水事活动对地下水动态的影响分析

第19卷　增刊2004年6月

地球科学进展

A DVAN C E I N E AR T H S C I E N CE S

V o l.19　S uppl.

J u n.，2004

文章编号：1001-8166（2004）增-0112-05

水事活动对地下水动态的影响分析

张鑫，蔡焕杰

（西北农林科技大学水利与建筑工程学院，陕西杨凌　712100）

摘要：人类水事活动对地下水动态产生着重要的影响，其影响产生后引起的水位变化可分为上升型影响、下降型影响和平稳型影响。在分析不同影响类型所产生的地下水动态的现象和特征及其环境负效应的基础上，利用地下水渗流和水均衡理论深入分析了水事活动对地下水动态的影响机理。

关　键　词：水事活动；地下水；动态变化；影响机理

中图分类号：T V213 文献标识码：A

水事活动是指人类为进行正常的生产与生活而开展的一切与水有关的活动。它涉及水文生态系统中自然、社会、经济三大子系统的各个方面，是人类开发利用水资源，防治水灾害，改造自然，利用自然，创造高度发达和高度文明的人类社会的重要而复杂的一类人类活动［1］。

人类水事活动对水文生态系统产生重大影响。特别是修建大型水库、大规模长距离跨流域调水等水事活动，对区域水文生态系统的影响往往是通过直接改变系统中水的存在与分布的空间及水的运动与循环的路径———水环境系统产生的，具有强烈的突变性、并发性、利与害的双向性和较强的不可逆性等特点。

1水事活动影响下地下水的动态变化特征

地下水动态是指地下水的数量和质量（水位、流量、水温、水化学成分等），在各种自然因素和人为因素的影响下随时间的变化过程［2］。也就是说，地下水的动态，是由一系列随时间变化的自然因素和人为因素影响的结果。其中，影响地下水动态的人为因素，包括人类活动的各个方面，可以分为两类，一类是水事活动，另一类是除水事活动外的其他人类活动，它们共同形成人工型地下水动态。水事活动对地下水动态的影响，从影响产生后引起的水位变化可分为：①下降型影响；②上升型影响；③平稳型影响。下面主要分析前两种影响。

1.1　下降型影响的地下水动态特征

在下降型影响中，影响面最大，影响后果最严重的是地下水的大规模人工开采。几乎每一座以地下水为主要供水水源的城市，都形成不同程度的地下水降落漏斗；以地下水灌溉为主的灌区，也会出现同样的现象。据统计，在西安市市区范围内，由于地下水的大量开采，特别是20世纪70年代以来，随着城市需水量的不断增长，地下水的开采量也不断增加，引起地下水位持续下降，并形成大面积下降漏斗。到70年代末，水位高程355m的漏斗面积约100 km2，水位高程340m的面积12k m2，出现了小寨、西工大和胡家庙—沙坡3个漏斗中心。80年代，漏斗不断扩大和加深，到1988年，355m高程漏斗面积已达到155k m2，340m高程漏斗面积达到89 km2。从1980—1988年，上述漏斗中心的水位下降了8.0～29.2m，年均下降1.0～3.6m。与开采初期相比，水位累积下降约25～90m。进入90年代，市区内的承压水以日均超采14万m3的数量继续超采，导致水位进一步下降，作为古城重要标志之一，有1300余年历史的大雁塔也沉降了1198m m，并向西倾斜达886m m。直到1996年石头河水库供水工程建成供水，有计划地关闭市内部分深井后，才使

收稿日期：2004-04-10.

基金项目：国家优秀博士论文基金项目（编号：200052）；高等学校博士点基金（编号：20020712020）；校青年基金（编号：2002）资助．作者简介：张鑫（1968-），男，河南淅川人，副教授，主要从事水资源开发利用与生态环境效应方面的科学研究及教学工作.

