区域水资源保护：超采地下水的地质环境影响

在邢台市黑龙港区和滹滏区，由于长期大面积过量开采地下水，对地下水水环境产生一定的影响，引发了地下水水位大幅度下降、降落漏斗快速扩展、含水层疏干、地面沉降、咸水底界面下移等环境地质问题。

3.1　越流补给深层地下水造成含水层疏干、咸水界面下移

在邢台市黑龙港和滹滏区的咸水区，由于长期超采深层地下水，改变了深层地下水水流的补给、排泄的自然状态。在20世纪70年代深层地下水开采初期，开采量较小，深层水头和浅层水头基本接近，深层水水流的流场的补给区、径流区、排泄区基本保持自然状态。机井开采量基本以截取水平径流、削减自然排泄为主，即以地下水侧向径流构成开采资源的主要成分。随着大规模开采地下水，原来地下水流的侧向径流不能满足开采需求，造成深层地下水位大规模持续下降。由于深层淡水不断开采，其深层地下水的水位差不断加大，从而呈现出浅层地下水向深层地下水的越流量逐年增多的趋势。在全淡水区，深、浅层地下水混合开采，越流补给是正常补给过程。在有咸水区的区域，咸水越流补给地下水，会造成咸水界面下移和对水质产生影响。

越流补给上层含水层穿越弱透水层补给的地下水，越流量可按达西定律计算。计算公式为：

Q越＝100×F×ε×Δh×Δt

式中　Q越——越流补给量，万m3／a；

F——计算面积，km2；

ε——越流系数，采用0.0000192；

Δh——浅层地下水与深层地下水的平均水位差，m；

Δt——计算时间段。

越流补给量计算结果：滏东区越流量为30124.8m3／a，其中黑龙港淡水区为9092.9×104m3／a；黑龙港咸水区为18823.3×104m3／a；滹滏区咸水区为2208.6×104m3／a。

邢台市东部平原区有咸水或微咸水分布，地下水位埋深一般小于15.0m，属于浅层咸水。在垂直方向上，咸水主要赋存于第四系的第一和第二含水层组，咸水底界由西向东逐渐加深，下伏为深层淡水，上覆有浅薄层淡水或无淡水覆盖。

由于人工开采地下水，原始状态下的深层承压水的补给区、径流区、排泄区消失，地下水水流从补给、径流到排泄的循环型承压水流变为开采条件下的下渗、消耗型承压水流。造成深层水头与浅层水头地下水水位高达几十米的水头差，为上部咸水的补给提供了必要的动力条件，造成上层水对下水层的越流补给，使咸水底界面整体缓慢下移。

越流补给是咸水底界面下移的主要因素，其结果使淡水储存条件受到影响，含水层结构受到破坏，形成该区水资源的恶性循环，最终将深层淡水资源遭到破坏。以新河县为例，该县总面积为366km2，浅层地下水原来水文地质构造情况为：底板埋深为30m的淡水面积仅为29.6km2。埋深为10m左右的微咸水面积为40.2km2，含水层为3～5m，主要分布在河道和沙丘地带。咸水分布较广，面积为296.2km2，埋深在30～50m。该县生活用水主要开采深层淡水，近年来，随着深层淡水开采量增大，浅层咸水位与深层淡水位逐渐增大，导致咸淡水界面下移，有的下移界面超过机井对上层咸水封闭层的深度，淡水的储存条件受到破坏，使原来的淡水井变成咸水井，影响居民生活用水。通过对新河县咸水区咸水界面下移情况调查可知，咸水界面下移对地下水质影响的情况较多，例如新河县苏章村，1998年6月对地下水化验结果为溶解性总固体为870mg／L，氯化物为180mg／L；而2002年10月化验结果为溶解性总固体为1200mg／L，氯化物为424mg／L。2002年监测结果与1998年结果相比较，溶解性总固体增大37.9%，氯化物增大135.5%，说明咸水界面下移对水质影响明显。

3.2　压密释水造成地面沉降

地面沉降是由于过量的开采第四系松散地层中的地下水而引起的。当地下水开采量大于补给量时，含水层的承压水位明显下降。随着承压水头的不断下降，造成了黏性土层的不断密结而大量压缩；同时，含水层本身由于承压水位的下降，水对于上层的浮托减小，因而产生压缩。黏性土层和砂层因承压水位不断下降造成的密结和压密，反映在地面上就是地面沉降。地面沉降的发生与发展是由承压含水砂层及其上覆黏性土层中孔隙水压力减小、有效应力增加而引起的。根据质量守恒原理，土层在饱和水状态下，土体体积的减小值应等于土层孔隙水释水量，也就是说，单位面积上土层厚度减少一个单位，则等于土层释放一个单位体积的水，即：

Q压＝0.1×Δh×F

式中　Q压——土体压密释水量，万m3／a；

Δh——地面沉降深度，采用平均值23mm／a；(www.xing528.com)

