黄河下游山东段地下水资源潜力及其可持续开发利用

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  王彦俊¹ 刘桂仪¹ 胡彩萍¹ 梁伟² 啜云香²

  （1.山东省地矿工程集团有限公司，济南250013；2.山东省鲁北地质工程勘察院，德州253015）

  作者简介：王彦俊（1958—），男，高级工程师，从事水工环地质勘查和研究工作。

  摘要：20多年来，黄河下游地下水开采迅猛增加，引起了一系列水文地质条件的变化，并且产生了诸如地下水降落漏斗、地面沉降、水质污染、海咸水入侵等地下水环境负效应。本文对新的条件下地下水潜力进行了分析，得出了地下水潜力主要在浅层，浅层地下水潜力主要分布在沿黄的结论。为此，提出了优先开发浅层地下水，合理而科学调度地下水与地表水，调整开采布局，合理调控地下水水位等地下水潜力可持续开发利用对策建议。

  关键词：鲁西北平原；地下水；水文地质条件变化；负效应；潜力分析；开发利用对策

  20世纪80年代进行了鲁西北平原地下水综合评价工作和山东省沿黄地带浅层地下水评价及开发利用勘察研究，通过大量的水文地质试验和实测，建立了符合本区特点的水文地质参数系列，全面计算了浅层地下水量，这些成果对黄河下游山东段国民经济发展规划和水开发具有重要的使用价值。20 多年来，由于断流，黄河来水量日趋减少，地下水开采量逐年增加，从而引起地下水补给条件以及地下水水位、水质等水文地质条件的变化，并产生了一定程度的地下水环境负效应。因此，查明现状条件下区域地下水潜力，提出地下水合理开发利用对策，对鲁西北地区国民经济建设和发展具有重要意义。

  1 区域水文地质概况

  鲁西北地区地处黄河下游冲积平原区，为巨厚的松散第四系和新近系所覆盖。主要为松散岩类孔隙含水岩组。以地下水介质成因和赋存条件为基础，结合地下水埋藏条件、水质结构，划分为浅层地下水、中层地下咸水和深层地下水3个地下水含水层。各含水层的介质场、水动力场、水化学场是一个从补给到排泄的有机整体，是具有一定的性而又相互联系、相互影响的地下水系统。浅层地下水为开放型地下水系统，鲁西北黄河冲积平原浅层地下水可以划分为鲁西黄河冲积扇、鲁北黄泛平原、滨海平原三个浅层地下水系统区，直接接受大气降水、灌溉回渗和河渠侧渗等垂直入渗补给，通过蒸发、人工开采等向外排泄。与外部环境关系密切，环境条件的改变直接影响着系统功能的变化，且反应迅速。

  1.1 浅层地下水含水层

  鲁西北地区晚更新世以来，河道不断变迁，辫状水系发育，沉积形成了主流带和泛流区含水砂层、弱透水的粘质砂土和砂质粘土隔水层交错重叠的浅层地下水含水介质。按照地下水介质组合关系，浅层地下水介质可以分为：上部岩性为细粒相砂性土或粘性土、中下部为含有大量相对富集的砂层的二元结构，含水层砂层与砂性土、粘性土互层的多元结构，结构致密的粘性土裂隙结构三种结构类型。浅层地下水含水层底板埋深50～60m，含水砂层以细砂、粉细砂为主，砂层厚度5～30m，单位涌水量50～250m³/（d·m），水力性质为潜水-微承压。鲁西黄河冲积扇区地下水水化学类型主要为HCO₃-Na·Mg及HCO₃·SO₄-Na·Mg型，矿化度小于2g/L；鲁北黄泛平原区地下水水化学类型主要为HCO₃·SO₄·CI-Na·Mg及HCO₃-Na·Mg型，除西部古河道和沿黄区为淡水外，主要为矿化度1～3 g/L的微咸水；滨海平原区地下水水化学类型主要为Cl-Na 及Cl·SO₄-Na·Mg型，西部为2～5g/L的微咸水和半咸水，沿海为大于5g/L的咸水。

  1.2 中层地下咸水含水层

  底界面埋深170～250m左右，地下水介质为第四系中更新统。含水层由河湖相粉细砂组成，累计厚度20～30m，为承压水。水化学类型Cl·HCO₃-Na型，矿化度2～7g/L。广泛分布于除全淡区以外的广大区域，目前尚未开发利用。

  1.3 深层地下水含水层

  底界面埋深500m，地下水介质主要为第四系下更新统和明化镇组上段。河湖相沉积，含水砂层相对较粗，主要为细砂和中砂，累计厚度为40～60m，单位涌水量100～200m³/（d·m）。水化学类型为HCO₃-Na、HCO₃·SO₄- Na、SO₄· Cl-Na及Cl·SO₄-Na型，矿化度小于2g/L。

