崇明島地下水資源的利用現(xiàn)狀及保護措施

Tammo S. Steenhuis 桑文靜

(1.康奈爾大學生物與環(huán)境學院，伊薩卡 14853；2.同濟大學現(xiàn)代農(nóng)業(yè)科學與工程研究院，上海 200092)

崇明島地下水資源的利用現(xiàn)狀及保護措施

Tammo S. Steenhuis1桑文靜2

(1.康奈爾大學生物與環(huán)境學院，伊薩卡 14853；2.同濟大學現(xiàn)代農(nóng)業(yè)科學與工程研究院，上海 200092)

未來地下水資源短缺，特別是由于地面沉降、地表退化、海平面上升等引起的地下水位下降，將對沿海地區(qū)的地質(zhì)環(huán)境及人類的生存發(fā)展產(chǎn)生極大的影響。通過對崇明地區(qū)地下水資源利用現(xiàn)狀以及影響地下水位下降的影響因素分析，提出了改善傳統(tǒng)的灌溉系統(tǒng)來減少地下水資源的使用、海岸沿線修建人工湖泊防止海水入侵、鼓勵農(nóng)民大面積種植水稻、制定管理措施嚴格控制地下水的開采總量、進一步加強崇明島地面沉降動態(tài)監(jiān)測與研究等相應的防范措施。強調(diào)控制地下水位的下降，以減輕淡水資源短缺所造成的危害，具有特殊而重要的意義。

地下水；海水入侵；灌溉

隨著崇明地區(qū)經(jīng)濟發(fā)展，環(huán)境的地質(zhì)問題（開采地下水引起的地面沉降）和地下水資源有效管理日顯迫切，因此有必要對崇明地區(qū)的地下水系統(tǒng)/水資源特征和保護措施進行進一步研究[1]。保護崇明島地下水水資源的方法措施很多，如保護水源地、改善供水管理模式、提高水資源利用率、中水回用（處理生物污水等）。

1．崇明地區(qū)地理地質(zhì)基本概況

1.1 自然地理概況

崇明縣，隸屬上海市，位于長江入?？?，全縣地勢平坦，由崇明、長興、橫沙三島組成，總面積1411平方公里，其中崇明島是世界上最大的河口沖積島，也是繼臺灣島、海南島之后的中國第三大島。崇明島

素有“長江門戶”、“東海瀛洲”之美譽，陸域總面積1267平方公里。崇明環(huán)江靠海，雨水充沛，年平均降雨量1025毫升。

1.2 地下水位現(xiàn)狀

目前崇明島地區(qū)的地下水主要開采層次為第二、三、四、五承壓含水層，各含水層經(jīng)幾十年的開采和回灌，各自形成一套地下水流場。近幾年上海市對開采量進行了合理調(diào)整，崇明島各承壓水層水位變化總趨勢是最高水位在冬灌期末呈下降趨勢，年最低水位在夏用期末呈回升跡象[2]。

2．地下水超采引發(fā)的環(huán)境地質(zhì)問題

過量開采地下水會引起地下水位下降，土層的有效應力增大，致使土層受壓，最終引起環(huán)境地質(zhì)問題——地面沉降，這是目前崇明地區(qū)影響范圍最廣、時間最久、破壞力最強、損失最大的環(huán)境問題。

地面沉降是一種緩變型的城市地質(zhì)災害，具有累進性和不可逆性等特點，因沉降而損失的地面標高不可恢復，因而沉降影響將長期發(fā)生作用。崇明所處的地理位置，容易遭受臺風、暴雨、天文大潮和長江流域洪水侵襲，再加上日漸明顯的海平面上升，因而沉降災害將長期威脅崇明的生存發(fā)展環(huán)境，直接影響崇明經(jīng)濟與社會的可持續(xù)發(fā)展。相關研究結果表明，至2020年，崇明累積沉降量少者5～10cm，多者20～25cm，因而地面沉降仍繼續(xù)發(fā)展，由其引發(fā)的災害現(xiàn)象如潮水上岸、暴雨、洪災地面積水、橋下通航受阻、碼頭受淹等應引起足夠重視。

