降水及人類活動(dòng)對北京市平原區(qū)地下水位變化影響分析

梁靈君，劉翠珠

(北京市水文總站，北京 100089)

地下水作為水資源的一種重要儲(chǔ)存形式，在保障生活供水、支持經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展和維護(hù)生態(tài)平衡等方面起到十分重要的作用。而地下水位動(dòng)態(tài)變化直接反映地下水資源量隨時(shí)間和空間的變化，研究地下水變化有助于評價(jià)地下水資源儲(chǔ)量和區(qū)域用水結(jié)構(gòu)以及水資源合理開發(fā)利用與管理。隨著氣候變化和人類活動(dòng)對地下水資源在時(shí)間和空間上產(chǎn)生影響的日益加劇，對地下水水位埋深動(dòng)態(tài)變化的研究逐漸引起國內(nèi)外學(xué)者的關(guān)注。目前，主要的研究方法為數(shù)值模型法和數(shù)理統(tǒng)計(jì)法，Yihdego等[1]利用多元線性回歸水文分析法模擬了典型監(jiān)測地點(diǎn)的地下水位動(dòng)態(tài)；Remi等[2]利用Mann-Kendall評估了半干旱地區(qū)地下水短期和長期動(dòng)態(tài)變化趨勢；李小龍等[3]采用三維地下水?dāng)?shù)值模擬方法研究了瑪納斯河流域地下水水位動(dòng)態(tài)變化及水量平衡規(guī)律；楊依天等[4]基于逐步回歸方法分析了潮河上游地下水位變化和影響因素；楊瀅嘉等[5]運(yùn)用相關(guān)性分析法、普通kriging插值法研究彌河流域平原區(qū)地下水埋深時(shí)空的動(dòng)態(tài)變化及分布特征；張文鴿等[6]采用五點(diǎn)三次平滑方法分析了河套灌區(qū)年際與年內(nèi)地下水埋深變異規(guī)律。

北京市屬資源型缺水的特大型城市[7]，地下水作為重要的基礎(chǔ)資源和戰(zhàn)略資源[8]，是北京市常規(guī)供水的主要供水水源，平原區(qū)大規(guī)模開發(fā)利用地下水已有約40年的歷史[9]。在20世紀(jì)70年代以前，北京市平原區(qū)地下水開采基本處于均衡狀態(tài)，隨著城市社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展開始過量開采地下水，2000年左右，地下水開采量約占全市總供水量的2/3以上。2014年末，南水北調(diào)江水進(jìn)京，在一定程度上緩解了水資源供需緊張的狀況，但地下水仍占全市總供水量的50%左右[10]。多年高強(qiáng)度開采地下水使得地下水位持續(xù)下降，局部地區(qū)超采嚴(yán)重，引發(fā)了水質(zhì)惡化、地面沉降等資源與生態(tài)環(huán)境問題[11-12]，影響了區(qū)域可持續(xù)發(fā)展。近年來，通過實(shí)施地下水壓采及生態(tài)補(bǔ)水[13-16]等措施，地下水位持續(xù)下降的趨勢基本得到遏制。為了地下水資源的科學(xué)管理，確保地下水戰(zhàn)略儲(chǔ)備功能，本文借鑒國內(nèi)外分析方法，選取1981年—2020年北京市平原區(qū)地下水有關(guān)資料，采用數(shù)理統(tǒng)計(jì)法研究地下水位變化特征及影響因素，為地下水超采綜合治理和水資源涵養(yǎng)修復(fù)提供借鑒。

1 研究區(qū)概況

北京市位于華北平原的西北邊緣(圖1)，西部為山區(qū)，地下水分布以巖溶裂隙水為主，東南是向渤海緩傾的平原，平原區(qū)主要為第4系松散孔隙水含水層及巖溶水含水層。根據(jù)平原區(qū)多年地下水監(jiān)測資料分析，近年來水位有所回升，但平均地下水位總體呈下降態(tài)勢，最大地下水埋深為2015年的25.75 m。北京市位于永定河沖洪積扇地形的中上部，全市面積約為16 410 km2，其中，平原區(qū)面積為6 900 km2(含延慶盆地)。北京市屬暖溫帶、半濕潤季風(fēng)氣候區(qū)，多年平均降水量為569 mm，平均蒸發(fā)量為1 562 mm(20 cm蒸發(fā)皿)，屬海河流域，由西向東依次為大清河、永定河、北運(yùn)河、潮白河、薊運(yùn)河5大水系，河流流量年際變化較大，部分河段目前已斷流。

