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北京地下水资源研究进展与前景
作者:   时间:2014年08月15日 【字号: 】【打印本页】【关闭】
作者:潘云 宫辉力 孙颖

1 前言

北京地区多年平均降水量585毫米,多年平均水资源总量37.4亿立方米,人均水资源量不足200立方米,属严重缺水地区。尤其是1999-2011年期间,北京遭遇13年持续干旱,年均降水量仅为480毫米,为多年平均的82%,年均形成水资源量21亿立方米,仅为多年平均的56%,人均水资源量仅为100立方米左右。

地下水在北京市城市供水中起到非常重要的作用,支撑北京渡过多次供水危机,同时付出了沉重的环境代价。2011年末北京平原区地下水位平均埋深为24.94 m,比1980年末下降了17.70 m

在城市规模不断扩大、旱涝灾害交替的形势下,北京地下水资源承受着人类活动与气候变化的双重影响。在京津冀一体化、南水北调水进京的背景下,北京地下水资源研究面临着新的问题。

本文将围绕变化环境下的北京地下水资源科学问题与实际需求,结合国际研究前沿,对北京地下水资源研究进展与前景进行综述。

2 北京地下水资源开发利用特点

北京市早期(1949-1960)的城市供水主要来自地表,但随着工农业的发展,城市需水量不断增加,到上世纪70年代末,全市年用水量达到47亿m3,其中工业用水13亿m3,农业用水30亿m3,生活和环境用水量为4亿m3。自20世纪80年代以来,地下水一直处于过量开采状态。特别是1999-2007连续9年干旱,应急地下水源地常规开采,引起了地面沉降、地表生态环境退化等一系列问题。

近些年,北京市水资源利用呈现新的特点。年用水总量一般在35亿m3左右,农业用水量与工业用水量逐年下降,而生活用水量与环境用水量逐年增加。根据北京市第一次水务普查(北京水务局,2013),2011年全市用水35.25亿m3,其中:居民生活用水8.52亿m3,农业用水8.92亿m3,工业用水4.97亿m3,建筑业用水0.33亿m3,第三产业用水6.43亿m3,生态环境用水6.08亿m3

3 国际地下水资源研究前沿

近年来,随着全球变化的发展与遥感等观测手段的进步,地下水资源研究在对象、方法、尺度方面都呈现了一定的新态势。

3.1 地下水生态水文

传统地下水资源研究往往主要关注含水层能提供多少水,或者抽水后水位下降了多少(Hunt & Wilcox, 2003)。但在生态水文学的框架下,我们还需要考虑这种变化的水位会对整个生态系统产生什么样的影响。针对这种需求,国内外一些学者在地表水-地下水耦合模拟的基础上,考虑植被的水文响应,建立了耦合地下水位动态的生态水文模型(潘云等,2011),以评估地下水变化对地表生态系统的影响。反之亦然,在研究对地下水系统的影响时,植被不再单纯作为一种土地利用类型,而是具有生态响应机制的对象。Scanlon等人(2005)发现,虽然美国西南地区冬季雨量增多,但地下水补给量并没有增加,原因在于降水增多使得植被生长旺盛,从而蒸腾了更多的水分。

3.2地面沉降与InSAR测量

随着InSARInterferometric Synthetic Aperture Radar)技术的进步,区域尺度高精度地表形变信息的获取变为可能,为揭示地下水开采引起的地面沉降机理带来了机遇。目前,该技术已经成为区域地面沉降监测的重要手段,在意大利、美国等地都得到了良好应用。时空分布的地表形变信息与相关地质构造、地下水开采等因素联合分析,为揭示地面沉降时空演变规律提供了可能。随着欧空局Sentinel卫星等的发射,有望获得更高分辨率、更高精度的地面沉降监测数据。同时,InSAR获取的地表形变信息为反演区域水文地质参数提供了可能(Hoffmann & Sander, 2007)。

