劉敏+聶振龍+王金哲+田言亮+汪麗芳+劉少玉

摘要：[JP2]華北平原地下水嚴(yán)重超采，并帶來一系列資源環(huán)境問題，地下水資源承載力的可持續(xù)性面臨嚴(yán)重挑戰(zhàn)。本研究定義了地下水資源承載力的概念，提出了一種定量評價地下水承載力的新方法，并對華北平原地下水承載力進(jìn)行了評價。結(jié)果表明，華北平原地區(qū)地下水資源支撐的GDP從2003年的15 60818億元迅速提高到2011年的37 5849 億元，[JP]333%的地市位于未超采未超載區(qū)；華北平原整體及572%的地市均位于超采未超載區(qū)，已發(fā)生地下水超采，但通過提高用水效率，未來社會經(jīng)濟規(guī)模仍有發(fā)展空間；95%的地市位于超采超載區(qū)。最后探討地下水資源的承載力的提高途徑，主要包括增加地下水資源可利用量和提高用水效率兩方面，其中提高用水效率效果更顯著。

關(guān)鍵詞：華北平原；地下水資源承載力；地下水開采程度；社會經(jīng)濟發(fā)展程度

中圖分類號：：TV213 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-1683（2017）04-0013-06

Abstract：Groundwater is over-exploited in North China Plain，and this brings a series of eco-environmental problems.The sustainability of groundwater carrying capacity in NCP is faced with an unprecedented challenge.The definition of groundwater carrying capacity was put forward in this study and a new evaluation method for groundwater carrying capacity was proposed.The cities were grouped into three regions，i.e.the non-over-exploited and non-overloaded region （NN），the over-exploited but non-overloaded region （ON），and the over-exploited and overloaded region （OO）.The results showed that the GDP supported by groundwater was 1560.8 billion RMB in 2003，and it quickly increased to 3758.5 billion RMB in 2011.33.3% of the cities belong to the NN region.NCP as a whole and 57.2% of the cities belong to the ON region，where groundwater has been over-exploited，but the water use efficiency is relatively low，so there is still room for social and economic development if the water use efficiency is enhanced.9.5% of the cities belong to the OO region.In the end，we discussed the approaches to enhancing the groundwater carrying capacity，including increasing the available groundwater quantity and enhancing the water use efficiency.

Key words：[JP2]North China Plain；groundwater carrying capacity；groundwater exploitation degree；social and economic development level

隨著近幾十年中國社會經(jīng)濟的快速發(fā)展和人口的劇增，社會各方面對水的需求迅速增長，水資源供需矛盾日益突出[1]。華北平原地處半干旱半濕潤地區(qū)，水資源有限且氣候呈暖干化趨勢[2-3]，作為地下水支撐農(nóng)業(yè)高產(chǎn)的重要糧食產(chǎn)區(qū)之一，該區(qū)地下水長期過量開采，區(qū)域地下水位持續(xù)下降，形成了世界上最大的地下水降落漏斗，并引起地面沉降、地面塌陷、地裂縫等一系列資源環(huán)境問題[4]，引起了國際范圍內(nèi)的廣泛關(guān)注，嚴(yán)重制約了區(qū)域社會經(jīng)濟的健康發(fā)展。“華北平原地下水資源對社會經(jīng)濟的承載力上限到底有多大？”、“是否還有可調(diào)控的空間？”等問題成為我國政府、公眾、甚至國際社會共同關(guān)注的問題，也成為資源環(huán)境領(lǐng)域必須要回答的問題。開展華北平原地區(qū)地下水資源承載能力評價是回答上述問題的關(guān)鍵，這不僅是華北地區(qū)水循環(huán)和地下水資源可持續(xù)發(fā)展研究的重要課題，也對保障水資源-生態(tài)環(huán)境-社會經(jīng)濟-糧食安全的協(xié)調(diào)可持續(xù)發(fā)展具有緊迫的現(xiàn)實意義。

目前，國際上對水資源承載力的單項研究成果較少，大多將其納入可持續(xù)發(fā)展的理論范疇[5-9]。在我國，關(guān)于水資源承載力的研究相對較多，尤其是20世紀(jì)90年代以來相關(guān)研究如雨后春筍般不斷涌現(xiàn)[10-15]，提出的概念和研究方法也層出不窮。定義主要可以歸納為水資源開發(fā)規(guī)模論和水資源承載最大規(guī)模論兩種，代表性研究分別為高彥春[16]和阮本清[17]等，持第二種觀點的學(xué)者較多[18-19]。水資源承載力的研究方法目前采用較多有常規(guī)趨勢法、背景分析法、層次分析法、動態(tài)模擬遞推算法、狀態(tài)空間法、模糊評價方法、主成分分析法、系統(tǒng)動力學(xué)方法等，主要可歸為經(jīng)驗估算法、指標(biāo)體系評價法和復(fù)雜系統(tǒng)分析法等三類[11]，其中經(jīng)驗估算法一般精度較低，指標(biāo)體系法評價指標(biāo)的選取有一定的局限性，復(fù)雜系統(tǒng)法參數(shù)較多、不易把握和推廣。關(guān)于地下水資源承載力的研究相對較少，尚處于探索階段。直到2000年以后相關(guān)才不斷增多[20-24]，各種方法和指標(biāo)也頗為豐富，并成為水資源承載力研究領(lǐng)域的一個研究熱點。地下水資源承載力的概念和方法也多直接沿用水資源承載力的方法，目前也尚無統(tǒng)一、明確的定義和成熟的方法。

