Ⅰ 黃河下游山東段地下水資源潛力及其可持續開發利用
王彥俊1 劉桂儀1 胡彩萍1 梁偉2 啜雲香2
（1.山東省地礦工程集團有限公司，濟南250013；2.山東省魯北地質工程勘察院，德州253015）
作者簡介：王彥俊（1958—），男，高級工程師，從事水工環地質勘查和研究工作。
摘要：20多年來，黃河下游地下水開采迅猛增加，引起了一系列水文地質條件的變化，並且產生了諸如地下水降落漏斗、地面沉降、水質污染、海鹹水入侵等地下水環境負效應。本文對新的條件下地下水資源潛力進行了分析，得出了地下水資源潛力主要在淺層，淺層地下水資源潛力主要分布在沿黃的結論。為此，提出了優先開發淺層地下水，合理而科學調度地下水與地表水資源，調整開采布局，合理調控地下水水位等地下水資源潛力可持續開發利用對策建議。
關鍵詞：魯西北平原；地下水；水文地質條件變化；負效應；潛力分析；開發利用對策
20世紀80年代進行了魯西北平原地下水資源綜合評價工作和山東省沿黃地帶淺層地下水資源評價及開發利用勘察研究，通過大量的水文地質試驗和實測資料，建立了符合本區特點的水文地質參數系列，全面計算了淺層地下水資源量，這些成果對黃河下游山東段國民經濟發展規劃和水資源開發具有重要的使用價值。20 多年來，由於斷流，黃河來水量日趨減少，地下水開采量逐年增加，從而引起地下水補給條件以及地下水水位、水質等水文地質條件的變化，並產生了一定程度的地下水環境負效應。因此，查明現狀條件下區域地下水資源潛力，提出地下水合理開發利用對策，對魯西北地區國民經濟建設和發展具有重要意義。
1 區域水文地質概況
魯西北地區地處黃河下游沖積平原區，為巨厚的鬆散第四系和新近系所覆蓋。主要為鬆散岩類孔隙含水岩組。以地下水介質成因和賦存條件為基礎，結合地下水埋藏條件、水質結構，劃分為淺層地下水、中層地下鹹水和深層地下水3個地下水含水層。各含水層的介質場、水動力場、水化學場是一個從補給到排泄的有機整體，是具有一定的獨立性而又相互聯系、相互影響的地下水系統。淺層地下水為開放型地下水系統，魯西北黃河沖積平原淺層地下水可以劃分為魯西黃河沖積扇、魯北黃泛平原、濱海平原三個淺層地下水系統區，直接接受大氣降水、灌溉回滲和河渠側滲等垂直入滲補給，通過蒸發、人工開采等向外排泄。與外部環境關系密切，環境條件的改變直接影響著系統功能的變化，且反應迅速。
1.1 淺層地下水含水層
魯西北地區晚更新世以來，河道不斷變遷，辮狀水系發育，沉積形成了主流帶和泛流區含水砂層、弱透水的粘質砂土和砂質粘土隔水層交錯重疊的淺層地下水含水介質。按照地下水介質組合關系，淺層地下水介質可以分為：上部岩性為細粒相砂性土或粘性土、中下部為含有大量相對富集的砂層的二元結構，含水層砂層與砂性土、粘性土互層的多元結構，結構緻密的粘性土裂隙結構三種結構類型。淺層地下水含水層底板埋深50～60m，含水砂層以細砂、粉細砂為主，砂層厚度5～30m，單位涌水量50～250m3/（d·m），水力性質為潛水-微承壓。魯西黃河沖積扇區地下水水化學類型主要為HCO3-Na·Mg及HCO3·SO4-Na·Mg型，礦化度小於2g/L；魯北黃泛平原區地下水水化學類型主要為HCO3·SO4·CI-Na·Mg及HCO3-Na·Mg型，除西部古河道和沿黃區為淡水外，主要為礦化度1～3 g/L的微鹹水；濱海平原區地下水水化學類型主要為Cl-Na 及Cl·SO4-Na·Mg型，西部為2～5g/L的微鹹水和半鹹水，沿海為大於5g/L的鹹水。
1.2 中層地下鹹水含水層
底界面埋深170～250m左右，地下水介質為第四系中更新統。含水層由河湖相粉細砂組成，累計厚度20～30m，為承壓水。水化學類型Cl·HCO3-Na型，礦化度2～7g/L。廣泛分布於除全淡區以外的廣大區域，目前尚未開發利用。
1.3 深層地下水含水層
底界面埋深500m，地下水介質主要為第四系下更新統和明化鎮組上段。河湖相沉積，含水砂層相對較粗，主要為細砂和中砂，累計厚度為40～60m，單位涌水量100～200m3/（d·m）。水化學類型為HCO3-Na、HCO3·SO4- Na、SO4· Cl-Na及Cl·SO4-Na型，礦化度小於2g/L。
