高 飛, 王會(huì)肖, 劉昌明

?

2001—2015年北京市地下水資源承載力變化特征分析*

高 飛, 王會(huì)肖**, 劉昌明

(北京師范大學(xué)水科學(xué)研究院/城市水循環(huán)與海綿城市技術(shù)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 北京 100875)

北京市地下水超采現(xiàn)象嚴(yán)重, 由此引發(fā)了包括地面沉降等相關(guān)環(huán)境問(wèn)題, 嚴(yán)重制約了北京市的經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展。本文采用地下水可利用量和用水效率定義了地下水承載力, 并結(jié)合地下水開(kāi)采程度(G)和經(jīng)濟(jì)發(fā)展程度的投影圖(Q)對(duì)北京市2001—2015年的地下水資源承載力進(jìn)行了評(píng)價(jià)。結(jié)果表明: 北京市地下水的供水量高于地表水的供水量, 地表水和地下水供水量波動(dòng)幅度較小; 北京市農(nóng)業(yè)用水效率和工業(yè)用水效率逐年升高, 其他行業(yè)用水效率除在2014年和2015年出現(xiàn)小幅度降低外, 其他年份均處于升高趨勢(shì), 折算后的綜合用水效率也從2001年的97元×m-3增長(zhǎng)到2015年的620元×m-3; 北京市地下水實(shí)際承載的GDP從2001年的2 636億元增長(zhǎng)到2014年的11 469億元, 2015年又減少到11 284億元。以2010年為界限北京市地下水開(kāi)采程度(G)和經(jīng)濟(jì)發(fā)展程度(Q)投影點(diǎn)分別位于Ⅰ區(qū)和Ⅱ區(qū)內(nèi), 表明北京市地下水承載力2010年以前處于相對(duì)荷載過(guò)重的狀態(tài), 2010年以后荷載狀態(tài)有所緩解。雖然北京市實(shí)際承載的GDP低于理論承載的GDP, 但是北京市地下水承載力仍然面臨著嚴(yán)峻的挑戰(zhàn), 逐步提高地表水使用量和提高用水效率是有效緩解北京市地下水超采的有力舉措。

北京市; 地下水資源承載力; 地下水開(kāi)采程度; 經(jīng)濟(jì)發(fā)展

近年來(lái), 人口的不斷增加和社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展導(dǎo)致了世界上許多國(guó)家和地區(qū)對(duì)水資源需求的增加, 水資源供需矛盾逐漸加深, 而由此產(chǎn)生的水爭(zhēng)端問(wèn)題也屢見(jiàn)不鮮[1-3]。地表水和地下水是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、工業(yè)生產(chǎn)以及其他行業(yè)生產(chǎn)的兩個(gè)重要水源, 然而在水資源短缺的干旱半干旱地區(qū)地表水相對(duì)匱乏, 地下水就成為這些地區(qū)主要水源[4]。以農(nóng)業(yè)為例, 全球范圍內(nèi)每年大約有545 km3的地下水用于灌溉, 約占總灌溉量的43%[5]。因此, 地下水資源已經(jīng)成為一個(gè)區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展不可或缺的重要自然資源。合理高效地利用地下水資源不僅是實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展的重要途徑, 也是科研工作者亟待解決的重要科學(xué)問(wèn)題之一。

華北平原是我國(guó)重要的糧食生產(chǎn)基地, 然而華北平原地處半干旱、半濕潤(rùn)氣候帶, 年降水量?jī)H為500~800 mm左右, 加之該地區(qū)人口密集, 城市用水和農(nóng)業(yè)灌溉均主要依靠地下水, 地下水水資源供需矛盾十分突出[6-8]。北京市地處華北平原北端。受大陸性季風(fēng)氣候變化的影響, 該地區(qū)地下水資源儲(chǔ)量變化的不確定性增加[9]。與此同時(shí)人類活動(dòng)也加劇了北京市地下水資源的供需矛盾。一方面北京地區(qū)作物生長(zhǎng)季降水量不足, 作物生長(zhǎng)對(duì)水分的需求大量依靠地下水資源。除此之外, 水利工程的建設(shè)和城市化改變了原有的城市下墊面特征, 導(dǎo)致地下水的補(bǔ)給排泄條件發(fā)生變化, 打破了地下水均衡狀態(tài)[10]。由此引發(fā)了諸如地下水位持續(xù)下降、地面沉降、生態(tài)環(huán)境退化等相關(guān)環(huán)境問(wèn)題的產(chǎn)生[11]。再加之受氣候變化的影響, 北京市降水量呈現(xiàn)下降趨勢(shì)[12], 嚴(yán)重制約了北京的經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展, 地下水所承載的經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展能力面臨嚴(yán)重的挑戰(zhàn)。一個(gè)地區(qū)的地下水資源儲(chǔ)量和經(jīng)濟(jì)發(fā)展程度始終處于動(dòng)態(tài)變化之中, 并不是恒定不變的, 因此非常有必要從時(shí)間尺度評(píng)價(jià)北京地下水資源對(duì)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展承載能力的變化特征, 這不僅是北京市地下水資源可持續(xù)利用研究的重要理論基礎(chǔ), 同時(shí)也是實(shí)現(xiàn)北京市地下水資源優(yōu)化配置、合理規(guī)劃的重要依據(jù)。

