城市发展模式变化对地下水补给的影响

崔一娇 杜旋 孙赵爽 尚子琦 王树芳

摘 要：近年來，城市发展模式由资源消耗型转变为智慧生态型。人类活动对地下水环境不再仅带来“负效应”，更通过管网渗漏、人工补给、节水压采等途径逐渐突显出对地下水资源的“正效应”，因此，需要从“正负效应”综合分析城市化对地下水资源的影响。北京市大兴区具有城市发展模式转变的典型特征，以1996年、2006年、2016年为时间节点，分析该地区浅层水在城市发展过程中的时空变化特征。分析表明大兴区城市化扩张明显，建设用地的面积占比由1996年的19.80%增长至2016年的53.61%，而水位变幅小于0.3 m的区域面积从1996年的5.17 km2增长至2016年507.99 km2，与建设用地的范围高度重合。不透水面空间的连续性和集中性，更易阻碍雨季降水对地下水的补给，致使水位变幅减弱。随降水量的增加和再生水的推广利用，浅层水位得到控制并回升，局部范围甚至改变了原有的地下水流场状态。2006—2016年浅层地下水储量增加约0.72亿m3，灌溉区和永定河沿岸的增加量占其中的83.33%。人工补给已经是除自然降水外不可忽视的地下水补给方式，并使人为活动产生的“正效应”在对地下水资源的影响中发挥主导作用。

关键词：城市发展模式;地下水补给;土地利用;再生水灌溉;地下水动态特征

Abstract： In the recent 20 years， the urban development model has changed from that of resources consumption to intelligent ecology. Human activities no longer only bring “negative effects” to the groundwater environment， but also “positive effects” through pipeline systems leakage， artificial recharge， water saving measures， groundwater exploitation control and so on. Therefore， it is necessary to comprehensively analyze the impact of urbanization on groundwater resources balancing the “positive and negative effects”. Daxing District in Beijing has experienced the typical transformations of urban development models. This paper analyzes the temporal and spatial variation characteristics of shallow water in the process of urban development in Daxing District， based on the data in 1996， 2006 and 2016. The analysis shows that the urbanization of Daxing District is obviously expanding， the area proportion of construction land increased from 19.80% in 1996 to 53.61% in 2016， while the area with water level variation of less than 0.3 m increased from 5.17 km2 in 1996 to 507.99 km2 in 2016， which is highly coincident with the scope of construction land. The continuity and concentration of the impervious space are more likely to hinder the recharge of groundwater by precipitation in the rainy season， resulting in the weakening of water level variation. With the increase of precipitation and the popularization of reclaimed water in more towns， the shallow water level is under-control and rises again and in some areas，  and changes even occur to the original state of groundwater flow fields. Shallow water storage increased about 72 million m3 from 2006 to 2016， in which 83.33% was contributed by the increase in irrigation zones and along the Yongding River. In addition to natural precipitation， the groundwater recharge through human activities is a way that cannot be ignored， and the “positive effect” produced by human activities plays a leading role in the impact on groundwater resources.

Keyword： urban development model; groundwater recharge; land use/land cover; reclaimed water irrigation; dynamic characteristics of groundwater

在缺水性城市，地下水资源对城市发展具有战略性意义，“极速城市化”和“空间蔓延式”的大扩张与资源承载能力的矛盾也更为突出（陈明星，2015）。在城市发展的过程中，人类活动通过地下水开采、土地利用方式的改变、管网系统的渗漏、灌溉等多种途径，在地下水补径排方式上已经极大地改变了自然的水循环模式，造成区域地下水失衡（王浩等，2016;王超等，2018）。

有研究表明，土地利用及其变化能够高度敏感的影响水文过程，甚至在短期尺度上，比气候变化的作用更明显（张成凤等，2019）。城市的扩张过程中，增加的不透水面会对降雨入渗补给能力产生干扰（宋全香等，2014;Chithra et al.，2015;Jacobson et al.，2011;夏军等，2017a;夏军等，2017b）。朱琳等（2013）利用WetSpass模型估算出北京平原区1982—2007年城镇用地扩张了517 km2，而降水入渗补给量减少约3000万m3。王新娟等（2017）通过入渗系数估算北京平原区降水补给量，2000—2013年多年平均值比1961—1980 年多年平均值减少3.2亿m3。实际上人类活动对地下水资源量的影响并不只存在“负效应”。由于管网的自然损失以及主观的人为回补也会增加地下水的补给量，即城市化进程带来的“正效应”（黄婉彬等，2020）。但由于这些非自然补给在一些地区补给量较小同时又较难准确进行估算，所以在研究中往往被省略不计（于开宁等，2004;Hibbs et al.，2012）。于开宁（2001）在针对石家庄市的研究中发现，供排水系统的管（渠）道渗漏、绿地的过量灌溉、地下水回灌、再生水回灌等已经成为城市地下水补给的重要组成部分，在城市中心地区单位面积的地下水补给量甚至大于市区周边。

