河南豫北平原地下水资源与可持续利用_焦红军

'2005年第1期水文地质工程地质#61#河南豫北平原地下水资源与可持续利用12焦红军,段永侯(1.河南省地质调查院,郑州450007;2.中国地质环境监测院,北京100081)2摘要:河南豫北平原属华北平原的一部分,面积约17000km,自中更新世早期以来,黄河冲积扇的形成和演化,对其含水83层的空间结构及迭置关系,起决定性控制作用。最新计算结果,浅层地下水多年平均补给量为31115@10mPa,开采资源838343量为28147@10mPa,储存资源量为547160@10m;深层地下水开采资源量为9243@10mPa,弹性储存量为42193@83838310m。2000年地下水开采量20136@10m,地表水实际利用量16144@10m。预测2010年河南豫北平原需水量为83838339138@10m,水资源尚有结余;2020年需水量为47163@10m,水资源缺口1174@10m,总体上是平衡的。评价的浅层地下水资源属可持续利用的地下水资源。规划的6个城市应急水源地集中在沿黄地带,日开采浅层地下水达80@104m3,为城市供水提供了安全保证。关键词:豫北平原;地下水资源;可持续利用中图分类号:P64118文献标识码:A文章编号:1000-3665(2005)01-0061-06豫北平原属华北平原的一部分,总面积约灌发展相对稳定,工业与生活用水量逐年增加。到217000km,是华北平原地下水资源相对较丰富的地区。2000年机井总数达到16万眼,井灌面积4311@4283豫北平原从二十世纪五十年代后期开始,先后进行了10hm。2000年地下水开采量20136@10m。其中浅83区域水文地质普查、农田供水水文地质勘察、城市及工层地下水开采量19127@10m,占95%,农业用水8342业区供水水文地质勘察与地下水水源地勘察评价、县14161@10m,灌溉面积4916@10hm;工业用水21678383(市)区域水文地质调查、黄河侧渗研究、黄河影响带研@10m;生活用水1199@10m。深层地下水开采量83[1,2]究、重点城市地下水监测,并于1959年、1978年编制出1109@10m,占5%。版了第一代、第二代1B50万河南省水文地质图、19822地下水形成的地质背景条件~1984年开展了黄淮海平原(河南部分)地下水资源评价。这些勘查、研究和监测工作,满足了不同历史阶豫北平原构造上属于华北断块区的中南部,影响段对地下水开发利用的需要,对豫北平原工农业的发黄河形成及其冲积扇演化的主要地质构造单元有:汤展起了重要作用。阴断陷、内黄隆起、东明断陷和济源)开封断陷。区域地层除缺失上奥陶系、志留系、泥盆系和下石炭系外,1地下水开发利用历史和现状其他各系均有分布。太古界混合岩和下元古界石英片豫北平原地下水的开发利用,以开采浅层地下水岩构成区域结晶基底,古生界至新生界构成沉积盖层。为主。建国初期,只有少量的土井开采地下水用于农新生界广泛分布于山前及平原地带,下第三系为暗红灌和居民生活,1953年才开始施工机电井,六七十年色粘土岩,含油砂页岩,钻孔揭露厚度约3000m,分布代机井灌溉持续发展,地下水开采量随之增加,到于中新生代断陷盆地内;上第三系在平原区广伏于第421980年机井总数达到7万眼,井灌面积3816@10hm,四系之下,为河湖相碎屑岩、泥灰岩,钻孔揭露厚度83当年开采量1715@10m,浅层水开采量占95%以上。500~2000m。第四系为分布广泛,成因类型复杂的松局部出现超采现象,地下水位呈区域性持续下降趋势,散堆积物,厚度100~300m。并逐步形成了濮阳)清丰)南乐漏斗。八九十年代井第四系下更新统以湖相和冰水冲湖积相为主,现在的黄河下游地区湖泊广泛分布。中更新世早期,三收稿日期:2004-07-16门湖与华北湖沟通,古老的黄河进入广袤的华北平原,作者简介:焦红军(1964-),男,高级工程师,从事水文地质、环形成了统一的黄河。从此,华北平原进入了一个新的境地质工作。地质历史阶段。黄河冲积扇的形成和演化是第四纪中E-mail:jiaohongjun@3711net[3]更新世以来地质历史时期的产物。第四纪尤其是全 #62#水文地质工程地质2005年第1期新世以来黄河堆积物的形成和演变,对于含水层的空变为浅湖沼相和湖相,这类地层往往含有微咸水和半间结构及迭置关系,具有决定性的控制作用。研究发咸水。至全新世,河道带广泛分布于黄淮平原,但早、现,晚更新世是黄河发育的鼎盛期,冲积、粗颗粒分布中、近期有逐渐收缩之势(表1,图1~3)。