深層地下水含水層顆粒細，補給區遠，水交替微弱，徑流極其緩慢，開采量主要來源於本身的彈性釋放量、壓縮釋水量，周邊激發側向徑流補給量和相鄰含水層組越流補給量。
2 水資源開發利用
2.1 淺層地下水開發利用概況
淺層地下水大規模的開發利用，始於20世紀60年代末期農村的抗旱打井，70年代末到80年代引黃條件好的地區棄井引黃，引黃水成為黃河下游旱澇保收的可靠的農田灌溉主要水源，逐步形成了以引黃為主、井灌為輔的農業用水格局。平均開采模數小於10×104m3/（a·km2），開采程度以沿黃最低，井灌區最高。90年代以來，由於黃河斷流，來水量減少，地下水開采量隨之急劇增加，1991～2000年地下水開采量平均40.98×108m3/a，占總供水量的41.34%。淺層地下水開采主要用於農田灌溉，其次用於鄉村生活和部分地區城鎮供水。農業灌溉開采量為331241×104m3/a，佔74%；鄉鎮生活開采量為50597×104m3，佔11%；城鎮供水開采量為64882×104m3/a，佔15%。
2.2 深層地下水開發利用概況
1965年以來德州市和濱州市先後開始開采深層地下水為城市供水。70年代初菏澤市開始開發利用深層地下水。到70年代末80年代初，區內大部分縣城陸續開始大規模的開發利用深層地下水，使之深層地下水開采量迅速增加，造成深層地下水位區域性大幅度下降，20多年來深層地下水位下降了近40m。全區均有不同程度的超采，以德州、濱州、菏澤三市最為嚴重，並形成了嚴重的德州、濱州和菏澤等深層地下水區域性降落漏斗。現狀年開采總量已達28599×104m3/a，占總供水量的2.65%。
3 水文地質條件變化及地下水環境負效應
3.1 水文地質條件變化
3.1.1 降水量減少
黃河下游已進入了歷史上的枯水年際，多年降水量趨減，近10年來平均降水量與20世紀80年代以前相比明顯減少，全區平均減少了9.29%。降水量的變化，導致降水入滲補給量明顯減少。
3.1.2 淺層地下水位下降
進入20世紀90年代以來，黃河斷流加聚，來水量日益減少，農業灌溉開采地下水量急增，除沿黃、濱海地區、南四湖沿岸地下水位保持基本均衡外，其他區域地下水位均有不同程度的下降，平均水位降差2～3m，井灌區區水位降差達10m，並且在井灌區產生了不同程度的降落漏斗。地下水水位下降，致使包氣帶厚度增加，同時改變了包氣帶岩性結構。
3.1.3 灌溉量和灌溉方式變化
20世紀80年代引黃灌溉進入峰期，引黃灌溉量達47.14×108m3/a，占總灌溉量的70%。進入90年代，由於黃河斷流加劇，來水量明顯減少，引黃灌溉量降到33.66×108m3/a，占總灌溉量的51.5%；因此，淺層地下水作為農田灌溉的重要水源被大量開發利用，地下水灌溉開采急劇增加，由80年代的21.5×108m3/a，增加到現在的31.7×108m3/a。
引黃灌區長期以來以大水漫灌模式進行農田灌溉。到90年代後期，落後的大水漫灌方式逐漸被塑料代管灌溉方式所取代。新的塑料代管灌溉方式使灌溉定額降低，灌溉回滲系數減小，相應的灌溉回滲量降低。
3.1.4 河流側滲條件變化
黃河來水量的減少，直接影響到黃河對地下水的補給，使黃河平均單側單寬補給量由80年代的2.134m3/（d·m）減小到2000年的1.115m3/（d·m），減小了近50%。季節性河流水量減少甚至乾枯，使原來對地下水有補給作用的徒駭河和馬頰河補給段長度減小，補給時間縮短，補給強度減弱。
3.1.5 深層地下水位下降
自20世紀80年代初以來，由於深層地下水的大量開采，地下水水位急劇下降。全區深層地下水水位平均下降了30m左右。大的區域面積上降差20～40m，漏斗中心外圍區降差40～60m；漏斗中心降差達60m以上。
3.1.6 地下水水質變化
淺層地下水處在地下水積極交替帶，由於引黃灌溉和地下水開采，加劇了地下水交替，2000年礦化度與1985年礦化度相比，總體呈淡化趨勢。小於1 g/L的淡水面積增加了387km2，1～2g/L的微鹹水面積減少了181km2，2～3g/L的微鹹水面積增加了1031km2，大於3g/L的鹹水面積減少了1238km2。
