0 引言

水是人类赖以生存和经济发展不可缺少的最重要的物质资源之一.作为地球水资源重要组成部分的地下水资源是在岩土中赋存和运移的、质和量具有一定利用价值的水.地下水以其稳定的供水条件、良好的水质，而成为农业灌溉、工矿企业以及人类生活用水的重要水源，尤其是在地表水缺乏的干旱、半干早地区，地下水常常成为当地的主要供水水源甚至是唯一供水水源.

开采地下水形成漏斗状水面或虚拟水面，是一种必然的物理现象，并没有为人们所关注.但是，这种现象长期持续发展，带来地面沉降、岩溶塌陷、海水入侵、植被退化及土地沙化等造成人民的生命财产损失和生态环境破坏时，才引起各级政府的高度关注，以至于“谈斗色变”.各级政府对地下水资源保护的主要措施是限制或是禁止地下水开采，同时建设地表水供水工程，以满足不断增长的工农业及生活对水资源的刚性需求.大量建设地表水供水工程带来的结果是一些地区“大河无水小河干”，反而激发了人们对地下水的开采，带来更为严重的生态环境问题.

地下水资源的自然属性是具有可更新性，尽管不同深度、不同地区水文地质条件差异造成地下水更新能力和更新周期长短大不相同，但也为地下水储存量的补给和漏斗状水面的恢复提供了可能.同时，人们对地下水的开采加快了地下水的更新速度.同样规模的漏斗状水面在不同工程地质条件和不同水文地质条件地区的表现是不同的.本文的研究意义在于通过对漏斗状水面的发生、发展过程，及其在不同工程地质、水文地质条件下所产生的地质现象（灾害）分析和分类研究，厘清人们对这种抽水现象的概念和本质的认识，支撑地下水资源开发利用的科学管理.

1 地下水降落漏斗的形成及发展 1.1 地下水降落漏斗的产生及确定

采用机械方式从水井中抽取地下水时，势必引起地下水流场的变化，形成的以抽水井为中心的漏斗状水位下降区即降落漏斗.

《地球科学大辞典》 ^[1]给出了“降落漏斗”的概念并对其进行了描述，即，位于井、孔中抽水形成的漏斗状水位下降区.降落漏斗以抽水井为中心，距水井愈近，水位下降（S）愈大，水面坡度愈陡；距水井愈远，水位下降愈小，水面坡度愈缓.对于被井、孔开采的承压含水层，在井孔附近形成虚拟的承压水水头降落漏斗（见图 1）.

降落漏斗的空间形态一般是利用某一时段对某一地区地下水位统测数据而形成的地下水埋深等值线、水位等值线图而确定的.一般说来，水文地质工作者是以闭合或具有闭合趋势的某一高度等水位线圈定的范围为降落漏斗的面积.降落漏斗的空间形态，随开采井数量及分布、边界条件和地形地貌的不同，差别很大，平面上呈圆形、不规则圆形等形状，剖面上则表现为尖底或是平底状，3D形态则为漏斗状或是不规则平底锅状.

自然条件下，一个地区的地下水水位（水头）随补给条件、地形地貌、地表岩性等条件的不同会有季节、年度和多年的变化，一般在1至几米间，即使是1天之内，也有微小变化；开采条件下，地下水水位变化更大，可在几米至几十米甚至上百米间变化.因此，不同时期、不同开采条件下所圈定的降落漏斗空间形态差别很大.因此，若是准确地描述降落漏斗，必须阐明测量时间及地下水开采状态、漏斗面积及分布、中心水位降等关键要素.否则，对降落漏斗的描述是不准确的.

1.2 地下水降落漏斗的发展

在定流量抽水条件下，动水位变化幅度不大.随开采时间增加，影响半径（R）逐渐增大，补给断面面积在不断扩大；地下水流向发生改变，由单一方向变成四周向漏斗中心流动；水力坡度逐渐变小.按照达西定律，补给量也随之增加，即降落漏斗的产生激化了对地下水开采井的补给.当地下水的开采量和补给量达到动态平衡时，地下水降落漏斗控制在一定规模，不再继续发展.如某些中小城市或工厂的水源地，开采初期降落漏斗发展很快，但几十年来，始终维持在一定范围内.

