城市發(fā)展模式變化對地下水補給的影響

崔一嬌 杜旋 孫趙爽 尚子琦 王樹芳

摘 要：近年來，城市發(fā)展模式由資源消耗型轉(zhuǎn)變?yōu)橹腔凵鷳B(tài)型。人類活動對地下水環(huán)境不再僅帶來“負(fù)效應(yīng)”，更通過管網(wǎng)滲漏、人工補給、節(jié)水壓采等途徑逐漸突顯出對地下水資源的“正效應(yīng)”，因此，需要從“正負(fù)效應(yīng)”綜合分析城市化對地下水資源的影響。北京市大興區(qū)具有城市發(fā)展模式轉(zhuǎn)變的典型特征，以1996年、2006年、2016年為時間節(jié)點，分析該地區(qū)淺層水在城市發(fā)展過程中的時空變化特征。分析表明大興區(qū)城市化擴(kuò)張明顯，建設(shè)用地的面積占比由1996年的19.80%增長至2016年的53.61%，而水位變幅小于0.3 m的區(qū)域面積從1996年的5.17 km2增長至2016年507.99 km2，與建設(shè)用地的范圍高度重合。不透水面空間的連續(xù)性和集中性，更易阻礙雨季降水對地下水的補給，致使水位變幅減弱。隨降水量的增加和再生水的推廣利用，淺層水位得到控制并回升，局部范圍甚至改變了原有的地下水流場狀態(tài)。2006—2016年淺層地下水儲量增加約0.72億m3，灌溉區(qū)和永定河沿岸的增加量占其中的83.33%。人工補給已經(jīng)是除自然降水外不可忽視的地下水補給方式，并使人為活動產(chǎn)生的“正效應(yīng)”在對地下水資源的影響中發(fā)揮主導(dǎo)作用。

關(guān)鍵詞：城市發(fā)展模式;地下水補給;土地利用;再生水灌溉;地下水動態(tài)特征

Abstract： In the recent 20 years， the urban development model has changed from that of resources consumption to intelligent ecology. Human activities no longer only bring “negative effects” to the groundwater environment， but also “positive effects” through pipeline systems leakage， artificial recharge， water saving measures， groundwater exploitation control and so on. Therefore， it is necessary to comprehensively analyze the impact of urbanization on groundwater resources balancing the “positive and negative effects”. Daxing District in Beijing has experienced the typical transformations of urban development models. This paper analyzes the temporal and spatial variation characteristics of shallow water in the process of urban development in Daxing District， based on the data in 1996， 2006 and 2016. The analysis shows that the urbanization of Daxing District is obviously expanding， the area proportion of construction land increased from 19.80% in 1996 to 53.61% in 2016， while the area with water level variation of less than 0.3 m increased from 5.17 km2 in 1996 to 507.99 km2 in 2016， which is highly coincident with the scope of construction land. The continuity and concentration of the impervious space are more likely to hinder the recharge of groundwater by precipitation in the rainy season， resulting in the weakening of water level variation. With the increase of precipitation and the popularization of reclaimed water in more towns， the shallow water level is under-control and rises again and in some areas，? and changes even occur to the original state of groundwater flow fields. Shallow water storage increased about 72 million m3 from 2006 to 2016， in which 83.33% was contributed by the increase in irrigation zones and along the Yongding River. In addition to natural precipitation， the groundwater recharge through human activities is a way that cannot be ignored， and the “positive effect” produced by human activities plays a leading role in the impact on groundwater resources.

