华北平原浅层地下水的开发利用

华北平原浅层地下水的开发利用

地下水资源是中国北方最重要的农业、工业和家庭供水资源。在华北平原,地下水利用量达到总用水量的近70%,在保障我国北方地区经济社会的快速发展和农业稳产高产中发挥了重要作用。但随着地下水开采强度持续加大、地表拦蓄工程增加等人类活动的影响,以及对地下水开发利用进行统一规划和有效管理的理念不强,地下水持续高强度开采引起的含水层枯竭、地下水污染、地面沉降、地裂缝、土壤盐渍化、土地沙化、海水入侵、植被枯减等一系列生态环境地质问题日趋严重。华北平原区内已有多个地区(包括按行政区、水文地质分区或流域)开展了地下水资源可持续利用与开采潜力评价,如北京市、河北省、山东省、河南省等局部地区,但缺乏对整个华北平原浅层地下水开采潜力的整体性和系统性认识。因此,针对地下水持续性大规模开发利用引起的水文地质环境问题日益突出的现状,对整个华北平原进行地下水资源开采潜力评价与可持续利用潜力分析,对合理使用与调配地下水资源、减缓水文地质环境问题具有重要的现实意义。本文基于“华北平原地下水可持续利用调查评价”项目研究资料与成果,以行政区为单元进行计算和分析,对整个华北平原地下水资源量及其可持续利用潜力进行评价。本研究成果将有助于加强华北平原近20年的地下水资源管理、规划与调配,为实现华北地区的水资源优化配置、经济社会的可持续发展提供指导。1研究领域的总结1.1华北平原地下水概况华北平原位于中国东部,东临渤海,西抵太行山,北起燕山,南至黄河;包括北京、天津、河北等省(市)的全部平原及河南省、山东省的黄河以北平原,面积1.392×105km2。年均降雨量500~600mm。在地貌上,从山麓至渤海海岸,分为山前冲积洪积倾斜平原(下称“山前平原”)、中部冲积湖积平原(下称“中部平原”)、东部冲积海积滨海平原(下称“东部滨海平原”)3部分。在本文中,考虑黄河对沿黄平原水文地质条件和地貌形成的影响,另将沿黄平原及古黄河影响带单独划分为黄河冲洪积平原。华北平原广泛分布松散岩类孔隙地下水。含水层岩性从山前平原的卵砾石、中粗砂、中细砂,到中部平原的中细砂、细砂、粉细砂,逐渐过渡为海积平原粉细砂、粉砂。根据埋藏条件、循环特征和滞留时间,可将华北平原地下水划分为浅层地下水和深层地下水。浅层地下水一般分布于地表以下50~210m(山前平原多在120~210m,中、东部平原多在50~120m),深层地下水的底界埋深由山前的100m到东部平原逐渐增加到600m左右。1.2浅层开采量分析受水文地质条件影响,华北平原浅层地下水开采区主要沿燕山、太行山呈带状分布,即沿北京—保定—石家庄—邢台—邯郸—鹤壁—新乡等山前平原一带为浅层地下水开采地区,包括北京市、河南省以及河北省山前平原地带。区内主要开采矿化度小于1guf0d7L-1的浅层地下水。根据调查与收集资料,统计表明,华北平原浅层地下水年均开采量185.24×108m3uf0d7a-1。其中,北京平原为25.21×108m3uf0d7a-1,全部为矿化度<1guf0d7L-1的地下水;天津平原为2.27×108m3uf0d7a-1,矿化度小于1guf0d7L-1的地下水占69.60%,为1.58×108m3uf0d7a-1;河北平原为108.21×108m3uf0d7a-1,矿化度小于1guf0d7L-1的地下水占62.71%,为67.86×108m3uf0d7a-1;豫北平原为28.03×108m3uf0d7a-1,矿化度小于1guf0d7L-1的地下水占83.38%,为24.55×108m3uf0d7a-1;鲁北平原为21.52×108m3uf0d7a-1,矿化度小于1guf0d7L-1的地下水占30.48%,为6.56×108m3uf0d7a-1。2研究区域内平坦地下水的开采2.1浅层地下水补给量地下水开采资源量指在一定的经济技术与环境约束条件下可以持续开采利用并不致发生环境地质问题的地下水水量。在华北平原,浅层含水层开采条件较好,地下水开采资源用多年降水系列条件下的地下水总补给量减去不可袭夺的排泄量来确定。华北平原浅层地下水总补给量包括大气降水入渗、河流入渗、渠系入渗、地表水灌溉入渗、山前侧向径流、越流等补给项。大气降水利用华北平原各区1956—2003年大气降水系列资料,其他补给项利用1991—2003年系列资料。区内不可袭夺的排泄量包括越流量、侧向流出量及东部有咸水区受水质、开采技术条件和水文地质条件限制不能完全袭夺的蒸发量。基于水均衡法,采用传统水文地质计算方法计算上述各要素。