水資源承載力是指在一定的水資源開(kāi)發(fā)利用階段, 滿足生態(tài)需水后的可利用水量能夠維持該地區(qū)人口、資源與環(huán)境有限發(fā)展目標(biāo)的最大的社會(huì)-經(jīng)濟(jì)規(guī)模[13]。國(guó)內(nèi)關(guān)于水資源承載力的研究從20世紀(jì)90年代起就不斷出現(xiàn), 但是關(guān)于地下水資源承載力的研究相對(duì)較少[14]。從研究區(qū)域上看, 主要集中在華北[15]、東北[16]和西北[17]等主要農(nóng)業(yè)生產(chǎn)區(qū)域, 這些地區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)主要依賴地下水資源, 地下水問(wèn)題相對(duì)較為突出。從研究方法上看, 主要包括經(jīng)驗(yàn)估算法、指標(biāo)體系評(píng)價(jià)法和復(fù)雜系統(tǒng)分析法。劉敏等[18]利用模糊綜合評(píng)價(jià)方法對(duì)華北平原地下水資源承載力進(jìn)行了分析, 并利用灰色關(guān)聯(lián)理論討論了影響地下水資源承載力的因素。邢旭光等[17]選取地下水開(kāi)發(fā)率、地下水供水模數(shù)、地下水補(bǔ)給模數(shù)、地下水排泄模數(shù)、人均地下水占有量、單位GDP用水量和水資源重復(fù)利用率等7項(xiàng)評(píng)價(jià)指標(biāo)采用主成分分析法對(duì)西安市的地下水資源承載力進(jìn)行評(píng)價(jià), 結(jié)果顯示西安市地下水承載力趨于飽和且繼續(xù)開(kāi)發(fā)潛力較小。門寶輝等[19]采用物元分析法建立了地下水資源承載力評(píng)價(jià)模型, 對(duì)關(guān)中地區(qū)的地下水承載力進(jìn)行了綜合評(píng)價(jià), 結(jié)果表明咸陽(yáng)、寶雞等地的地下水資源開(kāi)發(fā)程度仍存在可開(kāi)發(fā)的潛力空間。韓雁等[20]分析了外調(diào)水對(duì)北京市水資源承載力的影響, 結(jié)果顯示南水北調(diào)使北京市的水資源承載力提高5%, 但是該研究并未對(duì)地下水資源的承載力進(jìn)行分析。孫清元等[21]采用主成分分析方法對(duì)北京市地下水承載力的閾值進(jìn)行了評(píng)價(jià), 但是未對(duì)北京市地下水承載力的變化特征進(jìn)行分析。目前關(guān)于從時(shí)間尺度來(lái)評(píng)價(jià)地下水資源承載力變化特征的研究相對(duì)較少, 且鮮有研究將地下水的利用量與社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展程度聯(lián)系起來(lái)評(píng)價(jià)區(qū)域地下水資源的承載能力。因此, 本文從地下水最大可利用量以及地下水資源對(duì)社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的承載能力兩個(gè)方面, 分析和探討北京市2001—2015年間水資源承載力的變化情況, 為北京市地下水資源承載力的調(diào)控和地下水的可持續(xù)利用提供理論支持。

1 地下水資源承載力的定義和評(píng)價(jià)方法

1.1 地下水資源承載力的定義與計(jì)算

地下水承載力定義尚未統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn), 不同氣候類型區(qū)其定義各不相同。北京市大部分區(qū)域位于華北平原山前平原地帶, 因此本文采用劉敏等[14]在華北平原地下水承載力評(píng)價(jià)中提出的定義作為本文討論地下水資源承載力的基礎(chǔ)。本研究中地下水資源承載力()是指在一定社會(huì)發(fā)展條件下, 以現(xiàn)有的經(jīng)濟(jì)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)展的最大支撐能力以可支撐的社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展規(guī)模(GDP)表示。根據(jù)上述定義, 地下水承載力是地下水可利用量和用水效率的函數(shù), 它反映了地下水利用和社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的定量關(guān)系, 可以表達(dá)為:

=′(1)

式中:為地下水支撐的社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展規(guī)模, 以國(guó)內(nèi)生產(chǎn)總值GDP表示, 單位為元;為用水效率;是地下水可利用量, 是以地形地貌、氣象水文、地質(zhì)、水文地質(zhì)條件、環(huán)境條件、地下水開(kāi)采技術(shù)條件等諸多自然和社會(huì)因素為自變量的函數(shù)。

在地下水可利用量定義的基礎(chǔ)上, 各種水源工程為用戶提供的包括輸水損失在內(nèi)的毛供水量就是地下水的供水能力。公式(1)表明, 地下水資源承載力與地下水可利用量和用水效率呈正比, 對(duì)于一個(gè)特定的研究區(qū)而言, 在已知地下水的最大可利用量(max)的條件下, 就可以計(jì)算出該地區(qū)某一用水效率下, 地下水對(duì)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的理論最大承載力(max)。本研究計(jì)算max所采用的max為華北平原地下水可持續(xù)利用調(diào)查評(píng)價(jià)結(jié)果[11]。計(jì)算實(shí)際地下水承載力a所采用的地下水可利用量為2000—2016年北京市水資源公報(bào)提供的地下水供水能力數(shù)據(jù)。對(duì)于用水效率而言, 主要是以國(guó)內(nèi)生產(chǎn)總值產(chǎn)生的來(lái)源為依據(jù), 將用水效率劃分為農(nóng)業(yè)用水效率、工業(yè)用水效率和其他行業(yè)用水效率, 是由該地區(qū)某一產(chǎn)業(yè)的總產(chǎn)值和該產(chǎn)業(yè)的總用水量的比值表示:

(2)

式中:為某一產(chǎn)業(yè)的用水效率,綜為綜合用水效率,農(nóng)為農(nóng)業(yè)用水效率,工為工業(yè)用水效率,其他為其他行業(yè)用水效率,分別為農(nóng)業(yè)用水量、工業(yè)用水量以及其他行業(yè)用水量占總用水量的權(quán)重。由表1可知北京市2001—2015年各行業(yè)的用水量情況, 由此可知2001—2015年的變化范圍分別是45%~17%、24%~10%、32%~73%。為該產(chǎn)業(yè)的年總產(chǎn)值(元),為該產(chǎn)業(yè)的年總用水量(m3)。

