地下水开采对环境影响的分析

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、咸水底界面下移等水危机和环境问题。

3.1　侧向补给量计算

深层地下水的侧向补给是区域性、广泛性的自然水量均衡要素，具有水动力场均衡属性和自然资源属性，主要与含水层组水文地质条件相关联。深层地下水中的侧向补给，是在深层地下水系统抽取因素作用下，通过改变承压含水层组内部动力场平衡后，引发的具有人为干扰的特征。

黑龙港区和滹滏区的深层水侧向补给主要是滏西平原区对该区补给，计算断面位于深层水的开采区西部。沿滏阳河剖面及南北向穿过宁晋的滹滏区。按达西公式进行计算，计算公式为：

Q侧向补给＝0.1×i×T×L×Δt

式中　Q侧向补给——侧向补给量，万m3／a；

i——计算断面的平均水力坡度；

T——计算断面的平均导水系数，m2／d；

L——计算断面的长度，km；

Δt——计算时段的时间，d。

导水系数采用《河北平原（黑龙港）地下水勘研报告》的计算成果，深层淡水导水系数T＝645m2／d。计算成果见表1。

表1　黑龙港区和滹滏区深层地下水侧向补给量计算成果表

深层地下水补给方式是通过水动力传递，是将先前补给的水质点以递推的模式依次推进，实现水量增加的补给过程，补给速度和强度取决于水动力传递性质[1]。根据对深层地下水的14C年龄测试结果，河北平原第四系深层淡水14C年龄约为1万～2万年，第三系地下水14C年龄约2万～2.5万年[2]。因此认为深层地下水开采多少就会减少多少，事实上是补给速度和开采速率相当大的缘故。

3.2　越流补给量对环境影响

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，从而造成浅层地下水向深层地下水的越流量逐年增多的趋势。

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。

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。计算公式为：

Q越流补给＝100×F×ε×Δh×Δt

式中　F——计算面积，km2；

ε——越流系数，1／d；

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，d。

黑龙港区和滹滏区深层地下水越流补给量计算成果见表2。

表2　黑龙港区和滹滏区深层地下水越流补给量计算成果表

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，造成上下水层的越流补给使咸水底界面整体缓慢下移，咸水界面下移的计算，首先计算咸水区越流量，再根据越流量计算界面下移的距离。计算方法如下：

咸水底界面下移计算公式：

H＝Q越／（100×μ×F）(www.xing528.com)

式中　H——咸水底界面下移距离，m；

Q越——浅层地下水向深层地下水的越流量，万m3／a；

μ——给水度（该区采用0.054）；

F——咸水区面积，km2。

根据上述计算方法，对邢台市按黑龙港咸水区和滹滏咸水区分别进行计算，计算结果为：黑龙港咸水区每年咸水底界面下移量为1.06m，滹滏咸水区每年下移量为0.84m。根据地下水观测资料分析，从1984年深层淡水与浅层咸水水头差明显增大，咸水界面按1984年开始计算，到2000年，黑龙港咸水区底界面下移量为18m左右，滹滏咸水区底界面下移量为14m左右。

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，由于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，2002年10月对地下水化验结果为溶解性总固体为1200mg／L，氯化物为424mg／L；1998年6月化验结果为溶解性总固体为870mg／L，氯化物为180mg／L，咸水界面下移对水质影响明显。

3.3　弹性释水量计算及对环境影响

深层地下水弹性释水量是指由含水层弹性压缩释放出来的水量，弹性释水量由下式计算：

Q弹性释水＝100×F×S×ΔH

式中　F——计算面积，km2；

S——深层地下水的弹性释水系数；

ΔH——计算时段末、始承压水水头差，m。

严格地讲，弹性释水系数随着水头埋深、含水层厚度的变化而变化，不是常量，甚至不同含水层组的弹性释水系数相差很大。弹性释水系数表示水头降低一个单位时，由含水层内压缩和水的膨胀而从水平面释放一个单位，高度等于含水层厚度的柱体中所释放的水量，其大小与分水层组厚度变化和黏性土类层分布情况有关。本区S值采用《河北平原（黑龙港）地下水勘研报告》中的计算成果。计算成果见表3。

表3　黑龙港区和滹滏区深层地下水弹性释放量计算成果表

20世纪80年代以来，黑龙港区和滹滏区深层地下水处于持续全面超采状态。以开采深层地下水为主的滏东平原形成的漏斗区，1993年漏斗区面积为2688km2，到现在基本覆盖了邢台市整个滏东平原区，漏斗中心水位埋深达75.02m，中心水位年平均下降2.71m。根据近年来用水量调查资料统计，黑龙港区和滹滏区地下水开采量为83444.2万m3，其中深层地下水的年开采量为41105万m3，占地下水开采总量的49.3%。

3.4　压密释水量对生态环境影响

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的体积，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[3]，即：

Q压密释水＝0.1×Δh×F

式中　Q压密释水——土体压密释水量，万m3／a；

Δh——地面沉降深度，mm／a；

F——计算面积，km2。

根据南宫市1958～1988年地面沉降量计算，该区每年地面沉降率为23mm／a。则压密释水量计算结果见表4。

表4　黑龙港区和滹滏区深层地下水压密释水量计算成果表

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。

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[4]。

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。它是一种发展缓慢且破坏巨大的环境地质灾害。