在计算过程中,在综合梳理1956—2003年40年来在华北平原开展的水文地质工作中所获取的水文地质参数与资料基础上,补充抽水试验、降水入渗试验、灌溉回渗试验、河流渗漏试验等工作,系统调整、修正了相关水文地质参数,进行各要素的计算,并通过地下水动态资料计算相应年份储存变化量分析各要素计算结果的合理性。2.2地下水开采量分布区域计算结果表明(图1,表1),华北平原浅层地下水总开采资源为202.94×108m3uf0d7a-1,开采资源模数(即单位面积上的开采资源量)为14.58×104m3uf0d7a-1·km-2。从区域分布上来看,华北平原浅层地下水开采资源分布较不均,呈西部山前平原及沿黄平原高、中东部平原低的规律。从行政分区上来说,河北平原浅层地下水开采资源量最高,为99.49×108m3uf0d7a-1,但其开采资源模数较低,为13.60×104m3uf0d7a-1·km-2,仅高于山东(黄河以北)的12.07×104m3uf0d7a-1·km-2和天津的9.05×104m3uf0d7a-1·km-2。河北平原开采资源空间分布极为不均,除秦皇岛外,分布在山前平原的石家庄、唐山、邯郸、邢台、保定等地区浅层地下水开采资源量都在10×108m3uf0d7a-1以上,且开采资源模数都较高,最高的保定地区达25.48×104m3uf0d7a-1·km-2,最低的邢台地区为13.14×104m3uf0d7a-1·km-2;而秦皇岛平原区虽然开采资源量少,但其开采资源模数却较高,为22.62×104m3uf0d7a-1·km-2,仅次于保定。而位于中西部平原的衡水、沧州、廊坊等地区开采资源量与开采资源模数均较低。天津平原浅层地下水开采资源量为9.74×108m3uf0d7a-1,其与开采资源模数均为研究区内最低。豫北平原、鲁北平原开采资源量相近,但前者的开采资源模数普遍高于后者,但空间分布均一性则后者好于前者。北京平原浅层地下水开采资源模数全区最高,为35.34×104m3uf0d7a-1·km-2。从水文地质分区来说,开采资源模数较大的区域主要分布在燕山西部—太行山中北部的山前平原、区内黄河中上游的冲洪积平原,开采资源模数多在20×104m3uf0d7a-1·km-2以上。其中太行山—燕山山前平原北京段浅层地下水开采资源模数最大,局部达到41.39×104m3uf0d7a-1·km-2。中西部平原区浅层地下水开采资源模数普遍较小,多在10×104m3uf0d7a-1·km-2以下,尤其位于中东部冲湖积-冲海积平原的沧州地区开采资源模数最小,为4.70×104m3uf0d7a-1·km-2。从水质分布来说,区内开采资源以淡水(矿化度<1guf0d7L-1)为主,其资源量为65.47×104m8uf0d7a-1,占总开采资源量的57.10%,在整个区域内分布。其次为微咸水(矿化度1~3guf0d7L-1),其资源量为65.47×104m8uf0d7a-1,占总开采资源量的32.26%,主要分布在山前平原的唐山、邯郸、邢台,黄河冲洪积平原的新乡、濮阳、聊城、德州、滨州、济南,中部冲湖积平原的衡水、廊坊及东部冲海积平原的沧州、天津等地区;咸水(>3guf0d7L-1)占总开采资源量的10.64%,主要分布在燕山山前平原的唐山,黄河冲洪积平原滨海段的滨州、东营以及东部冲海积平原的沧州、天津等地区。3平坦地下水的开采潜力和可持续利用3.1地下水潜力系数评价地下水开采潜力指在开采条件下,相对于地下水开采层的开采资源评价量的可扩大开采资源量和开采盈余量。采用《地下水潜力评价技术要求》(GWI-D4)中的地下水潜力评价方法,按地下水潜力系数进行评价。该方法在国内应用较为广泛。评价时本文着重考虑开采盈余量[包括微(半)咸水和咸水的可扩大开采量],对于依靠环境容量可扩大开采资源量本处暂未考虑。具体方法如下:1水下开采量测定式中:α为地下水开采潜力系数;Q开采为地下水开采量(108m3uf0d7a-1),取多年平均开采量;Q开资为地下水开采资源量(108m3uf0d7a-1)。22地下水开采潜力评价分类依据表2对开采潜力系数计算结果进行评价分级。3.2地下水开采量潜力以资料较为完整的2003年开采量(表3)为基准,采用式(1)计算地下水开采潜力系数,并依据表2进行评价分析。浅层地下水潜力系数计算与评价结果见图2及表4、表5。浅层地下水开采潜力计算与评价结果表明,华北平原浅层地下水开采潜力系数为1.15,总体上采补平衡,开采潜力一般。但因浅层地下水资源分布不均,开采资源潜力也表现出空间分布的差异性,总体上呈由西部山前冲洪积平原—中部冲湖积平原—东部冲海积平原及黄河影响带逐渐增大、开采潜力由无到一般再到大的特点(图2),即山前平原浅层地下水开采程度高,基本已无开采潜力;向东到中东部平原受咸水分布影响,向南到黄河冲洪积平原受黄河供水影响,浅层地下水开采程度较低,开采潜力较大。