  深层地下水含水层颗粒细，补给区远，水交替微弱，径流极其缓慢，开采量主要来源于本身的弹性释放量、压缩释水量，周边激发侧向径流补给量和相邻含水层组越流补给量。

  2 水开发利用

  2.1 浅层地下水开发利用概况

  浅层地下水大规模的开发利用，始于20世纪60年代末期农村的抗旱打井，70年代末到80年代引黄条件好的地区弃井引黄，引黄水成为黄河下游旱涝保收的可靠的农田灌溉主要水源，逐步形成了以引黄为主、井灌为辅的农业用水格局。平均开采模数小于10×10⁴m³/（a·km²），开采程度以沿黄最低，井灌区最高。90年代以来，由于黄河断流，来水量减少，地下水开采量随之急剧增加，1991～2000年地下水开采量平均40.98×10⁸m³/a，占总供水量的41.34%。浅层地下水开采主要用于农田灌溉，其次用于乡村生活和部分地区城镇供水。农业灌溉开采量为331241×10⁴m³/a，占74%；乡镇生活开采量为50597×10⁴m³，占11%；城镇供水开采量为64882×10⁴m³/a，占15%。

  2.2 深层地下水开发利用概况

  1965年以来德州市和滨州市先后开始开采深层地下水为城市供水。70年代初菏泽市开始开发利用深层地下水。到70年代末80年代初，区内大部分县城陆续开始大规模的开发利用深层地下水，使之深层地下水开采量迅速增加，造成深层地下水位区域性大幅度下降，20多年来深层地下水位下降了近40m。全区均有不同程度的超采，以德州、滨州、菏泽三市最为严重，并形成了严重的德州、滨州和菏泽等深层地下水区域性降落漏斗。现状年开采总量已达28599×10⁴m³/a，占总供水量的2.65%。

  3 水文地质条件变化及地下水环境负效应

  3.1 水文地质条件变化

  3.1.1 降水量减少

  黄河下游已进入了历史上的枯水年际，多年降水量趋减，近10年来平均降水量与20世纪80年代以前相比明显减少，全区平均减少了9.29%。降水量的变化，导致降水入渗补给量明显减少。

  3.1.2 浅层地下水位下降

  进入20世纪90年代以来，黄河断流加聚，来水量日益减少，农业灌溉开采地下水量急增，除沿黄、滨海地区、南四湖沿岸地下水位保持基本均衡外，其他区域地下水位均有不同程度的下降，平均水位降差2～3m，井灌区区水位降差达10m，并且在井灌区产生了不同程度的降落漏斗。地下水水位下降，致使包气带厚度增加，同时改变了包气带岩性结构。

  3.1.3 灌溉量和灌溉方式变化

  20世纪80年代引黄灌溉进入峰期，引黄灌溉量达47.14×10⁸m³/a，占总灌溉量的70%。进入90年代，由于黄河断流加剧，来水量明显减少，引黄灌溉量降到33.66×10⁸m³/a，占总灌溉量的51.5%；因此，浅层地下水作为农田灌溉的重要水源被大量开发利用，地下水灌溉开采急剧增加，由80年代的21.5×10⁸m³/a，增加到现在的31.7×10⁸m³/a。

  引黄灌区长期以来以大水漫灌模式进行农田灌溉。到90年代后期，落后的大水漫灌方式逐渐被代管灌溉方式所取代。新的代管灌溉方式使灌溉定额降低，灌溉回渗系数减小，相应的灌溉回渗量降低。

  3.1.4 河流侧渗条件变化

  黄河来水量的减少，直接影响到黄河对地下水的补给，使黄河平均单侧单宽补给量由80年代的2.134m³/（d·m）减小到2000年的1.115m³/（d·m），减小了近50%。季节性河流水量减少甚至干枯，使原来对地下水有补给作用的徒骇河和马颊河补给段长度减小，补给时间缩短，补给强度减弱。

  3.1.5 深层地下水位下降

  自20世纪80年代初以来，由于深层地下水的大量开采，地下水水位急剧下降。全区深层地下水水位平均下降了30m左右。大的区域面积上降差20～40m，漏斗中心外围区降差40～60m；漏斗中心降差达60m以上。

  3.1.6 地下水水质变化

  浅层地下水处在地下水积极交替带，由于引黄灌溉和地下水开采，加剧了地下水交替，2000年矿化度与1985年矿化度相比，总体呈淡化趋势。小于1 g/L的淡水面积增加了387km²，1～2g/L的微咸水面积减少了181km²，2～3g/L的微咸水面积增加了1031km²，大于3g/L的咸水面积减少了1238km²。