河道带的主的冲积扇已东推至兰考、长垣以东,河道带相广泛分流相,赋存丰富的地下水,对水文地质勘探部署,起重布;而中更新世时期,冲积相虽发育,但在商丘以东渐要的基础作用。表1第四系各期黄河冲积扇变化评述表Table1ChangescharacteristicsofthealluvialfanindifferenttimesoftheQuaternaryperiodoftheYellowRiver冲积扇空间分布特点中部沉主河道带走向积速率期次桃花峪西商丘市一带粗粒带前缘前缘洼地其它(mmP千年)只有主河道带分布,河间洼地在商北东向仍发育,原正东向有向北双重机沼泽洼地消失,河间新乡)封丘)杞濮阳)带前期堆积受剥蚀,冲丘以西广泛分东向分异显示。南南东向欠发370912制期Q4洼地广布县)鄢陵有萎缩洪积物广布布育河道带向粗粒带转已有主河道带发育,山前堆积与黄北东向发育,正东向已基本转为鼎盛濮阳)长垣)太化,河道间带已变为扇上洼地广布,有沼濮阳以东河扇之间已形南东东向、南东向有转为南南东58615期Q3康以西扇上洼地泽洼地成沼泽洼地向之迹象且已达周口浅湖相消失,河道带以浅湖相为主,黄河汲县)长垣)开商丘一带物质长垣以东北东向发育,正东向发育,南东初期Q2相、河间带相开始发河道带边缘相尚未到封)通许)线以来源于东北方37218濮阳以西向少发育育达西向图1全新世早期主河道带分布图图2全新世中期主河道带分布图Fig11DistributionmapofthemainriverintheearlyHoloceneFig12DistributionmapofthemainriverinthemiddleHolocene1)古河道带;2)地层缺失区1)古河道带;2)地层缺失区(1)Ñ含水层组(浅层含水层)3豫北平原含水层组划分由黄河冲积形成,包括全新统、上更新统、中更新依据第四纪岩相古地理分析,结合不同含水层组统上段含水砂层。含水层底板埋深一般60~120m,最的埋藏条件、成因类型、水力性质和开发利用情况,连深可达140~160m。含水层在冲积扇的顶部以漂卵同新第三系划分为5个含水层组,具体特征如下:石、砂卵石为主,平均厚度40~50m,自顶部向东颗粒 2005年第1期水文地质工程地质#63#含水层由中更新统下段和下更新统的各类砂层、砂砾石层组成。岩相由盆地边缘的冲洪积、冲湖积向东过渡到湖积和冰水堆积,底板埋深一般180~300m。该层的特点是含水砂层为多层,含水层在封丘以西靠近盆地边缘一带颗粒较粗,为中细砂、中砂、细砂,局部夹中粗砂和砂砾石,其中冲积、冲湖积中的主流相,颗粒粗、厚度大,而侧流相颗粒细、厚度薄,该层累计厚度40~80m。封丘以东,中深层地下水多为微咸水和半咸水,目前基本未被利用。(3)Ó含水层组顶板埋深200~300m,底板埋深400~500m,含水层由新近系明化镇组上段上部的各类砂层组成,属湖泊为主的河湖相沉积,主要为粉砂岩、细砂岩、含砾砂岩。该层豫北地区开发利用较少。(4)Ô含水层组顶板埋深约500m,底板埋深约800m,含水层由新近系明化镇组上段中部的砂层组成,岩性为浅棕红色厚层细砂、中砂与棕红色粘土、砂质粘土互层,夹棕红图3全新世近期主河道带分布图色泥质粉砂、浅灰色细砂。由于本层深度较大、水温较Fig13Distributionmapofthemainriverin低,目前开发利用较少。thelateHolocene(5)Õ含水层组1)古河道带;2)地层缺失区在第Ô含水层组之下,1600m以上,属新近系明化变细,厚度变大,至温孟滩一带含砾粗砂、中砂等。在镇组河湖相沉积。由于上覆了约500m厚的松散层,黄河铁路桥)新乡一带为一套以粗粒为主,粗细相间构成了典型的覆盖型层控低温地热田,地热增温率达的各类砂层夹粉土组成,垂向上表现为下粗上细多个312~318eP100m,是目前豫北地热的主要开采层位。沉积韵律,平面上自冲积扇轴部(黄河铁路桥)原武)原阳一带)向下游和两翼,含水层岩性由粗变细,由厚4地下水流场与黄河侧渗变薄,层数变多,单层厚度变小。含水层岩性主要为含豫北平原浅层地下水是指黄河冲积平原内,埋藏砾中粗砂、中砂、中细砂、细砂。厚度也由轴部的80~于潜水位以下40~160m深度内的潜水和承压水,含水100m向下游和两翼过渡为30~80m。在东部含水层介质主要为中细砂、粉细砂和粉土。底板为分布较稳在平面上和垂向上变化很大,一般是靠近上游颗粒粗、定的粘土、粉质粘土。大致以开封)濮阳一线为界,以厚度大;故河道主流带相颗粒粗,厚度大。