Keyword： urban development model; groundwater recharge; land use/land cover; reclaimed water irrigation; dynamic characteristics of groundwater

在缺水性城市，地下水資源對城市發(fā)展具有戰(zhàn)略性意義，“極速城市化”和“空間蔓延式”的大擴(kuò)張與資源承載能力的矛盾也更為突出（陳明星，2015）。在城市發(fā)展的過程中，人類活動通過地下水開采、土地利用方式的改變、管網(wǎng)系統(tǒng)的滲漏、灌溉等多種途徑，在地下水補徑排方式上已經(jīng)極大地改變了自然的水循環(huán)模式，造成區(qū)域地下水失衡（王浩等，2016;王超等，2018）。

有研究表明，土地利用及其變化能夠高度敏感的影響水文過程，甚至在短期尺度上，比氣候變化的作用更明顯（張成鳳等，2019）。城市的擴(kuò)張過程中，增加的不透水面會對降雨入滲補給能力產(chǎn)生干擾（宋全香等，2014;Chithra et al.，2015;Jacobson et al.，2011;夏軍等，2017a;夏軍等，2017b）。朱琳等（2013）利用WetSpass模型估算出北京平原區(qū)1982—2007年城鎮(zhèn)用地擴(kuò)張了517 km2，而降水入滲補給量減少約3000萬m3。王新娟等（2017）通過入滲系數(shù)估算北京平原區(qū)降水補給量，2000—2013年多年平均值比1961—1980 年多年平均值減少3.2億m3。實際上人類活動對地下水資源量的影響并不只存在“負(fù)效應(yīng)”。由于管網(wǎng)的自然損失以及主觀的人為回補也會增加地下水的補給量，即城市化進(jìn)程帶來的“正效應(yīng)”（黃婉彬等，2020）。但由于這些非自然補給在一些地區(qū)補給量較小同時又較難準(zhǔn)確進(jìn)行估算，所以在研究中往往被省略不計（于開寧等，2004;Hibbs et al.，2012）。于開寧（2001）在針對石家莊市的研究中發(fā)現(xiàn)，供排水系統(tǒng)的管（渠）道滲漏、綠地的過量灌溉、地下水回灌、再生水回灌等已經(jīng)成為城市地下水補給的重要組成部分，在城市中心地區(qū)單位面積的地下水補給量甚至大于市區(qū)周邊。

如今，城市地下水的開采逐步得到有效的控制管理，越來越多的城市重視自然生態(tài)的可持續(xù)發(fā)展，這種城市發(fā)展模式的轉(zhuǎn)變給地下水補給帶來的“正效應(yīng)”越來越不應(yīng)被忽視。因此，考量城市化與地下水資源相互作用的影響亟需從人類活動“正負(fù)效應(yīng)”的雙向作用綜合分析，才能更準(zhǔn)確的評估和管理地下水資源。北京大興區(qū)在研究城市化與地下水補給關(guān)系上具有典型示范性，本次研究以該地區(qū)為研究對象，對應(yīng)大興區(qū)的發(fā)展階段和區(qū)域規(guī)劃，以1996年、2006年、2016年為分析節(jié)點，分析大興區(qū)淺層地下水的動態(tài)時空演變，以及城市發(fā)展模式變化過程中對地下水資源“正負(fù)效應(yīng)”的影響作用。研究成果以期為首都的規(guī)劃發(fā)展以及北方缺水城市的生態(tài)建設(shè)提供一定的參考，助力于處理好城市建設(shè)與水資源可持續(xù)發(fā)展之間的關(guān)系。

1 研究區(qū)及數(shù)據(jù)概況

1.1 地理環(huán)境條件

北京大興區(qū)位于北京南郊，總面積1030 km2，是距離城市中心區(qū)最近的郊區(qū)。北臨豐臺區(qū)、朝陽區(qū)，東臨通州區(qū)，西與房山區(qū)隔永定河相望，南與河北省接壤。該地區(qū)由永定河沖、洪積作用而成，地勢平坦，自西北向東南緩傾。區(qū)內(nèi)有6條主要河道，分別為永定河、涼水河、天堂河、大龍河、小龍河和新鳳河。由西北向東南，地下水含水層由單一的潛水到多層的承壓水，巖性由以砂卵石為主逐漸過渡為中砂、細(xì)砂，富水性由強到弱（圖1）。垂向100 m左右深度普遍分布一層30～40 m的粉質(zhì)黏土，100 m以淺的第四系含水層基本連續(xù)。以此為界，100 m以淺的潛水和微承壓水可劃為淺層地下水，其補給來源主要依靠大氣降水、地下水側(cè)向徑流、灌溉水回歸和河渠入滲。多年平均降水量為518 mm（1996—2016年），主要集中在夏季。

