資料;保定平原區(qū)高程柵格數(shù)據(jù)來源于地理信息空間數(shù)據(jù)云網(wǎng)站,并運(yùn)用河北省水文工程地質(zhì)勘查院提供的區(qū)域內(nèi)高程實(shí)測值進(jìn)行校改。
為了后續(xù)能夠針對不同區(qū)域提出適宜的地下水位恢復(fù)方案,依據(jù)含水層介質(zhì)沉積相類型、地下水補(bǔ)給和徑流條件的差異,將研究區(qū)劃分為3 個水文地質(zhì)大區(qū)與3 個水文地質(zhì)亞區(qū)。在此基礎(chǔ)上采用地下水位及生態(tài)環(huán)境的歷史回歸法對1959—2020年地下水位時空演化特征、地下水位演化生態(tài)效應(yīng)及地下水與地表水補(bǔ)排關(guān)系演變進(jìn)行分析,查明地下水位動態(tài)驅(qū)動力,確定地下水生態(tài)環(huán)境變異拐點(diǎn),進(jìn)而界定地下水生態(tài)水位閾值。把保定平原區(qū)2019年淺層地下水位作為現(xiàn)狀水位,以確定的生態(tài)地下水位為標(biāo)準(zhǔn),利用GIS 技術(shù),結(jié)合生態(tài)補(bǔ)水量數(shù)學(xué)模型計算得到不同水文地質(zhì)單元由現(xiàn)狀水位恢復(fù)至地下水生態(tài)水位所需水量。其中,保定平原區(qū)生態(tài)補(bǔ)水量數(shù)學(xué)模型為:
式中:W生態(tài)—現(xiàn)狀地下水位恢復(fù)至生態(tài)水位所需的水量/m3;
1012—單位換算系數(shù);
μi—分區(qū)淺層含水層組給水度;
Fi—分區(qū)計算單元面積/m2;
ΔHi—分區(qū)計算單元內(nèi)地下水生態(tài)水位降至現(xiàn)狀地下水位的淺層含水層疏干厚度/m。
收集研究區(qū)內(nèi)不同水文地質(zhì)單元年際地下水位動態(tài)數(shù)據(jù)(圖3),并選取貫穿地下水補(bǔ)給區(qū)—徑流轉(zhuǎn)化區(qū)—排泄區(qū)的2 個典型剖面進(jìn)行年際地下水位動態(tài)觀測(圖4),從時空角度分析研究區(qū)近60年地下水位的動態(tài)特征。
圖3 不同水文地質(zhì)單元年際地下水位動態(tài)Fig.3 Annual groundwater level dynamics of different hydrogeological units
圖4 研究區(qū)多年地下水位剖面圖Fig.4 Groundwater level profile of the study area in some years
從時間角度來看,研究區(qū)內(nèi)多年地下水位變化可以分為4 個階段。20世紀(jì)50—60年代(天然穩(wěn)定階段),地下水受人為擾動影響小,地下水位呈天然動態(tài)穩(wěn)定狀態(tài),此時各區(qū)域地下水位均處于歷史最高值;全區(qū)域平均地下水位為17.5 m。1959—2000年(持續(xù)下降階段),各區(qū)域地下水位持續(xù)下降,平均下降速率為0.38 m/a。2000—2008年(大幅驟降階段),各區(qū)域地下水位大幅下降;全區(qū)域平均地下水位由2000年的4.05 m 下降至0.32 m。2008年至今(緩慢上升階段),除漕河—瀑河沖洪積扇群(I2)地下水位開始上升外,其它區(qū)域地下水位呈下降趨勢,平均下降速率為0.4 m/a,在上一階段平均地下水位下降速率基礎(chǔ)上減少約50%。
從空間角度來看,拒馬河沖洪積扇群(I1)為研究區(qū)的地下水補(bǔ)給區(qū),地下水補(bǔ)給充沛、徑流通暢,1959—2000年地下水位下降速率最小,為0.1 m/a;在2000—2008年地下水位快速下降階段,相比其余的水文地質(zhì)單元,該區(qū)域地下水位下降速率最小,為0.22 m/a。據(jù)《保定經(jīng)濟(jì)統(tǒng)計年鑒》可知,研究區(qū)內(nèi)漕河—瀑河沖洪積扇群(I2)為工業(yè)集中區(qū),唐河—大沙河沖洪積扇群(I3)與沖積平原和沖湖積平原(II)為農(nóng)業(yè)集中區(qū)。由于2005年后白洋淀出現(xiàn)死魚事件,區(qū)域內(nèi)大量不合規(guī)企業(yè)被關(guān)閉,漕河—瀑河沖洪積扇群(I2)區(qū)域工業(yè)用水量大幅降低,地下水位開始上升,2005—2020年,年均上升速率為1.47 m/a;唐河—大沙河沖洪積扇群(I3)、沖積平原與沖湖積平原(II)農(nóng)灌用水需求量大,除2007—2008年、2013—2014年均出現(xiàn)短暫的上升,1959—2020年2 個區(qū)域內(nèi)地下水位整體為持續(xù)下降趨勢,地下水位下降速率分別為0.49 m/a 與0.52 m/a。
