呂慶玉,熊孟琴

(河北省滄州水文局,河北滄州市 061000)

滄州深層地下水超采分析及對策

呂慶玉,熊孟琴

(河北省滄州水文局,河北滄州市 061000)

河北省滄州市是受到人口和環(huán)境雙重壓力的極度資源性缺水地區(qū)。由于地表水匱乏,全市主要依靠超采深層地下水來維持日益增長的國民經濟發(fā)展的需要。由于超采嚴重,而且補給緩慢,造成深層地下水水位下降嚴重,并誘發(fā)大量地質災害。分析滄州的節(jié)水潛力,制定節(jié)水型社會目標和措施,借鑒國內外先進節(jié)水經驗,建立節(jié)水型社會,對于合理利用保貴的水資源,改善深層地下水嚴重超采的現狀,保障滄州水資源可持續(xù)利用,保護滄州地下水資源環(huán)境有著十分重要的意義。

河北省滄州市;資源性缺水;深層地下水;超采;節(jié)水潛力;節(jié)水型社會

0 引言

滄州市地處河北省東南部,位于華北平原近濱海地區(qū),屬溫帶半濕潤性大陸季風氣候,多年平均降水量為 551.1mm。滄州市是河北省水資源最短缺的地區(qū)之一,多年平均水資源量僅有 12.64億 m3,人均水資源量為 192m3,占全國人均量的 8%,不足河北省人均量的 50%。近年來,大部分河道干涸,無上游來水,地表水資源利用量很少,每年不得不超采 4.0億 ～7.2億 m3深層地下水來維持日益增長的國民經濟發(fā)展的需要。地下水超采成就了全國乃至世界聞名的地下水漏斗區(qū),造成咸水界面下移、地面沉降、地裂縫等大量地質災害問題。水資源緊缺已是滄州市經濟和社會發(fā)展的突出矛盾,但與此同時,在社會各個有水環(huán)節(jié)上,又普遍存在著利用粗放,浪費嚴重的問題,所以建立節(jié)水型社會,節(jié)約珍貴的水資源,對于減少和節(jié)約深層地下水利用量,改善滄州市水環(huán)境狀況,保障滄州市國民經濟的可持續(xù)發(fā)展意義重大。

1 滄州市深層地下水超采現狀

1.1 年超采量呈直線上升

從上世紀九十年代初由于滄州市連年遭遇干旱,河流上游基本無來水,深層地下水作為主要利用資源在工農業(yè)生產和生活中被廣泛使用,從而造成深層地下水嚴重超采。滄州市深層地下水限采量為 2.9 200億 m3,1990～2007年滄州市深層地下水超采量如圖1所示。從圖中可看出,深層地下水超采量基本呈上升趨勢。2002年深層地下水開采量為 10.1 144億 m3,超采量達到 7.1 944億 m3,超采率達 258%。

圖1 滄州市深層地下水歷年超采量過程線圖

1.2 地下水漏斗深度增大、面積增加

1990年漏斗中心水位埋深 82.08 m,水位埋深大于 50m的封閉面積 707 km2,而到 2008年底,漏斗中心水位埋深達到 91.25m,平均每年增加 0.48 m;而大于 50 m面積達到8 100 km2,以平均每年 389 km2的速率遞增。1990～2008年漏斗中心水位埋深過程線圖及埋深大于 50m漏斗面積變化趨勢見圖 2及圖 3。

圖2 滄州市深層地下水漏斗中心歷年年底埋深過程線圖

圖3 滄州市深層地下水埋深大于 50m漏斗面積變化趨勢圖

1.3 深層水開采量占總用水量比率增長迅速

滄州市水資源利用主要包括三部分:深層地下水、淺層地下水、地表水。其中深層地下水從上世紀 90年代后已成為本市主要水源,并且占總用水量比率呈增加趨勢(見圖 4)。1990年深層水利用量占總用水量比率為 39.1%,而到 2008年則上升到 56.9%,以平均每年近 1%的速率增長,尤其 2002年深層水利用量占總用水量的比率達到 68.3%。

