华北平原地下水系统结构 华北平原地下水可持续利用

一、含水层系统

华北山区含水层系统主要包括碳酸盐岩类岩溶含水层亚系统和基岩类裂隙含水层亚系统，以及山间盆地松散岩类孔隙含水层亚系统。本次地下水系统研究以平原区为主，因此只对平原区的含水层系统作详细的叙述。

(一)含水层结构系统

华北平原含水层组在平面上主要分为单层结构区和多层结构区。单层结构区主要分布于山前平原顶部，岩性颗粒粗，黏性土多以透镜状分布，上下水力联系好，构成单层水文地质结构。多层结构区分布于山前平原底部、中部平原、滨海平原区，砂层和黏性土层相间展布，构成多层水文地质结构，在垂向上自上而下分为四大含水岩组(Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ含水组)。

(二)含水层介质系统

华北平原区含水层介质主体为第四系冲积、洪积、湖积松散堆积物。从山前—滨海、从第Ⅰ含水层组到第Ⅳ含水层组，含水层介质呈规律性变化。在山前平原顶部，为单层结构，含水介质颗粒粗大，主要为砾卵石、中粗砂含砾中粗砂;从山前平原下部—滨海平原，是多层结构区，4个含水层组的介质总体上是由粗颗粒向细颗粒变化。从山前到滨海，第Ⅰ含水层组含水层介质由砾卵石、中粗砂含砾中粗砂→中细砂粉细砂→粉砂规律变化。第Ⅱ含水层组含水层介质由砾卵石、中粗砂→中细砂、粉砂→粉砂规律变化。第Ⅲ含水层组含水层介质由砾卵石、中粗砂→中细砂及细砂→粉细砂变化。第Ⅳ含水层组含水层介质由砾卵石、中粗砂→中细砂→粉细砂及粉砂规律变化。

(三)含水层层次系统

在垂向上主要有浅层含水层系统和深层含水层系统。浅层含水层系统在全淡水区为第Ⅰ+Ⅱ含水组，在有些咸水区为第Ⅰ含水组。深层含水层系统在全淡水区包括Ⅲ+Ⅳ含水组，在有些咸水区包括咸水体以下的Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ含水组。底界埋深由山前的100m增加到东部平原的550m。受构造控制拗陷区和隆起区埋藏深度和厚度差异很大。

华北平原区浅层含水层层次系统在平面上可基本分为四级:第一级是华北平原松散层孔隙含水层系统;第二级按照华北平原一级地表水系对含水层形成的控制作用分为滦河、海河和古黄河二级孔隙含水层系统;第三级是在二级的基础上按照次级地表水系对含水层形成的控制作用，作进一步划分;第四级主要按照次级地表水系在上游、中游和下游沉积岩组形成条件及沉积粒径的差异进一步划分为冲洪积扇、古河道以及海积平原。

二、输入输出系统

(一)浅层地下水的输入输出系统

天然状态下，浅层地下水的输入系统主要由大气降水入渗补给、山区侧向径流补给、河道渗漏补给组成。在人类开采地下水能力增强和降水量减少的作用下，输入系统增加了渠道渗漏补给和灌溉回归补给。按输入系统中各因素对区域地下水补给的大小，华北浅层地下水的输入系统主要为:大气降水入渗补给、山区侧向径流补给、河道渗漏补给、灌溉回归补给、渠道渗漏补给。

天然状态下，浅层地下水的输出系统主要由向下游径流、潜水蒸发，在枯水季节 通过河道排泄，或以泉的形式排泄组成。20世纪80年代后，潜水蒸发消耗也显著减小，由于地下水开采，水位下降，向河流排泄或泉水排泄也基本上消失，目前浅层地下水排泄主要为向下游径流、潜水蒸发和人工开采。

(二)深层地下水的输入输出系统

深层地下水的输入系统主要由山前边缘的隐伏碳酸盐岩岩溶水的顶托补给、山前主要冲洪积扇的侧向径流以及在开采条件下的越流补给组成。

天然条件下，深层地下水输出系统主要以向下游侧向径流排泄为主。在大部分地区特别是东部自流区，由于深层水头远高于浅层水位，深层水向浅层水越流排泄也是主要形式之一。近30年来，由于大量开发地下水，深层地下水输出，变为以开采为主，向下游侧向径流排泄和向浅层水越流排泄为辅。

三、地下水流动系统

天然条件下，区域流动系统沿山前平原向东流动，在咸淡水边界附近向下运移沿第四系下部向渤海方向运动;到沧州以东地区，部分地下水开始向上越流运动，部分向渤海排泄流出。中间流动系统主要受地表水流域和地质地貌条件的控制，形成了冲洪积扇流动系统、河间流动系统和沿海流动系统。山前地带地下水接受山区的侧向流动补给和冲洪积扇的降雨补给后，地下水向下流动，然后水平向东流动，到冲洪积扇前缘地带，形成溢出带。在中部平原，受地表水流域的控制，地下水形成了以河道带为源区，以河间洼地为汇区的中间流动系统。局部流动系统主要受地形和地表水流域的控制，局部流动系统的范围较小，一般在地形凸起处或河道带形成源区，经过短暂的流动后，在地形低洼处形成汇区。