而越往下游西为冲积扇上部粗粒带,含水层颗粒较粗,分异小,岩或泛流带相颗粒细,厚度薄。主流带和主流密集带(或性相对单一且厚度大;以东则为冲积扇的下部,河道带垂向上多期主流带),含水层岩性以中砂、中细砂、细与河间带相间分布,从上部粗粒带到下部河间带,浅层砂、中粗砂、含砾砂为主,向东北的濮阳一带过渡为细3地下水的钻孔单位涌水量由大于10mPh#m、1~中砂、细砂为主,局部有粗中砂。泛流带(河间带)含水335mPh#m到商丘以东局部洼地小于1mPh#m。浅层地层岩性多为粉细砂、粉砂、细砂,厚度多小于20m,自中下水的流场以黄河为轴,分别流向北东和东南向(天然部向东北、东南变薄。泛流带下游多有微咸水或半咸状态1981年,开采条件下2000年),与冲积扇体坡向水呈片状分布。及地表水系方向基本一致。由于地下水超量开采,在浅层含水层总趋势向东北方向厚度较薄。浅层水濮阳)内黄一带形成了地下水位降落漏斗,水位埋深的水力性质由冲积扇顶部的潜水、潜水一微承压水,向大于15m,濮阳)清丰一带大于20m,但流场的基本形前缘过渡到微承压水和多层承压水。态没有大的变化,因此黄河既是海、淮水系的地表分水(2)Ò含水层组(承压水)岭,也是豫北平原地下水的南部补给边界(图4)。 #64#水文地质工程地质2005年第1期来愈大。21981年微咸水分布面积约2379km,占总面积的21811%,2000年微咸水总面积缩小为1744km,占总面2积的1313%。20年间微咸水面积减少了1401km。水质变化不仅反映在微咸水分布范围缩小,而且地下水的矿化度也显示普遍降低。1981年矿化度大于2gPL、3gPL和大于1gPL的零星分布区到2000年已消失了,表明浅层地下水中的微咸水在人为开采激化情况下,有向有利方面转化的趋向(图5)。图4浅层地下水等水位图Fig14Contourmapofshallowgroundwaterlevel1)水位等值线(m);2)基岩界线;3)地下水流向黄河下游地上悬河是华北大平原的中脊,黄河侧图5浅层地下水水质变化渗是沿黄地下水的重要补给来源,具有重要的环境意Fig15Changesofshallowwaterquality义与资源意义。据观测资料,黄河波及的宽度达1)微咸水减少区;2)微咸水增加区;3)1980年矿化10km,较明显的侧渗影响带2~5km,在黄河侧渗影响度等值线(gPL);4)2000年矿化度等值线(gPL)带,地下水埋藏较浅,一般为1~3m,局部出现小片湿地。沿黄一带过去广泛分布盐渍地,由于灌溉和耕作5豫北平原地下水资源与需求分析制度的改变,盐渍化现象大都已消失。经观测和计算,511浅层地下水资源评价河南省境内黄河下游测渗总量在平水年为219@浅层地下水资源主要有大气降水入渗补给量、黄838310mPa(1982年),枯水年份为214@10mPa,丰水年份河侧渗补给量、河渠入渗补给量、灌溉回渗补给量。多83可达416@10mPa。对于501km的黄河侧渗边界,平83年平均补给量为31115@10mPa,黄河影响带受黄河3水年份平均单宽侧渗量为1985mPd#km。傍河取水是4侧渗补给量影响,补给资源模数一般为25@10~40@解决沿河城市供水的主要途径之一。43210mPa#km。黄河影响带外围补给资源模数一般为2002年,赵云章、邵景力等采用地下水流场分析、443213@10~23@10mPa#km。评价区域内大气降水补水动力学解析、地下水动态类型比拟及同位素测试分给量占补给资源量的6816%,黄河侧渗补给量为析等综合研究手段,再次研究了黄河侧渗补给范围及316%,河渠补给量占1714%,灌溉回渗量占1316%。[4~6]循环深度,计算了黄河水天然状态下的侧渗量。除去蒸发排泄量、侧向径流量以及越流排泄量,浅层地2利用三维流数值模拟技术,对近10000km的黄河影响83下水的开采资源量为28147@10mPa,开采资源模数,带系统进行了地下水补给资源、开采资源、储存资源的黄河影响带为25@104~44@104m3Pa#km2,黄河影响带计算评价。研究结果为:黄河影响带宽度在黄河南岸外围,除局部因对深层水的越流补给而开采模数相对20km以内,黄河北岸为13~26km,循环深度小于4432较小外,其余开采模数为13@10~19@10mPa#km。350m,黄河下游河南段天然状态下侧渗量枯水年份约83浅层地下水资源储存资源量为547160@10mPa,是开8383为215@10mPa,平水年为313@10mPa,丰水年为415采资源量的19倍,对地下水具有很强的调节作用,地883@10~511@10mPa。