开采量略有减少。

另外，在我国西北其他地区，由于对全流域或整个盆地无计划的开采地下水，在灌区内不考虑采补平衡，集中开采，甚至水井越打越深，从而引起地下水位的持续下降。表现突出的黑河流域下游地区，新疆的南、北疆盆地河流下游，或集中灌溉的山前盆地等，均出现区域性水位下降。如黑河流域下游地区水位下降1.2～5.0m。河西走廊的石羊河流域是该区水资源开发利用强度最大的地区，多年来采补失调严重，地下水位大幅度下降。武威盆地南部的地下水位，1977年比1959年普遍下降10～20m，泉水溢出带地下水位下降1～5m；民勤盆地地下水位普遍下降1～2m，绿洲的地下水位均下降至地表下4～5m以下。1990年与1995年同期的地下水观测资料对比，武威盆地地下水位平均下降1.85 m，民勤盆地地下水位平均下降2.83m，金昌盆地地下水位平均下降1.26m。图1是1998—2001年民勤盆地典型井地下水下降变化趋势。

图1　民勤盆地典型井地下水位变化

F i g.1　T h e g r ou n dw a t e r l e v e l of t h e t yp i c al w e l l i n M i n q i n

地下水位的持续下降，将导致许多生态环境负效应。表1说明了主要生态环境负效应的表现形式和影响结果。如地下水位的下降使水质持续恶化。1979年，民勤县各灌区地下水矿化度均小于5g/L，1995年，矿化度大于5g/L的地下水分布面积达250k m2，由于灌溉大量开采高矿化度地下水，更加速了区域地下水水质的恶化（矿化度年增幅0.1～0.45g/L）。水位下降、水质恶化导致地表植被衰亡。据1991年统计，民勤县70年代以前营造的173 km2沙枣林，已有65k m2成片死亡，58k m2衰败，天然灌木林由724k m2减少至237k m2，人造灌木林有近1/3死亡。又如塔里木河流域，1972年英苏以下246k m长的塔里木河断流，阿拉干以南地下水水位由50年代的3～5m下降至6～11 m，超过了植物赖以生存的地下水位线，此处森林已失去再生能力，幼树成片死亡，多年生植被退化衰亡，芦苇草甸干枯。地下水位下降引起的地表植被衰亡使土地沙化速度加快。塔里木河下游流域，1958—1993年期间，流动沙丘面积从占土地面积的44.34％上升到64.47％，强度和极强度沙漠化土地增加了3.12％和3.56％；河西绿洲边缘沙漠植被的大量枯萎，使已经固定的沙丘重新活化，沙漠化土地、潜在沙漠化土地面积分别达46.56k m2、20.36k m2，每年沙漠化面积4～5k m2，风沙线长1600k m。民勤绿洲的部分乡村已沦为沙漠，沙丘每年平均以3～4m的速度向民勤县城逼进，最多的地方可达8～10m，当地人民的生存和社会的发展已受到严重威胁。

抽水条件下地下水位下降动态可由水井区地下水运动理论表述［3］。虽然井流形式因其水文地质条件或井流方程定解条件上的差异而分为多种类型，但它们都从理论上表征着一类水文地质条件或定解条件下的地下水动态。对于集中开采区或相对集中的形式分布在影响区的井群，它们共同对地下水动态产生影响。在超采条件下，势必导致区域性漏斗，进而引起生态环境负效应。

表1地下水水位持续下降的生态环境效应

T a b l e1E c o l og i c al e n v i r o n m e n t e ff ec t t hat gr o u n d w a t e r l e v e l c on t i n u o u s l y d esce nd

地下水水位持续下降的生态环境效应表征

植被退化地面沉降、地陷、地裂缝污水、海水倒灌地下水降落漏斗↓↓↓↓

土地沙化、荒漠化地质环境破坏水质退化地下水资源枯竭↓↓↓↓

生态环境退化或生态系统毁灭

1.2　上升型影响的地下水位动态特征

最普遍的上升型影响是新发展灌区的地下水位动态。如陕西省宝鸡峡塬上灌区，1973年开灌后，黄土塬区1981年的地下水位较1972年上升了8.82 m，年均上升0.98m，塬间洼地上升更快，同期上升了10.18～30.94m，年均上升1.13～3.41m。表2

3

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增刊 张鑫等：水事活动对地下水动态的影响分析

为黄土塬灌区和源间洼地水位埋深的变化情况。

表2宝鸡峡灌区黄土塬与塬间洼地地下水位平均埋深上升统计表［4，5］T a b l e2　S t a t i s t i c s f or a v er age g r ou n dw a t e r l e v e l r i s e u p i n l o es s p l a t e au a n d m a rs h l and b e t w ee n

l o es s p l a t e aus i n i rr i ga t i ng d i s t r i c t o f B aoJ i go r ge［4，5］

