華北平原地下水演變機(jī)制與調(diào)控

石建省, 李國(guó)敏, 梁 杏, 陳宗宇, 邵景力, 宋獻(xiàn)方

1)中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院水文地質(zhì)環(huán)境地質(zhì)研究所, 河北石家莊 050061; 2)中國(guó)科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所, 北京 100029; 3)中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(武漢), 湖北武漢 430074; 4)中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(北京), 北京 100083; 5)中國(guó)科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所, 北京 100101

華北平原地下水演變機(jī)制與調(diào)控

石建省1), 李國(guó)敏2), 梁 杏3), 陳宗宇1), 邵景力4), 宋獻(xiàn)方5)

1)中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院水文地質(zhì)環(huán)境地質(zhì)研究所, 河北石家莊 050061; 2)中國(guó)科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所, 北京 100029; 3)中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(武漢), 湖北武漢 430074; 4)中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(北京), 北京 100083; 5)中國(guó)科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所, 北京 100101

自20世紀(jì)70年代以來(lái), 華北平原長(zhǎng)期的地下水過(guò)量開采形成了復(fù)雜的地下水降落漏斗, 并引發(fā)了一系列環(huán)境地質(zhì)問(wèn)題。為建立區(qū)域社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展與地下水資源與環(huán)境之間的協(xié)調(diào)機(jī)制, 國(guó)家 973項(xiàng)目“華北平原地下水演變機(jī)制與調(diào)控”在大量前人研究基礎(chǔ)上, 進(jìn)一步分析了近50年來(lái)地下水動(dòng)力場(chǎng)演變特征及其對(duì)人類活動(dòng)的響應(yīng), 揭示了包氣帶結(jié)構(gòu)變化影響下包氣帶水力參數(shù)的變化, 研究了深層地下水開采引起的地面沉降、咸水移動(dòng)和資源量轉(zhuǎn)換機(jī)理; 利用改進(jìn)的地下水?dāng)?shù)值模擬技術(shù), 建立了2001—2010年華北平原地下水流數(shù)值模型, 計(jì)算了最新的地下水資源量。分析了地下水資源承載力的主要影響因素, 進(jìn)行了華北平原地下水資源承載力定量評(píng)價(jià), 給出了華北平原地下水的優(yōu)化調(diào)控途徑, 目前正在以高精度地下水流數(shù)值模型為核心, 模擬各區(qū)的地下水優(yōu)化調(diào)控方案。

華北平原; 地下水降落漏斗; 地下水資源管理

華北平原(圖1)是我國(guó)重要的政治、經(jīng)濟(jì)和農(nóng)業(yè)區(qū), 20世紀(jì)70年代以來(lái), 華北平原地下水經(jīng)歷了長(zhǎng)期的超采過(guò)程, 形成了大面積的地下水降落漏斗(張兆吉等, 2009a), 導(dǎo)致地下水資源衰減、地質(zhì)環(huán)境惡化(Liu et al., 2001), 直接威脅到該區(qū)水安全、糧食安全和重大工程設(shè)施安全(李國(guó)和等, 2007), 已成為經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的主要制約瓶頸(Foster et al., 2004)。未來(lái)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展仍然面臨著兩難選擇: 一方面迫切需要提高地下水資源對(duì)社會(huì)、政治、和經(jīng)濟(jì)發(fā)展的支撐能力; 另一方面, 和諧社會(huì)建設(shè)又亟需有效地調(diào)控地下水的開發(fā)利用, 解決與地下水相關(guān)的地質(zhì)環(huán)境問(wèn)題(Liu et al., 2008), 因此, 華北平原很需要探索一條地下水可持續(xù)開發(fā)利用的科學(xué)路徑(Xia et al., 2007)。

