母海东1 王金哲2
（1河北省环境地质勘查院，石家庄，050021；2中国地质科学院水文地质环境地质研究所，石家庄，050061）
摘要 本文从近几十年来石家庄平原降水量变化、开采量变化、机井数目增加、人口增加、水库拦蓄五个方面，阐述了研究区浅层地下水位持续下降的动因，揭示了地下水位下降的人为主导作用和气候变化的催化作用，探讨了地下水位持续下降所带来的四个方面危害。
关键词 地下水位 下降 干扰因子 效应
前言
研究区位于太行山东麓山前倾斜平原，属华北平原的一部分，区内地下水主要消耗于农田灌溉。滹沱河是石家庄平原的“母亲河”，自西向东贯穿本区。20世纪60年代以来，石家庄平原浅层地下水位持续下降（图1），研究区的地下水位埋深已由20世纪60年代初的0～2m，下降到现状年的20～40m。地下水位是一个地区地质环境、生态环境优劣的直接体现，是研究地质环境恶化和地下水评价体系的基本根据。因此，本研究对于查找引起地下水位持续下降的主导因子和遏制其引起的劣变效应具有重要意义。
图1 地下水位变化趋势图
1 地下水位下降干扰因子
1.1 一级干扰因子
一级干扰因子是指直接导致研究区地下水位下降的因子。
1.1.1 降水量减少对浅层地下水位的影响
以1961～2000年作为研究期，以其多年平均降水量作为衡量研究期内降水量变化的基准值，为521.3mm/a。20世纪60年代以来，本区的降水量呈减少态势（图2）。60年代的平均降水量为582mm/a，相对基准值高60.7mm/a；70年代的平均降水量为500.7mm/a，比基准值高21.3mm/a；80年代的平均降水量为491.1mm/a，比平均值低30.2mm/a；90年代由于受1996年特丰水年的影响，平均降水量相对70、80年代有所增加，为511.7mm/a，但对于60年代来说，仍然是下降。1961～2000年系列中，仅有1963、1996为特丰水年，降水量大于基准值的年份仅占37.5%，且越接近现状年，降水量低于基准值的年份出现的几率越大。
研究区内大气降水是地下水获得补给的惟一来源。在不能得到充足补充的情况下，区内的地下水位随着降水量的递减而下降。从图3可以看到，在20世纪60、70和80年代，地下水位随着降水量的减少呈现持续下降的趋势，90年代由于包气带厚度增加，特丰、丰水年降水量对地下水的补给反映到地下水位的变化上有滞后性，但总的下降趋势没有改变。
图2 石家庄平原1961～2000年降水量曲线图
图3 地下水位与降水量关系图
1.1.2 开采量增加，地下水长期亏损
20世纪60年代以来，研究区地下水的开采量持续增长，尤其80年代以来，区内的地下水更是处于严重超采状态，地下水资源长期亏损。研究区内地下水亏损量与地下水开采量是正相关关系（图4），相关方程为△Q=Q-23.855，即开采量为23.855×108m3时，地下水资源的亏损量为零；开采量大于23.855×108m3时，地下水资源处于亏损状态。石家庄平原从1981～2000年间，地下水资源赢余量为正值年份仅占20%,80%年份地下水资源亏损。研究区内地下水资源变化量与地下水位之间同样为正相关关系（图5），相关方程为△H=0.1952?Q-0.4208。以研究区1981～2000年多年平均地下水开采量和降水量作为基数，上式说明，在降水量和拦蓄条件不变情况下，地下水亏损1亿m3，地下水位下降0.195m；在开采量保持不变情况下，降水量和拦蓄条件等因素造成的地下水位下降为0.4208m。
图4 地下水亏损量与开采量之间关系
图5 地下水资源变化量与地下水位变差之间的关系
1.1.3 水库拦蓄，地下水侧向补给量减少
20世纪60年代末，滹沱河上游修建了黄壁庄和岗南水库，滹沱河对平原区地下水的侧向补给量减少。修建水库前，滹沱河常年有水，通过河道的垂直入渗和侧向补给通道，地下水与地表水之间建立直接联系。由于河道内水位高于地下水位，河道内的地表水就源源不断地补给地下水。水库拦蓄出山口的水量后，除了汛期放水的仅有几天，河道长期处于干涸状态，地下水通过与地表垂向和侧向的水力通道，反过来补给河道。由于河道特殊的地层岩性（为砂类），蒸发强度很大，地下水在补给量减少的情况下，反而加大了蒸发量，双重作用加重了地下水位下降趋势。近年来，由于地下水位的快速下降，地表水与地下水之间的直接水力通道已经被隔断，即使汛期河道内有弃水，垂直入渗的很大一部分水量滞留在包气带内，而不是补给地下水，地下水的侧向补给减少是地下水位下降的另一重要因子。
1.2 二级干扰因子
二级干扰因子是指通过影响一级干扰因子而对研究区地下水位下降起作用的干扰因素，在本文中，主要指影响开采量增大的因子。
1.2.1 农业水利化，机井数目增长