地点

黄土塬塬间洼地

扶风武功兴平咸阳乾县礼泉泾阳扶风段家谷寨扶风召公袁新武功苏坊代家－－县周城庄里礼泉红卫南埝

总上升值（m）10.0411.7712.237.747.858.802.4030.9416.1010.7811.0911.10年均上升（m） 1.231.311.360.860.870.980.273.441.791.20 1.231.23 注：总上升值指1972—1981年的水位上升总高度

又如陕西省冯家山水库灌区，自1975年开灌后，灌区内的地下水位急剧上升，到1981年4月，全灌区已出现明水面积31h m2，一般水深0.55～1.5 m，最深达3.5m。仅就岐山县境内而言，位于大营乡的110号井1985年的水位比1976年上升了7.09m；位于青化乡的42号井上升了28.64m，年均上升3.18m；位于青化乡的43号井更是在1978年基础上升了39.22m，年均上升5.06m。图2所示为位于该县益店乡的117号井1976—1990年的年平均地下水位过程线，足以直观表明在灌溉条件下地下水位上升及其最终达到稳定的过程。

图2　岐山县117号井年平均水位动态过程

F i g.2　D y n am i c p r o ces s i n y e ar a v er age w a t e r

l e v e l i n N o.117w e l l i n Q i s han c o u n t y

引起上述现象主要原因是大量的灌溉渗漏水量打破了地下水自然平衡动态，在地下水系统达到灌溉影响下新的平衡之前，水位不断上升。只有当水位上升到某一高度，使得在该水位条件下的排泄量达到与灌溉条件下的补给量动态平衡时，地下水位再次稳定在某一平衡水位周围，或在采取调控措施如排水措施，使地下水位在不致进一步上升的情况下达到新的平衡态。图2中1984年以来地下水处于相对平稳的水位，就是灌溉条件下达到的一种新的平衡态。

然而，地下水水位的时空动态深刻影响着盐分在地下水和包气带之间的交换。由于上升的地下水将盐分从深层土壤带至土壤表层，因此地下水水位的上升、地下水含盐是土壤盐渍化和河流盐化的关键因素。地下水对土壤盐渍化的影响表现在地下水蒸散（地表蒸发和植物蒸腾）将地下水中的盐分带至土壤的不同深度积累。表3是我国西北地区盐渍化面积统计数据。

表3西北地区盐渍化面积统计表

T a b l e3　T h e st a t i s t i c s o f p i c k l e d l a n d i n n o r t h w es t C h i na 地区新疆青海宁夏甘肃内蒙陕西小计

面积（km2）212544636321238432272366241840359296

对于灌溉引起的地下水位上升现象，在理想条件下，可用灌溉入渗条件下忽略边界影响的无界潜流理论，平行河渠间的有界潜流理论，或河渠与隔水边界间的有界潜流理论等地下水渗流理论进行定量描述。灌溉入渗水量可使灌区内的潜水位发生丘状隆起，并在入渗段中间断面形成潜水位变幅最大、潜水流量为零的分水岭，从中间断面向两侧水位变幅减小，流量增大，至入渗段边缘，流量变幅最大。入渗时间越长，水丘越扩展，边缘断面的流量变幅也越大，而且永不稳定［4］。其结果是随着时间的延长，水位将无限上升，永不稳定，这就是在类似条件下长期灌溉引起地下水位上升，并导致土壤盐碱化或沼泽化的物理机制。另外，也可以利用陆气相互作用模式（A t m o s ph e r e a nd L a nd s u r f ac e I n t e r aca ti o n S c h e-m e，A L S I S）对包气带土壤湿度和水通量进行模拟，实际上，A L S I S就描述了包气带土壤水文学和热量过程。A L S I S是区域内大气模型和地下水模型的一个界面，可以将两者很好地结合，预测区域内土壤湿度、热量的变化［6］。由于A L S I S可以很好地描述上述地下水动态、土壤水文学过程、陆气相互作用过程以及G S VA T系统中水分和能量的传输过程，因此A L S I S也可以对区域内盐分的传输进行模拟，基于A L S I S的盐分传输模型，能够较好地理解区域盐渍化和次生盐渍化的成因机理。

