根据文安县、任丘市、大城县、青县水资源公报^{[17, 18, 19, 20]}, 统计了浅层地下淡水开采量, 并与每个地区的浅层地下淡水可开采资源量进行对比分析(表2), 数据显示文安县、任丘市的浅层地下淡水严重超采, 而大城县和青县区域浅层地下淡水开采程度较低。

表2

Tab.2

表2(Tab.2)

表2 研究区2011— 2017年浅层地下淡水开采量与允许开采量对比 Tab.2 Comparison of shallow underground fresh water exploitation and allowable exploitation in the study area from 2011 to 2017 县域名称 2011— 2017年浅层地下淡水 允许开采量/(× 105 m3· a-1) 浅层地下淡水开采量/(× 105 m3) 2011 2012 2013 2014 2015 2016 2017 大城县 4 839.4 1 600.0 1 080.0 1 107.0 1 128.0 1 012.0 1 419.0 608.0 青县 3 797.4 1 931.0 1 937.0 1 492.0 1 618.0 1 175.0 1 767.0 825.5 文安县南部 408.3 635.5 614.6 598.4 548.2 574.5 567.6 743.4 任丘市东部 488.7 1 032.7 998.8 972.4 890.8 933.6 922.4 802.3

表2 研究区2011— 2017年浅层地下淡水开采量与允许开采量对比 Tab.2 Comparison of shallow underground fresh water exploitation and allowable exploitation in the study area from 2011 to 2017

根据2017年环境地质调查资料^[21], 大城县和青县浅层地下淡水未过量开采, 大城县西部及相邻的任丘市、文安县浅层地下水为淡水和微咸水, 超采模数为(2~3)× 10⁵ m³/km²(图3左)。

图3

Fig.3

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	图3 2017年研究区浅层地下水开采潜力评价(左)和水位等值线及漏斗分布(右)Fig.3 Evaluation of shallow groundwater exploitation potential (left) and shallow groundwater water level contours and funnels distribution (right) in the study area in 2017

研究区西侧出现两个大规模的浅层地下水降落漏斗(图3右), 漏斗中心分别为任丘市梁石镇东南、大城县大尚屯镇西北。这是多年浅层地下淡水超采导致地下浅水含水层上部疏干, 使得东部浅层地下咸水向西(逆天然流向)补给漏斗区和疏干区, 导致平面上的地下咸淡水界线向西推移^[11]。

从1975年至2017年研究区浅层地下水水位下降幅度西部达到10~15 m, 中东部下降幅度较小, 多小于3 m, 局部为4~7 m(图4), 与浅层地下水漏斗分布区基本相对应。

图4

Fig.4

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	图4 研究区浅层地下水位降幅分区(1975— 2017年)Fig.4 Partition of shallow groundwater level drop range in the study area(1975-2017)

3.2.1 深层地下水降落漏斗

根据2017年环境地质调查资料^[21], 统计深层地下淡水开采量, 并与每个地区的深层地下淡水可开采资源量(表3)进行对比分析, 得出深层地下淡水基本全部超采, 局部严重超采, 最大超采模数大于5× 10⁵ m³/km², 出现大规模深层水地下水位降落漏斗(图5), 超采强度远大于浅层地下水。

表3

Tab.3

表3(Tab.3)

表3 研究区2011— 2017年深层地下淡水开采量与允许开采量对比 Tab.3 Comparison table of deep underground fresh water extraction and allowable extraction in the study area from 2011 to 2017 县域名称 2011— 2017年深层地下淡水 允许开采量/× (105 m3· a-1) 深层地下淡水开采量/(× 104 m3) 2011 2012 2013 2014 2015 2016 2017 大城县 2 333.2 6 005 4 801 4 770.0 4 743.0 4 357 4 279 4 192.0 青县 1 576.3 6 759 6 481 5 858.0 6 062.0 4 616 4 654 4 778.0 文安县南部 326.6 2 132 2 002 1 997.8 1 991.6 1 950 1 985 1 980.7 任丘市东部 707.3 1 430 1 390 1 385.0 1 193.0 1 120 1 143 1 101.8

表3 研究区2011— 2017年深层地下淡水开采量与允许开采量对比 Tab.3 Comparison table of deep underground fresh water extraction and allowable extraction in the study area from 2011 to 2017

图5

Fig.5

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	图5 2017年研究区深层地下水开采潜力评价(左)和水位等值线及漏斗分布(右)Fig.5 Evaluation of deep groundwater exploitation potential (left) and deep groundwater level contours and funnel distribution (right) in the study area in 2017

大城县地下水降落漏斗位于大城县西南一带, 漏斗中心位于留各庄镇西北一带, 在研究区内未完全封闭, 向西南延伸出研究区。2017年6月份中心水位埋深90.3 m, 标高-83.8 m, 2017年9月份中心水位埋深82.2 m, 标高-75.4 m。

青县地下水降落漏斗位于青县中部及西南部, 与南部地下水降落漏斗相连, 漏斗区南部在研究区内未闭合, 漏斗中心位于清州镇。2017年6月份中心水位埋深94.5 m, 水位标高-89.5 m。2017年9月份中心水位埋深78.2 m, 标高-74.0 m^[14]。