两相对比,比第一次计算结果下水开采的保证程度较高。略有增大。由于小浪底水度的修建和运营,侧渗范围依据开采潜力分析成果,水文地质条件、地质环境及侧渗量,将会随着人为因素的增大而使其随机性愈等条件将地下水划分为地下水资源有潜力区、控制开 2005年第1期水文地质工程地质#65#采区、调减开采区(图6)。下水开采资源量主要有补给资源量及可开采的弹性储存量组成。黄河冲积扇下段和黄泛平原区,越流补给量和侧向径流量甚微,开采资源量为可开采弹性储存43量。深层地下水每年可开采资源量为9243@10m,弹83性储存量为42193@10m。由于其相对的封闭性,补给资源少,为消耗型开采,保证程度较低。但研究区内,深层地下水只在局部开采,这样可获得周边地下水的径流补给,可建立小型水源地。(1)控制开采区分布在新乡)安阳)濮阳一带,含水层主要为湖图6浅层地下水资源潜力分布图积及冲积形成的粉细砂、细砂、中细砂,顶板埋深80~Fig16Distributemapofshallowwaterresourcepotential170m,砂层厚度60~90m,水位埋深5~28m。本区开43431)有潜力区;2)控制开采区;3)调减开采区采资源量6329@10mPa,开采量6419@10mPa,濮阳43一带开采量为3281@10mPa,已形成开采漏斗,需调(1)有潜力区43减2253@10mPa。集中开采区:黄河影响带为有开采潜力区,傍河开(2)调减开采区采可激发黄河水的侧渗补给,沿黄可集中开采水源地新乡一带为山前冲洪积含水层,已形成漏斗,应调主要集中在原阳县官厂)包厂的黄河滩区、原阳县祝43减开采量1432@10mPa。楼)原武、封丘县荆隆宫、长垣县总管)芦岗黄河滩区、濮阳李子园、濮阳县习城)徐镇一带。据5河南省水资源公报6,预测2010年河南豫北平83分散开采区:分布在获嘉、延津、卫辉等县(市),潜原需水量为39138@10m,可利用地下水资源29139@432108m3,地表水资源1615@108m3,水资源尚有结余。力模数415@10mPa#km。浅层地下水开发的主要层83位是40m以内的含水层。2020年河南豫北平原需水量为47163@10m,可利用83(2)控制开采区的地下水资源29139@10m,地表水资源1615@8383依据潜力分析,控制开采区主要分布在修武、武陟10m,水资源缺口1174@10m,总体上供需是平衡等县(市)。的。在华北平原基遍缺水的大背景下,河南豫北平原(3)调减开采区在全面建设小康社会的重要战略机遇期,尚能满足社83分布在安阳)鹤壁)濮阳漏斗区,安阳)鹤壁)会经济发展需求,是难能可贵的。28147@10mPa的濮阳漏斗区中心水位埋深30165m,漏斗区面积浅层地下水资源,易采易补,循环交替积极,更新能力2835648km,需调减开采量2108@10mPa,应利用调需资强,可认为是可持续利用的地下水资源。源进行补充。6城市应急供水水源512深层地下水资源评价黄河冲积扇中上段,深层地下水补给量主要有西黄河影响带具有开采潜力,傍河开采可激发黄河部的侧向径流补给、浅层地下水的越流补给。深层地水的侧渗补给,根据城市应急供水水源地的条件,沿黄表2城市应急水源规划一览表Table2Theplansofemergencywatersupplyforthecity面积允许开采量含水层特征宜井深度规划城市应急水源地水质(km2)(104m3Pd)岩性底板深度(m)厚度(m)富水性(m3Ph)(m)原阳县官厂)包厂黄河滩区10020细、中砂14712~1521060~105120~200良好150~160原阳县祝楼)原武10020中、细砂142~1479416120~200良好150~160封丘县荆隆宫6015细砂80~14040~6080~150良好90~150长垣县芦岗)总管黄河滩区6010细砂100~14045~6680~100良好,局部氟超标120~150阳李子园5010细砂120~13060~9080~100较好至良好130~150濮阳县习城)徐镇805细砂13050~9080~100良好,局部氟超标130~150 #66#水文地质工程地质2005年第1期规划的城市应急集中开采水源的有6处(表2、图7)。参考文献:[1]河南省地质调查院.黄河下游河南段地下水资源潜力调查评价报告[R].郑州:河南省地质调查院,2003.[2]河南省地质矿产厅第一水文地质工程地质队.