  在引黄灌区由于大量的引黄灌溉，引起了浅层淡水底界面下移。由于深层地下水的长期大量超采，水头压力降低，引起深层地下淡水顶界面不同程度的下移，从而使深层地下水以深层地下淡水顶界面下移的形式得到上部相邻含水层组的越流补给。

  3.2 地下水环境负效应

  随着社会经济的快速发展，人们对地下水的需求也越来越大，由于对地下水的不合理的开发利用，特别是在地下水集中开采区或地段出现了诸多与地下水开采有关地下水漏斗、地面沉降、海（咸）水入侵和地下水水质污染等环境地质负效应问题。

  3.2.1 地下水降落漏斗

  随着地下水的开发利用，在城镇深层地下水供水水源地和浅层地下水井灌区，均已形成了不同程度的开采降落漏斗（表1）。

  表1 地下水漏斗特征一览表

  3.2.2 地面沉降

  在德州漏斗、菏泽漏斗、滨州漏斗区等地，由于深层地下水长期大量超采，均产生了不同程度的地面沉降地质灾害。德州地面沉降始于20世纪80年代初，累计沉降量达516 mm；菏泽市地面沉降亦始于80年代中期，地面沉降总量大于350mm。

  3.2.3 海（咸）水入侵

  广饶县南部由于长期大量开发利用地下水，地下水位大幅度下降并形成著名的广饶漏斗，从而使咸水体向降落漏斗位移，导致海（咸水）的入侵。以Cl^-含量≥250mg/L为海（咸）水的入侵标志界限，1999年调查区内入侵总面积217.38km²，入侵前锋线（Cl^-含量250mg/L等值线）以达小清河南一线，入侵速度200m/a。

  4 地下水潜力分析

  地下水潜力是指一个特定地区，具有一定评价深度，在一定的技术经济和环境条件约束下地下水可增加的利用量（段永侯等，2003）。由此，地下水潜力可从现状潜力、环境潜力两方面进行分析。

  4.1 地下水现状潜力分析

  浅层地下水现状潜力就是开采潜力。全区开采量为65.0784×10⁸m³/a，开采量44.6468×10⁸m³/a，开采潜力为22.9549×10⁸m³/a，占地下水总量的35.27%。但是分布极不均匀（图1）。

  图1 浅层地下水潜力图

  1—中等潜力区；2—小潜力区；3—采补平衡区；4—一般超采区；

  5—中等超采区；6—半咸水区；7—咸水区

  4.1.1 有潜力区

  （1）中等潜力区：分布在黄河河道带和南四湖畔，面积10098km²。开采量 17.2221×10⁸m³/（a·km²），开采量 4.0503×10⁸m³/（a·km²），开采潜力为13.1718×10⁸m³/a。

  （2）较小潜力区：分布在主要分布在近临黄河河道带20～70 km的引黄灌区和井渠灌溉结合区、嘉祥-金乡南四湖畔外围等区域，面积16263km²。开采量24.9015×10⁸m³/（a·km²），开采量15.1184×10⁸m³/（a·km²），开采潜力为9.7831×10⁸m³/a。

  4.1.2 采补平衡区

  采补平衡区分布在鲁西中南部、鲁北黄河北侧北部和广饶以北，面积12272km²。开采量17.2064×10⁸m³/a，开采量16.3843×10⁸m³/a，开采潜力系数1.05，基本处于采不平衡状态。

  4.1.3 超采区

  在引黄条件较差的井灌区，地下水开发利用程度高，早已出现了不同程度的超采，超采区总面积5419km²。开采量5.7485×10⁸m³/a，开采量9.0937×10⁸m³/a，开采潜力系数0.63，超采量3.3452×10⁸m³/a。其中：冠县和广饶漏斗中心区域为中等超采区，地下水位埋深大于15 m；冠县和广饶漏斗中心外围以及单县东南、夏津、宁津等地为一般超采区，地下水位埋深达5～15 m。

  4.2 地下水环境潜力分析

  鲁西北地区深层地下水埋藏深、补给区远，开采条件下主要消耗不同形式的含水层的储变量（弹性释水量、弱透水层的压缩释水量、相邻含水层组的储变量）。其允许开采量是以不同程度的牺牲环境条件获得的。因此，深层地下水潜力属于环境潜力。

  在每年降深2m的环境约束条件下，深层地下水允许开采量为3.8474×10⁸m³/a，现状开采量为2.8594×10⁸m³/a，潜力为9880×10⁴m³/a，潜力模数为0.21×10⁴m³/（a·km²），其量甚微。