从行政区划上来看,各省市均有超采、采补平衡区。北京平原地下水开采潜力系数为0.88,开采潜力一般。天津平原浅层地下水开采潜力系数4.18,开采潜力大,可扩大开采。受浅层咸水资源开采潜力较大的影响(>3guf0d7L-1的咸水开采潜力系数为4.2),河北平原浅层地下水开采潜力系数为0.98,总体上采补平衡,无开采潜力,但其局部地区淡水资源处于超采乃至严重超采状态,如石家庄、邢台、沧州、廊坊、衡水等地区,需严格控制开采,而唐山、秦皇岛、邯郸、保定等地区基本处于采补平衡状态,可维持现状开采。豫北平原浅层地下水开采潜力系数1.23,总体开采潜力大,除安阳为超采区,开采潜力一般,需适度控制开采外,其他地区均可适度扩大开采,尤其濮阳、新乡地区,开采潜力系数皆为1.52,开采潜力大,可扩大开采。鲁北平原浅层地下水开采潜力系数1.90,总体开采潜力大,除聊城开采潜力一般可维持现状开采状态外,其余地区开采潜力均为大,可扩大开采。从不同水质浅层地下水的开发利用角度来看,浅层地下淡水(<1guf0d7L-1)开采潜力系数仅为0.96,开采潜力一般,为超采状态,仅能维持现状开采。但微咸水(1guf0d7L-1≤矿化度<3guf0d7L-1)、咸水(矿化度>3guf0d7L-1)开采潜力分别为较大、大,尤其咸水开采潜力系数为7.27,开采潜力大,在技术条件允许的情况下,可以扩大开采。3.3浅层地下水开采量潜力分析水资源的可持续利用,即是要实现水资源的永续利用,以支持经济社会的可持续发展,其实质就是实现经济社会与环境之间的协调发展和良性循环。因此,通过地下水开采潜力评价来探讨地下水的可持续利用潜力,即评估地下水的开发利用是不是永续的、不引起环境地质问题的。从华北平原浅层地下水开采潜力评价结果(表5)可以看出,区内浅层地下水已基本无开发利用潜力,尤其浅层淡水,局部地区超采现象严重,已经造成了浅层地下水降落漏斗、地裂缝、生态植被恶化等环境地质问题。随着农业、经济和城市的快速发展,华北平原地下水需求将进一步增大,水资源紧缺问题也将更加突出。因此,在无有效措施的情况下,华北平原浅层地下水的可持续利用潜力不容乐观。由于浅层地下水开采潜力分布不均,其可持续利用潜力也具有区域差异性。从行政区划上来看,北京平原浅层地下水仅能维持当前开采状态,对区内经济、城市的快速发展所带来的用水需求的增加,将难以支持。天津平原浅层地下水开采潜力大,在合理规划的基础上能够通过扩大开采来满足用水需求的适当增加,可持续利用潜力较大;尤其位于北部山前平原包括蓟县、宝坻北部的全淡水区,地下水补给条件好,循环交替积极,有较大的可持续利用潜力,可进一步扩大开采。河北平原局部超采,尤其浅层淡水,超采严重,如石家庄、沧州、廊坊、衡水等地区,已经形成水位降落漏斗,显然已无可持续利用的潜力,必须控制开采,以缓解地下水环境恶化态势;其他地区也仅为采补基本平衡,可持续利用前景堪忧;有研究人员采用模糊数学方法对河北平原水资源与社会经济协调发展进行评价,其结果也表明河北平原水资源总体上与国民经济和社会发展已处于明显不协调状态。豫北平原除安阳地区外,浅层地下水尚有进一步开采的潜力,其可持续利用潜力较大,尤其黄河影响带,傍河开采可激发黄河水的侧渗补给,从而增大其可持续利用潜力,并可改善地下水质。鲁北平原浅层地下水开采潜力大,是区内浅层地下水可持续利用潜力最大的地区,尤其滨州地区,由于浅层地下水开采程度较低,开采潜力大,且由于地下水位埋深多在2~3m,蒸发作用强烈,造成地下水资源蒸发浪费,通过适当扩采,既能减少蒸发浪费,又能进一步增大浅层地下水可持续利用潜力。就不同水质地下水的利用前景来看,浅层地下淡水基本已无开采潜力,仅能维持当前农业、经济社会发展水平,但在用水增加的情况下,将不具有可持续利用潜力;微咸水、咸水开采潜力(较)大,在技术条件成熟的前提下,可以进一步增大开发利用率,尤其河北平原,微咸水(1~3guf0d7L-1)、咸水(>3guf0d7L-1)分布区面积大,分别为30875km2、10519km2,总开采资源量近35×108m3uf0d7a-1,如能合理开发,加大开采,不但能够极大缓解河北平原水源紧张的局面,还将加大该区浅层地下水的入渗量,减少无效蒸发量,增加地下调蓄空间,改善区域水文地质条件。4地下水开采量潜力一般1)华北平原浅层地下水开采潜力一般,但空间分布不均,且受水质影响较大。受浅层咸水资源开采潜力较大的影响(>3