为了满足工农业和城市建设的发展及人们生活水平提高对水资源需求量的增加，地下水开采井数量亦随之增加，分布面积不断加大，井深和动水位不断加深，导致区域地下水位持续下降.当地下水的开采量大于补给量时，打破了动态平衡，地下水降落漏斗演变成“区域地下水水位降落漏斗”. 《地球科学大辞典》 ^[1]给出的“区域地下水水位降落漏斗”的定义为：“由于区域地下水的开采量长期超过了补给量，逐渐消耗了储存量，并在一定补给周期内得不到恢复，从而使区域地下水位持续下降，形成漏斗状地下水位，往往同时在漏斗范围内产生地面沉降”.笔者认为，“区域地下水水位降落漏斗”称为“区域地下水水位下降漏斗”更能反映其本质.

从上述概念我们不难看出，准确判定区域地下水降落漏斗的空间形态是非常困难的.一是如何判断区域地下水开采量长期超过补给量问题.准确计算区域补给量和统计开采量是非常困难的，只能是精度很低的宏观概算.地下水的补给量包括天然补给量和人工补给量.地下水天然补给量是指某一计算单元降水渗入、地表水渗入和相邻水文地质单元或相邻含水层地下水的流入量，受植被、地形地貌、地表地层岩性、含水层埋藏条件、地表水系的发育程度等诸多因素影响.在气温变化大的丘陵山区，地下水天然补给量还受大气凝结水的影响.地下水人工补给量是指采用人工回灌方法增加的地下水水量.区域地下水开采量是一个与单井开采量、井密度、开采层位、水质等密切相关的量，还包括泉数量与流量.一般是通过调查，按行政区或地貌单元，以分类统计的方法对不同含水岩组的各种类型地下水开采量分水质与用途进行全面的数据核查和统计后得出的.由于地下水开采量难以调查统计，一些地区是通过核算代表性井单位开采量的耗电量，然后由地下水开采井总用电量求得地下水实际开采量，计算区越大精度越低.地下水开采量还与地表植被类型密切相关.

二是“一定补给周期”的长度确定问题.由于地下水的补给来源主要为大气降水，因而大气降水的变化周期决定了地下水的补给周期.在全球气候变化影响下，流域或区域的水文循环过程明显加快，降水、蒸发等水文要素的时空变化愈加复杂^[2].廖良清^[3]利用32个站点1951~2010年逐月降水量资料，研究了华东地区降水周期特征.研究结果表明：华东地区的降水周期在年际和年代际尺度上都有所体现，其中以年代际尺度上的11.6~12.3 a周期最为显著，以太阳黑子12 a活动周期影响较大，其次为年际尺度上6.0 a和4.0 a的周期.刘健^[2]利用123个气象站1961~2015年逐日实测降水资料，研究了山东省的降水周期.研究结果表明：山东省多年平均降水量为676.3 mm，年最大降水量为1121 mm（1964年），最小为427.0 mm（2012年），最大值为最小值的2.6倍，降水量具有显著的年际性、季节性和区域性变化特征.

三是这个“区域”的大小问题.小范围、小数量、小降深的降落漏斗难以引起区域性地下水位持续下降，只有若干个大降深降落漏斗群组合在一起，才能引起区域性地下水位下降，进而产生地面沉降.

四是区域地下水位持续“下降”，不仅仅是这个“区域”的“开采量大于补给量”引发的，也可能是“区域”背景水位下降与“区域”开采引起的水位下降叠加的结果.这更是增加了准确确定区域地下水位降落漏斗空间形态的难度.

1.3 区域地下水降落漏斗的关注点

目前我国地下水资源的管理和保护，缺乏行之有效的、合理的管理、控制机制.虽然有相关法律法规，也只是笼统地对地下水资源的管理与保护进行了定义，并未详细地说明如何管理、如何保护^[4]，这与对地下水的认识不深刻是分不开的.纵观各类新闻媒体、学术期刊等对地下水降落漏斗的关注，概念是模糊的，如“地下水漏斗”“地下水降落漏斗”“地下水下降漏斗”“区域地下水漏斗”等等，无不从已经产生地质灾害及其防治的角度进行阐述.确切地说，各级政府及不同人群关注的应该是“地下水降落漏斗”发展的中后期--“区域地下水水位降落漏斗”的发展过程.反过来说，各级政府及不同人群关注地下水降落漏斗，是因为其不断发展诱发了对生命财产安全造成威胁或损失的地质灾害或是生态环境问题.

