北京市地下水资源开采与回补分析——潮白河为主线

2023-02-12

1. 水资源整体形势

北京水资源的紧迫程度已是不言而喻, 发展离不开水但水资源紧缺逐渐制约着城市建设和发展乃至人民生活水平的提升。因北京市人均水资源占有量已不足200m3, 远远低于国际公认的人均1000m3的下限, 特别是1999年以来, 北京市连年干旱, 平均年降水量仅为450mm, 水资源总量仅为26亿m3。为了应对持续的水资源紧缺局面, 工、农业及生活用水等相继依靠地下水的开采供给, 占全市供水量的2/3左右, 是国际上为数不多的以地下水作为主要供给水源的大都市之一。

此次的研究主线潮白河流域在北京城市发展中具有重要战略地位, 是顺义新城的主要生态屏障和水环境的重要支撑。其严峻的水资源形势已成为制约区域乃至北京市经济社会协调发展的瓶颈。

2. 地下水超采形势

近30年来, 北京市地下水开采量一直保持在26亿m3/a左右, 尤其是1999年-2011年, 北京干旱频发连续12年均为枯水年, 虽2012年后降雨量有所回升但降水量年内分布不均, 且各月降水量变化趋势不同。在北京这样一个人口数量激增、供水矛盾突出的地区, 地表水可利用量大大减少, 地下水的开采加剧也成为必然。从1999年起北京年均超采地下水5亿m3, 据资料显示, 1961~2010年间第四系地下水储存量累计亏损高达103.15亿m3, 竟相当于2.5个密云水库总库容。地下水的开采还在继续, 北京地下已经形成面积约1000km2的地下水降落漏斗区, 漏斗中心位于朝阳区的黄港、长店至顺义的米各庄一带。由此引发的后果不仅是破坏水循环系统的平衡, 造成水资源严重亏损, 更甚者局部含水层呈疏干或半疏干状态。此种非正常开发还诱发了地面沉降等环境问题的发生, 近郊区东部尤为明显, 昌平、顺义、丰台、通州等区域都有不同面积沉降、地面干裂。

缺水, 是北京市的市情, 潮白河也未能幸免, 本是北京市第二大河的潮白河也是主体依靠地下水、再生水、雨洪水补充, 其主干流流经密云、怀柔、顺义、通州四区县却都有几近干涸的光景, 南水北调进京之前或之后, 流域水资源短缺形势也无法得到根本解决。潮白河流域的地下水资源如同北京全市地下水一样的经历了“盈余—平衡—超采”三个阶段。目前潮白河干流的主要井群有市自来水八厂井群、顺义区二、三水厂井群、引潮入城备用水源地井群、燕京啤酒厂井群、通州水厂井群、东方化工厂井群, 年地下水供水量近3亿m3。[1]

3. 地下水超采产生的影响

3.1 地质影响。

地质影响主要表现为地面沉降、塌陷等问题。如表1[2]所示, 早期地下水开采量小、基本采补平衡阶段, 地面沉降量相对较小;当开采量逐渐增大且地下水位逐年下降过程中, 地面沉降的地理范围也随之扩大, 北京地下水开采历史与地面沉降发展历史一致, 开采强度促进了地下漏斗区的形成, 其与地面沉降区位置基本一致。由此可以看出, 地面沉降与地下水开采量的变化关系密切。

除了浅显易懂且直观可见, 分析沉降机理主要因地下水被抽取后使地层压密, 也就是因为含水层中含水率下降, 土层空隙水压力降低、土壤颗粒间有效应力增加的缘故。

如图2[3]所示:根据有效应力原理, 抽水前各力处于平衡状态, 即:

式中, p——土层的总应力;

