华北平原地下水演变机制与调控

石建省, 李国敏, 梁 杏, 陈宗宇, 邵景力, 宋献方

1)中国地质科学院水文地质环境地质研究所, 河北石家庄 050061; 2)中国科学院地质与地球物理研究所, 北京 100029; 3)中国地质大学(武汉), 湖北武汉 430074; 4)中国地质大学(北京), 北京 100083; 5)中国科学院地理科学与资源研究所, 北京 100101

华北平原地下水演变机制与调控

石建省1), 李国敏2), 梁 杏3), 陈宗宇1), 邵景力4), 宋献方5)

1)中国地质科学院水文地质环境地质研究所, 河北石家庄 050061; 2)中国科学院地质与地球物理研究所, 北京 100029; 3)中国地质大学(武汉), 湖北武汉 430074; 4)中国地质大学(北京), 北京 100083; 5)中国科学院地理科学与资源研究所, 北京 100101

自20世纪70年代以来, 华北平原长期的地下水过量开采形成了复杂的地下水降落漏斗, 并引发了一系列环境地质问题。为建立区域社会经济发展与地下水资源与环境之间的协调机制, 国家 973项目“华北平原地下水演变机制与调控”在大量前人研究基础上, 进一步分析了近50年来地下水动力场演变特征及其对人类活动的响应, 揭示了包气带结构变化影响下包气带水力参数的变化, 研究了深层地下水开采引起的地面沉降、咸水移动和资源量转换机理; 利用改进的地下水数值模拟技术, 建立了2001—2010年华北平原地下水流数值模型, 计算了最新的地下水资源量。分析了地下水资源承载力的主要影响因素, 进行了华北平原地下水资源承载力定量评价, 给出了华北平原地下水的优化调控途径, 目前正在以高精度地下水流数值模型为核心, 模拟各区的地下水优化调控方案。

华北平原; 地下水降落漏斗; 地下水资源管理

华北平原(图1)是我国重要的政治、经济和农业区, 20世纪70年代以来, 华北平原地下水经历了长期的超采过程, 形成了大面积的地下水降落漏斗(张兆吉等, 2009a), 导致地下水资源衰减、地质环境恶化(Liu et al., 2001), 直接威胁到该区水安全、粮食安全和重大工程设施安全(李国和等, 2007), 已成为经济社会发展的主要制约瓶颈(Foster et al., 2004)。未来社会经济的发展仍然面临着两难选择: 一方面迫切需要提高地下水资源对社会、政治、和经济发展的支撑能力; 另一方面, 和谐社会建设又亟需有效地调控地下水的开发利用, 解决与地下水相关的地质环境问题(Liu et al., 2008), 因此, 华北平原很需要探索一条地下水可持续开发利用的科学路径(Xia et al., 2007)。

在世界范围内, 像华北平原这样的大型地下水系统均在当地的社会经济中起着重要作用, 而强烈开采引起的水位下降也往往是这些地下水系统面临的共同问题。如美国西部的高平原地下水系统(Sophocleous, 2005), 澳大利亚的大自流盆地(Habermehl, 2006)等。但是, 华北平原地下水系统比上述系统更为复杂, 经受的开采强度更大, 引发的环境问题也更为严重。这给华北平原地下水可持续利用问题的解决提出了很大的挑战。

为此, 国家重点基础研究发展计划(“973”)项目《华北平原地下水演变机制与调控》聚焦于二个亟需解决的关键科学问题: ①地下水系统结构变异与地下水资源演变机制; ②地下水资源开发-环境变化-经济发展协调机制, 通过开展四项内容的研究: (a)人类活动条件下区域地下水系统响应; (b)含水层系统结构变异与地下水可利用资源变化机理; (c)地下水-环境-社会经济系统耦合机制与评价体系; (d)环境、经济约束下的地下水调控来进一步揭示华北平原地下水复合漏斗形成演变机理, 来阐明人类活动对地下水资源数量与质量的影响机制, 揭示地下水资源开发-环境变化-经济发展协调机制, 发展和完善人类活动影响下地下水系统演变及相关环境变化的基础理论。最终建立地下水系统危机临界识别指标体系和地下水资源承载力评价体系, 提出“地下水复合漏斗”控制与修复理论方法(中国地质科学院, 2014)。项目研究思路见图2。