在引黃灌區由於大量的引黃灌溉，引起了淺層淡水底界面下移。由於深層地下水的長期大量超采，水頭壓力降低，引起深層地下淡水頂界面不同程度的下移，從而使深層地下水以深層地下淡水頂界面下移的形式得到上部相鄰含水層組的越流補給。
3.2 地下水環境負效應
隨著社會經濟的快速發展，人們對地下水資源的需求也越來越大，由於對地下水的不合理的開發利用，特別是在地下水集中開采區或地段出現了諸多與地下水開采有關地下水漏斗、地面沉降、海（咸）水入侵和地下水水質污染等環境地質負效應問題。
3.2.1 地下水降落漏斗
隨著地下水的開發利用，在城鎮深層地下水供水水源地和淺層地下水井灌區，均已形成了不同程度的開采降落漏斗（表1）。
表1 地下水漏斗特徵一覽表
3.2.2 地面沉降
在德州漏斗、菏澤漏斗、濱州漏斗區等地，由於深層地下水長期大量超采，均產生了不同程度的地面沉降地質災害。德州地面沉降始於20世紀80年代初，累計沉降量達516 mm；菏澤市地面沉降亦始於80年代中期，地面沉降總量大於350mm。
3.2.3 海（咸）水入侵
廣饒縣南部由於長期大量開發利用地下水，地下水位大幅度下降並形成著名的廣饒漏斗，從而使鹹水體向降落漏斗位移，導致海（鹹水）的入侵。以Cl-含量≥250mg/L為海（咸）水的入侵標志界限，1999年調查區內入侵總面積217.38km2，入侵前鋒線（Cl-含量250mg/L等值線）以達小清河南一線，入侵速度200m/a。
4 地下水資源潛力分析
地下水資源潛力是指一個特定地區，具有一定評價深度，在一定的技術經濟和環境條件約束下地下水可增加的利用量（段永侯等，2003）。由此，地下水資源潛力可從現狀潛力、環境潛力兩方面進行分析。
4.1 地下水資源現狀潛力分析
淺層地下水資源現狀潛力就是開采資源潛力。全區開采資源量為65.0784×108m3/a，開采量44.6468×108m3/a，開采資源潛力為22.9549×108m3/a，佔地下水資源總量的35.27%。但是分布極不均勻（圖1）。
圖1 淺層地下水資源潛力圖
1—中等潛力區；2—小潛力區；3—采補平衡區；4—一般超采區；
5—中等超采區；6—半鹹水區；7—鹹水區
4.1.1 有潛力區
（1）中等潛力區：分布在黃河河道帶和南四湖畔，面積10098km2。開采資源量 17.2221×108m3/（a·km2），開采量 4.0503×108m3/（a·km2），開采資源潛力為13.1718×108m3/a。
（2）較小潛力區：分布在主要分布在近臨黃河河道帶20～70 km的引黃灌區和井渠灌溉結合區、嘉祥-金鄉南四湖畔外圍等區域，面積16263km2。開采資源量24.9015×108m3/（a·km2），開采量15.1184×108m3/（a·km2），開采資源潛力為9.7831×108m3/a。
4.1.2 采補平衡區
采補平衡區分布在魯西中南部、魯北黃河北側北部和廣饒以北，面積12272km2。開采資源量17.2064×108m3/a，開采量16.3843×108m3/a，開采資源潛力系數1.05，基本處於采不平衡狀態。
4.1.3 超采區
在引黃條件較差的井灌區，地下水開發利用程度高，早已出現了不同程度的超采，超采區總面積5419km2。開采資源量5.7485×108m3/a，開采量9.0937×108m3/a，開采資源潛力系數0.63，超采量3.3452×108m3/a。其中：冠縣和廣饒漏斗中心區域為中等超采區，地下水位埋深大於15 m；冠縣和廣饒漏斗中心外圍以及單縣東南、夏津、寧津等地為一般超采區，地下水位埋深達5～15 m。
4.2 地下水資源環境潛力分析
魯西北地區深層地下水埋藏深、補給區遠，開采條件下主要消耗不同形式的含水層的儲變數（彈性釋水量、弱透水層的壓縮釋水量、相鄰含水層組的儲變數）。其允許開采量是以不同程度的犧牲環境條件獲得的。因此，深層地下水資源潛力屬於環境潛力。
在每年降深2m的環境約束條件下，深層地下水允許開采資源量為3.8474×108m3/a，現狀開采量為2.8594×108m3/a，資源潛力為9880×104m3/a，潛力模數為0.21×104m3/（a·km2），其量甚微。
5 地下水開發利用對策
5.1 優先開發淺層地下水合理而科學調度地下水與地表水資源