黄河下游区域工程地质调查报告[R].1995.[3]段永侯,王家兵,等.天津市地下水资源与可持续利用[J].水文地质工程地质,2004,31(3):29-39.[4]赵云章,邵景力,闫震鹏,等.黄河水对两侧地下水补给范围的初步研究[J].人民黄河,2003,25(1):3-5.图7城市应急供水水源地分面图[5]赵云章,邵景力,闫震鹏,等.黄河下水影响带地下水Fig17Distributemapofemergencywater资源评价及可持续开发利用[M].北京:中国大地出suppliesforthecity版社,2002.[6]赵云章,邵景力,焦红军,等.黄河下游影响带地下水库的基本特征[J].水利学报,2003,(4):90-93.SustainableutilizationofgroundwaterresourceintheYubeiplain12JIAOHong-jun,DUANYong-hou(1.GeologicalSurveyofHenanProvince,Zhengzhou450007,China;2.ChinaInstituteofGeo-EnvironmentMonitoring,Beijing100081,China)2Abstract:YubeiplainisapartofNorthChinaPlain,withanareaofabout17000km.TheformationandchangesofthealluvialfanoftheYellowRiverhaveplayedanimportantroleincontrollingthestructureoftheaquiferssincethemiddlePleistocenetimes.Accordingtothelatestcalculation,thelong-averageannualsupply8383ofshallowgroundwaterisabout31.15@10mPa,theminingamountisabout28.47@10mPa,deposited83amountisabout547.60@10m;thelong-averageannualsupplyofdeepgroundwaterisabout9243@438310mPa,theflexibledepositedamountisabout42.93@10mPa.Theminingamountin2000is20.36@8310m,about95%ofwhichistheshallowgroundwater;theamountofsurfacewaterusingisabout16.44@838310m.Wepredictthatthewaterdemandin2010ofYubeiplainisabout39.38@10m,theamountof8383groundwaterthatcanbeusedisabout29.39@10m,theresourceofsurfacewaterisabout16.5@10m,the83waterresourceisstillabundant;in2020,theannualwaterdemandisabout47.63@10m,availableground8383waterisabout29.39@10m,availablesurfacewaterisabout16.5@10m,thewatershortageisabout1.7483@10m,theconditionisnearlybalance.Ourevaluationshowsthattheshallowgroundwaterresourceissustainable.BecauseofthegreatpotentialoftheinfluentareaoftheYellowRiver(groundwaterminingneartherivercancausethesupplyfromtheriver),the6cityemergencywatersupplylocateneartheYellowRiver,and43thedailyavailablewaterresourceisabout80@10m,whichisenoughforthesecurityofthecities.Keywords:Yubeiplain;groundwaterresource;sustainableusage'