華北平原地下水演變機制與調控

石建省, 李國敏, 梁 杏, 陳宗宇, 邵景力, 宋獻方

1)中國地質科學院水文地質環境地質研究所, 河北石家莊 050061; 2)中國科學院地質與地球物理研究所, 北京 100029; 3)中國地質大學(武漢), 湖北武漢 430074; 4)中國地質大學(北京), 北京 100083; 5)中國科學院地理科學與資源研究所, 北京 100101

華北平原地下水演變機制與調控

石建省1), 李國敏2), 梁 杏3), 陳宗宇1), 邵景力4), 宋獻方5)

1)中國地質科學院水文地質環境地質研究所, 河北石家莊 050061; 2)中國科學院地質與地球物理研究所, 北京 100029; 3)中國地質大學(武漢), 湖北武漢 430074; 4)中國地質大學(北京), 北京 100083; 5)中國科學院地理科學與資源研究所, 北京 100101

自20世紀70年代以來, 華北平原長期的地下水過量開采形成了復雜的地下水降落漏斗, 并引發了一系列環境地質問題。為建立區域社會經濟發展與地下水資源與環境之間的協調機制, 國家 973項目“華北平原地下水演變機制與調控”在大量前人研究基礎上, 進一步分析了近50年來地下水動力場演變特征及其對人類活動的響應, 揭示了包氣帶結構變化影響下包氣帶水力參數的變化, 研究了深層地下水開采引起的地面沉降、咸水移動和資源量轉換機理; 利用改進的地下水數值模擬技術, 建立了2001—2010年華北平原地下水流數值模型, 計算了最新的地下水資源量。分析了地下水資源承載力的主要影響因素, 進行了華北平原地下水資源承載力定量評價, 給出了華北平原地下水的優化調控途徑, 目前正在以高精度地下水流數值模型為核心, 模擬各區的地下水優化調控方案。

華北平原; 地下水降落漏斗; 地下水資源管理

華北平原(圖1)是我國重要的政治、經濟和農業區, 20世紀70年代以來, 華北平原地下水經歷了長期的超采過程, 形成了大面積的地下水降落漏斗(張兆吉等, 2009a), 導致地下水資源衰減、地質環境惡化(Liu et al., 2001), 直接威脅到該區水安全、糧食安全和重大工程設施安全(李國和等, 2007), 已成為經濟社會發展的主要制約瓶頸(Foster et al., 2004)。未來社會經濟的發展仍然面臨著兩難選擇: 一方面迫切需要提高地下水資源對社會、政治、和經濟發展的支撐能力; 另一方面, 和諧社會建設又亟需有效地調控地下水的開發利用, 解決與地下水相關的地質環境問題(Liu et al., 2008), 因此, 華北平原很需要探索一條地下水可持續開發利用的科學路徑(Xia et al., 2007)。

在世界范圍內, 像華北平原這樣的大型地下水系統均在當地的社會經濟中起著重要作用, 而強烈開采引起的水位下降也往往是這些地下水系統面臨的共同問題。如美國西部的高平原地下水系統(Sophocleous, 2005), 澳大利亞的大自流盆地(Habermehl, 2006)等。但是, 華北平原地下水系統比上述系統更為復雜, 經受的開采強度更大, 引發的環境問題也更為嚴重。這給華北平原地下水可持續利用問題的解決提出了很大的挑戰。

為此, 國家重點基礎研究發展計劃(“973”)項目《華北平原地下水演變機制與調控》聚焦于二個亟需解決的關鍵科學問題: ①地下水系統結構變異與地下水資源演變機制; ②地下水資源開發-環境變化-經濟發展協調機制, 通過開展四項內容的研究: (a)人類活動條件下區域地下水系統響應; (b)含水層系統結構變異與地下水可利用資源變化機理; (c)地下水-環境-社會經濟系統耦合機制與評價體系; (d)環境、經濟約束下的地下水調控來進一步揭示華北平原地下水復合漏斗形成演變機理, 來闡明人類活動對地下水資源數量與質量的影響機制, 揭示地下水資源開發-環境變化-經濟發展協調機制, 發展和完善人類活動影響下地下水系統演變及相關環境變化的基礎理論。最終建立地下水系統危機臨界識別指標體系和地下水資源承載力評價體系, 提出“地下水復合漏斗”控制與修復理論方法(中國地質科學院, 2014)。項目研究思路見圖2。

