華北平原水資源緊缺情勢與因源

張光輝,連英立,劉春華,嚴明疆,王金哲

(中國地質科學院水文地質環境地質研究所,河北石家莊050061)

0 引言

華北平原位于中國東部,東臨渤海,西抵太行山,北起燕山,南至黃河,地理位置為東經112°30″～119°30″、北緯34°46″～40°25″之間,包括北京、天津、河北平原全部和黃河以北的豫北、魯北平原區,共計21個地市、207個縣,面積13.92×104km2。華北平原是北方經濟發展核心區,水資源緊缺日趨嚴峻。平原區大部分河流長期干涸,地下水超采嚴重,地下水位降落漏斗、地面沉降和海咸水入侵地下淡水體等問題頻發,對該區經濟社會可持續發展產生了一定影響[1-3]。如何理性認識華北平原水資源緊缺情勢及其成因與根源,對于從根本上解決華北平原水資源問題具有重要意義[3-6]。

筆者立足于華北平原水資源可持續利用的理念,從水資源承載能力演化周期性、經濟社會需用水規模難變性和未來水資源供需關系入手,通過梳理華北平原近60年來水資源緊缺情勢及其演變過程,結合未來10～30年區域經濟社會發展需用水量變化趨勢,識別和診斷華北平原水資源緊缺因源。

1 基本理念

實現流域內生活、生產和生態用水彼此互不擠占以及用水總量不大于可利用量是區域水資源可持續利用的基點。當一個區域實際用水量長期大于可利用量,生產和生活用水長期擠占生態用水或大量消耗地下水儲存資源時,則會出現水資源緊缺。表達水資源緊缺狀況的缺水量是一個相對量[5-11],服務于不同目的的缺水量,其內涵存在差異[8,12-14],但與可利用量和需用水量都密切相關[5]。

華北平原水資源緊缺和地下水超采的主要原因有:①區域降水量顯著減少,造成自然資源性缺水[15-16];②水資源管理方面存在缺陷,包括用水量無效增加以及污染導致水資源無法利用等管理性缺水;③人口膨脹、經濟社會發展規模過大,造成對水資源的需求遠超過區域水資源承載力等政策性缺水或稱為認識性缺水。不同屬性的缺水問題,解決對策不同。資源性缺水是不依人的意志為轉移的,惟有外域適量調水才能解決;管理性缺水可通過社會文明進步和科技進步不斷修正;政策性缺水宜因勢利導地進行經濟社會布局和產業結構調整,特別是限制高耗低效用水產業。自然資源性缺水量等于現狀評價均衡期(應為完整水文周期)水資源可利用量減去長系列(30年以上)可利用量,它表明評價期區域水資源承載力衰減程度。政策性缺水量等于超過區域水資源承載力的那部分人口、經濟、社會所必需的用水量,該用水定額符合現狀高效用水評價指標。管理性缺水量等于總缺水量減去政策性缺水量與自然資源性缺水量之和。

2 水資源緊缺情勢

2.1 區域水資源自然特征

華北平原水資源承載能力具有多變性,1956—2009年多年平均總水資源量372×108m3/a,最大為1964年的518×108m3/a,其地下水資源量376× 108m3/a;最小為1999年的182×108m3/a,其地下水資源量 171×108m3/a。偏豐水年(保證率為20%),總水資源量461×108m3/a;枯水年(保證率為95%),總水資源量196×108m3/a。1980—2009年平均水資源量325×108m3/a,相對1956—1979年減少94×108m3/a。

從圖1可見,1979—1984、1992—1994、1997—2003年分別出現連續枯水年份。在天津地區,曾出現5次連續枯水年,其中1978—1984年連續7年枯水期[10-11,14]。河北平原東部地區發生過連續9年的枯水期。相對于 1956—1979年平均降水量,近30年來降水量年均減少74.9 mm,降水資源量減少104.3×108m3/a,累計減少3 128.7×108m3,地下水資源相應減少594.5×108m3。

圖1 降水量年際變化及趨勢Fig.1 Trend and Variation of Precipitation

2.2 需用水嚴峻現實

華北平原人口一直處于增長狀態,1952年人口為0.57×108,至1980年增加到0.97×108,凈增70.2%;2009年人口達到1.33×108,又增37.1%。2030年區內人口將達到1.51×108,城市化率將達到54%。人均水資源占有量從1952年的735 m3/a降至現狀的302 m3/a,2030年將減少到246 m3/a,而中國人均水資源量為429 m3/a。

