張光輝,連英立,劉春華,嚴(yán)明疆,王金哲

(中國地質(zhì)科學(xué)院水文地質(zhì)環(huán)境地質(zhì)研究所,河北石家莊050061)

0 引言

華北平原位于中國東部,東臨渤海,西抵太行山,北起燕山,南至黃河,地理位置為東經(jīng)112°30″～119°30″、北緯34°46″～40°25″之間,包括北京、天津、河北平原全部和黃河以北的豫北、魯北平原區(qū),共計(jì)21個(gè)地市、207個(gè)縣,面積13.92×104km2。華北平原是北方經(jīng)濟(jì)發(fā)展核心區(qū),水資源緊缺日趨嚴(yán)峻。平原區(qū)大部分河流長期干涸,地下水超采嚴(yán)重,地下水位降落漏斗、地面沉降和海咸水入侵地下淡水體等問題頻發(fā),對(duì)該區(qū)經(jīng)濟(jì)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展產(chǎn)生了一定影響[1-3]。如何理性認(rèn)識(shí)華北平原水資源緊缺情勢及其成因與根源,對(duì)于從根本上解決華北平原水資源問題具有重要意義[3-6]。

筆者立足于華北平原水資源可持續(xù)利用的理念,從水資源承載能力演化周期性、經(jīng)濟(jì)社會(huì)需用水規(guī)模難變性和未來水資源供需關(guān)系入手,通過梳理華北平原近60年來水資源緊缺情勢及其演變過程,結(jié)合未來10～30年區(qū)域經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展需用水量變化趨勢,識(shí)別和診斷華北平原水資源緊缺因源。

1 基本理念

實(shí)現(xiàn)流域內(nèi)生活、生產(chǎn)和生態(tài)用水彼此互不擠占以及用水總量不大于可利用量是區(qū)域水資源可持續(xù)利用的基點(diǎn)。當(dāng)一個(gè)區(qū)域?qū)嶋H用水量長期大于可利用量,生產(chǎn)和生活用水長期擠占生態(tài)用水或大量消耗地下水儲(chǔ)存資源時(shí),則會(huì)出現(xiàn)水資源緊缺。表達(dá)水資源緊缺狀況的缺水量是一個(gè)相對(duì)量[5-11],服務(wù)于不同目的的缺水量,其內(nèi)涵存在差異[8,12-14],但與可利用量和需用水量都密切相關(guān)[5]。

華北平原水資源緊缺和地下水超采的主要原因有:①區(qū)域降水量顯著減少,造成自然資源性缺水[15-16];②水資源管理方面存在缺陷,包括用水量無效增加以及污染導(dǎo)致水資源無法利用等管理性缺水;③人口膨脹、經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展規(guī)模過大,造成對(duì)水資源的需求遠(yuǎn)超過區(qū)域水資源承載力等政策性缺水或稱為認(rèn)識(shí)性缺水。不同屬性的缺水問題,解決對(duì)策不同。資源性缺水是不依人的意志為轉(zhuǎn)移的,惟有外域適量調(diào)水才能解決;管理性缺水可通過社會(huì)文明進(jìn)步和科技進(jìn)步不斷修正;政策性缺水宜因勢利導(dǎo)地進(jìn)行經(jīng)濟(jì)社會(huì)布局和產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整,特別是限制高耗低效用水產(chǎn)業(yè)。自然資源性缺水量等于現(xiàn)狀評(píng)價(jià)均衡期(應(yīng)為完整水文周期)水資源可利用量減去長系列(30年以上)可利用量,它表明評(píng)價(jià)期區(qū)域水資源承載力衰減程度。政策性缺水量等于超過區(qū)域水資源承載力的那部分人口、經(jīng)濟(jì)、社會(huì)所必需的用水量,該用水定額符合現(xiàn)狀高效用水評(píng)價(jià)指標(biāo)。管理性缺水量等于總?cè)彼繙p去政策性缺水量與自然資源性缺水量之和。

2 水資源緊缺情勢

2.1 區(qū)域水資源自然特征

華北平原水資源承載能力具有多變性,1956—2009年多年平均總水資源量372×108m3/a,最大為1964年的518×108m3/a,其地下水資源量376× 108m3/a;最小為1999年的182×108m3/a,其地下水資源量 171×108m3/a。偏豐水年(保證率為20%),總水資源量461×108m3/a;枯水年(保證率為95%),總水資源量196×108m3/a。1980—2009年平均水資源量325×108m3/a,相對(duì)1956—1979年減少94×108m3/a。

