錦西灌區(qū)運(yùn)行對(duì)地下水環(huán)境的影響

劉秋實(shí)

(合肥工業(yè)大學(xué)土木與水利工程學(xué)院，合肥 230002)

1 工程特性和自然地理概況

1.1 工程特性

富錦市地處三江平原腹地、松花江下游南岸，面積4947km2，其中耕地面積36.55×104hm2。

錦西灌區(qū)位于富錦市西南部，行政區(qū)劃隸屬于富錦市錦山鎮(zhèn)、頭林鎮(zhèn)、上街基鎮(zhèn)，地理坐標(biāo)為E131°30′～132°37′，N46°48′～47°14′。灌區(qū)北靠松花江，東至幸福灌區(qū)與富錦支河下段，南至外七星河與友誼農(nóng)場(chǎng)相望，西與二九一農(nóng)場(chǎng)相鄰。灌區(qū)總土地面積11.38×104hm2，現(xiàn)有耕地面積10.11×104hm2，其中現(xiàn)有水田面積3.47×104hm2、旱田面積6.64×104hm2。

錦西灌區(qū)是以松花江水源為主、以地下水源為輔的大型灌區(qū)，總設(shè)計(jì)灌溉面積7.33×104hm2。

工程主要建設(shè)內(nèi)容包括：水源工程有新建松花江引渠及錦西渠首提水泵站1座和田間機(jī)電井工程。輸配水工程包括新建灌溉總干渠9.40km，結(jié)合現(xiàn)有排水溝道擴(kuò)建山西(灌排)干渠長(zhǎng)34.54km、花馬(灌排)干渠長(zhǎng)39.83km、頭林(灌排)分干渠長(zhǎng)33.18km、二林(灌排)分干渠長(zhǎng)33.46km；新擴(kuò)建(灌排)支渠(溝)83條，總長(zhǎng)289.34km。新建渠系建筑物332座：其中交通橋100座，涵洞121座，水閘105座，排水站(閘)6座。還包括110萬畝的田間配套工程[1]。

1.2 自然地理概況

富錦市屬中溫帶大陸性季風(fēng)氣候，四季分明，年平均溫度3.6℃左右。春季風(fēng)大雨少，夏季溫濕多雨，秋季溫涼早霜，冬季嚴(yán)寒干燥。最熱的7月份平均氣溫為21.2℃，最冷的一月份平均氣溫-19.3℃。無霜期在148天左右，年平均降水量約339.5mm。

富錦市地勢(shì)低平，平均海拔60m左右，城東烏爾虎力山海拔538.7m與城西海拔472.8m的別拉音山遙相呼應(yīng)，形成西北略高，中部低平，東南稍低的沖積平原。

富錦市是佳木斯東部區(qū)域性中心城市，市域內(nèi)水路、公路、鐵路四通八達(dá)，是三江平原的重要交通樞紐。福前鐵路、同三高速公路、佳撫高速公路匯交市區(qū)[2]。

2 區(qū)域地質(zhì)概況和水文地質(zhì)條件

2.1 區(qū)域地質(zhì)概況

該區(qū)地處三江低平原腹地，三江平原是坳斷陷而形成的盆地。平原區(qū)地勢(shì)低平，由西南向東北傾斜，平均海拔50～60m，地面總坡降1/10000，在平原上零星分布?xì)埳胶蜌埱?，由于徑流緩慢，部分地區(qū)形成了大面積沼澤濕地。

該區(qū)第四系地層分布廣，發(fā)育連續(xù)，厚度大，除殘山丘陵附近第四系厚度不足50m外，大部分地區(qū)厚度為100～200m。

區(qū)內(nèi)前第四紀(jì)地層分布范圍較小，白堊系在別拉音山南北兩端和烏爾虎力山附近出露，石炭系在烏爾虎力山附近出露。

該區(qū)所處的黑龍江省大地構(gòu)造單元為興凱湖-布列亞山地塊區(qū)、老爺嶺地塊、三江新斷陷帶之富錦隆起(Ⅴ44)。

富錦隆起位于三江新斷陷帶西部，為周圍環(huán)山，有殘丘零星分布的平坦低洼盆地。進(jìn)入新生代，斷陷整體急劇下陷，沉積了第三系沉積巖，最厚達(dá)1200m，晚第三紀(jì)后期一些大斷裂繼承性活動(dòng)，形成了烏爾虎力山、別拉音山等基底凸起。第四紀(jì)以來，以間歇性沉降活動(dòng)為主，沉積了厚度較大的第四系松散堆積物。