如今，城市地下水的开采逐步得到有效的控制管理，越来越多的城市重视自然生态的可持续发展，这种城市发展模式的转变给地下水补给带来的“正效应”越来越不应被忽视。因此，考量城市化与地下水资源相互作用的影响亟需从人类活动“正负效应”的双向作用综合分析，才能更准确的评估和管理地下水资源。北京大兴区在研究城市化与地下水补给关系上具有典型示范性，本次研究以该地区为研究对象，对应大兴区的发展阶段和区域规划，以1996年、2006年、2016年为分析节点，分析大兴区浅层地下水的动态时空演变，以及城市发展模式变化过程中对地下水资源“正负效应”的影响作用。研究成果以期为首都的规划发展以及北方缺水城市的生态建设提供一定的参考，助力于处理好城市建设与水资源可持续发展之间的关系。

1 研究区及数据概况

1.1 地理环境条件

北京大兴区位于北京南郊，总面积1030 km2，是距离城市中心区最近的郊区。北临丰台区、朝阳区，东临通州区，西与房山区隔永定河相望，南与河北省接壤。该地区由永定河冲、洪積作用而成，地势平坦，自西北向东南缓倾。区内有6条主要河道，分别为永定河、凉水河、天堂河、大龙河、小龙河和新凤河。由西北向东南，地下水含水层由单一的潜水到多层的承压水，岩性由以砂卵石为主逐渐过渡为中砂、细砂，富水性由强到弱（图1）。垂向100 m左右深度普遍分布一层30～40 m的粉质黏土，100 m以浅的第四系含水层基本连续。以此为界，100 m以浅的潜水和微承压水可划为浅层地下水，其补给来源主要依靠大气降水、地下水侧向径流、灌溉水回归和河渠入渗。多年平均降水量为518 mm（1996—2016年），主要集中在夏季。

1.2 土地利用类型的变化

大兴区因其地理位置的优势成为了北京城市空间结构战略转型的支撑地。北京的城市化现象表现为中心区旧城改造，近郊区通过农用耕地转化到建设用地来不断扩张城市空间 （刘芳，2010）。北部建设发展了黄村、亦庄两个新兴卫星城，成为高技术制造业和战略性新兴产业的聚集区，南部建有北京大兴国际机场，成为了京津冀的空间枢纽。在临近北京市中心的北部呈现完全城市化的趋势，农村地区小城镇建设用地面积也大幅度增加。

2009—2016年期间，建设用地面积由35809.79 hm2上涨到39743.85 hm2，农用地面积由58635.74 hm2缩减至54793.42 hm2，未利用地面积基本持平（图2）。这证实了大兴区的城市化扩张主要是依靠减少农用地面积来实现的。

1.3 用水结构的调整

地下水是大兴区的主要供水来源之一，在北京城市化发展加速时期，水资源刚性需求的增加使该地区地下水一直处于超采状态，开发利用率一度可达146.7%（杨广庆等，2014），并导致地面沉降、地下水漏斗问题突出（周超凡等，2017）。面对水资源短缺的严峻形势，在“十一五”规划后，大兴区用水政策从一味的过度开采消耗转变为重视地下水的涵养恢复。通过高效节水措施，提高灌溉水利用系数，实现用水定额管理，精确计量，有效控制了用水总量，并着力构建了“一廊、两线、三网、四带、五园”的水系格局（赵双，2015）。

其中，挖掘再生水利用潜能、代替地下水开采是大兴区重要的用水结构调整。2002年南红门灌区开始投入使用再生水，灌区地下水位下降速度明显缓解（张鹏卿等，2013）。2006年再生水灌溉经验在多个乡镇得到进一步推广（图3a），利用量得到大幅提高，从0.2亿m3使用量增长维持在1.1亿m3左右（王勇等，2012;温先高，2012），使地下水的开采量从3亿m3缩减并稳定在了2亿m3左右。地下水的减采有利于地下水的涵养恢复，而再生水的灌溉能够补给影响浅层地下水。2005—2014年大兴区的用水量统计结果显示，再生水已经成为大兴区主要的供水来源之一，主要用于环境，其余用于工业、农业和市政用水，在全区总用水量的占比达31%～33%（图3b）。

1.4 数据资料

由于地表补给环境的变化直接作用于浅层地下水，故搜集了54组80 m以浅的潜水或微承压水地下水监测井历史数据（大兴区内38组），范围覆盖大兴区及周边，用于分析区域地下水位变化（图1）。