各级政府部门关注地下水降落漏斗，不应只关注抽取地下水产生这种物理现象的本身，而是要关注地下水降落漏斗的发展趋势及其能否产生地质灾害或是生态环境问题，目的在于如何行使水资源管理权，履行灾害治理职责和生态环境保护职能.如，地下水是否超采，如何压采，量是多少；如何进行地下水开发利用管理，避免引发地质灾害；对于已经发生地质灾害的，根据其规模大小、危害程度，如何制定治理规划以及资金需求等等.这就要求水文地质工作者向政府提供的地下水降落漏斗空间分布数据是全面、科学和可靠的，尤其是地下水降落漏斗的发展趋势，是否会产生地质灾害的判断.

水文地质工作者所关注的地下水降落漏斗，实质是关注地下水流场在不同时期的变化，如何建立模型更加准确地对地下水资源进行评价，如何准确地分析判断区域地下水水位降落漏斗的发展趋势，进行地质灾害预报预警，为政府科学地进行地下水资源管理、制定和实施地质灾害防治规划提供依据.

2 地下水降落漏斗产生的危害剖析

区域地下水水位降落漏斗会诱发地面沉降、海水入侵、地面塌陷等地质灾害是毋庸置疑的，也可以产生自然景观损坏、局部地区水资源衰减并伴随地下水污染.媒体和学术论文对地下水降落漏斗的宣传及论述均是从水资源保护和地质灾害防治方面进行的，鲜有在工程地质条件、地下水自然属性、测量时间和范围、中心水位降及致灾机理等多方面进行全方位论证.

前已述及，地下水降落漏斗作为一种抽水产生的现象演变成能产生地面沉降的区域地下水水位降落漏斗，是一个以一定地质条件为背景的量变到质变的过程.地质条件是产生地质灾害的内因，地下水降落漏斗是产生地质灾害的外因.内因是变化的根据，外因是变化的条件，外因通过内因而起作用.即相同的外因，内因不同，变化结果不同.地下水降落漏斗在不同的发展时期、不同的规模及其与不同的地质条件的组合，产生的结果也是不一样的.

2.1 地面沉降

地面沉降是一种危害性严重的地质灾害，是开采地下水或石油、地下矿体及地震液化、深大基坑工程降水、活动断裂等由于地下松散地层固结压缩，导致地壳表面标高降低的一种局部的下降运动.

在平原区，区域地下水水位降落漏斗诱发的地面沉降，其发生、发展与土体的压缩性密切相关.在欠固结和固结地层中，基本不会产生地面沉降.雷坤超^[5]研究了北京平原区地面沉降与地下水的关系.依据土体物理力学性质和埋深条件，北京平原区土体划分为3个主要的压缩层组：第一压缩层组（Q₄+Q₃）为第四系上更新统冲积相、冲湖积相粉土、黏性土层；第二压缩层组（Q₂）为中更新统冲洪积、冲湖积的粉土、粉质黏土、黏土层；第三压缩层组（Q₁）为第四系下更新统河湖相的粉质黏土、黏土层.压缩层组的分布与第四系含水岩组的分布具有明显的对应关系.

2.2 岩溶塌陷

在碳酸盐岩分布区，地面沉降表现为岩溶塌陷.岩溶洞穴、上覆沉积物及地下水构成气体、固体、液体三相力学平衡体系.地下水位下降达到一定幅度，平衡破坏，上覆松散沉积物或岩石盖层突然塌落，形成上大下小的圆锥形塌陷坑.赵辉等研究了华北平原岩溶塌陷分布和发生规律：第四系覆盖层厚度较薄（一般情况下，覆盖层厚度小于30 m），下伏岩溶发育，强烈开采地下水以及降水时空分布的不均，导致地下水水位变动幅度较大，产生渗透潜蚀和真空吸蚀等诱发岩溶塌陷^[6].据研究，地下水位是岩溶塌陷的主控因子^[7].浅埋型岩溶区，地下水位没有下降到岩溶含水层顶板时，一般不发生岩溶塌陷.岩溶地面塌陷区合理的地下水位应控制在岩溶含水层上覆的松散岩类的底板高程之上.由此可以看出，岩溶区地面沉降发生的两个必要条件，一是碳酸盐岩的分布，二是水位降深超过了岩溶含水层上覆的松散岩类的底板高程，而与是否存在区域地下水降落关系不大.