图1 华北平原平面位置图Fig. 1 Location of the North China Plain

经过四年多的研究, 项目组已经取得了一系列重要进展, 详情如下。

1 地下水系统结构变异与地下水资源演变机制

1.1 人类活动条件下区域地下水系统的演变

通过华北平原1960年、1980年和2000年浅层地下水资源评价及均衡模式的对比(张兆吉等, 2009a),建立了大规模开采前和大规模开采后的水均衡模式(图3)。查明了区域地下水系统的演变特征如下。

大规模开采前(1960年左右), 浅层地下水位较浅, 降水入渗补给系数相对较小, 地表水系发达,地下水蒸发强烈, 中东部深层地下水向浅层地下水越流补给; 大规模开采后(2000年), 深、浅层地下水位大幅度下降(图4), 形成复合降落漏斗。深层地下水不再向浅层地下水补给, 反而接受浅层地下水的越流补给(Shao et al., 2013)。

地下水的水化学组分, 在大规模开采前有明显的规律性: 山前平原以HCO3型水为主, 中部平原则为 SO4、Cl、HCO3混合型水, 滨海平原则以 Cl及Cl-SO4型水为主(张宗祜等, 1997); 在大规模开采后,水循环条件的改变导致浅层地下水化学特征趋于复杂, 尤其是中部平原, 由早期的HCO3-SO4、Cl-SO4、SO4-Cl混合型水演化为 HCO3-SO4、HCO3-Cl、Cl-SO4、SO4-Cl、SO4、Cl-SO4、SO4-Cl等混合型水,潜水Cl及Cl-SO4型水分布面积大大减小, 地下水趋于淡化, 水化学类型转化为HCO3或SO4型(张兆吉等, 2009a)。但总体上, 地下水无机化学组分含量从山前至滨海逐渐升高, 水质逐渐变差的趋势仍然没有改变(费宇红等, 2014)。

图2 项目研究思路框图Fig. 2 Structure of the study logic of this project

图3 华北平原地下水循环模式对比(a-1960年; b-2000年)Fig. 3 Comparison of groundwater circulations in the North China Plain (a-1960; b-2000)

1.2 包气带结构变异与地下水补给演变

华北平原长期超采地下水导致水位持续下降,饱水带向包气带转化, 形成厚度大、非均质性更为复杂的包气带; 同时, 土壤的释水改变原有的应力状态, 土壤物理结构、土壤水力参数发生了改变,从而影响降雨或灌溉水的入渗补给(Liang et al., 2010)。本项目利用大规模示踪试验, 获得了一系列入渗补系数, 经计算, 山前平原平均补给量13.7～564.3 mm/a , 平均补给系数为0.17; 中部平原年均补给量 11.9～191.7 mm/a, 平均补给系数为0.097(Wang et al., 2011)。灌溉是产生垂向补给的主要驱动力, 灌溉量越大, 对地下水的补给量也越大(Lu et al., 2011)。随埋深的增大, 补给系数与地下水位埋深的关系不再明显。华北平原平均补给系数为0.9, 实验结果为0.16。近50年来, 根区土层渗透系数的变异性对潜在补给量的影响较大, 根区以下土层(2 m以下)渗透系数的变异性对潜在补给量影响较小。当包气带厚度小于5 m时, 实际补给过程与降雨事件响应明显。入渗补给随地下水位埋深的增大, 补给系数与地下水位埋深的关系不再明显(Huo et al., 2014)。在地下水埋深大于土壤蒸发极限埋深的情况下, 岩性非均质对多年平均补给量无显著影响(Lu et al., 2011; Zha et al., 2013; 霍思远等, 2013)。示踪剂方法是确定深厚包气带区地下水补给的可靠技术, 利用该技术研究了华北平原浅层地下水的影响因素、补给过程和分布特征。根据示踪剂的实验成果和理论研究, 发现在地下水的深埋区, 包气带厚度的变化对地下水垂直补给量影响不大, 地下水补给量主要决定于浅层水分平衡过程和土壤特征,包气带厚度增大将使得地下水补给过程产生滞后并变化平缓(谭秀翠等, 2012; Huo et al., 2014)。

