鄧曉穎

(1.河南省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局第二水文地質(zhì)工程地質(zhì)隊(duì),河南鄭州 450053;2.河南省鄭州地質(zhì)工程勘察院,河南鄭州450053)

由于鄭州以下黃河河床高出兩岸平原區(qū),自古以來人們習(xí)慣于自流引水的供水方式。鄭州市自1970年開始興建引黃供水工程,分別于1972年、1978年先后建成邙山提灌站和花園口提灌站,成為鄭州市城市用水的主要水源。然而,黃河下游自20世紀(jì)70年代以后,多次發(fā)生斷流,黃河水量的減少趨勢和水質(zhì)污染問題日益突出,加之黃河水泥沙含量高,其水質(zhì)凈化工藝復(fù)雜,沉淀和清淤費(fèi)用高?；谝渣S河水作為水源的諸多弊端,地下水供給越來越受到人們的重視。20世紀(jì)90年代初,鄭州市開始在鄭州市北郊黃河影響帶勘探、建設(shè)以開采淺層地下水為主的特大型集中供水水源地。為合理開發(fā)地下水資源,減少開采地下水給環(huán)境帶來的消極影響,及時(shí)有效地保護(hù)地質(zhì)和生態(tài)環(huán)境,維護(hù)黃河大堤安全,實(shí)現(xiàn)地下水資源可持續(xù)開發(fā)利用,開展了鄭州市北郊沿黃區(qū)地下水動態(tài)及環(huán)境地質(zhì)監(jiān)測工作,監(jiān)測工作貫穿水源地建設(shè)、開采運(yùn)行的全過程,歷時(shí)近10年,獲得了豐富的實(shí)測資料。

1 研究區(qū)地質(zhì)環(huán)境

研究區(qū)地勢西高東低,西臨邙山黃土臺塬區(qū),北部被黃河橫貫全區(qū),東部和南部為黃河泛濫平原區(qū),具有黃河沖積地貌形態(tài)及懸河人工約束地貌系統(tǒng),主要分布有河漫灘、黃河大堤、臨背河洼地及堤外平原。研究區(qū)內(nèi)廣泛分布稻田及魚塘,人類活動頻繁。地下水水源地位于黃河沖積扇頂部南翼,在黃河粗粒相帶和黃河側(cè)滲影響帶之內(nèi),淺層地下水資源極為豐富。根據(jù)地下水埋藏條件和水力性質(zhì),區(qū)內(nèi)松散巖類孔隙水(350m深度范圍內(nèi))可分為淺層含水層組(潛水～微承壓水上段、下段)和中深層承壓含水層組(圖1)。淺層含水層組底板埋深一般為60～75m左右,上部淺層潛水含水層為全新統(tǒng)沖積粉土、粉細(xì)砂。下部淺層微承壓水含水層主要由上更新統(tǒng)沖積的粉砂、細(xì)砂、中砂組成,厚度一般為35～50m,在埋深33～42m處有1層2～5m厚的粉土,將淺層微承壓水含水層分為上、下兩段,造成二者之間有0.3～1m的靜水位差,部分地段粉土層缺失,上下段含水砂層相接,二者基本形成統(tǒng)一水位。淺層地下水主要接受黃河側(cè)滲、降水入滲及灌溉回滲為主,排泄以蒸發(fā)和開采為主。天然狀況下地下水水位埋深為1～3m,受人工開采影響,形成大小不等的區(qū)域性季節(jié)性降落漏斗。淺層地下水化學(xué)類型自北向南具有明顯的水平分帶,由近黃河地帶的 HCO3-Ca、HCO3-Na、HCO3-Mg型向南逐漸變?yōu)?HCO3-Ca、HCO-3、Na或HCO3-Ca型,溶解性總固體有明顯增大趨勢。淺層地下水中,除原生的鐵、錳離子濃度稍高外,水質(zhì)總體良好。中深層承壓含水層組(150～350 m)主要由第四系下更新統(tǒng)和部分新近系松散堆積物組成,巖性主要為細(xì)砂、中細(xì)砂,含水砂層累計(jì)厚度65～75m,中深層地下水以側(cè)向徑流補(bǔ)給為主,與上部淺層含水層組聯(lián)系不密切,補(bǔ)給條件較差。天然狀況下地下水水位埋深一般為12～16m,水化學(xué)類型主要為HCO3-Ca、HCO3-Na、HCO3-Mg型,溶解性總固體小于1000mg/L,水質(zhì)良好。中深層承壓含水層組是沿黃地下水源地的輔助水源,淺層微承壓含水層組下段是鄭州沿黃地下水源地的主要取水目的層,也是監(jiān)測研究對象。