淺層地下水資源潛力大，再生能力強，易補易采，具有充分的調節能力和補給保證，應以淺層地下水開采資源量和資源潛力為依據，優先開發利用淺層地下水。特別是在沿黃及其近側具有較大地下水資源潛力的地帶，應禁止或減少引黃量，提倡開發利用淺層地下水，將減少的引黃量向遠離黃河的城鎮和黃河三角洲地區輸送。在沿黃地區大量開發利用淺層地下水資源的結果，可以降低地下水位，並能防治土壤次生鹽鹼化的發生，促進生態地質環境良性發展，同時還可以激勵黃河側滲的補給而增加地下水資源量。
5.2 調整開采布局合理調控地下水水位
遵循以調控淺層地下水合理水位為中心的資源開發利用總方針，通過調整開采布局最終實現采補平衡，是解決黃河下游水資源供需矛盾和合理開發利用地下水資源的現實措施。依據淺層地下水開采資源潛力和開采現狀，主要分為強化開采、穩定開采、控制開采三個大區。
5.2.1 擴大開采區
在地下水開采資源潛力區，可以進一步擴大開采。根據地下水資源潛力大小和開采技術條件等，分別進行集中和分散開采。①集中開采區：分布在黃河河道帶和靠近黃河河道帶的莘縣-臨邑古河道帶南部等區段；開采井的布局和開采量的增加均應以地下水開采資源潛力為依據；以環境地質問題為約束條件；以增加城鎮供水水源地開采、開辟新的城鎮供水水源地，以及相對較大密度的農灌機井開采為途徑。②分散開采區：分布在集中開采區外圍區域和南四湖畔，該地帶由於含水層砂層厚度、淺層淡水底界面以及地下水資源潛力變化大，需要合理開采布局、配套挖潛和井渠結合；根據具體水文地下水條件，分別採取不同井徑、井型、井深等不同取水技術方法，因地制宜的合理開發利用地下水。
5.2.2 穩定開采區
穩定開采區主要分布在魯西中南部、魯北黃河左側中北部區域。該區處於地下水采補基本平衡狀態，原則上不宜再擴大開采，以保持現狀、穩定持續開采為宜。將重點放在開源節流，改進灌溉技術等措施上。
5.2.3 控制開采區
該區分布在冠縣、莘縣、臨清、夏津、寧津、廣饒、單縣等井灌區。該區以適度控制開采、相應調減開采量，使其逐步恢復到采不平衡狀態，促進地下水環境良性發展為宜。
5.3 利用地下水漏斗區可調蓄地段進行人工調蓄
在運河以西冠縣-莘縣井灌區和小清河以南廣饒井灌區，地下水位埋深10～25m，均已形成了一定規模的區域降落漏斗，具備了地下水人工調蓄的可能性。可以考慮利用地下水漏斗庫容空間以及豐水期黃河水和南水北調水源，進行引滲調蓄、補源開采。
5.4 改造利用濱海沖海積平原區半鹹水
自20世紀70年代以來，地礦、水利、農業等部門相繼進行了許多實驗研究，並以探索出一套利用鹹水灌溉的成熟方法，效果明顯（王桂玲等，2003）。充分改造利用濱海沖海積平原區半鹹水資源，不但可以緩解水資源供需矛盾突出的狀況，而且可以擴大降水入滲，促進水的循環交替。
5.5 堅持深層地下水開發利用與治理保護並重的原則
目前全區深層地下水均以產生了大幅度的下降，形成了德州、濱州和菏澤三個大規模的區域性降落漏斗，並且三個深層地下水漏斗區均以產生了不同程度的地面沉降地質災害。從環境保護角度應堅持深層地下水開發利用與治理保護並重的原則，嚴格控制深層地下水開發利用，並著手研究地下水回灌的可行性，為深層地下水漏斗防治提供依據。
5.6 大力開發利用東阿沿黃隱伏岩溶水
東阿隱伏岩溶水，水質好、單井用水量大，可以作為中小型集中供水水源地開發利用，對於附近城鎮供水意義重大。第一，擴大現有東部牛角店供水水源地開采；第二，在西部有利部位開辟新的供水水源地。
6 結論
魯西北地區地下水資源潛力在淺層，淺層地下水資源潛力主要分布在沿黃地帶，隨著遠離黃河地下水資源潛力逐漸減小。因此，優先開發沿黃和近黃淺層地下水、合理而科學地調度地下水與地表水資源，以調控淺層地下水合理水位為中心調整開采布局，實現地下水資源的基本采不平衡的地下水資源潛力開發利用對策是符合實際的。從開源節流和挖潛出發，開發利用東阿隱伏岩溶水、改造利用水資源貧乏區半鹹水和進行冠縣和廣饒淺層地下水漏斗區人工調蓄意義重大。深層地下水資源基本上屬於消耗性水資源，不能大規模的開發，可以作為城鎮供水補充和調節水源開發利用。
參考文獻
段永侯等.2003.河北平原地下水資源與可持續利用.水文地質工程地質，30（1）：2～8
王桂玲等.2003.水文地質工程地質，17：63～66