世界地下水资源利用与管理现状

世界地下水资源利用与管理现状 郭孟卓 1 赵 辉2 1 水利部办公厅 2 中国地质大学 一 世界地下水资源开发利用概况 20 世纪 80 年代中期 全球地下水开采量约 5500 亿 m3 a 其中美国 中 国 日本 澳大利亚分别为 1135 亿 m3 a 760 亿 m3 a 138 亿 m3 a 和 27 亿 m3 a 到 20 世纪末 全球地下水开采量已经超过 7500 亿 m3 a 近 10 多年中 全球地下水开采量以印度和中国的增长量最大 各国开采地下水的主要用途不 尽相同 如美国 中国 印度 巴基斯坦用于灌溉的地下水量约占地下水总开 采量的 50 以上 而日本和欧共体各国的地下水主要用于居民生活供水 全 球绝大部分城市的供水依靠地下水 美国 50 的生活用水取自地下水 全世界地下水资源总量是比较丰富的 如果不包括冰川和长年积雪 储存 和流动的地下水资源量约占全世界淡水资源的 2 3 每年有 2 5 万亿 m3可更 新的地下水资源 这比目前全世界地下水使用量的 3 倍还要多 根据世界粮 农组织 FAO 的资料显示 俄罗斯联邦使用的地下水资源量还不到每年 9000 亿 m3补给量的 5 西非不到 1 中国可更新的地下水供水量超过 8000 亿 m3 但仅使用了 1031 49 亿 m3 1997 年 即使印度已存在严重的 过量开采问题 但其使用量仍不足其评价的每年 4500 亿 m3补给量的 1 3 从世界范围来看 地下水资源开发利用仍具有一定的潜力 二 世界地下水资源开发利用中出现的主要问题 世界范围内 地下水的开发利用存在三个主要问题 超采 由于排水不足 或地表水 地下水没有联合利用造成的土地盐渍化 因农业 工业和人类活动 造成的地下水污染 1 地下水补给平衡受到破坏 西亚和南亚的地下水问题较为突出 例如也门的地下水开采所产生的问题 已严重影响到人民的日常生活 在高平原区 地下水的开采量已超过补给量的 400 可能是目前世界上全国范围内地下水开采量超过补给量的唯一一个国 家 墨西哥的含水层几乎全部处于强过量开采状态 一个灌区的研究表明 灌 区内 10 个含水层的地下水水位平均下降速度达 1 79 3 3m a 近年来 西亚 西北亚次大陆和巴基斯坦灌溉井的数量每年增加 100 万眼 在大面积范围内 地下水的开采量已超过其年补给量 且这一面积还在逐年增加 在印度南部的 基岩山区 单井出水量在减少 随着井深的加大 地下水的开发费用也在增加 由于地下水的开采 含水层的疏干 印度农业收成的 1 4 受到严重威胁 已 影响到该地区不断增长的人口对水资源的需求 限制了地区的经济发展 在印度的岛屿和西部地区 包括旁遮普邦 哈里亚纳邦和印度的粮食基地 都面临着地下水过量开采的严重问题 该地区的地下水水位已下降到人力提水 设备提不到水的深度 在北古吉拉特邦 30 年前井水位埋深仅 10 15m 但 是现在的机井深度已达到 400 450m 在城市 人口高度密集 城区没有足够的补给 很难满足居民对水资源可 持续供给的需求 如印度西部的艾哈迈达巴德和焦特布尔 印度南部的泰米尔 纳德邦 都支持兴旺发达的私营地下水开发企业 这些企业用管井从近郊开采 地下水供给高收入的人群居住区 造成城区的地下水水位以 7 10ft a 的速度 下降 根据南亚一些国家政府水资源和林业机构的估计 有 400 多个城市靠 地下水供给生活用水 许多沿海城市因过量开采地下水正遭受着海水入侵的威 胁 城市工业化是城区产生地下水问题的主要原因之一 在韩国的一些城市 工业对地下水的开采已使地下水水位下降了 10 15m 2 地面沉降 地下水超采带来的另一个环境问题是地面沉降 在非固结的沉积含水层超 采地下水会引起地面下沉 