研究区是重要的粮食生产基地，从开始打井灌溉以来，区内机井数目呈持续增长态势（图6）。从图6中可看到，1980～1985年，区内机井数目为急速增长阶段，而在图2中也显示1980～1985年，区内地下水位处于快速下降阶段，机井数目与地下水位下降的这种互动关系反映在整个研究时间段内。以1981～2000年的机井数目变化与地下水位变化建立相关关系（图7），可看到机井数目的增长是与地下水的变化是线形关系。农业灌溉没有大肆使用机井以前，区内地下水位埋深大于10m的面积为3368km2，随着农业水利现代化水平的不断提高，2000年水位埋深大于10m的范围为6910km2。开采能力的增强使得地下水的开采深度不断加大，区内地下水位的负变差越来越大。
图6 石家庄平原机井数目变化图
图7 地下水埋深＞10m面积变化与机井数目变化互动关系
1.2.2 人口递增
20世纪60年代以来，研究区内人口持续增长，即使近年来，全区人口仍然保持增长态势。1990年的全区人口为800万，2000年增加到889万。由于区内生活用水量完全依赖地下水，人口增长是生活用水量逐年增加的首要因子。多年来，区内人口的增长与地下水位的变化呈负相关关系（图8），相关方程为H=-0.0766+97.482，即地下水位随人口的增加呈下降趋势。以1980年人均日消耗水量40升为基数，假设区内多年来人均耗水量的基数不变，2000年与1990年相比，人口增加89万，地下水的消耗量相应增加1.43亿m3，地下水资源就多亏损1.43亿m3。地下水入不敷出的恶化形势进一步加重，地下水位下降速率加快。
图8 人口与地下水位的关系
2 地下水位持续下降引起的效应
2.1 包气带厚度加大，区内水文地质参数改变
近30年来，地下水位大幅下降，对包气带厚度产生较大影响，区内包气带厚度由自然采补平衡状态下的0～5m，发展到现状年的20～40m，局部地区大于40m。包气带厚度的增加，增长了降水入渗途径。相同的降水量，降水途径越长，亏损越大，相应地对地下水的补给减弱；且近年来，干旱年份增多，少量降水产生的入渗水头达不到地下水面，包气带长期处于缩水状态，导致区内的水文地质参数发生了很大变化。例如，研究区内降水入渗补给系数由20世纪60年代的0.30～0.40下降到0.20～0.30。
2.2 地表产流减少
区内地下水位的下降，使包气带厚度增大，降水首先满足包气带需水要求，因此，同样的降水，包气带亏损的情况下地表产流减少。
本区滹沱河是一个典型的例子，滹沱河出山口建有黄壁庄水库，其距下游北中山水文站区间河段长96km，汇水面积1161km2，山丘区面积305km2，其余为山前冲积洪积平原，1961～1965年北中山站浅层地下水埋深3.15～3.77m，年降水量752.4mm，产生径流172mm，径流系数0.23（1964年）。70年代以后大量开采地下水，地下水位普遍下降7～9.5m，年降水量小于400mm时不产生径流，1977年降水量722.6mm，径流深只有28.6mm，径流系数仅0.04。
如此使得石家庄平原向中、下游的补给降低。
2.3 含水层疏干，地下水质恶化
近年来，石家庄平原的地下水水质恶化状况不断加重，已成为人们日常生活的隐忧。主要原因就是地下水位下降，包气带厚度增大，降低了地下水的循环，其中的有害物质积聚，浓度加大，且难以淋溶渗漏到地下或淋溶渗漏速度减慢。实测结果表明，浅层地下水中No3－浓度随地下水埋深增大而增加，变化率为4.86mg/l.m。区内No3－浓度由1960年的基本没有受污染（1.7～1.9mg/1），发展到2000年的20～50mg/l。石家庄平原区的地下水污染深度由市区向外围逐渐变浅，一般为45～20m，正好是研究区含水层疏干厚度。
2.4 地下水漏斗形成，径流条件变异
20世纪70年代初以前，区内地下水流向的总趋势与地面倾斜方向、隐伏冲洪积扇延伸方向及河流流向等大体一致，为由西向东流。20世纪70年代以来，由于集中型超量开采地下水，本区形成了石家庄地下水水位降落漏斗。现状年，本区已经与石家庄大型漏斗成为一个整体，为石家庄漏斗的外延，改变了平原区地下水流场的流向，整个研究区的地下水由外延流向漏斗中心。
3 结语
石家庄平原地下水位的持续下降是多种原因造成的，在本文指出的五项干扰因子中，开采量增加、水库拦蓄、机井数目增长、人口递增是人为因素，只有降水量为自然因素。确切地说，是人类的主观行为导致了研究区地下水环境的恶化，气候因素只是起了催化作用。
浅层地下水位持续下降的负环境效应是多方面的，不仅使得地下水赋存的地质环境发生变化，减弱了地下水的补给能力，而且改变了地下水流场天然规律和大区域水资源均衡关系。含水层疏干引起的水质恶化，使全流域的水资源平衡失调加重，影响了浅层地下水资源的可持续利用。建议遵照可持续发展理念，在大流域范围内研究与地下水有关的互动因子及其效应，在南水北调引来客水前度过“水荒”危机。
参考文献
[1]陈崇希.“防止模拟失真，提高仿真性”是数值模拟的核心.水文地质工程地质，2003,30（2）:1～5.
[2]费宇红等.海河流域平原浅层地下水消耗与可持续利用，水文，2001,21（6）:11～13.
