Question

地下水相关的土地环境演变

Answer 1

1.浅层地下水的适量扩大开采，促进了盐碱地土壤改良

浅层地下水开发使地下水位下降，特别是在地下水位埋藏比较浅的盐渍化地区，水位的降低，促进了盐碱地的土壤改良，同时减少地下水蒸发量。

据资料，新疆建设兵团五家渠灌区，20世纪50年代开垦初期地下水位较浅，但随着土地大面积的开发，大量引入地表水灌溉和洗盐，造成地下水位迅速上升，土壤次生盐渍化面积急增（232km²）。1963年实行竖井排灌后，加大了浅层地下水的开发量，至80年代地下水位普遍下降到3m以下，次生盐渍化面积减少为100km²。另一方面，竖井排灌前，全灌区878km²耕地中，有678km²的耕地因缺水而弃耕，实行了竖井排灌后，到1988年地下水开采增加到1.4×10⁸m³/a，678km²弃耕地全部收复。据新疆水利厅1954～1979年资料，实行竖井排灌后，仅地下水位埋深0～3m 区内就减少地下水有效蒸发量（0.48～0.56）×10⁸m³/a，转化为有效资源量。

青海柴达木盆地内分布大面积咸卤水—微咸水区，相对应的土壤含盐量高，盐碱地发育，严重影响了农作物生长与农民的收入。20世纪60年代以来开展了多项盐渍土的改良治理水文地质工作，采用井排进行治理，增大了浅层地下水人工开采量，加快了浅层地下水的循环交替，使地下水位下降从而降低了地下水的蒸发排泄量，再通过灌溉洗盐降低了土壤积盐程度及土壤含盐量，使盐碱耕地得以改良，促进了土壤环境良性发展，农作物产量增加，农民收入得到了提高。

河北平原在20世纪80年代以前，地下（微）咸水开采量很小，咸水埋藏浅，水、土中盐分多，直接导致旱、涝、盐、碱灾害的发生。20世纪80年代以后，随着经济的发展，地下（微）咸水的开采量逐渐增大，水位不断下降，减少或避免了咸水的蒸发，土壤中含盐量通过降水和田间水淋滤不断降低，改造了大片盐碱地，农业产量成倍增加。河北省盐碱地面积在20世纪60年代曾达到2300万亩，到70年代减少到1770万亩，80年代为1428万亩，据1995年统计资料，盐碱地只有350万亩，盐化程度变轻。另外，咸水水位下降有利于加强浅层地下水的垂直交替作用，促进咸水的淡化，增加可用水资源量，使浅层地下水处于良性的循环状态。

2.区域地下水位下降，土地沙漠化趋势加重

在土地沙漠化的形成过程中，人为因素在某些地域起到了促进和加剧的作用，这与人类过度垦荒、不合理地开发利用水资源有直接关系。地表水在上游的截夺和对地下水的大量开采引起地表径流锐减、地下水位持续下降，沙质土壤中水分减少，土壤退化，植被枯萎，导致土地沙化趋势加重。

疏勒河流域自从双塔水库修建以后，河流下游水量减少甚至断流，绿洲萎缩或整体消亡，河道变为流动沙丘。目前，长沙岭沙漠每年以2m的速度向西移动，仅1990年以来北桥子被沙埋压田林就达799.5亩。花海盆地20世纪50年代至今沙丘前移50～80m，双塔—锁阳城、安西黄墩子农场一带已演化为严重沙化地。据TM片解译和对有关资料的对比分析，80年代疏勒河区内沙漠化土地总面积3039.59km²，90年代3066.12km²（表6-6），增加26.59km²，增幅不大，但不同类型的沙漠化土地不同时期在各盆地的分布面积变化较大。90年代与80年代相比，全区沙地面积一直处于增长状态，玉门踏实、花海盆地增幅分别为38.9%、64.2%，安敦盆地基本不变；玉踏、花海盆地盐碱沙地面积增大，增幅分别为39.8%、13.5%，安西敦煌盆地减少，降幅10%。

