氣候變化對北京地下水資源的影響分析

李 鵬，王新娟，孫 穎，劉 殷，陳 芃

(1. 中國地質(zhì)大學(xué)(北京)，北京 100083；2. 北京市水文地質(zhì)工程地質(zhì)大隊，北京 100195)

地下水分布廣泛，可以獲得周期性補給，像地表水資源一樣具有調(diào)節(jié)性和可更新性。在世界范圍內(nèi)，地下水的消耗占總淡水資源消耗的50%[1]。隨著氣候變化的影響，干旱等極端事件頻繁發(fā)生，氣候變化對地下水的影響也日益明顯，一方面氣候變化導(dǎo)致地下水的補給與循環(huán)交替發(fā)生變化，另一方面對地下水資源的需求發(fā)生變化，進一步增加了實現(xiàn)地下水可持續(xù)開發(fā)利用的難度[2]。不少學(xué)者已開展氣候變化對地下水影響的研究工作[3-9]。

地下水是本市供水水源的重要組成部分，2014年南水北調(diào)江水進京后，地下水仍將占全市供水量的50%左右。1999年以來，由于多年連續(xù)干旱年份的出現(xiàn)，地下水補給量相對減少，地表水資源嚴重不足，對地下水的需求相對增加，長期靠超采地下水緩解水資源供給壓力，在支撐首都經(jīng)濟社會快速發(fā)展的同時，也付出了沉重的生態(tài)環(huán)境代價，出現(xiàn)了諸如區(qū)域地下水位下降、局部含水層疏干、降落漏斗范圍不斷擴大、地下水質(zhì)變差和地面沉降等環(huán)境地質(zhì)問題[10]，目前已引起各界廣泛關(guān)注。本文開展氣候變化對北京地下水資源的影響分析，總結(jié)并分析了近60 a來北京市氣候變化特征對地下水資源的影響，對實現(xiàn)北京地下水資源的合理利用與管理以及為供水安全提供保障具有積極的意義。

1 北京市地下水資源概況

1.1 北京市地下水賦存特征

北京市平原區(qū)地下水主要賦存于第四系松散孔隙介質(zhì)中，山區(qū)地下水主要賦存在巖溶裂隙和碎屑巖、火成巖、變質(zhì)巖裂隙中。多年來，北京地下水開采以第四系松散孔隙水為主。平原區(qū)第四系孔隙水主要賦存于河流沖洪積作用形成的砂及砂卵礫石中，其成層性好，易形成較連續(xù)的含水層。各河流第四系松散沉積物沉積規(guī)律大概相同，即從沖洪積扇頂部至下部及沖洪積平原區(qū)，含水層顆粒由粗變細，含水層結(jié)構(gòu)由單一層逐漸過渡到多層，地下水位埋深也由深變淺，單井出水量由大于5 000 m3/d過渡到500～1 500 m3/d(降深5 m時)。

1.2 地下水開發(fā)利用歷史

北京市是一個嚴重缺水的城市，人均水資源量為117 m3，遠低于國際人均水資源占有量1 000 m3的重度缺水標準，是國際上為數(shù)不多的以地下水作為主要供水水源的大城市，水資源供需矛盾十分突出。2013年全市供水量為36.4 億m3，其中地下水為20.1 億m3，占總供水量的55%，地表水為4.8 億m3，占總供水量的13%[11]。

北京地下水的開采方式包括水源地集中開采、工業(yè)及生活的自備井開采和農(nóng)業(yè)機井開采等。集中開采水源地和農(nóng)業(yè)井主要開采潛水和淺層承壓水；工業(yè)和生活用水井主要開采深層承壓水。1949年機井年開采地下水量僅803 萬m3。20世紀60年代，地下水開采規(guī)模逐步擴大。進入70年代，隨著城市人口增加、工農(nóng)業(yè)發(fā)展，北京市地下水開采程度大幅度提高，開采量比60年代增加近1倍。80年代初期處于連續(xù)偏枯年份，地下水開采量達到最大，約28 億m3/a，之后地下水的開采量維持在26～27 億m3/a。進入21世紀，地下水開采有所控制，開采量有所減少，由2000年的27.08 億m3，降至2013年的20.1 億m3，見圖1。