2.3 海水入侵

海水入侵是由于滨海地区地下水位下降，咸淡水界面之间的动态平衡被打破而出现的海水向陆地含水层入侵的现象.地下水位降低是导致海水入侵的重要原因.由海水入侵的机理看出，一是发生在滨海地区；二是水位降深一旦打破了咸淡水界面之间的动态平衡，就有可能产生海水入侵，不再强调是否存在区域地下水降落漏斗.

3 地下水降落漏斗可恢复性分析

地下水降落漏斗是抽水时所产生的的必然现象，在其发展的不同阶段，根据工程地质条件的不同，会产生轻重不同的环境地质问题.若要恢复地下水降落漏斗至初始状态，不外是3种情况.一是限制或停止地下水开采，地下水位可逐渐升高^[7-9]；二是对地下水具有刚性需求、开采量难以减少的情况下，遇连续丰水年，地下水会得到地表水和大气降水的大量补充，地下水位也可大幅度升高^[9-10]；三是采用人工补给的方式增加地下水的储存量，促使水位回升.

地表水和大气降水对地下水的补给能力，可用降雨入渗补给系数来衡量.影响降雨入渗补给系数值大小的因素主要有包气带岩性、微地形地貌、降水量大小和强度、地下水埋深、土壤前期含水量、植被及地表建筑设施等.如，在潜水开采区，尤其是有江河补给的地区，开采第四系地下水产生的降落漏斗，停采或限采地下水，地下水位恢复过程是比较快的；承压水开采区，由于隔水层的作用，如停采或限采地下水，地下水位恢复的过程是缓慢的.

地表水和大气降水对地下水的补给强度受降水周期控制，丰水年对地下水的补给是枯水年的数倍甚至数十倍.

4 地下水降落漏斗分类

基于地下水降落漏斗演变为区域地下水降落漏斗的过程、可能产生的地质灾害和可恢复性分析，有必要按照形成时间长短、开采井数量、危害程度和发展趋势对地下水降落漏斗分类，以澄清人们对地下水降落漏斗的认识，发挥地下水资源的功能，支撑地下水资源开发利用的科学管理.

4.1 按形成时间长短

《中国水利百科全书》 ^[11]根据地下水降落漏斗存在的时间长短分为3种：

1）暂时型地下水降落漏斗：由于开采地下水时的动水位低于含水层的天然水位而形成，停止开采后较短时间即可消失.一般农村居民小型供水井就属此类，开采量小，每日定时供水，水文地质条件不同，开采降深几米至几十米不等，一经停抽，水位很快恢复到初始状态.这类地下水降落漏斗一般不会产生地质灾害.

2）季节型地下水降落漏斗：指在干旱季节因开采而形成，随着雨季的到来，增加了入渗补给量，水位逐渐恢复，下降漏斗则逐渐消失.

3）常年型地下水降落漏斗：该类型地下水降落漏斗分为两种情况.一种是类似于中小型供水源地，不断开采地下水，造成地下水降落漏斗常年存在.由于采补平衡，地下水降落漏斗处于基本稳定状态，一般不会产生地质灾害.另一种是常年超量开采，虽经雨季入渗与漏斗周围地下水的侧向补给，地下水水位有所回升，但降落漏斗依然存在，且不断加深和扩展，形成区域地下水降落漏斗，在未固结地层分布区易产生地面沉降.如宿州地下水降落漏斗^[12]，1993年宿州市中深层地下水漏斗范围为180 km²，2004年漏斗范围达550 km².虽然经过不断减采，2015年仍有浅井143眼，深井246眼，地下水降落漏斗面积仍达65 km²，中心水位埋深大于25 m，水位标高小于0 m.

4.2 按开采井数量

1）单井开采型地下水降落漏斗：抽水井间距很远，几倍、几十倍于影响半径；抽水时开采量小，降深不大，抽水井相互间没有影响，形成暂时降落漏斗；一旦停止抽水，地下水位很快恢复，一般不会产生地质灾害.如，乡镇级集中供水井、村屯供水井.

2）井群开采型地下水降落漏斗：多井抽水产生的地下水降落漏斗.特点是井间距很近，几倍于影响半径，甚至就在影响半径内，井群的分布面积大，几至几十平方千米，开采时间长，开采总量大，形成的地下水降落漏斗面积大，中心水位降大，容易发展成为区域地下水降落漏斗，在工程地质条件脆弱区，极易引发地面沉降地质灾害.如大城市地下水供水水源地.