3.2.1 氣候條件
通過對研究區(qū)1991—2020年降水量與地下水位埋深數(shù)據(jù)資料進(jìn)行系統(tǒng)整理,繪制得到研究區(qū)歷年降水量與地下水位埋深圖(圖5)。經(jīng)過分析可知除1993—1994年降水量出現(xiàn)快速回升外,其他年份研究區(qū)降水量整體呈先快速下降后不斷波動緩慢上升的趨勢,多年平均降水量約為500 mm/a。除1994—1995年地下水位埋深出現(xiàn)快速下降外,其他年份研究區(qū)地下水位埋深整體呈上升趨勢,上升速率約為0.57 m/a。綜合分析發(fā)現(xiàn),除個別年份外,1991—2020年研究區(qū)隨著降水量的減少,地下水位埋深逐漸增大;1994—2000年降水量下降速率最大,為86.63 mm/a,此時地下位埋深上升速率最大,為1.44 m/a;2000—2020年期間,降水量變化幅度較小,此時地下位埋深增長速率減緩。由此說明在一定程度上降水量與地下水位埋深之間變化趨勢一致,兩者之間存在一定的關(guān)聯(lián)。
圖5 歷年降水量與地下水位埋深關(guān)系圖Fig.5 Annual precipitations and groundwater level depths
3.2.2 人為影響
圖6 為研究區(qū)2001—2020年地下水開采量與地下位埋深圖,可以看出2001—2011年地下水開采量不斷上下波動,2011—2020年地下水開采量呈現(xiàn)單一下降趨勢。從整體上看,2001—2020年研究區(qū)地下水開采量呈下降趨勢,綜合研究區(qū)地下水位埋深分析可知,除2001—2002年外,2001—2014年地下水位埋深與地下水開采量變化趨勢近乎一致,即隨著地下水開采量減少,地下水位埋深減小。在2014—2020年期間隨著開采量減少,地下水位埋深增加速率變小,由此表明地下水開采量的減少對地下水位的恢復(fù)具有一定的促進(jìn)作用。
圖6 2001—2020年地下水開采量與地下水位埋深圖Fig.6 Groundwater exploitations and groundwater level depths from 2001 to 2020
地下水與生態(tài)環(huán)境關(guān)系密切,地下水位的持續(xù)、快速下降會引發(fā)一系列生態(tài)環(huán)境問題,通過上節(jié)分析可知,研究區(qū)內(nèi)強(qiáng)烈的人為地下水開采活動,疊加氣候條件變化,造成地下水位持續(xù)下降,主要引起以下幾方面的生態(tài)效應(yīng)。
3.3.1 地下水降落漏斗
由于含水層巖性顆粒較細(xì)、厚度較小、水文地質(zhì)條件差,隨著地下水位持續(xù)下降,在平原東側(cè)及中部形成了多個地下水降落漏斗。全區(qū)地下水降落漏斗總面積達(dá)到4 144.5 km2,占全區(qū)總面積的33.8%。選取位于不同水文地質(zhì)單元的降落漏斗,結(jié)合所在區(qū)域地下水位動態(tài),分析降落漏斗對地下水位變化的響應(yīng),結(jié)果如圖7 所示。
圖7 1959—2020年地下水位與降落漏斗演變趨勢圖Fig.7 Evolution trend of groundwater levels and groundwater depression cones from 1959 to 2020
