陶虹，丁佳

陜西省地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測總站，西安，710054

內(nèi)容提要：關(guān)中城市群地下水自集中開采以來區(qū)域地下水位呈整體下降趨勢，主要城市集中供水水源地水位降幅30～50 m，最大超過120 m。長期過量開采地下水引起了地下水位持續(xù)下降、地面沉降、地裂縫以及水質(zhì)污染等環(huán)境地質(zhì)問題。近年隨著城市群限制開采量，地下水水位下降及其相關(guān)環(huán)境地質(zhì)問題在局部地段有所緩和。本文以50年地下水動態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，針對關(guān)中城市群地下水動態(tài)特征及相關(guān)的環(huán)境地質(zhì)問題進行研究分析，并對預防和緩解環(huán)境地質(zhì)問題、合理開發(fā)地下水資源提出建議。

關(guān)中城市群位于我國西北部關(guān)中盆地，水資源貧乏，地下水開采強烈。截止上世紀90年代中期，地下水是幾個主要城市如西安、咸陽、寶雞、渭南等單一供水水源。長期大量的開采改變了地下水的天然流場，使地下水資源量及空間分布發(fā)生變化，導致了區(qū)域地下水位持續(xù)下降、地面沉降、地裂縫、水質(zhì)污染等嚴重的環(huán)境地質(zhì)問題，制約了經(jīng)濟發(fā)展。2000年后關(guān)中城市群逐步調(diào)整供水結(jié)構(gòu)，采用多水源城市供水，較大程度地緩解了水位下降。本文系統(tǒng)分析了近五十年來關(guān)中城市群不同歷史階段地下水開采、水位動態(tài)以及地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)，找出由于過量開采地下水引起的環(huán)境地質(zhì)問題及其發(fā)展規(guī)律，對預防和緩解環(huán)境地質(zhì)問題、合理開發(fā)地下水資源提出建議。

1 水文地質(zhì)條件

關(guān)中盆地形成于白堊紀末第三紀初，是一個典型的新生代斷陷盆地，盆地內(nèi)堆積了厚逾千米的第四紀松散沉積物，為地下水儲存和運移提供了良好的空間。關(guān)中城市群主要開采渭河及其支流沖積平原松散層孔隙水，含水介質(zhì)由第四紀沖積相砂、砂礫石組成，單井出水量一般3000～5000m3/d（張茂省等，2005）。以70～90m之間的粘性土為界，分為上部潛水和下部承壓水。潛水主要分布于渭河及其支流漫灘和一級階地區(qū)，埋深約1～20m，含水層厚20～50m，傍河地帶含水介質(zhì)粒度粗，利于河水激發(fā)補給，是城市供水水源地的有利開采地段；承壓水分布于各級地貌單元下部，總厚20～120m，一般由渭河向南北兩側(cè)厚度逐漸變薄。渭河南岸孔隙水水質(zhì)一般較好，礦化度小于1g/L；渭河北岸孔隙水涇河以西水質(zhì)一般較好，礦化度小于1g/L，涇河以東水質(zhì)一般較差，礦化度一般1～4g/L。

2 地下水開采特征

關(guān)中盆地地下水開發(fā)利用歷史悠久。建國后至90年代中期，盆地內(nèi)主要城市生產(chǎn)生活用水均以開采地下水為主，2000年以后，由于啟動黑河、石頭河、馮家山水庫等多水源引水工程，緩解了地下水供水壓力，地下水開采量逐年下降。關(guān)中城市群地下水開采過程大致分為三個階段。

1975年以前，關(guān)中城市群地下水集中開采以西安、寶雞為主。開采初期，開采井數(shù)少，開采量小，1970年，西安市地下水開采量僅3700×104m3/a。1970年后，隨著供水需求的不斷上升，盆地內(nèi)開采量每年增加1200×104m3。截止1975年底，開采量為13737.60×104m3/a（彭建兵等?）。