基于以上背景，本研究擬從地下水資源最大可利用量以及地下水資源對社會經(jīng)濟發(fā)展的承載能力兩個角度出發(fā)，定義地下水資源承載力的概念和內(nèi)涵；并結(jié)合用水效率提出區(qū)域地下水資源承載力評價的新方法；并對現(xiàn)狀條件下華北平原地區(qū)各城市地下水資源承載力進(jìn)行評價，力求能明確、清晰表示地下水資源對社會經(jīng)濟發(fā)展的支撐能力，最后探討地下水資源承載力的調(diào)控途徑及提高對策。

1 地下水資源承載力的方法與理論

1.1 地下水資源承載力的概念與內(nèi)涵

地下水資源既有自然屬性也有社會屬性。其自然屬性表現(xiàn)在兩個方面：其一是地下水資源量的大小取決于地下水系統(tǒng)獲得補給的能力，必然受到氣象水文、地形地貌、水文地質(zhì)條件等因素的控制和影響，在這些自然條件的影響和控制下，從多年平均的意義上講地下水系統(tǒng)從外界獲得補給的能力是相對穩(wěn)定的，即為地下水天然資源量；其二是作為自然環(huán)境的構(gòu)成要素，地下水在形成、運移過程中與周圍自然環(huán)境發(fā)生諸多的相互作用，對自然環(huán)境的維持與演變具有重要的甚至是不可替代的作用，因此，人類取用地下水要充分考慮到這部分用于維持自然環(huán)境的水量，以不引起嚴(yán)重環(huán)境問題為前提，即為地下水可利用量。然而，僅從自然屬性角度考察地下水資源的承載力還不夠，地下水在人類社會經(jīng)濟發(fā)展的各個領(lǐng)域都有舉足輕重的作用，具有廣泛的社會屬性，不同的利用途徑會產(chǎn)生不同的用水效率，且各行各業(yè)的用水效率均有上限，因而其對社會經(jīng)濟發(fā)展的支撐能力必然存在上限，即為地下水資源的承載力。顯然地下水資源承載力一方面取決于自然環(huán)境約束下地下水系統(tǒng)的最大供水能力，另一方面又受社會經(jīng)濟發(fā)展階段和地下水利用結(jié)構(gòu)影響。

基于以上討論，針對本研究目的給出地下水資源承載力的定義：地下水資源承載力是指在一定發(fā)展階段下，以可預(yù)見的技術(shù)、經(jīng)濟和社會發(fā)展水平為依據(jù)，以可持續(xù)發(fā)展為原則，以地下水最大可利用量為前提，地下水資源對區(qū)域社會經(jīng)濟發(fā)展的最大支撐能力。以可支撐的社會經(jīng)濟發(fā)展規(guī)模（人口、GDP）表示。

1.2 地下水資源承載力評價方法

2 研究區(qū)概況與數(shù)據(jù)來源

華北平原位于中國東部，東臨渤海、西抵太行山，北到燕山、南抵黃河，總面積13.9 萬km2。2011年末總?cè)丝诩s1.2 億人，包括21個大中型城市。華北平原是中國的政治、經(jīng)濟、文化中心，也是重要的糧食生產(chǎn)基地。然而，華北平原是我國水資源最為緊缺的地區(qū)之一。年平均降水量為558.6 mm[4]，多年平均水資源量為372 億m3[25]，其中地下水資源量占60%左右[26]。據(jù)統(tǒng)計，2011年，華北平原所涉及的各縣區(qū)總用水量為353.86 億m3/a，占全國總用水量的7.14%，其中，地下水開采量為212.9億m3/a，從行政分區(qū)看，地下水是河北平原的主要供水水源，地下水供水量占總供水量的80.21%。本研究所涉及到的地下水資源開采量數(shù)據(jù)來自河北省各市地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測報告，地下水資源可利用量數(shù)據(jù)來自華北平原地下水可持續(xù)利用調(diào)查評價結(jié)果[4]，供用水?dāng)?shù)據(jù)和經(jīng)濟數(shù)據(jù)均來自河北、山東、河南各省2011年水利統(tǒng)計年鑒和各省市統(tǒng)計年鑒和經(jīng)濟統(tǒng)計年鑒。

3 結(jié)果與討論

3.1 華北平原各地市地下水供水能力

根據(jù)最新地下水資源評價結(jié)果[4]，地下水資源的最大供水能力由大到小依次為：保定、北京、新鄉(xiāng)、石家莊、邯鄲、唐山、聊城、德州、邢臺、濮陽、廊坊、天津、安陽、衡水、滄州、焦作、秦皇島、濱州、濟南、鶴壁和東營（圖2），保定市最大，為25.8億m3，鶴壁和東營最小，分別為1.6和0.1億m3。