人口的持續增加,不僅導致人均占有水資源量大幅減少,而且還造成生活和生產用水量不斷增加。其中城市和農村生活用水量由1952年的7.6× 108m3/a增加到1980年的23.7×108m3/a,2000年的51.8×108m3/a,分別增加211.8%和369.7%。2009年總用水量達410×108m3/a,其中農業用水量占64.7%,工業用水量占18.2%,生活用水量占15.9%,生態環境用水量不足10×108m3/a。用水量最高可達430×108m3/a(1997和1999年),2020年需用水量預測為462.5×108m3/a[2]。相對于1980年, 2009年生活用水量增加143.9%。地下水占總用水量的65%以上,其中河北平原占80%以上,淺、深層地下水超采都比較嚴重[1-3]。

農業用水占地下水開采量的70%以上,是華北平原地下水超采的主導因素(圖2)。糧食和蔬菜灌溉用水量不斷增加,加之平原區可用地表水資源日趨減少,直接驅動地下水開采量不斷增大。從圖2可見,近50年來研究區地下水開采量增大與糧食產量之間呈正相關關系。1977年前,每增產10 000 t小麥和玉米,多年平均開采量增加0.14×108m3/a; 1978年以來,每增產10 000 t小麥和玉米,多年平均開采量增加0.04×108m3/a[8-9]。若以1977年的糧食產量和地下水開采量為基數,1978年以來多年平均開采量增加(35.3～36.4)×108m3/a。近20年來,華北平原蔬菜生產灌溉用水量呈顯著增大趨勢。1985年該平原蔬菜灌溉用水量 11.57×108m3, 1995年為 22.81×108m3,2005年為 46.34× 108m3。其中河北平原1985—2007年蔬菜灌溉用水量從5.87×108m3/a增至22.89×108m3/a,凈增289.9%。從圖3可見,以70%的地下水可利用量作為基數,京津以南的華北平原大部分地區農業用水已處于超采狀態,許多地區處于嚴重超采狀態。

圖2 糧食產量和地下水開采量變化Fig.2 V ariation of G rain Yieldand G roundw ater Exploitation

圖3 農業用水超采程度分布Fig.3 Situation of G roundw ater Overexploitation for Agricultural Water

從未來10～30年的需用水量來看,基于可供水量371.8×108m3/a,2020年將缺水91.2×108m3/a (總需水量463×108m3/a)。未來20年和30年(即2030、2040年)的預測需水量分別為483×108m3/a和531×108m3/a,將分別缺水111.8×108m3/a和159.8×108m3/a,如果考慮社會發展和科技進步的節水潛力,則分別缺水 99×108m3/a和 140× 108m3/a(圖4)。即使考慮南水北調工程增加供水量70.3×108m3/a,仍分別缺水28.7×108m3/a和69.7×108m3/a,水資源供需之間緊缺矛盾難以緩解。由于華北平原可利用的地表水資源有限,加之地表水水質普遍較差,由此地下水超采情勢仍然嚴峻(圖5)。

圖4 水資源量供需現狀與未來情勢Fig.4 Situation of Supply and Demand of Water Resources Nowand in the Future

圖5 地下水資源可持續利用情勢Fig.5 Situation of G roundw ater Resources for Sustainable Utilization

20世紀80年代以來,華北平原地下水持續處于超采狀態,90年代末期是華北平原地下水超采最為嚴峻時期(圖5),不僅太行山前平原淺層地下水大規模超采,而且中東部地區深層水超采呈加劇態勢[2,17]。進入21世紀,控制地下水超采問題受到管理部門的高度重視,地下水超采加劇態勢得到遏止,出現緩解跡象,例如滄州深層水漏斗中心區地下水位出現回升。但是,華北平原深層水超采仍然比較嚴重,甚至一些地區深層水開采量呈現日趨擴大的情況。

3 水資源緊缺因源

3.1 界定依據

從水資源自然承載力、人口增加和生產發展對水的客觀需求考慮,華北平原372×108m3/a的水資源量無法滿足“三生水”需求,近10年來平均生活、生產用水總量就已經突破400×108m3/a,大量擠占了生態用水量,呈現政策性缺水特征。