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1 地球科学进展 第19卷

2影响机理分析

由于水事活动是复杂的，受其影响的水文地质条件也是复杂多变的，特别是在水资源供需矛盾日益突出，水资源的综合利用水平日益提高的情况下，单一影响越来越少，而更多的实际上是复合型影响。对于一个地下水系统，其水位的动态变化无论怎样复杂，都可用地下水系统的水均衡方程来定量表示［1］。若将自然状态下的水均衡方程以单位面积含水层上的地下水位随时间的变化率表示，则有

dZ dt ＝±

1

μ

（W I－W O）＝f（W I，W O）

＝f（W I）－f（W O） （1）

式中，Z表示地下水位；t表示时间；μ是给水度；W I和W O分别为自然状态下d t时段内输入和输出单位面积含水层的水量。

在水事活动影响下，式（1）中将增加因水事活动影响的输入W I H和输出W O H，同时，相应地要引起W

I和W O的变化，W I和W O也就不再是真正意义上的自然条件下的输入和输出。这里将W I和W O改为W I N和W O N，则

dZ dt ＝±

1

μ

［（W I N－W I H）－（W O N＋W O H）］＝f（W I N，W I H）－f（W O N，W O H）（2）

上述各式中的f（?）均为非线性函数，对具体问题可给出实际数学表达式。

由式（2）可见，dt时段内含水层水位的升降完全取决于各均衡要素，而且可根据各均衡项之间的定量关系，确定对Z的变化起支配作用的要素。当f（W I N＋W I H）＞f（W O N I＋W O H），地下水位上升，在t 从T0到T之间变化，且T足够大时，f（W I N＋W I H）持续大于f（W O N I＋W O H），则在T0≤t≤T内地下水位持续上升。反之，在T0≤t≤T内，若f（W O N I＋W O H）持续大于f（W I N＋W I H），则地下水位持续下降。显然，在T0≤t≤T内，若地下水位的总上升高度或下降深度Z＝0时，表示即使有水事活动影响，地下水位也保持了动态平衡。因此，将上述分析结果可归纳为

Z＝∫T T0［f（W I N＋W I H）

－f（W O N I＋W O H）］dt ＞0，上升型影响＝0，平稳型影响＜0，

{

下降型影响

（3）

式（3）中的水位动态关系，揭示了水事活动影响下地下水位的动态特征。

如果说自然状态下的地下水位动态长期变化是动态平衡的，那么在水事活动影响下地下水位的持续上升或持续下降，起支配作用的是W I H或W O H，一般地，在持续上升区域，W I H占优势，而在持续下降区，占优势的则是W O H。而且这3种动态可以相互转化，其转化的条件既与自然因素（如降雨等），又与水事活动有关（如灌溉、排水、地下水开采、水库修建等）。

现在利用实验观测数据来说明上述的机理分析。一般情况下，对于地下水浅埋区降水入渗补给—径流排泄动态水位过程线和降雨过程线，二者基本一致或稍有滞后，表现为雨季上升旱季下降。而图3的地下水动态曲线，水事活动影响表现明显，

图3　降水灌溉补给—开采径流排泄动态曲线［7］

F i g.3　T h e g r o u n d w a t e r l e v e l d y n am i c p r o ces s l i ne i n

t he t y p e of p rec i p i t a t i on a n d i rr i ga t i on r ec h a r ge-

e x p l o i t a t i on s ee page

f l ow d i sc h a r ge［7］

即灌溉和开采直接影响地下水的年内动态，如在2月和10月出现2个峰值，2月峰值主要是由于每年的冬灌后期和春灌后期，气温低，农作物需水量小，入渗补给量大所引起的，10月峰值是由于降雨和灌溉综合补给的结果。而低水期出现在7月和12月，5月后，气温升高，雨季未到，再加上夏灌，但入渗滞后，且不及开采量大，于是6～7月出现低水期，12月灌区进入枯水季节，降雨减少，冬灌开采大量地下水，于是在11～12月期间出现第二个低谷值。这说明灌溉打破了自然条件下的地下水动态变化规律，由于地下水的补给量是降水和灌溉渗漏水二者的耦合，因此地下水动态曲线更加复杂，也给准确的地下水位动态预报带来了困难。

3　结论与建议

（1）影响地下水动态变化的因素很多，水事活动主要是通过直接改变水文生态系统中水的存在与分布的空间及水的运动与循环的路径———水环境系

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增刊 张鑫等：水事活动对地下水动态的影响分析

统产生的，具有强烈的突变性、并发性、利与害的双向性和较强的不可逆性等特点。因此，应加强水资源开发利用的管理，利用政策法规或经济措施限制和约束不合理的水事活动，加大节水力度，提高水资源利用效率。