3.3地下水储量与重力卫星

随着以GRACEGravity Recovery and Climate Experiment)为代表的新一代重力卫星监测精度的提高,地下水资源研究迎来新的机遇。重力卫星具有其他常规遥感手段无法比拟的优势,即其可以真正的监测到地下水储量的变化。Rodell et al. (2009)利用GRACE卫星揭示了印度西北部地下水消耗比传统认识更严重的现象。Scanlon et al. (2012)结合GRACE观测与传统模拟、同位素研究,探讨了美国高地平原和中央峡谷地区地下水农业灌溉的可持续性。Feng et al. (2013)利用GRACE卫星反演了华北平原地下水消耗情况,发现卫星揭示的消耗速率比水资源公报的结果要大,并认为深层水的开采可能是造成这一差异的重要原因。随着GRACE卫星在区域地下水储量观测方面的能力渐渐被广泛接受,其应用的范围也越来越广。Sun et al. (2012)利用GRACE观测数据来率定地下水流数值模型参数,提高地下水位模拟精度。Zaitchik et al. (2008)GRACE反演水储量同化到陆面过程模型中,得到较高空间分辨率的地下水储量模拟结果。冉全等(2013)以华北平原为研究区,提出了利用GRACE卫星反演区域地下水开采量的新方法。大尺度、多学科交叉的地下水资源数量研究可能是未来水文地质学的重要方向, 重力卫星等观测手段将使它可以突破传统水文地质学通常局限的样点尺度(Gleeson & Cardiff, 2013)。

4 北京地下水资源研究进展
4.1 地下水补给

对于地表水资源匮乏的地区来说,地下水补给量是区域水资源可持续发展的重要依据,也是水资源承载力研究的基础。

北京市早期的地下水资源研究对地下水补给来源问题进行了讨论(钱昂,1958),指出永定河水对北京平原区地下水补给的重要性(邱树杭,1957;陈雨孙&马英林,1981)。随着官厅水库的修建、水资源利用强度的增加,目前的永定河基本干涸,失去了对地下水的补给作用,相关研究主要集中在人工调蓄方面。李宇等(2010)对西郊地下水库模式进行了讨论,分析了不同模式的空间分布、调蓄水源、调蓄方式等。郝奇琛等(2012)利用数值模型方法分析了不同调蓄方案下永定河冲洪积扇地下水的回灌效果。

近年来,地下水位下降、土地利用变化等使得北京地下水补给机制发生了较大变化。翟远征等(2012)利用动态均衡法进行了北京平原区地下水更新能力研究,发现2001-2008年的地下水平均补给速率比1981-2000年减少了35.6%。在地理信息系统(GIS)与遥感技术的支持下,Gong et al. (2012)利用分布式水文模型估算了多种因素作用下的延庆盆地地下水补给量,指出土地利用类型的重要性。类似地,Pan et al. (2011)指出城区面积的增大与耕地面积的减少是造成区域地下水补给量变化的主要原因。

在水资源管理方面,王丽亚等(2010)、Zhou et al. (2012)结合不同的地下水补给量情景分析了北京平原区地下水可持续开采方案,认为只有增加补给与减少开采同时进行,才有可能实现地下水可持续开发。

4.2 地面沉降机理与监测

针对北京市地下水持续过量开采引发的地面沉降问题,国内学者采用不同方法进行了研究。贾三满等(2007)通过分层标与水位监测,认为120以浅的第一压缩地层是地面沉降的主要贡献层。Zhang et al. (2014)结合压缩实验指出第二(64.5-82.3 m)和第三(102-117 m)弱透水层的压缩量占总沉降的39%。崔亚莉等(2003)采用MODFLOW模型对北京市区地面沉降进行了模拟。

相比传统研究,InSAR技术获取的地面沉降更好地反映了其空间分布特征。宫辉力等(2009)利用永久散射体干涉测量技术(PS-InSAR)反演了北京顺义地区地面沉降,并揭示了其趋势与范围主要地层断层控制。针对京津高铁运行安全,朱锋等(2014)利用PS-InSAR技术揭示了北京段沿线3个主要的不均匀沉降区,并指出其长度占该线路总长的63%

4.3 地下水循环

环境同位素是目前地下水循环规律研究的主要方法。宋献方等(2007)分析了潮白河流域浅层和深层地下水的氢氧同位素及水化学成分,揭示降水是山前地下水的主要补给源,山区浅层地下水受蒸发影响非常强烈。邢国章等(2013)同样利用同位素技术对浅层、深层地下水的更新状况进行了研究,表明深层水主要分布于永定河、潮白河冲洪积扇下部及冲洪积平原的深部地区,补给条件相对差,与现代大气降水联系弱。基于大量分层监测井的氚、18O14C等同位素采样与水位、水质等信息,刘元章等(2013a)认为粘土层的阻隔与地层的沉积压实形成了相对封闭的滞留含水层,并认为该部分水属非可再生资源。

