天津市淺層和深層地下水功能區劃研究

地下水系統的空間結構復雜，空間分割方式強烈，受地下水富營條件、水動力特征、水質等綜合因素的影響。其中,淺層地下水的形成與運動明顯受地表水文系統的控制,是開放型地下水系統,而深層地下水系統則以半封閉型為主,不具備直接接受大氣降水和地表水體入滲補給的條件。針對地下水系統的空間分異性特征,地下水資源的管理應是全方位、立體化的,需對研究區域按地下水空間特性進行功能劃分。因此,科學的地下水功能區劃分應根據地下水的自然屬性,結合社會需求,確定地下水的功能及功能順序。近年來,許多學者在地表水功能區劃分及保護方面做了許多研究,而對地下水功能區劃分的研究較少。唐克旺等介紹了我國地下水面臨的主要問題,分析了地下水功能與當前地下水面臨的諸多問題的關系,提出將地下水分布區劃分成四類一級功能區,即開發利用區、生態環境保護區、地質災害防治區和保留區;呂紅等針對地下水與地表水的不同特點以及地下水超采造成的一系列問題,提出地下水功能區按兩級劃分,并以山東省為研究區域進行地下水功能區劃分;羅小勇等根據云南省地下水開發利用現狀,依據全國地下水功能區劃分技術大綱,對云南省地下水功能區按二級進行區劃;曹陽等針對泉州市地下水資源的分布特點,依據全國地下水功能區劃分技術大綱,選取了地下水系統中具有代表性的驅動因子、狀態因子和響應因子,綜合地下水的資源供給功能、生態環境維持功能和地質環境穩定功能,將地下水功能區劃分為開發區、保護區和保留區。上述研究中,地下水功能區劃研究主要集中在淺層地下水;或者未區分淺層和深層地下水,將地下水系統按照整體進行功能區劃,并且都按照二級區劃體系進行劃分。針對目前研究存在的問題,以及地下水本身具有的空間分異性,本文提出了基于地下水類型特征的功能區劃分方法,旨在分析淺層和深層地下水不同特征的基礎上,按照淺層和深層地下水分別區劃,并在《全國地下水功能區劃技術大綱》二級劃分的框架下,對二級功能區進一步細化,以達到合理劃分地下水功能區的目的,進而為地下水資源的合理開發利用、管理和有效保護提供科學依據。1天津市平原區基巖地下水概況天津市大部分地區被第四系覆蓋,僅在北部低山丘陵及殘丘地帶有基巖出露。第四系中下段和新近系明化鎮組上段含水層相對發育,是深層地下水的主要開采層位。天津市平原區以寶坻斷裂為界,北部基巖埋深一般小于300m,分布有第四系孔隙地下水與下伏基巖地下水;南部分布有新生界,賦存孔隙地下水。以天津市水文地質特征為依據,結合地下水開發利用現狀,將第四系、第三系孔隙水劃分為Ⅰ~Ⅵ含水組六個含水組,以100m厚度為分界線,具體受沉積環境不同,底界標高略有變化。淺層地下水指平原區孔隙水第一含水組以及山區裸露基巖地下水,深層地下水包括第Ⅱ含水組以下承壓水及隱伏巖溶水。2人類社會和環境的功能地下水功能是指地下水的質和量及其在空間和時間上的變化對人類社會和環境所產生的作用或效應,主要包括資源供給功能、生態環境維持功能和地質環境穩定功能。2.1天津市地下水開采量天津市地下水可開采量為10.71×108m3/年,其中淺層水中淡水5.24×108m3/年,礦化度2~3g/L的微咸水1.12×108m3/年,深層水2.94×108m3/年,巖溶水1.41×108m3/年。地下水開采量為7.59×108m3/年,其中淺層水開采量2.45×108m3/年,深層水開采量4.62×108m3/年,巖溶水開采量0.52×108m3/年。可見,目前天津市地下水開采量與可開采量基本保持平衡,但地下水資源開采布局不合理。淺層地下水和巖溶水補給條件較好,但是開發利用不充分,而深層水補給條件差,卻大范圍超采,特別是海河干流兩側的新四區及濱海地區嚴重超采,導致地下水水位持續下降,地下水資源日益枯竭;同時隨著地下水的超采,加速了地表水的下滲,地表水體中的污染物也隨之滲入,污染地下水,導致地下水資源供給功能逐漸喪失。2.2天津市濕地面積現狀地表水生態系統和陸地非地帶性植被都需要地下水的補給和調節。地下水位下降和水質的惡化對地表生態系統會帶來嚴重影響。20世紀20年代天津市水域面積達5247km2,占總土地面積的45.9%。近一個世紀以來,天津市濕地面積呈現持續減少的勢態,天然濕地面積已不足20世紀初的1/4,而且近年來這種減少的態勢仍在繼續。