圖1 華北平原平面位置圖Fig. 1 Location of the North China Plain

經過四年多的研究, 項目組已經取得了一系列重要進展, 詳情如下。

1 地下水系統結構變異與地下水資源演變機制

1.1 人類活動條件下區域地下水系統的演變

通過華北平原1960年、1980年和2000年淺層地下水資源評價及均衡模式的對比(張兆吉等, 2009a),建立了大規模開采前和大規模開采后的水均衡模式(圖3)。查明了區域地下水系統的演變特征如下。

大規模開采前(1960年左右), 淺層地下水位較淺, 降水入滲補給系數相對較小, 地表水系發達,地下水蒸發強烈, 中東部深層地下水向淺層地下水越流補給; 大規模開采后(2000年), 深、淺層地下水位大幅度下降(圖4), 形成復合降落漏斗。深層地下水不再向淺層地下水補給, 反而接受淺層地下水的越流補給(Shao et al., 2013)。

地下水的水化學組分, 在大規模開采前有明顯的規律性: 山前平原以HCO3型水為主, 中部平原則為 SO4、Cl、HCO3混合型水, 濱海平原則以 Cl及Cl-SO4型水為主(張宗祜等, 1997); 在大規模開采后,水循環條件的改變導致淺層地下水化學特征趨于復雜, 尤其是中部平原, 由早期的HCO3-SO4、Cl-SO4、SO4-Cl混合型水演化為 HCO3-SO4、HCO3-Cl、Cl-SO4、SO4-Cl、SO4、Cl-SO4、SO4-Cl等混合型水,潛水Cl及Cl-SO4型水分布面積大大減小, 地下水趨于淡化, 水化學類型轉化為HCO3或SO4型(張兆吉等, 2009a)。但總體上, 地下水無機化學組分含量從山前至濱海逐漸升高, 水質逐漸變差的趨勢仍然沒有改變(費宇紅等, 2014)。

圖2 項目研究思路框圖Fig. 2 Structure of the study logic of this project

圖3 華北平原地下水循環模式對比(a-1960年; b-2000年)Fig. 3 Comparison of groundwater circulations in the North China Plain (a-1960; b-2000)

1.2 包氣帶結構變異與地下水補給演變

華北平原長期超采地下水導致水位持續下降,飽水帶向包氣帶轉化, 形成厚度大、非均質性更為復雜的包氣帶; 同時, 土壤的釋水改變原有的應力狀態, 土壤物理結構、土壤水力參數發生了改變,從而影響降雨或灌溉水的入滲補給(Liang et al., 2010)。本項目利用大規模示蹤試驗, 獲得了一系列入滲補系數, 經計算, 山前平原平均補給量13.7～564.3 mm/a , 平均補給系數為0.17; 中部平原年均補給量 11.9～191.7 mm/a, 平均補給系數為0.097(Wang et al., 2011)。灌溉是產生垂向補給的主要驅動力, 灌溉量越大, 對地下水的補給量也越大(Lu et al., 2011)。隨埋深的增大, 補給系數與地下水位埋深的關系不再明顯。華北平原平均補給系數為0.9, 實驗結果為0.16。近50年來, 根區土層滲透系數的變異性對潛在補給量的影響較大, 根區以下土層(2 m以下)滲透系數的變異性對潛在補給量影響較小。當包氣帶厚度小于5 m時, 實際補給過程與降雨事件響應明顯。入滲補給隨地下水位埋深的增大, 補給系數與地下水位埋深的關系不再明顯(Huo et al., 2014)。在地下水埋深大于土壤蒸發極限埋深的情況下, 巖性非均質對多年平均補給量無顯著影響(Lu et al., 2011; Zha et al., 2013; 霍思遠等, 2013)。示蹤劑方法是確定深厚包氣帶區地下水補給的可靠技術, 利用該技術研究了華北平原淺層地下水的影響因素、補給過程和分布特征。根據示蹤劑的實驗成果和理論研究, 發現在地下水的深埋區, 包氣帶厚度的變化對地下水垂直補給量影響不大, 地下水補給量主要決定于淺層水分平衡過程和土壤特征,包氣帶厚度增大將使得地下水補給過程產生滯后并變化平緩(譚秀翠等, 2012; Huo et al., 2014)。

圖4 1984—2003年華北平原淺層地下水水位變差圖(張兆吉等, 2009b)Fig. 4 Shallow groundwater level variation graph in the North China Plain from 1984 to 2003(ZHANG et al., 2009b)