在世界范圍內(nèi), 像華北平原這樣的大型地下水系統(tǒng)均在當(dāng)?shù)氐纳鐣?huì)經(jīng)濟(jì)中起著重要作用, 而強(qiáng)烈開采引起的水位下降也往往是這些地下水系統(tǒng)面臨的共同問(wèn)題。如美國(guó)西部的高平原地下水系統(tǒng)(Sophocleous, 2005), 澳大利亞的大自流盆地(Habermehl, 2006)等。但是, 華北平原地下水系統(tǒng)比上述系統(tǒng)更為復(fù)雜, 經(jīng)受的開采強(qiáng)度更大, 引發(fā)的環(huán)境問(wèn)題也更為嚴(yán)重。這給華北平原地下水可持續(xù)利用問(wèn)題的解決提出了很大的挑戰(zhàn)。

為此, 國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃(“973”)項(xiàng)目《華北平原地下水演變機(jī)制與調(diào)控》聚焦于二個(gè)亟需解決的關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題: ①地下水系統(tǒng)結(jié)構(gòu)變異與地下水資源演變機(jī)制; ②地下水資源開發(fā)-環(huán)境變化-經(jīng)濟(jì)發(fā)展協(xié)調(diào)機(jī)制, 通過(guò)開展四項(xiàng)內(nèi)容的研究: (a)人類活動(dòng)條件下區(qū)域地下水系統(tǒng)響應(yīng); (b)含水層系統(tǒng)結(jié)構(gòu)變異與地下水可利用資源變化機(jī)理; (c)地下水-環(huán)境-社會(huì)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)耦合機(jī)制與評(píng)價(jià)體系; (d)環(huán)境、經(jīng)濟(jì)約束下的地下水調(diào)控來(lái)進(jìn)一步揭示華北平原地下水復(fù)合漏斗形成演變機(jī)理, 來(lái)闡明人類活動(dòng)對(duì)地下水資源數(shù)量與質(zhì)量的影響機(jī)制, 揭示地下水資源開發(fā)-環(huán)境變化-經(jīng)濟(jì)發(fā)展協(xié)調(diào)機(jī)制, 發(fā)展和完善人類活動(dòng)影響下地下水系統(tǒng)演變及相關(guān)環(huán)境變化的基礎(chǔ)理論。最終建立地下水系統(tǒng)危機(jī)臨界識(shí)別指標(biāo)體系和地下水資源承載力評(píng)價(jià)體系, 提出“地下水復(fù)合漏斗”控制與修復(fù)理論方法(中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院, 2014)。項(xiàng)目研究思路見圖2。

圖1 華北平原平面位置圖Fig. 1 Location of the North China Plain

經(jīng)過(guò)四年多的研究, 項(xiàng)目組已經(jīng)取得了一系列重要進(jìn)展, 詳情如下。

1 地下水系統(tǒng)結(jié)構(gòu)變異與地下水資源演變機(jī)制

1.1 人類活動(dòng)條件下區(qū)域地下水系統(tǒng)的演變

通過(guò)華北平原1960年、1980年和2000年淺層地下水資源評(píng)價(jià)及均衡模式的對(duì)比(張兆吉等, 2009a),建立了大規(guī)模開采前和大規(guī)模開采后的水均衡模式(圖3)。查明了區(qū)域地下水系統(tǒng)的演變特征如下。

大規(guī)模開采前(1960年左右), 淺層地下水位較淺, 降水入滲補(bǔ)給系數(shù)相對(duì)較小, 地表水系發(fā)達(dá),地下水蒸發(fā)強(qiáng)烈, 中東部深層地下水向淺層地下水越流補(bǔ)給; 大規(guī)模開采后(2000年), 深、淺層地下水位大幅度下降(圖4), 形成復(fù)合降落漏斗。深層地下水不再向淺層地下水補(bǔ)給, 反而接受淺層地下水的越流補(bǔ)給(Shao et al., 2013)。