华北平原地下水的超采对地下水流系统影响很大，区域流动系统的地下水，由水平运动为主开始逐步转变为向第三含水组越流的垂向流动为主;并且以深层地下水水位下降漏斗中心为界，被割裂成中间流动系统。在沿海地带区域流动系统由向上运动变为由浅部和深部向中间流动。中间流动系统由于地下水的开发形成了源汇的逆转。局部流动系统则由于浅层地下水的无序开发和区域流动系统和中间流动系统的演变全面解体，形成以开采为主导的新的局部流动系统。

华北平原地下水系统结构模式见图3-6-1。

图3-6-1 华北平原地下水系统结构图

华北平原地下水三维地质模型介绍~

使用系统提供的功能，对华北平原含水层组三维实体模型进行了重构，模型结果见彩版图C—37所示。
从彩版图C—38和图5—138可以看出，第一含水层组比较薄，其厚度约为20～30m。其中，渤海一带是最薄的地方。该层底界埋深15～30m，局部为60～70m，是华北平原内分布最广的地层。从岩性上来说，第一含水层组是一套以冲积为主，夹湖海相沉积的堆积物，由含淤泥质粉土、粉质粘土夹细砂粉砂组成，结构松散。
第二含水层组相对第一含水层组，该组地层比较厚，厚度一般为50～150m。底界埋深河北平原一般为120～170m，河南一带10～60m，山东一带为60～80m。岩性为一套冲洪积—湖积堆积物，山前地带主要由含粉粒较高的粉土、粉质粘土夹砾石、卵石组成，至中东部则变为黄色、灰黄色粉土，粉质粘土夹粉细砂、中细砂层。
第三含水层组和第二含水层组的厚度比较接近，其厚度一般为80～180m，一般底界埋深为250～350m。河南一带为10～120m，至山东一带为80～180m。而且该层表面较一、二含水层组的表面来说，明显要起伏不平些。该层岩性为一套冲洪积为主的堆积物，由粉质粘土夹砂、砾石层组成，砂层厚度大，粒径粗。
第四含水层组是四个含水层组中地层厚度最大的，其地层厚度一般为100～200m，而在渤海一带，其厚度还要大。底界埋深一般350～550m，在本区南部底界变浅，河南一带底界埋深仅为40～180m，山东一带底界埋深120～320m。地层表面起伏程度比较大。其岩性主要为一套冲积与冲积湖积及冰水沉积为主的堆积物，上段为红棕、棕红或黄绿色，下段为棕红、红褐混灰绿、锈黄色厚层粘土、粉质粘土夹砂层等，可见发育不同钙质沉淀层。在埕子口—宁津凸起区一带，为无棣火山玄武岩系列，岩性为霞石质熔岩、火山集块岩等。

图5—138 华北平原地下水三维地质模型联合剖切效果图

对建成的模型，可以做任意剖切，查看各层的垂向上的具体分布情况，同时还可以做联合剖切，这样不但可以观察到垂向上的分布情况，而且还可以查看任意深度处地层平面的展布情况，具体情况见图5—139和5—140。

图5—139 华北平原地下水三维地质模型Z向剖切图（深度为-200m）

系统还提供查询和地层体积计算功能。查询结果取决于原始资料的丰富程度，原始资料越详细，查询得到的信息越丰富（图5—141）。体积计算既可以对整个区域做，也可以只计算剖切后感兴趣的区域（图5—142）。

