【doc】三江平原地下水循环演化特征

【doc】三江平原地下水循环演化特征 三江平原地下水循环演化特征 第34卷第2期 2012年2月 人民 YELL0W 黄河 RIVER V01.34.No.2 Feb..20l2 【水资源?水环境】 三江平原地下水循环演化特征 徐梦瑶一,梁秀娟,王益良,李强,姜佳浃 (1.吉林大学环境与资源学院,吉林长春130026;2.吉林大学地下水资源与环境教育部重点实验室,吉林长春130021) 摘要:对三江平原20世纪50__6O年代,7O__80年代和9O年代至今的地下水资源量进行了调查对比,结果明:低山 丘陵区和平原区主要接受大气降水的补给,平原区还接受丘陵区的地下水侧向流补给及河水补给,排泄在早期以蒸发为 主,后期以人工开采为主;三江平原地下水循环演化是从20世纪70—80年代开始发生负均衡变化的,而在农业经济发 展的90年代负均衡更加显着,形成了一些地下水超采区. 关键词:地下水循环;地下水开采;三江平原 中图分类号:P641文献标识码:Adoi:10.3969/j.issn.1000—1379.2012.02.023 EvolutionCharacteristicsofGroundwaterCirculationinSanjiangPlain XUMeng.yao,LIANGXiu-juan.,WANGYi—liang,LIQiang,JIANGJia-jia' (1.CollegeofEnvironmentandResources,JilinUniversity,Changchun130026,China; 2.KeyLaboratoryofGroundwaterResourcesandEnvironment,Min~tryofEducation,Jilin University,Changchun130021,China) Abstract:ThechangesofgroundwaterresourcesinSanjiangPlainwerecomparedindifferent decades,i.e.theperiodsof1950—1960s,1970— 1980sandsince1990.Inthestudyarea,hillyareasandplainsarereplenishedmainlybyprecipi tation.Hillyplainsalsoreceivelateralrecharge ofgroundwaterandriversupply.Evaporationismainlydischargewayintheearlydays.Then withdrawalbecomesthemajordrainagemethod.Evo. lutionofgroundwaterinSanjiangPlainbeginstobenegativebalancesince1970— -1980s.Thegreaterwithdrawalin1990swiththedevelopmentof agriculturaleconomyhappenswhichhasformedgroundwateroverdraftdistricts. Keywords:groundwatercycle;groundwaterexploitation;SanjiangPlain 三江平原是由黑龙江,乌苏里江和松花江3条大江冲积而 成的低平沃土,地域广阔,农业经济发达,是我国重要的商品粮 基地.随着多年来经济的发展,地下水的开发利用显着增多, 导致地下水位下降,沼泽湿地减少,径流量锐减,水循环条件变 差等一系列环境地质和生态环境问. 目前,已有不少学者就三江平原各地区地下水资源进行了 研究.刘东等对853农场未来年降水的变化趋势进行了预 测,提出可以充分利用降水偏多期的雨洪资源,积极开展地下 水人工补给..