安徽省阜阳市地下水超采现状及地面沉降特征 中深层地下水超采
杨则东
（安徽省地质调查院，合肥230001）
摘要：本文论述了阜阳市水文地质条件和地下水开采历史和现状以及地下水允许开采量和超采现状以及产生地面沉降的原因、现状和特征以及地面沉降所造成的危害。
关键词：含水层；地下水动态；地下水开采；允许开采量；地面沉降
安徽阜阳市位于淮北平原西部，地形平坦开阔，地面标高26～33m，地势总体为西北高东南低，平均地面坡降约1/8000。地貌成因类型为冲积平原和冲积—剥蚀平原两大类。
1 区域地质环境条件
1.1 地层
区域地层属华北地层区淮河地层分区阜阳地层小区。发育有上古界霍邱群和五河群，古生界寒武系、奥陶系、石炭系、二叠系，中生界白垩系，新生界下第三系、上第三系、第四系地层。
区内主要为第四纪与第三纪松散层的覆盖，厚约800～900m，其中第四纪厚约130～150m。
1.2 水文地质特征
阜阳市地下水类型为单一的松散岩类孔隙水，根据地下水的埋藏条件、水力特征及其与大气降水、地表水的关系自上而下划分为浅层地下水和深层地下水。浅层地下水赋存于50m以浅的全新世、晚更新世地层中，与大气降水、地表水关系密切，按上下关系可称其为第一含水层组（浅层）；深层地下水赋存于50m以下的地层中，与大气降水、地表水关系不密切。根据水文地质结构和目前开采现状，将深层地下水划分为2个含水层组，即第二含水层组（中深层，埋深50～150m）和第三含水层组（深层，埋深150～500m（图1））。
1.2.1 第一含水层组
主要由上更新统与全新统组成，广布全区，埋藏于50m以浅。与大气降水、地表水关系密切。含水砂层顶板埋深4.00～17.6m，底板埋深7.5～48.54m。岩性主要为灰黄、棕黄色粉砂，结构松散，分选性较好。砂层厚度受古河道控制，古河道带砂层厚度最大可达16m。单井涌水量147.74～2578.63m3/d，水位埋深1.05～4.97m。水化学类型为 Ca·Mg型，矿化度小于1g/l。
该层地下水以接受大气降水补给为主。自北西流向南东，水位变幅为1～2m。蒸发是其主要排泄方式。
1.2.2 第二含水层组
主要由第四系中、下更新统组成，含水砂层顶板埋深49.68～100.85m，底板埋深118.00～147.00m。岩性主要为灰黄、棕黄、青灰色细砂、粉细砂、中细砂。其结构松散，分选性较好，一般发育有4～11层，累计厚度18.20～38.11m，单井涌水量761.00～2556.97m3/d。水化学类型为 型，矿化度小于1g/l。
图1 阜阳市含水层模型示意剖面图（据安徽省第一水文工程地质队，1990年）
分布于该含水层组中的粘性土层含水微弱，透水性差，压缩性强，是引起阜阳市地面沉降的主要压缩层。
1.2.3 第三含水层组
由晚第三纪上部地层组成。埋深150～500m。含水砂层顶板埋深147.50～175.70m，底板埋深约在500m左右，岩性主要为青灰色、灰白色、灰黄色中砂、中细砂、细砂及粉砂，结构松散，分选性一般，共发育有5～9层，砂层累计厚度28.32～60.70m，局部呈半固结状。单井涌水量1514.49～3570.00m3/d。水化学类型为HCO－3Na型，矿化度1g/l左右。
天然状态下，深层地下水主要接受侧向迳流补给。开采状态下地下水补给来源主要有区域性侧向补给、垂向越流补给及粘性土层压密释水。由于阜阳市区内大规模开采深层地下水，已使地下水水位持续下降。
1.3 工程地质及压缩层
据前人研究成果，本区粘性土土体中，天然孔隙比、压缩系数等主要物理力学性质指标均随深度由上而下渐小，土体压缩性渐低。土体的渗透性直接控制着土体固结速率，在自然状态下，土体自上而下，其渗透性能渐差。据孔隙水压力测量结果，在开采状态下，各粘性土土体的水力梯度矢量方向均指向含水砂层。
依据地质时代、岩性组合及物理力学性质，将250m以浅的土体划分为4个工程地质层组。自上而下为：
1.3.1 第一工程地质层组：粘性土（可塑状）、砂性土工程地质层组（G1）；
1.3.2 第二工程地质层组：粘性土（硬塑状）、夹砂性土工程地质层组（G2）；
1.3.3 第三工程地质层组：砂性土夹粘性土（硬塑状）工程地质层组（G3）；
1.3.4 第四工程地质层组：微成岩粘性土（坚硬状）、砂性土工程地质层组（G4）。
在156m以浅土体内可进一步分为13个工程地质层，其中6个压缩层、6个含水砂层和一个硬土层（见图2）。