文安县地下水降落漏斗位于文安县中南部, 中心不在研究区, 地下水降落漏斗分布向北部延伸。

3.2.2 水位变幅及深浅层地下水位差值

从1975年至2017年研究区深层地下水水位下降幅度最大的区域分别为文安中南部、任丘中北部、大城县北部区域、大城县西南部区域和青县中南部区域, 分别达到了70.0~80.0 m、 55.0~60.0 m、55.0~60.0 m、60.0~70.0 m和 80.0~90.0 m(图6), 与深层地下水降落漏斗分布区相对应。

图6

Fig.6

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	图6 1975— 2017年研究区深层地下水水位降幅分区Fig.6 Deep groundwater level drop range in the study area from 1975 to 2017

由于深层地下淡水超采程度远大于浅层地下水, 浅层地下水水位变幅远小于深层, 为1.3~11.3 m, 导致了深浅层地下水巨大的水头差, 最大达80多米。

研究区地下水在水平、垂向分布均表现出一定的规律性, 西部为淡水— 微咸水, 东部为咸水(图7)。根据溶解性总固体(total dissolved solid, TDS)^[21]数据反映, 研究区内地下水在垂向空间自上而下一般为淡水— 咸水— 淡水结构, 咸水一般发育于第Ⅰ 含水层组下部(或全部)与第Ⅱ 含水层组, 最咸段一般位于第Ⅱ 含水层组中。第Ⅲ 含水层组一般为全淡水, 仅在青县东部马厂镇一带发育咸水, 第Ⅳ 含水层组同为淡水, 但TDS较第Ⅲ 含水层组稍高。自西向东随着径流途径的增加及距海距离的缩短, 地下咸水层厚度增大, 浅层地下淡水层减少、变薄。自上而下地下含水层粒度从细— 粗多次韵律交替, 其中第Ⅲ 含水层组粒度最粗。岩性自西向东由粗到细, 由西部的中细砂、细砂到东部的粉细砂、粉砂。

图7

Fig.7

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	图7 研究区地下咸淡水空间分布[13]Fig.7 Spatial distribution of underground salt and fresh water in the study area[13]

研究区大部分区域均分布有地下咸水, 研究区西部的任丘市和文安县的局部为全地下淡水区。青县第Ⅰ 含水层组大部及第Ⅱ 含水层组、大城县第Ⅱ 含水层组全部为地下咸水, 大城县第Ⅰ 含水层组西部为地下淡水— 地下微咸水, 东部为地下咸水。

根据《廊坊市地质环境监测报告(2011— 2015年)》^[23], 2006— 2010年期间第Ⅰ 含水层组地下咸水区分布在大城县中东部, 2011— 2015年期间地下咸水区蔓延至大城县的中西部。2006— 2015年的 10 a间大城县区域地下咸淡水水平面上的分界线向西推移约30 km。

根据2017年的地面物探、物探测井, 以及钻探取样、水质化验结果, 研究区内的地下咸淡水垂向分界面埋深对比20世纪70年代的大城县、青县、文安县和任丘市农田供水测井及水文地质物探资料^{[14, 15, 16]}的地下咸淡水垂向分界面, 青县区域内地下咸淡水界面下移20~70 m, 并呈现由东北向西南地下咸淡水界面下移量变大的规律^{[1, 11]}。在大城县中部偏东区域地下咸淡下界面下降值达到100 m之多, 从大城县城区由西北向东南一线形成下移量的峰值, 大城县西部地下咸水底界面下移10~90 m(图8)。

图8

Fig.8

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	图8 2017年研究区地下咸淡水界面下降幅度等值线Fig.8 Contour line of underground salt and underground fresh water interface drop in the study area in 2017

从分布空间环境来看, 地下咸淡水垂向分界面自西向东逐渐加深, 地下淡水的TDS数值自西向东均呈逐渐增大的趋势。年均咸化率(V)计算公式为

V=M末-M初M初·n×100% 。(1)

式中: V为年均咸化率, %/a; M_初为监测起始年矿化度值, mg/L, 采用1973— 1989年的TDS数值;

M_末为监测末尾年TDS数值, mg/L, 采用2017年TDS数值; n为监测年数, a。

受地下淡水超采影响, 从监测数据(咸化率测点位置见图8)来看深层地下水有了不同程度的咸化。深层地下水的咸化程度, 采用表4中的标准进行评价, 评价结果见表5。

表4

Tab.4

表4(Tab.4)

表4 地下咸水对深层地下淡水的影响程度评价标准 Tab.4 Evaluation standard for the influence of the under-ground salt water on the deep underground fresh water 标准 V≤ 0.5 0.5< V≤ 1.0 V> 1.0 影响程度 基本未咸化 一般咸化 咸化较重 注: 考虑地下水离子含量受季节及开采影响, V≤ 0.5视为地下水水化学性质稳定。

表4 地下咸水对深层地下淡水的影响程度评价标准 Tab.4 Evaluation standard for the influence of the under-ground salt water on the deep underground fresh water