一旦下沉就不会再回复到它原来的标高 由于超 采地下水 日本在 20 世纪初开始出现地面下沉 地面下沉造成的建筑物毁坏 以及洪水和潮水灾害引起当时公众的广泛关注 第二次世界大战对日本工业的 破坏减少了地下水的开采 地面下沉也因此而一度停止 然而 到 1950 年 工业复兴对地下水的需求又快速增长起来 有些大城市的地面又开始下沉 东 京都 1961 年地面下沉量 18 9cm 1963 年为 19 5cm 千叶县 1970 年地面下 沉量 23 2cm 1972 年为 20 2cm 地面沉降给日本造成了巨大经济损失 也使 日本政府下定决心解决地下水超采问题 3 海水入侵 沿海地区含水层疏干的严重后果之一是海水入侵 在孟加拉国沿海地区 为了灌溉而大量开采地下水 使得含水层发生海水入侵 在印度西部古吉拉特 邦的撒拉萨特海岸 由于私营农场在 20 世纪 60 70 年代之间连续过量开采 地下水 使该地区早期产生了空前的繁荣 然而海水快速入侵了沿海地区的含 水层 在 10 年内入侵陆地的距离从 1km 增加到了 7km 结果使该地区不可 能持续繁荣的 机井经济 快速崩溃 在韩国济州岛 由于工业开采地下水 也发生了海水入侵 4 土地盐渍化 由于地表水和地下水没有联合利用 在印度 土地盐渍化面积约 600 万 hm2 在 12 个主要的灌溉区 设计的灌溉面积为 1100 万 hm2 其中有 200 万 hm2为积水面积 100 万 hm2的土壤盐化区 在巴基斯坦的印度河盆地地下 水水位上升和地下水盐度增加已成为非常重要的问题 5 地下水污染 除含水层疏干 土地盐渍化外 人类活动造成的另一个地下水问题是地下 水污染 含水层的点源和非点源污染问题正遍布全世界 在印度的旁遮普邦 哈里亚纳邦 西拉贾斯坦邦 其主要问题是地下水的盐度增加 在古吉拉特邦 北部和拉贾斯坦邦南部 地下水已被氯化物污染 在土耳其安纳托利亚的 Gediz 盆地 非点源污染物 主要为农用化学物质 已造成地下水质恶化 河 流下游的状况更差 如伊兹密尔和种植草莓的农场主将不使用河水 而改用地 下水 在印度泰米尔纳德邦阿尔果德地区的北部 椰子汁中含有 0 2 的残留 铬 这些铬来源于制革厂的铬制革工艺过程 并污染了当地的地下水 6 生态环境恶化 地下水的无序开采严重影响脆弱的生态环境 约旦艾兹赖格绿洲的瑞玛萨 尔湿地有 7500hm2 为大量珍稀的本地水生和陆地物种提供了一个良好的栖息 地 其绿洲被国际公认为候鸟的主要栖息地 但农业灌溉及安曼城市用水 使 用了大量的机井在上游过量开采地下水 使含水层补排平衡遭到破坏 在20 世纪 80 年代的 10 年内 地下水的过量开采已使浅层地下水水位埋深从 2 5m 增加到 7m 使许多补给绿洲的泉水干枯 其流量从 1981 年的 1000 万 m3下 降到 1991 年的 100 万 m3 其结果是整个生态系统遭到破坏 地下水的盐度从 1200ppm 增加到 3000ppm 绿洲附近的旅游收入明显下降 三 世界地下水资源管理的主要措施 1 技术措施 1 调调水水补补给给 约旦中部的艾兹赖格绿洲 通过联合国开发计划署扶持的项目 从地下水 过剩的开采区将 150 万 200 万 m3的地下水抽出 输送到湖泊中心 结合其 他大量辅助措施 如泉水的清洁和恢复等 使得艾兹赖格湿地恢复了原始魅力 大量的鸟飞回来了 艾兹赖格的旅游收入明显回升 美国加州的圣华金河谷区 随着农业的发展 到 20 世纪 50 年代早期 已有 12 亿 m3的地下水被抽出用 于灌溉 其灌溉用水的回渗已成为地下水的主要补给来源 超过了天然补给量 的 40 倍 承压含水层 30 60m 的降深使其地下水的流向发生改变 许多地区 的抽水扬程增加到了 250m 地面沉降已广泛分布 