在此基础上，结合地理位置、水文地质条件、城市发展特点选取了3处典型点进行深入的对比分析，3处典型点分别处于不同富水性分区内。海子角位于大兴北部，属于城区中心，建设用地集中，降水入渗受地表不透水面影响较多。青云店位于大兴东部，属于再生水灌溉重点地区。小店位于大兴南部，近些年受大兴机场建设和永定河治理影响，受城市化扩张影响最晚。时间节点对应大兴区发展，以10年为间隔便于对比城市建设的变化，选择1996年、2006年和2016年，年降水量分别为695.4 mm、447.1 mm、722.4 mm。1996年地下水开采现象仍十分严重，随后逐渐得到控制。2006年降水量偏少，但再生水灌溉量开始大幅提升，补给方式产生明显变化。2016年降水量与1996年相近，便于對比。

2 结果与分析

2.1 地下水位变化趋势

图4为海子角、青云店、小店3处典型点1992—2018年的地下水位变化趋势，2006年是再生水大范围投入使用的时间，1999年后降水量出现由枯转丰的趋势。结合该情况，拟合了再生水使用前、再生水使用后以及降水枯丰转化期（2000—2018年）3个时间段的地下水位趋势线。

1999年后，北京进入连续枯水年，在此期间大兴区地下水开采量维持在3亿m3～3.5亿m3之间，2000年后降水量逐渐增加，2007年后降水量基本达到或超过多年平均水平。2006再生水投入后地下水开采量降至2.1亿m3～2.5亿m3。一般规律下，浅层水位主要受降水和农业开采的影响而变化。开采量的稳定更突显出降雨补给的影响作用。

由图4可以看到随降水量的减少，地下水位均呈现持续的下降趋势。但随2000年降水量的逐步增加，仅有青云店一处水位和降水变化有较为一致的趋势（图4b）。海子角和小店仍持续下降至2012年，较1998年下降分别为10.77 m和11.95 m（图4a，图4c）。此外，海子角年内变幅（最小值与最大值范围）多年处于2 m左右，明显小于其他两处。小店的地下水位年内变幅也出现明显的缩减，从20世纪90年代的7 m左右减弱至3 m左右。地下水位的持续下降和变幅减小的特征说明降水对地下水的补给作用在逐渐减弱，在开采量较为稳定甚至减少的情况下，降水补给作用的减弱很可能与地表覆盖变化有一定关系。

此外，从典型点的水位变化趋势中可以看到，再生水的投入使用对地下水位有明显的影响。小店监测井在2013年所在镇投入使用再生水后，地下水位扭转回升，相比2012年水位回升2.44 m。而青云店由于处在再生水南红门灌溉区内，在再生水灌溉的作用下，枯水年期间水位仍能保持平稳。并且需要注意的是大兴地区地下水流向自西北向东南，但2006年以后在再生水灌溉和降水量回升的影响下，青云店监测点的水位17～21 m，海子角和小店的水位在17 m以下，青云店水位相对其他两处已成为高值，在局部区域内已改变了原有地下水流场方向。可见，在降水不足的条件下，再生水灌溉已经是该地区地下水的一种重要的补给来源，并已影响了局部的地下水流场。

2.2 地表入渗条件的影响

为分析大兴区地下水位变化趋势和年内变幅与地表覆盖的关系，采用监督分类方法提取了建设用地、农用地、未利用地（包括休耕地）共3类土地利用类型。选用的支持向量机（SVM）方法可以自动寻找对分类有较大区分能力的支持向量，将类与类之间的间隔最大化，具有较好的推广性和较高的分类准确率（祁亨年，2004）。 本次的样本分类度达到1.94以上，样本之间可分离性好，为合格样本。水位变幅是利用区内54组浅水监测数据计算了6—9月的水位月变幅的平均值。该时段的选择考虑了降水的时间段、补给的滞后性，并且开采量稳定，能够反应降水入渗的补给程度。图5为1996年、2006年和2016年的土地利用类型和地下水位变幅的空间分布结果，表1为土地分类的面积统计结果。

从图5可以看出，月变幅与土地利用结果在空间分布上有明显的关联性。3个年份的水位变幅大于0.9 m的地区多为农用地，水位变幅小于0.3 m的区域多为建设用地。1996年农用地占比最大，占70.06%，而水位变幅大于0.9 m的面积为849.55 km2，水位变幅小于0.3 m的分布仅占5.17 km2。2006年，建设用地面积有所增长，农用地面积略有下降，城市扩张更多的是利用未利用地。而到2016年建设用地面积大幅增长，占比达到53.61%，对应水位变幅大于0.9 m的面积仅占8.56 km2，而小于0.3 m的区域面积达到507.99 km2，与建设用地的范围高度重合。

尽管1996年农业开采的影响较大，2006年的降水量相对偏小，但从整体的趋势变化上仍可以看出地表条件对降水入渗有明显影响，建设用地表现出最小的水位变幅，并且城市发展的不透水面的增加具有面积的连续性和空间集中性，比起零散碎斑式的分布会更加不利于降水的入渗，人类活动对地下水资源有明显的“负效应”影响。