從圖1可見,1979—1984、1992—1994、1997—2003年分別出現(xiàn)連續(xù)枯水年份。在天津地區(qū),曾出現(xiàn)5次連續(xù)枯水年,其中1978—1984年連續(xù)7年枯水期[10-11,14]。河北平原東部地區(qū)發(fā)生過連續(xù)9年的枯水期。相對(duì)于 1956—1979年平均降水量,近30年來降水量年均減少74.9 mm,降水資源量減少104.3×108m3/a,累計(jì)減少3 128.7×108m3,地下水資源相應(yīng)減少594.5×108m3。

圖1 降水量年際變化及趨勢Fig.1 Trend and Variation of Precipitation

2.2 需用水嚴(yán)峻現(xiàn)實(shí)

華北平原人口一直處于增長狀態(tài),1952年人口為0.57×108,至1980年增加到0.97×108,凈增70.2%;2009年人口達(dá)到1.33×108,又增37.1%。2030年區(qū)內(nèi)人口將達(dá)到1.51×108,城市化率將達(dá)到54%。人均水資源占有量從1952年的735 m3/a降至現(xiàn)狀的302 m3/a,2030年將減少到246 m3/a,而中國人均水資源量為429 m3/a。

人口的持續(xù)增加,不僅導(dǎo)致人均占有水資源量大幅減少,而且還造成生活和生產(chǎn)用水量不斷增加。其中城市和農(nóng)村生活用水量由1952年的7.6× 108m3/a增加到1980年的23.7×108m3/a,2000年的51.8×108m3/a,分別增加211.8%和369.7%。2009年總用水量達(dá)410×108m3/a,其中農(nóng)業(yè)用水量占64.7%,工業(yè)用水量占18.2%,生活用水量占15.9%,生態(tài)環(huán)境用水量不足10×108m3/a。用水量最高可達(dá)430×108m3/a(1997和1999年),2020年需用水量預(yù)測為462.5×108m3/a[2]。相對(duì)于1980年, 2009年生活用水量增加143.9%。地下水占總用水量的65%以上,其中河北平原占80%以上,淺、深層地下水超采都比較嚴(yán)重[1-3]。

農(nóng)業(yè)用水占地下水開采量的70%以上,是華北平原地下水超采的主導(dǎo)因素(圖2)。糧食和蔬菜灌溉用水量不斷增加,加之平原區(qū)可用地表水資源日趨減少,直接驅(qū)動(dòng)地下水開采量不斷增大。從圖2可見,近50年來研究區(qū)地下水開采量增大與糧食產(chǎn)量之間呈正相關(guān)關(guān)系。1977年前,每增產(chǎn)10 000 t小麥和玉米,多年平均開采量增加0.14×108m3/a; 1978年以來,每增產(chǎn)10 000 t小麥和玉米,多年平均開采量增加0.04×108m3/a[8-9]。若以1977年的糧食產(chǎn)量和地下水開采量為基數(shù),1978年以來多年平均開采量增加(35.3～36.4)×108m3/a。近20年來,華北平原蔬菜生產(chǎn)灌溉用水量呈顯著增大趨勢。1985年該平原蔬菜灌溉用水量 11.57×108m3, 1995年為 22.81×108m3,2005年為 46.34× 108m3。其中河北平原1985—2007年蔬菜灌溉用水量從5.87×108m3/a增至22.89×108m3/a,凈增289.9%。從圖3可見,以70%的地下水可利用量作為基數(shù),京津以南的華北平原大部分地區(qū)農(nóng)業(yè)用水已處于超采狀態(tài),許多地區(qū)處于嚴(yán)重超采狀態(tài)。

圖2 糧食產(chǎn)量和地下水開采量變化Fig.2 V ariation of G rain Yieldand G roundw ater Exploitation

圖3 農(nóng)業(yè)用水超采程度分布Fig.3 Situation of G roundw ater Overexploitation for Agricultural Water