图4 1984—2003年华北平原浅层地下水水位变差图(张兆吉等, 2009b)Fig. 4 Shallow groundwater level variation graph in the North China Plain from 1984 to 2003(ZHANG et al., 2009b)

1.3 弱透水层压缩与地面沉降机理

地下水的严重超采使华北平原的北京、天津、衡水及沧州等地都出现了严重的地面沉降现象(何庆成等, 2006)。同时工程建设也成为影响地面沉降的一个重要人为因素(龚士良, 2008; 杨少华, 2009),认识和区分这两种作用对地面沉降发生的影响, 对评估地下水开采引起的地面沉降具有重要意义。为此, 我们以天津滨海新区为典型研究区, 建立了三维地下水渗流场与应力场耦合模型, 对高层荷载和地下水开采双重作用下地面沉降的演化规律进行了模拟, 识别出滨海新区地面沉降演变的时空特征, 即: 滨海新区地面沉降的发生与发展与地下水开采关系非常密切。持续开采一年后井300 m以内为剧烈沉降区, 距井口超过600 m, 沉降趋于平缓。高层建筑荷载引起的地面沉降范围很小, 局限于高层建筑物 200 m范围, 并且与建筑物的高度有关(Ma et al., 2011)。地面沉降过程中, 在固结初始阶段, 非结合水首先渗出, 随着固结时间的延续, 有效应力相应增高, 当有效应力超过微孔隙层次的结构强度时,孔隙瞬间被压缩, 孔隙水压力骤然升高, 弱结合水突然释出, 致使固结速率加快, 土体结构经过调整后, 完成黏性土释水。

1.4 弱透水层在咸水越流中的作用

华北平原第四系含水层具有上咸下淡的结构,长期开采深层淡水, 导致浅层咸水越流量增加, 但目前并未发现大面积的深层地下淡水矿化度明显增加的现象, 水文地质学家们提出了弱透水层“半透膜效应”的阻盐作用(王家兵, 2002)。本次研究通过采用密闭的原状土入渗装置开展了不同密度的原状粘土越流试验得到如下认识: (1)越流过程中粘性土弱透水层存在半透膜超滤盐分的现象; (2)超滤盐分的容量随着弱透水层的持续压缩而减小; (3)当超滤容量达到某一临界值时, 发生咸水穿透。上述认识说明: 随着华北平原水位持续下降, 地面沉降持续发展, 粘性土弱透水层的半透膜超滤盐分的能力将逐渐降低, 最终将有可能发生咸水突破而影响深层承压水的开发利用。

1.5 深层地下水漏斗演变与更新性

以沧州为主要研究区, 详细研究了深层地下水漏斗的演变过程: 1964年以前地下水开采量很小, 地下水流场基本处于天然状态, 1965年以后, 随着地下水开采量的增加, 地下水降落漏斗的扩大速度逐渐加快, 到 2000年左右达到顶峰, 随后地下水开采量趋于稳定或减少, 漏斗水位逐渐回升(韩占涛等, 2013)。

以地面沉降严重并且监测比较完善的天津市平原区作为典型区, 建立该地区地下水流-地面沉降数值模拟模型(李文运等, 2012; Cui et al., 2014), 模拟区面积1.1×104km2, 垂向上分为6个含水层组, 网格剖分大小为500 m×500 m。通过11年的地下水位、地面沉降监测数据识别模型, 运用模型分析人类大规模开采深层水条件下地下水资源量的组成及其变化。结果表明: 上部潜水通过弱透水层对深层地下水补给, 占开采量的40%; 压缩释水量约占开采量的比例平均为33%, 随着抽水时间的延长, 压缩释水量占总开采量的比例略微减小; 通过外围边界侧向流入天津市深层含水组的地下水可以占到开采量的24%。