2.3 再生水灌溉的影响

大兴区典型点的地下水位趋势显示出再生水使用对地下水位变化的扭转性影响。为分析再生水利用对地下水资源的影响，对比了1996年、2006年、2016年，3年12月份的同期水位（图6），12月份的地下水位动态受降水和开采影响较小，能够真实的反映地下水位稳定后的情况。

与1996年相比，至2006年，地下水位以下降为主（图6a）。下降幅度集中在5～10 m，面积703.32 km2，北部城中心区和中部魏善庄开采区地下水位下降更明显，达10 m以上，面积99.76 km2。南部永定河北岸和东部南红门灌溉区地下水位下降幅度稍小，在5 m以内，面积213.12 km2。地下水位回升的地区面积仅有17.87 km2。按照大兴含水层介质的条件，给水度取值0.117，经计算，2006年相比1996年的浅层地下水储量累计亏损7.92亿m3。

至2016年，相比1996年，20年来整体地下水位仍处于下降状态，浅层地下水储量累计亏损0.71亿m3（图6b）。在南红门灌溉区和永定河沿岸地下水位的降幅减弱，下降趋势已得到明显控制。下降幅度集中在5～10 m，面积达585.42 km2，下降0～5 m的地区面积有187.13 km2，下降大于10 m的地区仍集中在北部和中部的城镇地区，面积94.13 km2。而榆垡上升面积扩大至46.74 km2。

而2016年相比2006年，地下水位以回升为主（图6c），大面积地区上升0～5 m，面积达536.68 km2。特别在南红门灌溉区和永定河南部出境处地下水位上升可达到5 m以上，面积68.09 km2，而下降地区的面积429.29 km2。相比2006年，2016年的浅层地下水储量增加约0.72亿m3。其中南红门灌溉区内地下水储量增加约0.49亿m3，回升面积占灌溉区的72.46%。永定河2 km范围内的地下水储量增加量约0.11亿m3，上升面积占计算范围的88.99%。

水位同期对比的结果可以看到，1996—2006年期间，由于降水量低于多年平均水平，加之开采等因素的影响，地下水储量亏损明显。至2016年，在压采、降水量增加等因素的影响下，地下水位已开始明显回升。其中，人工补给起到了不可忽视的作用，灌区和永定河沿岸2006—2016年的地下水增加量占到了全区总量的83.33%。人工补给已经是地下水得到涵养恢复的重要影响因素。

3 结论及建议

（1）快速的城市化进程下，城市地表环境的变化能够影响降水对地下水的自然补给。水位变幅大于0.9 m的地区多为农用地，水位变幅小于0.3 m的地区多为建设用地。并且随着城市化发展，建设用地的面积占比由1996年19.80%增长至2016年的53.61%，而水位变幅小于0.3 m的面积从1996年的5.17 km2增长至2016年507.99 km2，与建设用地的范围高度重合。不透水面的连续性和空间集中性，更易阻碍雨季降水对地下水的补给，致使水位变幅减弱。

（2）积极的生态恢复工作对地下水位的连续下降起到了明显的遏制作用，人为补给已经是除自然降水外不可忽视的地下水补给方式，并极大程度的抵消了城市化发展所带来的负面影响。在再生水利用大范围推广前，2006年与1996年的潜水储量相比亏损约7.92亿m3。随降水量的增加及2006年再生水的推广利用，至2016年，浅层地下水储量相比2006年增加约0.72亿m3。再生水灌溉区以及永定河沿岸地区的地下水位回升明显高于其他地区。

（3）城市化发展对大兴区浅层地下水资源量的影響，已从“负效应”为主表现为“正效应”为主。由于连年降水量偏少、多年的过量开采、连续不透水面的增加等因素，造成地下水位受降水量变化的影响减弱，水位持续下降，年内变幅减小，这一阶段人类活动以“负效应”影响占主。在城市发展模式转变后，特别是再生水的推广使用使地下水位转降为升，并且在局部地区由于再生水的使用，改变了原有的地下水流场状态，人类活动对地下水资源的影响开始以“正效应”为主导。人为补给已逐渐成为地下水补给的重要途径之一，弥补了地下水的自然补给缺失。

（4）城市在发展建设时应综合规划，考虑自然生态系统的联系空间，多利用透水性材料，避免不透水性地表的连续和集中。再生水的使用和人工灌溉等人为措施，从减少开采和增加补给两方面，能够有效涵养地下水资源，因此，城市化发展中应优化配置水资源利用，增强再生水的利用潜能和优化管理。同时，由于人为补给方式已成为浅层地下水重要的补给来源之一，应格外加强关注人为方式补给对地下水水质的影响。

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