图2 地面沉降综合柱状图
1.4 地下水动态特征
1.4.1 浅层地下水动态
区内浅层地下水仅零星开采，主要是郊区农业灌溉及市区边缘的生活用水，开采水位动态影响不明显，降水是影响本区浅层地下水动态的主要因素，表现为典型的入渗蒸发型的动态特征。
浅层地下水水位埋深一般为1～3m，水位多年具有明显的周期性变化，水位变幅一般为1～2m。年内变化情况1～4月份水位变化不大，但埋藏较深（一般2～3m，局部可达4m），其中元月份水位最低；5～8月份水位逐渐回升，8～9月份水位达到最高峰，水位埋深1m左右，10～12月份水位逐渐回落。
区内颍河、泉河的水位变化对沿河两侧地下水水位影响不明显，仅在颍河闸以上河段，5～12月因关闸抬高了水位以及汛期，颖河堤防内侧，颍河水补给地下水。使沿河两侧浅层地下水水位略有升高。
1.4.2 中、深层地下水动态
20世纪60年代初，市区内中层水（第二含水层组）承压水位高于地表0.19m，表现为天然动态类型。20世纪60、70年代后水位逐年下降。根据资料分析，水位年下降幅度为1～3m。市区集中开采后，第二含水层组地下水水位最大埋深已达72.3m。水位变化有起伏下降趋势，波动幅度1～2m，每个水平年均有一个高峰期和一个低峰期，一般7～8月份水位低，即12月份到次年2月，水位升高。水位下降速率0.9～1.7m，在远离漏斗中心，水位年下降幅度较小，一般小于0.1m。第三含水层组水位最大埋深也已达72.14m；其水位动态变化特征与中深层地下水基本一致，但年水位下降幅度大于2.5m，边缘下降幅度也达1m左右。
区域流场观测资料表明：第二含水层组水位埋深20m以下范围大约为452km2，第三含水层组水位埋深大于20m的范围约为434km2，以30～50km2/a速率向外扩展。在开采中心，400m的深井水位埋深已达60～64m，目前，漏斗向外扩展的速率较慢，大约5～10km2/a。
2 地下水开发现状及存在问题
2.1 地下水开采利用现状
阜阳市地下水开采利用主要分为3个方面，一是自来水公司集中供水；二是企事业单位自己开采用水；三是农村取用浅层地下水。
2.1.1 自来水公司集中开采
目前阜阳市自来水公司在市区开采覆盖面积25km2，主要集中在颍河西区（老城区）一块，开采量约为日5.1～6万m3。
2.1.2 企事业单位自备井开采
阜阳市企事业单位自备井263眼，自成系统，开采量为日6.27万m3，占全市总供水量的55％。总供水量中用于工业用水1697.19万m3，用于居民住宅用水1561.56万m3，用于公共事业787.4万m3；
2.1.3 郊区开采浅层地下水量日574万m3，年均取水量约为1.57万m3
阜阳市地下水开采由自来水公司集中开采和各单位自备井分散开采组成。阜阳市自来水厂创建于1976年，1998年成立自来水公司，下设河西、河东两个配水厂，以开采第二、第三层的地下水为供水水源。建厂前城区居民饮用未经处理的河水和浅层地下水。随着经济的发展及人口的增加，地下水的开采能力和程度也迅速提高。由20世纪50年代的几眼井到20世纪70年代的几十眼，进入20世纪80年代后期100多眼，1999年全市中深层开采井已达275眼，2004年3月阜阳市政府统计全市所有中深层自备井263眼。经过20多年的发展到目前为止，自来水公司已建开采水源井82眼，3座二级加压站，设计供水能力9.4万m3/d，年供水量已达1861.5万m3/d，日平均供水5.1万m3/d，占全阜阳城区地下水总供水量的45％，其他单位采用自备井开采，已有自备水源井263眼（2003年底）平均日开采量约6.27万m3/d，占全阜阳城总供水量的55％。目前阜阳市地下水形成了由自来水公司集中开采和各单位自备井分散开采的格局。2002年开采量达570万m3，不同年份地下水开采情况见表1。
表1 阜阳市中、深层地下水历年开采量统计表
2.2 阜阳市地下水开采历史（深层）
20世纪50年代到70年代末，全部开采中层地下水，最大取水量为1497万m3/a，小于中层地下水可开采资源量。
20世纪80年代中期，以开采中层地下水为主，深层地下水为铺，开采量达2000万m3/a左右，与中层地下水可开采量趋于平衡。