圖4 滄州市深層歷年地下水開采量占全市總用水量比率過程線圖

2 深層地下水超采造成的危害

2.1 地面沉降速度加快

深層地下水的嚴重超采,造成地下水位的連年下降,形成了以滄州市為中心的深層地下水降落漏斗,繼而引發(fā)了地面的大幅度沉降,這一地質災害的形成與發(fā)展,給滄州市國民經濟和人民生活帶來嚴重的影響。滄州市地面沉降發(fā)現于 1971年,當時的沉降量只有 9mm;其后隨著深層地下水開采量的不斷增大,地面沉降也同時加快,到 1990年沉降中心累計沉降量為 1131.0mm,平均沉降量為 59.2 mm/年;到2001年底,沉降中心累計沉降量已達到 2 236 mm,1990～2000年地面沉降量以 100.5mm/年的速率遞增,并且沉降量大于 2000mm的范圍已經覆蓋了整個滄州市區(qū),由此可以看出滄州市的地面沉降到了令人觸目驚心的地步。地面沉降速度加快給滄州市帶來嚴重危害:

2.1.1 河道輸水能力降低,地面高程資料失效

地面沉降造成區(qū)域內河道行洪能力大大降低。南運河是實施南水北調的主要河流之一,滄州市區(qū)段由于地面沉降造成河堤高程下降,使河道輸水能力大大減弱。在引黃濟津期間,經常出現滄州市區(qū)段市區(qū)段水位漫灘,市區(qū)外河段只有半河水的尷尬局面。由于地面沉降因素的影響,還造成市區(qū)范圍內地面高程資料失效,將會給城市建設規(guī)劃帶來不可預見的隱患。

2.1.2 沿海地區(qū)抗風暴潮能力降低

近年來,滄州沿海地面沉降有加劇趨勢。1998～2001年,沿海一帶地面沉降量約為 45 mm,累計沉降量約為 500～600mm。地面沉降勢必造成沿?？癸L暴潮能力的降低,加大了風暴潮的危害程度。從 1992～2003年發(fā)生的 3次風暴潮來看,其危害程度正在逐年加重。

2.1.3 城市管網安全受到威脅

管網安全受到威脅:滄州市共有給水管網 260 km,排水管網 180 km,供暖管網 32.6 km,天然氣管網 101 km。由于地面沉降原因,一些管網隨地面不均勻沉降而彎曲變形,導致管道漏水漏氣甚至折斷,直接影響市民生活。僅 2002年全年,全市供水管網破裂 776次,雖不完全因地面沉降造成,但其中地面沉降因素不容忽視。

2.1.4 雨季城區(qū)積水嚴重

從上世紀 80年代至 90年代,由于地面沉降原因,如遇到比較大的降水,市區(qū)內積水嚴重,而在上個世紀 60年代,滄州市 100mm/日的降水,大部分都能自然排出市外。2003年10月 10～11日,滄州市區(qū)降水量 160 mm,整個市區(qū)一片汪洋,維明路積水最多,最深處達到將近 2 m,附近居民連續(xù)數日不能下樓,嚴重影響了正常的工作與生活。

2.1.5 局部出現地面裂縫

大量抽取地下水造成地面不均勻沉降會出現地面裂縫。最近 5年,滄州區(qū)域已發(fā)現地面裂縫達 20多處,其中在任丘出現的一條地裂縫,最寬處達 3 m,長約 4 km。2002年 6月29日,孟村小戴莊至滄縣東卷子一帶發(fā)生地面裂縫,寬20 cm,可見長度 800m,并伴有小面積塌陷。

2.2 咸水界面下移

滄州市咸水區(qū)面積廣闊,因深層地下淡水水位急劇下降,與上覆咸水層形成了 40～80m的水位差,加之鑿井開采深層水,使上層咸水與下層淡水局部連通,造成咸水界面下移,并入侵深層淡水,使深層淡水水質遭到局部破壞。