1975年以后，關(guān)中盆地城市群加強了地下水開采的管理，開鑿深井數(shù)量的增速顯著減小，但由于實際開采井數(shù)仍在增加，地下水開采量仍然以每年350×104m3的速度逐年上升。截止1995年，西安（含近郊）、咸陽、寶雞、渭南開采量分別為26257.88×104m3/a（康金栓等?）、9926.14×104m3/a（師菊芹等?）、7292.70×104m3/a（翟乖乾等?）、5013×104m3/a（王佳武，1997）。

1995年以后開采量顯著減少。1997年黑河引水工程通水后，西安市逐步減少了自備井的開采量，2000年寶雞市和咸陽市分別啟動“引嘉濟清”和“馮家山引水”工程，大大緩解了關(guān)中盆地城市供水緊張的矛盾。自1997年至今，關(guān)中盆地主要城市累計封停自備井企事業(yè)單位自備井2000余眼，年減少地下水開采量約2×108m3，供水格局從以地下水為主改為以地表水為主。2011年，西安、咸陽、寶雞市地下水開采量分別為5652.27×104m3/a、7075.60×104m3/a、1153.4×104m3/a（陶虹等?）。

3 主要環(huán)境地質(zhì)問題

持續(xù)過量地開采地下水，導致區(qū)域地下水位持續(xù)下降、形成區(qū)域降落漏斗，造成地面沉降、地裂縫、水質(zhì)污染等一系列環(huán)境地質(zhì)問題。

3.1 地下水位持續(xù)下降，形成區(qū)域性降落漏斗

由于水源地均圍繞關(guān)中主要城市而建，造成水源地布局不合理，開采井群在空間分布上高度集中，高強度的開采狀況改變了區(qū)域地下水天然流場，形成了以城市水源地為中心的大面積地下水位降落漏斗。

西安市城區(qū)從50年代初到90年代，自備井從2口猛增到500余口，開采量從77.2×104m3/a驟增到11223.75×104m3/a，而可采資源只有6960.36×104m3/a（彭建兵等?）。長期超量開采使承壓水頭迅速下降，在90年代中期形成該地區(qū)歷史上最大面積降落漏斗，面積達234.75km2（康金栓等?），漏斗中心水位埋深142.28m。2000年以后，西安市逐步全面封停主城區(qū)企事業(yè)單位自備井，開采量2011年回落至5652.27×104m3/a，基本遏制了城區(qū)地下水位長期下降的勢頭，部分地段水位趨于回升，漏斗面積有所減?。ū?）。但是，由于西安市開發(fā)建設重點移至西南郊高新技術(shù)開發(fā)區(qū)，使該處局部地段用水量激增，承壓水位在近10年間下降了20余米，導致嚴重地面沉降的發(fā)生。2012年，西安城區(qū)降落漏斗面積216km2，較2011年增加8km2（陶虹等?）。

咸陽市主要開采300m以內(nèi)的第四系孔隙潛水和承壓水。在90年代以前，由于地下水資源不清且沒有統(tǒng)一規(guī)劃，地下水開采以自備井為主，1985年達10585×104m3/a，超采約80%（張茂增?），直接導致水位持續(xù)下降，形成區(qū)域降落漏斗22.8km2（師菊芹等?）。2000年后，咸陽市啟動石頭河水庫供水，開采量逐年減小，水位有所回升。截止2012年，咸陽市承壓水靜水位累計最大下降30m，漏斗面積15.88 km2（陶虹?等）。

寶雞市主要開采淺層承壓水，開采之初，水頭接近地面，1970年起集中開采。截止2000年，水位平均降幅20.35～33.52m（翟乖乾?），最大降幅超過50m。2012年漏斗面積 28.1km2（陶虹等，2013）。超強度開采不僅使單井抽水量急速減小，而且由于缺乏連續(xù)有效的上覆隔水層，導致上部潛水含水層水位迅速降低，基本呈疏干、半疏干狀態(tài)。

渭南市城區(qū)自備井水源地因開采井數(shù)多，密度大，平均每平方千米達10眼以上，現(xiàn)有開采井一般深120～250m，采用潛水、承壓水混合開采方式。在城區(qū)30.14km2范圍內(nèi)，潛水可采資源量1650.17×104m3/a，而開采量已達2932.20×104m3/a，超采量1282.03×104m3/a。由于過量開采地下水，1989年以來地下水位以0.34～2.30m/a（王佳武，1997）速率持續(xù)下降，近二十年來水位下降二十余米。2012年形成降落漏斗36.42 km2（陶虹等?）。