1.2 地下水資源承載力評(píng)價(jià)方法

本文采用劉敏等[14]提出的GQ關(guān)系圖法來(lái)評(píng)價(jià)年際尺度條件下北京市地下水資源承載力變化特征。首先計(jì)算北京市年際尺度的農(nóng)業(yè)用水效率、工業(yè)用水效率和其他行業(yè)用水效率。由于每個(gè)行業(yè)的用水量不同, 綜合用水效率不能通過(guò)簡(jiǎn)單的平均得到, 因此綜合用水效率應(yīng)該體現(xiàn)不同行業(yè)的用水量, 是不同行業(yè)用水量占總用水量的加權(quán)平均。其次, 將研究區(qū)內(nèi)綜合用水效率最大值作為標(biāo)準(zhǔn)值, 并根據(jù)地下水的最大可利用量計(jì)算該地區(qū)理論最大承載力max, 并用北京市實(shí)際地下水資源承載力a除以max, 得到該地區(qū)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展程度(G), 同時(shí)利用地下水的實(shí)際開(kāi)采量a除以地下水可利用量獲得該地區(qū)的地下水開(kāi)采程度(Q), 分別以G和Q為縱坐標(biāo)和橫坐標(biāo)做出GQ圖。通過(guò)GQ圖可以比較北京市不同年份地下水資源承載力狀況。如圖1所示, 將北京市2000—2015年的GQ投影到平面區(qū)域內(nèi), 如果投影點(diǎn)位于Ⅰ區(qū)域內(nèi), 說(shuō)明該年度北京市經(jīng)濟(jì)發(fā)展對(duì)地下水的依賴程度比較低, 水資源對(duì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的約束較小; 如果投影點(diǎn)位于Ⅱ區(qū)域內(nèi), 則說(shuō)明北京市該年度已發(fā)生地下水超采現(xiàn)象, 經(jīng)濟(jì)發(fā)展并未發(fā)生超載, 但綜合用水效率偏小, 用水效率有待提高, 如果提高綜合用水效率, 可使地下水恢復(fù)到未超采狀態(tài); 如果投影點(diǎn)位于Ⅲ區(qū)域內(nèi), 則說(shuō)明北京市不但發(fā)生了地下水超采, 同時(shí)也出現(xiàn)了經(jīng)濟(jì)超載現(xiàn)象, 即便提高用水效率, 也不能使地下水恢復(fù)到未超采狀態(tài); 如果投影點(diǎn)位于用水效率線上, 則說(shuō)明用水效率已到達(dá)最大值。

圖1 地下水開(kāi)采程度(RQ)與其支撐的經(jīng)濟(jì)發(fā)展程度(RG)之間的關(guān)系[14]

2 研究區(qū)概況與數(shù)據(jù)來(lái)源

北京位于華北平原西北邊緣, 除東南局部地區(qū)與天津市接壤外, 其余地區(qū)均與河北省毗鄰。東、西、北三面為山區(qū), 東南方向?yàn)閮A斜平原?？偯娣e16 410 km2。據(jù)國(guó)家統(tǒng)計(jì)局統(tǒng)計(jì)北京市常住人口由2000年的1 364萬(wàn)增長(zhǎng)到2015年的2 171萬(wàn), 耕地面積則由2000年的34萬(wàn)hm2下降到2015年的21萬(wàn)hm2(http://data.stats.gov.cn/search.htm)。北京是我國(guó)政治、經(jīng)濟(jì)和文化中心, 經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展對(duì)水資源的需求量巨大, 是我國(guó)水資源緊缺的地區(qū)之一, 水資源供需矛盾十分突出[22]。

北京市年平均降水量為588 mm, 年內(nèi)降雨時(shí)間分配不均勻, 6、7、8月的總降雨量約占全年降雨的70%。北京市年平均氣溫為11.7 ℃[12]。地表水資源量、地下水資源量來(lái)自2001—2015年北京市水務(wù)年鑒(表1)。水資源總量為地表水資源量和地下水資源量的總和。地表水供水量、地下水供水量和總供水量源于2001—2015年北京市水務(wù)年鑒。北京市農(nóng)業(yè)用水量、工業(yè)用水量和其他行業(yè)用水量數(shù)據(jù)來(lái)源于2001—2016年北京市水資源公報(bào)。北京市多年平均水資源量為24億m3, 其中地下水資源量為18億m3。北京市GDP數(shù)據(jù)來(lái)源于2001—2015北京市經(jīng)濟(jì)統(tǒng)計(jì)年鑒(表1)。地下水實(shí)際開(kāi)采量數(shù)據(jù)來(lái)自2000—2015年北京市水資源公報(bào)。地下水資源最大可利用量數(shù)據(jù)來(lái)自華北平原地下水可持續(xù)利用調(diào)查評(píng)價(jià)結(jié)果[11]。

表1 2001—2015年北京市地表水資源量、地下水資源量以及各產(chǎn)業(yè)用水量和產(chǎn)值

3 結(jié)果與討論

3.1 北京市供水能力分析

圖2為北京市2001—2015年地表水和地下水的供水量變化情況。北京市地下水供水量高于地表水供水量, 地表水、地下水和總供水量波動(dòng)幅度較小。2000—2015年間, 北京市地表水供水量為4.8億~ 11.7億m, 地下水的供水量為18.2億~27.2億m, 地下水的供水量呈現(xiàn)減少趨勢(shì)。何維達(dá)等[23]分析了北京市地表水和地下水的供水量特征, 研究結(jié)果顯示: 地下水的供水量占總供水量的比例約為63%且該比例呈現(xiàn)下降趨勢(shì), 該結(jié)果與本研究結(jié)果一致。北京市地下水供水量遠(yuǎn)高于地表水供水量的主要原因是北京市是地表水資源相對(duì)匱乏且時(shí)空分布不均勻, 河流斷流現(xiàn)象較為嚴(yán)重, 生產(chǎn)活動(dòng)主要依賴地下水[24]。

