沧州深层地下水超采分析及对策

吕庆玉,熊孟琴

(河北省沧州水文局,河北沧州市 061000)

沧州深层地下水超采分析及对策

吕庆玉,熊孟琴

(河北省沧州水文局,河北沧州市 061000)

河北省沧州市是受到人口和环境双重压力的极度资源性缺水地区。由于地表水匮乏,全市主要依靠超采深层地下水来维持日益增长的国民经济发展的需要。由于超采严重,而且补给缓慢,造成深层地下水水位下降严重,并诱发大量地质灾害。分析沧州的节水潜力,制定节水型社会目标和措施,借鉴国内外先进节水经验,建立节水型社会,对于合理利用保贵的水资源,改善深层地下水严重超采的现状,保障沧州水资源可持续利用,保护沧州地下水资源环境有着十分重要的意义。

河北省沧州市;资源性缺水;深层地下水;超采;节水潜力;节水型社会

0 引言

沧州市地处河北省东南部,位于华北平原近滨海地区,属温带半湿润性大陆季风气候,多年平均降水量为 551.1mm。沧州市是河北省水资源最短缺的地区之一,多年平均水资源量仅有 12.64亿 m3,人均水资源量为 192m3,占全国人均量的 8%,不足河北省人均量的 50%。近年来,大部分河道干涸,无上游来水,地表水资源利用量很少,每年不得不超采 4.0亿 ～7.2亿 m3深层地下水来维持日益增长的国民经济发展的需要。地下水超采成就了全国乃至世界闻名的地下水漏斗区,造成咸水界面下移、地面沉降、地裂缝等大量地质灾害问题。水资源紧缺已是沧州市经济和社会发展的突出矛盾,但与此同时,在社会各个有水环节上,又普遍存在着利用粗放,浪费严重的问题,所以建立节水型社会,节约珍贵的水资源,对于减少和节约深层地下水利用量,改善沧州市水环境状况,保障沧州市国民经济的可持续发展意义重大。

1 沧州市深层地下水超采现状

1.1 年超采量呈直线上升

从上世纪九十年代初由于沧州市连年遭遇干旱,河流上游基本无来水,深层地下水作为主要利用资源在工农业生产和生活中被广泛使用,从而造成深层地下水严重超采。沧州市深层地下水限采量为 2.9 200亿 m3,1990～2007年沧州市深层地下水超采量如图1所示。从图中可看出,深层地下水超采量基本呈上升趋势。2002年深层地下水开采量为 10.1 144亿 m3,超采量达到 7.1 944亿 m3,超采率达 258%。

图1 沧州市深层地下水历年超采量过程线图

1.2 地下水漏斗深度增大、面积增加

1990年漏斗中心水位埋深 82.08 m,水位埋深大于 50m的封闭面积 707 km2,而到 2008年底,漏斗中心水位埋深达到 91.25m,平均每年增加 0.48 m;而大于 50 m面积达到8 100 km2,以平均每年 389 km2的速率递增。1990～2008年漏斗中心水位埋深过程线图及埋深大于 50m漏斗面积变化趋势见图 2及图 3。

图2 沧州市深层地下水漏斗中心历年年底埋深过程线图

图3 沧州市深层地下水埋深大于 50m漏斗面积变化趋势图

1.3 深层水开采量占总用水量比率增长迅速

沧州市水资源利用主要包括三部分:深层地下水、浅层地下水、地表水。其中深层地下水从上世纪 90年代后已成为本市主要水源,并且占总用水量比率呈增加趋势(见图 4)。1990年深层水利用量占总用水量比率为 39.1%,而到 2008年则上升到 56.9%,以平均每年近 1%的速率增长,尤其 2002年深层水利用量占总用水量的比率达到 68.3%。

图4 沧州市深层历年地下水开采量占全市总用水量比率过程线图

2 深层地下水超采造成的危害

2.1 地面沉降速度加快

深层地下水的严重超采,造成地下水位的连年下降,形成了以沧州市为中心的深层地下水降落漏斗,继而引发了地面的大幅度沉降,这一地质灾害的形成与发展,给沧州市国民经济和人民生活带来严重的影响。沧州市地面沉降发现于 1971年,当时的沉降量只有 9mm;其后随着深层地下水开采量的不断增大,地面沉降也同时加快,到 1990年沉降中心累计沉降量为 1131.0mm,平均沉降量为 59.2 mm/年;到2001年底,沉降中心累计沉降量已达到 2 236 mm,1990～2000年地面沉降量以 100.5mm/年的速率递增,并且沉降量大于 2000mm的范围已经覆盖了整个沧州市区,由此可以看出沧州市的地面沉降到了令人触目惊心的地步。地面沉降速度加快给沧州市带来严重危害:

2.1.1 河道输水能力降低,地面高程资料失效

地面沉降造成区域内河道行洪能力大大降低。南运河是实施南水北调的主要河流之一,沧州市区段由于地面沉降造成河堤高程下降,使河道输水能力大大减弱。在引黄济津期间,经常出现沧州市区段市区段水位漫滩,市区外河段只有半河水的尴尬局面。由于地面沉降因素的影响,还造成市区范围内地面高程资料失效,将会给城市建设规划带来不可预见的隐患。

2.1.2 沿海地区抗风暴潮能力降低

近年来,沧州沿海地面沉降有加剧趋势。1998～2001年,沿海一带地面沉降量约为 45 mm,累计沉降量约为 500～600mm。地面沉降势必造成沿海抗风暴潮能力的降低,加大了风暴潮的危害程度。从 1992～2003年发生的 3次风暴潮来看,其危害程度正在逐年加重。

2.1.3 城市管网安全受到威胁

管网安全受到威胁:沧州市共有给水管网 260 km,排水管网 180 km,供暖管网 32.6 km,天然气管网 101 km。由于地面沉降原因,一些管网随地面不均匀沉降而弯曲变形,导致管道漏水漏气甚至折断,直接影响市民生活。仅 2002年全年,全市供水管网破裂 776次,虽不完全因地面沉降造成,但其中地面沉降因素不容忽视。

2.1.4 雨季城区积水严重

从上世纪 80年代至 90年代,由于地面沉降原因,如遇到比较大的降水,市区内积水严重,而在上个世纪 60年代,沧州市 100mm/日的降水,大部分都能自然排出市外。2003年10月 10～11日,沧州市区降水量 160 mm,整个市区一片汪洋,维明路积水最多,最深处达到将近 2 m,附近居民连续数日不能下楼,严重影响了正常的工作与生活。

2.1.5 局部出现地面裂缝

大量抽取地下水造成地面不均匀沉降会出现地面裂缝。最近 5年,沧州区域已发现地面裂缝达 20多处,其中在任丘出现的一条地裂缝,最宽处达 3 m,长约 4 km。2002年 6月29日,孟村小戴庄至沧县东卷子一带发生地面裂缝,宽20 cm,可见长度 800m,并伴有小面积塌陷。

2.2 咸水界面下移

沧州市咸水区面积广阔,因深层地下淡水水位急剧下降,与上覆咸水层形成了 40～80m的水位差,加之凿井开采深层水,使上层咸水与下层淡水局部连通,造成咸水界面下移,并入侵深层淡水,使深层淡水水质遭到局部破坏。

2.3 机井报废加快、提水成本增加

多年严重超采地下水,使沧州市深层地下水位逐年下降,造成大批机井报废,沧州市年均报废机井 5000眼左右,机泵已经换了 4代。机井越打越深,东部沿海县市深井已达500～800m,每眼井投资要 20万元以上。超采还造成机井提水能耗增加,灌溉成本加大,农民负担加重,打井费用、浇地成本与 20世纪 80年代相比增加了 6～10倍,年多支出近 2亿元。并且,由于沧州市地处华北中东部平原区,深层地下水的侧向补给源很远,补给非常缓慢,据同位素14C测定,循环周期一般为 1～2.5万年,补给强度极其微弱,长时期的超采可能会导致深层地下淡水的枯竭,严重影响沧州市的可持续发展。

3 用水现状

沧州市水资源利用包括四部分:深层地下水、浅层地下水、地表水和少量污水利用,由于地表水严重匮乏,浅层地下水多为咸水,深层地下水从上世纪 90年代后已成为本市主要水源。除沧州市区和黄骅市区使用黄河水作为生活用水外,其余市县区仍以深层地下水为生活用水;工业用水基本以深层地下水为主;农村用水也以深层地下水用量最大,并利用部分地表水和浅层地下水。以 2008年为例分析沧州市水资源利用结构和水资源利用用途见图 5和图 6。