姚章村等提出利用"闸池井机,沟管洞缝"模 式人工补给回灌地下水.秦华联等研究了佳木斯市井灌稻 面积和地下水承载能力,提出要限制过度打井灌溉,大力发展 地表水灌溉,利用水库供给城市用水,以减小城区地下水的开 采压力.刘强等认为三江平原垦区缺乏富有建设性的地下 水资源开发利用总体规划和市场意识.杨湘奎等将三江平 原划分为3个区域,提出"浅中深含水层联合开发,中深含水层 联合开发,深层地下水开发"3种开发利用地下水的.刘 正茂等提出要对地下水位进行实时监测,使地下水位降幅控 制在一定范围内,适度开发地表水资源,实现地下水与地表水 联合调度的目标.笔者研究了三江平原的地下水循环演化特 征,旨在分析该区地下水补排现状和地下水动态特征,找出其 变化规律和影响因素. 1研究区概况 三江平原位于黑龙江东北部,总面积约为10.89万km,沼 泽与沼泽化土地面积约为240万hm.黑龙江干流在平原的河 长为406km,松花江干流在平原的河长为357km,乌苏里江流 经平原河段从松阿察河口至与黑龙江汇合口全长为478km. 该区年降水量为500—600ITIm,主要集中在6—8月,年蒸发能 力为l200,1500mm. 三江平原自中生代以来,经历了多次以大面积沉积为主的 间歇性沉降运动,沉积了厚度较大的第三系和第四系河湖相含 水层,形成了平原目前的总体格局.第四纪地壳运动塑造了三 级层状地形,形成了一个巨型的低凹潜水一微承压水盆地. 三江平原分布着广阔的孔隙潜水,主要分布于各江河的河 漫滩或河流一,二级阶地沼泽洼地内,构成了沙砾石松散堆积 收稿日期:201卜O8—19 基金项目:教育部高校博士点基金资助项目(2001830044). 作者简介:徐梦瑶(1986一),女,吉林长春人,硕士研究生,研究方向为地下水 科学与. 通讯作者:梁秀娟(1964一),女,吉林长春人,教授,研究方向为地下水资源模 拟与开发利用. E.mail:lax64@126.tom ? 63? 人民黄河2012年第2期 层含水体,由山前向低平原逐渐变厚,富水性相应从弱到强. 地下水大多为承压水或微承压水,地下水埋深变化大,从平原 向山前由浅到深,变幅为1,3m.各含水层间无隔水层,可视 为一巨厚的连续含水体,其水文地质特征垂向变化不明显. 河谷平原(集中在佳木斯,双鸭山,七台河和鸡西一带)分 布有第三系和白垩系碎屑岩含水层,含水层厚度为35,130m. 承压水头北部高,南部低,地下水埋深为1.87,17.72m,南侧 边缘较深,北部较浅.富水性受岩相和含水层岩性控制,河流 相地区含水层厚度大,粒度大,富水性较好,湖相地区含水层厚 度小,粒度细,富水性差. 山区分布有基岩裂隙水.宝清县南部低山区分布有基岩 风化裂隙潜水,含水层厚20,30m,水位埋藏深度较大,富水性 强.研究区南部丘陵区的风化裂隙潜水富水性中等,丘陵前缘 含水层厚度为20,30m,泉流量小于0.1L/s;基岩风化裂隙承 压水分布于丘陵外围的山前台地,与低山丘陵区风化裂隙水相 连通,接受侧向流补给,排泄于河谷平原沙砾石含水层或第三 系含水层,地下水埋深为5,30m. 2地下水循环特征 三江平原的低山丘陵区和平原区主要接受大气降水补给, 平原区一级阶地,二级阶地还接受丘陵区地下水侧向流及河川 径流补给.地下水总体由西北流向东南,局部受构造控制流向 有所变化.同江一富锦一集贤一线以西地区,第四系孑L隙水和 裂隙孔隙水分别从绥滨凹陷区的西部,南部由山前地带向东北 部松花江和黑龙江汇流区流动;同江一富锦一集贤一线以东地 区,第四系孔隙水和裂隙孔隙水从前进凹陷南部山前地带及西 部残山(残丘)前缘地带向北东方向的黑龙江与乌苏里江汇流 区流动,最终通过黑龙江干流及河谷潜流流出盆地.浅部基岩 裂隙水接受大气降水入渗补给后,一部分排泄于地表,另一部 进入深部裂隙,通过径流排泄于第四系孔隙水中. 