根據(jù)《中國(guó)地震動(dòng)參數(shù)區(qū)劃圖》(GB18306-2015)，本區(qū)地震動(dòng)峰值加速度0.05g，地震動(dòng)反應(yīng)譜特征周期0.35s，相對(duì)應(yīng)的地震基本烈度Ⅵ度。近期無地震活動(dòng)紀(jì)錄，為區(qū)域構(gòu)造穩(wěn)定區(qū)。

2.2 水文地質(zhì)條件

區(qū)域含水層主要為第四紀(jì)沉積的以砂、砂礫石為主的松散堆積物，賦存了豐富的松散層孔隙潛水，由于表層黏性土厚度不同，局部地段發(fā)育孔隙微承壓水?？紫稘撍c孔隙微承壓水之間除補(bǔ)給條件有所差異外，含水層的特性基本相同，具有厚度較大、分布穩(wěn)定、結(jié)構(gòu)單一的特點(diǎn)。由于前第四紀(jì)基底起伏較大，松散巖含水層的厚度不均，由丘陵邊緣到低平原中部，含水層厚度由十幾米變至二百余米，最厚處可達(dá)240m。

松散層孔隙潛水的富水性好，除靠近殘丘附近地區(qū)單井涌水量(6寸口徑，3m降深推算涌水量)<100m3/d外，大部分地區(qū)單井涌水量為1000～3000m3/d。

地下水水化學(xué)類型為HCO3-—Ca2+、HCO3-—Ca2+Na+型，礦化度0.15～0.76g/L?？傆捕?.53～19.66德國(guó)度，pH值6.9～7.4。

工作區(qū)地處低平原，有利于降水的匯集和入滲補(bǔ)給地下水，在接受降水入滲補(bǔ)給的同時(shí)，豐水期又接受地表江水、低洼地季節(jié)性積水以及鄰區(qū)地下水的補(bǔ)給。地下水徑流微弱，以蒸發(fā)為主，其次為人工開采和江河及鄰區(qū)徑流排泄。

3 灌區(qū)運(yùn)行對(duì)地下水水位的影響

3.1 灌區(qū)平均地下水位的整體變化趨勢(shì)

灌區(qū)現(xiàn)狀年(2014年)地下水補(bǔ)給量為1.61億m3/a，可開采量為1.39億m3/a，開采量為2.19億m3/a，地下水處于超采狀態(tài)，超采58%，地下水位呈持續(xù)下降趨勢(shì)，年內(nèi)平均水位下降幅度由下式計(jì)算：

(1)

式中：△h為地下水位下降幅度；F為計(jì)算區(qū)內(nèi)平原區(qū)面積，1146km2；μ為潛水含水層給水度，平均值0.18；△Q為地下水超采量，8000104m3。

計(jì)算得到⊿h=0.39m，這一計(jì)算結(jié)果未考慮鄰近區(qū)域徑流補(bǔ)給的變化。當(dāng)?shù)叵滤唤捣_(dá)到0.39m這一數(shù)值時(shí)，區(qū)內(nèi)水頭的變化會(huì)導(dǎo)致計(jì)算區(qū)平均水力坡度略微變大，鄰區(qū)和河流側(cè)向補(bǔ)給會(huì)有所加強(qiáng)，實(shí)際的下降幅度會(huì)略小于這一數(shù)值。區(qū)內(nèi)10577130號(hào)長(zhǎng)觀孔(位于錦山鎮(zhèn)錦山村)2014年年初水位埋深4.68m，年末水位埋深5.0m，年內(nèi)下降幅度為0.32m；區(qū)內(nèi)10577150號(hào)長(zhǎng)觀孔(位于頭林鎮(zhèn)頭林村)2014年初水位埋深6.82m，年末水位埋深7.16m，下降幅度為0.34m；這兩個(gè)觀測(cè)孔的實(shí)測(cè)資料驗(yàn)證了本計(jì)算作為一種估算，其結(jié)果可信。

2014～2019年，區(qū)內(nèi)地下水資源開采布局和開采量基本上按現(xiàn)狀運(yùn)行，那么地下水水位會(huì)逐年下降，下降幅度以0.39m估算，6年時(shí)間長(zhǎng)度內(nèi)，總下降幅度為2.34m。

