孫菊秋

(河北省秦皇島水文水資源勘測局，河北 秦皇島 066000)

據(jù)權(quán)威部門統(tǒng)計：我國華北地區(qū)水資源具有總量少、人均占有量偏低、降水量和徑流量年內(nèi)分布不均等特點，無論生活用水還是農(nóng)業(yè)灌溉用水，地下水占主導地位(約70%以上)。石家莊作為華北地區(qū)典型的缺水型城市，其地下水開采程度連續(xù)多年超過120%，處于嚴重超采狀態(tài)。大范圍、高強度開采已經(jīng)使京津冀廣大地區(qū)的地下出現(xiàn)大面積降落漏斗，地下水水位逐步降低，對區(qū)域經(jīng)濟和社會的可持續(xù)發(fā)展造成了嚴重阻礙[1]。

1 研究區(qū)概況

石家莊地處河北省中南部，跨華北平原和太行山兩大地貌單元，截止到2016年底，石家莊常住人口突破1049萬，全市GDP完成5857.8億元，綜合經(jīng)濟實力在全國城市中排名第31位(河北省第2)，且農(nóng)業(yè)生產(chǎn)條件較好，集約化和機械化水平較高，有“北方糧倉”之稱[2]。石家莊地處平原地區(qū)這一自然條件決定了地下水是主要供水方式，目前多地出現(xiàn)地裂縫、塌陷、地下水水質(zhì)變差等問題，本質(zhì)原因還是超采嚴重[3]。分析石家莊地區(qū)地下水資源動態(tài)變化、制定合理的開采措施已經(jīng)迫在眉睫。

2 地下水動態(tài)變化特征分析

2.1 石家莊水文地質(zhì)條件分析

由于石家莊大部分人口和產(chǎn)業(yè)分布在占總面積的80%左右的平原區(qū)，因此本項目只針對平原區(qū)進行研究分析。根據(jù)石家莊平原區(qū)水文地質(zhì)條件、地形、地貌等，可將平原區(qū)分為：西部山前沖積平原區(qū)、東部湖(沖)積平原區(qū)。

(1)西部山前沖積平原區(qū)水文地質(zhì)

本區(qū)域含水層巖性以粗砂、卵石為主，厚度在100～250m之間，無穩(wěn)定隔水層，單位涌水量在110～220m3/(h·m)，水質(zhì)為HCO3Ca型水，水質(zhì)良好。區(qū)域主要由沙河、磁河沖、洪積扇、槐河沖、洪積扇等組成，區(qū)域地層粒級粗大，多卵石分布，粘性土較少。

(2)東部湖(沖)積平原區(qū)水文地質(zhì)

本區(qū)域含水層由西向東逐漸變薄，粒度逐漸變細，層次逐漸增多，富水性逐漸降低(上部最好，下部最差)。含水層結(jié)構(gòu)復雜，層多且薄，厚度在150～250m之間，隔水層發(fā)育穩(wěn)定，總體評價富水性較差。單位涌水量在50～100m3/(h·m)，水質(zhì)為SO4HCO3NaMg、HCO3SO4Mg型水，礦化度大于1g/L，淺層水水質(zhì)較差。

2.2 地下水補給、徑流、排泄變化特征分析

2.2.1 補給變化分析

(1)降水補給變化

降水補給是淺層地下水的主要補給方式[4]，本項目統(tǒng)計了石家莊1970～2016年間降水量數(shù)據(jù)，如圖1所示，其中藍色為該年降水量大于平均量；橙色為該年降水量小于平均量。紫紅色虛線為1970～1975年平均降水量；黑色虛線為1995～2000年平均降水量；紅色虛線為2010～2016年平均降水量。

從圖1可知：50年間石家莊地區(qū)干旱年出現(xiàn)的概率逐年增加，平均降水量也在逐步減少。降水入滲量除了受降水量影響外，還包括巖性及厚度、地形地貌、土壤含水量、植被面積等[5]。隨著石家莊地區(qū)經(jīng)濟、人口快速發(fā)展，人為影響降水入滲量已經(jīng)十分明顯，即城區(qū)、鄉(xiāng)鎮(zhèn)等多地區(qū)道路和建筑覆蓋面積增大，且排水渠道日益發(fā)達[4]。

圖1 1970～2016年間石家莊平均降水量統(tǒng)計圖

(2)灌溉回滲補給變化

灌溉回滲補給量較少，且每年大規(guī)模灌溉總天數(shù)在30～50d[5]。隨著噴灌、滴灌技術(shù)的發(fā)展，漫灌已經(jīng)被逐步淘汰，因此耕地回滲補給量忽略不計，灌溉回滲量主要是渠道補給[6]。但隨著石家莊廣大農(nóng)村地區(qū)建設(shè)水渠，其節(jié)水防滲能力大大增加，回滲量銳減。