3.2 區(qū)域地面沉降

關(guān)中城市群發(fā)生地面沉降的城市有西安、咸陽、渭南等，其中以西安市最為嚴重，其主要原因為地下水超采導致水位大幅度下降，進而導致粘性土層釋水壓密造成的（陶虹，2000）。

西安市地面沉降的發(fā)生、空間展布及歷時發(fā)展趨勢與自備井開采、承壓水水位動態(tài)有著緊密聯(lián)系，承壓水開采最強烈，水位降幅最大，漏斗高速擴張時期，也是地面沉降高速發(fā)展時期（圖1（廖曾禧?）。

80～90年代中期，西安市城區(qū)自備井開采最為強烈，開采井群主要分布在城區(qū)及近郊，形成了以胡家廟、小寨等地為中心的水位漏斗，承壓水頭下降速率最大可達10m/a。該階段也是地面沉降高速擴張的時期，與承壓水開采漏斗相對應，形成了以西工大、胡家廟等為中心的7個地面沉降漏斗（陶虹，2000），漏斗中心沉降速率50～100mm/a。2000年以后，隨著城區(qū)封停自備井，承壓水位逐漸穩(wěn)定，老沉降區(qū)活動量逐漸減小，300m以上地層壓密量由1997年的83.13mm下降至2011年的5.78mm（李勇?），胡家廟、辛家廟等沉降漏斗消失。而西南郊高新技術(shù)開發(fā)區(qū)投入建設，承壓水開采量激增，形成新的開采漏斗，地面沉降中心向該地區(qū)移動（圖 2），2012年，高新技術(shù)開發(fā)區(qū)最大地面沉降量14.6cm。

表1西安市承壓水開采漏斗多年變化統(tǒng)計Table 1 Annual statistics of depressions in the confined aquifersin Xi'an

圖1 西安市胡家廟地區(qū)承壓水位與地面沉降量歷時曲線圖Fig.1 The confined water level and land subsidence at Hujiamiao area，Xi'an

引起西安地裂縫強烈活動的主要因素是過量開采承壓水引發(fā)的地裂縫兩側(cè)地層不均勻沉降，地裂縫垂向活動量的70%～90%是由于承壓水位下降導致地面差異沉降造成的（李新生等，2001）。西安地區(qū)第四系是由粘性土層與砂、砂礫石層組成的不等厚結(jié)構(gòu)，在黃土梁區(qū)和洼地區(qū)，粘性土層厚度存在明顯的差異，洼地區(qū)粘性土厚度大于黃土梁區(qū)，而西安市地裂縫均位于黃土梁洼接壤地帶。過量抽汲承壓水，致使承壓水位大幅度下降，引發(fā)粘性土層釋水壓密變形。而地裂縫兩側(cè)粘性土厚度不同，又導致沉降程度不同，加劇了地裂縫的垂向活動。

多年監(jiān)測資料表明，2000年以后，西安市地裂縫相對活動量也在逐年減小，最后至微小值后開始上下波動（圖3）。

3.3 地裂縫

地裂縫是關(guān)中盆地最有特點的地質(zhì)災害之一，目前主要分布在西安市城區(qū)及近郊155km2的范圍內(nèi)，已發(fā)現(xiàn)的地裂縫帶有14條，總體走向 70°～80°左右，各地裂縫帶間呈1～1.5km等間距排列（彭建兵等?）。

圖2 西安市承壓水開采漏斗與地面沉降中心分布圖Fig.2 The centers of confined water funnel and land subsidence in Xi'an

圖3 西安市地裂縫垂向活動量與承壓水位歷時曲線Fig.3 Duration Curves of vertical displacements of ground fissure and confined ground water level in Xi'an