1967 年以后 政府用税 收的方式来管理地下水灌溉 这些税收可用来从外地调水 地表水灌溉显著增 加 由于地表水灌溉增加了对地下水的补给 同时地下水开采量减少 使地下 水水位抬升 埋深已小于 1 5m 部分地区甚至出现了排水问题 类似的成功 案例还有很多 但都在发达国家 2 雨雨洪洪补补给给 全世界的许多地区 尤其在南亚 已开始加强雨水的就地利用与地下水补 给问题的研究 例如在印度 年降水量的大部分都集中在每年暴雨期的 100 多个小时内 使得地下水很难获得补给 补给区 补给量与可持续的地下水灌 溉程度之间的联系正变得越来越重要 印度已开始大规模地开展集雨和地下水 人工补给工作 在 20 世纪 90 年代的 10 年中 一个重要的改革就是将工作重 点由发展灌溉的预算分配转移到集雨和人工补给上来 在印度南部有 20 万个 池塘 人们正极力建议将这些池塘用运河水将其充满 形成地下水的补给池 在安德拉邦的一个灌溉系统中 建了一个包括 9 个渗透池和 7 个控制坝的试 验性人工补给工程 以增加泉水的停留时间 使雨季后的地下水水位上升了 2 5m 印度中央地下水管理部正在几个地点开展人工补给试验 3 流流域域的的植植被被措措施施 已有研究结果证实 流域汇水区内的植被状况对地下水的补给既有益又有 害 例如 在南非 1000 万 hm2 的土地上 生长着一些外来的杂草 如金合欢 属类 松属类 桉属类 牧豆属类 这些将消耗 33 亿 m3的水 比本地植物 要多消耗掉 7 的全国总径流量 人们认为杂草的生长对地下水的补给构成了 严重的威胁 南非政府水资源和林业部实施了一个特别的长期计划 即 为 了水而行动计划 将外来的杂草除掉 每年的高峰时候 所雇佣的人力达 到 4 2 万人 但完成此项工作需要 20 年或更长的时间 与此相反 人们正在 全世界范围内大力推广种植韦惕蔚草 认为这是减低地表径流速度 增加地下 水补给量的有效的方法 试验结果表明 这种草种植在斜坡上可降低雨水径流 的 70 因为这种草不仅能降低大范围内的径流流速和径流的扩展范围 而 且其茂盛的根系能穿过板结的土壤 改善雨水的入渗条件 2 法律措施 由于地下水资源的重要性和地下水不合理的开发利用所导致的问题 世界 各国都逐渐意识到通过法律手段加强地下水管理的重要性 纷纷制定了地下水 管理相关法律法规 韩国 1994 年颁布了 地下水法 该法明确立法的目的是制定地下水有 效开发 利用 保护和管理等有关事项 促进公共福利的增加和国民经济的发 展 并指出国家的职责是对地下水进行有效的保护和管理 使国民能够使用良 好的地下水 该法对地下水的调查评价和利用规划 地下水开发利用的许可审 批等都做出了详细的规定 20 世纪初 澳大利亚一些州就有地下水的立法 如新南威尔士州 1912 年水法的第五部分自流井部分即规定了有关含水层管理的条款 包括地下水取 用申请许可 地下水量分配以及违反许可的处罚等内容 20 世纪 70 年代后 有关地下水水质管理和污染防治的法律条款出现在澳大利亚各州制定的有关环 境保护的法律法规中 为防止地面下沉 日本于 1956 年制定了 工业用水法 该法规定 在 划定地区内 凡开采地下水供应工矿用水者 必须呈报所属都道府县批准 该 法还为各地区规定了严格的指标 如 东京都要从 1961 年的地面下沉量 18 9cm 到 1991 年不超过 0 8cm 千叶县要从 1970 年的下沉量 23 2cm 到 1991 年不超过 2 4cm 埼玉县则要从 1962 年的下沉量 20 8cm 到 1991 年控 制在 1 3cm 1962 年又制定了 关于限制建筑工程开采地下水法 该法也 划定一些地区 要求凡开采地下水供高层建筑物使用时 必须呈报都道府县批 准 