б——抽水前土层的有效应力;

uw——抽水前的空隙水压力。

抽水后水压力下降了uf, 由于抽水过程中土层的总应力基本不变, 因此下降了的uf就转化成了土层间的应力, 继而土层被压密。

3.2 水质影响。

地下水过量开采也会威胁到地下水质。地下水污染最早的形式可追溯到1968年法国学者Marjat提出的“地下水脆弱性” (Groundwater Vulnerability) 这一术语。在1987年相关概念多是水文地质本身要素 (如埋深、平均流速、表层沉积物的渗入等) 来定义的。而今人类的活动产生的污染大大超出其自身的脆弱性, 大幅度的开采致使取水深度已达到承压水层, 大范围的潜水层空置状态使地表污水快速入渗, 如潮白河等许多河流均是河段常年干涸, 除降雨回补外基本靠二次再生水补给水源, 失去了自净能力, 此种情况下如若沿岸有污水排入河道, 则地下水质即会受到威胁。国内外学者也就地下水长期过量开采导致硬度、矿化度呈逐年上升趋势展开讨论。大致成因有几种:自然界和地下水中的CO2分压增加和盐效应作用;盐污染产生的阳离子交换作用;地下含水层低于海平面, 致使海水灌入, 水质盐碱化。

3.3 人类健康影响。

由于生产的迅速发展和生活水平提高, 人类自身制造的各种水质污染源也在相继打破着人与自然的和谐, 不仅环境遭到破坏, 人类的健康也受到了严重影响。据2005年调查显示, 位于潮河、白河汇合口的密云工业开发区的排污口附近浅层水 (30m以上水层) 有异味无法饮用, 洗头导致掉发。长期饮用污染物超标的劣质水所引发的疾病有多种可能性:当饮用含有合成有机物的污染水源时, 会出现腹水、腹泻、肠道线虫、肝炎、胃癌、肝癌等病症, 污染严重区甚至导致雌激素增加, 影响人类的生殖能力, 造成自然流产或先天残疾。

3.4 其他影响。

除以上影响还有其他诸如:降低农作物产量和质量;加速生态环境的退化和破坏;造成经济损失, 加大治理困难等负面影响。

4. 地下水回补探讨

4.1 回补现状。

目前北京平原区地下水主要接受大气降水、河流、灌溉入渗以及山区侧向补给, 而地表水因降水偏少和上游水库的修建, 如潮白河上游修建的密云、怀柔水库等导致地表水的来水量减少更加明显。因此, 地下水回补的方法探讨刻不容缓。

4.2 回补措施。

第一, 从精神上贯彻节水思想。

可及时通过媒体、文件、宣传等方式进行思想教育, 深入贯彻习近平总书记提出的“节水优先、空间均衡、系统治理、两手发力”治水思路, 倡导全社会节约用水, 营造亲水惜水节水的良好氛围, 努力以最小的水资源消耗获取最大的经济社会生态效益。大力开展节水型社会建设取得了阶段性成果, 但因用水方式粗放、水资源利用效率低而浪费严重的问题依然存在, 须从观念、意识、措施等方面入手, 狠抓农业大水漫灌、工业高耗污染等严重问题。

第二, 优化再生水源回补地下水。

将回灌水源转化为地下水资源。随着生活、农工业污水量的不断增大, 加之污水处理技术的提高, 利用再生水回补地下水阻止海水入侵、增加用于工农业的地下水资源量已成为趋势。国外很早就有人提出“水银行” (Water Bank) 的概念。与建设地面水库相比, 地下水银行具有更有利的特性: (1) 不存在因建水库或大坝而造成对环境的影响; (2) 不需要修建长距离的输水系统; (3) 蒸发量远比地面水库少。因此, 利用过度开采地下水形成的蓄水空间, 有效合理地调蓄再生水是实现污水资源化的重要方向。

最合理的方式是因地制宜, 根据当地地下水水质和基本用途做合理安排, 再生水人工回灌地下含水层, 使再生水参与地下水循环, 其水质将直接影响地下水和含水层的状态。因其循环过程中产生影响往往带有滞后性和长期性, 因此再生水补给地下水是一项极为严谨的工作。以潮白河顺义段为例, 推动再生水回用于景观用水等即出现水体富营养化, 产生水华问题, 多因为其水质中含N、P浓度值偏高, 污染水源浓度含量底值基数高, 而水体的稀释自净能力较天然景观水体差, 因此再生水营养盐积累的趋势也持续不减。现对潮白河顺义段水体中的两大类内分泌干扰物——邻苯二甲酸酯、烷基酚的含量进行检测, 发现以再生水补水的潮白河顺义段水体中共检测出邻苯二甲酸酯和烷基酚类化合物各5种, 较重要的邻苯二甲酸酯类化合物和烷基酚类化合物的质量浓度符合达标要求低于其他地区河流浓度, 较接近天然河流补给浓度要求。说明再生水基本能够达到补给标准即可以用于回补地下水资源。当然回灌要经过收集回灌场地地势特征的基本资料, 对比分析筛选适当的再生水回灌方式:如农灌、井灌和河道入渗。这些方式方法还要“对症下药”, 在确保污水处理合格达标的情况下将再生水回灌到那些因取水抽空的天然水库中。