2.2.2 徑流變化分析

石家莊地域內(nèi)的主要河流有：沙河、磁河、滹沱河等，其中發(fā)育于山西省的滹沱河水量最大。但自20世紀90年代以來，我國各省市興建水利工程，滹沱河上游水資源大部分被沿河蓄水工程攔下，造成河道頻繁干枯，總徑流量以年均7.5%的速度下降。且由于沿河各地區(qū)開墾種植、灌溉用水的不斷增加，造成河道流量銳減，地表徑流補給地下水作用也大大減小。

2.2.3 排泄條件變化

石家莊平原區(qū)地下水的排泄方式主要有蒸發(fā)排泄、人工開采、河道排泄三種形式，其中蒸發(fā)排泄量從20世紀80年代開始以年均2.1%的速度增加，而人工開采是地下水的主要排泄方式，2015年石家莊地區(qū)共開采地下水2.6億m3，由于人為影響，目前石家莊地下水水位以2m/a的速度降低。

2.3 地下水動態(tài)流向變化特征分析

經(jīng)地質(zhì)調(diào)查，石家莊地區(qū)地下水漏斗形成于20世紀70年代，分為形成、發(fā)展、穩(wěn)定三個階段，與降水量有較大關(guān)系，見表1。地質(zhì)調(diào)查表明：石家莊地下水漏斗中心位于山前距離16km左右，如圖2所示，且進入新世紀后，漏斗范圍增大較快。地下水漏斗的形成極大地影響了地下水流向，目前西部和中部的地下水流向東偏南，東部地下水流向為東。由統(tǒng)計數(shù)據(jù)得，目前石家莊地下水降落漏洞中心水位埋深及面積呈冪函數(shù)減小。

根據(jù)地下水礦化度等值線圖分析：石家莊平原區(qū)地下水自西向東、由淺至深年齡逐漸增加，礦化度也逐步增加，這就代表總體走向為自西向東，總體流向為渤海方向。

表1 降水量與漏斗中心水位埋深及面積變化情況

圖2 石家莊地下水漏斗中心

3 石家莊地區(qū)農(nóng)業(yè)灌溉優(yōu)化

經(jīng)統(tǒng)計，超過70%的被開采地下水用于石家莊農(nóng)村地區(qū)灌溉用水，所以減少灌溉用水是降低地下水超采的重要措施[7]。但如果大規(guī)模嚴格限制地下水開采則會嚴重影響農(nóng)民經(jīng)濟收入，因此優(yōu)化農(nóng)業(yè)種植結(jié)構(gòu)成為兩者兼顧的必要途徑之一[8]。本文以2015年灌溉用水為標準，在此基礎(chǔ)上分別壓縮10%、15%、20%，以此來對種植結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化[9]。

3.1 模型建立

將石家莊地區(qū)主要作物：稻谷(x1)、玉米(x2)、小麥(x3)、棉花(x4)、大豆(x5)、蔬菜(x6)、水果(x7)為決策變量，以最大灌溉水量Q為約束條件，計算公式如下[10]：式中，SumQ—最大灌溉用水量；Xi—各類作物種植面積；Zi—各類作物每畝需水量。

(1)

3.2 優(yōu)化結(jié)果分析

(1)壓縮10%灌溉用水

玉米和小麥種植面積增大，可增加經(jīng)濟效益，稻谷不建議種植(需水量大，經(jīng)濟效益小)，經(jīng)濟作物中棉花可大力發(fā)展，適當降低水果和蔬菜種植面積[11]。

(2)壓縮15%灌溉用水

玉米種植面積為約束面積，小麥種植減少，稻谷不建議種植，棉花種植面積加大，水果和蔬菜種植面積大幅度降低。

(3)壓縮20%灌溉用水

玉米種植面積為約束面積，小麥種植大大減少(30%以上)，稻谷不建議種植。棉花作為經(jīng)濟作物大力普及，水果和蔬菜不建議種植，經(jīng)濟效益差且人力成本較大。

4 結(jié)語

地下水對于區(qū)域經(jīng)濟發(fā)展至關(guān)重要，研究分析其動態(tài)變化對于制定開采方案和節(jié)水措施有著極大影響。通過對近50年石家莊降水量及地下水水位變化分析，得出該地區(qū)地下水開采量遠大于補給量，應優(yōu)化產(chǎn)業(yè)種植。地下水資源對于我國北方地區(qū)經(jīng)濟發(fā)展意義重大，各地區(qū)必須盡快采取積極有效措施進行治理。本文只是針對石家莊地區(qū)進行了分析研究，而每個地區(qū)都會有其獨有特點，因此在設(shè)計節(jié)水方案時應結(jié)合當?shù)貙嶋H條件，做到“因地制宜”，不可盲目照搬其他地區(qū)的成功經(jīng)驗。