地下水的水化學(xué)組分, 在大規(guī)模開采前有明顯的規(guī)律性: 山前平原以HCO3型水為主, 中部平原則為 SO4、Cl、HCO3混合型水, 濱海平原則以 Cl及Cl-SO4型水為主(張宗祜等, 1997); 在大規(guī)模開采后,水循環(huán)條件的改變導(dǎo)致淺層地下水化學(xué)特征趨于復(fù)雜, 尤其是中部平原, 由早期的HCO3-SO4、Cl-SO4、SO4-Cl混合型水演化為 HCO3-SO4、HCO3-Cl、Cl-SO4、SO4-Cl、SO4、Cl-SO4、SO4-Cl等混合型水,潛水Cl及Cl-SO4型水分布面積大大減小, 地下水趨于淡化, 水化學(xué)類型轉(zhuǎn)化為HCO3或SO4型(張兆吉等, 2009a)。但總體上, 地下水無(wú)機(jī)化學(xué)組分含量從山前至濱海逐漸升高, 水質(zhì)逐漸變差的趨勢(shì)仍然沒(méi)有改變(費(fèi)宇紅等, 2014)。

圖2 項(xiàng)目研究思路框圖Fig. 2 Structure of the study logic of this project

圖3 華北平原地下水循環(huán)模式對(duì)比(a-1960年; b-2000年)Fig. 3 Comparison of groundwater circulations in the North China Plain (a-1960; b-2000)

1.2 包氣帶結(jié)構(gòu)變異與地下水補(bǔ)給演變

華北平原長(zhǎng)期超采地下水導(dǎo)致水位持續(xù)下降,飽水帶向包氣帶轉(zhuǎn)化, 形成厚度大、非均質(zhì)性更為復(fù)雜的包氣帶; 同時(shí), 土壤的釋水改變?cè)械膽?yīng)力狀態(tài), 土壤物理結(jié)構(gòu)、土壤水力參數(shù)發(fā)生了改變,從而影響降雨或灌溉水的入滲補(bǔ)給(Liang et al., 2010)。本項(xiàng)目利用大規(guī)模示蹤試驗(yàn), 獲得了一系列入滲補(bǔ)系數(shù), 經(jīng)計(jì)算, 山前平原平均補(bǔ)給量13.7～564.3 mm/a , 平均補(bǔ)給系數(shù)為0.17; 中部平原年均補(bǔ)給量 11.9～191.7 mm/a, 平均補(bǔ)給系數(shù)為0.097(Wang et al., 2011)。灌溉是產(chǎn)生垂向補(bǔ)給的主要驅(qū)動(dòng)力, 灌溉量越大, 對(duì)地下水的補(bǔ)給量也越大(Lu et al., 2011)。隨埋深的增大, 補(bǔ)給系數(shù)與地下水位埋深的關(guān)系不再明顯。華北平原平均補(bǔ)給系數(shù)為0.9, 實(shí)驗(yàn)結(jié)果為0.16。近50年來(lái), 根區(qū)土層滲透系數(shù)的變異性對(duì)潛在補(bǔ)給量的影響較大, 根區(qū)以下土層(2 m以下)滲透系數(shù)的變異性對(duì)潛在補(bǔ)給量影響較小。當(dāng)包氣帶厚度小于5 m時(shí), 實(shí)際補(bǔ)給過(guò)程與降雨事件響應(yīng)明顯。入滲補(bǔ)給隨地下水位埋深的增大, 補(bǔ)給系數(shù)與地下水位埋深的關(guān)系不再明顯(Huo et al., 2014)。在地下水埋深大于土壤蒸發(fā)極限埋深的情況下, 巖性非均質(zhì)對(duì)多年平均補(bǔ)給量無(wú)顯著影響(Lu et al., 2011; Zha et al., 2013; 霍思遠(yuǎn)等, 2013)。示蹤劑方法是確定深厚包氣帶區(qū)地下水補(bǔ)給的可靠技術(shù), 利用該技術(shù)研究了華北平原淺層地下水的影響因素、補(bǔ)給過(guò)程和分布特征。根據(jù)示蹤劑的實(shí)驗(yàn)成果和理論研究, 發(fā)現(xiàn)在地下水的深埋區(qū), 包氣帶厚度的變化對(duì)地下水垂直補(bǔ)給量影響不大, 地下水補(bǔ)給量主要決定于淺層水分平衡過(guò)程和土壤特征,包氣帶厚度增大將使得地下水補(bǔ)給過(guò)程產(chǎn)生滯后并變化平緩(譚秀翠等, 2012; Huo et al., 2014)。