图5 2008年沧州市水资源利用结构图

图6 2008年沧州市水资源利用用途图

4 节水潜力分析

4.1 农业节水潜力

农田灌溉中,还存在相当数量的土渠输水、大水漫灌的落后灌溉方式,灌溉渗漏损失达到 40%以上,水资源浪费严重。与大水漫灌相比,实行小畦灌溉和管溉可节水 10%,喷灌可节水 50%,滴灌可节水 70%～80%。沧州市有丰富的微咸水资源,利用咸淡水混交,减少深层地下水的利用量,也是节约深层地下水资源的一个有效途径。

4.2 工业节水潜力

目前,本市工业用水重复利用率较高,短时间内难有较大提高,工业节水应侧重放在改造老设备,采用先进设备,淘汰落后工艺,推广新工艺方面,以实现工业高效节水。沧州作为重要化工城市,石油化工工业发达,提高循环冷却水的循环率和浓缩倍数,是节水的有效方法。对于,印染、电镀、造纸等行业,洗涤用水是主要用水,可采用高压水冲洗法和喷淋水冲洗法等新工艺实现节水目标。

4.3 生活节水潜力

当前,城市生活用水浪费现象比较严重,主要是节水器具没有得到广泛推广,自来水漏失率达到 10%以上,大大高于国家标准。以沧州市区为例,从节水定额看,1984年为 67升/人·日,2002年已达 121升/人·日,而生活水平与发达国家相差很多,例如,比例时生活用水为 116升/人·日,生活用水有相当的潜力可挖。

5 建立节水型社会

沧州市水资源极度缺乏,深层地下水已严重超采同时,水的浪费现象又十分严重。农业大水漫灌,工业用水重复利用率低,污水不经处理随处排放,生产生活中跑、冒、滴、漏现象普遍,全民节水意识少淡薄。因此,实施全面节水,建立节水型社会,通过节约水资源减少或替代需水量,压缩深层地下水的开采量,改善水资源环境,以达到采补平衡,形成良性循环,保障沧州市社会和经济的可持续发展。

5.1 建立解水型农业

5.1.1 农业灌溉是深层水用量大户

以 2000～2008年为例,统计情况见表 1,可看出农业深层水利用量占深层水总用量比率的平均值达到近 70%,占相当大的比重,并且农村用水缺乏科学性和规范性,无形中产生很大的浪费,因此,节约水资源、减少深层地下水用量首先要从农业用水入手。

表1 沧州市 2000～2008年农业深层水用量及占深层水总用量比率统计表

5.1.2 推广咸淡水混浇

沧州市浅层地下水咸水区总面积 8 563 km2,约占全市总面积的 60%,水资源量 10.5 989亿 m3,可开采量 7.4 303亿 m3。由于境内浅层咸水面积大,资源丰富而且水位埋深小,容易补充,因此科学利用咸水,从而有效节约淡水资源是建设节水型农业的重要途径之一。

咸淡水混浇,是指在每眼深机井旁增打一眼微咸水浅井,并安装相应设备,使深井淡水与浅井微咸水 (咸淡水混浇工程以开发利用矿化度为 2～5 g/L的微、半咸水为主)按一定比例混合,以罐混式(将淡水和咸水一同注入压力罐内混合,再通过地下防渗管道输送至田间)、竖塔混合式(将淡水和咸水先注入竖塔内混合,然后通过地下防渗管道输送至田间)、管道直混式(将淡水和咸水直接注入地下防渗管道混合,输送至田间)这三种形式进行农业灌溉。利用这种技术,科学合理地开发利用浅层咸水,可将原本无法使用的咸水转化为可利用资源,用于农田灌溉,同时减少深层地下淡水的开采量。沧州市境内深层地下水矿化度绝大部分在 0.4～1.2 g/L之间,平均约为 0.8 g/L。在设备允许条件下,如果与2～3 g/L微咸水混交,可节约一半深层水资源;与 3～5 g/L半咸水混交,也可节约 1/3的深层水资源,这样每年就能够节约深层水近 2亿 m3。截止目前,全市咸淡混浇井组有3000余处,控制灌溉面积可达 135万亩左右。每开采 1 m3浅层微咸水就能够节约 1m3深层地下淡水,这对于缓解深层地下水超采所带来的水资源危机意义重大。