1.2 土地利用類型的變化

大興區(qū)因其地理位置的優(yōu)勢成為了北京城市空間結(jié)構(gòu)戰(zhàn)略轉(zhuǎn)型的支撐地。北京的城市化現(xiàn)象表現(xiàn)為中心區(qū)舊城改造，近郊區(qū)通過農(nóng)用耕地轉(zhuǎn)化到建設(shè)用地來不斷擴(kuò)張城市空間 （劉芳，2010）。北部建設(shè)發(fā)展了黃村、亦莊兩個新興衛(wèi)星城，成為高技術(shù)制造業(yè)和戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)的聚集區(qū)，南部建有北京大興國際機場，成為了京津冀的空間樞紐。在臨近北京市中心的北部呈現(xiàn)完全城市化的趨勢，農(nóng)村地區(qū)小城鎮(zhèn)建設(shè)用地面積也大幅度增加。

2009—2016年期間，建設(shè)用地面積由35809.79 hm2上漲到39743.85 hm2，農(nóng)用地面積由58635.74 hm2縮減至54793.42 hm2，未利用地面積基本持平（圖2）。這證實了大興區(qū)的城市化擴(kuò)張主要是依靠減少農(nóng)用地面積來實現(xiàn)的。

1.3 用水結(jié)構(gòu)的調(diào)整

地下水是大興區(qū)的主要供水來源之一，在北京城市化發(fā)展加速時期，水資源剛性需求的增加使該地區(qū)地下水一直處于超采狀態(tài)，開發(fā)利用率一度可達(dá)146.7%（楊廣慶等，2014），并導(dǎo)致地面沉降、地下水漏斗問題突出（周超凡等，2017）。面對水資源短缺的嚴(yán)峻形勢，在“十一五”規(guī)劃后，大興區(qū)用水政策從一味的過度開采消耗轉(zhuǎn)變?yōu)橹匾暤叵滤暮B(yǎng)恢復(fù)。通過高效節(jié)水措施，提高灌溉水利用系數(shù)，實現(xiàn)用水定額管理，精確計量，有效控制了用水總量，并著力構(gòu)建了“一廊、兩線、三網(wǎng)、四帶、五園”的水系格局（趙雙，2015）。

其中，挖掘再生水利用潛能、代替地下水開采是大興區(qū)重要的用水結(jié)構(gòu)調(diào)整。2002年南紅門灌區(qū)開始投入使用再生水，灌區(qū)地下水位下降速度明顯緩解（張鵬卿等，2013）。2006年再生水灌溉經(jīng)驗在多個鄉(xiāng)鎮(zhèn)得到進(jìn)一步推廣（圖3a），利用量得到大幅提高，從0.2億m3使用量增長維持在1.1億m3左右（王勇等，2012;溫先高，2012），使地下水的開采量從3億m3縮減并穩(wěn)定在了2億m3左右。地下水的減采有利于地下水的涵養(yǎng)恢復(fù)，而再生水的灌溉能夠補給影響淺層地下水。2005—2014年大興區(qū)的用水量統(tǒng)計結(jié)果顯示，再生水已經(jīng)成為大興區(qū)主要的供水來源之一，主要用于環(huán)境，其余用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)和市政用水，在全區(qū)總用水量的占比達(dá)31%～33%（圖3b）。

1.4 數(shù)據(jù)資料

由于地表補給環(huán)境的變化直接作用于淺層地下水，故搜集了54組80 m以淺的潛水或微承壓水地下水監(jiān)測井歷史數(shù)據(jù)（大興區(qū)內(nèi)38組），范圍覆蓋大興區(qū)及周邊，用于分析區(qū)域地下水位變化（圖1）。