20世纪80年代后期，由于取水缺少规划，布局极不合理，在颖河西与河东造成两大高强采水区。同时开始出现深层地下水水位持续下降，中层地下水形成了水位降落漏斗区，诱发了地面沉降等环境地质问题。市区深井数及深层地下水开采量急剧增加，地下水年采量已接近和超过3000万m3/a；20世纪90年代，中、深层地下水开采量超过4000万m3/a。大于中、深层地下水可开采资源量。同时，以开采中层地下水为主并逐步转变为以开采深层地下水为主，致使中层地下水位仍在下降，地面沉降现象也随之加剧。
由于开采，使深层地下水水位持续下降（图3），水位下降速率一般1～2m/a，形成大范围的地下水位降落漏斗。目前，城区中心水位最大埋深已达89.0m。深层地下水水位埋深大于20m的降落漏斗范围大于550km2（图4），水位埋深大于10m的降落漏斗范围大于1200km2。降落漏斗内水位持续性下降。目前地下水位降落漏斗范围已扩大到城区外围，并同周边的利辛、太和等降落漏斗相连通，构成区域性地下水位降落漏斗。
图3 FC810孔深层地下水水位埋深变化曲线图
随着深层地下水不断开采，深层地下水资源量将不断减少，势必影响阜阳市城市建设和发展，影响城市居民生活。地下水的开采难度及开采成本也会相应增加。
2.3 地下水允许开采量
根据1989～1991年完成的“阜阳市水工环地质调查评价报告”，阜阳市中深层地下水位稳定状态下年最大允许开采量为2407.252万m3，日开采量为6.6万m3，考虑到阜阳市上覆弱透水层随着地面沉降，土层不断压密固结，透水性渐差，上部越流补给量会逐渐减小，因而实际开采量应略小于该资源量。经模型计算50m以下中深层地下水长年允许可开采量为2250万m3/a，每天允许可开采量为6.16万m3/a。
图4 深层地下水位埋深等值线图（2000年12月30日）
2.4 存在问题
2.4.1 集中过量超采中深层地下水
目前阜阳市区居民生活、工业企业、公共事业供水，基本上是单一集中开采市区中深层地下水，供水已形成单一分散超量开采深层地下水的格局，市区地下水资源的开发利用，缺乏统一管理，井点密度，高区每平方公里27眼深井，最密的莲花路深井群每平方公里达25眼，均远远超过每平方公里2眼深井的限制。根据调查阜阳市区2002年开采量为5700万m3，2004年开采量约5000万m3，超采约3000万m3/a，据统计目前阜阳市实际每天地下水开采量超过12万m3（均为中深层地下水），超采系数为1.74，属严重超采区。
2.4.2 水位持续下降、降落漏斗扩大
由于盲目超量开采地下水，目前阜阳市已形成大面积的水位降落漏斗。深层地下水自20世纪80年代中期开始大量开采，地下水位下降迅速，长期超量集中开采中深层地下水，造成市区中深层地下水水位大面积、大幅度逐年下降。目前已形成1200多km2的地下水位降落漏斗，集中开采区中层承压水位已降至50～70m，漏斗中心静水位64mm，与大规模开采前的1968年相比，集中开采区水位已下降40～67m，1968～1985年平均下降0.5～1.48m；1985～1999年，平均每年下降1.2～1.92m。1999年以后水位略有回升，但波动较大。以致深井报废，造成能源、机械设备投资的极大浪费。目前，降落漏斗范围仍在不断扩展。尤其是深层地下水层降落漏斗以30～50km2/a的速率扩大迅速（图5）。
图5 阜阳市地下水等水位线布图
3 地面沉降现状及其产生的危害
3.1 地面沉降现状
深层地下水天然状态下侧向径流十分微弱。地下水位大幅度下降，形成巨大水头差，使粘性土压缩释水，不仅给供水带来了危机，同时还导致和产生了地面沉降、阜阳市地面沉降的特征表现为随深层地下水开采量的增加而逐步形成和发展，为一动态变化的过程。20世纪60年代以前，因地下水开采量较小，地面未见变形。在20世纪70年代，地面沉降量不足100mm；进入20世纪80年代，随深层地下水的开采量急剧增加，地面沉降范围也扩大了7倍多。1980年1990年的10年间，地面沉降范围已超出阜阳市区，据水准测量资料，市区地面沉降形态为一近椭圆形浅漏斗，长轴为北西—南东向，约25km，短轴为北东—南西向，约21.2km，最大沉降范围410km2（图6），沉降大于100mm的范围为162km2。1980～1990年累积最大沉降量为817.6mm，沉降速率73.39mm/a，1990～1995累积沉降，沉降速率25.48mm/a，1995～2001年累积沉降量220mm，沉降速率36.7mm/a，中心最大沉降量已达1418mm，到2002年中心沉降量为1501.82mm（表2）。