表6-6 疏勒河流域沙漠化土地不同时期面积统计表（遥感解译）

（程旭学等，2009）

银川平原1987年、1997年及2004年丰水期的三期卫星影像数据解译成果表明：近20年来，银川平原土地沙化面积总体呈减弱趋势（表6-7），尤其是自1997年至今土地沙漠化面积减少了43.2%，但其总体分布范围的变化不明显。其中潜在沙化及轻度沙化区的面积及分布范围动态变化较小，而严重沙化及中度沙化区的分布面积呈明显缩小的趋势。1987年银川平原土地沙化总面积为1794.26km²，占银川平原土地总面积的25.42%。其中潜在沙化土地、轻度沙化区、中度沙化区、严重沙化区分别占沙化土地面积的62.15%、16.26%、14.60%和7.0%；1997年各级沙化土地的分布范围与1987年相比，轻度沙化区面积明显增大，但中度沙化区分布面积明显减小；2004年各级沙化土地的分布范围与1997年相比变化不大，但其分布面积明显减小，尤其是在银川市南郊植物园及北部南梁农场等地沙化土地面积大幅减少。

表6-7 各时段沙化土地面积统计表 （单位：hm²）

（吴学华等，2009）

松嫩平原近20年来沙化土地总面积扩大，局部地段有所减少。沙地面积变化情况是中度、重度沙地增多，尤其是中度沙化面积增加较多，而轻度沙化面积有所减少。在过去的15年里，土地沙化面积增加了87931hm²，比1986年增长了6.43%，平均每年增加5862hm²，年平均增长 0.43%。其中，轻度沙化面积减少 1615hm²，比 1986年减少了0.28%；中度沙化面积增加72730hm²，比1986年增加了10.26 %；重度沙化面积增加了16816hm²，比1986年增加了20.20%（图6-6）。不同地貌沙地变化情况是低平原和山前倾斜平原中度与轻度沙化增加较快，高平原沙地呈现减少的趋势。其中通榆县、杜尔伯特蒙古族自治县、长岭县、前郭县及内蒙古境内原沙化比较严重的地区变化不大，肇东市和肇州县沙化面积有所减少，大庆、齐齐哈尔、泰来及肇源县沙地面积增加较多，增加的沙地主要是中度和轻度沙地。

图6-6 松嫩平原土地沙化程度面积

（据赵海卿等，2009）

3.灌区引水灌溉，导致地下水的强烈蒸发，土壤次生盐渍化程度逐渐加重

由于农业灌溉大量用水，导致灌区地下水的强烈蒸发，水中的盐分不断在地表聚集，加之大量开采微咸水进行灌溉，加重了土壤盐渍化程度。

根据遥感解译结果，准噶尔盆地盐渍化耕地面积从20世纪70年代后由3100km²增加到5600km²，盐渍化耕地面积占耕地总面积的比例从18.37%增加到23.7%；人工绿洲生态系统中盐渍化耕地面积及荒漠生态系统中盐质荒漠的面积也逐渐增加；总的盐渍化面积从0.71×10⁴km²增加到1.7×10⁴km²，占盆地总面积比例从2.6%增加到4.3%（图6-7）。

图6-7 准噶尔盆地盐渍化面积变化

（据谌天德等，2009）

根据遥感解译结果，疏勒河流域玉门踏实盆地盐渍化土地面积 20世纪 70年代397.95km²（表6-8），80年代445.14km²，90年代479.28km²，90年代比70年代增加了81.33km²，增幅20.4%，增加的主要为玉门踏实盆地湿地萎缩并转化为盐渍化土地；花海盆地80年代盐渍化土地面积235.24km²，90年代240.37km²，相对稳定，与当地盐渍土改良有关。安西敦煌盆地80年代盐渍化土地面积579.57km²，90年代609.14km²，90年代比80年代增加了29.57km²，增幅5.3%，增加的主要为玉门关以西的湿地萎缩并转化为盐渍化土地。全区80年代盐渍化土地面积1259.95km²，90年代1328.79km²，90年代比80年代增加19.59km²，增幅5.4%。

表6-8 疏勒河流域盐渍化土地20世纪不同时期面积统计表（遥感解译）

（程旭学等，2009）

西辽河平原1980年和2000年两期土地盐渍化的遥感调查解译结果表明，内蒙古部分盐渍化土地面积增加了26248hm²。其中，中度盐渍化和重度盐渍化面积有所增加，轻度盐渍化面积有所减少，辽宁部分盐渍化土地面积增加了18878.60hm²，吉林部分盐渍化土地面积减少了3609.57hm²，中度盐渍化面积有所减少，重度盐渍化面积有所增加。