图5—140 华北平原地下水三维地质模型折线剖切图


图5—141 华北平原地下水三维地质模型地层查询结果图


图5—142 华北平原地下水三维地质模型体积计算结果图

一、内容概述
地下水是华北平原的主要供水水源，从20世纪60年代中后期开始，地下水的开采和利用逐渐增大，据统计，2003年开采地下水量为206.09亿m3，占总用水量的69.4%。近50年来，地下水在华北平原的工农业发展中起着重要的支撑作用。
“华北平原地下水可持续利用调查评价”是中国地质调查局下达的国土资源大调查项目。2001～2005年历时5年，由中国地质科学院水文地质环境地质研究所主持，河北省地质调查院、北京市地质调查研究院、天津市地质调查研究院、河南省地质调查院、山东省地质调查院、中国地质大学（北京）、中国地质大学（武汉）、石家庄经济学院和天津地质矿产研究所参加，针对华北平原地下水开发利用中存在的重大科学问题进行联合攻关，在充分分析华北平原地下水研究现状和国内外地下水研究趋势的基础上，补充大量野外调查、钻探、同位素、水化学样等工作。取得的主要成果有：
（1）系统构建了华北平原第四纪地质结构和水文地质结构模型。按2.58 Ma第四纪下限统一厘定了松散层地层层序，恢复了岩相古地理；原创性地解决了含水岩组和地下水系统划分界面和属性界定难题，准确刻画了各系统水文地质参数，极大地提升了华北平原地下水资源评价水平。
（2）编制了地下水同位素平面图、剖面图23张，精确刻画了地下水循环模式。首次全面阐明大规模开采条件下华北平原地下水资源组成变化特征、机制和更新能力，显著推动区域水文地质学等有关理论发展。
（3）基于地质统计学的块状结构、分层结构、地下水循环理论，建立了14万km2的华北平原大区域地下水数值模拟模型，尝试性地开展了大区域地下水数值管理和数值评价研究。并结合南水北调工程和雨洪时空分布具体情况预测地下水变化趋势，回答了区域面临的重大热点问题，为国家和区划发展决策提供重要科学依据。
（4）圈定了“华北平原深层地下水复合大漏斗”，揭示了漏斗演变及其地质环境效应机制，提出可持续利用的环境地质阈值，为缓解华北平原缓变地质灾害提供不可缺少的关键科技支撑。
（5）探明了23个应急水源地，可供水量244.5万m3/d；圈定了7个地下水优级可调蓄区，调蓄空间48.58亿m3。
（6）揭示了华北平原区域地下水的资源功能、生态功能和地质环境功能现状，提出了可规模利用区、可适量利用区、可分散利用区、生态功能保护区和地质环境功能保护区。
依托项目成果，出版了《华北平原地下水可持续利用调查评价》、《华北平原地下水可持续利用图集》，在国内外学术期刊上发表学术论文77篇，参加国内外学术会议27篇次，被三大检索机构收录13次。
项目成果被评为2005年度“中国地质科学院十大科技进展”，2009年获国土资源部科技成果一等奖，2010年获中国测绘学会优秀地图作品裴秀金奖，2010年获河北省科技进步二等奖。
二、应用范围及应用实例
项目成果可为国家和有关省（市）的水资源利用、环境保护、地质灾害防治等提供基础依据，圈定地下水应急供水水源地和地下水优级可调蓄区，可作为水资源开发利用的决策参考。
项目成果已在国家和区内的河北省、北京市、天津市、山东省和河南省编制“十二五”发展规划、地质环境保护与灾害防治规划编制中得到应用，为中国科学院、国土资源等部门承担国家重大基础研究项目提供了重要支撑。2009年春季大旱中，本项目成果为制定抗旱应急行动方案提供了基础支撑。项目成果丰富和发展了地下水学科理论，被中国地质大学和相关院校确定为教学参考资料。
三、推广转化方式
学术交流、项目合作、咨询服务等。
技术依托单位：中国地质科学院水文地质环境地质研究所
联系人：申建梅　张兆吉　费宇红
通讯地址：河北省石家庄市中华北大街268 号
邮政编码：050061
联系电话：0311-67598657
电子邮箱：shenjianmei1965@sina.com

地下水系统划分及特征
答：一、系统划分 根据地下水的赋存(含水层系统)与流动(流动系统)特征，将三江平原地下水系统划分为第四系孔隙水亚系统、古近-新近系裂隙孔隙水亚系统和前第四系基岩裂隙水亚系统。二、地下水系统特征 (一)第四系孔隙水亚系统 1.边界条件 该亚系统西、南及东南边界分别与小兴安岭、完达山山地基岩接触，为弱...

西北内陆盆地区域水循环
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东北平原含水层空间结构
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含水层系统结构
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地下水系统特征与功能
答：三江平原地下水系统的输入系统由降水入渗、河水入渗、灌溉水回渗和侧向地下水径流及沼泽水入渗补给组成,以降水入渗占主导地位。输出系统由潜水蒸发、向河流排泄、人工开采和侧向地下水流出组成,其中潜水蒸发和人工开采占重要地位。运转系统由三江平原地下水系统的3个亚系统(本章第五节详述)即第四系孔隙水亚系统、古近...

地下水类型与水文地质分区
答：进行地下水系统划分,应考虑其地质、水文地质特征与含水介质场的结构。 (3)地下水系统的环境条件与其各种要素之间,是相互联系、相互依存、相互作用和相互制约的关系,进行地下水系统划分应考虑系统的环境条件。 (4)浅层地下水系统属于开放型地下水系统,需考虑系统的动态性,深层地下水系统只反映平原区,山区不作详细研究...

东北地区地下水系统研究侧重点
答：一、进一步查明含水层结构 含水层系统研究是地下水系统研究中一个非常重要的方面。松辽平原、三江平原的第四系含水层厚度大、补给条件好，目前的主要开采层位是第四系含水层。第四系含水层之下仍赋存着丰富的古近-新近系和白垩系承压水，目前对这些含水层研究程度不够。因此，需要进一步勘查松嫩平原、西...

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