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谈海河流域地下水资源状况和保护对策

2021/10/24 阅读:

摘 要:为研究海河流域地下水资源管理和保护的有效措施,本文分析了2000年以来海河流域地下水资源状况,以及影响地下水资源主要因素的作用。从自然条件的角度研究了地下水资源量与降水量的响应关系,从人类活动影响角度分析了地下水供水量和地下水水位的变化趋势,并分析了外调水对地下水置换的作用。结果表明,近年来海河流域地下水资源量减少明显,地下水供水量虽然总体呈减少趋势,但开发利用程度依然很高,地下水水位与开发利用程度相关关系明显。同时,近年来随着南水北调工程通水,外调水对地下水置换作用明显。以此为基础,提出了海河流域地下水资源管理和保护的对策。

关键词:地下水资源;地下水水位;供水量;资源保护;海河流域

20世纪60年代以来,伴随着经济社会快速发展,海河流域水资源需求增长较快。从2000年以来的海河流域历年水资源公报统计数据来看,地下水资源支撑了一半以上的用水需求。由于长期过度开采,流域地下水资源衰减,地下水总储量急剧减少[1]。研究表明,人类活动致使区域地下水补给、径流和排泄条件均发生了变化[2],而大规模开采地下水资源,使海河流域13.2×104km2的平原区浅层地下水水位在1959年至2013年期间累计下降10.99m[3],该区域地下水资源的开发利用处于不可持续状态[4],在流域平原区产生了严重的生态环境问题,如地面沉降、地下水漏斗扩大、水质恶化、咸水入侵等[5],加之海河流域地下水脆弱性比较严重,地下水资源危机已显现[6]。总之,海河流域地下水资源问题应当引起高度关注,有必要对近年来特别是进入21世纪以来的地下水总体状况以及人类活动对地下水的影响进行探讨,为地下水资源管理和保护提供参考。

1海河流域地下水资源总体情况

1.1地下水资源量总体情况

据海河流域2000—2019年水资源公报,2000年以来,流域地下水资源量平均为224×108m3,与1956年以来的多年平均水资源量相比明显减少,减少15%以上(图1)。近20年中的18个年份地下水资源量少于多年平均水平,占比90%。仅有2012年、2016年在多年平均水平以上,主要是因为该两年降水量均在600mm以上,比多年平均降水量增加一成以上。尽管如此,此两年的地下水资源量也仅是略高于多年平均水平,分别仅比多年平均值高6%、3%。近20年来,降水量高于多年平均降水量的年份有7年,其中有5年地下水资源量低于多年平均水平。以上分析表明,2000年以来,海河流域地下水资源量常年维持较低数值,即使在丰水年,转化成的地下水资源量依然较少。流域地下水总体呈现水量少,且资源转化率不高的特点。

1.2对降水的响应

点绘近20年海河流域年平均降水量与年度地下水资源量的关系表明,作为主要的地下水补给源,降水量与地下水资源量呈现出较好的正相关关系(图2)。二者线性相关系数R为0.95。年降水量在400mm左右时,地下水资源量约为150×108m3,降水转化为地下水资源的比例约为11.7%;年降水量在600mm左右时,地下水资源量约为280×108m3,降水转化成地下水资源的比例约为14.6%。因此,降水是影响海河流域地下水资源量最主要的因素。此外,海河流域降水转化成地下水资源的比例不高。

2地下水资源供水变化趋势

2.1地下水供水情况

海河流域地下水供水量近20年总体呈明显减少趋势(图3)。2000—2007年间地下水供水量在250×108m3以上,维持在较高水平。2008—2012年间基本维持在230~240×108m3之间,比以往有所减少。2014年年底南水北调中线通水后,下降趋势较为明显,到2019年流域地下水供水量减少至160×108m3。南水北调通水后,海河流域使用的外调水逐年增加。2014年引黄和南水北调供水量约40×108m3,到2019年引黄和南水北调供水量约110×108m3。期间,海河流域对地下水的开采量呈现出逐年明显减少的趋势。因此,在总体缺水的形势下,外调水对海河流域地下水的置换作用十分明显。

