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地下水位降落漏鬥的演化特征

我國北方地下水位降落漏鬥主要發生在地下水集中開采區,尤其是華北平原和松嫩平原,而西北地區問題並不突出。從水位降落漏鬥的形成和發展來看,大致經歷了四個時期:①自然流場狀態;(2)下落漏鬥原型的形成時期;③漏鬥發展期;④漏鬥中心水位穩定,漏鬥面積擴大。這四個時期代表了自然環境變化基礎上人類活動的強度變化,主要體現在地下水補給量減少和地下水開采強度增加。這四個階段也反映了地下水流場演化的基本特征。由於各地區經濟發展水平不同,這四個時期的時間存在明顯差異。

1.準噶爾盆地流場變化與水位降落漏鬥的形成和發展

在準噶爾盆地,地下水位降落漏鬥形成面積最大的地區是呼圖壁河流域下遊的承壓水區(表4-1),降落漏鬥的形成經歷了三個歷史階段:

1)第壹階段在1970之前,該地區還處於填海造地階段。河流下遊分布著很少的耕地,由地表水灌溉,地下水處於自然平衡狀態。

2)第二階段為1970 ~ 2000。這壹時期,隨著人口的增加、耕地面積的擴大和社會經濟的快速發展,地下水被廣泛開發利用,作為灌溉季節的調節水;20世紀80年代改革開放後,大規模開墾土地,使這壹地區成為糧棉基地。地下水開采量逐年增加,分別為890.9× 105和106團,占可開采資源量的1700× 6504m3。1999期間開采量約2528×104m3,1989 ~ 1999之間地下水位下降8 ~ 9m,降落漏鬥逐漸形成。

3)第三階段,2000年以後,2000年105和106團的產量為1952×1043,過度開采為252×1043。到2003年底,漏鬥中心深度達到54.25米,漏鬥水位10米以上的面積達到1500km2,為漏鬥發展期。

2.銀川市地下水位降落漏鬥

銀川市以開采第壹承壓含水層組為主要目的層,形成第壹承壓含水層組的水位降落漏鬥。

1)第壹階段在1970之前,處於自然平衡狀態。

2)第二階段1970 ~ 1985,登陸漏鬥雛形形成時,形成局部漏鬥,登陸漏鬥中心分別位於西夏區和金鳳區。

3)第三階段1986 ~ 2000,漏鬥發展期1986 ~ 1990。下降漏鬥面積以30.205km2/a的速度增加,中心水位以0.884m/a的速度下降;1991 ~ 1995,降落漏鬥面積增加率為10.10km2/a,中心水位下降率為0.7695m/a,是水位下降和降落漏鬥面積迅速增加的時期。1996到2000年,水位降到最低,逐漸上漲,登陸漏鬥面積漲到最大,登陸漏鬥已經成了壹塊。

4)第四階段是2001年以後。在漏鬥穩定期,下降漏鬥的面積已經縮小到壹定程度,逐漸穩定。漏鬥中心水位較1996呈上升趨勢。從1996年到2003年,降落漏鬥的面積以1.73km2/a的速度增加,降落漏鬥的水位壹直處於相對穩定的狀態(。

表4-10銀川監測區第壹承壓含水層組水位降落漏鬥變化趨勢壹覽表

繼續的

(據吳等,2009)

3.呼和浩特市區地下水位降落漏鬥

20世紀80年代以來,呼和浩特市承壓含水層水位降落漏鬥逐漸形成,經歷了從局部漏鬥到區域漏鬥的演變階段。

1)1965之前是自然流場階段。地下水的利用率很低,開采量很小。地下水動態屬於降水入滲補給-蒸發徑流排泄型,承壓水動態以徑流補給-徑流排泄為主;天然流場的總體趨勢是從山前平原的南部和西部。

2) 1976 ~ 1995為胚胎期。從1965到1975,隨著農業、工業和城鎮的發展,地下水開采量逐漸增加,部分地區開始集中開采地下水,承壓含水層水頭急劇下降。呼和浩特市中心城區承壓含水層水頭年下降速率為0.9m/a,尚未形成漏鬥,但地下水流方向發生變化,原有流場向呼和浩特市中心匯聚。1975 ~ 1995隨著地下水開采量的增加,承壓含水層水頭普遍下降,呼和浩特市深層承壓含水層水頭下降速率達到1.2 ~ 1.6/a,回民區孔家營、呼和浩特市北工人西村、呼和浩特市東源勞動技術學校、玉泉區警備區形成4個小型水位降落漏鬥。