地下水动态与均衡分析可以用来帮助查清地下水的补给 与排泄,确定含水层之间以及含水层与地下水体的关系"J.三 江平原属于大型汇水区,其地下水动态类型有降水入渗一蒸发 型,水文型,开采型.研究区地表水和地下水之间存在着密切 的补排关系.在沙砾质河谷平原,河水流量增加,水位上涨,河 水位高于地下水位时,会对地下水进行补给,使地下水位上升, 河水流量减少,水位降低;河水位低于地下水位时,地下水补给 河水,会导致地下水位下降.河水是地下水的重要补给来源, 河水年际动态变化将直接导致地下水位年际动态变化,地下水 循环具有水文型动态特征.在沙砾质扇形平原及泥沙质低平 原广大地势低平区,地下水位埋藏浅,受降水影响,雨季地下水 获得大量补给,地下水位上升,蒸发作用强烈,潜水水位动态变 化具有降水入渗一蒸发类型特征.开采型主要分布在黏土质 平原中部,大量开采地下水导致水位大幅下降,随着雨季的来 临,开采量减少,降水入渗补给量增大,地下水位开始上升.地 下水在局部区域也进行着小循环. 3地下水循环演化 根据三江平原地下水循环条件的变化,将地下水循环演化 分为3个阶段:第1阶段为地下水自然循环阶段(20世纪50— 60年代),地下水基本没有开采,完全处于自然状态;第2阶段 为地下水开采循环阶段(70—80年代),地下水开始开采,但规 模不是很大;第3阶段为地下水过量开采阶段(9O年代至今), 地下水被大规模开发利用,诱发一系列地质和生态环境问题. 3.1演化情况 (1)地下水自然循环阶段.在20世纪50—0年代,三江 平原地广人稀,地下水基本未得到开发.地下水的补给项有降 水人渗补给和山前侧向流,总补给量为34.74亿m/a,97.05% 来自大气降水入渗补给;地下水排泄项有地下水蒸发和河道排 泄,总排泄量为34.71亿m/a,地下水蒸发排泄量占92.26% (见表1).平原内部沼泽遍布,地下水位埋藏很浅,地下水主 要消耗于蒸发.在没有人类大面积活动干扰的前提下,三江平 原地下水交替较缓慢,黑龙江流域排泄量略大于补给量,而松 花江和乌苏里江流域则恰好相反.综合全区来看,地下水处于 平衡状态,地下水资源丰富,总补给量和总排泄量基本持平. 这一阶段地下水完全受控于自然环境,地下水循环完全遵循自 然规律. 表120世纪50—60年代三江平原年平均地下水资源量万m/a (2)地下水开采循环阶段.在20世纪70—80年代,随 着人类活动逐渐增多,三江平原的沼泽越来越多地被开发 为农田,开始引地表水灌溉,同时部分开采地下水,进行水 ,地表水 田灌溉,导致地下水循环条件发生了改变.一方面 被引入灌溉,增加了地下水的循环量;另一方面,地下水开 发利用降低了地下水位.地下水开采量不断增大,使得80 年代出现地下水位缓慢下降趋势.此时,地下水资源量组成 发生了改变,补给项有大气降水人渗,山前侧向流和灌溉渗 ? 64? 漏,灌溉渗漏补给占总补给量的10.48%;在排泄项中,除蒸 发和河渠排泄外,还增加了人工开采,且人工开采量已占 44.29%(见表2).在乌苏里江流域,人工开采量甚至已经超 过了蒸发量,成为地下水排泄的主要构成部分.人工开采导 致地下水位下降,为新水注入增加了空间,降水人渗依然是地 下水的主要补给项.从全区情况来看,偏枯年份地下水处于 负均衡状态,偏丰年份地下水处于正均衡状态,多年平均处于 相对均衡状态. 人民黄河2012年第2期 ,特别是21世纪 (3)地下水过量开采阶段.1990年以来 以来,随着人口的增长和农业用水的增加,70%,80%的农业 灌溉用水来自大规模开采地下水.受人类活动影响,三江平原 地下水循环条件变得相对复杂,补给项有降水入渗,山前侧向 流和灌溉渗漏,灌溉渗漏补给量已达23.34亿In/a,占总补给 量的37.97%;在排泄项中,人工开采量为41.58亿in/a,占总 排泄量的64.31%(见表3),人工开采已成为地下水排泄的主 要途径.