圖1 鄭州市沿黃區(qū)水文地質(zhì)剖面

2 研究區(qū)地下水開發(fā)利用歷史與現(xiàn)狀

研究區(qū)地下水的開發(fā)利用主要始于20世紀(jì)60年代中期,伴隨著開挖魚塘、旱地改稻田,開始鉆鑿機(jī)井開采利用地下水,把井灌與原來單一的引黃灌溉相結(jié)合。1998年之后,當(dāng)?shù)厥芙?jīng)濟(jì)利益的驅(qū)動,漁業(yè)開發(fā)呈逐年增加趨勢。農(nóng)業(yè)及漁業(yè)開采地下水一般集中在每年的4～9月份,主要為季節(jié)性開采。其中農(nóng)業(yè)及生活用水開采量平均8.8萬m3/d,漁業(yè)地下水平均開采量由1997年的20萬m3/d增大到2003年33萬m3/d,主要開采利用淺層的潛水及微承壓含水層上段的混合水。

城市集中供水水源地分布在黃河大堤兩側(cè),水源地一期工程1998年正式開采,2004年7月水源地開采井全部建成。開采井118眼,其中淺層開采井98眼,中深層開采井20眼,供水能力達(dá)36.92萬m3/d(含中深層地下水4.0萬m3/d)。實(shí)際上2000～2004年平均開采量8.5萬m3/d,最大開采量16.50萬m3/d,尚未達(dá)到滿負(fù)荷運(yùn)行的設(shè)計(jì)開采量。

3 監(jiān)測布置

3.1 監(jiān)測區(qū)范圍確定

地下水監(jiān)測范圍的確定以控制水源地邊界和地下水的補(bǔ)給、徑流、排泄條件以及可能出現(xiàn)環(huán)境地質(zhì)問題的地帶為目的。監(jiān)測范圍西起邙山隔水邊界,東至中牟縣萬灘—劉集鄉(xiāng)王莊一線,北至黃河補(bǔ)給邊界,南為黃河影響帶范圍,距黃河大堤8～12km,監(jiān)測面積約400km2。

3.2 監(jiān)測網(wǎng)點(diǎn)布設(shè)

監(jiān)測網(wǎng)點(diǎn)的布設(shè)充分利用水源地勘探期間的長期觀測孔點(diǎn),以實(shí)現(xiàn)監(jiān)測資料的連續(xù)和減少鉆探工作量。在平面上分別布設(shè)垂直黃河和平行黃河的觀測線,自水源地集中開采區(qū)向外圍觀測點(diǎn)由密至疏,平行于黃河方向的觀測線距離1000～2500m,垂直于黃河方向的觀測線距離3000m左右(圖2)。在典型地段的垂向上布設(shè)淺層潛水、淺層微承壓水上段、淺層微承壓水下段觀測孔,以了解淺層地下水三維流動特征。在魚塘分布區(qū)、納污河道附近等地段布設(shè)淺層潛水觀測孔,以了解地下水開采對魚塘滲漏的影響及淺層地下水的污染問題。

3.3 監(jiān)測內(nèi)容及工作手段

3.3.1 地下水動態(tài)觀測

地下水動態(tài)觀測是研究地下水開采動態(tài)變化規(guī)律、劃分地下水動態(tài)類型、計(jì)算水均衡參數(shù)、進(jìn)行地下水動態(tài)趨勢預(yù)報(bào)等的基礎(chǔ)工作,觀測孔布設(shè),水位觀測頻率、要求及方法,觀測孔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與施工等按現(xiàn)行規(guī)范CJJ/T 76—1998《城市地下水動態(tài)觀測規(guī)程》執(zhí)行。地下水觀測主要以人工為主,配備有少量自動記錄裝置。

3.3.2 水質(zhì)采樣及化驗(yàn)