3)1995之後,是快速發展階段。地下水降落漏鬥由壹小群局部水位降落漏鬥逐漸匯聚成單個大型水位降落漏鬥,漏鬥中心位於呼和浩特以西的孔家營。2000年,以承壓含水層1022m測壓水位高程為界的封閉面積為0.64km2,占城市總面積的0.5%。到2010時,漏鬥中心水位將降至1016m。1016m等壓線閉合面積8.4km2,十年時間,漏鬥中心水位下降25米。

4.太原市地下水位降落漏鬥。

根據韓穎等(2009)的調查結果,太原盆地淺層孔隙含水層的流場變化不大,而中深層孔隙含水層的流場變化較大,在太原市形成了深層地下水位降落漏鬥。

1)1959之前是自然流場階段。太原市地下水的開發利用主要以開采邊巖巖溶水為主,孔隙水開采量小於4×104m3/d,自然流場未受到嚴重擾動。

2) 1960 ~ 1970為胚胎期。太原市孔隙水的開發利用僅限於開采淺層水和部分中層含水層。以1965為例,開采量僅為32.93×104m3/d/d..城市漏鬥最早發現於1965,以動物園水廠和菜園水廠為中心,中心水位埋深16.15m,水位高程767.0m,770m等水位線閉合面積約11.2km2..同時,北營地區有壹個小規模的水位降落漏鬥,面積約5km2。1972年770m等水位線閉合面積達到74km2,中心水位埋深33m,水位高程750m,北營漏鬥面積擴大到17km2。中心水位埋深23m,水位標高755m。

3) 1971 ~ 1990,這是壹個快速發展階段。1971 ~ 1981,太原孔隙含水層開采進入超采階段,水位大幅度下降,區域水位降落漏鬥開始形成。1976北營漏鬥與以動物園、菜園水廠為中心的城市漏鬥整合,漏鬥中心向西南移動。中心水位埋深46.0m,水位高程737.80m,1981年,漏鬥快速上升,動物園水廠水位下降最多,埋深67m,水位高程716m,1990城市漏鬥中心埋深85.71m,為654381980後,北營漏鬥下降速度加快,中心水位埋深在1990達到91.38m,下降速率為4.7m/a(韓穎等,2009)。

該階段西漳地區在1982出現深層含水層水位降落漏鬥,最低水位高程為776.91m,780m等壓線閉合面積為15km2,1984m等壓線閉合面積擴大到48.2km2,中心水位高程為768.74m,水位埋深為1990

4)1991年後,漏鬥區擴大。在此期間,太原市的孔隙水開采量沒有明顯減少。2002年城市漏鬥埋深為104.36m,比1990下降了18.65m,下降率為65433。2002年西漳閉水位等值線高程為745.0m,面積擴大到61.2km2,中心水位埋深為79.62m,比1.90下降了11.48m,下降速度減緩到2.33m/a(高廬山、吳,,2000)

5.臨汾市地下水位降落漏鬥

臨汾盆地中深層承壓含水層是主要開采層位。地下水的劇烈開采導致區域地下水位急劇下降,20世紀70年代中後期形成地下水位下降漏鬥(表4-8),地下水流場發生變化。

1)1958之前是自然流場階段。1958之前,臨汾市地下水開采量較小,地下水開采從未對孔隙水水位產生顯著影響。

2) 1958 ~ 1980是水位降落漏鬥形成發展階段。1958 ~ 1976期間,城市工農業用水抽取的地下水量逐漸增加,19年期間地下水位下降1.90m,年均下降0.1m,水位下降緩慢。從1976到1980的5年間,地下水位驟降3.35m,年均下降0.67m,下降速度明顯加快。而且由於70年代中後期城市和工業的快速發展,集中礦區中深層地下水位逐年持續下降,開始形成水位降落漏鬥。在1976附近,漏鬥位於臨汾市北部和市區。漏鬥中心閉合等壓線水位380m,漏鬥外圍閉合線水位400m,漏鬥面積50km2。