1.3 弱透水層壓縮與地面沉降機理

地下水的嚴重超采使華北平原的北京、天津、衡水及滄州等地都出現了嚴重的地面沉降現象(何慶成等, 2006)。同時工程建設也成為影響地面沉降的一個重要人為因素(龔士良, 2008; 楊少華, 2009),認識和區分這兩種作用對地面沉降發生的影響, 對評估地下水開采引起的地面沉降具有重要意義。為此, 我們以天津濱海新區為典型研究區, 建立了三維地下水滲流場與應力場耦合模型, 對高層荷載和地下水開采雙重作用下地面沉降的演化規律進行了模擬, 識別出濱海新區地面沉降演變的時空特征, 即: 濱海新區地面沉降的發生與發展與地下水開采關系非常密切。持續開采一年后井300 m以內為劇烈沉降區, 距井口超過600 m, 沉降趨于平緩。高層建筑荷載引起的地面沉降范圍很小, 局限于高層建筑物 200 m范圍, 并且與建筑物的高度有關(Ma et al., 2011)。地面沉降過程中, 在固結初始階段, 非結合水首先滲出, 隨著固結時間的延續, 有效應力相應增高, 當有效應力超過微孔隙層次的結構強度時,孔隙瞬間被壓縮, 孔隙水壓力驟然升高, 弱結合水突然釋出, 致使固結速率加快, 土體結構經過調整后, 完成黏性土釋水。

1.4 弱透水層在咸水越流中的作用

華北平原第四系含水層具有上咸下淡的結構,長期開采深層淡水, 導致淺層咸水越流量增加, 但目前并未發現大面積的深層地下淡水礦化度明顯增加的現象, 水文地質學家們提出了弱透水層“半透膜效應”的阻鹽作用(王家兵, 2002)。本次研究通過采用密閉的原狀土入滲裝置開展了不同密度的原狀粘土越流試驗得到如下認識: (1)越流過程中粘性土弱透水層存在半透膜超濾鹽分的現象; (2)超濾鹽分的容量隨著弱透水層的持續壓縮而減小; (3)當超濾容量達到某一臨界值時, 發生咸水穿透。上述認識說明: 隨著華北平原水位持續下降, 地面沉降持續發展, 粘性土弱透水層的半透膜超濾鹽分的能力將逐漸降低, 最終將有可能發生咸水突破而影響深層承壓水的開發利用。

1.5 深層地下水漏斗演變與更新性

以滄州為主要研究區, 詳細研究了深層地下水漏斗的演變過程: 1964年以前地下水開采量很小, 地下水流場基本處于天然狀態, 1965年以后, 隨著地下水開采量的增加, 地下水降落漏斗的擴大速度逐漸加快, 到 2000年左右達到頂峰, 隨后地下水開采量趨于穩定或減少, 漏斗水位逐漸回升(韓占濤等, 2013)。

以地面沉降嚴重并且監測比較完善的天津市平原區作為典型區, 建立該地區地下水流-地面沉降數值模擬模型(李文運等, 2012; Cui et al., 2014), 模擬區面積1.1×104km2, 垂向上分為6個含水層組, 網格剖分大小為500 m×500 m。通過11年的地下水位、地面沉降監測數據識別模型, 運用模型分析人類大規模開采深層水條件下地下水資源量的組成及其變化。結果表明: 上部潛水通過弱透水層對深層地下水補給, 占開采量的40%; 壓縮釋水量約占開采量的比例平均為33%, 隨著抽水時間的延長, 壓縮釋水量占總開采量的比例略微減小; 通過外圍邊界側向流入天津市深層含水組的地下水可以占到開采量的24%。

1.6 華北平原地下水資源評價

在前期工作的基礎上(Wang et al., 2008; Shao et al., 2013), 運用地下水模擬軟件MODFLOEW建立了長序列華北平原地下水流數值模擬模型, 結合地下水模擬的并行算法(黃林顯等, 2012; 程湯培等, 2013; Cheng et al., 2014)、區域地下水開采估算(李玲等, 2013)等研究。以該模型為主要手段, 分析了華北平原地下水均衡、評價了地下水資源量。結果表明, 2001—2010年華北平原地下水淺層年均總補給量為 243×108m3/a, 總排泄量為 262×108m3/a,目前人類活動條件下, 地下水開采量是主要排泄項, 占總排泄量的 66.0%。多年地下水補排差為-19×108m3/a, 華北平原淺層水總體處于超采狀態。深層水的補給來自潛水含水層的越流和側向流入, 為25.5×108m3/a, 排泄量為43.1×108m3/a, 其中地下水開采量為42.7×108m3/a, 是深層水的主要排泄項。地下水補排差為-17. 6×108m3/a, 處于嚴重超采狀態。此外, 本研究還分行政區、水文地質單元、礦化度對地下水補給資源量和可開采資源量進行了評價, 為地下水資源調控提供了重要基礎數據。