在此基礎(chǔ)上，結(jié)合地理位置、水文地質(zhì)條件、城市發(fā)展特點選取了3處典型點進(jìn)行深入的對比分析，3處典型點分別處于不同富水性分區(qū)內(nèi)。海子角位于大興北部，屬于城區(qū)中心，建設(shè)用地集中，降水入滲受地表不透水面影響較多。青云店位于大興東部，屬于再生水灌溉重點地區(qū)。小店位于大興南部，近些年受大興機場建設(shè)和永定河治理影響，受城市化擴(kuò)張影響最晚。時間節(jié)點對應(yīng)大興區(qū)發(fā)展，以10年為間隔便于對比城市建設(shè)的變化，選擇1996年、2006年和2016年，年降水量分別為695.4 mm、447.1 mm、722.4 mm。1996年地下水開采現(xiàn)象仍十分嚴(yán)重，隨后逐漸得到控制。2006年降水量偏少，但再生水灌溉量開始大幅提升，補給方式產(chǎn)生明顯變化。2016年降水量與1996年相近，便于對比。

2 結(jié)果與分析

2.1 地下水位變化趨勢

圖4為海子角、青云店、小店3處典型點1992—2018年的地下水位變化趨勢，2006年是再生水大范圍投入使用的時間，1999年后降水量出現(xiàn)由枯轉(zhuǎn)豐的趨勢。結(jié)合該情況，擬合了再生水使用前、再生水使用后以及降水枯豐轉(zhuǎn)化期（2000—2018年）3個時間段的地下水位趨勢線。

1999年后，北京進(jìn)入連續(xù)枯水年，在此期間大興區(qū)地下水開采量維持在3億m3～3.5億m3之間，2000年后降水量逐漸增加，2007年后降水量基本達(dá)到或超過多年平均水平。2006再生水投入后地下水開采量降至2.1億m3～2.5億m3。一般規(guī)律下，淺層水位主要受降水和農(nóng)業(yè)開采的影響而變化。開采量的穩(wěn)定更突顯出降雨補給的影響作用。

由圖4可以看到隨降水量的減少，地下水位均呈現(xiàn)持續(xù)的下降趨勢。但隨2000年降水量的逐步增加，僅有青云店一處水位和降水變化有較為一致的趨勢（圖4b）。海子角和小店仍持續(xù)下降至2012年，較1998年下降分別為10.77 m和11.95 m（圖4a，圖4c）。此外，海子角年內(nèi)變幅（最小值與最大值范圍）多年處于2 m左右，明顯小于其他兩處。小店的地下水位年內(nèi)變幅也出現(xiàn)明顯的縮減，從20世紀(jì)90年代的7 m左右減弱至3 m左右。地下水位的持續(xù)下降和變幅減小的特征說明降水對地下水的補給作用在逐漸減弱，在開采量較為穩(wěn)定甚至減少的情況下，降水補給作用的減弱很可能與地表覆蓋變化有一定關(guān)系。

此外，從典型點的水位變化趨勢中可以看到，再生水的投入使用對地下水位有明顯的影響。小店監(jiān)測井在2013年所在鎮(zhèn)投入使用再生水后，地下水位扭轉(zhuǎn)回升，相比2012年水位回升2.44 m。而青云店由于處在再生水南紅門灌溉區(qū)內(nèi)，在再生水灌溉的作用下，枯水年期間水位仍能保持平穩(wěn)。并且需要注意的是大興地區(qū)地下水流向自西北向東南，但2006年以后在再生水灌溉和降水量回升的影響下，青云店監(jiān)測點的水位17～21 m，海子角和小店的水位在17 m以下，青云店水位相對其他兩處已成為高值，在局部區(qū)域內(nèi)已改變了原有地下水流場方向。可見，在降水不足的條件下，再生水灌溉已經(jīng)是該地區(qū)地下水的一種重要的補給來源，并已影響了局部的地下水流場。