2.3 機井報廢加快、提水成本增加

多年嚴重超采地下水,使滄州市深層地下水位逐年下降,造成大批機井報廢,滄州市年均報廢機井 5000眼左右,機泵已經換了 4代。機井越打越深,東部沿?？h市深井已達500～800m,每眼井投資要 20萬元以上。超采還造成機井提水能耗增加,灌溉成本加大,農民負擔加重,打井費用、澆地成本與 20世紀 80年代相比增加了 6～10倍,年多支出近 2億元。并且,由于滄州市地處華北中東部平原區(qū),深層地下水的側向補給源很遠,補給非常緩慢,據同位素14C測定,循環(huán)周期一般為 1～2.5萬年,補給強度極其微弱,長時期的超采可能會導致深層地下淡水的枯竭,嚴重影響滄州市的可持續(xù)發(fā)展。

3 用水現狀

滄州市水資源利用包括四部分:深層地下水、淺層地下水、地表水和少量污水利用,由于地表水嚴重匱乏,淺層地下水多為咸水,深層地下水從上世紀 90年代后已成為本市主要水源。除滄州市區(qū)和黃驊市區(qū)使用黃河水作為生活用水外,其余市縣區(qū)仍以深層地下水為生活用水;工業(yè)用水基本以深層地下水為主;農村用水也以深層地下水用量最大,并利用部分地表水和淺層地下水。以 2008年為例分析滄州市水資源利用結構和水資源利用用途見圖 5和圖 6。

圖5 2008年滄州市水資源利用結構圖

圖6 2008年滄州市水資源利用用途圖

4 節(jié)水潛力分析

4.1 農業(yè)節(jié)水潛力

農田灌溉中,還存在相當數量的土渠輸水、大水漫灌的落后灌溉方式,灌溉滲漏損失達到 40%以上,水資源浪費嚴重。與大水漫灌相比,實行小畦灌溉和管溉可節(jié)水 10%,噴灌可節(jié)水 50%,滴灌可節(jié)水 70%～80%。滄州市有豐富的微咸水資源,利用咸淡水混交,減少深層地下水的利用量,也是節(jié)約深層地下水資源的一個有效途徑。

4.2 工業(yè)節(jié)水潛力

目前,本市工業(yè)用水重復利用率較高,短時間內難有較大提高,工業(yè)節(jié)水應側重放在改造老設備,采用先進設備,淘汰落后工藝,推廣新工藝方面,以實現工業(yè)高效節(jié)水。滄州作為重要化工城市,石油化工工業(yè)發(fā)達,提高循環(huán)冷卻水的循環(huán)率和濃縮倍數,是節(jié)水的有效方法。對于,印染、電鍍、造紙等行業(yè),洗滌用水是主要用水,可采用高壓水沖洗法和噴淋水沖洗法等新工藝實現節(jié)水目標。

4.3 生活節(jié)水潛力

當前,城市生活用水浪費現象比較嚴重,主要是節(jié)水器具沒有得到廣泛推廣,自來水漏失率達到 10%以上,大大高于國家標準。以滄州市區(qū)為例,從節(jié)水定額看,1984年為 67升/人·日,2002年已達 121升/人·日,而生活水平與發(fā)達國家相差很多,例如,比例時生活用水為 116升/人·日,生活用水有相當的潛力可挖。

5 建立節(jié)水型社會

滄州市水資源極度缺乏,深層地下水已嚴重超采同時,水的浪費現象又十分嚴重。農業(yè)大水漫灌,工業(yè)用水重復利用率低,污水不經處理隨處排放,生產生活中跑、冒、滴、漏現象普遍,全民節(jié)水意識少淡薄。因此,實施全面節(jié)水,建立節(jié)水型社會,通過節(jié)約水資源減少或替代需水量,壓縮深層地下水的開采量,改善水資源環(huán)境,以達到采補平衡,形成良性循環(huán),保障滄州市社會和經濟的可持續(xù)發(fā)展。

5.1 建立解水型農業(yè)

5.1.1 農業(yè)灌溉是深層水用量大戶

以 2000～2008年為例,統(tǒng)計情況見表 1,可看出農業(yè)深層水利用量占深層水總用量比率的平均值達到近 70%,占相當大的比重,并且農村用水缺乏科學性和規(guī)范性,無形中產生很大的浪費,因此,節(jié)約水資源、減少深層地下水用量首先要從農業(yè)用水入手。