松嫩平原1950年以前盐碱化面积并不大，程度也比较低，多以斑块状散布在低平原上。据1986年和2001年两期遥感影像解译的土地盐渍化结果显示：在此15年里，松嫩平原盐化土壤面积共增加了21.71×10⁴hm²，比1986年增长了21.04 %。其中轻度盐渍化土地增加了0.88×10⁴hm²，较1986年增加了2.44%；中度盐渍化土地增加3.83×10⁴hm²，增加了9.55%；重度盐渍化土地增加最快，面积增加了17×10⁴hm²，比1986年增长了63.04%（图6-8）。其中引渠灌溉抬升了潜水水位导致土壤发生了盐碱化是主要原因之一，1986年至2001年，区内水田面积增加了47.64×10⁴hm²，增长了107.3%。

图6-8 松嫩平原盐渍化程度变化

（据赵海卿等，2009）

4.地下水过量开采导致地层岩土力学平衡破坏而产生变形，引发地面持续沉降等地质灾害

地面沉降是各种因素综合作用的结果，但是沉降量的大小直接与地下水开采量有关。开采地下水只是形成地面沉降的外部条件，而产生地面沉降的内在因素与地质结构密切相关，同时受地层中粘性土厚度的控制，局部地段可能与石油、天然气的开采有关。我国北方地面沉降比较严重的是华北平原，山西盆地和松嫩平原等局部地区也有发生。

据有关部门监测，1965～1975年，河北平原地面沉降仅发生在12个水位下降漏斗中心地带；1975～1979年，随着地下水的大规模开采，地面沉降的范围有所扩大，已涉及沧州、保定、衡水、任丘、南宫、霸州、大城、曲周、唐海、晋州等水位下降漏斗区。1979～1983年，累计地面沉降量大于500mm 面积达到29km²，沧州、保定、任丘、霸州等沉降中心的平均沉降速率达7.8～47.3mm/a。1983～1989年，随着地下水位下降速率的加快，地面沉降的速率也开始加快，范围进一步扩大，累计地面沉降量大于500mm的面积达到508km²，沉降速率增大到23.4～76.5mm/a。进入90年代以来，由于人为控制，开采减少，部分地区深层地下水位的下降速率开始减缓，但地面沉降仍在发展（图6-9）。1999年河北平原地面沉降大于 200mm 的面积达 42120km²，大于 300mm 的面积达18718km²，大于 500mm 的面积达 6430km²，主要沉降中心的地面沉降速率为 34.9～131.5mm/a。河北平原地面沉降均分布于地下水集中开采区，沉降的产生和发展过程与地下水的开采过程基本保持同步且略为滞后，其分布范围与地下水水位下降漏斗基本一致。地面沉降量与地下水水位下降幅度呈正相关。

图6-9 典型监测点地面沉降历时曲线图

（据张兆吉等，2009）

天津市宝坻断裂以南的广大平原区均有不同程度的地面沉降，面积 8798.12km²，其中累计沉降量超过1000mm的面积达4080.48km²，并形成了市区、塘沽区、汉沽区及海河下游地区等几个沉降中心。这一大范围的沉降区域已与临近的河北省地面沉降区连成一片，构成华北平原地面沉降区的一部分。多年来，随着深层水的大量开采，地下水位持续下降，市区形成河北大街、北站外、河东大王庄和大直沽-陈塘庄四个沉降中心，至1985年四个沉降中心累计沉降量分别为 2.39m、2.34m、2.37m和2.25m，年沉降速率平均约100mm。为治理地面沉降，市政府自1986年始至1997年已实施四期三年控沉计划，1998年为第五期实施计划的第一年。市区地下水开采量已由1985年的1×10⁸m³/a左右减至1998年的0.24×10⁸m³/a，地下水开采强度由27.4m³/a·km²减至5.29m³/a·km²，地面沉降明显减缓，局部地区偶有回弹；至2002年，累计沉降量最大的地区为：北运河、子牙河及新开河交汇地区，有连续历史资料记载的累计沉降量大于2.5m 的面积为3.2km²，大于2.0m 的面积约50km²。中环线内累计沉降值已大于1.5m。近年来，外环线以外地带沉降量呈增大趋势，西青区杨柳青镇2002年平均沉降值57mm，滨海地区已形成塘沽、汉沽、大港及海河下游等地面沉降漏斗中心。塘沽沉降中心位于上海道河北路，1959～2002年43年累计沉降3.18m，已低于平均海水面0.85m，上海道河北路一带低于海平面的面积约8km²。汉沽区沉降中心位于寨上及河西一带，已有9km²的地区低于平均海水面，20 余km²面积的标高接近海平面。至 2002年大港区最大累计沉降量为1.3m，海河下游累计沉降量已达1.9m。另外，值得注意的是，天津经济技术开发区以20～30mm/a的速度沉降；2002年天津港沉降值 16mm；防潮堤在塘沽段沉降值21mm，汉沽段42mm，大港段17mm。此外，静海县东北部和武清杨村镇累计地面沉降量均超过1m。