經(jīng)預測(以1998年采灌量為基準，預測至2020年) ，上海市區(qū)及近效區(qū)各含水層原漏斗水位第二含水層下降到-12m；第三含水層下降到-14m；第四含水層下降到-76m；第五含水層下降到-107m。第二至第四含水層，西部低水位排泄漏斗區(qū)持續(xù)下降并擴大影響至市區(qū)。因此受上海地區(qū)及臨省開采地下水的共同影響，崇明各含水層水位漏斗均呈持續(xù)下降和擴大趨勢。第二、三含水層下降較緩慢；第四、五含水層尤其是第五含水層水位下降較快[2]。

3．防范措施

目前采灌條件下存在許多問題，如采灌格局的不盡合理、地下水位的加速下降、可開采量的減少、地面沉降速度加大等不良現(xiàn)象。針對現(xiàn)存的這些問題，下面將提出一些相應防范措施。

3.1 傳統(tǒng)灌溉系統(tǒng)的發(fā)展和改善

地下水位在崇明島水資源管理中起著非常重要的作用，其中關鍵參數(shù)即地下水位海拔高度，這決定了水的流動方向和地下淡水資源的深度（高于咸水水面的部分）。研究發(fā)現(xiàn)，隨著地下水位高度的增加，淡水的深度也在逐漸增加中。因此，崇明地下水資源管理的核心問題就是如何保持充足地下水位高度。PengfeiXue等人（2008）[3]對崇明島沿海岸的水資源鹽濃度進行了模擬研究（見圖1），研究發(fā)現(xiàn)崇明島北海岸沿線流域容易被海水侵蝕，鹽濃度會越來越高，而南海岸沿線的水域鹽濃度很低，趨近于0。因此我們需要考慮北部沿海的咸水對于島內(nèi)的淡水資源的影響。

在溶液濃度平衡條件下，咸水的比重要比淡水高很多，所以淡水會懸浮于咸水之上，形成一個平衡過程。圖2反映了淡水深度在海平面之上以及海平面之下的淡水深度的關系[4]，這是淡水、鹽

水的一個平衡顯示。也就是說海平面之上的每一米淡水都意味著海平面之下有42m的淡水，地表上每減少1m的淡水就意味著海平面之下要減少42m的淡水，所以如果崇明島上使用大量使用地表淡水資源，不僅會使地表淡水資源減少，也會導致大量地下淡水資源流失。

與中國北部平原地下水位迅速降低不同，崇明島的地下水很淺，接近地表，全年雨水豐富。通過計算崇明島的全年水平衡，我們發(fā)現(xiàn)崇明島年平均降雨量約為115cm，而年平均蒸發(fā)量約85cm，降雨量高出蒸發(fā)量約30cm，可以說崇明島是一個水資源非常豐富的地區(qū)。多余雨水一方面滲入土壤中；另一方面隨著地表徑流流入水渠運河中，因此改善灌溉系統(tǒng)也可以有效地減少地下水資源的流失。

3.2 防止海水侵蝕

海平面變化實質(zhì)上是全球周期性氣候變化導致的海水進退活動與地殼升降運動相互作用的結果，即海平面升級與陸地升降的綜合反映，應屬于自然界一種正常的地質(zhì)現(xiàn)象。但近百年來，工業(yè)化產(chǎn)生的“溫室氣候”導致全球氣溫的顯著升高，加上日益加劇的人類其他經(jīng)濟、工程活動，使海平面變化呈加速上升的趨勢。沿海地區(qū)是自然災害（海岸侵蝕、風暴潮、洪澇等）頻繁發(fā)生和人為災害（地面沉降、海水入侵等）不斷活動的區(qū)域，海平面上升無疑會加劇災害發(fā)生的頻率和程度。同時沿海地區(qū)也是全球經(jīng)濟發(fā)展速度最快、人口密度最大的地區(qū)，即使海平面僅有數(shù)十厘米的微小變化，沿海地區(qū)脆弱的地質(zhì)環(huán)境都會產(chǎn)生十分敏感的反映。而高速發(fā)展的經(jīng)濟使沿海地區(qū)的城市化進程和自然資源開發(fā)的速度加快，因此脆弱的沿海地環(huán)境對沿海區(qū)域的未來發(fā)展帶來了嚴峻的挑戰(zhàn)[5]。