3) 1981 ~ 1999是落地漏鬥的快速發展階段。1985左右,漏鬥中心和外圍水位維持在380m和400m,但漏鬥中心最低水位高程為373m,漏鬥面積達到74km2。1988中,漏鬥中心水位高程357m,漏鬥周圍閉合線水位高程390m,漏鬥面積85km2;漏鬥面積在1998擴大到114 km2;1999年,漏鬥面積擴大到123km2。

4)2000年後,漏鬥穩定並恢復。到2001時,漏鬥中心水位達到最低值340.7m,外圍閉合線水位高程380m,漏鬥面積達到最大值124km2。自2001以來,登陸漏鬥周圍閉合線保持在380m不變,而漏鬥面積逐漸減小,漏鬥中心水位趨於穩定。2004年漏鬥中心水位為323.4m,從1986到2004年,漏鬥中心水位下降了37.08m,平均下降速率為2.06m/a(圖4-25)。

6.侯馬市地下水位下降漏鬥

1)1971 ~ 1980,形成了地下水位降落漏鬥。20世紀70年代初,侯馬市開始大量開采地下水。由於工業、農業和城市生活集中開采中深層含水層,水位持續下降。從70年代末到80年代初,侯馬市形成了地下水位下降漏鬥。

2)從1981到1999,水位降落漏鬥發展迅速。1983年,漏鬥中心水位高程為369.63m,90年代中後期,下降漏鬥迅速發展,中心水位急劇下降。到1995,中心水位高程356.89m,漏鬥閉合線水位366m,漏鬥面積21.5 km2;;1999年,漏鬥中心水位高程347m,漏鬥閉合線水位376m,漏鬥面積最大為89.3km2,在1983 ~ 1995和12期間,漏鬥中心水位下降12.74m,水位下降速率為65438

3)2000年以後,漏鬥面積擴大趨勢逐漸減緩,漏鬥中心水位下降速度逐漸減緩。2004年漏鬥中心水位高程為345.88m,漏鬥閉合線水位為371m,漏鬥面積為84.7km2,從1983到2004年,漏鬥中心水位下降了23.75m,平均下降速度為1.13 m/a

7.運城地下水位下降漏鬥

1)60年代以前為自然流場階段,開采井深多在100m以內,地下水開采量較小。深層含水層基本處於天然狀態,地下水主要向運城鹽池、硝池周邊盆地中深層地下水的排泄區移動。

2)60年代中期至80年代初,為水位降落漏鬥形成階段。1961 ~ 1964,深部承壓水開采規模初具規模,形成漏鬥雛形。根據1961年資料,盆地中部含水層漏鬥330m等壓線分布在鹽池和硝池周圍,漏鬥中心水位低於330m,330m等壓線圈內部面積為106 km2;。深層含水層類似於中層含水層的天然漏鬥,中心水位高程高於中層含水層,壹般在340m左右,340m等水位線分布在鹽池周圍,面積約42km2。70年代主要開采中間含水層,造成大規模無序開采。隨著中層含水層開采量的增加,水位持續下降,降落漏鬥持續擴大。同時,盆地內形成了許多面積不等的水位降落漏鬥,如永濟城關漏鬥、運城永濟交界處的曾家營漏鬥、運城安義漏鬥、夏縣大路漏鬥等。隨著深層含水層的逐漸發育和迅速增大,水位開始下降,漏鬥中心發生偏移,漏鬥面積不斷擴大。到1980時,盆地中部含水層和深部含水層已形成統壹的流動系統,漏鬥的中心位置、分布方向和水位高程基本壹致(圖4-26)。

圖4-25臨汾盆地深水降落漏鬥

(根據韓穎等,2009年)

3)1980以後,中層含水層和深層含水層的降落漏鬥已成為統壹的混合降落漏鬥。1984 ~ 1993,這壹時期仍以開采中深層含水層為主,小的區域漏鬥連成較大的漏鬥。1986,流域中深層地下水位降落漏鬥中心水位高程為301.43m,330m等深線圈內面積為682km2。1990,漏鬥中心水位高程為291.04m,330m等高線圈內面積為839km2;1995,漏鬥中心水位高程271.70m,330m等壓線圈內面積1163 km2;到2000年,漏鬥中心水位高程為250.03m,330m等壓線圈內部面積為1567 km2;。2005年漏鬥中心水位234.70m,320m等壓線圈內面積1614.15km2。從1986到2005年,漏鬥中心水位下降了64.73米,平均下降速率約為3.24米/年