（2）地下水渗流理论揭示了由于水事活动对地下水动态产生的上升型影响、下降型影响和平稳型影响的机理。同时，也可以从水文生态系统的角度，利用水均衡理论定量分析了水事活动对地下水动态的影响机理。但是水文生态系统是一个复杂的巨系统，如何准确预报在自然因素和水事活动双重胁迫下的地下水位动态变化，对于水资源的可持续开发利用、减小生态环境负效应有着极其重要的作用。

（3）由于水事活动对自然状态下的地下水位动态平衡的强烈干扰，从而导致了土壤盐渍化、沼泽化、水质恶化、植被退化、土地沙化等生态环境负效应。因此，必须加强对地下水位和水土环境变化的动态监测和预报，分析产生变化的机理，进而确定相应的对策。

（4）尽管水事活动可以引起地下水过度升高或过度下降，但这种影响是可以通过人工措施进行调控的。因此，只要正确评价区域水资源的承载能力，精确计算生态环境需水量，然后合理配置水资源，当然这不仅包括理论研究，而且还包括实践应用研究，协调好资源、经济、社会和生态环境的动态关系，才能确保社会和经济可持续发展目标的实现。

（

5）地下水既属于水文循环的组成要素，也是生态环境的一部分。因此，在人类水事活动中，应该尊重自然界本身，设法和自然和谐相处，而不是单纯

地让自然只满足我们的需要，更不是征服和破坏自然。应该尊重其他生命形式的价值和延续性，维护

大自然的稳定性、完整性和多样性，从开发利用自然转变到保护、保存自然，在人和自然之间建立起协调关系和伙伴关系。从这个意义上来说，建构水资源开发利用的生态价值观，对于人与自然的长久利益与长远发展来说，具有更加重要的理论与现实意义。它扩大了人的责任范围，为人类重新认识自身的价值和意义提供了一种全新的尺度，人类水事活动被放在了“人—社会—自然”这一大的坐标系之中，如此就使得人能够逐渐对人与自然的关系进行全面整体的认识和把握、对人类水事活动可能给自然界造成的多种结果进行全面的认识和把握，以及对人类所应承担的对自然的责任和义务的整体认识和把握。这样才能真正实现水资源的合理开发和持续利用，减小生态环境负效应。

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Z H AN G X i n ， C A I H u a n- j i e

（

C o ll e ge o f W a t e r C o n s erv an c y a nd A rc h it ec t ur a l E ng i n eer i ng ， N o rt hw es t S c i e n ce s a nd T ec hn o l o gy U n i vers i t y o f A g r i c u lt u r e and F o res t ， Y ang li ng 712100 ， C h i na ）

A b st r a c t ： T he h um a n w a t e r m a tt e r a c ti v it y p r o du ce s t he i m p o r t a nt i n fl u e n c e t o t he g r o undw a t e r d eve l o p m e nt ， a cco r d i ng t o a ff ec t t he w a t e r l eve l va r i e t y t h a t c r ea ti o n c a u s e b e h i nd c a n i s d i v i d e d i n t o t h e a s ce n s i o n t y pe t he i n fl u- e n c e ， d e s ce nt t y pe i n fl u e n c e ， a nd s t ea dy t y pe i n fl u e n c e. I n a n a l y z i ng t he d y n a m i c p h e n o m e n o n i n a g r o undw a t e r f o r p r o du c i ng i n t y pe i n d iff e r e nt i n fl u e n c e t o t a ke t he f o und a ti o n o f t he e ff ec t w it h c h a r a c t e r i s ti c a nd i t s e n v i r o n- m e n t s ， t he i n fl u e n c e m ec h a n i s m f o r w a t e r m a tt e r a c t i v it y t o g r o undw a t e r d y n a m i c c h a n ge s i s s t ud i e d ， m a k i ng u s e o f t h eo ri e s t he g r o undw a t e r s ee p ag e f l o w s a nd t he w a t e r b a l a n c e.

K e y w o r ds ： W a t e r m a tt e r a c ti v it y ； G r o undw a t e r ； D y n a m i c c h a n ge s ； I n fl u e n c e m ec h a n i s m .611 地球科学进展 第19卷