  5 地下水开发利用对策

  5.1 优先开发浅层地下水合理而科学调度地下水与地表水

  浅层地下水潜力大，再生能力强，易补易采，具有充分的调节能力和补给保证，应以浅层地下水开采量和潜力为依据，优先开发利用浅层地下水。特别是在沿黄及其近侧具有较大地下水潜力的地带，应禁止或减少引黄量，提倡开发利用浅层地下水，将减少的引黄量向远离黄河的城镇和黄河三角洲地区输送。在沿黄地区大量开发利用浅层地下水的结果，可以降低地下水位，并能土壤次生盐碱化的发生，促进生态地质环境良性发展，同时还可以激励黄河侧渗的补给而增加地下水量。

  5.2 调整开采布局合理调控地下水水位

  遵循以调控浅层地下水合理水位为中心的开发利用总方针，通过调整开采布局最终实现采补平衡，是解决黄河下游水供需和合理开发利用地下水的现实措施。依据浅层地下水开采潜力和开采现状，主要分为强化开采、稳定开采、控制开采三个大区。

  5.2.1 扩大开采区

  在地下水开采潜力区，可以进一步扩大开采。根据地下水潜力大小和开采技术条件等，分别进行集中和分散开采。①集中开采区：分布在黄河河道带和靠近黄河河道带的莘县-临邑古河道带南部等区段；开采井的布局和开采量的增加均应以地下水开采潜力为依据；以环境地质问题为约束条件；以增加城镇供水水源地开采、开辟新的城镇供水水源地，以及相对较大密度的农灌机井开采为途径。②分散开采区：分布在集中开采区外围区域和南四湖畔，该地带由于含水层砂层厚度、浅层淡水底界面以及地下水潜力变化大，需要合理开采布局、配套挖潜和井渠结合；根据具体水文地下水条件，分别采取不同井径、井型、井深等不同取水技术方法，因地制宜的合理开发利用地下水。

  5.2.2 稳定开采区

  稳定开采区主要分布在鲁西中南部、鲁北黄河左侧中北部区域。该区处于地下水采补基本平衡状态，原则上不宜再扩大开采，以保持现状、稳定持续开采为宜。将重点放在开源节流，改进灌溉技术等措施上。

  5.2.3 控制开采区

  该区分布在冠县、莘县、临清、夏津、宁津、广饶、单县等井灌区。该区以适度控制开采、相应调减开采量，使其逐步恢复到采不平衡状态，促进地下水环境良性发展为宜。

  5.3 利用地下水漏斗区可调蓄地段进行人工调蓄

  在运河以西冠县-莘县井灌区和小清河以南广饶井灌区，地下水位埋深10～25m，均已形成了一定规模的区域降落漏斗，具备了地下水人工调蓄的可能性。可以考虑利用地下水漏斗库容空间以及丰水期黄河水和南水北调水源，进行引渗调蓄、补源开采。

  5.4 改造利用滨海冲海积平原区半咸水

  自20世纪70年代以来，地矿、水利、农业等部门相继进行了许多实验研究，并以探索出一套利用咸水灌溉的成熟方法，效果明显（王桂玲等，2003）。充分改造利用滨海冲海积平原区半咸水，不但可以缓解水供需突出的状况，而且可以扩大降水入渗，促进水的循环交替。

  5.5 坚持深层地下水开发利用与治理保护并重的原则

  目前全区深层地下水均以产生了大幅度的下降，形成了德州、滨州和菏泽三个大规模的区域性降落漏斗，并且三个深层地下水漏斗区均以产生了不同程度的地面沉降地质灾害。从环境保护角度应坚持深层地下水开发利用与治理保护并重的原则，严格控制深层地下水开发利用，并着手研究地下水回灌的可行性，为深层地下水漏斗依据。

  5.6 大力开发利用东阿沿黄隐伏岩溶水

  东阿隐伏岩溶水，水质好、单井用水量大，可以作为中小型集中供水水源地开发利用，对于附近城镇供水意义重大。第一，扩大现有东部牛角店供水水源地开采；第二，在西部有利部位开辟新的供水水源地。

  6 结论

  鲁西北地区地下水潜力在浅层，浅层地下水潜力主要分布在沿黄地带，随着远离黄河地下水潜力逐渐减小。因此，优先开发沿黄和近黄浅层地下水、合理而科学地调度地下水与地表水，以调控浅层地下水合理水位为中心调整开采布局，实现地下水的基本采不平衡的地下水潜力开发利用对策是符合实际的。从开源节流和挖潜出发，开发利用东阿隐伏岩溶水、改造利用水贫乏区半咸水和进行冠县和广饶浅层地下水漏斗区人工调蓄意义重大。深层地下水基本上属于消耗性水，不能大规模的开发，可以作为城镇供水补充和调节水源开发利用。

  参考文献

  段永侯等.2003.河北平原地下水与可持续利用.水文地质工程地质，30（1）：2～8

  王桂玲等.2003.水文地质工程地质，17：63～66

  浏览 216赞 87时间 2021-12-04