圖4 1984—2003年華北平原淺層地下水水位變差圖(張兆吉等, 2009b)Fig. 4 Shallow groundwater level variation graph in the North China Plain from 1984 to 2003(ZHANG et al., 2009b)

1.3 弱透水層壓縮與地面沉降機(jī)理

地下水的嚴(yán)重超采使華北平原的北京、天津、衡水及滄州等地都出現(xiàn)了嚴(yán)重的地面沉降現(xiàn)象(何慶成等, 2006)。同時(shí)工程建設(shè)也成為影響地面沉降的一個(gè)重要人為因素(龔士良, 2008; 楊少華, 2009),認(rèn)識(shí)和區(qū)分這兩種作用對(duì)地面沉降發(fā)生的影響, 對(duì)評(píng)估地下水開采引起的地面沉降具有重要意義。為此, 我們以天津?yàn)I海新區(qū)為典型研究區(qū), 建立了三維地下水滲流場(chǎng)與應(yīng)力場(chǎng)耦合模型, 對(duì)高層荷載和地下水開采雙重作用下地面沉降的演化規(guī)律進(jìn)行了模擬, 識(shí)別出濱海新區(qū)地面沉降演變的時(shí)空特征, 即: 濱海新區(qū)地面沉降的發(fā)生與發(fā)展與地下水開采關(guān)系非常密切。持續(xù)開采一年后井300 m以內(nèi)為劇烈沉降區(qū), 距井口超過(guò)600 m, 沉降趨于平緩。高層建筑荷載引起的地面沉降范圍很小, 局限于高層建筑物 200 m范圍, 并且與建筑物的高度有關(guān)(Ma et al., 2011)。地面沉降過(guò)程中, 在固結(jié)初始階段, 非結(jié)合水首先滲出, 隨著固結(jié)時(shí)間的延續(xù), 有效應(yīng)力相應(yīng)增高, 當(dāng)有效應(yīng)力超過(guò)微孔隙層次的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度時(shí),孔隙瞬間被壓縮, 孔隙水壓力驟然升高, 弱結(jié)合水突然釋出, 致使固結(jié)速率加快, 土體結(jié)構(gòu)經(jīng)過(guò)調(diào)整后, 完成黏性土釋水。

1.4 弱透水層在咸水越流中的作用

華北平原第四系含水層具有上咸下淡的結(jié)構(gòu),長(zhǎng)期開采深層淡水, 導(dǎo)致淺層咸水越流量增加, 但目前并未發(fā)現(xiàn)大面積的深層地下淡水礦化度明顯增加的現(xiàn)象, 水文地質(zhì)學(xué)家們提出了弱透水層“半透膜效應(yīng)”的阻鹽作用(王家兵, 2002)。本次研究通過(guò)采用密閉的原狀土入滲裝置開展了不同密度的原狀粘土越流試驗(yàn)得到如下認(rèn)識(shí): (1)越流過(guò)程中粘性土弱透水層存在半透膜超濾鹽分的現(xiàn)象; (2)超濾鹽分的容量隨著弱透水層的持續(xù)壓縮而減小; (3)當(dāng)超濾容量達(dá)到某一臨界值時(shí), 發(fā)生咸水穿透。上述認(rèn)識(shí)說(shuō)明: 隨著華北平原水位持續(xù)下降, 地面沉降持續(xù)發(fā)展, 粘性土弱透水層的半透膜超濾鹽分的能力將逐漸降低, 最終將有可能發(fā)生咸水突破而影響深層承壓水的開發(fā)利用。

1.5 深層地下水漏斗演變與更新性

以滄州為主要研究區(qū), 詳細(xì)研究了深層地下水漏斗的演變過(guò)程: 1964年以前地下水開采量很小, 地下水流場(chǎng)基本處于天然狀態(tài), 1965年以后, 隨著地下水開采量的增加, 地下水降落漏斗的擴(kuò)大速度逐漸加快, 到 2000年左右達(dá)到頂峰, 隨后地下水開采量趨于穩(wěn)定或減少, 漏斗水位逐漸回升(韓占濤等, 2013)。