为限制农业用水和生活用水开采地下水 在 1981 年 11 月举行的日本内 阁大臣联席会议上 制定了预防地面下沉的对策纲要 要求各有关地区根据实 际情况推行综合性对策 1985 年 4 月 对浓尾平原和筑后 佐贺平原 制定 了一份 预防地面下沉的对策纲要 后在 1995 年 9 月作部分修订 1991 年 11 月又对关东平原北部制定了同样的纲要 除这两部法规以外 为控制对 地下水的抽取 还有很多地方政府的法规在施行 目前世界上已有多个国家针对地下水资源管理颁布了专门的法律 如韩国 地下水法 1994 年 以色列 水井控制法 1955 年 英国 地下 水管理条例 1998 年 等 美国联邦政府除在 水资源清洁法 Clean Water Act CWA 资源保持恢复法 Resources Conservation and Recovery 等多部法律中对地下水开发利用和保护做出规定外 还专门制定了 V 类地下回灌井控制导则 1999 年 和 地下水规程 2000 年 对 地下水管理问题做出了更明确的规定 一些国家的地方政府也颁布了专门的地 下水管理法规 如在澳大利亚几乎各州都有专门的地下水管理法律法规 地下 水管理单独立法 对于加强地下水资源开发利用管理和保护 具有重要作用 3 政策与行政措施 澳大利亚 20 世纪 90 年代根据可持续发展的理念 通过制定国家水改革 框架政策 国家水质管理策略和水资源评价等重大措施 极大地推动了各州对 地下水的管理 在地下水资源评价中 应用地下水可持续开采量的概念 以此 作为地下水水量管理的基础 并提出地下水可持续开采量与环境生态密切相关 确定地下水可持续开采量时 要考虑保护湿地 植被 水生生物 河流基流 泉水 石灰岩溶洞等依赖地下水而生存的生态系统 在地下水水质管理中 包 括编制地下水易污染性图 建立水源保护区等措施 大自流盆地地跨 4 个州 20 世纪 90 年代后期 建立了统一的协调咨询机构 改变了长期分散管理的状 态 并已经制定和正在实施长期战略管理计划 这些措施为大自流盆地这一大 区域的地下水实现可持续管理创造了良好的开端 与地表水资源的开发利用相 比 世界各国都采取了更加严格的地下水管理措施 德国重新修订的 自然 保护法 中对开采地下水做出了严格限制 规定凡因饮用水供应 灌溉或生 产过程中需开采地下水 必须事先向管理部门提供详细的地质资料 测量数据 生态风险评估报告 施工计划和补偿方案 同时需要证明在现有技术水平下水 的消耗与损失已经尽可能地达到了最少 并且除了地下水外 没有地表水 雨 水集蓄或其他可替代水源 这样 地下水开采许可审批时间将会变长 使开采 成本增加 法国取用地下水时 水价高于地表水 一般根据水源状况 工业废 水的污染程度 供水时间以及为了提高供水质量而采取的供水工程措施的差别 分区采用不同的水费标准 取用地下水时水价标准相当于取用地表水水价的两 倍 4 以水文地质单元为基础进行管理 澳大利亚于 1998 2000 年进行第四次水资源评价时确定了以地下水管理 单元作为评价的基础 在原联邦水资源理事会划定的 61 个地下水管理区的基 础上 根据自然地理和水文地质条件分析 确定了 538 个地下水管理单元 作为评价地下水资源量 地下水的利用和分配的基础 这比原先的地下水管理 区的划分更进了一步 为改善地下水管理提供了良好的基础 美国在 1970 1984 年的 国家水资源概况 项目中 将全国分为 21 个 水资源区域和 352 个水文地质单元 根据对含水层的空间分布和形成条件对 地下水资源的开发和管理进行评价 在 1978 1995 年的 区域含水层系统分 析计划 中 把全国分为 25 个含水层区域 分区有连续成片 如高平原含水 层 和不连续成片 但条件类似的水文