2.2 地表入滲條件的影響

為分析大興區(qū)地下水位變化趨勢和年內(nèi)變幅與地表覆蓋的關(guān)系，采用監(jiān)督分類方法提取了建設(shè)用地、農(nóng)用地、未利用地（包括休耕地）共3類土地利用類型。選用的支持向量機（SVM）方法可以自動尋找對分類有較大區(qū)分能力的支持向量，將類與類之間的間隔最大化，具有較好的推廣性和較高的分類準(zhǔn)確率（祁亨年，2004）。 本次的樣本分類度達(dá)到1.94以上，樣本之間可分離性好，為合格樣本。水位變幅是利用區(qū)內(nèi)54組淺水監(jiān)測數(shù)據(jù)計算了6—9月的水位月變幅的平均值。該時段的選擇考慮了降水的時間段、補給的滯后性，并且開采量穩(wěn)定，能夠反應(yīng)降水入滲的補給程度。圖5為1996年、2006年和2016年的土地利用類型和地下水位變幅的空間分布結(jié)果，表1為土地分類的面積統(tǒng)計結(jié)果。

從圖5可以看出，月變幅與土地利用結(jié)果在空間分布上有明顯的關(guān)聯(lián)性。3個年份的水位變幅大于0.9 m的地區(qū)多為農(nóng)用地，水位變幅小于0.3 m的區(qū)域多為建設(shè)用地。1996年農(nóng)用地占比最大，占70.06%，而水位變幅大于0.9 m的面積為849.55 km2，水位變幅小于0.3 m的分布僅占5.17 km2。2006年，建設(shè)用地面積有所增長，農(nóng)用地面積略有下降，城市擴(kuò)張更多的是利用未利用地。而到2016年建設(shè)用地面積大幅增長，占比達(dá)到53.61%，對應(yīng)水位變幅大于0.9 m的面積僅占8.56 km2，而小于0.3 m的區(qū)域面積達(dá)到507.99 km2，與建設(shè)用地的范圍高度重合。

盡管1996年農(nóng)業(yè)開采的影響較大，2006年的降水量相對偏小，但從整體的趨勢變化上仍可以看出地表條件對降水入滲有明顯影響，建設(shè)用地表現(xiàn)出最小的水位變幅，并且城市發(fā)展的不透水面的增加具有面積的連續(xù)性和空間集中性，比起零散碎斑式的分布會更加不利于降水的入滲，人類活動對地下水資源有明顯的“負(fù)效應(yīng)”影響。

2.3 再生水灌溉的影響

大興區(qū)典型點的地下水位趨勢顯示出再生水使用對地下水位變化的扭轉(zhuǎn)性影響。為分析再生水利用對地下水資源的影響，對比了1996年、2006年、2016年，3年12月份的同期水位（圖6），12月份的地下水位動態(tài)受降水和開采影響較小，能夠真實的反映地下水位穩(wěn)定后的情況。

與1996年相比，至2006年，地下水位以下降為主（圖6a）。下降幅度集中在5～10 m，面積703.32 km2，北部城中心區(qū)和中部魏善莊開采區(qū)地下水位下降更明顯，達(dá)10 m以上，面積99.76 km2。南部永定河北岸和東部南紅門灌溉區(qū)地下水位下降幅度稍小，在5 m以內(nèi)，面積213.12 km2。地下水位回升的地區(qū)面積僅有17.87 km2。按照大興含水層介質(zhì)的條件，給水度取值0.117，經(jīng)計算，2006年相比1996年的淺層地下水儲量累計虧損7.92億m3。

至2016年，相比1996年，20年來整體地下水位仍處于下降狀態(tài)，淺層地下水儲量累計虧損0.71億m3（圖6b）。在南紅門灌溉區(qū)和永定河沿岸地下水位的降幅減弱，下降趨勢已得到明顯控制。下降幅度集中在5～10 m，面積達(dá)585.42 km2，下降0～5 m的地區(qū)面積有187.13 km2，下降大于10 m的地區(qū)仍集中在北部和中部的城鎮(zhèn)地區(qū)，面積94.13 km2。而榆垡上升面積擴(kuò)大至46.74 km2。