表1 滄州市 2000～2008年農業(yè)深層水用量及占深層水總用量比率統(tǒng)計表

5.1.2 推廣咸淡水混澆

滄州市淺層地下水咸水區(qū)總面積 8 563 km2,約占全市總面積的 60%,水資源量 10.5 989億 m3,可開采量 7.4 303億 m3。由于境內淺層咸水面積大,資源豐富而且水位埋深小,容易補充,因此科學利用咸水,從而有效節(jié)約淡水資源是建設節(jié)水型農業(yè)的重要途徑之一。

咸淡水混澆,是指在每眼深機井旁增打一眼微咸水淺井,并安裝相應設備,使深井淡水與淺井微咸水 (咸淡水混澆工程以開發(fā)利用礦化度為 2～5 g/L的微、半咸水為主)按一定比例混合,以罐混式(將淡水和咸水一同注入壓力罐內混合,再通過地下防滲管道輸送至田間)、豎塔混合式(將淡水和咸水先注入豎塔內混合,然后通過地下防滲管道輸送至田間)、管道直混式(將淡水和咸水直接注入地下防滲管道混合,輸送至田間)這三種形式進行農業(yè)灌溉。利用這種技術,科學合理地開發(fā)利用淺層咸水,可將原本無法使用的咸水轉化為可利用資源,用于農田灌溉,同時減少深層地下淡水的開采量。滄州市境內深層地下水礦化度絕大部分在 0.4～1.2 g/L之間,平均約為 0.8 g/L。在設備允許條件下,如果與2～3 g/L微咸水混交,可節(jié)約一半深層水資源;與 3～5 g/L半咸水混交,也可節(jié)約 1/3的深層水資源,這樣每年就能夠節(jié)約深層水近 2億 m3。截止目前,全市咸淡混澆井組有3000余處,控制灌溉面積可達 135萬畝左右。每開采 1 m3淺層微咸水就能夠節(jié)約 1m3深層地下淡水,這對于緩解深層地下水超采所帶來的水資源危機意義重大。

5.1.3 推廣田間節(jié)水灌溉技術

目前應用比較成熟的主要有以下幾種田間節(jié)水灌溉技術:噴灌技術可比地面灌溉節(jié)水 30%～50%;微灌技術包括微噴灌和滴灌技術,一般比噴灌省水 15% ～20%,且比噴灌能耗低、灌水均勻,而且操作方便,可根據不同土壤入滲特性調節(jié)灌水速度,是一種節(jié)水增效的農田灌溉技術。2005年滄州市首個大型棉田膜下滴灌高效節(jié)水示范試驗基地在吳橋建成,該示范試驗基地位于吳橋縣安陵鎮(zhèn),涉及 20多眼井、12 800畝棉田,預計年節(jié)水可達 100萬 m3。它為滄州市推廣膜下滴灌的先進技術,發(fā)展節(jié)水型農業(yè)起到積極的促進作用。改進地面灌水技術,包括平整土地、畦田規(guī)格優(yōu)化技術,可有效的節(jié)省水量。農藝節(jié)水技術,包括水肥綜合管理、推廣抗旱優(yōu)良品種、秸稈地膜覆蓋、深松蓄水等技術都能達到蓄水、保水和供水能力,達到節(jié)水目的。

5.1.4 改進傳統(tǒng)輸配水技術

傳統(tǒng)的土渠引水,在從水源地到田間地頭的過程中水量損失是巨大的,土渠的渠系利用系數一般只有 0.4左右。采取渠道防滲措施或利用管道輸配水可大大減少在這一過程中的水量損失。渠道防滲技術可大大提高灌溉效率。渠道防滲技術與土渠相比,混凝土護面可減少滲漏損失 80% ～90%,漿砌石襯砌可減少 67%～70%,塑料薄膜或土工布復合防滲可減少 90%以上。低壓管道輸水技術,具有節(jié)水、節(jié)能、節(jié)地、易管理、省工省時等優(yōu)點,且投資相對較低。在象滄州市這樣的糧食作物主產區(qū),可以推廣低壓管道輸水加“小白龍”軟管的輸水灌溉模式。利用低壓塑料軟管輸水配水進行灌溉(俗稱“小白龍”灌溉),可使水的利用率達 97%～100%。據統(tǒng)計,與土渠相比,低壓管道輸水灌溉技術可節(jié)電 20%～30%,省地 2%～5%,是滄州市需要加以推廣的主導輸水技術。