3.2 北京市地下水資源承載力分析

地下水資源對(duì)區(qū)域的經(jīng)濟(jì)承載力一方面約束于地下水的可利用量, 另一方面也受到各行業(yè)的用水效率的影響。本研究分析了北京市2001—2015年的農(nóng)業(yè)用水效率、工業(yè)用水效率和其他行業(yè)用水效率。如圖3所示, 在2001—2015年期間, 北京市農(nóng)業(yè)用水量和工業(yè)用水量分別從2001年的17億m3和9億m3減少到2015年的7億m3和4億m3, 而其他行業(yè)用水量從2001年的12億m3增長(zhǎng)到2015年的28億m3; 與此同時(shí), 農(nóng)業(yè)用水效率、工業(yè)用水效率分別從2001年的5元×m-3和125元×m-3增長(zhǎng)到2015年的22元×m-3和1 226元×m-3, 其他行業(yè)用水效率則從2001年的206元×m-3增加到2013年的710元×m-3, 2014年和2015年其他行業(yè)用水效率出現(xiàn)了小幅減少趨勢(shì)。整體來(lái)看, 折算后的綜合用水效率從2001年的97元×m-3增長(zhǎng)到2015年的620元×m-3。馬東春等[25]測(cè)算了北京市2010—2015年各行業(yè)的用水效率, 該研究定義的用水效率為單位生產(chǎn)總值所需的用水量, 這與本研究單位用水量產(chǎn)生的GDP有所不同, 但是都反映了用水量和GDP之間的關(guān)系, 是一個(gè)問(wèn)題的兩個(gè)方面。馬東春等[25]的研究結(jié)果同樣表明工業(yè)和農(nóng)業(yè)的用水效率呈現(xiàn)上升的趨勢(shì), 而其他行業(yè)的用水效率呈現(xiàn)下降的趨勢(shì)。上述研究結(jié)果表明改善其他行業(yè)用水效率將是提高北京市綜合用水效率的重要突破方向。

圖2 2001—2015年北京市地表水、地下水供水量及其波動(dòng)變化

圖3 2001—2015年北京市各產(chǎn)業(yè)用水量及其用水效率變化情況

北京市各行業(yè)用水量和用水效率發(fā)生變化的同時(shí), 地下水承載的GDP也發(fā)生了相應(yīng)的變化。由圖3可知北京市綜合用水效率最大值為620元×m-3, 最大地下水可利用量為21.3億m3×a-1[11], 則社會(huì)經(jīng)濟(jì)的理論最大承載力(max)為13 219億元。如圖4所示, 2001—2015年北京市地下水實(shí)際承載力a呈現(xiàn)上升趨勢(shì), 從2001年2 636億元增長(zhǎng)到2014年的11 469億元, 2015又下降至11 284億元。整體上來(lái)看, 雖然北京市地下水實(shí)際支撐的GDP(a)均低于地下水理論支撐的GDP(max), 但是并不代表我們能夠無(wú)限制地肆意開(kāi)發(fā)地下水資源用于經(jīng)濟(jì)發(fā)展。在2014年以前a一直處于不斷接近max的狀態(tài), 地下水的承載力接近飽和狀態(tài)。北京市地下水開(kāi)發(fā)利用依舊面臨嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。孫清元等[21]建立了地下水承載力評(píng)價(jià)模型和評(píng)價(jià)指標(biāo), 從地下水的人均供水量和地下水的開(kāi)發(fā)利用角度分析了北京市地下水承載力狀況, 研究結(jié)果顯示僅有順義和房山還存在承載潛力, 其他地區(qū)均達(dá)到飽和狀態(tài), 從整體狀態(tài)來(lái)看與本研究結(jié)果一致。但是這種趨勢(shì)從2015年開(kāi)始出現(xiàn)緩和的趨勢(shì), 2001—2010年a的年增長(zhǎng)率為14%, 而2010—2015年a的年增長(zhǎng)率為7%,a增長(zhǎng)的趨勢(shì)出現(xiàn)了下降的趨勢(shì), 得到緩解的一個(gè)可能原因是在過(guò)去的16年間地下水用水量在緩慢減少。1988年以前, 北京市地下水主要用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn), 且灌溉用水是北京市農(nóng)業(yè)用水的主要途徑, 約占農(nóng)業(yè)總用水量的90%[26]; 但是, 北京市2001—2015年以來(lái), 農(nóng)業(yè)用水和工業(yè)用水量在持續(xù)減少。主要原因是北京市的農(nóng)作物播種面積從60萬(wàn)hm2減少到15萬(wàn)hm2; 與此同時(shí), 由于農(nóng)業(yè)節(jié)水灌溉措施的大力推廣, 噴灌和滴灌的面積已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了大水漫灌的面積[26-28], 很大程度上減少了地下水的使用量。同時(shí), 一些以高耗水和低效益為特點(diǎn)的工業(yè)產(chǎn)業(yè)退出了北京的工業(yè)領(lǐng)域并且提高了工業(yè)用水重復(fù)利用率和生產(chǎn)廢水再利用率[29-30]。