1.6 华北平原地下水资源评价

在前期工作的基础上(Wang et al., 2008; Shao et al., 2013), 运用地下水模拟软件MODFLOEW建立了长序列华北平原地下水流数值模拟模型, 结合地下水模拟的并行算法(黄林显等, 2012; 程汤培等, 2013; Cheng et al., 2014)、区域地下水开采估算(李玲等, 2013)等研究。以该模型为主要手段, 分析了华北平原地下水均衡、评价了地下水资源量。结果表明, 2001—2010年华北平原地下水浅层年均总补给量为 243×108m3/a, 总排泄量为 262×108m3/a,目前人类活动条件下, 地下水开采量是主要排泄项, 占总排泄量的 66.0%。多年地下水补排差为-19×108m3/a, 华北平原浅层水总体处于超采状态。深层水的补给来自潜水含水层的越流和侧向流入, 为25.5×108m3/a, 排泄量为43.1×108m3/a, 其中地下水开采量为42.7×108m3/a, 是深层水的主要排泄项。地下水补排差为-17. 6×108m3/a, 处于严重超采状态。此外, 本研究还分行政区、水文地质单元、矿化度对地下水补给资源量和可开采资源量进行了评价, 为地下水资源调控提供了重要基础数据。

2 地下水资源开发与环境、经济协调机制

2.1 地下水资源开发及其资源环境效应

长期、大规模的地下水开采不但使地下水流场发生了剧烈改变, 而且引起了一系列环境效应, 如湿地面积大幅度减小(乔光英等, 2010), 严重的地面沉降和地裂缝(何庆成等, 2006; 李世雄等, 2006),严重的海水入侵等(左文喆, 2006)。

为此, 我们抓住华北平原的主要耗水因素, 分析了农业生态用水对地下水位变化的影响, 阐明了主要农作物耗水规律, 并提出了最佳灌溉模式。经计算, 最佳灌溉模式可减少22%左右的农业用水量。

为建立地下水开发与经济发展相互关系, 我们分析了人口、土地利用和工农业发展历程与地下水开发利用数据, 阐明了地下水开发利用与近50年社会经济发展的互动关系。我们还系统分析了环境问题(海水入侵、土壤盐渍化和地下水污染)与地下水的关系, 阐明了再生水利用对地下水环境影响程度。

2.2 华北平原地下水资源承载力及可调控途径

2.2.1 地下水资源承载力概念

为实现地下水资源的可持续利用, 应当确定合理的地下水资源承载力。前人根据不同地区不同的约束条件, 提出了不同的地下水资源承载力概念和评价方法(张鑫等, 2001; 王顺久等, 2004; 万星等, 2006; 董克刚等, 2008)。然而, 针对华北平原特有的社会经济结构和水文地质条件, 前人提出的地下水资源承载力概念和方法并不太适用。

为实现华北平原地下水资源的可持续利用, 我们提出了综合考虑地下水资源的自然属性、环境属性和社会属性的地下水资源承载力的概念。地下水资源承载力即在一定发展阶段下, 以可预见的技术、经济和社会发展水平为依据, 以可持续发展为原则, 以地下水最大可利用量为前提, 地下水资源对区域社会经济发展的最大支撑能力。地下水资源承载力具有动态性、可调控性和有限性。

2.2.2 华北平原地下水资源承载力评价

(1)地下水资源承载力评价方法

将地下水资源承载力简化为地下水最大可利用量和用水效率的函数, 建立了地下水资源承载力静态评价方法, 提出了以地下水资源开采程度(RQ)和社会经济发展程度(RG)关系为核心、以区域最优用水效率为统一标准的多地区地下水资源利用与社会经济发展状况动态评价方法。

图5 现状条件下(2000年)华北平原各地市地下水对社会经济承载能力Fig. 5 Groundwater resources carrying capacities of cities in the North China Plain (2000)

图6 华北平原各地市RG-RQ关系图(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)华北平原地下水资源承载力静态评价