水質(zhì)采樣工作是反映地下水真實(shí)情況的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。為了提高采樣質(zhì)量,專門對作業(yè)人員進(jìn)行采樣工作培訓(xùn),參照《水樣的采取、保存與送檢規(guī)程》(試行)統(tǒng)一技術(shù)要求和方法,采樣容器專項(xiàng)使用,并按分析項(xiàng)目要求不同(如加酸、加堿樣水等)分類使用。水質(zhì)全分析、簡分析、微生物分析及專項(xiàng)分析等全部由國家計(jì)量認(rèn)證合格單位承擔(dān)。

3.3.3 環(huán)境水文地質(zhì)調(diào)查

環(huán)境水文地質(zhì)調(diào)查是在充分利用原有成果的基礎(chǔ)上,進(jìn)行有針對性的復(fù)核性測繪,對監(jiān)測區(qū)黃河河道沖淤演變、淺層土體巖性、黃河濕地、農(nóng)業(yè)灌溉及魚塘開采量和回滲量等開展調(diào)查。特別針對區(qū)內(nèi)魚塘分布廣泛且年際變化大,人為調(diào)查不易整體控制的實(shí)際情況,利用中國科學(xué)院中國遙感衛(wèi)星地面站提供的高分辨率(分辨率15m)的彩色合成圖像進(jìn)行解譯監(jiān)測控制。選擇時(shí)段一般為魚塘每年開始蓄水的4～5月份,反映的魚塘界限清晰,可解程度高。通過比例尺換算統(tǒng)計(jì)魚塘面積,結(jié)合實(shí)際魚塘用水時(shí)段調(diào)查,較好地解決了漁業(yè)用水量不易控制的難題。此外,對長期觀測孔坐標(biāo)、高程進(jìn)行了工程控制測量,充分收集了區(qū)內(nèi)大量的氣象、水文等資料。

3.3.4 黃河大堤沉降監(jiān)測

黃河大堤沉降監(jiān)測由河南黃河勘測工程處承擔(dān)。在黃河大堤上布設(shè)88個沉降標(biāo)識,監(jiān)測工作從1999年5月開始到2001年8月結(jié)束,對黃河堤防工程附近地下水水位變化及沉陷情況進(jìn)行了全面監(jiān)測。

4 主要成果及認(rèn)識

4.1 地下水允許開采量驗(yàn)證

根據(jù)研究區(qū)水源地連續(xù)多年的開采動態(tài)資料,對區(qū)內(nèi)各類水文地質(zhì)參數(shù)進(jìn)行了復(fù)核驗(yàn)證,利用水均衡法及國際上先進(jìn)的三維可視化地下水模擬軟件FEFLOW進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算,利用長達(dá)8a的高頻率(每5d間隔)監(jiān)測資料進(jìn)行模型校正與檢驗(yàn),重新計(jì)算了水源地淺層地下水補(bǔ)給資源和允許開采量,并與原勘探報(bào)告進(jìn)行了對比分析,證明了鄭州沿黃區(qū)地下水源地的淺層地下水允許開采量是有保證的,達(dá)到水源地勘查A級精度要求。

4.2 地下水動態(tài)演化趨勢

將水源地初勘階段、勘探階段、施工建設(shè)及開采運(yùn)行期間長達(dá)28a的地下水水位、水質(zhì)監(jiān)測資料疊加貫穿在一起,研究了現(xiàn)狀開采條件下的地下水流場特征及其演化趨勢。監(jiān)測區(qū)地下水動態(tài)變化主要受開采、黃河及氣象因素制約,自1978年以來,隨著地下水開采量的逐年增加,監(jiān)測區(qū)地下水水位年均下降0.10m,可見,水源地開采區(qū)地下水位升降與開采量密切相關(guān)。沿黃區(qū)淺層地下水水化學(xué)類型主要以重碳酸型為主,1978年以來溶解性總固體(TDS)值有所升高。污灌區(qū)等局部地帶水化學(xué)類型趨于復(fù)雜。利用概率統(tǒng)計(jì)模型進(jìn)行水源地水質(zhì)預(yù)測,結(jié)果表明,淺層地下水(主要為上部潛水及微承壓上段水)中TDS值出現(xiàn)在大于1100mg/L區(qū)間上的概率呈上升趨勢,Cl-、SO42-、HCO3-、硝酸鹽及總硬度等的濃度有逐年增高趨勢。水源地開采以來,生產(chǎn)井的水化學(xué)成分、主要離子濃度未發(fā)現(xiàn)有明顯變化,基本處于穩(wěn)定狀態(tài)[1-2]。