圖4 2001—2015年北京市地下水資源實(shí)際承載與理論承載的GDP變化情況

3.3 北京市各年份地下水開(kāi)采程度(RG)和經(jīng)濟(jì)發(fā)展程度關(guān)系(RQ)比較

將北京市2001—2015年地下水開(kāi)采程度和地下水支撐的經(jīng)濟(jì)發(fā)展程度投影到G-Q關(guān)系圖上。如圖5所示, 北京市G-Q的投影點(diǎn)均位于Ⅰ、Ⅱ區(qū)域內(nèi), 表明北京市的地下水承載的GDP沒(méi)有出現(xiàn)超載現(xiàn)象, 但是地下水的開(kāi)采程度和其承載的經(jīng)濟(jì)發(fā)展程度有較大變化。多年平均G-Q投影點(diǎn)落在Ⅱ區(qū)內(nèi), 說(shuō)明2001—2015年間北京市的地下水平均開(kāi)采量處于超采狀態(tài), 用水效率偏低。圖5還表明, 用水效率2001—2015年是不斷地接近最大綜合用水效率。北京市2015年的G-Q投影點(diǎn)位于Ⅰ區(qū)域內(nèi)的用水效率線上, 說(shuō)明北京市雖然用水效率已達(dá)到較高水平, 且地下水開(kāi)采程度和地下水承載的GDP均未出現(xiàn)處于超采狀態(tài)。在2001年到2009年間, 北京市地下水開(kāi)采處于超采狀態(tài), 地下水承載的GDP均未出現(xiàn)處于超采狀態(tài)。2010年地下水開(kāi)采程度剛好與經(jīng)濟(jì)發(fā)展程度相適應(yīng)。2011年至2015年, 地下水開(kāi)采形勢(shì)出現(xiàn)好轉(zhuǎn)態(tài)勢(shì), 未出現(xiàn)超采情況。劉敏等[14]評(píng)價(jià)了華北平原地下水資源的承載力狀況, 結(jié)果表明2011年雖然北京市地下水開(kāi)采未出現(xiàn)超采, 但是已接近超采狀態(tài), 這與本研究結(jié)果一致。此評(píng)價(jià)結(jié)果僅僅限定于2011年, 但是沒(méi)有分析地下水承載力隨時(shí)間的變化情況。綜合對(duì)比分析, 可以得出北京市地下水承載力2010年處于相對(duì)負(fù)載過(guò)重的狀態(tài), 2010年以后負(fù)載狀態(tài)有所緩解。

北京地下水超載現(xiàn)象得以緩解除了得益于農(nóng)業(yè)種植結(jié)構(gòu)和灌溉方式的變化同時(shí)也得益于南水北調(diào)對(duì)北京市供水量的貢獻(xiàn)。圖6顯示了北京市2000—2017年南水北調(diào)的供水量、地下水的使用量和地下水埋深的變化情況。從2000年至2011年北京市地下水埋深下降了9.5 m, 但從2011年至2015年下降不到1 m(0.7 m), 地下水水位下降趨勢(shì)放緩。與此同時(shí),南水北調(diào)對(duì)北京的供水量也從2008年的0.7億m3增長(zhǎng)到2017年的10.8億m3, 增幅高達(dá)10億m3, 地下水的用水量也呈現(xiàn)略微減少趨勢(shì), 但由于北京市水資源及其降水有限[31], 且北京城區(qū)上游用水量和人口不斷增加[32-33], 北京市地下水仍然沒(méi)有達(dá)到采補(bǔ)平衡。南水大量供給北京后, 北京市仍需要過(guò)量使用地下水來(lái)保證供水。

圖5 2001—2015年北京市地下水開(kāi)采程度(RG)和經(jīng)濟(jì)發(fā)展程度(RQ關(guān)系)投影圖

3.4 北京市地下水承載力調(diào)控對(duì)策與途徑

由地下水承載力的定義可知, 地下水承載力是地下水可利用量和用水效率的函數(shù), 因此, 地下水承載力的調(diào)控途徑重點(diǎn)從這兩個(gè)方面考慮。

圖6 2000—2016年北京市地下水埋深以及南水北調(diào)供水量和地下水用水量變化情況

地下水的可利用量由于受到水文地質(zhì)環(huán)境、經(jīng)濟(jì)技術(shù)條件和環(huán)境等的影響, 其數(shù)值要以不破壞和影響生態(tài)環(huán)境為前提。因此, 地下水可利用量應(yīng)該根據(jù)研究區(qū)的地下水生態(tài)水位來(lái)確定。通過(guò)生態(tài)水位適宜區(qū)間范圍與當(dāng)前地下水位的對(duì)比, 可以區(qū)分地下水過(guò)剩區(qū)和虧缺區(qū), 進(jìn)而計(jì)算北京市的地下水可利用量。

用水效率與諸多社會(huì)因素相關(guān), 包括產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)、節(jié)水技術(shù)和管理政策等。因此, 不同產(chǎn)業(yè)應(yīng)該采取不同的用水策略來(lái)提高用水效率。從農(nóng)業(yè)發(fā)展角度, 應(yīng)該大力發(fā)展農(nóng)業(yè)節(jié)水措施尤其是灌溉方式, 同時(shí), 由于北京地處華北平原, 冬小麥-夏玉米的種植制度消耗了大量地下水, 應(yīng)該調(diào)整種植模式, 采用更為節(jié)水的種植制度。從工業(yè)產(chǎn)業(yè)角度分析, 要提高工業(yè)用水的重復(fù)率, 提高工業(yè)用水效率。