根据 2000年的社会经济发展状况及耗水量统计数据(包括产业结构、用水结构、耗水水平、地下水在不同行业之间的分配比例等), 华北平原各地市地下水可安全承载的 GDP规模以北京市最大, 为1145亿元, 东营市最小, 不足3亿元。其由大到小的排序见图5。

(3)华北平原地下水资源利用与社会经济发展状况评价

图 6为2000年华北平原各地市地下水开采程度(RQ)与地下水支撑的经济发展程度(RG)关系图。德州、保定、聊城、濮阳、新乡等位于 I区, 说明该五个地区地下水开发利用程度较低, 经济发展基本不受水资源制约; 焦作、鹤壁、廊坊、衡水、邢台、安阳、秦皇岛、邯郸、滨州等位于II区, 表明该九个地区已发生地下水超采, 经济发展实际并未超载, 经济发展受到水资源制约; 石家庄、沧州、唐山、北京位于III区, 表明该四个地区不仅发生了地下水超采, 而且也出现了经济超载现象, 经济发展受到水资源的严重制约。

2.2.3 提高地下水资源承载力的可能途径

由前所述, 地下水资源的承载力是地下水资源可利用量和用水效率的函数, 因此, 提高地下水资源承载力的途径从两方面考虑: 提高地下水可利用量和提高用水效率, 而后者的效果更显著。对于华北平原而言, 提高地下水可利用量的主要途径包括:山前人工雨洪调蓄、中东部平原发展浅层弱渗透含水层淡水开采技术和微咸水改造利用技术等; 提高水资源利用效率的途径包括: 发展农业节水、提高工业用水重复利用率、调整产业结构、改变经济增长模式、提高公众节水意识等。

3 环境、经济约束下的地下水调控

3.1 华北平原地下水临界水位

为合理开发利用、有效保护地下水资源, 在某一地区, 对于特定的地下水开采目的层确定合理的地下水开采控制水位, 即为临界水位, 以防止由于过量开采地下水对地下水流系统自身及周边环境引发破坏作用。

利用中国地质环境监测院华北平原地区国家级和省级近 20年的水位长序列监测数据, 分析确定了研究区浅层和深层地下水的临界水位(图7, 8)。

图7 华北平原浅层地下水临界水位Fig. 7 The critical groundwater level of shallow aquifer in the North China Plain

图8 华北平原深层地下水临界水位Fig. 8 The critical groundwater level of deep aquifer in the North China Plain

3.2 地下水调控

基于上述研究成果, 我们正在以新建立的地下水数值模型为核心, 以确定的各区地下水位约束值为约束条件, 考虑《海河流域综合规划(2011—2030年》及南水北调输入水量的变动, 以及各种节水、优化开采和回补方案, 模拟和预测 2011—2015年, 2016—2020年, 2021—2030年, 2031—2050年四个时段的地下水开采方案、所能提供的水资源量, 以及地下水流场的变化情况, 并将在此基础上提出各区合适的地下水开采量及开采方案。

4 结论

华北平原地下水系统在经历 40余年的大规模开采后, 已经发生了剧烈变化。深、浅层地下水均由于过量开采而形成大面积降落漏斗。这一改变伴随着地下水流系统参数和水质的变化, 以及由此引起的一系列环境问题。浅层地下水的补给由原来受地下水位影响而变成较稳定的补给。深层地下水位下降, 引起浅层地下水向下越流补给, 咸水下移,弱透水层压缩和地面沉降, 以及海水入侵。为保证华北平原地下水可持续利用, 建立了高精度地下水流数值模型, 重新评价了地下水资源, 提出了适用于华北平原的地下水资源承载力评价方法, 正模拟地下水资源优化调控方案, 寻求可持续发展的地下水资源利用途径。

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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

本文由国家重点基础研究计划(“973”)项目“华北平原地下水演变机制与调控”(编号: 2010CB428800)资助。获中国地质科学院 2013年度十大科技进展第四名。

2014-04-14; 改回日期: 2014-05-18。责任编辑: 闫立娟。

石建省, 男, 1962年生。研究员, 博士生导师。长期从事地下水资源调查评价、中国黄土研究、脆弱带地质生态学等研究。E-mail: tiger7886@263.net。