圖1 北京市地形圖Fig.1 Topographic Map of Beijing City

2 資料和方法

2.1 資料

為研究北京市平原區(qū)不同年代地下水位變化特征和主要影響因素，根據(jù)監(jiān)測井資料可靠性并兼顧均勻分布的原則，篩選出121眼地下水長觀孔作為北京市平原區(qū)代表性觀測井(圖2)。選取1981年—2020年共40年地下水埋深監(jiān)測數(shù)據(jù)分析地下水位動(dòng)態(tài)變化，同時(shí)，選取研究區(qū)內(nèi)121個(gè)雨量站的同期降水資料做對比分析，并結(jié)合地表徑流、地下水開采、外調(diào)水及生態(tài)補(bǔ)水等情況進(jìn)行地下水位變化的影響因素分析，其資料源自歷年的北京市水資源公報(bào)數(shù)據(jù)。

圖2 研究區(qū)范圍及監(jiān)測井分布Fig.2 Study Area and Distribution of Monitoring Wells

2.2 研究方法

2.2.1 Mann-Kendall檢驗(yàn)法

Mann-Kendall檢驗(yàn)法(以下簡稱M-K方法)是一種廣泛應(yīng)用于水文、氣象時(shí)間序列分析的非參數(shù)檢驗(yàn)方法，可用來檢驗(yàn)系列趨勢的顯著性和突變[5, 17-18]。在M-K趨勢檢驗(yàn)中，統(tǒng)計(jì)量為正值表示增加趨勢，M-K用于序列突變檢驗(yàn)時(shí)，統(tǒng)計(jì)變量UFk為如式(1)。

(1)

其中：sk——樣本正符號累積數(shù)；

E(sk)——樣本均值；

Var(sk)——樣本方差。

將序列按時(shí)間逆序排列計(jì)算變量UBk，兩統(tǒng)計(jì)序列構(gòu)成的曲線分別記為UF和UB，兩條曲線出現(xiàn)交點(diǎn)且在置信區(qū)間內(nèi)即為突變點(diǎn)。

2.2.2 累積距平法

累積距平法是一種通過曲線反映序列變化趨勢的非線性統(tǒng)計(jì)方法，從累積距平曲線的起伏可以判斷系列的演變趨勢及變化，并根據(jù)累積距平曲線的轉(zhuǎn)點(diǎn)判斷其突變點(diǎn)。時(shí)間序列x在t時(shí)刻的累積距平值如式(2)。

(2)

其中：ILP——序列累積距平值；

3 結(jié)果與討論

3.1 降水量與地下水埋深突變特征

應(yīng)用M-K法和累積距平法進(jìn)行降水量與地下水埋深趨勢及突變分析(圖3)。M-K法的分析結(jié)果如圖3(a)和3(c)所示，降水量和地下水埋深系列分別通過了95%、99%的置信度檢驗(yàn)，地下水埋深下降趨勢顯著，降水量呈弱下降趨勢。降水量序列呈高低起伏的變化趨勢，突變點(diǎn)較多，也反映了年代的豐枯變化特點(diǎn)，其中一個(gè)突變點(diǎn)為1998年，與累積距平法分析的突變年份一致，如圖3(b)所示。M-K法分析的地下水埋深突變年份為2001年，同樣運(yùn)用距平累積法進(jìn)行分析[圖3(d)]，確定突變年份為2001年。因地下水埋深不僅受開采影響，也與包氣帶增厚導(dǎo)致降水對地下水補(bǔ)給產(chǎn)生滯后效應(yīng)有關(guān)[19-20]。綜合兩種方法的分析結(jié)果，地下水埋深在2000年前后發(fā)生突變，因此，按不同年代和不同水平年進(jìn)行地下水埋深的年際和年內(nèi)分析更能反映其變化特征。

圖3 研究區(qū)降水量、地下水埋深變化趨勢及變異點(diǎn)識別Fig.3 Variation Trend and Variation Point Identification of Precipitation and Groundwater Depth in the Study Area