5.1.5 研究和推廣非充分灌溉技術

利用非充分灌溉技術,提高灌溉水的利用效率,是水資源匱乏地區(qū)節(jié)水農業(yè)的主要措施之一。我國北方一些地區(qū)已經實行了減少灌溉次數等非充分灌溉方式,一些科研單位和灌溉試驗站也在進行一些非充分灌溉的試驗研究。

5.1.6 灌溉要做到適時適量

目前一些先進地區(qū)以土壤墑情監(jiān)測作為灌溉用水管理的主要依據,根據氣象觀測資料、土壤墑情資料、作物長勢資料等確定作物的灌溉水量及灌溉時間,使項目區(qū)達到適時適量灌溉,從而使農業(yè)灌溉管理更加科學、合理,避免了水資源的浪費。河北省水利廳投資 50萬元委托省灌溉試驗總站、中國農大曲周試驗站等單位在項目區(qū)內建設灌溉預報站,解決田間作物灌溉用水優(yōu)化管理的關鍵技術,為作物適時適量灌溉提供依據。滄州境內有 19處土壤墑情監(jiān)測站,分布在個全市 14個縣市,在春秋兩季每旬為防汛抗旱辦公室提供墑情資料,對于我市進行科學灌溉,節(jié)約農業(yè)用水有著指導作用。

5.1.7 合理調整農村產業(yè)結構

滄州市作為河北省的糧食主要產區(qū),高耗水小麥播種面積較大,而小麥的生長期基本避開了雨期,用水量占到了農業(yè)用水的 60%以上,成為滄州市嚴重超采地下水的主要原因。如果不改變這種現狀,農業(yè)用水就不可能大幅度減少,水資源危機還會進一步加大。通過調整農業(yè)種植結構,特別是不能再以超采深層地下水的方式來發(fā)展小麥生產,要促進種植業(yè)由傳統(tǒng)的“糧食作物 +經濟作物”的二元結構模式向“糧食作物 +經濟作物+飼料作物”的三元結構轉變,發(fā)展雨熱同期作物或積極培育耐旱的優(yōu)質高效農業(yè)品種,是推進滄州市的農業(yè)節(jié)水不可或缺的一步。

5.2 建立解水型工業(yè)

5.2.1 工業(yè)深層地下水用水量

2000～2008年滄州市工業(yè)深層地下水用水量(見表 2)基本呈上升趨勢,平均值達到 1.3 726億 m3,占滄州市深層水總用水量的 16.7%;并且,各縣(市)工業(yè)企業(yè)所在地深層地下水均嚴重超采,形成局部深層地下水漏斗,并且沉降嚴重。

5.2.2 水循環(huán)利用和回用

企業(yè)內部實現水的閉路循環(huán),提高水的重復利用率,經過分級處理后回用,逐步減少排放,達到節(jié)水效果。

咸(海)水循環(huán)冷卻技術是沿海城市和地區(qū)急需的環(huán)保型節(jié)水新技術,在節(jié)省大量淡水資源的同時,利于保護環(huán)境、維護生態(tài)平衡?？蓮V泛用于沿海城市和苦咸水地區(qū)的電力、石油、化工、鋼鐵等多種行業(yè),應用前景十分廣闊。由于滄州市咸水資源豐富,淡水資源嚴重匱乏,所以發(fā)展咸(海)水循環(huán)冷卻技術勢在必行。循環(huán)冷卻水是工業(yè)用水中的用水大項,在石油化工、電力、鋼鐵、冶金等行業(yè),循環(huán)冷卻水的用量占企業(yè)用水總量的50～90%。滄州市工業(yè)企業(yè)平均以 60%計算,如果采用咸(海)水冷卻技術,使用咸(海)水作為工業(yè)循環(huán)冷卻水,每年就可節(jié)約近 1億 m3深層地下水,對保護城市備用淡水資源、減少局部地質災害有著十分重要意義。