崇明及其所在的長江三角洲地勢低平，完全依靠標準不高的海岸防護工程保護；加之地面沉降等因素引起的相對海平面上升速率較大，使崇明地區(qū)成為受海平面上升影響最為嚴重的地區(qū)之一[5]。地面沉降控制的研究和實踐中總結出壓縮開采地下水、調(diào)整地下水開采層次、地下水人工回灌等一套行之有效的治理方案。

同時，海平面的上升和陸地的后退，如果在崇明島上大量鉆井抽取地下水也會引發(fā)海水侵蝕，最終污染地下淡水資源（圖3）。如何有效地防止海水侵蝕？以荷蘭為例，荷蘭與崇明島有非常相似的地貌特征。早在20世紀50年代的時候，在荷蘭沿海岸大量抽取飲用水不僅降低了地下水位，而且還引發(fā)了海水入侵，甚至滲透到運河[6]。解決辦法很簡單：靠近崇明沿海區(qū)域修建湖泊，特別受海水入侵影響嚴重北部沿海區(qū)域，形成一個淡水屏障，保持海水深度。一方面海水可以先滲透進入湖泊，屏蔽海水；另一方面也能增加淡水儲備量。這些人工修建的湖泊隨著水位的升高，在屏蔽海水的同時不僅能形成非常美的景觀，而且可以作為一個休閑度假區(qū)。灌溉水渠里的水也可以經(jīng)過一些預處理來補給這些湖泊，根據(jù)不同地質(zhì)形成的這些湖泊也可以大量補給地下水，經(jīng)過滲濾的這些淡水也可以作為優(yōu)質(zhì)飲用水。

3.3 種植水稻

此外，在崇明島大面積種植水稻也可以提高地下水位。當?shù)卮迕癫粌H能在種植水稻的過程中致富，也可以幫他們構建一個美麗的鄉(xiāng)村，而且農(nóng)業(yè)生產(chǎn)收益也能讓他保護自己的土地。這是一個比其他景觀建設便宜多的方法，大多數(shù)其他的防范措施或多或少都會降低地下水位。

3.4 嚴格控制地下水的開采總量，合理使用有限而寶貴的地下水資源

由于地下水資源有限，必須加以進一步控制，以最小的沉降量獲得最大的地下水開采量方面取得了巨大的成績[7]。

（1）保證飲用所需地下水量的供給

考慮到崇明島地表水無法直接飲用，而地下水是無污染的優(yōu)質(zhì)水，且多數(shù)為天然飲用礦泉水。因此，必須確保作為飲用所需的地下水開采量，實行優(yōu)質(zhì)引用，鼓勵采用多種形式的分質(zhì)供水，逐步改善飲用水質(zhì)。

（2）逐步壓縮非飲用性地下水資源的開發(fā)

據(jù)初步統(tǒng)計分析，目前開采的地下水量中，真正作為飲用生活水的所占比例不大（30%—40%）。因此，

凡自來水網(wǎng)到達地區(qū)的企業(yè)，其工業(yè)用水及一般生活用水應停用地下水，逐步實現(xiàn)壓縮非飲用水的目標。

（3）制定合理的地下水價格政策

實行“優(yōu)質(zhì)優(yōu)價”，利用經(jīng)濟杠桿的調(diào)節(jié)作用，使有限而寶貴的地下水資源既能發(fā)揮應有的作用又不至于加重地面沉降危害。

（4）進一步鼓勵和確保地下水人工回灌

地下水人工回灌既能夠補充地下水資源量，又可有效地維持或抬高地下水位，達到控制地面沉降的目的。

3.5 進一步加強地面沉降動態(tài)監(jiān)測與研究，盡快出臺《上海市地面沉降管理辦法》

地面沉降監(jiān)測，是控制地面沉降研究的基礎，完善的地面沉降監(jiān)測網(wǎng)絡設施，可以為控制地面沉降研究提供豐富的、可靠的信息來源。地面沉降動態(tài)監(jiān)測與研究為上海市地面沉降控制與地下水資源開發(fā)利用提供了科學依據(jù)，今后上海地面沉降動態(tài)監(jiān)測與研究不僅不能放松，而且還應進一步加強。