2.2地下水供水比例

与地下水年供水量变化趋势相似,地下水供水量占海河流域总供水量的比例总体也呈下降趋势(图4)。2000—2013年,地下水供水比例基本保持在60%以上,较为稳定。2014年之后所占比例呈明显下降趋势,到2019年,地下水供水量占总供水量的42%。与此同时,随着南水北调中线通水,外调水在总供水量中所占比例逐年上升,从2014年的11%上升到2019年的29%。2014年之前,深层地下水供水量在地下水总供水量中占比在20%以上,其中,2002年占比最高,为28.7%;2014年后降至20%以下,且占比逐年递减,2019年占比降至14.2%。因此,南水北调对优化海河流域供水结构,改善地下水高强度开采的状况具有十分重要的作用。

2.3地下水开发利用程度

20世纪70年代以来,华北地区地下水开采量快速增加[7],海河流域地下水开发利用程度长期维持在很高的强度。近20年来地下水开发强度依然很高,直到近年来才有所缓解,地下水年供水量与各年地下水资源量的对比如图5所示。过去20年,地下水总供水量与地下水资源量的比值为1.03,地下水开采总体仍为“入不敷出”状态。特别是2011年之前,流域地下水供水量一直高于当年地下水资源量,当年地下水资源量基本处于“吃干喝净”状况,且地下水储量资源一直被开采,因此超采现象明显。2012年之后,地下水开采形势有所缓和,地下水总供水量与地下水资源量的比值下降至0.84。每年地下水供水量基本在当年地下水资源量以下,仅在2014年降水量极少的年份超过了当年地下水资源量。2016年和2018年地下水供水量与地下水资源量的比值最小,分别为0.70、0.68。因此,虽然近年来地下水开采强度总体呈减小趋势,但仍有较大的压采空间。

3地下水水位和漏斗区变化趋势

由于多年高强度开采,海河流域地下水水位下降的面积占平原区面积比重较高,地下水水位一直呈现下降趋势。2019年水位降幅超过0.5m的面积为5.54×104km2,占流域整个平原区面积的49%。20年以来,每年均有地下水水位下降的区域。下降区面积同地下水开发利用程度呈现出较明显的正相关关系,相关系数R为0.73(图6)。随着地下水供水量占地下水资源量比例的提高,水位下降区面积总体呈直线增大趋势。因此,地下水开采强度对地下水水位具有十分重大的影响。近20年来,海河流域地下水漏斗区总体仍呈扩大趋势(图7)。2000—2004年漏斗区面积增大较快,从2000年的1.8×104km2增至2004年的2.8×104km2。此后,2005—2013年漏斗区面积较为稳定,维持在2.9×104km2左右。2014年之后漏斗区面积保持在历史最高值,超过3.5×104km2。流域地下水水位下降趋势尚未得到根本遏制。

4对策措施

基于以上分析,海河流域地下水补给主要受天然降水影响,在排泄端受人类开采活动影响十分显著,控制地下水开发利用程度极为重要。应采取多种措施,系统推进海河流域地下水保护和治理,遏制地下水高强度开采态势和地下水水位下降趋势。一是从需求端控制用水总量需求。继续实施华北地区地下水超采综合治理,重点加快推进农业地下水综合治理工作,调整种植结构,增加节水作物比例,压减地下水开采量。持续开展国家和各省节水行动,强化海河流域节水控水,推进农业节水增效、工业节水减排和生活节水降损,深入挖掘海河流域节水潜力。二是从供给端优化供水结构。坚持开源与节流相结合,充分利用中线一期工程、东线一期北延应急供水工程,以及引黄入冀补淀工程、万家寨引黄入晋工程,保障和增加外调水水量,进行地下水开采置换,减少地下水开采。鉴于海河流域长期缺水导致的包气带增厚、河道水流下渗强烈的特点,结合京津冀协同发展六河五湖综合治理与生态修复等行动,持续实施大清河、南运河、白洋淀等重要河湖生态水量调度,通过河湖补水回补地下水。三是从管理端实行动态预警。构建地下水水位监测网,加快推进国家地下水监测二期工程建设,重点加密地下水超采区、生态补水区、生态脆弱区等特殊类型区监测站点。构建地下水动态分析评估和预警系统,建立地下水数字流场模型,实现区域地下水水位预测预警,为地下水超采治理提供信息化支撑。

5结语

对于海河流域的地下水,降水补给因素难以控制,目前唯有控制和引导人类活动,尤其要通过综合施策控制地下水开采量,遏制地下水位下降趋势。对于各种措施作用的量化,也有待进一步通过地下水模拟进行研究,为制定更精确的地下水综合治理方案提供依据。

作者:周根富 解文静 单位:江苏省水利防汛物资储备中心 水利部海河水利委员会

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