若基于人均1 000 m3水以下為水資源緊缺的國際理念,華北平原水資源所能承載的人口數量是(0.368～0.419)×108,實際為(0.801～0.852)× 108,2030年人口將超標258%～308%。國際公認流域水資源利用率警戒線為30%～40%[18],在半干旱區多采用22%～33%作為預警值[19-21]。若將該指標作為華北平原的生產、生活合理用水的臨界值,則華北平原生產和生活的可利用水資源量為(120～135)×108m3/a,目前超標總水量(287～312)× 108m3/a。若面對華北平原1997—2009年水資源利用現狀的情勢,在未來10年和30年即使實現低耗高效利用水資源和南水北調工程補給,仍將分別缺水28.7×108m3/a和69.7×108m3/a。

3.2 識別與診斷

3.2.1 可變量

從近30年來華北平原水資源承載力變化狀況分析,區域多年平均降水量減少10.4%,地下水資源平均減少26.5×108m3/a,總水資源量減少47×108m3/a (表1),占超標總水量((287～312)×108m3/a)的15.1%～16.4%。

表1 1956—1979年與1980—2009年降水量和水資源衰減量比較Tab.1 Contrast of the Decrement of Precipitation and Water Resources Between 1956-1979 and 1980-2009

從水資源利用水平出發,若按青島或深圳工業萬元產值耗水量12～13 m3,或美國的14.9 m3、日本的18.8 m3標準和發達國家公共用水、農業節水灌溉水平綜合考慮[2,18],未來10～30華北平原年平均每年節水潛力為 69.1×108m3,占超標總水量的22.1%～24.2%,其中生活節水潛力8.1×108m3/a,工業節水潛力18.4×108m3/a,農業節水潛力42.7×108m3/a。

自然資源性缺水占超標總水量的15.1%～16.4%,1980—2009年多年平均自然資源性缺水量47.0×108m3/a,該缺水量是氣候干旱、降水量減少造成的,人類很難改變。管理性缺水占超標總水量的22.1%～24.2%,多年平均69.1×108m3/a(表2)。這部分缺水量可以通過提高水資源利用率和水資源管理水平,在未來10～30年中加以解決。

表2 水資源緊缺屬性構成與對策Tab.2 Property and Countermeasure of Water Resources in Short Supply

3.2.2 難變量與對策

若以近10年生產和生活用水水平(398.3× 108m3/a)推算,4 190×104人口的生產和生活總用水量為135.7×108m3/a。若以2030年水利用效益考慮[22-23],從現狀生產和生活用水量中剔除應節約的管理性缺水量(69.1×108m3/a)和被擠占的城市生態環境用水量(8.9×108m3/a),則生活和生產總用水量為320.3×108m3/a。因人口膨脹導致經濟社會規模過大造成生活和生產所必需用水的超用水量為184.6×108m3/a,占總超標水量的59.3%～62.5%(表3),其中人口增量所需的生活用水增量為33×108m3/a。從經濟社會穩定發展角度考慮,這部分缺水量必須供給,是人類生存和經濟社會發展必須消耗的,而且隨著人口繼續增加和經濟社會發展,這種增長趨勢難以改變[24-26]。除了南水北調工程調一定水量進入華北平原之外,因勢利導優化和逐步調整經濟社會布局和產業結構,將是抑制或削減耗水規模的重要手段,是緩解華北平原水資源緊缺的根本所在。

4 結語

(1)華北平原水資源緊缺的主要成因是經濟社會用水量遠超過區域水資源自然承載力,不是自然資源性缺水,是政策性(或稱認識性)和管理性缺水,具有較大的可調控性。其中,由于近30年來華北平原降水量持續減少,造成地表水資源和地下水資源都相應減少,導致自然資源性缺水占總缺水量的15.1%～16.4%;因水資源管理存在缺陷和相應規章不夠健全,以致無效增加用水量以及污染導致水資源無法利用等管理性缺水占22.1%～24.2%;由于人口數量和經濟社會發展規模過大,導致實際用水量遠超過區域水資源承載力的政策性缺水占59.3%～62.5%。

(2)華北平原水資源有限且不斷變化是自然水循環演化的必然結果。南水北調工程調水進入華北平原只能緩解該平原地下水超采情勢,難以得到根本性扭轉。除非有新增水源調入或華北平原嚴控生活和工業用水量,同時大幅壓減農業用水量,因勢利導優化和逐步調整經濟社會布局和產業結構,特別是灌溉農業進行規?；瘻p蒸、降耗、節水的改造。惟有遵循自然水循環演化規律,依據水資源承載力確定經濟社會需用水規模,大力發展和應用節水技術,加之適宜的外調水工程實施,華北平原水資源緊缺和地下水超采嚴峻態勢可得到有效緩解。

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