以地面沉降嚴(yán)重并且監(jiān)測(cè)比較完善的天津市平原區(qū)作為典型區(qū), 建立該地區(qū)地下水流-地面沉降數(shù)值模擬模型(李文運(yùn)等, 2012; Cui et al., 2014), 模擬區(qū)面積1.1×104km2, 垂向上分為6個(gè)含水層組, 網(wǎng)格剖分大小為500 m×500 m。通過(guò)11年的地下水位、地面沉降監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)識(shí)別模型, 運(yùn)用模型分析人類大規(guī)模開采深層水條件下地下水資源量的組成及其變化。結(jié)果表明: 上部潛水通過(guò)弱透水層對(duì)深層地下水補(bǔ)給, 占開采量的40%; 壓縮釋水量約占開采量的比例平均為33%, 隨著抽水時(shí)間的延長(zhǎng), 壓縮釋水量占總開采量的比例略微減小; 通過(guò)外圍邊界側(cè)向流入天津市深層含水組的地下水可以占到開采量的24%。

1.6 華北平原地下水資源評(píng)價(jià)

在前期工作的基礎(chǔ)上(Wang et al., 2008; Shao et al., 2013), 運(yùn)用地下水模擬軟件MODFLOEW建立了長(zhǎng)序列華北平原地下水流數(shù)值模擬模型, 結(jié)合地下水模擬的并行算法(黃林顯等, 2012; 程湯培等, 2013; Cheng et al., 2014)、區(qū)域地下水開采估算(李玲等, 2013)等研究。以該模型為主要手段, 分析了華北平原地下水均衡、評(píng)價(jià)了地下水資源量。結(jié)果表明, 2001—2010年華北平原地下水淺層年均總補(bǔ)給量為 243×108m3/a, 總排泄量為 262×108m3/a,目前人類活動(dòng)條件下, 地下水開采量是主要排泄項(xiàng), 占總排泄量的 66.0%。多年地下水補(bǔ)排差為-19×108m3/a, 華北平原淺層水總體處于超采狀態(tài)。深層水的補(bǔ)給來(lái)自潛水含水層的越流和側(cè)向流入, 為25.5×108m3/a, 排泄量為43.1×108m3/a, 其中地下水開采量為42.7×108m3/a, 是深層水的主要排泄項(xiàng)。地下水補(bǔ)排差為-17. 6×108m3/a, 處于嚴(yán)重超采狀態(tài)。此外, 本研究還分行政區(qū)、水文地質(zhì)單元、礦化度對(duì)地下水補(bǔ)給資源量和可開采資源量進(jìn)行了評(píng)價(jià), 為地下水資源調(diào)控提供了重要基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

2 地下水資源開發(fā)與環(huán)境、經(jīng)濟(jì)協(xié)調(diào)機(jī)制

2.1 地下水資源開發(fā)及其資源環(huán)境效應(yīng)

長(zhǎng)期、大規(guī)模的地下水開采不但使地下水流場(chǎng)發(fā)生了劇烈改變, 而且引起了一系列環(huán)境效應(yīng), 如濕地面積大幅度減小(喬光英等, 2010), 嚴(yán)重的地面沉降和地裂縫(何慶成等, 2006; 李世雄等, 2006),嚴(yán)重的海水入侵等(左文喆, 2006)。

為此, 我們抓住華北平原的主要耗水因素, 分析了農(nóng)業(yè)生態(tài)用水對(duì)地下水位變化的影響, 闡明了主要農(nóng)作物耗水規(guī)律, 并提出了最佳灌溉模式。經(jīng)計(jì)算, 最佳灌溉模式可減少22%左右的農(nóng)業(yè)用水量。

為建立地下水開發(fā)與經(jīng)濟(jì)發(fā)展相互關(guān)系, 我們分析了人口、土地利用和工農(nóng)業(yè)發(fā)展歷程與地下水開發(fā)利用數(shù)據(jù), 闡明了地下水開發(fā)利用與近50年社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的互動(dòng)關(guān)系。我們還系統(tǒng)分析了環(huán)境問(wèn)題(海水入侵、土壤鹽漬化和地下水污染)與地下水的關(guān)系, 闡明了再生水利用對(duì)地下水環(huán)境影響程度。