3.2 地下水埋深動(dòng)態(tài)變化特征

3.2.1 年際變化

地下水位多年動(dòng)態(tài)可直接反映研究區(qū)地下水補(bǔ)排條件的變化，1981年—2020年降水量與地下水埋深變化過程如圖4所示，埋深從1981年的9.01 m下降到2020年的22.03 m，年均下降0.33 m。地下水埋深變化可分為4個(gè)時(shí)期：(1)1981年—1998年為波動(dòng)下降期，在1998年之前，豐水年埋深上升，枯水年下降，埋深年均下降0.15 m；(2)1999年—2007年為地下水位劇烈下降期，1999年以后遭遇連續(xù)枯水年，年均降水量僅為450 mm，補(bǔ)給減少以及地下水開采加大，造成埋深大幅度下降，年均下降達(dá)1.36 m；(3)2008年—2015年為下降趨緩期，2008年后降水量較枯水期增加，且開展外調(diào)水及多水源開發(fā)利用工作，開采量減少，年均下降0.37 m，下降趨勢明顯趨緩，其中，2012年降水量較大，地下水埋深波動(dòng)回升；(4)2016年—2020年為止降回升期，因受連續(xù)豐水年和南水北調(diào)江水進(jìn)京、地下水壓采及生態(tài)補(bǔ)水等因素影響，5年累計(jì)回升3.72 m，年均回升0.74 m。

圖4 1981年—2020年降水量與地下水埋深變化Fig.4 Variation of Precipitation and Groundwater Depth during 1981 to 2020

3.2.2 年內(nèi)變化

通過年降水量頻率計(jì)算，選取豐(2008年)、平(2010年)、枯(2005年)不同水平年，分析地下水埋深年內(nèi)變化情況。由圖5可知，在豐、平、枯水年內(nèi)地下水埋深變化趨勢基本一致。1月—2月，地下水主要接受側(cè)向補(bǔ)給，開采量相對較小，水位處于穩(wěn)定恢復(fù)期，達(dá)到年內(nèi)最高；3月—6月，降水補(bǔ)給較少，受農(nóng)灌用水增加影響，水位持續(xù)下降，5月—6月水位達(dá)到年內(nèi)最低值；7月—9月，降水集中，地下水位逐漸上升；10月—11月，降水和徑流補(bǔ)給減少，水位小幅下降；12月地下水緩慢恢復(fù)。因此，北京市平原區(qū)地下水埋深年內(nèi)動(dòng)態(tài)總體以降水入滲-開采動(dòng)態(tài)型為主，不同水平年降水量差異導(dǎo)致年內(nèi)埋深回升幅度不同，降水量越多回升幅度越大，降水量越小，年內(nèi)水位受地下水開采影響越明顯。

圖5 研究區(qū)內(nèi)豐、平、枯年份地下水埋深年內(nèi)變化過程Fig.5 Annual Variation Process of Groundwater Depth in Wet, Normal and Dry Years in Study Area

3.2.3 空間變化

為進(jìn)一步了解北京市平原區(qū)地下水位增幅情況，基于ArcGIS繪制了1990年代、2001年—2010年、2011年—2020年年均地下水位回升圖和2016年—2020年水位變幅圖(圖6)。由圖6可知，1991年—2000年，平原區(qū)小部分區(qū)域地下水位年均上升僅在0.5 m之內(nèi)，主要分布在延慶、昌平西部、房山南部等地，面積為944 km2；2001年—2010年，平原區(qū)地下水位年均上升0.5 m以內(nèi)的地區(qū)主要位于延慶、朝陽東南部以及房山等少部區(qū)域，上升區(qū)面積僅占平原區(qū)總面積的9%，比1991年—2000年上升區(qū)域面積減少29%，說明地下水埋深總體呈下降趨勢。而平原區(qū)東南和西南局部區(qū)域水位上升，主要因所在的北運(yùn)河和大清河水系有較充足的徑流補(bǔ)給，且延慶盆地地下水位總體變化不大，略有回升，主要與永定河上游河道及官廳水庫補(bǔ)給有關(guān)；2011年—2020年，平原區(qū)地下水位上升區(qū)域面積為4 480 km2，占平原區(qū)總面積的65%，其中，上升超過1 m的地區(qū)主要集中在平谷、密懷順和水源3廠等水源地所在區(qū)域，水位上升除受降水增加及地表水系補(bǔ)給影響外，還與水源地壓采和區(qū)域生態(tài)補(bǔ)水等因素有關(guān)；2016年—2020年，地下水位回升范圍達(dá)到平原區(qū)總面積的78%，回升超過10 m的區(qū)域主要位于平谷和密懷順?biāo)吹匾约拔魃缴角安糠謪^(qū)域，地下水回升范圍廣，回升幅度較為顯著。

圖6 不同時(shí)期研究區(qū)地下水水位上升幅度Fig.6 Rising Range of Groundwater Level in Study Area in Different Periods