2 地下水資源開發與環境、經濟協調機制

2.1 地下水資源開發及其資源環境效應

長期、大規模的地下水開采不但使地下水流場發生了劇烈改變, 而且引起了一系列環境效應, 如濕地面積大幅度減小(喬光英等, 2010), 嚴重的地面沉降和地裂縫(何慶成等, 2006; 李世雄等, 2006),嚴重的海水入侵等(左文喆, 2006)。

為此, 我們抓住華北平原的主要耗水因素, 分析了農業生態用水對地下水位變化的影響, 闡明了主要農作物耗水規律, 并提出了最佳灌溉模式。經計算, 最佳灌溉模式可減少22%左右的農業用水量。

為建立地下水開發與經濟發展相互關系, 我們分析了人口、土地利用和工農業發展歷程與地下水開發利用數據, 闡明了地下水開發利用與近50年社會經濟發展的互動關系。我們還系統分析了環境問題(海水入侵、土壤鹽漬化和地下水污染)與地下水的關系, 闡明了再生水利用對地下水環境影響程度。

2.2 華北平原地下水資源承載力及可調控途徑

2.2.1 地下水資源承載力概念

為實現地下水資源的可持續利用, 應當確定合理的地下水資源承載力。前人根據不同地區不同的約束條件, 提出了不同的地下水資源承載力概念和評價方法(張鑫等, 2001; 王順久等, 2004; 萬星等, 2006; 董克剛等, 2008)。然而, 針對華北平原特有的社會經濟結構和水文地質條件, 前人提出的地下水資源承載力概念和方法并不太適用。

為實現華北平原地下水資源的可持續利用, 我們提出了綜合考慮地下水資源的自然屬性、環境屬性和社會屬性的地下水資源承載力的概念。地下水資源承載力即在一定發展階段下, 以可預見的技術、經濟和社會發展水平為依據, 以可持續發展為原則, 以地下水最大可利用量為前提, 地下水資源對區域社會經濟發展的最大支撐能力。地下水資源承載力具有動態性、可調控性和有限性。

2.2.2 華北平原地下水資源承載力評價

(1)地下水資源承載力評價方法

將地下水資源承載力簡化為地下水最大可利用量和用水效率的函數, 建立了地下水資源承載力靜態評價方法, 提出了以地下水資源開采程度(RQ)和社會經濟發展程度(RG)關系為核心、以區域最優用水效率為統一標準的多地區地下水資源利用與社會經濟發展狀況動態評價方法。

圖5 現狀條件下(2000年)華北平原各地市地下水對社會經濟承載能力Fig. 5 Groundwater resources carrying capacities of cities in the North China Plain (2000)

圖6 華北平原各地市RG-RQ關系圖(2000年)Fig. 6 The relationship between the extent of groundwater exploitation (RQ) and the economic development (RG) in the North China Plain (2000)

(2)華北平原地下水資源承載力靜態評價

根據 2000年的社會經濟發展狀況及耗水量統計數據(包括產業結構、用水結構、耗水水平、地下水在不同行業之間的分配比例等), 華北平原各地市地下水可安全承載的 GDP規模以北京市最大, 為1145億元, 東營市最小, 不足3億元。其由大到小的排序見圖5。

(3)華北平原地下水資源利用與社會經濟發展狀況評價

圖 6為2000年華北平原各地市地下水開采程度(RQ)與地下水支撐的經濟發展程度(RG)關系圖。德州、保定、聊城、濮陽、新鄉等位于 I區, 說明該五個地區地下水開發利用程度較低, 經濟發展基本不受水資源制約; 焦作、鶴壁、廊坊、衡水、邢臺、安陽、秦皇島、邯鄲、濱州等位于II區, 表明該九個地區已發生地下水超采, 經濟發展實際并未超載, 經濟發展受到水資源制約; 石家莊、滄州、唐山、北京位于III區, 表明該四個地區不僅發生了地下水超采, 而且也出現了經濟超載現象, 經濟發展受到水資源的嚴重制約。

2.2.3 提高地下水資源承載力的可能途徑

由前所述, 地下水資源的承載力是地下水資源可利用量和用水效率的函數, 因此, 提高地下水資源承載力的途徑從兩方面考慮: 提高地下水可利用量和提高用水效率, 而后者的效果更顯著。對于華北平原而言, 提高地下水可利用量的主要途徑包括:山前人工雨洪調蓄、中東部平原發展淺層弱滲透含水層淡水開采技術和微咸水改造利用技術等; 提高水資源利用效率的途徑包括: 發展農業節水、提高工業用水重復利用率、調整產業結構、改變經濟增長模式、提高公眾節水意識等。