造成濕地逐年干涸的原因除降雨量逐年減少、淤積造田等原因外,地下水的過度開采使濕地的水源補給受阻也是濕地減少的原因之一。2.3地下水開采期災害天津市由于長期過量開采地下水,造成地下水位持續大幅度下降,寶坻斷裂以南平原及濱海平原均不同程度的出現地面沉降,地面沉降已成為天津市的主要地質災害。隨著深層地下水的長期開采,深層地下水位持續下降,造成咸水體底板下移,深層水上部含水層水質有咸化趨勢。綜上所述,由于天津市地下水開發利用布局不合理,部分地區長期超采,引發了資源枯竭、生態功能退化、地質災害加劇等問題。這些問題是地下水服務功能喪失和受到破壞的外在表現,是地下水系統完整性受到嚴重影響的集中反映。3地下水功能區的劃分地下水的資源供給功能、生態環境維持功能和地質環境穩定功能彼此制約和相互作用,無論地下水哪一種功能過度強化,都必然引起地下水的其他功能相應的變化。因此,在地下水管理和保護工作中,必須根據地下水系統服務功能和地下水開發利用的實際情況,以地下水主導功能為基礎,進行地下水功能區的劃分。本文根據水利部《全國地下水功能區劃分技術大綱》,結合天津市地下水資源特點,按照淺層和深層地下水分別劃分出一級功能區,在此基礎上,結合區域地下水主導功能劃分二級功能區,再依據天津市具體地形、地貌、地質構造、土地利用以及社會經濟情況,對地下水二級功能區再次劃分,最終確定出三級功能區。3.1分散式利用區天津市地下水可開采量模數全市均不小于2萬m3/(年·km2),淺層地下水以寶坻斷裂帶為界,斷裂帶以北至山前為礦化度小于2g/L的全淡水區,含水層厚度大,水量豐富,平均涌水量在1000~3000m3/d;斷裂帶南側和西部沖積平原分布有淺層淡水,浮與下伏咸水體之上,涌水量多在1000~2000m3/d。將上述區域劃定為開發區,而天津市淺層地下水主要以分散開發利用為主,故將淺層地下水開發區劃分為1類二級功能區,即分散式開發利用區。深層地下水屬水質較好的淡水,強富水區涌水量可達3000m3/d以上,弱富水區也在500m3/d左右,深層地下水可開采量模數全市均不小于2萬m3/(年·km2)。將天津市深層地下水全部劃分為開發區。天津市目前已建成了下倉、武清下伍旗、寧河北等幾個集中式供水水源地,主要開采第Ⅱ含水組及以下的深層地下水。因此,在深層地下水功能二級區劃中,將集中供水水源地所在鄉鎮劃定為集中式開發利用區,開發區中除集中式開發利用區外的其余部分劃分為分散式開發利用區。本次地下水功能區劃以鄉鎮為基本單元,天津市各鄉鎮城鎮化程度較高,建成區面積占較大比例,且天津市地下水開采主要是通過機電井,主要是分布在人口密集的建成區內。因此,分散式開發利用區可細化為1類三級功能區,即建成區分散式開發利用區;集中式開發利用區可細化為1類三級功能區,即建成區集中式開發利用區。3.2自然災害易區范圍依據大綱對保護區的相關規定,結合天津市自然保護區、生態濕地、名泉、國土部門確定的地質災害易發區,將保護區劃分為生態脆弱區和地質災害易發區2類地下水二級功能區。3.2.1生態脆弱區的劃分地表生態系統主要與淺層地下水發生直接作用,淺層地下水水位是地表生態環境的主要影響因素。因此,保護區區劃過程中,只在淺層地下水功能區設置生態脆弱區。依據保護區保護對象的不同,生態脆弱區可分為自然保護生態脆弱區和濕地沼澤生態脆弱區2類三級功能區。為保護自然保護區生態環境,將薊縣中上元古界國家自然保護區、八仙山國家級自然保護區和盤山自然風景名勝古跡自然保護區所在鄉鎮緩沖區內均劃為自然保護生態脆弱區。天津市目前主要有古海岸與濕地國家級自然保護區(七里海)、北大港濕地自然保護區、團泊鳥類自然保護區和大黃堡濕地自然保護區等四個濕地自然保護區,將其所在鄉鎮緩沖區內均劃分為濕地沼澤生態脆弱區。3.2.2災害易發區域3.2.2.淺層地下水開發區5-1類天津市薊縣山丘區以南至寶坻—薊運河斷裂以北地區為全淡水區,含水介質主要為第四系松散巖類孔隙含水巖系,主要為沖洪積扇沉積物。該區域地下水的特點是含水層顆粒粗,地下水徑流條件好,埋藏淺,水質好,水量豐富,地下水采補基本平衡。由于含水層顆粒粗、埋藏淺,所以地下水易受到污染;而且地下水徑流條件好,水力坡度較陡,污染后傳播擴散較快。因此,對于淺層地下水地質災害主要問題是地下水污染,可將淺層地下水地質災害易發區細化為1類三級功能區,即地下水易污染區。將天津市薊縣山丘區以南至寶坻—薊運河斷裂以北地區的全淡水區所在鄉鎮劃定為地下水易污染區。