一畝泉地下水降落漏斗位于漕河—瀑河沖洪積扇中部,含水層巖性以粗砂、砂礫石及礫卵石為主,厚10~40 m。1959年低水位期地下水平均水位為32 m,此時降落漏斗尚未出現(xiàn);1965—1976年間氣候偏于干旱,年平均降水量僅468 mm,地下水開采量增大,地下水位迅速下降至16.51 m,降落漏斗雛形出現(xiàn);除1975—1982年地下水位出現(xiàn)微小回升外,1975—2005年,地下水位呈持續(xù)下降趨勢,降落漏斗表現(xiàn)為持續(xù)擴(kuò)大,至2005年漏斗面積增至180.01 km2;2005年至今,由于控制地下水開采方案的實(shí)施及年降水量的增加,漏斗區(qū)地下水位持續(xù)回升,漏斗面積整體呈現(xiàn)縮減趨勢。高蠡清地下水降落漏斗位于本區(qū)東部沖洪積平原,地處扇間洼地,含水層顆粒細(xì)、厚度小,水文地質(zhì)條件較差,除1975—1985年漏斗面積出現(xiàn)小幅度縮小外,1959—2020年隨著地下水位降低,高蠡清降落漏斗呈不斷擴(kuò)大的趨勢。綜上分析可知,1959—2020年,隨著漏斗中心地下水位下降,一畝泉降落漏斗與高蠡清降落漏斗的漏斗面積均呈增加趨勢,漏斗面積與地下水位之間呈負(fù)相關(guān),說明地下水位變化對降落漏斗的演化存在一定的影響。
3.3.2 地面沉降
地下水主要開采層至地面之間的多為黏土層與粉、細(xì)砂層互層,當(dāng)抽水造成水位下降時,引起相鄰黏性土層塑性釋水壓密,從而引起地面沉降。保定地區(qū)地面沉降量大于1 000 mm 的面積為313 km2,分布于高陽縣以東,其中保定市地面沉降以保定市漏斗區(qū)為沉降中心,至2013年最大累計沉降量約為887 mm,沉降速率為27 mm/a。
3.3.3 含水層疏干
區(qū)域地下水位快速下降,使得包氣帶厚度逐年增加,最終導(dǎo)致含水層被疏干。研究區(qū)表現(xiàn)為中部白洋淀附近含水層疏干厚度較小,北部及南部地區(qū)疏干厚度較大[29]:1982—2015年,東北部地區(qū)及定州地區(qū)含水層疏干厚度大于15 m,南部的望都、清苑、高陽、蠡縣和北部容城地區(qū)含水層疏干厚度5~10 m,其余的西部太行山前地帶和白洋淀附近疏干厚度小于5 m,全區(qū)平均疏干厚度為7.13 m。
結(jié)合研究區(qū)水文地質(zhì)特征,運(yùn)用ArcGIS 軟件對1959、1982、2000、2010、2015、2019年各年地下水水位資料進(jìn)行處理,繪制得到多年地下水流場演化圖(圖8)。分析可知20世紀(jì)50—60年代,研究區(qū)尚未大規(guī)模開采地下水,其流場基本處于天然狀態(tài),地下水水位在該階段高于淀區(qū)湖水位,且與白洋淀能夠形成水量交換,主要以地下水補(bǔ)給白洋淀為主。1959—1982年,隨著工農(nóng)業(yè)的發(fā)展,地下水持續(xù)被大量開采,且氣候趨于干旱,降水量較五六十年代削減約20%左右,地表水產(chǎn)流減少,加之上游地帶水利設(shè)施的建設(shè),維系地下水補(bǔ)給的河道水被截流,導(dǎo)致淺層地下水補(bǔ)給量減少,造成淺層地下水采補(bǔ)失衡,水位開始持續(xù)下降;在該階段部分地下水水位低于淀區(qū)湖水位,與地表水轉(zhuǎn)化關(guān)系發(fā)生轉(zhuǎn)變,主要以白洋淀補(bǔ)給地下水為主。1982—2015年,研究區(qū)氣候持續(xù)干旱,降水持續(xù)減少,平原區(qū)大部分河流流量減少乃至干枯,地下水天然補(bǔ)給量大幅減少;而地下水開采量逐年增加,淺層地下水采補(bǔ)失衡狀況更趨嚴(yán)重,區(qū)域水位持續(xù)下降,地下水降落漏斗規(guī)模迅速發(fā)展擴(kuò)大,地下水流場發(fā)生改變,受人工開采的控制,大面積抽水改變了白洋淀與地下水的補(bǔ)排關(guān)系,白洋淀上游地下水不再補(bǔ)給白洋淀,白洋淀開始補(bǔ)給地下水。2015年至今,由于實(shí)施地下水壓采和生態(tài)補(bǔ)水,白洋淀周圍地區(qū)地下水位有所上升,但白洋淀水位仍高于地下水位,以白洋淀以滲漏方式補(bǔ)給地下水為主。
圖8 研究區(qū)多年地下水流場演化圖(據(jù)文獻(xiàn)[27-28]修改)Fig.8 Evolution of groundwater flow field in the study area in some years(modified from Ref.[27-28])