灌區(qū)運(yùn)行后，由于引松花江水進(jìn)行灌溉，灌溉面積為110萬畝，地下水的總補(bǔ)給量為1.93m3/a，地表水灌溉入滲補(bǔ)給量超越降雨入滲補(bǔ)給量，成為地下水的最大補(bǔ)給源，地表水灌溉入滲補(bǔ)給量為1.21億m3/a，占總補(bǔ)給量的63%；由于補(bǔ)給量的增加，地下水的可采量也相應(yīng)增加，多年平均地下水可開采量為1.65億m3/a，設(shè)計(jì)開采量為1.64億m3/a。地下水在整個(gè)灌區(qū)和各個(gè)分區(qū)基本上處于采補(bǔ)平衡狀態(tài)，地下水平均水位基本不變，呈微弱上升趨勢(shì)，按公式(1)計(jì)算，平均上升幅度僅為每年0.14m。

以上是孤立的僅考慮本灌區(qū)補(bǔ)給和排泄條件的變化得到的結(jié)果，灌區(qū)的鄰區(qū)的地下水補(bǔ)給和排泄條件的變化，也會(huì)對(duì)通過影響水力坡度進(jìn)而影響側(cè)向補(bǔ)給量，對(duì)灌區(qū)的地下水水位產(chǎn)生影響，因而僅僅考慮本灌區(qū)的變化是不全面的。

工程的環(huán)境影響評(píng)價(jià)報(bào)告按如下情況考慮：假設(shè)錦西灌區(qū)設(shè)計(jì)方案可于2020年投入使用，并假設(shè)預(yù)測(cè)期(2013～2030年)內(nèi)大氣降水重復(fù)歷史上典型時(shí)期(1983～2000年)的降水過程；2013～2019年期間，地表水和地下水資源開采布局和開采量按現(xiàn)狀運(yùn)行；自2020年開始農(nóng)業(yè)用水過程、水資源開采布局和開采量按錦西灌區(qū)的規(guī)劃設(shè)計(jì)方案運(yùn)行。同時(shí)假設(shè)工程于2016年開工建設(shè)，至2019年底建設(shè)完畢，并于2020投入使用；在2013～2019年期間，地表水和地下水資源開采布局和開采量按現(xiàn)狀運(yùn)行；2020～2030年期間，水資源開采布局和開采量按工程的規(guī)劃設(shè)計(jì)方案運(yùn)行；并綜合考慮整個(gè)工程所在區(qū)域的水資源調(diào)度情況，采用visual moflow軟件模擬并預(yù)測(cè)了錦西灌區(qū)井位地下水水位的變化情況。

預(yù)測(cè)結(jié)果顯示：在現(xiàn)狀灌溉方案條件下(2013-2019年)，錦西灌區(qū)地下水處于超采狀態(tài)，地下水位埋藏深度普遍持續(xù)增大；自2020年開始，增加地表水灌溉后，同時(shí)受預(yù)測(cè)期設(shè)計(jì)降水量影響，地下水位呈現(xiàn)明顯波動(dòng)上升，截止2027年末地下水位上升已接近2013年的初始值，受2028年后預(yù)測(cè)期設(shè)計(jì)降水量減少的影響，地下水位再次呈現(xiàn)小幅下降趨勢(shì)，地下水位埋深較現(xiàn)狀條件下略有增大，絕大部分地區(qū)地下水位埋深仍在地下水極限蒸發(fā)深度之內(nèi)，有利于作物生長(zhǎng)和預(yù)防因灌溉引發(fā)的土壤次生鹽漬化。本預(yù)測(cè)結(jié)果和解析法的計(jì)算結(jié)果基本相同[3]。

3．2 灌區(qū)運(yùn)行后平均地下水位的年際變化

按照灌區(qū)可研報(bào)告的供水原則，在灌區(qū)范圍內(nèi)，地下水多年平均不能超采，以保證灌區(qū)地下水采補(bǔ)平衡；在豐水年地下水按可開采量的80-100%，在平水年地下水按可開采量的100%開采，在枯水年地下水按可開采量的100-120%開采。

在豐水年，地下水按可開采量的80%進(jìn)行開采時(shí)，開采量為1.31億m3/a，即壓采0.33億m3/a，按公式(1)計(jì)算，年度地下水水位上升幅度為0.18m；在枯水年，地下水按可開采量的120%進(jìn)行開采時(shí)，開采量為1.97億m3/a，即超采0.33億m3/a，按公式(1)計(jì)算，年度地下水水位下降幅度為0.18m。

由于人為進(jìn)行水資源配置的結(jié)果，將導(dǎo)致在豐水年地下水有所上升，在枯水年地下水水位有所下降，其上升和下降的幅度基本上以0.18m為限，在平水年地下水位基本保持不變。

灌區(qū)地下水位的年際變化是疊加在灌區(qū)運(yùn)行后地下水水位穩(wěn)步回升基礎(chǔ)上的，就是說在曲線圖表現(xiàn)上呈現(xiàn)一條長(zhǎng)期穩(wěn)步上升、年際有上下擺動(dòng)現(xiàn)象的曲線。

