三江平原地下水循环演化特征

作者:徐梦瑶等    文章来源:人民黄河    点击数:1595    更新时间:2012/8/10
摘要:对三江平原20 世纪5060 年代、7080 年代和90 年代至今的地下水资源量进行了调查对比,结果表明: 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7080 年代开始发生负均衡变化的,而在农业经济发展的90 年代负均衡更加显著,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

作者:徐梦瑶 梁秀娟 王益良 李强 姜佳浃

中图分类号: P641 文献标识码:A doi:103969 /jissn1000-1379201202023

Evolution Characteristics of Groundwater Circulation in Sanjiang Plain

XU Meng-yao12 LIANG Xiu-juan12 WANG Yi-liang1 LI Qiang1 JIANG Jia-jia1

Abstract: The changes of groundwater resources in Sanjiang Plain were compared in different decadesiethe periods of 1950 1960s1970 1980s and since 1990In the study areahilly areas and plains are replenished mainly by precipitationHilly plains also receive lateral recharge of groundwater and river supplyEvaporation is mainly discharge way in the early daysThen withdrawal becomes the major drainage methodEvolution of groundwater in Sanjiang Plain begins to be negative balance since 1970 1980sThe greater withdrawal in 1990s with the development of agricultural economy happens which has formed groundwater overdraft districts

Key words: groundwater cycle; groundwater exploitation; Sanjiang Plain

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著增多,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题。

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[1]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[2]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[3]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[4]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[5]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方案。刘正茂等[6]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1089 km2 ,沼泽与沼泽化土地面积约为240 hm2。黑龙江干流在平原的河长为406 km,松花江干流在平原的河长为357 km,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478 km。该区年降水量为500 600 mm,主要集中在68 月,年蒸发能力为1 200 1 500 mm

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-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 3 m。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35 130 m。承压水头北部高、南部低,地下水埋深为187 1772 m,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 30 m,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 30 m,泉流量小于01 L/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 30 m

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—富锦—集贤一线以西地区,第四系孔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—富锦—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[7]。三江平原属于大型汇水区,其地下水动态类型有降水入渗-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-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: 1 阶段为地下水自然循环阶段(20 世纪5060 年代) ,地下水基本没有开采,完全处于自然状态; 2 阶段为地下水开采循环阶段(7080 年代) ,地下水开始开采,但规模不是很大; 3 阶段为地下水过量开采阶段(90 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。

31 演化情况

(1) 地下水自然循环阶段。在20 世纪5060 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入渗补给和山前侧向流,总补给量为3474 亿m3 /a 9705%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3471 亿m3 /a,地下水蒸发排泄量占9226%(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。

1 20 世纪5060 年代三江平原年平均地下水资源量 万m3/a

(2) 地下水开采循环阶段。在20 世纪7080 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,进行水田灌溉,导致地下水循环条件发生了改变。一方面,地表水被引入灌溉,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,补给项有大气降水入渗、山前侧向流和灌溉渗漏,灌溉渗漏补给占总补给量的1048% ; 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4429% (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,降水入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。

表2 20 世纪70—80 年代三江平原年平均地下水资源量 万m3/a

(3) 地下水过量开采阶段。1990 年以来,特别是21 世纪以来,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m3 /a,占总补给量的37. 97%; 在排泄项中,人工开采量为41. 58 亿m3 /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,降水入渗量和地下水的蒸发量相应也发生了改变。

表3 20 世纪90 年代至今三江平原年平均地下水资源量 万m3/a

32 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90 年代灌溉渗漏补给量已达2334 亿m3 /a,占总补给量的3797%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著,乌苏里江流域人工开采量更是达到总排泄量的7294%,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50 km2 ,建三江垦区的降落漏斗更是达到了900 km2整个地区地下水排泄量增加迅速,已达6466 亿m3 /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-319亿m3 /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7080 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,降水入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5060 年代以蒸发为主,到90 年代则改变为以人工开采为主。

33 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4357 亿m3 ,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[8]。

(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2040 亿m3 /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540亿m3

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5060 年代) 、地下水开采循环阶段(7080 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].黑龙江水专学报,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

[8]关守政,李守玉,林振荣.三江平原湿地减少对生态环境的影响[J].黑龙江水专学报, 2008(2) : 85 87

作者简介:徐梦瑶(1986) ,女,吉林长春人,硕士研究生,研究方向为地下水科学与工程。

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