2.2 華北平原地下水資源承載力及可調(diào)控途徑

2.2.1 地下水資源承載力概念

為實(shí)現(xiàn)地下水資源的可持續(xù)利用, 應(yīng)當(dāng)確定合理的地下水資源承載力。前人根據(jù)不同地區(qū)不同的約束條件, 提出了不同的地下水資源承載力概念和評(píng)價(jià)方法(張?chǎng)蔚? 2001; 王順久等, 2004; 萬(wàn)星等, 2006; 董克剛等, 2008)。然而, 針對(duì)華北平原特有的社會(huì)經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)和水文地質(zhì)條件, 前人提出的地下水資源承載力概念和方法并不太適用。

為實(shí)現(xiàn)華北平原地下水資源的可持續(xù)利用, 我們提出了綜合考慮地下水資源的自然屬性、環(huán)境屬性和社會(huì)屬性的地下水資源承載力的概念。地下水資源承載力即在一定發(fā)展階段下, 以可預(yù)見的技術(shù)、經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展水平為依據(jù), 以可持續(xù)發(fā)展為原則, 以地下水最大可利用量為前提, 地下水資源對(duì)區(qū)域社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的最大支撐能力。地下水資源承載力具有動(dòng)態(tài)性、可調(diào)控性和有限性。

2.2.2 華北平原地下水資源承載力評(píng)價(jià)

(1)地下水資源承載力評(píng)價(jià)方法

將地下水資源承載力簡(jiǎn)化為地下水最大可利用量和用水效率的函數(shù), 建立了地下水資源承載力靜態(tài)評(píng)價(jià)方法, 提出了以地下水資源開采程度(RQ)和社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展程度(RG)關(guān)系為核心、以區(qū)域最優(yōu)用水效率為統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)的多地區(qū)地下水資源利用與社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展?fàn)顩r動(dòng)態(tài)評(píng)價(jià)方法。

圖5 現(xiàn)狀條件下(2000年)華北平原各地市地下水對(duì)社會(huì)經(jīng)濟(jì)承載能力Fig. 5 Groundwater resources carrying capacities of cities in the North China Plain (2000)

圖6 華北平原各地市RG-RQ關(guān)系圖(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)華北平原地下水資源承載力靜態(tài)評(píng)價(jià)

根據(jù) 2000年的社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展?fàn)顩r及耗水量統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)(包括產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)、用水結(jié)構(gòu)、耗水水平、地下水在不同行業(yè)之間的分配比例等), 華北平原各地市地下水可安全承載的 GDP規(guī)模以北京市最大, 為1145億元, 東營(yíng)市最小, 不足3億元。其由大到小的排序見圖5。

(3)華北平原地下水資源利用與社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展?fàn)顩r評(píng)價(jià)

圖 6為2000年華北平原各地市地下水開采程度(RQ)與地下水支撐的經(jīng)濟(jì)發(fā)展程度(RG)關(guān)系圖。德州、保定、聊城、濮陽(yáng)、新鄉(xiāng)等位于 I區(qū), 說(shuō)明該五個(gè)地區(qū)地下水開發(fā)利用程度較低, 經(jīng)濟(jì)發(fā)展基本不受水資源制約; 焦作、鶴壁、廊坊、衡水、邢臺(tái)、安陽(yáng)、秦皇島、邯鄲、濱州等位于II區(qū), 表明該九個(gè)地區(qū)已發(fā)生地下水超采, 經(jīng)濟(jì)發(fā)展實(shí)際并未超載, 經(jīng)濟(jì)發(fā)展受到水資源制約; 石家莊、滄州、唐山、北京位于III區(qū), 表明該四個(gè)地區(qū)不僅發(fā)生了地下水超采, 而且也出現(xiàn)了經(jīng)濟(jì)超載現(xiàn)象, 經(jīng)濟(jì)發(fā)展受到水資源的嚴(yán)重制約。