4 灌區(qū)運(yùn)行對(duì)地下水水質(zhì)影響預(yù)測(cè)

工程環(huán)評(píng)報(bào)告建立地下水溶質(zhì)運(yùn)移數(shù)值模型，模擬預(yù)測(cè)了錦西灌區(qū)地下水中典型污染物(高錳酸鹽指數(shù)和氨氮)的濃度變化趨勢(shì)。

以2013年枯水期地下水水質(zhì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)資料為基礎(chǔ)，分別繪制高錳酸鹽指數(shù)和氨氮的預(yù)測(cè)期初始濃度流場(chǎng),見圖1和圖2。

預(yù)測(cè)末期的高錳酸鹽指數(shù)和氨氮濃度如圖3和圖5所示；不同地段地下水質(zhì)變化動(dòng)態(tài)如圖4和圖6所示。

從圖5和圖6可見，在保持現(xiàn)狀條件下(2013-2019年)，地下水的高錳酸鹽指數(shù)保持相對(duì)穩(wěn)定；2020年后，地下水高錳酸鹽指數(shù)呈現(xiàn)緩慢升高趨勢(shì)，但幅度相對(duì)較小。整體上，高錳酸鹽指數(shù)小于2mg/L，仍屬于II類地下水級(jí)別。

從圖7和圖8可見，在2013～2019年間，地下水氨氮濃度基本穩(wěn)定在現(xiàn)狀水平；自2020年開始，引入大量地表水進(jìn)行灌溉，地下水中氨氮濃度均呈現(xiàn)輕微上升趨勢(shì)，但上升幅度十分有限，截止到預(yù)測(cè)期末，地下水氨氮水質(zhì)級(jí)別仍與現(xiàn)狀相同。這一結(jié)果與前述的影響分析結(jié)果相同，說明預(yù)測(cè)結(jié)果可靠。

綜上所述，錦西灌區(qū)的建設(shè)規(guī)劃，有利于穩(wěn)定區(qū)域地下水位，加大地表水灌溉比例后，高錳酸鹽指數(shù)略有上升，但均穩(wěn)定在地下水質(zhì)量II類范圍內(nèi)；錦西灌區(qū)氨氮水平也略有上升，但未發(fā)生明顯改變[4]。

5 對(duì)地下水水源地的影響

工程運(yùn)行后，地下水高錳酸鹽指數(shù)略有上升，氨氮指標(biāo)也有微弱上升趨勢(shì)，地下水水源地及其保護(hù)區(qū)水質(zhì)會(huì)受到相應(yīng)影響。錦山鎮(zhèn)、頭林鎮(zhèn)地下水集中式飲用水水源地的井深為80m，抽取承壓含水層的地下水，該含水層受灌溉水的影響較弱，因而工程運(yùn)行對(duì)這兩處水源地的水質(zhì)影響很輕微。

水源地及其保護(hù)區(qū)均處于民宅區(qū)，在距離水源地500m范圍內(nèi)基本上沒有灌溉機(jī)井存在，灌溉機(jī)井抽水影響半徑一般<500m，因而，灌區(qū)的運(yùn)行引起的局部水位變化對(duì)水源地及其保護(hù)區(qū)的地下水水位不產(chǎn)生影響；灌區(qū)運(yùn)行在整體上會(huì)有效遏制地下水持續(xù)下降，使地下水水位有所回升，對(duì)保證水源地出水量產(chǎn)生積極影響。

6 結(jié) 論

工程建成后，灌區(qū)范圍內(nèi)水資源配置格局發(fā)生變化，地下水水位在整體上有所回升，地下水水位的整體回升從源頭上遏制了地下水降落漏斗出現(xiàn)及其后續(xù)的地裂縫和地面塌陷等環(huán)境地質(zhì)問題，使該區(qū)域地下水動(dòng)態(tài)更接近于天然狀態(tài)，對(duì)生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生積極影響。工程運(yùn)行后，高錳酸鹽指數(shù)略有上升，氨氮指標(biāo)也有微弱上升趨勢(shì)，總體上工程對(duì)地下水質(zhì)的影響微弱，不改變地下水水質(zhì)類別。

工程運(yùn)行不改變區(qū)域地下水的補(bǔ)給、徑流和排泄的基本條件，地下水在水質(zhì)方面變化輕微，地下水水位由逐年下降狀態(tài)重新達(dá)到良性動(dòng)態(tài)平衡，總體上對(duì)地下水產(chǎn)生有利影響。