上海市自20世紀60年代以來就陸續(xù)頒布了有關防治地面沉降的一系列法規(guī)，這些法規(guī)和規(guī)章都在不同時期、不同方面、不同程度地為防治地面沉降災害和控制地面沉降量起到了重要作用。但是進入90年代以來，上海市地面沉降及相關問題變得更為復雜，地面沉降已不再是地下水開采的單因素所引起的問題，地面沉降量出現(xiàn)增大趨勢，地面沉降已發(fā)展到遠郊區(qū)及郊縣，地下水回灌面臨嚴峻的困難。長期下去，這一系列問題必然會影響到上?？刂频孛娉两档男Ч?。因此，十分必要出臺一部“上海市控制地面沉降”方面的法規(guī)，例如地下水采灌方案等，來規(guī)范控制崇明地面沉降管理與監(jiān)測工作，確保崇明地面沉降的管理、控制和研究。

4．結論與探討

對地下水開發(fā)利用過程中存在的問題，文中相應地提出了可行的調(diào)整措施及控制措施，如傳統(tǒng)灌溉系統(tǒng)的發(fā)展和改善、修建淡水湖泊來防止海水侵蝕、鼓勵當?shù)剞r(nóng)民大面積種植水稻、嚴格控制地下水的開采總量、進一步加強地面沉降動態(tài)監(jiān)測與研究等。北方雨水少，農(nóng)作物種植所需的灌溉用水主要來自于地下水，必然會導致地下水逐年減少，而在崇明島上降水量比蒸發(fā)量大，多余的水可以通過滲透和水渠流入地下。另外還要注意的是地表上的淡水量決定了海平面以下的淡水量，崇明島通過一些水利方面的設計也可以有效防范地下水資源衰減現(xiàn)象的發(fā)生，例如在島中部要使用下水道的系統(tǒng)把淡水連接起來，未來還有許多行之有效的防范措施需要進一步探討。

[1] 張衛(wèi), 覃小群, 易連興等.上海地區(qū)地下水系統(tǒng)及地下水資源特征[J].中國巖溶，1999，（04）:59-67.

[2] 俞俊英, 李勤奮, 喬堅強.上海市地下水超采現(xiàn)狀及防范措施[J].地下水，2000，（04）:143-146.

[3] Xue P, Chen C, Ding P, Beardsley RC et al.Saltwater intrusion into the Changjiang River: A model-guided mechanism study[J].Journal of Geophysical Research-Oceans，2009，114.

[4] www.groundwatergovernance.org/fileadmin/user_upload/ groundwater.

[5] 魏子昕, 龔士良.上海地區(qū)未來海平面上升及產(chǎn)生的可能影響[J].上海地質(zhì),1998，（01）:14-20.

[6] Dost BaHWH, 2006. Seismicity. In: Wong, Th.E., D.A.J. Batjes，J. de Jager (eds) .Geology of The Netherlands.

[7] 俞俊英, 李勤奮, 嚴學新等.上海市地下水開發(fā)利用現(xiàn)狀及控制措施探討[J].上海地質(zhì),2001，（01）:22-26.

Utilization status and prevention measures of groundwater resources in Chongming Island

Tammo S. Steenhuis1Wenjing Sang2
（1.Department of Biological and Environmental Engineering, Cornell University, Ithaca, New York 14853, United States；2.Institute of Modern Agricultural Science and Engineering, Tongji University, Shanghai 200092, China）

Future groundwater resources shortage, especially the underground water level decreasingcaused by land subsidence, surface degradation and sea levels rising, will have a great impact on coastal environment and human survival and development. Based on the analysis of the current groundwater resources in Chongming area and the influenced factors of groundwater level decline, the corresponding prevention measures were put forward, such as improve traditional irrigation system,construct lakes close to the coastto avoid seawater instrusion, growing rice, strict control of groundwater exploitation amount, strengthen the dynamic monitoring of land subsidence and the corresponding prevention measures. So how to control the decline in groundwater level and alleviate the impact of water resourceshortagehas a special and important signifcance.

groundwater；seawater intrusion；irrigation

X523

A

1674-6252（2014）06-0015-04

國家自然科學基金，土壤中生物炭的運動遷移機理及其模型研究，編號28702340005.

Tammo S. Steenhuis (1945－)，男，美國康奈爾大學生物與環(huán)境學院教授，博導，主要研究方向：流域水力學模型研究；桑文靜（1984－），女，安徽合肥人，博士，主要研究方向：土壤修復.