綜上所述,研究區(qū)地下水生態(tài)格局在20世紀(jì)50—60年代為天然狀態(tài);1959—1982年間地下水開采量較小,對研究區(qū)地下水環(huán)境影響很小,在此期間地下水流場基本維持天然狀態(tài)[30],生態(tài)格局未發(fā)生較大的變化;1982年之后,日益增加的地下水開采改變了當(dāng)?shù)氐乃难h(huán)過程,研究區(qū)的地下水流場受到破壞,生態(tài)格局發(fā)生變化,白洋淀出現(xiàn)干淀現(xiàn)象。1984—2005年地下水脆弱性各級面積變化速率遠(yuǎn)大于1959—1984年[31],故選取1959年淺層地下水水位作為地下水生態(tài)水位上限,1982年水位為下限,由于缺少1959—1982年期間的水位資料,選取二者的平均值作為地下水生態(tài)水位,并將高程數(shù)據(jù)與生態(tài)水位數(shù)據(jù)進(jìn)行差值運(yùn)算得到生態(tài)地下水位埋深(圖9)。
圖9 研究區(qū)生態(tài)地下水位與埋深關(guān)系圖Fig.9 Ecological groundwater levels and their depths
如圖9 所示,當(dāng)研究區(qū)由現(xiàn)狀地下水位恢復(fù)至生態(tài)地下水位,表現(xiàn)為地下水流場與天然地下水流場相似,計算得出研究區(qū)內(nèi)山前地帶生態(tài)地下水位埋深為10~15 m;沖積平原中定州—望都范圍為3~5 m,保定市為10~15 m,其余均為5~10 m;沖湖積平原環(huán)淀區(qū)域生態(tài)地下水位埋深小于3 m,其余區(qū)域為3~5 m。
廖梓龍等[32]基于各代表性監(jiān)測井2001—2013年水位數(shù)據(jù)構(gòu)建量化關(guān)系模型,研究得到河北省平原區(qū)淺層地下水位埋深閾值為1.93~27.06 m;蓋美等[33]基于提高降雨入滲補(bǔ)給量,減小土壤鹽漬化提出海河流域中部平原汛前控制生態(tài)水位埋深閾值為5~7 m;張長春等[34]研究表明,在華北中東部平原防治土壤鹽堿化的合理地下水位埋深為2.0~2.5 m,有利于地下水獲得最大補(bǔ)給的地下水位埋深為3~5 m,在山前平原有利于獲得最大補(bǔ)給的埋深為10 m 左右。上述研究成果與本文的研究成果基本一致,因此本文提出的生態(tài)水位計算方法具有一定的合理性。
運(yùn)用ArcGIS 軟件對現(xiàn)狀水位-生態(tài)地下水位變幅與淺層含水層組給水度進(jìn)行疊加分析(圖10),通過計算得出保定平原區(qū)由現(xiàn)狀地下水位恢復(fù)至生態(tài)地下水位需補(bǔ)水量共57.14×108m3(表1)。
表1 淺層地下水生態(tài)補(bǔ)水量計算結(jié)果Table 1 Calculation results of ecological recharge of shallow groundwater
圖10 淺層地下水生態(tài)補(bǔ)水量計算分區(qū)Fig.10 Calculation division of ecological supplementary water capacity of shallow groundwater
(1)20世紀(jì)50—60年代,研究區(qū)地下水生態(tài)格局維持著天然狀態(tài);1959—2000年,地下水位持續(xù)下降,漏斗雛形出現(xiàn);2000—2008年,地下水位驟降,降落漏斗影響范圍迅速擴(kuò)張,地下水與地表水補(bǔ)排關(guān)系發(fā)生變化,上游地下水不再補(bǔ)給白洋淀,轉(zhuǎn)由白洋淀補(bǔ)給地下水;2008年至今,由于控制地下水開采及大氣降水增多,部分區(qū)域地下水位出現(xiàn)上升。
(2)自然降水是驅(qū)動研究區(qū)地下水位變化的重要驅(qū)動力,人工開采是地下水位變化的主導(dǎo)驅(qū)動力。
(3)研究區(qū)內(nèi)山前地帶生態(tài)地下水位埋深為10~15 m;沖積平原中定州—望都范圍為3~5 m,保定市為10~15 m,其余均為5~10 m;沖湖積平原環(huán)淀區(qū)域生態(tài)地下水位埋深小于3 m,其余區(qū)域為3~5 m。由現(xiàn)狀水位恢復(fù)至生態(tài)水位共需補(bǔ)水57.14×108m3,其中拒馬河沖洪積扇群(I1)恢復(fù)至生態(tài)水位需補(bǔ)水2.37×108m3,漕河—瀑河沖洪積扇群(I2)需水量為5.50×108m3,唐河—大沙河沖洪積扇群(I3)為28.00×108m3,沖積平原與沖湖積平原(II)需水量為21.26×108m3。