第三, 区域性水资源跨流域回补

以顺义的引温济潮工程为例, 将北运河流域水资源调到潮白河流域内改善奥林匹克水上公园周边及顺义新城的水生态环境, 有利于实现北京市水资源的优化配置。此跨流域调水, 关系到相邻地区工农业发展, 因此要做好充分的实地考察与地质分析, 充分考虑相关流域水资源重新分配可能引起的社会生活条件及生态环境变化。此种回补方式对主要地下缺水区域起到了一定的调节作用, 但北京市内流域整体趋势入不敷出, 还需要挖掘更有价值的回补方式。

第四, 南水北调, 大力度回补将跟进

南水北调工程是缓解北京市水资源短缺的重要举措。2014年12月27日, 南水北调中线工程正式通水。截至2015年12月, 共有8.4亿m3江水抵达北京。其中5.56亿m3流入水厂, 1.24亿m3被储存在密云、怀柔、大宁等水库, 还有部分南水用于回补潮白河、怀柔、海淀山前地区三大水源地。潮白河水源地的地下水位回升7.5 m, 是近十年来首次大幅回升。

潮白河补水工程是南水北调京内配套工程之一, 全长15 km。南水流经京密引水渠, 在李家史山分水闸放水, 经小中河输水至东水西调干渠汇合口。随后沿东水西调干渠反向输水至牤牛河、怀河, 最终流入潮白河牛栏山橡胶坝上游的水源地。因潮白河水文地质条件主要受交错沉积的冲洪积扇控制, 总规律是从山前至平原, 沉积厚度由薄变厚, 颗粒由粗变细, 具有强透水性, 河水每天能下渗近40cm。在水质方面, 南水北调水源与再生水不同, 一是因为南水北调水源为优质饮用水源, 其中的盐分含量和硬度均很低, 且不含有毒有害的污染物组分;二是其水源为非本地水源, 此回补过程不仅为物理混合作用, 可与包气带、含水层之间发生一系列的水岩相互作用, 带动水底循环, 提高水质。目前已超过3380万m3南水回补到潮白河水源地, 回补范围达24 km2。地下水位最大回升13.71m, 水源八厂水源井地下水位最大回升6.2 m, 水质良好。

在如此优质补水的情况下, 受水区也应尽量挑选不受废、污水影响的地下水库回水, 尽可能将不同用途的水源区分回补, 做到优质水源地和二次补水区的划分管理。

5. 结语

水利工程分类广泛, 堪称基础。在以北京市潮白河流域进行的地下水资源探讨分析中充分证明当下地下水资源短缺形势的严峻性、回补及调配的迫切性和污染防治的必要性。地下水资源的短缺形势及衍生出的次生地质威胁还需进一步得取数据进行分析论证, 因此因地制宜的调动北京水资源, 做到“喝”、“存”、“补”的有序调配;调动社会各方力量, 在政府发挥主体作用的同时, 资深人士群力群策, 如此北京地下水资源才可变得丰盈、充实, 社会也能更好的做到可持续发展。

摘要：北京市整体水资源短缺, 造成地下水资源过度开采, 延伸出一些急须解决的地面沉降、地下水污染、地表干裂等次生地质、环境问题。以潮白河流域地下水为研究区域, 分析该流域水资源整体现状及地下水开采情况引伸出相应的地质及环境问题, 分类讨论各时期地下水开产生的影响因素和后果。

关键词：超采,回补,地下水污染,现状