圖1 北京市地下水開采量歷史變化

2 北京市氣候條件及其變化特征

2.1 氣 溫

北京市多年平均氣溫11.7 ℃，日極端最高氣溫可達42.6 ℃(1942年6月15日)，日極端最低氣溫-27.4 ℃(1966年2月22日)。氣溫多年變化情況見圖2，可以看出，北京氣溫在波動中增暖，20世紀70年代以來一直呈增溫趨勢，90年代起增溫更加明顯，而2012、2013年顯著下降。1991-2013年年均氣溫13.02 ℃，比1951-1970年和1971-1990年2個時段分別增長1.86、1.32 ℃，平均增幅約為0.08 ℃/a。

圖2 北京年均氣溫變化趨勢

2.2 降 水

氣象站多年(1951-2013年)平均降水量593.81 mm，年降水量最大值1 406 mm(1956年)，最小值261 mm(1965年)，見圖3。降水年際變化顯示連續(xù)的干濕交替模式，降水連枯年和連豐年交替出現(xiàn)，豐枯水年出現(xiàn)的年份一般是3～4 a，比如1960-1962年、1980-1984年為連枯年，1976-1979、1985-1988、1994-1998年為連續(xù)豐水年，而1999年以后，北京市經(jīng)歷了多年枯水年。年降水量整體表現(xiàn)為下降趨勢，1970年至今為少雨期，1951-1970年、1971-1990年、1991-2013年分段年均降水量為682.44、573.65、534.10 mm，降水偏少的概率增大，分時段平均變幅為-3.45 mm/a。

圖3 北京年降水量變化趨勢

2.3 蒸 發(fā)

北京地區(qū)年蒸發(fā)量大于降水量。據(jù)氣象站資料，年總水面蒸發(fā)量表現(xiàn)為明顯的下降趨勢，見圖4。20世紀70年代以后蒸發(fā)量減少十分明顯，除受日照等氣候因子影響以外，城市發(fā)展帶來的下墊面變化也是一個重要因素[13]，1955-1974年、1975-1994年、1995-2013年年均總水面蒸發(fā)量為1 937.71、1 766.57、1 597.67 mm，分時段平均值變幅為-8.04 mm/a。

圖4 北京年蒸發(fā)量變化趨勢

3 氣候變化對地下水資源的影響

一般情況下，從水文循環(huán)的角度，自然狀態(tài)下地球上大氣降水、地表水、地下水之間的水量進行著循環(huán)并且保持著一種平衡關(guān)系，如果平衡不被打破，地球上的氣候?qū)⒈３指蓾窠惶?，產(chǎn)生良性循環(huán)，地區(qū)多年降水將維持一個水平，降水量的豐枯交替出現(xiàn)，地下水的補給量相對穩(wěn)定。

3.1 氣溫對地下水的影響

對于地下水資源來說，降水是補給項，而蒸發(fā)則是排泄項。氣溫變化對水循環(huán)和地下水資源的影響是間接的，是通過影響區(qū)域降水和蒸發(fā)而影響地下水資源的補排量，非決定性因素。圖5為城近郊長觀孔地下水位和氣溫變化關(guān)系圖，一般情況下，氣溫與水資源量基本呈反比關(guān)系，氣溫升高導(dǎo)致用水需求加大，既暖又干的氣候必將加劇地下水資源短缺狀態(tài)[13]，表現(xiàn)為地下水位整體呈下降趨勢。

圖5 氣溫和地下水位動態(tài)曲線

3.2 降水對地下水的影響

北京地區(qū)降水補給地下水量占地下水總補給量的50%左右[14]，降水量的大小直接影響著北京地區(qū)地下水資源量的多少。因此，分析降水對地下水的影響顯得尤為重要。

(1)降水對地下水位的影響。在20世紀60年代，北京市平原區(qū)淺層地下水埋深一般不超過5 m，到2013年底，平原區(qū)地下水平均埋深24.5 m，豐臺等西部地區(qū)淺層含水層已基本疏干。下面以北京市2大主要河流永定河和潮白河沖洪積扇中上游地下水位與降水量變化關(guān)系分析降水對地下水位的影響。