5.2.3 工藝節(jié)水

推廣節(jié)水新技術,改革工藝設備,采用先進的無水和少水工藝,干洗替代水洗,壓力噴淋替代重力灌溉,風氣冷替代水冷等技術,都可節(jié)約大量水資源。

5.3 建立解水型城市

地下咸水作為中水利用,可變廢為用。以 2005年 9月26日滄州市郊區(qū)一淺層地下水井為樣本進行化驗(見表 2),結果表明地下咸水沒有污染,檢測各項超標不嚴重,只是礦化度較高,不宜飲用,一般符合衛(wèi)生標準,不需處理即可直接作為中水使用,進行洗滌、沖廁、消防、游泳池、噴水池、噴灑道路及綠地灌溉等,而且比城市污水處理的中水回用更為經濟優(yōu)越,可以作為深層地下水替代水源。城區(qū)利用地下咸水,還可以騰出地下庫容,不但使雨水徑流入滲加快減少城市防洪負擔,還可以回補地下水源,加強咸淡水的循環(huán)交換,使地下咸水逐步淡化,實現生態(tài)環(huán)境的良性循環(huán)。

污水處理后的中水回用近年來在滄州市得到推廣使用。2002年市招待處日處理 40m3的中水示范工程取得成功后,2003年頤和莊園日處理 400 m3的中水工程也以投入使用。已運行的運東污水處理廠設計中水回用量達 3萬 m3/日。

5.3.1 推廣節(jié)水洗潔具

應大力推廣和普及效率高的洗潔具,對于實現生活節(jié)水有著十分重要的意義。尤其在縣級以下的城鎮(zhèn),過低的節(jié)水洗潔具普及率造成更加嚴重的水資源浪費。

表2 滄州市捷地鎮(zhèn)淺層地下水水質化驗統(tǒng)計表

5.3.2 實行定額供水制度

對城市居民實行計劃供水和定額管理,對超計劃、超定額的加價征收水費,將在一定程度上遏制用水浪費的發(fā)生。

5.4 加大節(jié)水宣傳力度

滄州市是一個典型的資源型缺水地區(qū),水資源供需矛盾突出,節(jié)水是全市的一項永恒主題。利用各種宣傳形式和新聞媒體,廣泛開展節(jié)水宣傳,使人們的節(jié)水意識進一步增強,形成“節(jié)水光榮、浪費可恥”的新風尚,對于實現全市節(jié)約用水,建設節(jié)水型社會有積極的促進作用。

5.5 利用經濟杠桿促進節(jié)水

農業(yè)用水不征收水資源費和城市水費相對價格的偏低無形地滋長了人們對水的隨意浪費。在全社會范圍內實現供水收費政策,加快水費改革,制定合理的水費價格,充分利用經濟手段,強化節(jié)水,對是建立節(jié)水型社會也有著重要的意義。

6 結語

節(jié)水是解決水資源短缺的最有效途徑,滄州市亟需建立節(jié)水型社會。城區(qū)生活、工業(yè)和農村的節(jié)水空間很大,應運用法律、行政、經濟等綜合手段,大力推廣先進的節(jié)水技術和科學的節(jié)水方法,實現節(jié)水型工業(yè)、節(jié)水型農業(yè)、節(jié)水型城市的節(jié)水目標,對于改善深層地下水資源超采現狀,保護水資源環(huán)境意義重大。

[1]張彬 崔理哲 咸淡水混澆 開辟新水源 中國水利,2004.3.

[2]李瑞森 郭慶宏等 滄州水環(huán)境惡化的成因及恢復措施 水利發(fā)展研究 2004.8.

[3]代文元 張俊杰 實施南水北調加大微咸水、咸水非傳統(tǒng)水資源的利用 南水北調與水利科技 2004.4.

[4]李志強 關于南水北調與滄州經濟社會可持續(xù)發(fā)展 南水北調與水利科技 2004.3.

[5]張桂平 王啟文 滄州市水資源調查評價及對策 2000.4

P641

B

1004-1184(2011)01-0046-04

2009-09-08

呂慶玉(1972-),男,河北青縣人,高級工程師,主要從事水文、水資源管理及研究。