而2016年相比2006年，地下水位以回升為主（圖6c），大面積地區(qū)上升0～5 m，面積達(dá)536.68 km2。特別在南紅門灌溉區(qū)和永定河南部出境處地下水位上升可達(dá)到5 m以上，面積68.09 km2，而下降地區(qū)的面積429.29 km2。相比2006年，2016年的淺層地下水儲量增加約0.72億m3。其中南紅門灌溉區(qū)內(nèi)地下水儲量增加約0.49億m3，回升面積占灌溉區(qū)的72.46%。永定河2 km范圍內(nèi)的地下水儲量增加量約0.11億m3，上升面積占計算范圍的88.99%。

水位同期對比的結(jié)果可以看到，1996—2006年期間，由于降水量低于多年平均水平，加之開采等因素的影響，地下水儲量虧損明顯。至2016年，在壓采、降水量增加等因素的影響下，地下水位已開始明顯回升。其中，人工補給起到了不可忽視的作用，灌區(qū)和永定河沿岸2006—2016年的地下水增加量占到了全區(qū)總量的83.33%。人工補給已經(jīng)是地下水得到涵養(yǎng)恢復(fù)的重要影響因素。

3 結(jié)論及建議

（1）快速的城市化進(jìn)程下，城市地表環(huán)境的變化能夠影響降水對地下水的自然補給。水位變幅大于0.9 m的地區(qū)多為農(nóng)用地，水位變幅小于0.3 m的地區(qū)多為建設(shè)用地。并且隨著城市化發(fā)展，建設(shè)用地的面積占比由1996年19.80%增長至2016年的53.61%，而水位變幅小于0.3 m的面積從1996年的5.17 km2增長至2016年507.99 km2，與建設(shè)用地的范圍高度重合。不透水面的連續(xù)性和空間集中性，更易阻礙雨季降水對地下水的補給，致使水位變幅減弱。

（2）積極的生態(tài)恢復(fù)工作對地下水位的連續(xù)下降起到了明顯的遏制作用，人為補給已經(jīng)是除自然降水外不可忽視的地下水補給方式，并極大程度的抵消了城市化發(fā)展所帶來的負(fù)面影響。在再生水利用大范圍推廣前，2006年與1996年的潛水儲量相比虧損約7.92億m3。隨降水量的增加及2006年再生水的推廣利用，至2016年，淺層地下水儲量相比2006年增加約0.72億m3。再生水灌溉區(qū)以及永定河沿岸地區(qū)的地下水位回升明顯高于其他地區(qū)。

（3）城市化發(fā)展對大興區(qū)淺層地下水資源量的影響，已從“負(fù)效應(yīng)”為主表現(xiàn)為“正效應(yīng)”為主。由于連年降水量偏少、多年的過量開采、連續(xù)不透水面的增加等因素，造成地下水位受降水量變化的影響減弱，水位持續(xù)下降，年內(nèi)變幅減小，這一階段人類活動以“負(fù)效應(yīng)”影響占主。在城市發(fā)展模式轉(zhuǎn)變后，特別是再生水的推廣使用使地下水位轉(zhuǎn)降為升，并且在局部地區(qū)由于再生水的使用，改變了原有的地下水流場狀態(tài)，人類活動對地下水資源的影響開始以“正效應(yīng)”為主導(dǎo)。人為補給已逐漸成為地下水補給的重要途徑之一，彌補了地下水的自然補給缺失。

（4）城市在發(fā)展建設(shè)時應(yīng)綜合規(guī)劃，考慮自然生態(tài)系統(tǒng)的聯(lián)系空間，多利用透水性材料，避免不透水性地表的連續(xù)和集中。再生水的使用和人工灌溉等人為措施，從減少開采和增加補給兩方面，能夠有效涵養(yǎng)地下水資源，因此，城市化發(fā)展中應(yīng)優(yōu)化配置水資源利用，增強再生水的利用潛能和優(yōu)化管理。同時，由于人為補給方式已成為淺層地下水重要的補給來源之一，應(yīng)格外加強關(guān)注人為方式補給對地下水水質(zhì)的影響。

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