①永定河沖洪積扇中上游。17號潛水長觀孔和22號承壓水長觀孔水位與降水量關(guān)系見圖6。從圖6可以看出，17號潛水孔和22號承壓孔地下水位均隨著降水量的降低而下降。在1970年以前，永定河沖洪積扇中上游地下水位基本持平，變化不大。20世紀70年代初到80年代末期，地下水位持續(xù)下降，80年代末至90年代中期，地下水位達到一個新的平衡。1999年以來地下水位整體呈下降趨勢，17號和22號孔年均下降了0.51、0.75 m/a。2008、2012年降水量比較充沛，地下水位有所回升，但有一定的滯后效應(yīng)。此外，由于官廳水庫、三家店水庫等修建設(shè)施攔蓄地表徑流，大大減少了河谷潛流對平原區(qū)的補給，致使開采井抽水量增大，也是地下水位下降的原因之一。

圖6 永定河沖洪積扇長觀孔地下水位隨降水變化

②潮白河沖洪積扇中上游。潮白河沖洪積扇中上游地區(qū)選擇密云309號孔地下水位變化分析降水對地下水的影響，見圖7。地下水位在年內(nèi)隨著降水和周邊水源井開采的變化而波動。從圖7可以看出，2000年以前地下水位隨著降水的變化而上升或下降。20世紀80年代以前地下水位變化不大，80年代以后，地下水位整體持續(xù)下降。90年代水位下降趨勢與降水量下降趨勢基本一致。

圖7 潮白河沖洪積扇長觀孔地下水位隨降水變化

在氣候變化影響下，人類活動也相應(yīng)發(fā)生變化，兩者有很好的同步性[8]。為應(yīng)對大氣降水、地表水補給量減少而引起的水資源緊缺狀況，懷柔應(yīng)急水源地于2003年8月正式運行，加之周邊八廠水源地的持續(xù)開采以及潮懷應(yīng)急水源地的建成，集中水源地的開采量一直高達1.6 億m3左右(見圖8)，因此21世紀初降水量雖有所恢復(fù)，但區(qū)域地下水位仍持續(xù)大幅下降，也反映了此時段人工開采較降水減少起了更加決定性的作用。1999年以來密云309孔、懷柔216孔地下水位分別平均下降了2.06、2.80 m/a，該區(qū)域形成了484 km2的地下水位降落漏斗，區(qū)內(nèi)較淺的農(nóng)業(yè)井和生活井出現(xiàn)不能正常取水的情況，嚴重影響了當(dāng)?shù)厣a(chǎn)和生活，加劇了城鄉(xiāng)在水資源分配上的矛盾，不得不陸續(xù)對部分水井進行了更新。

圖8 潮白河沖洪積扇主要水源地開地下水采量變化

水質(zhì)方面，降水補給減少導(dǎo)致地下水稀釋能力減弱，加之超采導(dǎo)致地下水徑流途徑加長、組分積累，淺層水中總?cè)芙夤腆w、硬度和NO-3均呈逐年升高趨勢，深層水中總?cè)芙夤腆w、硬度變化較小，但NO-3含量明顯升高。

(2)降水對地下水儲變量的影響。地下水的儲存量變化反映地下水資源的盈虧狀況，同時也是地下水資源補排大小關(guān)系的反應(yīng)。根據(jù)北京平原區(qū)地下水儲存變化量計算值編制降水量與地下水儲存變化量關(guān)系圖，見圖9。可以看出，當(dāng)降水量高于多年平均降水量時，地下水儲存變化量為正，反之為負。經(jīng)動態(tài)均衡法計算，1961-2013年，平原區(qū)第四系地下水儲存量累計虧損101.78 億m3，1999-2013年，第四系地下水累計虧損量就達65.82 億m3，年均虧損量4.39 億m3。