5.1.3 推广田间节水灌溉技术

目前应用比较成熟的主要有以下几种田间节水灌溉技术:喷灌技术可比地面灌溉节水 30%～50%;微灌技术包括微喷灌和滴灌技术,一般比喷灌省水 15% ～20%,且比喷灌能耗低、灌水均匀,而且操作方便,可根据不同土壤入渗特性调节灌水速度,是一种节水增效的农田灌溉技术。2005年沧州市首个大型棉田膜下滴灌高效节水示范试验基地在吴桥建成,该示范试验基地位于吴桥县安陵镇,涉及 20多眼井、12 800亩棉田,预计年节水可达 100万 m3。它为沧州市推广膜下滴灌的先进技术,发展节水型农业起到积极的促进作用。改进地面灌水技术,包括平整土地、畦田规格优化技术,可有效的节省水量。农艺节水技术,包括水肥综合管理、推广抗旱优良品种、秸秆地膜覆盖、深松蓄水等技术都能达到蓄水、保水和供水能力,达到节水目的。

5.1.4 改进传统输配水技术

传统的土渠引水,在从水源地到田间地头的过程中水量损失是巨大的,土渠的渠系利用系数一般只有 0.4左右。采取渠道防渗措施或利用管道输配水可大大减少在这一过程中的水量损失。渠道防渗技术可大大提高灌溉效率。渠道防渗技术与土渠相比,混凝土护面可减少渗漏损失 80% ～90%,浆砌石衬砌可减少 67%～70%,塑料薄膜或土工布复合防渗可减少 90%以上。低压管道输水技术,具有节水、节能、节地、易管理、省工省时等优点,且投资相对较低。在象沧州市这样的粮食作物主产区,可以推广低压管道输水加“小白龙”软管的输水灌溉模式。利用低压塑料软管输水配水进行灌溉(俗称“小白龙”灌溉),可使水的利用率达 97%～100%。据统计,与土渠相比,低压管道输水灌溉技术可节电 20%～30%,省地 2%～5%,是沧州市需要加以推广的主导输水技术。

5.1.5 研究和推广非充分灌溉技术

利用非充分灌溉技术,提高灌溉水的利用效率,是水资源匮乏地区节水农业的主要措施之一。我国北方一些地区已经实行了减少灌溉次数等非充分灌溉方式,一些科研单位和灌溉试验站也在进行一些非充分灌溉的试验研究。

5.1.6 灌溉要做到适时适量

目前一些先进地区以土壤墒情监测作为灌溉用水管理的主要依据,根据气象观测资料、土壤墒情资料、作物长势资料等确定作物的灌溉水量及灌溉时间,使项目区达到适时适量灌溉,从而使农业灌溉管理更加科学、合理,避免了水资源的浪费。河北省水利厅投资 50万元委托省灌溉试验总站、中国农大曲周试验站等单位在项目区内建设灌溉预报站,解决田间作物灌溉用水优化管理的关键技术,为作物适时适量灌溉提供依据。沧州境内有 19处土壤墒情监测站,分布在个全市 14个县市,在春秋两季每旬为防汛抗旱办公室提供墒情资料,对于我市进行科学灌溉,节约农业用水有着指导作用。

5.1.7 合理调整农村产业结构

沧州市作为河北省的粮食主要产区,高耗水小麦播种面积较大,而小麦的生长期基本避开了雨期,用水量占到了农业用水的 60%以上,成为沧州市严重超采地下水的主要原因。如果不改变这种现状,农业用水就不可能大幅度减少,水资源危机还会进一步加大。通过调整农业种植结构,特别是不能再以超采深层地下水的方式来发展小麦生产,要促进种植业由传统的“粮食作物 +经济作物”的二元结构模式向“粮食作物 +经济作物+饲料作物”的三元结构转变,发展雨热同期作物或积极培育耐旱的优质高效农业品种,是推进沧州市的农业节水不可或缺的一步。

5.2 建立解水型工业

5.2.1 工业深层地下水用水量

2000～2008年沧州市工业深层地下水用水量(见表 2)基本呈上升趋势,平均值达到 1.3 726亿 m3,占沧州市深层水总用水量的 16.7%;并且,各县(市)工业企业所在地深层地下水均严重超采,形成局部深层地下水漏斗,并且沉降严重。