F——计算面积，km2。

则压密释水量计算结果为13068.6×104m3／a，其中黑龙港区为11348.2×104m3／a；滹滏区为1720.4m3／a。

土层压缩是造成地面沉降的主要因素，根据黑龙港区观测资料分析，地面沉降的分布与地下水位降落漏斗范围相同，地下水位下降漏斗发展迅速，漏斗面积越大，则该区地面沉降越显著。根据1958～1988年对该区地面沉降测定，年平均沉降率为22.78mm／a。1988年以后由于该区地面沉降资料短缺，河北省水文水资源勘测局根据地下水位、地下水开采量、地面的固结程度、黏性土的含量等因素，采用4种不同的预测方法对该区地面沉降进行预测：该区形成以南宫为中心的地面沉降带，与深层地下水水位降落漏斗中心一致。预测1989～1998年南宫沉降区年沉降量为33.94mm，到2030年该区年平均沉降量为61.85mm[3]。

地面沉降的危害还表现在降低了地面高程，对防洪可能引起排水不畅，降低河道输水能力。对建筑物引起裂隙以及地下各种管道发生扭曲甚至断裂，是一种发展缓慢而且破坏巨大的环境地质灾害。

3.3　现状开采条件下水量均衡分析

在黑龙港区和滹滏区，由于浅层咸水分布较广，主要以开采深层地下水为主。深层地下水的排泄途径，在20世纪70年代以前，主要是径流排泄，表现为局部地区的人工开采或向上含水层的顶托排泄，70年代以后，大量开采地下水，人工开采则成为深层地下水的排泄途径，以消耗存量为主。储量消耗的显著特点是地下水位持续下降，目前所抽取的水量一部分来自补给区外，大部分来自含水层本身所储存水的释放，包括来自含水层及附近的粉土或黏土夹层的压密。在超采情况下，深层地下水开采量主要由四部分水量组成[2]。

Q开＝Q侧＋Q越＋Q弹＋Q压

式中　Q开——深层地下水的开采量，万m3／a；

Q侧——来自外系统的侧向流入量的增量，万m3／a；

Q越——来自外系统的越流量的增量，万m3／a；

Q弹——含水层释放量，万m3／a；

Q压——上覆弱透水层黏性土的释水量，万m3／a。

在以上补给量中，弹性释水和压密释水两部分补给水量，是承压含水层组在开采外力破坏其内部水动力场条件之后，内部水动力场为达到新的平衡而进行的内部水量空间上的再分配结果。深层地下水自然补给水量主要有侧向补给和越流补给[1]。浅层和深层地下水水位差的作用形成越流补给，在浅层为咸水的区域，越流补给的水量为咸水，会使深层地下淡水受到破坏，形成咸水界面下移等地质灾害。

在深层地下水开采中，弹性释水、压密释水和越流补给是承压含水层组在开采外力破坏其内部水动力场条件之后，内部水动力场为达到新的平衡而进行的内部水量空间上再分配的结果，与自然补给过程之间存在本质的区别。压密释水是以牺牲地面高程而获得的水量，其结果导致地面沉降；在咸水区，上层咸水越流补给导致咸水底界面下移。弹性释水大量开采造成地下水位下降，地下漏斗区扩大。长期超采地下水引发了地下水水位大幅度下降、降落漏斗快速扩展、地面沉降、咸水底界面下移等水危机和环境问题。如表3是现状开采条件下深层地下水对生态环境影响情况统计。

表3　现状开采条件下深层地下水对环境影响比例结构统计表

综上所述，开采深层地下水得到的水量主要来自由于水位下降而引起的含水层和弱透水土层压密、水体膨胀引起的弹性释放、侧向补给和越流补给，来自土层压密和弹性释水的水量均是动用储存量。在承压含水层以上有咸水覆盖的地区开采的淡水量也是动用储存量，只有在无咸水覆盖的地区部分越流补给的水量来自浅层地下水，这部分水量虽然可以持续利用，属于浅层水和深层水资源量的重复量。远离山前黑龙港平原的侧向补给占总补给量的3.86%，由于地下水开采水位下降而引起的侧向补给实际上也是动用邻区的地下水储存量。目前，开采的深层地下水除侧向补给和在无咸水覆盖区的越流补给的水量外，几乎全部动用储存量。

我们超采的深层地下水，不仅是几百年、几千年留给我们的地下水，而是几万年以来留给人们的地下水，邢台市黑龙港区有咸水区的咸水体之下蕴藏的深层淡水，补给量非常缓慢，其循环周期一般在1万～2万年，是用于维持生态环境免遭破坏的生态环境用水。目前，超采的深层地下水，是以牺牲环境为代价支撑经济发展的，这种用于维持生态环境的水愈少，生态环境愈差。