引滦入津工程实施后，天津市区、塘沽区地下水开采量大幅减小，第Ⅱ、Ⅲ含水组水位回升，地面沉降量大幅减小；汉沽区、大港区地下水开采量增加的趋势也得到一定的扼制，地面沉降量保持相对稳定。由于武清区、西青区、津南区地下水开采量仍较大，并且保持持续增大的趋势，逐渐变成了新的地面沉降漏斗，1990～1999年间武清县杨村年平均沉降量超过110mm/a，西青区辛口镇部分地区年平均沉降量超过90mm/a。

截至1999年，北京市地面沉降区分布呈南北两个大区（北京市地质矿产勘查开发局，2008），沉降量大于50mm的面积为2815km²，大于100mm的面积为1826km²。北区主要分布于城区东南的朝阳区、通州区以西、昌平区以南、顺义区的西南部，沉降大于50mm的面积约1851km²。主要包括东八里庄—大郊亭、来广营、昌平沙河—八仙庄及顺义平各庄四个沉降区，沉降中心区最大累计沉降量接近850mm。该区东部还零星分布着一些面积小的沉降区，如顺义区的北务、通州区的徐辛庄、新河等地，沉降量已达到了100mm。南区主要分布于大兴区南部的榆垡、礼贤一带，沉降的大于50mm面积约964km²。北京地面沉降大致分为以下四个阶段：

1）1955～1973年为地面沉降形成阶段，地面沉降中心发生在东八里庄纺织工业区至酒仙桥电子工业区一带。1955～1966年东郊东八里庄纺织工业区地面累计沉降量为58mm，年平均沉降速率为4.8mm/a。酒仙桥电子工业区地面累计沉降量为30mm，年平均沉降速率为2.5mm/a。1966～1973年沉降范围扩展，沉降量大于50mm面积为400km²，来广营开始出现沉降，年均沉降量为16.0mm/a，东八里庄—大郊亭年均沉降速率增加到了28.2mm/a。

2）1973～1983年为地面沉降发展阶段，特点是沉降速度高，沉降范围相对集中。七十年代初随着地下水开采量增加，水位急速大幅度下降，地面沉降快速发展。据1983年5月测量资料，东郊地面沉降区沉降量大于50mm面积达600km²，其中，地面累计沉降量大于100mm的面积为190km²，在大郊亭和来广营地区形成了似亚铃状的南、北两个地面沉降中心。据东郊的内燃机总厂内双陶1号水准点测量资料，1955～1983年，该点地面累计沉降量为590mm，年平均沉降速率为31mm/a。在1979年至1980年个别地面水准监测点的沉降量甚至达到81mm。

3）1983～1999年为地面沉降扩展阶段，老沉降区的沉降速率减缓，但沉降面积却在迅速扩大成为这一时期的特点。北京东郊的内燃机总厂内双陶1号地面水准点1987年地面累计沉降量达665mm，1999年地面累计沉降量达722mm，是北京市地面沉降量最大的水准点，1987～1999年平均沉降速率为5.7mm/a，沉降速率逐步减小。来广营沉降区1987～1999年平均沉降速率为19.8mm/a，沉降保持高速发展。北京城市边缘地带及远郊区（如通州城关、顺义天竺、昌平沙河镇、大兴榆垡镇等地区）地下水开采量不断增加，超采区范围继续扩大。超采范围的扩大不仅形成了许多新的地下水降落漏斗区，而且使沉降范围进一步扩展。新形成的沙河—八仙庄沉降区、大兴礼贤—榆垡沉降区和顺义平各庄沉降区1987～1999年平均沉降速率分别为29.6mm/a、24.2mm/a和19.2mm/a，均呈现出高速发展的态势。