表5

Tab.5

表5(Tab.5)

表5 研究区深层地下水监测点咸化率计算成果 Tab.5 Salinity rate calculation results for the deep groundwater monitoring points in the study area 分区 井位置 起始年矿化度(M初)/ (mg· L-1) 2017年矿化度(M末)/ (mg· L-1) 年均咸化率(V)/ (%· a-1) 咸化程度 起始 年份 大城县 大城县大尚屯镇西北 524.2 801.00 1.20 咸化较重 1973 大城县大广安乡 487.0 549.30 0.32 基本未咸化 1977 大城县臧屯乡南 726.0 1 135.80 1.31 咸化较重 1974 大城县留各庄西250 m 295.0 559.30 2.42 咸化较重 1980 大城县平舒镇西北 463.1 598.20 0.66 一般咸化 1973 青县 青县曹寺乡 524.7 833.10 2.10 咸化较重 1989 文安县(部分) 文安县西南 509.0 565.40 0.27 基本未咸化 1976 文安县孙氏镇 395.3 511.60 0.67 一般咸化 1973 任丘市(部分) 任丘市长丰镇 420.3 656.40 1.81 咸化较重 1986

表5 研究区深层地下水监测点咸化率计算成果 Tab.5 Salinity rate calculation results for the deep groundwater monitoring points in the study area

此外, 根据《河北省沧州地区地下水动态观测报告(1981— 1985年)》^[24], 沧州地区第Ⅲ 含水组历年TDS数值呈现增长趋势。1972年沧州地区的平均TDS数值为761.0 mg/L, 1980年的TDS数值为831.4 mg/L, 1985年的TDS数值为850.2 mg/L, 多年平均增长率为7.43%, 第Ⅳ 含水组历年TDS数值呈现出增长趋势, 累积增加数值为0.05 g/L。

(1)浅层地下微咸水— 地下淡水超采引起地下咸水和地下淡水含水层之间的地下水位差。任丘市东部、大城县西部及文安县区域浅层地下微咸水— 地下淡水严重超采, 据调查第Ⅰ 含水层组上部已经疏干, 第Ⅱ 含水层组出现大规模的地下水降落漏斗, 而大城县东部和青县基本上全部浅层地下水为咸水, 未过量开采, 导致地下水径流反向, 东部地下咸水逆地下水自然流向补给西部地下淡水含水层, 导致地下咸水在平面上向西发生了较大移动。

超采引起的第Ⅰ 含水层、第Ⅱ 含水层地下咸水和第Ⅲ 含水层组地下淡水之间的水头差加大, 大城县东部和青县基本上全部区域, 浅层第Ⅰ 含水层、第Ⅱ 含水层组为地下咸水, 基本不开采, 大城县西部及相邻的任丘市、文安县浅层水地下为地下淡水-地下微咸水超采程度在(2~3)× 10⁵ m³/km², 而深层第Ⅲ 含水组地下淡水大面积的严重超采, 超采程度大于5× 10⁵ m³/km²。导致深层地下水位降幅远大于地下浅层水, 形成巨大的水位差, 最大达80多米。

地下咸水和第Ⅲ 含水层地下淡水之间的水位差是影响地下咸水入侵的主要因素之一, 也是必备的水动力条件, 地下水长期超采, 改变了地下水的流场方向, 水位漏斗区成为汇水区。地下咸水由高水头区向低水头区运动, 地下咸水补给地下淡水, 导致地下咸淡水垂向界面下移。

另外, 在水头差的作用下, 浅部地下咸水通过弱透水层越流补给深部地下淡水, 形成垂向越流, 水位差越大入侵速率越大^[12]。

出现深层地下淡水咸化的地区, 分布于地下水降落漏斗封闭区内。该区水位埋深较大, 水力坡度较大, 说明地下水位下降值越大, 下降速率越快的地区, 地下淡水咸化越严重。

(2)隔水层不连续稳定。地下咸淡水均赋存于第四系沉积层中, 地下咸水以楔形赋存于第Ⅰ 含水层和第Ⅲ 含水层之间, 由于研究区地层多为黏性土和砂类土的多层结构, 地下咸水与地下淡水之间不存在稳定的水平隔水层, 而是一个自西向东逐渐加深的斜条状过渡带, 并且隔水层本身性质弱透水的。当地下咸淡水之间的平衡状态被巨大的水头差破坏时, 在水头压力作用下, 地下咸水就会不断向地下淡水流动。

(3)报废机井处理不当。研究区内报废机井没有及时处理^[1], 成井井孔施工不良^[25], 间接构成咸淡水连通天窗, 地下咸水在水头差的作用下通过井管向地下淡水层扩散, 造成咸水窜层, 使得地下深层地下淡水咸化。

(4)根据研究区TDS分析可知, 深层地下淡水普遍存在咸化, 尤其是在深层地下水降落漏斗区咸化严重区域地下咸水的水头高度远大于地下淡水的水头, 盐分的浓度差在渗透压作用下, 形成较强的弥散作用, 压差越大, 弥散作用越强, 地下咸水入侵速度越快。