4.3 河道變化對水源地地下水位的影響

鄭州沿黃地下水源地開采量的70%以上來自黃河側(cè)滲補(bǔ)給,而黃河鄭州段河床沖淤變化較為頻繁。研究黃河河道變化對沿岸傍河水源地的影響意義重大[3]。應(yīng)用Visual MODFLOW三維地下水模擬軟件分別對黃河向北滾動、河床淤積上升及河床沖刷下切3種情況對水源地的影響進(jìn)行模擬預(yù)測,結(jié)果表明:①隨著河道北移,水源地的地下水水位在下降,當(dāng)河道北移距離控制在800m以內(nèi)時(shí),對水源地影響不大,漏斗中心水位降幅約為0.64m;但當(dāng)河道北移距離較大時(shí),對水源地影響很大,當(dāng)北移1500m時(shí),水源地地下水水位降幅達(dá)3m以上。②隨著黃河水位的升降,灘區(qū)內(nèi)地下水水位也跟著升降,但地下水變化幅度略小于黃河河水的變化幅度,黃河水位每升降0.5m,地下水位隨之升降0.41m。

4.4 小浪底水庫運(yùn)行對水源地的影響

1999年10 月小浪底水庫運(yùn)行后,黃河花園口大斷面一直處于沖刷下切狀態(tài)[4]。據(jù)花園口水文站資料分析可知,同流量下(520m3/s)黃河水位在降低,水位標(biāo)高從2000年7月到2004年7月的4年間水水位下降了1.36m,年平均下降0.34m。河槽降低引起黃河補(bǔ)給地下水的補(bǔ)給基準(zhǔn)面隨之降低,黃河兩側(cè)地下水水位下降,降幅一般為0.5～2.0m。黃河水位的降低導(dǎo)致水源地降深增加,至2004年,水源地受黃河水位降低的影響,地下水水位降深增加了約1.50m。由于地下水水力坡度不會降低,黃河對地下水的補(bǔ)給量基本不變。此外,由于小浪底水庫運(yùn)行后,維持了合理流量,水源地運(yùn)行安全性得到了提高[4]。

4.5 水源地開采對黃河大堤的影響

研究區(qū)黃河大堤一線40m深度范圍內(nèi)地層巖性為晚更新世以來沉積的松散中細(xì)砂、中砂、細(xì)砂和松軟的淤泥質(zhì)土、粉土等。依據(jù)河南黃河勘測工程處提交的沉降監(jiān)測成果、水位觀測資料、地層結(jié)構(gòu)及土層物理力學(xué)指標(biāo)等,結(jié)合水源地動態(tài)監(jiān)測資料,對水源地開采以來引起大堤不同位置地下水水位的變化情況,根據(jù)太沙基(Terzaghi)一維固結(jié)理論,對位于黃河南岸的鄭州沿黃水源地范圍內(nèi)淺層地下水集中開采造成黃河大堤的沉降量進(jìn)行了理論計(jì)算,結(jié)果與實(shí)測沉降量基本一致。根據(jù)水源地滿負(fù)荷開采5a時(shí)的穩(wěn)定流場進(jìn)行沉降預(yù)測,利用分層總和法計(jì)算的沿黃河大堤不同地段最終沉降量為 13.56～23.06cm;利用已有的黃河大堤沉降實(shí)測資料,按照單位變形量法推算的沿黃河大堤不同地段最終沉降量為15～23.9cm之間[5]。由于大堤為非剛性體,且地面下沉的過程極其緩慢,故一般情況下,不會造成大堤的突發(fā)性毀壞[6]。此外,由于黃河大堤附近地下水水位降低,提高了大堤下伏淤泥質(zhì)土的強(qiáng)度,起到消除或減輕地震液化災(zāi)害的作用,對大堤穩(wěn)定有利。

