南水北调供水区浅层地下水环境劣变机制及效应

　南水北调供水区太行山前平原浅层地下水环境已经发生了劣性变化，形成了大范围常年性地下水漏斗区，面积达1.42×104km2（图1），第Ⅰ含水层组疏干面积达1.05×104km2。在山前平原大部分地区，地下水位埋深已由20世纪60年代的2～4m下降至10m以下，局部达到40多m（表1）。

图1 1958－1998年海河流域山前平原地下水位降幅分布

　　太行山前平原地下水位持续下降动因何在？它与气候变化、地表拦蓄和超采地下水之间是何种关系？这是南水北调客水高效、合理利用的重要前期课题。

　　1 降水量变化对浅层地下水的影响

　　从表1可见，20世纪50年代至80年代，无论是海河北系或海河南系的年降水量，还是海河全流域的年降水量都呈递减变化，1956－1989年海河流域降水量平均减少3.85mm／a，海河北系减少4.68mm／a，海河南系减少3.95mm／a。20世纪90年代降水量有所增加，但是与其50年代相比较，海河流域降水量仍然减少81.5mm，海河北系减少116.3mm，海河南系减少104.3mm。历史上曾经进行过1956－1984年系列和1985－1998年系列水资源评价。1985－1998年系列与1956－1984年系列比较，降水量减少，其中山区平均减少14mm／a，平原区平均减少34mm／a。由于陆地水资源的源泉——降水量不断减少，势必造成海河流域陆地总水资源量的减少。两个系列比较，山区地下水资源量减少了6.2％，为7.88×108m3／a；平原减少了18.4％，为38.6×108m3/a。

图2 不同年代海河流域降水量变化

　　表1 海河流域平原区主要浅层地下水位漏斗分布情况

注：引自海河水利委员会等，《海河流域地下水资源现状评价与环境地质效应分析》，2001年4月。

　　从图3可以看出，1985－1998年期间海河流域三级区浅层地下水资源量减少（△Q）与年降水量减少（△P）呈正相关关系，即△Q＝1.16△P－3.64。换言之，从海河全流域来考虑，若以1956－1984年多年平均地下水资源量和降水量作为基数，当降水量减少1％时，导致地下水资源量减少了1.16％；当降水量不变时，地表拦蓄和超采地下水等因素，致使地下水减少3.64％。

图3　浅层地下水资源变化量与降水变化量之间关系

2　地表拦蓄对浅层地下水的影响

　　由于山前平原河道岩土颗粒较粗，渗透能力强，以至河道渗漏成为地下水的重要补给源。1963年大清河系平原地下水补给量40.1×108m3／a，其中河道渗漏补给占24.81％。1956－1980年海河流域山前平原多年平均地下水补给量66.2×108m3／a，其中河道渗漏补给占7.29％。1980－2000年河道渗漏补给减少至不足3％。

　　河道渗漏补给量占地下水总补给量的比率由20世纪60年代24.81％减少至90年代不足3％，是河道长期干涸的结果。

　　河道渗漏对河道两岸地下水位的补给影响是显著的。以1996年8月海河南系平原南部地区及上游发生的特大洪水入渗补给为例。受该次洪水入渗补给的影响，石家庄漏斗中心地下水位埋深由1996年8月的42.4m，上升到1997年7月的35.9m（图4），漏斗中心水位回升6.58m，同时漏斗封闭面积综合79.50km。

图4 “96·8”洪水补给引起的山前平原地下水变化过程

　　“96·8”暴雨后，海河南系平原区浅层地下水储存量增加34.21×108m3（1995年和1996年的降水量分别为656.4mm和654.2mm，地下水开采量分别为79.82×108m3和78.30×108m3）。本文核算全淡水区与有咸水区2g/L地下水资源增加38.37×108m3。由此可见，河道长期干涸，明显地减少了地下水补给源。