5.2.2 水循环利用和回用

企业内部实现水的闭路循环,提高水的重复利用率,经过分级处理后回用,逐步减少排放,达到节水效果。

咸(海)水循环冷却技术是沿海城市和地区急需的环保型节水新技术,在节省大量淡水资源的同时,利于保护环境、维护生态平衡。可广泛用于沿海城市和苦咸水地区的电力、石油、化工、钢铁等多种行业,应用前景十分广阔。由于沧州市咸水资源丰富,淡水资源严重匮乏,所以发展咸(海)水循环冷却技术势在必行。循环冷却水是工业用水中的用水大项,在石油化工、电力、钢铁、冶金等行业,循环冷却水的用量占企业用水总量的50～90%。沧州市工业企业平均以 60%计算,如果采用咸(海)水冷却技术,使用咸(海)水作为工业循环冷却水,每年就可节约近 1亿 m3深层地下水,对保护城市备用淡水资源、减少局部地质灾害有着十分重要意义。

5.2.3 工艺节水

推广节水新技术,改革工艺设备,采用先进的无水和少水工艺,干洗替代水洗,压力喷淋替代重力灌溉,风气冷替代水冷等技术,都可节约大量水资源。

5.3 建立解水型城市

地下咸水作为中水利用,可变废为用。以 2005年 9月26日沧州市郊区一浅层地下水井为样本进行化验(见表 2),结果表明地下咸水没有污染,检测各项超标不严重,只是矿化度较高,不宜饮用,一般符合卫生标准,不需处理即可直接作为中水使用,进行洗涤、冲厕、消防、游泳池、喷水池、喷洒道路及绿地灌溉等,而且比城市污水处理的中水回用更为经济优越,可以作为深层地下水替代水源。城区利用地下咸水,还可以腾出地下库容,不但使雨水径流入渗加快减少城市防洪负担,还可以回补地下水源,加强咸淡水的循环交换,使地下咸水逐步淡化,实现生态环境的良性循环。

污水处理后的中水回用近年来在沧州市得到推广使用。2002年市招待处日处理 40m3的中水示范工程取得成功后,2003年颐和庄园日处理 400 m3的中水工程也以投入使用。已运行的运东污水处理厂设计中水回用量达 3万 m3/日。

5.3.1 推广节水洗洁具

应大力推广和普及效率高的洗洁具,对于实现生活节水有着十分重要的意义。尤其在县级以下的城镇,过低的节水洗洁具普及率造成更加严重的水资源浪费。

表2 沧州市捷地镇浅层地下水水质化验统计表

5.3.2 实行定额供水制度

对城市居民实行计划供水和定额管理,对超计划、超定额的加价征收水费,将在一定程度上遏制用水浪费的发生。

5.4 加大节水宣传力度

沧州市是一个典型的资源型缺水地区,水资源供需矛盾突出,节水是全市的一项永恒主题。利用各种宣传形式和新闻媒体,广泛开展节水宣传,使人们的节水意识进一步增强,形成“节水光荣、浪费可耻”的新风尚,对于实现全市节约用水,建设节水型社会有积极的促进作用。

5.5 利用经济杠杆促进节水

农业用水不征收水资源费和城市水费相对价格的偏低无形地滋长了人们对水的随意浪费。在全社会范围内实现供水收费政策,加快水费改革,制定合理的水费价格,充分利用经济手段,强化节水,对是建立节水型社会也有着重要的意义。

6 结语

节水是解决水资源短缺的最有效途径,沧州市亟需建立节水型社会。城区生活、工业和农村的节水空间很大,应运用法律、行政、经济等综合手段,大力推广先进的节水技术和科学的节水方法,实现节水型工业、节水型农业、节水型城市的节水目标,对于改善深层地下水资源超采现状,保护水资源环境意义重大。

[1]张彬 崔理哲 咸淡水混浇 开辟新水源 中国水利,2004.3.

[2]李瑞森 郭庆宏等 沧州水环境恶化的成因及恢复措施 水利发展研究 2004.8.

[3]代文元 张俊杰 实施南水北调加大微咸水、咸水非传统水资源的利用 南水北调与水利科技 2004.4.

[4]李志强 关于南水北调与沧州经济社会可持续发展 南水北调与水利科技 2004.3.

[5]张桂平 王启文 沧州市水资源调查评价及对策 2000.4

P641

B

1004-1184(2011)01-0046-04

2009-09-08

吕庆玉(1972-),男,河北青县人,高级工程师,主要从事水文、水资源管理及研究。