开采量的增加导致地下水位迅速下降,使得地表水与 地下水之间的水头差增大,进而改变了河流与地下水之间的交 换量,降水人渗量和地下水的蒸发量相应也发生了改变. 表320世纪90年代至今兰江平原年平均地下水资源量万m/a 3.2演化特征 三江平原在人类活动影响下,地下水资源量明显增加,20 世纪70年代开始灌溉渗漏补给量不断增大,到9O年代灌溉渗 漏补给量已达23.34亿m/a,占总补给量的37.97%.90年代 全区地下水蒸发量明显减小,其主要原因是湿地退化.但是, 地下水人工开采量增加则更为显着,乌苏里江流域人工开采量 更是达到总排泄量的72.94%,导致全区地下水呈现负均衡状 态.多个农场和城市出现了地下水降落漏斗,佳木斯市的降落 漏斗达50km,建三江垦区的降落漏斗更是达到了900km. 整个地区地下水排泄量增加迅速,已达64.66亿m/a.从整个 流域来看,地下水处于负均衡状态,年平均总补排差为一3.19 亿In/a,地下水位从70年代开始处于缓慢而持续的下降状态. 三江平原地下水循环演化是从20世纪7O—80年代开始 发生负均衡变化的,在农业经济快速发展的90年代愈演愈烈, 形成西部,中部和东部3个地下水超采区.在整个研究区,降 水人渗一直是最主要的补给项,说明三江平原地下水主要依靠 大气降水补给;排泄项在20世纪50—60年代以蒸发为主,到 9O年代则改变为以人工开采为主. 3.3影响因素分析 三江平原地下水循环演化影响因素除了有地层岩性,降水 量的变化外,还有以下3个重要方面. (1)地下水开采.农业灌溉对地下水的需求量持续增加, 目前每年地下水开采量高达43.57亿m,地下水的开采量还将 继续增大.局部地区地下水超采严重,佳木斯,鸡西,建三江地 区已经出现地下水降落漏斗,并有向外扩展的趋势. (2)湿地面积减小.沼泽湿地面积大规模减小,湿地的蓄 水能力减弱,湿地水分蒸发量也相对减小,造成地表水资源大 量减少,进而引起地下水位持续下降J. (3)引水灌溉.大面积开发水田进行引水灌溉,改变了地 下水的循环条件和交换水量.因引用地表水进行灌溉而增加 的地下水补给量达20.40亿m/a,这一数值随着未来灌溉面积 和用水量的增加还有增大的趋势.此外,利用地下水进行水田 灌溉,增加了地下水自身的循环水量,每年此部分水量达5.40 亿m. 4结语 根据三江平原多年来地下水资源量的计算结果,分析其地 下水和地表水之间的补排关系,将三江平原地下水演化划分为 地下水自然循环阶段(20世纪50—60年代),地下水开采循环 阶段(7O一8O年代),地下水过量开采阶段(90年代至今),70 年代开始出现地下水负均衡状态,90年代以后地下水位在超采 地区持续下降,地下水排泄的主要方式由蒸发变为人工开采, 整个地下水循环演化受地下水开采,湿地面积减小和引水灌溉 影响. 参考文献: [1]刘东,付强.基于小波变换的三江平原低湿地井灌区年降水序列变化趋势 分析[J].地理科学,2008(3):380—384. [2]姚章村,夏广亮,孔令波,等.三江平原综合治理及水资源合理利用工程模 式[J].黑龙江水专,2001(1):5—8. [3]秦华联,王保志,张建国,等.佳木斯市井灌稻对地下水资源的影响与对策 [J].黑龙江水利科技,2008(2):157. [4]刘强,孙久立.垦区地下水资源的开发利用现状,问题及对策[J].农垦水 利,2003(8):34—35. [5]杨湘奎,孔庆轩,李晓抗.三江平原地下水资源合理开发利用模式探讨 [J].水文地质工程地质,2006(3):49—52. [6]刘正茂,夏广亮,赵艳波.三江平原地下水开采对生态过程的影响[J].水 利发展研究,2006(12):38—41. [7]肖长来,梁秀娟,王彪水文地质学[M].北京:清华大学出版社,2010. 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