3 環境、經濟約束下的地下水調控

3.1 華北平原地下水臨界水位

為合理開發利用、有效保護地下水資源, 在某一地區, 對于特定的地下水開采目的層確定合理的地下水開采控制水位, 即為臨界水位, 以防止由于過量開采地下水對地下水流系統自身及周邊環境引發破壞作用。

利用中國地質環境監測院華北平原地區國家級和省級近 20年的水位長序列監測數據, 分析確定了研究區淺層和深層地下水的臨界水位(圖7, 8)。

圖7 華北平原淺層地下水臨界水位Fig. 7 The critical groundwater level of shallow aquifer in the North China Plain

圖8 華北平原深層地下水臨界水位Fig. 8 The critical groundwater level of deep aquifer in the North China Plain

3.2 地下水調控

基于上述研究成果, 我們正在以新建立的地下水數值模型為核心, 以確定的各區地下水位約束值為約束條件, 考慮《海河流域綜合規劃(2011—2030年》及南水北調輸入水量的變動, 以及各種節水、優化開采和回補方案, 模擬和預測 2011—2015年, 2016—2020年, 2021—2030年, 2031—2050年四個時段的地下水開采方案、所能提供的水資源量, 以及地下水流場的變化情況, 并將在此基礎上提出各區合適的地下水開采量及開采方案。

4 結論

華北平原地下水系統在經歷 40余年的大規模開采后, 已經發生了劇烈變化。深、淺層地下水均由于過量開采而形成大面積降落漏斗。這一改變伴隨著地下水流系統參數和水質的變化, 以及由此引起的一系列環境問題。淺層地下水的補給由原來受地下水位影響而變成較穩定的補給。深層地下水位下降, 引起淺層地下水向下越流補給, 咸水下移,弱透水層壓縮和地面沉降, 以及海水入侵。為保證華北平原地下水可持續利用, 建立了高精度地下水流數值模型, 重新評價了地下水資源, 提出了適用于華北平原的地下水資源承載力評價方法, 正模擬地下水資源優化調控方案, 尋求可持續發展的地下水資源利用途徑。

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Evolution Mechanism and Control of Groundwater in the North China Plain

SHI Jian-sheng1), LI Guo-min2), LIANG Xing3), CHEN Zong-yu1), SHAO Jing-li4), SONG Xian-fang5)
1) Institute of Hydrogeology and Environmental Geology, Chinese Academy of Geological Sciences, Shijiazhuang, Hebei 050061; 2) Institute of Geology and Geophysics, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100029; 3) China University of Geosciences(Wuhan), Wuhan, Hubei 430074; 4) China University of Geosciences(Beijing), Beijing 100083; 5) Institute of Geographic Sciences and Natural Resources Research, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100101

The long-term overexploitation of groundwater in the North China Plain has produced complicated groundwater depression funnels and caused a series of environmental problems. To realize the harmonization between the regional economic development and the groundwater resources and environment, researchers have implemented since 2010 the project “Evolution Mechanism and Management of the Groundwater in North China”, which is a National Basic Research Program (973) of China. On the basis of numerous previous studies, the evolution of groundwater flowing field and its response to human activities in the past 50 years were analyzed, and the change of water flowing parameters and the structure of vadose zone were investigated. The evolution of ground depression, the movement of saline water bodies, and the composition of deep groundwater were studied. A high resolution numerical groundwater flow model was built up based on renewed data between 2001 and 2010 and improved groundwater modeling technologies. Based on this model, the authors calculated the up-to-date amount of groundwater resources. The groundwater resources carrying capacities (GRCC) were assessed and the main factors affecting the GRCC were analyzed. The optimizing solutions for the management of the groundwater resources in the North China Plain were put forward and were modeling by the newly-built high resolutiongroundwater flow model.

North China Plain; groundwater depression funnel; groundwater resources management

P588.247; P534.42

A

10.3975/cagsb.2014.05.01

本文由國家重點基礎研究計劃(“973”)項目“華北平原地下水演變機制與調控”(編號: 2010CB428800)資助。獲中國地質科學院 2013年度十大科技進展第四名。

2014-04-14; 改回日期: 2014-05-18。責任編輯: 閆立娟。

石建省, 男, 1962年生。研究員, 博士生導師。長期從事地下水資源調查評價、中國黃土研究、脆弱帶地質生態學等研究。E-mail: tiger7886@263.net。