从目前来看,地下水循环方面的研究主要关注的是地下水本身,而较少从陆地水循环的角度来分析。事实上,由于气候变化与人类活动的双重影响,降水、径流等地表水文过程已经发生了较大变化(Ma et al., 2010),其对地下水循环(特别是补给)的作用机制或许也发生了改变。如,北京7.21特大暴雨后北京平原区地下水位有明显响应的监测井仅占总数的6%左右(刘元章等,2013b)。

4.4 地下水污染与防治

随着地下水开发利用程度的提高、人类活动的加剧,北京市地下水污染问题变得非常严峻(郭高轩等,2014)。在受到传统农业面源污染(刘宏斌等,2006)的同时,垃圾填埋场、加油站管道渗漏等点源污染也愈发突出(刘鑫等,2012)。传统的溶质运移数值模型往往被用来进行较小尺度的地下水污染模拟(赵勇胜等,2002)。

针对地下水污染风险,目前常用的方法是在建立评价指标体系的基础上,利用专家打分的方法确定指标权重,并据此进行污染风险评价。郭高轩等(2014)利用上述方法对北京平原区第四系地下水进行了污染风险评价,认为平原区西部及近郊一带污染风险性较高。李志萍等(2013)进行了类似的研究,发现浅层地下水污染风险较高的地区主要在永定河冲洪积扇顶部等垂向水力联系较好的地区。另外,Wang et al. (2012)利用DRASTIC模型对北京平原区地下水脆弱性进行了评价。

5 未来研究的几个重要方向

即使南水北调水进京,地下水仍将是北京水资源安全保障的重要组成部分。在京津冀一体化、城市化、气候变化的复杂背景下,北京地下水资源研究面临新的挑战。然而,随着InSAR技术、重力卫星等遥感手段的进步,北京地下水资源研究也将迎来新的机遇。综合多种观测手段、在不同时空尺度、考虑水循环的多个方面、开展多学科交叉研究、重新发现多尺度区域水循环规律,将是未来北京地下水资源研究的重要方向。

5.1 水与城市协调发展

水资源承载力是北京市可持续发展的基础。虽然目前北京人口已经远超规划,使得承载力的制约作用往往被忽视,但代价却是水位下降、河道干涸等生态环境质量下降。在气候变化与人类活动双重影响下,水资源承载力必然是水与城市协调发展的重要理论基础。但是,随着水文条件(下垫面条件、水文地质条件等)的改变,地表产流机制、地下水补给机制等水文过程也发生了变化。因此,水资源承载力研究的前提是区域水均衡分析,准确认识地下水补给量、地表径流量、蒸散量等水文过程。

在南水北调进京、再生水利用率提高等的背景下,改善生态环境质量是北京宜居城市的重要内容。对于北京来说,地下水是生态水文过程的重要部分。因此,传统的面向SPACSoil-Plant-Atmosphere Continuum)系统的生态水文研究必须拓展到GSPACGroundwater-Soil-Plant-Atmosphere Continuum),即生态水文地质。但是,北京市强烈的人类痕迹使其与传统研究在对象、方法等方面有所不同。城市湿地、绿地以及平原造林等生态系统在区域水文过程中的作用仍然有待深入研究,再生水灌溉、南水北调弃水回灌对土壤、地下水质的影响是我们不得不面对的问题,甚至大气污染通过降水入渗可能引发的地下水环境问题也必须得到重视。

5.2 水资源配置与地质环境灾害

地面沉降、地裂缝等地质环境灾害是影响北京城市安全的重要隐患。随着南水北调进京,北京市将优先使用南水北调水,严格控制地下水开采。这为地面沉降调控提供了机遇。从地面沉降机理上加强对开采量及开采布局的调控研究,结合外调水、地表水等多种水源配置,制定科学、合理的地下水开采方案,将有助于减轻或避免地面沉降、地裂缝等地质环境灾害。

另一方面,随着地下水压采方案的实施,部分地区可能会出现水位抬升的情况。地下水位动态与地表载荷、粘土层、断层等多种因素叠加,将使区域不均匀沉降问题更加复杂,给高层建筑、高速铁路、深挖地铁等的安全带来更大的隐患。因此,有必要开展多尺度、多因素的地下水-地面沉降机理研究,揭示不均匀沉降时空演化规律。