4）1999年至今，北京地面沉降处于快速发展阶段，沉降范围逐渐扩大，沉降中心的累计沉降量增加。

图6-10 太原市沉降中心分布概图

（据韩颖等，2009）

太原市地面沉降自20世纪50年代末发现，至80年代沉降加剧。沉降区北起上兰镇，南至刘家堡乡郝村，西抵西镇，东达榆次西河堡村；南北长约39km，东西宽约15km，沉降面积为548km²（图6-10），到2000年范围已达548km²，最大沉降区位于吴家堡，达2815mm，年沉降率63.97mm/a；最大沉降速率达405m/a。经过调查分析相关资料，太原市四个地面沉降区的分布与该区四个水位降落漏斗的分布与变化相吻合。

根据太原市地面沉降历史演变特征，可划分出三个沉降阶段：①沉降中心初步形成阶段（1956～1980年），② 沉降快速发展阶段（1981～1989年），③ 沉降急剧扩张阶段（1990～2000年）。在1965年之前，区内无明显地面沉降现象；1965～1970年之间，太原市盆地地面缓慢下沉，沉降速率甚小；到1971～1980年间，盆地进入不均匀沉降时期，在此期间吴家堡沉降中心首先形成；1981～1989年为太原市地面沉降的快速发展阶段，此期间盆地地面快速下沉，西张、万柏林、下元3个沉降中心接连形成，吴家堡沉降中心进一步发展，其沉降量、沉降规模、沉降速率仍然为区内最大；1990～2000年间，市内地面沉降发展至急剧扩张阶段，4个沉降中心的面积均大规模扩张，沉降区呈现出向榆次方向扩张的趋势。

对太原市的地下水开采历史进行分析，可以发现该区的地下水开采历史与地面沉降演变历史非常相似。1949～1959年，太原市的地下水开发利用以边山岩溶水开采为主，孔隙水开采量不足4×10⁴m³/d；1960～1970年，太原市的孔隙水开发利用也仅限于开采浅层水及部分中层水，自备井不足百眼，以 1965年为例，开采量仅32.93×10⁴m³/d。以上两个阶段对应于市内地面沉降的缓慢下沉阶段。1971～1981年，太原市孔隙水开采进入超采阶段，以1981年为例，孔隙水开采量为127×10⁴m³/d，在此期间，区内孔隙地下水位大幅度下降，区域性降落漏斗开始形成，上部承压含水层基本被疏干—这一时期对应于地面沉降的不均匀下沉阶段。1982～2002年，出于工农业生产与居民生活的需要，太原市孔隙水开采量仍然居高不下，同时，由于上部承压含水层被疏干，开采深度也大大增加—这一时期对应于地面沉降的快速发展和急剧扩张阶段。

此外，长期的大规模孔隙水开采使太原市内形成了4个大的水位下降漏斗中心，在地理位置上恰好分别对应于区内的4个沉降中心。由此可见，太原市地面沉降应是由于不合理开采（超采）地下水而引起孔隙水压力下降，土体骨架所承担的有效应力增加，从而使粘性土层释水压密，产生塑性变形，最终引发地面沉降。

大同盆地的地面沉降开始于20世纪70年代，直到80年代初，地面沉降量显著增加。在此后的10年中，随着地下水开采量逐年增加，地面沉降速率呈现出逐年加快的特点。1988～1993年监测到平均沉降速率为17～23mm/a，其中心一直处在城西区的时庄—西韩岭和制药厂一带，5年累计最大沉降量达124mm，地面沉降波及面积达160km²。近年来，抽水量持续上升，该市地面沉降已进入沉降加速阶段。地下水开采与地面沉降密切相关，已有的漏斗将逐渐扩展形成一个波及全市区有多处下降中心的大漏斗，主要包括城西漏斗、城南漏斗、城北古店—白马城漏斗和御河铁路桥漏斗（图6-11）。

哈尔滨市区长期超采地下水，使地下水类型由承压含水层转为非承压含水层，地下水位低于含水层顶板10～18m，单井涌水量衰减30%～50%；漏斗中心地面沉降达63.82mm。大庆油田长期超采地下水，导致形成了5560km²的地下水位降落漏斗，漏斗中心地面最大沉降量曾达到99mm。

图6-11 大同市地面沉降与地下水降落漏斗平面分布图

（据韩颖等，2009）

1—地下水降落漏斗封闭等值线（m）；2—地面沉降等值线（mm）；3—地下水位等降深线（m）；4—地裂缝