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发挥南水北调的生态效益 修复华北平原地下水

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发表于 2011-7-22 10:58:31 | 显示全部楼层 |阅读模式
  来源: 论文库www.Lwku.com  作者: 刘昌明
                          摘要:该文阐述了南水北调工程对修复华北平原地下水枯竭的潜在生态效应。华北平原是我国最大的冲积平原之一,由于城市与工农业生产的快速,华北平原的地下水被大量超采,使地区的地下水位每年平均下降0.5~1.0 m,并导致了一系列的生态、环境,诸如干化缺水、地面下沉、海水入侵等。为了挽救地下水资源和修复生态,笔者认为调水实现后可望利用南水北调中线与东线长期向北方输水的效应,实现对地下水的回补,并提出了技术与体制的框架。

关键词:华北平原 水资源短缺 南水北调 地下水修复

 华北平原(黄淮海平原)位于东部沿海,北纬32°~40°,东经100°~200°之间,是中国、、文化的中心地带。其总产值约占全国的1/5,粮食产量约占全国产量的1/7,人口密集,约占全国总人口的1/10。华北平原地处半干旱、半湿润气候带,由于受大陆性季风气候的,水资源较为紧缺。年降水量从南部的800 mm向北部的500 mm过渡,且主要集中在夏季。华北平原人均水资源量只有450 m3,是中国经济发展过程中受水资源制约最严重的地区之一。
  华北平原水资源的一个主要特征是:地下水较为丰富,80%的降水入渗地下成为地下水,不论是农田灌溉或城市供水,地下水均占主要地位。自20世纪60年代以来,由于大力开发地下水,许多农田实现井、渠双保险,对抗旱保收、促进农业增产,发挥了重要作用。地下水作为城市主要供水水源,对促进工业生产和城市建设,也发挥了积极作用。但是强烈的超采地下水造成大面积的降落漏斗,导致水资源枯竭,诱发一系列严重的生态、环境问题,实质是危机。
1 地下水资源量分布及其开发利用状况
  华北平原总的地下水淡水可开采量为191.61×108 m3/a,(表1[1])。但据1990年统计,实际地下水开采量要大很多,表2是华北平原地下水主要开采区——北京、天津及河北平原的可开采资源量与实际开采量的对比结果。

  华北平原大规模开采地下水始于20世纪60年代。机电井的数目由20世纪60年代的1 800眼猛增至1997年的700 000眼。与此同时,浅层地下水年开采量由20世纪60年代的388.5万m3上升到20世纪70年代的791.3 万m3和1985年到1997年多年平均的1 057.9 万m3。持续的地下水过量开采导致了华北平原地下水位的下降。根据河北平原600眼浅层地下水观测井的资料,地下水位的平均埋深由1983年的7.23 m下降到1993年的11.52 m,年平均下降0.43 m[2,3]。

  地下水灌溉是确保华北平原农业生产稳产、增产的关键所在。灌溉面积的扩大和城市化的迅速扩展导致了地下水资源的大量开采。在河北平原,浅层地下水年平均开采量由20世纪60年代的388.5 万m2增加到70年代的791.3万m3,1980—1997年的平均值更是猛增到1 057.9 万m3。自20世纪70年代以来,河北平原的东部地区开始过量开采深层地下水,据统计,从1980到1998年,累计过量开采深层地下水29.8 万m3。这一现象在华北平原的其它地方同样存在。到1993年,华北平原大部分地区的地下水开采率已经接近150%,部分地区已经超过150%,这种情况还在日益加剧。根据华北平原主要地区(河北、山东、河南、内蒙古、北京、天津)近5年(1997—2001年)供水量变化分析,地下水占总供水的比重由1997年的53.9%提高到2001年的58.9%,以每年1%的速度递增。可以预见,如果气候持续干旱和地表水继续减少,地下水的开采占总供水的比重会持续增加,华北地下水危机将会面临更加严峻形势。
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 楼主| 发表于 2011-7-22 10:58:32 | 显示全部楼层