4 影響因素分析

4.1 自然因素

影響地下水動(dòng)態(tài)變化的自然因素主要是降水量、蒸發(fā)量及徑流量等[21]，因北京市平原區(qū)地下埋深超過20 m，蒸發(fā)對地下水的影響微弱[22]，故本次分析不考慮該因素影響。

降水是地下水補(bǔ)給的最重要來源，同時(shí)，其形成的地表徑流也間接地影響地下水資源。由全市降水量和徑流量變化(圖4、圖7)可知，全市降水、徑流連豐連枯時(shí)有發(fā)生，徑流量總體呈明顯減少趨勢，2001年—2020年年均徑流量(6.90億m3)比1981年—2000年年均徑流量(14.2億m3)減小106%，其中2001年—2010年年均徑流為4.96億m3，僅為多年平均徑流量(10.6億m3)的47%。80年代初期降水偏枯，降水及徑流補(bǔ)給量較小，綜合開采因素導(dǎo)致地下水位開始下降；1985年—1998年，連續(xù)降水偏豐，徑流量較大，地下水的采補(bǔ)出現(xiàn)了新一輪的動(dòng)態(tài)平衡，說明區(qū)域地下水資源具有較強(qiáng)的調(diào)節(jié)能力和可恢復(fù)性；2016年—2020年降水量偏豐，徑流量(11.8億m3)明顯增加，為枯水段(1999年—2007年)徑流量(5.13億m3)的2.3倍，但因地下水位下降使得包氣帶增厚，降水和徑流對地下水的入滲補(bǔ)給量大大減少。

圖7 北京市1981年—2020年地表徑流變化Fig.7 Variation of Surface Runoff in Beijing City during 1981 to 2020

4.2 人為因素

人類活動(dòng)是影響地下水位變化的關(guān)鍵因素，主要有地下水開采、外流域調(diào)水和生態(tài)補(bǔ)水等。

4.2.1 地下水開采

20世紀(jì)60—70年代，北京市平原區(qū)地下水補(bǔ)排關(guān)系基本上處于均衡狀態(tài)；80年代初期，地下水開采量增加到23億m3/a，地下水資源量開始虧損(圖8)；90年代，地下水開采量相對穩(wěn)定，較80年代略有增加，累計(jì)虧損量增大；1999年后連續(xù)枯水年，地表水可利用量減少，為保障城市供水安全；2003年起陸續(xù)建設(shè)了懷柔、平谷等5個(gè)應(yīng)急水源地，地下水開采量增大，地下水位劇烈下降，造成地下水儲(chǔ)量嚴(yán)重虧損，1999年—2011年年均虧損4.83億m3，是1981年—2020年均虧損量的2.9倍。長期地下水超采使2015年超采區(qū)面積增加為1995年的2.5倍。2014年底南水北調(diào)水進(jìn)京后，地下水開采量逐年減少，到2020年開采量降至13.5億m3，僅為多年平均的58%，地下水位止降回升，可見開采是地下水位下降的最主要因素。

注：累計(jì)儲(chǔ)變量為與1980年相比虧損的儲(chǔ)量 圖8 1981年—2020年地下水開采量與儲(chǔ)變量變化Fig.8 Variation of Groundwater Exploitation and Storage Variables during 1981 to 2020

4.2.2 外流域調(diào)水

因本地水資源難以滿足社會(huì)經(jīng)濟(jì)及日常生活的用水需求，2003年開始從山西省和河北省調(diào)水，減少了地下水的開采量，但水資源供需依然存在缺口，2008年從河北省黃壁莊等4座水庫向北京市應(yīng)急供水，截至2013年，累計(jì)應(yīng)急供水15.2億m3(圖9)，地下水位下降幅度得到緩解。2014年底，南水北調(diào)中線工程正式向北京市供水，到2020年末累計(jì)調(diào)水量已達(dá)60.68億m3，極大地調(diào)整了北京市的供水結(jié)構(gòu)，置換部分地下水源，懷柔、平谷等應(yīng)急水源地僅維持熱備狀態(tài)，累計(jì)壓減地下水開采量約7億m3，增加了水資源戰(zhàn)略儲(chǔ)備。

圖9 2008年—2020年外調(diào)水量Fig.9 Water Transfer during 2008 to 2020

4.2.3 生態(tài)補(bǔ)水

近年利用南水北調(diào)水和本地地表水向水源地累計(jì)生態(tài)補(bǔ)水7.20億m3，使密懷順?biāo)吹刂苓叺叵滤黄骄厣?.86 m[8]。引黃河水對永定河(北京市段)河道共補(bǔ)水5.87億m3，河水入滲使得永定河平原段沿線周邊地下水位平均回升3.54 m，其中，門頭溝陳家莊監(jiān)測井水位回升超過20 m，玉泉山周邊的海淀北塢監(jiān)測井回升3.18 m(圖10)。