表2 部分地面沉降监测点沉降量变化情况一览表
3.2 地面沉降所产生的危害
经调查，阜阳地表变形主要表现为线状工程变形和深埋工程变形，即沉降区内桥梁变形损坏与深水井构筑物变形。未发现地裂缝等其它变形迹象。
阜阳颍河节制闸位于阜阳市地面沉降漏斗中心，4号、6号、8号桥墩开裂，裂缝宽度6～10cm，1998年加固整修后又产生新的张裂缝，宽度0.3～0.8cm。调查发现部分地下水开采深井井管抬升，井台地面开裂等地表变形现象。位于地面沉降中心的阜阳市服装厂深井（现属自来水公司），井台较周围地面有明显抬升，井台地面开裂，裂缝呈放射状。井管抬升已影响到该井正常使用，输水管经加弯曲管处理后才能使用。
纺织厂、供电局、卷烟厂等单位深水井均处于地面沉降近中心，井管抬升，井台地面开裂等。
地面沉降虽是一种缓变的地质灾害，但经多年的发展目前已直接或间接地给阜阳市的城市建设和经济发展造成了一定的危害，主要表现有：
3.2.1 破坏水利设施，减低防洪标准
阜阳地面沉降中心位于市中心的颍河、泉河交汇处，全长180m的颍河阜阳节制闸兼为市区交通要道，受不均匀沉降的影响，大闸底板多处开裂、闸墩错位、铰座倾斜。致使闸门启闭不灵，闸体开裂逐年增宽。1995～1997年进行闸基加固及闸门更新，2001年3月～2002年10月进行了桥梁更新。修复后颍河闸又出现了新的开裂现象，严重威胁大闸的运行安全。2003年节制闸最大泄洪能力从1959年建成时的3500m3/s下降到2500m3/s，并有逐年下降的趋势。目前闸上机动车道已封闭，只能供行人通过。
3.2.2 降低防洪标准，加重洪涝灾害
位于沉降区的阜阳市区颍河、泉河堤坝，堤顶高度均随地面沉降而降低，已达不到原设计20年一遇的防洪标准，一旦遇到大的洪涝灾害将危及人身和财产安全。其它沉降区地面标高也低于河流洪水位1～2m，地面沉降加重了其洪涝灾害。
3.2.3 破坏市政及供、排水设施
地面沉降使部分深层地下水开采井发生倾斜、错位，井管相对抬升、井台开裂变形等。
3.2.4 道路、桥梁、建筑物破坏
根据调查阜阳市跨度较大的建筑如阜裕大桥、颍河大桥、泉河公路大桥等均出现了桥面开裂，伸缩缝扩展等现象。部分路段造成排水管道错裂，原可顺畅外排的污水向沉降低洼部位集中，造成城市内涝。
图6 阜阳市地面沉降分布图图系 单位：mm
3.2.5 破坏城市测量控制网
国家地震局以阜阳市为中心布设的阜阳环Ⅱ等水准线路，因地面沉降对监测数据的干扰，影响了地震监测工作。在沉降区进行水文观测出现倒比降现象，特别对汛期警戒水位的预测预报有严重干扰。
4 结束语
由于城市建设发展，阜阳市近年来集中超采地下水造成地下水位下降，形成大范围降落漏斗，形成地面沉降灾害，其地质灾害具有发展缓慢、破坏巨大，治理难度大等特点。因此从现在起就必须建立地面沉降网络和防治体系，合理开发利用地下水资源，促进经济发展、自然资源开发利用与地质生态环境保护三者间的协调发展统一。
研究解决阜阳市地面沉降、发生发展变化规律，提出防治工作方案，建立合理的地下水开采模型，为社会、经济可持续发展与自然和谐相处服务。
Ground Water Overmining Situation and Surface Subsidence Characteristic in Fuyang City, Anhui Province
Yang Zedong
(Anhui Institute of Geological Survey, Hefei 23001)
Abstract: On the base of study the hydrogeological conditions, the ground water overmining history and the present situation well as the ground water permission mining quantity, we analyzed present situation and characteristic of surface subsidence and the cause for surface subsidence as well as the harm caused by the surface subsidence in Fuyang city.