发挥南水北调的生态效益 修复华北平原地下水

  2 超采地下水的负效应
  由于超采引发的地下水环境的改变,导致了一系列环境地质,如地面沉降、地面塌陷、咸水及海水侵入淡水含水层以及地下水水质恶化等。以地面沉陷为例,河北平原中东部地区,自20世纪70年代以来,因深层淡水的大规模开采,已导致大面积的地面沉降。据1995年统计,沉降量大于0.2 m的面积为42 120 km2,沉降大于0.5 m的面积为6 340 km2, 沉降大于1.0 m的面积为755 km2[1]。北京东郊、天津、沧州、冀枣衡、德州等地漏斗已连成一片,造成了北京、天津、沧州等城市地面沉降。天津市尤为严重,累计沉降大于1.5 m的面积已达112 km2,市区漏斗中心沉降已达2.69 m。由此可见,地下水环境的负面演化对人类生态环境和的持续都会产生深远。
  长期持续的地下水过量开采,导致了华北平原浅层和深层地下水位的下降。过去30年间,华北地区山前平原的大部分地区甚至冲、洪积扇的平原部分地区,地下水位下降超过了15 m。在城市和井灌区,地下水位的下降幅度大于其他地区。华北平原地下水枯竭地区分布非常广泛。
  地下水开采量的迅猛增加,不仅造成了地下水位的下降,也使地下水流场发生了巨大变化。华北平原(河北)开采的是第Ⅰ、Ⅱ含水组的浅层淡水和第Ⅲ含水组的深层淡水。据华北平原(河北)长期观测资料,地下水流场已发生不利的变化。1975—1995年间,河北平原区域地下水位急剧下降,其中浅层地下水位由平均5.88 m降至11.88 m,深层地下水位由平均7.37 m降至30.25 m。形成了石家庄漏斗、冀枣衡漏斗、沧州漏斗等十余个大小不等的浅、深层漏斗,或浅、深层叠置的地下水位降落漏斗,漏斗面积占河北平原总面积的20%。
  由于人类的过量超采地下水,加剧了地下水系统的水分循环,人为环境物质通过大气-土壤-地表水系统对地下水环境的输入,使地下水(特别是浅层地下水)容易遭受有毒、有害物质的污染;同时,随着城市污水、废水的排放及污水灌溉,造成了地下水水质污染。据最新统计,大约50%的地下水含水层遭受了不同程度的污染。华北平原的沿海地带,由于过量开采地下水导致的地下水位的下降,使得咸、淡水界面向陆地推进。20世纪70年代以来,华北地区胶东出现海水入侵,以后逐渐加剧,80年代达到高峰。
3 南水北调重大生态效益之一在于对地下水回灌的作用
  从1970年开始,我国就已开始进行人工回补地下水的试验。华北平原古河道十分发育,有巨大的地下蓄水库容或场所。适用的地下水回补技术主要包括地面入渗、回补池、回补渠,泄洪和钻孔注水等,可用的回补水源包括河川径流、洪水径流。但是苦于华北平原的河川径流、洪水径流非常少,巨大的地下蓄水库容无水可装。按“有河则干”与“有水则污”的说法,即使有水也是污水,不可用于回灌。南水北调实施后,将为华北地区提供大量的水源,不仅为城市、工业供水,促进经济、社会发展,而且还为地下水的回灌提供了条件。
  根据南水北调规划设计[5]确定的调水规模,东线工程与中线工程分别从长江下游和长江中游汉江引水,它们的最终规模分别是148亿m3和130亿m3,共计278亿m3,相当于海河片现状供水量的40%左右,相对而言,新增供水的数量将不算少。考虑到南水北调工程完工以后,长期向华北输水的作用,干渠沿岸与沿渠的引水区,地下水将会得到渗水的回补。虽每年渗水数量不大,但年复一年地长期回补能使原来被超采的地下含水层逐渐恢复。这是一个而漫长的过程,其潜在效应不可忽视。应当计入南水北调工程的生态、环境效应中。现行的南水北调工程供水对象主要是城市与工业。但值得提出的是,城市生活与工业生产用水相对农业灌溉用水来说,对水量的消耗是非常低的。城市工业的废污水数量一般要占取(新)水量的70%左右。按东、中线最终调水的规模,将来废污水的排放量估计可以达到120亿m3左右。这一可观数量废污水必将要预处理回收,可作为再生水加以利用:一部分用作城市的杂用水和工业的回收重复利用;另一部分用于回灌地下水,恢复地下水位,增强地下水循环的可再生性。