3.4 地下水污染

關(guān)中城市群潛水含水層主要為渭河及其支流的沖洪積型砂層，由于強烈開采致使水源地水位大幅度下降，導致渭河及其支流激化補給地下水。由于渭河水質(zhì)近年污染嚴重，導致關(guān)中城市群傍河開采水源地潛水污染嚴重，根據(jù)2011年水質(zhì)監(jiān)測報告，其結(jié)果與20世紀60年代比較，發(fā)現(xiàn)地下水中礦化度、總硬度含量有明顯上升，污染區(qū)主要在咸陽、西安、渭南等水源地集中開采區(qū) （陶虹等?）。

承壓含水層與潛水之間存在一弱透水層，阻隔了污染物的下滲，故水質(zhì)尚可。但有部分地段如西安北郊超標，經(jīng)研究為受污染的潛水通過混合開采井滲入承壓含水層造成污染或通過不連續(xù)的隔水層、弱透水層造成污染。

4 防治對策建議

關(guān)中城市群由于地下水過量開采引起的環(huán)境地質(zhì)問題主要有區(qū)域地下水位持續(xù)下降、地面沉降、地裂縫、水質(zhì)污染等。近年城市供水結(jié)構(gòu)調(diào)整，地下水開采量逐漸減小，水位日趨平穩(wěn)略有回升，地面沉降、地裂縫等環(huán)境地質(zhì)問題在地下水位穩(wěn)定地段有所緩解，而在開采量加大地段加速發(fā)展。對于目前關(guān)中城市群地下水開發(fā)利用及保護現(xiàn)狀，可采取以下措施預防和緩解環(huán)境地質(zhì)問題的發(fā)生，合理高效利用地下水資源。

（1）優(yōu)化完善地下水動態(tài)監(jiān)測網(wǎng)絡：優(yōu)化完善關(guān)中城市群地下水動態(tài)監(jiān)測網(wǎng)絡，對地下水進行實時監(jiān)控。對于重點城市及重要工程建設區(qū)，加密監(jiān)測點，逐步實現(xiàn)地下水自動化監(jiān)測與數(shù)據(jù)傳輸，及時發(fā)布地下水情通報，為地下水的合理開采提供依據(jù)。

（2）開展主要城市環(huán)境地質(zhì)問題監(jiān)測及研究：對于西安、咸陽等地面沉降、地裂縫活動強烈城市，開展地面沉降、地裂縫監(jiān)測，實時掌握地質(zhì)環(huán)境變化特征。開展地面沉降地裂縫與地下水動態(tài)耦合關(guān)系研究，確定地面沉降發(fā)生的臨界水位，建立預警預報模型，以地下水資源的合理開采量為標準，科學配置水資源。

（3）開展合理開采地下水技術(shù)方法研究及實踐：開展地下水開采技術(shù)方法研究，對于已經(jīng)產(chǎn)生環(huán)境地質(zhì)問題的地區(qū)，可考慮“人工回灌”，控制地下水位下降，緩解地面沉降和地裂縫的發(fā)展趨勢。同時嚴格控制回灌水的水質(zhì)標準及操作規(guī)范，防止人為污染地下水。

注 釋 / Notes

?彭建兵，張勤，宋彥輝，盧全中，李新生，門玉明，黃強兵，孫淵，王瑋，李斌.2010.汾渭盆地典型地區(qū)地裂縫地面沉降監(jiān)測與防治研究成果報告.

?康金栓，徐從義，王興安.西安地區(qū)地下水動態(tài)報告1986～1995年）.

?師菊芹，李存長.1997.咸陽市區(qū)地下水動態(tài)報告（1986～1995）.

?翟乖乾.1997.寶雞市區(qū)地下水動態(tài)報告（1985～1995）.

?陶虹，丁佳，陶福平.2013.陜西省地下水動態(tài)研究報告（2012年度）.

?張茂增.1987.咸陽市環(huán)境水文地質(zhì)問題及防治對策.見：陜西省地礦局地質(zhì)科學技術(shù)交流會論文匯編，219～224.

?翟乖乾.2000.2000年寶雞市地下水環(huán)境監(jiān)測報告.

?廖曾禧.1985.西安市地面沉降發(fā)展趨勢預測.見：陜西省地礦局地質(zhì)科學技術(shù)交流會論文編匯.

?李勇.2012.西安市地面沉降地裂縫監(jiān)測報告（2011年）.