综合遥感、地下水等学科,结合南水北调进京等水资源配置方案,进行多尺监测、模拟、评价、预警,即是城市地质环境安全的迫切需求,也是地面沉降、地裂缝等机理研究的关键。

5.3 城市水文过程与地下水循环机制

城市化进程带来的土地利用变化、包气带增厚等情况改变了水文过程的下垫面条件,使得传统研究往往存在一定的不足。例如,在进行地下水模拟、评价时,目前常用降水入渗系数计算地下水补给量。但是,该系数完成于上世纪80年代,并且具有较强的经验性,在包气带厚度、土地利用类型等发生变化的情况,其取值可能已发生改变。因此,加强对当前水文条件(下垫面条件、水文地质条件等)的基础研究,将是准确、客观认识区域地下水资源量、开展地下水资源保护、制定可持续开采量的基础。

极端气候与人类活动叠加,使得水文过程的机理更加复杂。特别是区域产流、径流机制发生了改变,并进而对地下水补给机制产生影响。在地下水持续过量开采与7.21特大洪涝灾害的极端反差下,建立一个适合北京特点的水文模型,将有助于更好地认识区域水循环规律、优化水资源配置方案。

在整个华北平原水资源紧张、地下水持续过量开采的背景下,京津冀一体化使得北京地下水资源研究必须关注区域尺度问题。随着GRACE Follow-on重力卫星计划的实施,高精度、高分辨率的地下水储量变化监测将变为可能。这种新的数据将为京津冀水资源统一管理、联合调度带来新的机遇,并有助于更好地揭示地下水循环机制。

5.4 水资源管理

新的水资源形势对水资源管理模式及相关法律法规提出了新的要求。必须从水资源综合管理(IWRMIntegrated Water Resources Management)的角度制定相关规划、完善相关法规。在IWRM框架下,充分认识水文过程与生态系统的自然、社会属性,建立可持续发展目标,发展系统性思维方式,推行适应性管理措施。综合考虑社会、经济、生态、环境多要素,通过多学科交叉、新技术应用,发展适合北京特点的水资源综合管理模式。



  作者:

  潘云,副教授,首都师范大学,pan@cnu.edu.cn

  宫辉力,教授,首都师范大学

  孙颖,教授级高工,北京市水文地质工程地质大队



 参考文献

 Feng W, Zhong M, Lemoine J M, Biancale R, Hsu H T, Xia J, 2013. Evaluation of groundwater depletion in North China using the Gravity Recovery and Climate Experiment (GRACE) data and ground-based measurements, Water Resources Research, 49: 2110–2118

 Gleeson T, Cardiff M, 2013. The return of groundwater quantity: a mega-scale and interdisciplinary “future of hydrogeology”? Hydrogeology Journal, 21: 1169-1171

 Gong H, Pan Y, Xu Y, 2012. Spatio-temporal variation of groundwater recharge in response to variability in precipitation, land use and soil in Yanqing Basin, Beijing, China. Hydrogeology Journal, 207):1331-1340

 Hoffmann J, Sander P, 2007. Remote sensing and GIS in hydrogeology. Hydrogeology Journal, 15: 1-3

 Hunt R J, Wilcox D A. Ecohydrology-why hydrologists should care. Ground Water, 2003, 41(3): 289~289.

 Ma H, Yang D, Tan S K, Gao B, Hu Q, 2010. Impact of climate variability and human activity on streamflow decrease in the Miyun Reservoir catchment. Journal of Hydrology, 389: 317-324

 Pan Y, Gong H, Zhou D, Li X, Nakagosh N, 2011. Impact of land use change on groundwater recharge in Guishui River Basin, China. Chinese Geographical Science, 216: 734-743

 Rodell M, Velicogna I, Famiglietti J S, 2009. Satellite-based estimates of groundwater depletion in India. Nature 460: 999-1002

 Rodell Matthew, Velicogna I, Famiglietti J S, 2009. Satellite-based estimates of groundwater depletion in India. Nature, 460: 999-1002

 Scanlon B R, Faunt C C, Longuevergne L, et al., 2012. Groundwater depletion and sustainability of irrigation in the US High Plains and Central Valley. PNAS, 109(24): 9320-9325

 Scanlon B R, Levitt D G, Reedy R C, et al., 2005. Ecological controls on water-cycle response to climate variability in deserts. PNAS, 102(17): 6033-6038

 Sun A Y, Green R, Swenson S, et al., 2012. Toward calibration of regional groundwater models using GRACE data. Journal of Hydrology, 422: 1-9

 Wang J, He J, Chen H, 2012. Assessment of groundwater contamination risk using hazard quantification, a modified DRASTIC model and groundwater value, Beijing  Plain, China. Science of the Total Environment, 432: 216-226