從未來10～30年的需用水量來看,基于可供水量371.8×108m3/a,2020年將缺水91.2×108m3/a (總需水量463×108m3/a)。未來20年和30年(即2030、2040年)的預(yù)測需水量分別為483×108m3/a和531×108m3/a,將分別缺水111.8×108m3/a和159.8×108m3/a,如果考慮社會(huì)發(fā)展和科技進(jìn)步的節(jié)水潛力,則分別缺水 99×108m3/a和 140× 108m3/a(圖4)。即使考慮南水北調(diào)工程增加供水量70.3×108m3/a,仍分別缺水28.7×108m3/a和69.7×108m3/a,水資源供需之間緊缺矛盾難以緩解。由于華北平原可利用的地表水資源有限,加之地表水水質(zhì)普遍較差,由此地下水超采情勢仍然嚴(yán)峻(圖5)。

圖4 水資源量供需現(xiàn)狀與未來情勢Fig.4 Situation of Supply and Demand of Water Resources Nowand in the Future

圖5 地下水資源可持續(xù)利用情勢Fig.5 Situation of G roundw ater Resources for Sustainable Utilization

20世紀(jì)80年代以來,華北平原地下水持續(xù)處于超采狀態(tài),90年代末期是華北平原地下水超采最為嚴(yán)峻時(shí)期(圖5),不僅太行山前平原淺層地下水大規(guī)模超采,而且中東部地區(qū)深層水超采呈加劇態(tài)勢[2,17]。進(jìn)入21世紀(jì),控制地下水超采問題受到管理部門的高度重視,地下水超采加劇態(tài)勢得到遏止,出現(xiàn)緩解跡象,例如滄州深層水漏斗中心區(qū)地下水位出現(xiàn)回升。但是,華北平原深層水超采仍然比較嚴(yán)重,甚至一些地區(qū)深層水開采量呈現(xiàn)日趨擴(kuò)大的情況。

3 水資源緊缺因源

3.1 界定依據(jù)

從水資源自然承載力、人口增加和生產(chǎn)發(fā)展對(duì)水的客觀需求考慮,華北平原372×108m3/a的水資源量無法滿足“三生水”需求,近10年來平均生活、生產(chǎn)用水總量就已經(jīng)突破400×108m3/a,大量擠占了生態(tài)用水量,呈現(xiàn)政策性缺水特征。

若基于人均1 000 m3水以下為水資源緊缺的國際理念,華北平原水資源所能承載的人口數(shù)量是(0.368～0.419)×108,實(shí)際為(0.801～0.852)× 108,2030年人口將超標(biāo)258%～308%。國際公認(rèn)流域水資源利用率警戒線為30%～40%[18],在半干旱區(qū)多采用22%～33%作為預(yù)警值[19-21]。若將該指標(biāo)作為華北平原的生產(chǎn)、生活合理用水的臨界值,則華北平原生產(chǎn)和生活的可利用水資源量為(120～135)×108m3/a,目前超標(biāo)總水量(287～312)× 108m3/a。若面對(duì)華北平原1997—2009年水資源利用現(xiàn)狀的情勢,在未來10年和30年即使實(shí)現(xiàn)低耗高效利用水資源和南水北調(diào)工程補(bǔ)給,仍將分別缺水28.7×108m3/a和69.7×108m3/a。

3.2 識(shí)別與診斷

3.2.1 可變量

從近30年來華北平原水資源承載力變化狀況分析,區(qū)域多年平均降水量減少10.4%,地下水資源平均減少26.5×108m3/a,總水資源量減少47×108m3/a (表1),占超標(biāo)總水量((287～312)×108m3/a)的15.1%～16.4%。

表1 1956—1979年與1980—2009年降水量和水資源衰減量比較Tab.1 Contrast of the Decrement of Precipitation and Water Resources Between 1956-1979 and 1980-2009

從水資源利用水平出發(fā),若按青島或深圳工業(yè)萬元產(chǎn)值耗水量12～13 m3,或美國的14.9 m3、日本的18.8 m3標(biāo)準(zhǔn)和發(fā)達(dá)國家公共用水、農(nóng)業(yè)節(jié)水灌溉水平綜合考慮[2,18],未來10～30華北平原年平均每年節(jié)水潛力為 69.1×108m3,占超標(biāo)總水量的22.1%～24.2%,其中生活節(jié)水潛力8.1×108m3/a,工業(yè)節(jié)水潛力18.4×108m3/a,農(nóng)業(yè)節(jié)水潛力42.7×108m3/a。