圖4-26運城盆地中深層地下水位降落漏鬥剖面圖

(根據韓穎等,2009年)

8.河北平原的地下水位降落漏鬥

河北平原淺層地下水位降落漏鬥主要分布在山前平原與中東部平原的結合帶,深層地下水位降落漏鬥則分布在中東部平原的城市集中礦區和農業集中礦區。每個漏鬥元件見表4-11。

表4-11河北平原地下水位降落漏鬥要素變化表

繼續的

(據張等,2009)

漏鬥的形成經歷了四個歷史階段:

1)1964之前,地下水利用程度很低,開采量很小,且多為淺井。淺層地下水的動態變化是自然的,受降水和蒸發控制,屬於降水入滲補給-蒸發徑流排泄型;深層地下水主要為徑流補給-頂進排泄和徑流排泄。其自然流場總的趨勢是從山前到渤海,水力梯度從大(1 ‰ ~ 2 ‰)到小(0.1‰)。滄州沿海、唐山沿海、大陸附近湖泊有澤澤、錢清窪、文安窪等多處自流水域。這個時期是地下水的自然狀態。

2) 1965 ~ 1972,經濟發展初期,隨著農業、工業和城鎮的發展,地下水開采量逐漸增加,部分地區開始集中開采地下水,開采強度過高,形成局部水位下降漏鬥。

3)1973 ~ 1985,地下水開始大量開采,水位普遍下降,漏鬥中心水位急劇下降,形成多個地下水位降落漏鬥,漏鬥擴展速度呈顯著增長趨勢,深層水位降落速率達到3m/a(衡水漏鬥),淺層水位降落速率達到0.9m/a(石家莊漏鬥)。

4)1986以後,地下水開采進入控制開采階段。1985 ~ 1995期間,水位下降趨勢明顯減緩,深層含水層下降速率為2m/a,淺層含水層(石家莊漏鬥)下降速率為0.6m/a。1995以後,許多地區開始控制開采地下水,水位下降呈明顯減緩趨勢(圖4-27、圖4-28)。受1996降水補給影響,淺層水位有所回升。到2004年,部分地區(如滄州平原)水位上升,部分地區(如秦皇島平原)淺層地下水位基本穩定。

9.通遼市地下水位降落漏鬥

20世紀50年代以前,西遼河平原的水循環處於自然水文狀態。20世紀50年代以後,地下水流場開始受到人類活動的幹擾。自20世紀70年代以來,地下水開采量逐年增加,地下水流場發生了變化。在奈曼、開魯、通遼市科爾沁區、科爾沁左毅中旗等平原主要農業灌區,流場形態變化嚴重。在通遼市,形成了以科爾沁區東郊為中心,向上下遊農業強礦區延伸的區域性水位降落漏鬥(圖4-14),徑流方向變化較大。20世紀80年代,開始開采地下水。80年代以後產量減少,漏鬥中心水位上升,但降落漏鬥中心逐漸東移,面積增大。

西遼河平原通遼市地下水降落漏鬥的形成和發展大致經歷了三個時期(李誌等,2009)。

圖4-27河北平原淺層水位降落漏鬥中心水位埋深歷時曲線

(據張等,2009)

圖4-28河北平原深水水位降落漏鬥中心水位埋深歷時曲線

(據張等,2009)

1)第壹階段:落地漏鬥形成的初始階段。漏鬥形成於20世紀70年代中期。70年代以前沒有落地漏鬥。20世紀70年代以後,由於工農業的發展,地下水的開采量逐年增加。當時地下水的開采秩序混亂,導致壹些地區過度開采。到70年代中期,漏鬥形成,中心水位高程1976為167.24,分布面積463.42km2

2)第二期:漏鬥中心水位急劇下降的時期。20世紀80年代,該地區工業發展迅速啟動,地下水開采量增加,漏鬥中心水位持續下降,是下降漏鬥發展最快的時期。1985漏鬥中心水位標高164.55m

3)第三期:漏鬥中心水位穩定,漏鬥面積擴大的時期。1997年漏鬥中心水位高程164.1,分布面積863km2。到2003年,漏鬥中心水位標高為163.16m。漏鬥分布面積為1290.5438+0km2。