  借鉴美国加州的地下水回灌经验,调水与当地水、地表水与地下水统一调度管理,实行联合利用。从体制上发展了“水银行(Water Bank)”的方式。水银行是与调水有关的一种机制。水银行与中的银行类似,可以存贮与提取。建立起水的市场型转化,州政府向水的自愿出售者买水,并配给城市与农村用户的急需、鱼类与野生生物的需求。实行地下水人工回灌与地表水、地下水联合利用。例如洛杉矶大都市的西部流域城市水资源区(West Basin Municipal Water District)为恢复地下水,并防止海岸区海水向内陆的入侵,发展了人工地下水的回灌,回灌的水源包括引水与利用污水处理厂回收处理好的水。回灌方式是利用砂、砾石河道(开渠)引渗,同时利用入渗井把污水处理厂加收处理后的水进行灌注。在区内回灌注入井共布设25眼。由于选择了较清洁的水与向砂、砾层注水,入渗的效率可达到每天2 743.2 mm左右。效果很好,每年可回灌1 233万m3。注水的成本大约0.32美元1 m3。
4 结语
  在华北平原地区地表水资源短缺,地下水在经济、社会可持续发展中具有举足轻重的作用。由于长期持续的地下水过量开采,已经导致了地下水位大幅下降、地下水流场发生变异、地下水位降落漏斗、地面沉陷、海水入侵淡水含水层、地下水质污染等环境地质灾害。,华北平原大部分地区的地下水位仍以每年1 m的速度下降,地下水资源面临无以为继和枯竭的危险,为此,应采取强有力的措施,遏制地下水的过量开采,实现地下水资源的持续利用,支持经济社会的可持续发展。南水北调的实施将为华北地下水的修复创造条件。因此该文提到南水北调工程这一重要的潜在生态效益的发挥,似可作为今后工程的。此外还必须指出,调水工程应与大力推行节水相结合。通过节水减少井灌区地下水的开采,实际是节水与调水异曲同工。在河北省厅支持下,开展的该节水项目(49890330)已展示了节水的巨大潜力。在栾城的示范区,通过农艺节水,可望减少开采100 mm的地下水并获取高产1 000 kg的粮食,称其为“节100打1 000”。总之,笔者坚信:按照中央“三先三后”的调水方针,充分发挥南水北调工程的生态效益,长期发展地下水的回灌,同时大力推行农艺节水,那么目前所面临的水危机问题将会得到最终的解决。
参考:
[1] 张宗祜,沈照理,薛禹群,等.华北平原地下水环境演化[M]. 北京:地质出版社,2000.
[2] 贾金生,刘昌明?华北平原地下水动态及其对不同农业开采量响应的计算[J]?地报, 2002,(2):201-209.
[3] Liu Changming,Yu Jingjie, Eloise Kendy Groundwater Exploitation and Its Impact on the Environment in the North China Plain [J] Water International, Vol. 26, (2), 265-272.
[4]斯蒂芬·福斯特,等.华北平原地下水灌溉农业的评估和可持续发展.世界银行、全球水伙伴地下水管理指导组,2002.
[5]张国良.对南水北调工程调水规模的几点认识[J]. 水利,2002,(10): 120-123.
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