自然資源性缺水占超標(biāo)總水量的15.1%～16.4%,1980—2009年多年平均自然資源性缺水量47.0×108m3/a,該缺水量是氣候干旱、降水量減少造成的,人類很難改變。管理性缺水占超標(biāo)總水量的22.1%～24.2%,多年平均69.1×108m3/a(表2)。這部分缺水量可以通過提高水資源利用率和水資源管理水平,在未來10～30年中加以解決。

表2 水資源緊缺屬性構(gòu)成與對(duì)策Tab.2 Property and Countermeasure of Water Resources in Short Supply

3.2.2 難變量與對(duì)策

若以近10年生產(chǎn)和生活用水水平(398.3× 108m3/a)推算,4 190×104人口的生產(chǎn)和生活總用水量為135.7×108m3/a。若以2030年水利用效益考慮[22-23],從現(xiàn)狀生產(chǎn)和生活用水量中剔除應(yīng)節(jié)約的管理性缺水量(69.1×108m3/a)和被擠占的城市生態(tài)環(huán)境用水量(8.9×108m3/a),則生活和生產(chǎn)總用水量為320.3×108m3/a。因人口膨脹導(dǎo)致經(jīng)濟(jì)社會(huì)規(guī)模過大造成生活和生產(chǎn)所必需用水的超用水量為184.6×108m3/a,占總超標(biāo)水量的59.3%～62.5%(表3),其中人口增量所需的生活用水增量為33×108m3/a。從經(jīng)濟(jì)社會(huì)穩(wěn)定發(fā)展角度考慮,這部分缺水量必須供給,是人類生存和經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展必須消耗的,而且隨著人口繼續(xù)增加和經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展,這種增長趨勢難以改變[24-26]。除了南水北調(diào)工程調(diào)一定水量進(jìn)入華北平原之外,因勢利導(dǎo)優(yōu)化和逐步調(diào)整經(jīng)濟(jì)社會(huì)布局和產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu),將是抑制或削減耗水規(guī)模的重要手段,是緩解華北平原水資源緊缺的根本所在。

4 結(jié)語

(1)華北平原水資源緊缺的主要成因是經(jīng)濟(jì)社會(huì)用水量遠(yuǎn)超過區(qū)域水資源自然承載力,不是自然資源性缺水,是政策性(或稱認(rèn)識(shí)性)和管理性缺水,具有較大的可調(diào)控性。其中,由于近30年來華北平原降水量持續(xù)減少,造成地表水資源和地下水資源都相應(yīng)減少,導(dǎo)致自然資源性缺水占總?cè)彼康?5.1%～16.4%;因水資源管理存在缺陷和相應(yīng)規(guī)章不夠健全,以致無效增加用水量以及污染導(dǎo)致水資源無法利用等管理性缺水占22.1%～24.2%;由于人口數(shù)量和經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展規(guī)模過大,導(dǎo)致實(shí)際用水量遠(yuǎn)超過區(qū)域水資源承載力的政策性缺水占59.3%～62.5%。

(2)華北平原水資源有限且不斷變化是自然水循環(huán)演化的必然結(jié)果。南水北調(diào)工程調(diào)水進(jìn)入華北平原只能緩解該平原地下水超采情勢,難以得到根本性扭轉(zhuǎn)。除非有新增水源調(diào)入或華北平原嚴(yán)控生活和工業(yè)用水量,同時(shí)大幅壓減農(nóng)業(yè)用水量,因勢利導(dǎo)優(yōu)化和逐步調(diào)整經(jīng)濟(jì)社會(huì)布局和產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu),特別是灌溉農(nóng)業(yè)進(jìn)行規(guī)?；瘻p蒸、降耗、節(jié)水的改造。惟有遵循自然水循環(huán)演化規(guī)律,依據(jù)水資源承載力確定經(jīng)濟(jì)社會(huì)需用水規(guī)模,大力發(fā)展和應(yīng)用節(jié)水技術(shù),加之適宜的外調(diào)水工程實(shí)施,華北平原水資源緊缺和地下水超采嚴(yán)峻態(tài)勢可得到有效緩解。

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