2.2.3 提高地下水資源承載力的可能途徑

由前所述, 地下水資源的承載力是地下水資源可利用量和用水效率的函數(shù), 因此, 提高地下水資源承載力的途徑從兩方面考慮: 提高地下水可利用量和提高用水效率, 而后者的效果更顯著。對(duì)于華北平原而言, 提高地下水可利用量的主要途徑包括:山前人工雨洪調(diào)蓄、中東部平原發(fā)展淺層弱滲透含水層淡水開采技術(shù)和微咸水改造利用技術(shù)等; 提高水資源利用效率的途徑包括: 發(fā)展農(nóng)業(yè)節(jié)水、提高工業(yè)用水重復(fù)利用率、調(diào)整產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)、改變經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)模式、提高公眾節(jié)水意識(shí)等。

3 環(huán)境、經(jīng)濟(jì)約束下的地下水調(diào)控

3.1 華北平原地下水臨界水位

為合理開發(fā)利用、有效保護(hù)地下水資源, 在某一地區(qū), 對(duì)于特定的地下水開采目的層確定合理的地下水開采控制水位, 即為臨界水位, 以防止由于過(guò)量開采地下水對(duì)地下水流系統(tǒng)自身及周邊環(huán)境引發(fā)破壞作用。

利用中國(guó)地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測(cè)院華北平原地區(qū)國(guó)家級(jí)和省級(jí)近 20年的水位長(zhǎng)序列監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù), 分析確定了研究區(qū)淺層和深層地下水的臨界水位(圖7, 8)。

圖7 華北平原淺層地下水臨界水位Fig. 7 The critical groundwater level of shallow aquifer in the North China Plain

圖8 華北平原深層地下水臨界水位Fig. 8 The critical groundwater level of deep aquifer in the North China Plain

3.2 地下水調(diào)控

基于上述研究成果, 我們正在以新建立的地下水?dāng)?shù)值模型為核心, 以確定的各區(qū)地下水位約束值為約束條件, 考慮《海河流域綜合規(guī)劃(2011—2030年》及南水北調(diào)輸入水量的變動(dòng), 以及各種節(jié)水、優(yōu)化開采和回補(bǔ)方案, 模擬和預(yù)測(cè) 2011—2015年, 2016—2020年, 2021—2030年, 2031—2050年四個(gè)時(shí)段的地下水開采方案、所能提供的水資源量, 以及地下水流場(chǎng)的變化情況, 并將在此基礎(chǔ)上提出各區(qū)合適的地下水開采量及開采方案。

4 結(jié)論

華北平原地下水系統(tǒng)在經(jīng)歷 40余年的大規(guī)模開采后, 已經(jīng)發(fā)生了劇烈變化。深、淺層地下水均由于過(guò)量開采而形成大面積降落漏斗。這一改變伴隨著地下水流系統(tǒng)參數(shù)和水質(zhì)的變化, 以及由此引起的一系列環(huán)境問(wèn)題。淺層地下水的補(bǔ)給由原來(lái)受地下水位影響而變成較穩(wěn)定的補(bǔ)給。深層地下水位下降, 引起淺層地下水向下越流補(bǔ)給, 咸水下移,弱透水層壓縮和地面沉降, 以及海水入侵。為保證華北平原地下水可持續(xù)利用, 建立了高精度地下水流數(shù)值模型, 重新評(píng)價(jià)了地下水資源, 提出了適用于華北平原的地下水資源承載力評(píng)價(jià)方法, 正模擬地下水資源優(yōu)化調(diào)控方案, 尋求可持續(xù)發(fā)展的地下水資源利用途徑。

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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

本文由國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究計(jì)劃(“973”)項(xiàng)目“華北平原地下水演變機(jī)制與調(diào)控”(編號(hào): 2010CB428800)資助。獲中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院 2013年度十大科技進(jìn)展第四名。

2014-04-14; 改回日期: 2014-05-18。責(zé)任編輯: 閆立娟。

石建省, 男, 1962年生。研究員, 博士生導(dǎo)師。長(zhǎng)期從事地下水資源調(diào)查評(píng)價(jià)、中國(guó)黃土研究、脆弱帶地質(zhì)生態(tài)學(xué)等研究。E-mail: tiger7886@263.net。