4.6 水源地開采對黃河河道的影響

鄭州沿黃水源地的開采主要來自黃河水側(cè)滲補(bǔ)給,水源地開采引起黃河水側(cè)滲增量約占黃河花園口站多年平均流量(1447m3/s)的0.13%,年平均最小流量764.2m3/s(1991年)的0.24%,因此開采地下水不會對黃河徑流量產(chǎn)生大的影響。此外,黃河含沙量居世界首位,開采地下水是否會引起黃河水中的懸浮物沉積淤塞河道、影響河床透水性和補(bǔ)給量的問題自然受到人們的關(guān)注。按水源地設(shè)計(jì)供水能力33萬m3/d計(jì),以黃河水平均含沙量30 kg/m3計(jì)(據(jù)花園口水文站資料),每年由于抽取地下水而增加的泥沙淤積量為253萬t,與花園口站年均11.6億t輸沙量相比,其影響甚微,對該段泥沙淤積量的改變是非常微小的[7],因此,開采地下水不會對黃河徑流量及其透水性、補(bǔ)給量產(chǎn)生大的影響。

4.7 水源地面臨的主要問題

鄭州沿黃區(qū)地下水水源地的允許開采量是基于當(dāng)時(shí)勘探期的水文地質(zhì)條件提出的,如今10多年過去了,區(qū)內(nèi)環(huán)境地質(zhì)條件發(fā)生了巨大變化,農(nóng)漁業(yè)用水方式也發(fā)生了改變,使得引黃灌溉量大幅度減少。特別是漁業(yè)大規(guī)模無序開采地下水,給水源地帶來很大影響,同時(shí)產(chǎn)生了城鄉(xiāng)供水矛盾(盡管農(nóng)漁業(yè)和城市供水的開采層位不完全相同),也暴露出現(xiàn)階段對水源地立法保護(hù)不夠。作為城市的集中供水地下水水源地,應(yīng)嚴(yán)禁其他用水戶的無序開發(fā)。下一步需要政府積極引導(dǎo),恢復(fù)引黃淤灌、魚塘改稻田等措施,對地表水、地下水聯(lián)合調(diào)度,進(jìn)行系統(tǒng)、科學(xué)、統(tǒng)一的規(guī)劃,加強(qiáng)對地下水水源地的保護(hù)。

5 結(jié) 語

a.鄭州沿黃地下水水源地的建設(shè),增大了城市集中供水量中地下水的比重,提高了城市供水的安全可靠程度,尤其是當(dāng)黃河突發(fā)性水污染事件發(fā)生而影響正常供水時(shí),應(yīng)急能力將得到明顯的增強(qiáng),其社會、經(jīng)濟(jì)效益十分顯著。

b.針對沿黃地下水水源地尚未滿負(fù)荷投入使用,應(yīng)循環(huán)啟用開采井,保持經(jīng)常性抽水,以避免因長期閑置而造成濾水管堵塞,降低出水量。此外,中深層開采井由于其補(bǔ)給能力較差,宜作為應(yīng)急(備用)水源使用。

c.繼續(xù)進(jìn)行地下水動態(tài)監(jiān)測,加強(qiáng)對水源地的立法保護(hù),做好水源地及近鄰地區(qū)的水污染防治工作,是實(shí)現(xiàn)水資源可持續(xù)利用的重要基礎(chǔ)。采取“采補(bǔ)調(diào)蓄”措施,進(jìn)行系統(tǒng)、科學(xué)、統(tǒng)一的規(guī)劃,是實(shí)現(xiàn)地下水資源可持續(xù)開發(fā)與生態(tài)環(huán)境和諧統(tǒng)一的關(guān)鍵。

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[2] 田秋菊,唐仲華,鄧曉穎,等.黃河下游岸邊淺層地下水環(huán)境演化研究[J].人民黃河,2007,29(4):30-31.

[3] 劉禮領(lǐng),焦紅軍,鄧曉穎,等.黃河河南段河道變遷對傍河水源地的影響[J].人民黃河,2007,29(6):28-30.

[4] 王利,焦紅軍,侯懷仁,等.小浪底運(yùn)行后黃河下游影響帶地下水變化分析[J].人民黃河,2007,29(8):31-32.

[5] 鄧曉穎,賈杰華,宋會香,等.淺層地下水集中開采對黃河大堤穩(wěn)定性的影響[J].人民黃河,2006,28(4):44-45.

[6] 林學(xué)鈺,廖資生,石欽周.黃河下游傍河開采地下水研究:以鄭州—開封間黃河段為例[J],吉林大學(xué)學(xué)報(bào):地球科學(xué)版,2003,33(4):495-502.

[7] 錢云平,劉志宏,黃彥林.鄭州北郊地下水源地傍河取水對區(qū)域環(huán)境的影響分析[J].地下水,1997,19(3):110-111.