4 結(jié)論

本文收集了2001—2015年北京市地表水、地下水水資源量、地表水和地下水的供水量數(shù)據(jù), 以及各行業(yè)的用水量及其產(chǎn)生的GDP數(shù)據(jù)分析了北京市供水量的動(dòng)態(tài)變化特征和各行業(yè)用水效率及其綜合用水效率的時(shí)間變化特征, 結(jié)合劉敏等[14]提出的地下水承載力評(píng)價(jià)的方法, 從時(shí)間尺度層面分析了北京市2001—2015年地下水承載力的變化特征并辨識(shí)了發(fā)生這種變化特征的原因。主要研究結(jié)果如下: 1)地表水和地下水是北京市兩個(gè)重要的供水來(lái)源, 受限于地表水資源時(shí)空分布不均勻, 2000—2015年北京市地下水的供水量高于地表水的供水量。且地表水、地下水和總供水量波動(dòng)幅度較小, 未來(lái)一段時(shí)間內(nèi)地下水仍然是北京市主要的供水來(lái)源。2)2000—2015年, 北京市農(nóng)業(yè)用水效率和工業(yè)用水效率逐年升高, 其他行業(yè)用水效率除了在2014年和2015年出現(xiàn)小幅度降低外, 其他年份均處于升高趨勢(shì)。折算后的綜合用水效率仍然從2001年的97元×m-3增長(zhǎng)到2015年的620元×m-3。北京市地下水的實(shí)際承載能力從2001年2 636億元增長(zhǎng)到2014年的11 469億元, 2015年下降到11 284億元。其中2010年北京市的地下水資源開(kāi)采程度剛好與經(jīng)濟(jì)發(fā)展程度相適應(yīng)。逐步完善和提高其他行業(yè)用水效率, 是未來(lái)提高北京市綜合用水效率的重要突破方向, 也是進(jìn)一步緩解北京市地下水利用超采現(xiàn)象的有力舉措。3)在南水北調(diào)供水的影響下, 北京市地下水位埋深下降速率放緩, 但是為保證北京市的供水能力, 在一段時(shí)間范圍以內(nèi), 北京市地下水仍然處于超采狀態(tài), 但超采狀態(tài)有所緩解。為此, 應(yīng)該繼續(xù)改善北京市用水結(jié)構(gòu), 減少地下水的開(kāi)采利用, 提高地表水的使用率, 并進(jìn)一步提高其他行業(yè)的用水效率。

[1] 顧國(guó)達(dá), 尹靖華. 全球中長(zhǎng)期糧食供需趨勢(shì)分析[J]. 華中農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào): 社會(huì)科學(xué)版, 2014, (6): 6–16 GU G D, YIN J H. Analysis on mid and long-term global food supply and demand[J]. Journal of Huazhong Agricultural University: Social Sciences Edition, 2014, (6): 6–16

[2] ALLAM M M, JAIN FIGUEROA A, MCLAUGHLIN D B, et al. Estimation of evaporation over the upper Blue Nile basin by combining observations from satellites and river flow gauges[J]. Water Resources Research, 2016, 52(2): 644–659

[3] KI T, KANAE S. Global hydrological cycles and world water resources[J]. Science, 2006, 313(5790): 1068–1072

[4] SUNC, RENL. Assessment of surface water resources and evapotranspiration in the Haihe River basin of China using SWAT model[J]. Hydrological Processes, 2013, 27(8): 1200–1222

[5] DALIN C, WADA Y, KASTNER T, et al. Groundwater depletion embedded in international food trade[J]. Nature, 2017, 543(7647): 700–711

[6] 劉昌明. 發(fā)揮南水北調(diào)的生態(tài)效益修復(fù)華北平原地下水[J]. 南水北調(diào)與水利科技, 2003, 1(1): 17–19 LIU C M. Exploring an ecological benefit of South-to-North Water Transfers for rehabilitating groundwater systems in the North China Plain[J]. South-to-North Water Transfers and Water Science & Technology, 2003, 1(1): 17–19

[7] 張凱, 周婕, 趙杰, 等. 華北平原主要種植模式農(nóng)業(yè)地下水足跡研究——以河北省吳橋縣為例[J]. 中國(guó)生態(tài)農(nóng)業(yè)學(xué)報(bào), 2017, 25(3): 328–336 ZHANG K, ZHOU J, ZHAO J, et al. Agricultural groundwater footprint of the major cropping system in the North China Plain: A case study of Wuqiao County, Hebei Province[J]. Chinese Journal of Eco-Agriculture, 2017, 25(3): 328–336

[8] 錢永, 張兆吉, 費(fèi)宇紅, 等. 華北平原淺層地下水可持續(xù)利用潛力分析[J]. 中國(guó)生態(tài)農(nóng)業(yè)學(xué)報(bào), 2014, 22(8): 890–897QIAN Y, ZHANG Z J, FEI Y H, et al. Sustainable exploitable potential of shallow groundwater in the North China Plain[J]. Chinese Journal of Eco-Agriculture, 2014, 22(8): 890–897

[9] 舒云巧, 陳素英, 雷玉平, 等. 京津走廊麥田蒸散及其與地下水位變化關(guān)系研究[J]. 中國(guó)生態(tài)農(nóng)業(yè)學(xué)報(bào), 2006, 14(3): 71–74 SHU Y Q, CHEN S Y, LEI Y P, et al. The relationship between evapotranspiration in wheat field and the groundwater level in Beijing-Tianjin Corridor[J]. Chinese Journal of Eco-Agriculture, 2006, 14(3): 71–74

[10] 萬(wàn)思成, 李瓊芳, 虞美秀, 等. 北京市平原地區(qū)地下水動(dòng)態(tài)變化規(guī)律及影響因素分析[J]. 水電能源科學(xué), 2013, 31(12): 46–50 WAN S C, LI Q F, YU M X, et al. Groundwater dynamic changing characteristics and its influence factors of Beijing Plain Area[J]. Water Resources and Power, 2013, 31(12): 46–50

[11] 張兆吉, 費(fèi)宇紅, 陳宗宇, 等. 華北平原地下水可持續(xù)利用調(diào)查評(píng)價(jià)[M]. 北京: 地質(zhì)出版社, 2009 ZHANG Z J, FEI Y H, CHEN Z Y, et al. The Assessment of Sustainable Groundwater Use in North China Plain[M]. Beijing: China Geology Press, 2009

[12] 李鵬, 王新娟, 孫穎, 等. 氣候變化對(duì)北京地下水資源的影響分析[J]. 節(jié)水灌溉, 2017, (5): 80–83 LI P, WANG X J, SUN Y, et al. Analysis of the influence of climate change on groundwater resources in Beijing[J]. Water Saving Irrigation, 2017, (5): 80–83