 Zaitchik B F, Rodell M, Reichle R H, 2008. Assimilation of GRACE terrestrial water storage data into a land surface model: results for the Mississippi river basin. Journal of Hydrometeorology, 9: 535-548

 Zhang Y, Gong H, Gu Z, Wang R, Li X, Zhao W, 2013. Characterization of land subsidence induced by groundwater withdrawals in the plain of Beijing city, China. Hydrogeology Journal, 22: 397-409

 Zhou Y, Wang L, Liu J, Li W, Zheng Y, 2012. Options of sustainable groundwater development in Beijing  Plain, China. Physics and Chemistry of the Earth, 47: 99-113

 北京水务局,北京统计局,2013. 北京市第一次水务普查公报. 北京:中国水利水电出版社

 陈雨孙,马英林,1981. 论永定河水通过西山对北京市地下水的补给. 水利学报,3: 10-18

 崔亚莉,邵景力,谢振华,贾汀,2003. 基于MODFLOW的地面沉降模型研究——以北京市区为例. 工程勘查,5: 19-22

 宫辉力,张有全,李小娟,卢学辉,陈蓓蓓,顾兆芹,2009. 基于永久散射体雷达干涉测量技术的北京市地面沉降研究. 自然科学进展,1911):1261-1266

 郭高轩,李宇,许亮,李志萍,杨庆,许苗娟,2014. 北京平原区第四系地下水污染风险评价. 环境科学,352):562-568

 郝奇琛,邵景力,谢振华,邢国章,2012. 北京永定河冲洪积扇地下水人工调蓄研究. 水文地质工程地质,394):12-18

 贾三满,王海刚,赵守生,罗勇,2007. 北京地面沉降机理研究初探. 城市地质,21):20-26

 李宇,邵景力,叶超,邢国章,崔瑜,2010. 北京西郊地下水库模式研究. 地学前缘,176):192-199

 李志萍,谢振华,邵景力,林健,许苗娟,杨庆,2013. 北京平原区浅层地下水污染风险评价. 城市地质,81):43-46

 刘宏斌,李志宏,张云贵,张维理,林葆,2006. 北京平原农区地下水硝态氮污染状况及其影响因素研究. 土壤学报,433):405-413

 刘鑫,马兴高,雷宏军,袁江杰,2012. 北京市典型垃圾填埋场地下水污染风险评价. 华北水利水电学院学报,334):97-100

 刘元章,武强,林沛,刘久荣,邢立亭,高志辉,2013a. 北京市平原区第四系地下水赋存及运移模式的再认识. 中国科学:地球科学,431):108-119

 刘元章,武强,邢立亭,林沛,韩征,雷坤超,2013. 北京平原区单次降水对地下水位影响的初步认识——以北京“7.21”特大暴雨为例. 水文,336):42-26

 潘云,宫辉力,李小娟,赵文吉,宫兆宁,2011. 基于生态水文学的地下水资源管理初步研究——以延庆盆地为例. 地理研究,308):1412-1420

 钱昂,1958. 关于北京市地下水补给来源问题的讨论. 水文地质工程地质,5: 5-10

 邱树杭,1957. 试论永定河与北京市地下水的补给关系. 水文地质工程地质,2: 16-18, 35

 冉全,潘云,王一如,陈琳海,许海丽,2013. GRACE卫星数据在海河流域地下水年开采量估算中的应用. 水利水电科技进展,332):42-46

 宋献方,李发东,于静洁等,2007. 基于氢氧同位素与水化学的潮白河流域地下水循环特征. 地理研究,261):11-21

 王丽亚,刘久荣,周涛,叶超,李文鹏,周仰效,2010. 北京平原地下水可持续开采方案分析. 水文地质工程地质,371):9-17

 邢国章,王立发,袁春鸿,王小冬,2013. 北京市平原区地下水循环特征的同位素研究. 城市地质,81):23-27

 翟远征,王金生,郇环,滕彦国,2012. 北京市平原区地下水更新能力变化的动态均衡证据. 吉林大学学报(地球科学版),421):198-205

 赵勇胜,苏玉明,王红,2002. 城市垃圾填埋场地下水污染的模拟与控制. 环境科学,23s: 83-88

 朱锋,宫辉力,李小娟,周超凡,陈蓓蓓,2014. 基于InSAR和小波变换的不均匀沉降段识别——以京津高铁北京段为例. 地理与地理信息科学,301):23-27

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