3 超采对浅层地下水的影响

　　20世纪80年代以来，由于社会生产力进一步提高和平原区地表水体进一步减少，对地下水的需求量愈来愈大，造成浅层地下水处于严重超采状态。1985－1998年海河流域平原累计超采浅层地下水量253.3×108m3，超采区多年平均超采量达33.9×108m3／a。1958－1975年海河南系平原区平均消耗浅层地下水储存量7.29×108m3/a，1975－1985年平均消耗储存量10.44×108m3／a，1985－1998年平均消耗存量11.71×108m3/a。

　　长期超采对地下水形成能力产生一定影响。从图5可见，海河流域平原浅层地下水位持续下降与开采能力（机井数）之间为互动关系。从20世纪50年代至90年代，随着开采地下水机井数量的不断增加，埋深大于10m的浅层地下水分布区面积随之扩大。大量超采浅层地下水，不仅使得平原地下水位不断下降（表2），而且，还由于包气带厚度不断增大而导致降水入渗补给地下水周期增长，入渗系数减小。一些地区的降水入渗补给系数已由1984年之前的0.30～0.40减少为现状年的0.20～0.30（陈望和等，1999）。

图5 海河流域平原区浅层地下水变化与开采能力变化之间关系

表2 海河流域平原不同时期地下水位平均降幅及累计降深

4 浅层地下水位持续下降的负效应

4.1 破坏地下水流场自然规律，减少中下游区侧向补给

　　平原浅层地下水位的持续下降，形成了不同规模的地下水位漏斗，破坏了天然地下水流场自然规律，造成漏斗区下游地下水倒流（图6），导致向下游区测向补给地下水量减少。

4.2 山前平原含水层被疏干，引起水质恶化

　　实测结果表明，浅层地下水中NO-3浓度随地下水埋深增大而增加，变化率为4.86mg／L·m。山前平原地下水中NO-3浓度从20世纪70年代0.5～9mg／L，最高达130多mg／L。

4.3 储量资源不断减少，削弱了地下水资源可持续利用性

　　浅层地下水的持续下降，不仅增加了开采利用地下水资源的成本，而且由于超采规模不断加大，导致地下水储存量被大量消耗，在一定程度上影响了地下水资源可持续利用性。若从警告性预测角度分析，南水北调供水区——太行山前平原浅层地下水储量资源的可持续利用性已经窘迫。

5 结论与建议

　　近30年以来海河南系平原区地下水位持续下降的主要机制是：20世纪60年代开始实施山前大规模拦蓄地表水，引起河道干涸，造成山区进入平原的地表径流水资源锐减，导致沿河道线状补给源对地下水的补给大幅度减少，同时致使平原区生产和生活用水对开采地下水的依赖性增强，以至地下水开采量迅猛增加，在较短时间内突破100×108m3/a，并在20世纪80年代超过了地下水资源形成能力，出现严重的超采问题。

图6 太行山前平原石家庄浅层地下水漏斗区流场土

　　近几十年来海河流域降水量减少，对地下水位持续下降产生一定影响。

　　总之，地表拦蓄和超采是地下水位持续下降的主导因素，气候旱化发挥了催化作用，为3.14∶1的比重关系。

　　浅层地下水位持续下降的环境副效应是多方面的，不仅减弱了地下水补给能力，改变了地下水流场天然规律和流域上、中、下游水资源均衡关系，加上中、下游区水资源供需矛盾，而且还造成了山前平原含水层大面积被疏干，引起水质恶化，提高开采地下水成本，影响浅层地下水资源的可持续利用性。

　　建议，从可持续发展角度出发，系统开展南水北调供水区流域尺度水资源利用互动关系及其环境效应的基础研究，高度重视太行山前平原地下空间的资源性及其对客水资源效益的时空伸展性，为南水北调客水和本地各种水资源的高效与合理利用提供科学依据。

参考文献

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作者：张光辉，男，研究员，博士生导师，长期从事地下水资源评价和区域水循环演化规律研究。

作者单位：中国地质科学院水文地质环境地质研究所