[13] 夏軍, 朱一中. 水資源安全的度量: 水資源承載力的研究與挑戰(zhàn)[J]. 自然資源學(xué)報(bào), 2002, 17(3): 262–269 XIA J, ZHU Y Z. The measurement of water resources security: A study and challenge on water resources carrying capacity[J]. Journal of Natural Resources, 2002, 17(3): 262–269

[14] 劉敏, 聶振龍, 王金哲, 等. 華北平原地下水資源承載力評(píng)價(jià)[J]. 南水北調(diào)與水利科技, 2017, 15(4): 13–18 LIU M, NIE Z L, WANG J Z, et al. Evaluation of groundwater resources carrying capacity in North China Plain[J]. South-to-North Water Transfers and Water Science & Technology, 2017, 15 (4): 13–18

[15] 張光輝, 費(fèi)宇紅, 劉春華, 等. 華北平原灌溉用水強(qiáng)度與地下水承載力適應(yīng)性狀況[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào), 2013, 29(1): 1–10 ZHANG G H, FEI Y H, LIU C H, et al. Adaptation between irrigation intensity and groundwater carrying capacity in North China Plain[J]. Transactions of the CSAE, 2013, 29(1): 1–10

[16] 匡建超, 李寧, 姜林. 大慶市地下水資源承載力評(píng)價(jià)及對(duì)策研究[J]. 南水北調(diào)與水利科技, 2007, 5(4): 46–49 KUANG J C, LI N, JIANG L. The potential evaluating and the countermeasure research on exploitation and utilizing of groundwater in Daqing Area[J]. South-to-North Water Transfers and Water Science & Technology, 2007, 5(4): 46–49

[17] 邢旭光, 史文娟, 張譯丹, 等. 基于主成分分析法的西安市地下水資源承載力評(píng)價(jià)[J]. 水文, 2013, 33(2): 35–38 XING X G, SHI W J, ZHANG Y D, et al. Assessment of groundwater resources carrying capacity in Xi’an City based on principal component analysis[J]. Journal of China hydrology, 2013, 33(2): 35–38

[18] 劉敏, 聶振龍, 王金哲, 等. 華北平原地下水資源承載力模糊綜合評(píng)價(jià)[J]. 水土保持通報(bào), 2014, 34(6): 311–315 LIU M, NIE Z L, WANG J Z, et al. Fuzzy comprehensive evaluation of groundwater resources carrying capacity in North China Plain[J]. Bulletin of Soil and Water Conservation, 2014, 34(6): 311–315

[19] 門寶輝, 王志良, 梁川, 等. 物元模型在區(qū)域地下水資源承載力綜合評(píng)價(jià)中的應(yīng)用[J]. 四川大學(xué)學(xué)報(bào): 工程科學(xué)版, 2003, 35(1): 34–37 MEN B H, WANG Z L, LIANG C, et al. Application of matter element model to evaluating on of resources carrying capacity of regional groundwater[J]. Journal of Sichuan University: Engineering Science Edition, 2003, 35(1): 34–37

[20] 韓雁, 張士鋒, 呂愛(ài)鋒. 外調(diào)水對(duì)京津冀水資源承載力影響研究[J]. 資源科學(xué), 2018, 40(11): 2236–2246HAN Y, ZHANG S F, LYU A F. Research of effect on water resources carrying capacity in Beijing-Tianjin-Hebei region by water transfer[J]. Resources Science, 2018, 40(11): 2236–2246

[21] 孫清元, 劉承國(guó), 馮春濤. 北京市地下水資源承載力評(píng)價(jià)及其開(kāi)發(fā)利用對(duì)策研究——主成分分析方法在承載力評(píng)價(jià)中的應(yīng)用實(shí)證[J]. 中國(guó)國(guó)土資源經(jīng)濟(jì), 2007, 20(9): 21–24 SUN Q Y, LIU C G, FENG C T. Comprehensive evaluation on resource carrying capacity of groundwater and exploitation measures in Beijing District — Example of how to use the main component analysis method in evaluation on resource carrying capacity[J]. Natural Resource Economics of China, 2007, 20(9): 21–24

[22] 張安京. 北京地下水[M]. 北京: 中國(guó)大地出版社, 2008 ZHANG A J. Groundwater in Beijing[M]. Beijing: China Geology Press, 2008

[23] 何維達(dá), 陸平, 鄧佩. 北京市供水與用水政策的一般均衡分析——基于水資源CGE模型[J]. 河海大學(xué)學(xué)報(bào): 哲學(xué)社會(huì)科學(xué)版, 2015, 17(2): 72–76 HE W D, LU P, DENG P. General equilibrium analysis of Beijing’s water supply and consumption policies based on CGE-Water model[J]. Journal of Hohai University: Philosophy and Social Sciences, 2015, 17(2): 72–76

[24] 周會(huì)珍, 汪愛(ài)華, 李麗, 等. 基于北京一號(hào)小衛(wèi)星的北京及周邊五大流域地表水資源監(jiān)測(cè)與分析[J]. 遙感技術(shù)與應(yīng)用, 2010, 25(2): 195–201ZHOU H Z, WANG A H, LI L, et al. Surface water detection and analysis in five basins in Beijing and its surrounding regions based on Beijing-1 small satellite data[J]. Remote Sensing Technology and Application, 2010, 25(2): 195–201

[25] 馬東春, 劉建翠, 王宏偉, 等. 北京市產(chǎn)業(yè)部門用水效率研究[J]. 水利水電技術(shù), 2017, 48(12): 27–33 MA D C, LIU J C, WANG H W, et al. Study on water-use efficiencies of industrial sectors in Beijing[J]. Water Resources and Hydropower Engineering, 2017, 48(12): 27–33