圖10 陳家莊和北塢監(jiān)測井埋深變化線Fig.10 Variation Line of Groundwater Depth in Chenjiazhuang and Beiwu Monitoring Wells

因此，區(qū)域降水、外流域調(diào)水以及生態(tài)補(bǔ)水等為地下水位下降的負(fù)相關(guān)因素；開采是影響地下水下降的正相關(guān)因素。近年來，通過實(shí)施地下水壓采，積極開展自備井與南水北調(diào)水源置換和超采區(qū)治理工作，增加地下水回補(bǔ)，實(shí)行最嚴(yán)格的地下水管控，強(qiáng)化地下水取水過程監(jiān)管和用途管制。通過多措并舉，有效壓減涵養(yǎng)了地下水資源，加之降水量偏豐，人為因素與降水因素疊加，2016年后地下水埋深多年持續(xù)下降趨勢得到抑制，連續(xù)5年回升，全市平原區(qū)地下水資源儲(chǔ)量比2015年增加21億m3，維系了地下戰(zhàn)略水源的健康。

雖然北京市平原區(qū)地下水位持續(xù)下降的趨勢得到了一定緩解，但地下水儲(chǔ)量歷史虧空較大，尤其是密懷順、西郊等水源地。因此，需落實(shí)最嚴(yán)格水資源管理制度，研究制定無替代水源地區(qū)地下水超采控制方案，以不超采、動(dòng)態(tài)平衡為目標(biāo)，提出區(qū)域地下水水量、水位的科學(xué)管控指標(biāo)。通過采取節(jié)水、用水結(jié)構(gòu)調(diào)整等措施，強(qiáng)化再生水及雨洪資源利用，多渠道增加水源補(bǔ)給，壓減地下水超采量。同時(shí)，通過優(yōu)化水資源配置和調(diào)度，實(shí)施多源頭、多工程、干支流聯(lián)調(diào)的生態(tài)補(bǔ)水，實(shí)現(xiàn)藏水于地、涵養(yǎng)地下水，地表和地下協(xié)同修復(fù)等目標(biāo)，逐步實(shí)現(xiàn)地下水采補(bǔ)平衡，降低流域和區(qū)域水資源開發(fā)強(qiáng)度，建設(shè)西郊、密懷順等地下蓄水區(qū)，增強(qiáng)水資源戰(zhàn)略儲(chǔ)備，為促進(jìn)經(jīng)濟(jì)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展提供水安全保障。

5 結(jié)論與建議

(1)通過M-K法和累積距平法進(jìn)行趨勢及突變分析發(fā)現(xiàn)，降水量呈弱下降趨勢，地下水埋深下降趨勢顯著，年均下降0.33 m。降水量突變點(diǎn)為1998年，受包氣帶增厚導(dǎo)致降水對地下水補(bǔ)給產(chǎn)生滯后效應(yīng)影響，地下水埋深在2000年左右發(fā)生突變。分析結(jié)果客觀地反映了北京40年的降水和地下水埋深變化特征，其研究方法可為其他地區(qū)不同水文要素的分析提供借鑒和參考。

(2)地下水埋深動(dòng)態(tài)變化可分為1981年—1998年波動(dòng)下降期、1999年—2007年地下水位劇烈下降期、2008年—2015年下降趨緩期和2016年—2020年止降回升期4個(gè)時(shí)期。其中，2016年—2020年因受連續(xù)豐水年、南水北調(diào)江水進(jìn)京及生態(tài)補(bǔ)水等因素影響，地下水位回升3.72 m，年均回升0.74 m。地下水位動(dòng)態(tài)變化主要受降水和地表徑流補(bǔ)給、生產(chǎn)生活開采以及外流域調(diào)水和生態(tài)補(bǔ)水等因素影響，其中，地下水超采是影響地下水位下降的最主要因素。

(3)地下水開采應(yīng)以地下水動(dòng)態(tài)采補(bǔ)平衡為目標(biāo)，增強(qiáng)地下水戰(zhàn)略儲(chǔ)備。同時(shí)，地下水位的回升，可能對城市安全運(yùn)行帶來一定風(fēng)險(xiǎn)，需加強(qiáng)地下控高水位和預(yù)警研究。