圖9 北京市平原區(qū)降水量與地下水儲變量關(guān)系

3.3 蒸發(fā)對地下水的影響

水分蒸發(fā)是地球水文循環(huán)的必不可少的一環(huán)，近年來北京地區(qū)地表蒸發(fā)量呈現(xiàn)連年減少的趨勢，地表蒸發(fā)量的減少致使大氣中濕度變小，同樣也影響著地區(qū)降水量，進而間接影響地下水的補給量。北京平原區(qū)潛水極限蒸發(fā)深度為4 m，潛水蒸發(fā)量以水面蒸發(fā)量乘以潛水自然蒸發(fā)折算系數(shù)來獲得。水面蒸發(fā)量減小，地下水位持續(xù)下降，雙重作用下潛水蒸發(fā)量也呈逐漸減小趨勢。北京平原區(qū)1960-1980年多年平均地下水蒸發(fā)量4.95 億m3/a，1980-2000年平均蒸發(fā)量1.19 億m3/a，2001年以來平均蒸發(fā)量為0.44 億m3/a。

綜上來看，氣候變化的作用主要體現(xiàn)在降水減少對地下水資源的影響，導(dǎo)致地下水位持續(xù)下降，地下水資源連年虧損，水質(zhì)變差，蒸發(fā)對地下水有一定的影響，與降水對比其影響相對較弱，而氣溫對地下水的影響是間接和微弱的。

4 應(yīng)對策略

氣候變化對北京地區(qū)地下水資源帶來了諸多不利影響，伴隨著北京城市、人口和社會經(jīng)濟的迅速發(fā)展，逐漸超出了地下水資源的承載能力，為此，提出以下對策與建議。

(1)不斷優(yōu)化水資源配置，降低地下水在城市供水中的比例。在地下水超采區(qū)限制地下水開采，采取停采、壓采等措施，遏制地下水位繼續(xù)下降趨勢。

(2)采取地下水回灌增滲措施，建立地下水資源調(diào)蓄系統(tǒng)，發(fā)揮“水銀行”作用。推進雨洪利用設(shè)施建設(shè)，增加雨洪水的入滲能力，充分利用南水北調(diào)來水，還欠賬，優(yōu)化調(diào)整水源地布局，優(yōu)先回補水源地和應(yīng)急水源地，加速集中水源地的地下水涵養(yǎng)，增加水資源戰(zhàn)略儲備，保障非常時期的用水需要。

5 結(jié) 論

(1)北京地區(qū)多年來氣候變化特征是：氣溫在波動中增暖，分時段統(tǒng)計平均增幅約為0.08 ℃/a；降水量年際變化顯示連續(xù)的干濕交替模式，降水連枯年和連豐年交替出現(xiàn)，整體表現(xiàn)為下降趨勢，分時段平均變幅為-3.45 mm/a；年總水面蒸發(fā)量表現(xiàn)為明顯的下降趨勢，分時段平均值變幅為-8.04 mm/a。

(2)氣溫變化對水循環(huán)和地下水資源的影響是間接的，是通過影響區(qū)域降水和蒸發(fā)而影響地下水資源的補排量。北京地區(qū)地下水補給以降水補給為主，降水量的多少不但直接影響地下水資源的補給量，而且影響地表水資源量的多少，進而間接影響地下水資源的補給，1961-2013年，北京平原區(qū)第四系地下水儲存量累計虧損101.78 億m3，其中1999-2013年累計虧損量高達65.82 億m3；水面蒸發(fā)量減小，地下水位持續(xù)下降，北京平原區(qū)地下水蒸發(fā)量1960-1980年平均4.95 億m3/a，1980-2000年平均1.19 億m3/a，2001年以來平均為0.44 億m3/a，呈逐漸減小趨勢。

(3)氣候變化對北京地區(qū)地下水資源帶來了諸多不利影響，要以“南水”進京為契機，不斷優(yōu)化水資源配置，降低地下水在城市供水中的比例，采取地下水回灌增滲措施，加速地下水涵養(yǎng)，建立地下水資源調(diào)蓄系統(tǒng)，發(fā)揮“水銀行”作用，實現(xiàn)北京地區(qū)的地下水資源合理利用和管理，保障供水安全。

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