Key words: Water-bearing stratum; Ground water tendency; Ground water mining; Permission mining quantity; Surface subsidence
国内地面沉降现状~
中深层地下水超采产生降落漏斗及地面沉降等环境地质问题。
5.5.2.1 中层地下水降落漏斗
在中层淡水分布区内，淡水资源的开采已较普遍，是工业、生活及部分农业用水的主要水源。由于该层地下水补给量小，开采强度大，已形成以岳刘—广饶石化公司、广饶县城及颜徐为中心的“人”字形的复合降落漏斗，3个集中开采区水位埋深均在30～40m，漏斗水力坡度为1.5‰～5.0‰；漏斗发展相当迅速，多年来，漏斗中心年均水位下降为0.45m，漏斗面积也不断增大。
5.5.2.2 深层地下水降落漏斗
在深层淡水分布区内，目前形成2个降落漏斗。
（1）草桥水源地深层地下水降落漏斗
草桥水源地开采区水位由开采初期的4.00m，发展到现状埋深40m左右，平均年下降4m左右，已形成了以水源地为中心的近圆形降落漏斗，漏斗水力坡度1.8‰～7.0‰。
（2）牛庄水源地深层地下水降落漏斗
牛庄水源地已经过几十年的开采，各井取水段埋深多集中于450～580m，井距较小，形成了以四分场和牛庄镇为中心的复合降落漏斗。四分场一带相对静水位埋深已超过60m，漏斗水力坡度一般为2.4‰～4.3‰，目前该漏斗仍在向纵深发展。且四分场和牛庄镇两个漏斗已互相叠加，相互干扰，将加速地下水位的下降，直至两个漏斗联通，形成一个更大的降落漏斗。
降落漏斗的形成原因为深层地下水远离补给区、径流缓慢、补给源不足，开采过程中主要采用含水层的弹性储存量，这必然会引发漏斗的继续扩展。降落漏斗的扩展，不仅会造成井泵扬程加大、水源井生产能力降低，而且会诱发北部咸水入侵和地面沉降等环境地质问题。
5.5.2.3 地面沉降
地面沉降是一种较严重的地质灾害，会造成雨后积水、河道淤积不畅、泄洪防洪能力下降、抗风暴潮能力降低、地下管道破坏，以及道路、场地、堤岸和建筑物出现裂缝等，危害着人们的生活环境，并会造成严重的经济损失。
黄河三角洲地区地质环境复杂，分布有活动性断裂、新生代巨厚的沉积物和海相的淤泥、淤泥质的软土层，加之上部沉积物形成年代较新，自重固结过程尚未完成，因此很容易在人类活动的影响下产生地面沉降。诱发地面沉降的原因有多种，如地下水、地热、石油和天然气等地下流体的开采，大规模的建筑施工和高层建筑的修建，以及新构造运动、地应力变化、地震、海平面上升等，都会造成地面向下位移或标高下降。
邻区已发生地面沉降的城市天津、德州等的资料表明，开采地下水是引起地面沉降的主要原因，特别是中深层承压水的开采，与地面沉降的关系更为密切。区内地下水的开采量逐年增加，地下水开采降落漏斗已经形成，加之石油、天然气资源的开采影响，使黄河三角洲地区地面沉降问题日益凸显，宜早做监测工作，及时控制，减少经济损失。