[26] 白鵬, 劉昌明. 北京市用水結(jié)構(gòu)演變及歸因分析[J]. 南水北調(diào)與水利科技, 2018, 16(4): 1–6BAI P, LIU C M. Evolution law and attribution analysis of water utilization structure in Beijing[J]. South-to-North Water Transfers and Water Science & Technology, 2018, 16(4): 1–6

[27] 黃晶, 宋振偉, 陳阜. 北京市水足跡及農(nóng)業(yè)用水結(jié)構(gòu)變化特征[J]. 生態(tài)學(xué)報(bào), 2010, 30(23): 6546–6554 HUANG J, SONG Z W, CHEN F. Characteristics of water footprint and agricultural water structure in Beijing[J]. Acta Ecologica Sinica, 2010, 30(23): 6546–6554

[28] 劉寶勤, 姚治君, 高迎春. 北京市用水結(jié)構(gòu)變化趨勢(shì)及驅(qū)動(dòng)力分析[J]. 資源科學(xué), 2003, 25(2): 38–43 LIU B Q, YAO Z J, GAO Y C. Trend and driving forces of water consumed structure changes in Beijing[J]. Resources Science, 2003, 25(2): 38–43

[29] 郭磊, 張士峰. 北京市工業(yè)用水節(jié)水分析及工業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整對(duì)節(jié)水的貢獻(xiàn)[J]. 海河水利, 2004, (3): 55–58 GUO L, ZHANG S F. Analysis of industrial water saving and contribution of industrial structure adjustment to water saving in Beijing City[J]. Haihe Water Resources, 2004, (3): 55–58

[30] 張彪, 汪慧貞, 何建平, 等. 北京市工業(yè)用水發(fā)展趨勢(shì)[J]. 給水排水, 2006, 32(S1): 153–156 ZHANG B, WANG H Z, HE J P, et al. Trend of industrial water consumption in Beijing[J]. Water & Wastewater Engineering, 2006, 32(S1): 153–156

[31] 廖強(qiáng), 張士鋒, 陳俊旭. 北京市水資源短缺風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)評(píng)價(jià)與預(yù)測(cè)[J]. 資源科學(xué), 2013, 35(1): 140–147 LIAO Q, ZHANG S F, CHEN J X. Risk assessment and prediction of water shortages in Beijing[J]. Resources Science, 2013, 35(1): 140–147

[32] 梁昊光, 劉彥隨. 北京市人口時(shí)空變化與情景預(yù)測(cè)研究[J]. 地理學(xué)報(bào), 2014, 69(10): 1487–1495 LIANG H G, LIU Y S. Study on spatio-temporal change and simulation of population in Beijing based on census data[J]. Acta Geographica Sinica, 2014, 69(10): 1487–1495

[33] 夏軍, 張永勇. 雄安新區(qū)建設(shè)水安全保障面臨的問(wèn)題與挑戰(zhàn)[J]. 中國(guó)科學(xué)院院刊, 2017, 32(11): 1199–1205 XIA J, ZHANG Y Y. Water resource and pollution safeguard for Xiong’an New Area construction and its sustainable development[J]. Bulletin of Chinese Academy of Sciences, 2017, 32(11): 1199–1205

Variation in groundwater resources carrying capacity in Beijing between 2001 and 2015*

GAO Fei, WANG Huixiao**, LIU Changming

(College of Water Sciences, Beijing Normal University / Beijing Key Laboratory of Urban Hydrological Cycle and Sponge City Technology, Beijing 100875, China)

Owing to the over-extraction of groundwater resources in Beijing over the past 40 years, Beijing has faced an increasingly sharp decline in groundwater level and storage. Few studies have been reported the variation of groundwater resources carrying capacity in Beijing. In this paper, groundwater resources carrying capacity was defined and assessed based on the available groundwater quantity and water use efficiency. Our results indicated that the water supply from groundwater in Beijing was higher than that from surface water. The agricultural water use efficiency and industrial water use efficiency increased from 2001 to 2015, except other industries water use efficiency decreased slightly from 2014 to 2015. The comprehensive water efficiency increased from 97 ￥×m-3to 620 ￥×m-3between 2001 and 2016. Our results also showed that the actual GDP supported by the groundwater resources increased from 2 636 million Yuan to 11 469 million Yuan and then decreased to 11 284 million Yuan. Before 2010, groundwater resources in Beijing were overloaded, but this alleviated after 2010. Although the actual GDP supported by groundwater resources was lower than theoreticalGDP, groundwater resources had faced a serious situation; therefore, increase in the surface water supply and improvement of the comprehensive water efficiency would be two effective ways to improve groundwater resources management in Beijing.

Beijing; Groundwater resources carrying capacity; Groundwater exploitation; Economic development

, E-mail:huixiaowang@bnu.edu.cn

Dec. 27, 2018;

Mar. 13, 2019

S271

2096-6237(2019)07-1088-09

10.13930/j.cnki.cjea.181107

高飛, 王會(huì)肖, 劉昌明. 2001—2015年北京市地下水資源承載力變化特征分析[J]. 中國(guó)生態(tài)農(nóng)業(yè)學(xué)報(bào)(中英文), 2019, 27(7): 1088-1096

GAO F, WANG H X, LIU C M. Variation in groundwater resources carrying capacity in Beijing between 2001 and 2015[J]. Chinese Journal of Eco-Agriculture, 2019, 27(7): 1088-1096

* 國(guó)家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目(51779009)資助

王會(huì)肖, 主要研究方向?yàn)檗r(nóng)業(yè)水文水資源。E-mail: huixiaowang@bnu.edu.cn

高飛, 主要研究方向?yàn)檗r(nóng)業(yè)水文水資源。E-mail:gaofei@mail.bnu.edu.cn

2018-12-27

2019-03-13

* This study was founded by the National Natural Science Foundation of China (51779009).