3）地下水降落漏斗群：若干个距离很近的单井开采地下水降落漏斗或是井群开采地下水降落漏斗构成降落漏斗群.抽水井之间相互干扰，单井出水量不断减少，井深逐渐加大，动水位不断降低.由于地下水降落漏斗的夷平作用^[13]，区域地下水位不断下降，形成区域地下水位降落漏斗.在工程地质条件脆弱区，极易引发大面积地面沉降地质灾害.如华北平原^[14]，浅层地下水降落漏斗呈串珠状分布于太行山和燕山山前平原的工业城市，主要有天竺通州、高蠡肃、保定、石家庄、宁柏隆、肥乡和霸州等. 2005年浅层地下水位最大埋深已达65 m，埋深大于10 m的面积为61802 km²，占全区总面积的44.4%；埋深大于20 m的面积占20.6%.深层地下水已无溢出区，水头最大埋深达110 m.水头低于0 m的面积为87934.14 km²，占总面积的72.2%；水头埋深大于40 m的面积为52499.34 km²，占全区总面积的43.1%.在开采量较大的华北平原中部和东部，形成了天津、宁河唐海、廊坊、青县大成、沧州、冀枣衡、德州景县和滨州等数个深层地下水头降落漏斗群，面积达73288 km²，占总面积的52.6%.这些地下水降落漏斗群对华北平原地面沉降做出了贡献.

4.3 按照危害程度

1）无危害型地下水降落漏斗：单井抽水时形成的暂时降落漏斗，规模小，断续存在，一般不会产生地质灾害.

2）轻度危害型地下水降落漏斗：在工程地质条件较好区（如冲洪积扇地、冲洪积平原），地层固结性较好，压缩层薄或不连续分布，多井抽水时，形成较大面积地下水降落漏斗初期，可能引发小幅度地面沉降，很快地面进入稳定状态，没有对地表建筑产生明显危害（如黑龙江省三江平原建三江地下水降落漏斗）.建三江地区第四系含水层厚度150 m左右，均为冲洪积形成的中粗砂、中细砂，中间无连续分布的可压缩黏土层，虽然灌溉水田已经产生约4000 km²的降落漏斗，但开采条件下漏斗中心水位降仅5 m左右，地下水埋深20 m左右，目前未见明显地面沉降发生.

3）重度危害地下水降落漏斗：多个井群开采形成地下水降落漏斗群，逐渐发展成为区域地下水下降漏斗，在工程地质条件脆弱区，引发不可逆转的地面沉降地质灾害.如北京市平原区562眼（2016年）正在开采的水源井形成牛栏山和天竺-通州两个较大的漏斗和通州侉子店、大兴半壁店以及海淀山后的几个小型降落漏斗^[14-15].截至2013年，北京平原区区域地下水下降漏斗引发的地面沉降量超过50 mm的面积已达4300 km²以上，最大累计沉降量达到1495 mm ^[15].

4.4 按发展趋势

1）缩减型地下水降落漏斗：地下水降落漏斗形成时间较长，分布范围和中心水位降深较大，但是随着地下水开采量的压减，其分布范围和中心水位降深正逐年减少.

2）稳定型地下水降落漏斗：无论是单井还是井群开采，需要持续供水，开采量不增加，当地下水的开采量和补给量达到平衡时，地下水降落漏斗规模不再继续发展，同时没有引发明显的地质灾害.

3）发展型地下水降落漏斗：在地表水资源不丰富地区，经济发展和人们生活水平的提高，对水资源有着刚性需求，地下水开采量有增无减，所形成的地下水降落漏斗在逐年扩大，中心水位和区域地下水位也不断降低.发展型地下水降落漏斗在工程地质条件脆弱区，具有引发地面沉降的风险，应引起各级政府的高度关注.

5 结语

地下水降落漏斗的发生、发展及其是否会产生地质灾害，是以区域水文条件、工程地质及水文地质条件为背景的，过程非常复杂，往往产生地质灾害后才引起关注与重视，关于地下水降落漏斗的分类研究也鲜有报道.本文对其进行分类研究，缺少具有长系列监测数据地下水降落漏斗的数据支持，仅起到抛砖引玉的作用，希望广大水文地质工作者能积极讨论，提出建设性甚至颠覆性意见和建议，以使其分类更合理，地下水资源管理更科学.