3.2.2.地下水易污染區區劃由于深層地下水長期超采,引起深層地下水位持續下降,從而導致地面沉降、深層地下水污染、咸水入侵深層地下水等災害問題。因此,深層地下水地質災害易發區又可劃分為3類三級功能區,即地下水易污染區、地面沉降易發區和咸水下移區。(1)地下水易污染區。在淺層地下水區劃中將全淡水區劃定為地下水易污染區,全淡水區第Ⅱ含水組頂部粘性土隔水層分布不穩定,垂直入滲條件較好,若淺層地下水受到污染,隨著深層地下水的開采,污染物隨之進入深層地下水,故深層地下水易污染區的區劃范圍與淺層一致,即將全淡水區劃定為地下水易污染區。(2)地面沉降易發區。由于長期超采地下水,天津市寶坻斷裂以南平原及濱海平原均不同程度的出現地面沉降,面積達7300km2,其中累計沉降量超過1m的面積達4080km2,并形成了天津市區、塘沽、漢沽、大港及海河下游工業區等幾個沉降中心。地面沉降已成為天津市的主要地質災害,故天津市地面沉降易發區主要發生在市區、塘沽區、漢沽區、大港區的中塘鎮、靜海縣的靜海鎮及其外圍地區。(3)咸水下移區。由于地質構造和古地理條件的控制,在寶坻斷裂以南的沖積和沖積海積平原,廣泛分布咸水,有咸水區面積約占全市面積的63%,其中礦化度大于3g/L的咸水占49%。咸水北界大體與寶坻斷裂分界線的分布一致,由北向南和東南咸水厚度增大,咸水底界埋藏深度加深,咸水礦化度增高。由于深層地下水超采,深層地下水位持續下降,使淺層咸水底界下移,局部地區深層水有咸化趨勢。因此,將寶坻斷裂以南區域劃定為咸水下移區。3.2.3水源噴涌流量地下水水源涵養區是指為了保持重要泉水一定的噴涌流量或為了涵養水源而限制地下水開采的區域。天津市無地表出露泉水,不設置地下水水源涵養區。3.3采條件較差,人工開源區保留區指當前及規劃期內由于水量、水質和開采條件較差,開發利用難度較大或有一定的開發潛力但作為儲備水源的區域;劃分為不宜開采區、儲備區、應急水源區3類二級功能區。3.3.1資源分布,下低密度高天津市寶坻斷裂以南區域,淺層地下水廣泛分布咸水,南部沖海積平原分布有微咸水和咸水,礦化度可達3~15g/L;東南部濱海平原分布有鹽鹵水,礦化度可達10~30g/L,最高達79.7g/L,含鹽度較高,無法供給生活生產用水。淺層地下水功能區劃中,將該區域劃分為不宜開采區,根據具體不宜開采原因,細化為1類三級功能區,即水質較差不宜開采區。3.3.2采動高度情況地下水是天津市各區縣工農業和生活用水的主要水源,地下水開采具有相當的規模,開采程度已高達90.45%,除薊縣、寶坻、寧河、靜海略有盈余外,其余各區、縣均已超采。可見,天津市地下水開發利用程度已經較高,地下水賦存、水質條件較好、具有開采潛力的地區均有不同程度的開采,故在此次功能區劃中不設置儲備區和應急水源區。4分散式利用區與地下水易污染區的劃分地下水的功能往往是復合的,只要不影響生態保護的主導目標和功能,保護區內也可以存在一定的開采;同樣,開發區也不能肆意開采,否則也會誘發嚴重的生態與環境問題。因此,地下水功能區科學界定的主要依據是地下水的主導功能。將天津市淺層和深層地下水各功能區分別進行疊加分析,以主導功能確定該功能區的劃定,再對相應的功能分區以鄉鎮行政區的界線進行分割,作為地下水功能區的基本單元。天津市淺層地下水功能區劃,各功能區疊加后,從山前到寶坻斷裂帶以北的區域主要分布為地下水易污染區,是分散式開發利用區與地下水易污染區疊加的結果;斷裂帶南側和西部沖積平原分布有淺層淡水,滿足分散式開發利用區的劃分條件,且與其他功能區沒有重疊,最終劃分為建成區分散式開發利用區;南部和東南部平原,由于淺層水含鹽度較高,劃分為不宜開采區;北部山區全部劃定為自然保護生態脆弱區,七里海濕地、北大港濕地、團泊湖和大黃堡濕地零星分布,其所在鄉鎮劃分為濕地沼澤生態脆弱區。天津市深層地下水功能區劃,山前全淡水區除集中供水水源地以外,其余部分全部是地下水易污染區;斷裂帶南側和西部平原除去集中供水水源地下武旗,其余部分全部是分散式開發利用區;市區、塘沽、漢沽、大港及海河下游工業區及外圍區域主要是地面沉降易發區;寶坻南部,武清東部,寧河、靜海和大港的大部分是咸水下移區。5地下水分層區劃(1)在分析目前地下水功能區劃研究進展與不足的基礎上,根據淺層和深層地下水特征,