10.哈爾濱第四系承壓含水層水位降落漏鬥

哈爾濱第四系承壓含水層水位降落漏鬥雛形形成於1970 ~ 1982(第二期),以重型機械廠、電焊條廠、松江罐頭廠、市冰球廠、道裏煤氣公司為中心,形成了總面積約100km2的5個小型地下水位降落漏鬥。

從1985到1990(第三階段),五個小漏鬥相互展開,形成以重機廠為中心的水位降落漏鬥(#TC1188+088)(圖4-29),1985的面積擴大到65438+。1987期間水位明顯下降,漏鬥中心下降速率為0.8 ~ 1.7m/a,漏鬥外圍最大下降速率為0.2 ~ 1.0m/a,漏鬥面積約200km2,並以0.5 ~ 0.75km/a的速率向南移動..在此期間,平房區也形成了壹個面積約30km2的小漏鬥,漏鬥中心位於東安機械廠。1990,漏鬥面積擴大到260km2,漏鬥中心水位下降27.3m,下降速率為0.74m/a(圖4-30)。

圖4-29哈爾濱市地下水位下降幅度和下降速率圖

(據趙等,2009)

圖4-30哈爾濱市漏鬥中心水位變化曲線

(據趙等,2009)

自1991(第四期)開始,哈爾濱開始控制地下水開采量,城市開采量控制在(1.46 ~ 1.57)×1083/a,水位開始趨緩,漏鬥中心及其北段地下水位由緩降轉為緩升。1995年,漏鬥面積發展到300km2。在此期間,哈爾濱市地下水開采量從0年的1991.86× 1083下降到1.35×1083。到2005年,漏鬥面積基本保持在380km2左右(圖4-31),中心水位埋深54.42m,水位高程107.49。

圖4-31哈爾濱市漏鬥區面積及開采變化曲線

(據趙等,2009)

11.大慶市第四系承壓含水層水位降落漏鬥

大慶市第四系承壓水大規模開采是從1960的石油會戰開始的。在此之前,水位埋深大多小於5m,局部僅5 ~ 10 m。

1960 ~ 1972期間,地下水開采量增加,1963水位開始下降。漏鬥中心水位埋深19.62m,水位下降9 ~ 14 m,形成地下水位降落漏鬥。

1973 ~ 1995期間,地下水開采量持續增加,水位持續下降。1976年開采量為1.41×1083,漏鬥中心水位埋深至29.50m,為漏鬥發展最快時期。到1986,產量達到2.0×1083,漏鬥中心水位埋深達到34.24m,從1986到1988,產量略有下降,漏鬥中心水位埋深回到33.28m,1990以後,地下水開采量繼續增加,地下水開采量漏鬥中心水位埋深達36.9m,水位下降約30m。到1993,產量達到3.05×108m3,漏鬥面積達到4500km2。

自1996起,大慶市開始控制開采地下水。1997年地下水開采量已減少到2.19×1083,漏鬥面積減少到4000km2,但漏鬥中心水位埋深仍在降低。2001年,漏鬥中心水位埋深降至41.7m後,水位趨於穩定,有所回升。2004年,地下水開采量減少到1.086×1083。2005年,漏鬥中心水位埋深恢復到37.19m,漏鬥面積約3600km2。地下水降落漏鬥中水位和開采量的變化見圖4-32。

圖4-32大慶長垣西部第四系承壓水漏鬥中心水深與年產量變化曲線。

(據趙等,2009)

12.齊齊哈爾市第四系承壓含水層水位降落漏鬥

齊齊哈爾市第四系承壓水開采始於1970年代,至1988時,形成了壹個原型漏鬥,初始面積僅為2.78km2,漏鬥中心水位埋深為5.32m,比1972低1.59m。從1988到2000年,隨著地下水開采量的增加,漏鬥區不斷擴大,水位在1990下降最多,當年下降0.95m。到1995,漏鬥面積達到14.38km2,此後地下水位呈緩慢下降趨勢,到2000年,漏鬥範圍擴大了約102.5 km2;;2000年以後,由於地表供水量增加,工業用水量減少,第四系承壓水開采量減少,漏鬥中心水位沒有明顯下降(圖4-33)。至2004年,漏鬥中心水位埋深6.79m,僅比1990低0.29,漏鬥面積約92.0km2。

圖4-33齊齊哈爾第四系承壓水漏鬥中心水位和漏鬥面積變化曲線

(據趙等,2009)

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