3.2 地下水資源實際承載的經(jīng)濟規(guī)模

地下水資源對經(jīng)濟的支撐能力以地下水資源最大供給量為前提，但更取決于各用水行業(yè)和部門的用水效率。華北平原用水效率略高于中國平均用水效率，同樣遠(yuǎn)低于國際先進(jìn)水平。本研究統(tǒng)計了2003年和2011年華北平原各地市不同行業(yè)的平均用水效率，并折算成綜合用水效率，即每方水平均可產(chǎn)生的GDP價值。華北平原平均用水效率在近10年間顯著提高，從2003年的51.3元/m3到179.5元/m3（圖3），提高了3倍多。2011年各城市用水效率從高到低見圖4，其中天津和北京遙遙領(lǐng)先，分別為489.5元/m3和451.4元/m3，最低為衡水，僅為54.5元/m3。

用水效率提高的同時，華北平原各城市社會經(jīng)濟也迅速發(fā)展，地下水支撐的總GDP從2003年的15 608.18億元迅速提高到2011年的37 584.9 億元，近10年間增長了2倍之多。其中，北京遙遙領(lǐng)先，地下水實際承載的GDP達(dá)到9 435.1 億元，東營和濱州最小，僅為252億元。地下水實際支撐的GDP從大到小依次為北京、唐山、石家莊、天津、滄州、保定、邯鄲、濟南、聊城、廊坊、邢臺、安陽、焦作、衡水、新鄉(xiāng)、秦皇島、德州、濮陽、鶴壁、東營、濱州。然而，大多數(shù)地區(qū)地下水實際承載的GDP已超過了地下水的安全承載能力，其中有14個城市都已超載（圖4），總體而言，華北平原地下水資源實際承載的GDP也超過了當(dāng)前用水效率下可安全承載的GDP（31 325.9億元），超載率為20%。

3.3 華北平原各地市地下水承載力比較

基于第二部分介紹的相對評價方法，取區(qū)內(nèi)最大用水效率值489.5元/m3（天津市）為參考用水效率計算各地市地下水理論可支撐GDP規(guī)模，并將各地市地下水開采程度和地下水支撐的經(jīng)濟發(fā)展程度投影到RG-GQ關(guān)系圖上（圖5）。

如圖5所示，華北平原作為一個整體的投影點落在II區(qū)，意味著華北平原雖然已發(fā)生地下水超采，但用水效率遠(yuǎn)低于區(qū)內(nèi)最高用水效率，現(xiàn)狀經(jīng)濟發(fā)展受到水資源制約，但通過提高用水效率，仍有較大的發(fā)展空間。新鄉(xiāng)、德州、濮陽、濱州、聊城、北京等7市位于I區(qū)（占33.3%），說明這6個地區(qū)經(jīng)濟發(fā)展對地下水資源依賴程度低，且用水效率有待提高，其中新鄉(xiāng)、德州地下水資源開采程度較低，北京、聊城雖尚未超采，但已接近100%，除北京外，其它五個城市用水效率較低，節(jié)水空間很大；這與劉敏等[20]得出的新鄉(xiāng)、濮陽、濱州和聊城位于尚具一定開發(fā)潛力的第一組的結(jié)論較為一致。保定、邯鄲、廊坊、安陽、唐山、石家莊、鶴壁、邢臺、秦皇島、衡水、焦作、滄州等12個地區(qū)位于Ⅱ區(qū)，占57.2%，表明這12個地區(qū)經(jīng)濟發(fā)展對地下水資源依賴程度高，且已發(fā)生地下水超采，但用水效率低，經(jīng)濟發(fā)展實際并未超載，現(xiàn)狀經(jīng)濟發(fā)展受到水資源制約，但節(jié)水空間很大，通過提高用水效率、減少地下水開采量，地下水資源仍可回歸采補平衡狀態(tài)，未來社會經(jīng)濟規(guī)模仍有發(fā)展空間；濟南市位于Ⅲ區(qū)，表明在目前用水水平下的用水效率下，該區(qū)已發(fā)生地下水超采和經(jīng)濟超載，若沒有地下水可利用量增加的情況下，地下水將構(gòu)成未來發(fā)展的重要制約因素?？偟膩碚f，華北平原地區(qū)大多數(shù)地市地下水已嚴(yán)重超采，地下水資源承載力的可持續(xù)性面臨嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，整體用水效率較低，現(xiàn)狀經(jīng)濟發(fā)展受到水資源制約，這與劉敏等[20]得出的“多數(shù)城市地下水資源開發(fā)利用潛力已接近其極限，部分出現(xiàn)嚴(yán)重超采”和錢永等[27]得出的“華北平原淺層地下水已基本無開發(fā)潛力”的結(jié)論較為相似，但也有不同，本研究認(rèn)為，通過提高用水效率、節(jié)水和壓采，華北平原地下水資源仍可回歸采補平衡狀態(tài)，地下水對社會經(jīng)濟發(fā)展的承載力仍由提升空間。這與汪彥博等[28]開源節(jié)流、不擴大開采但提高供水率、利用率（用水效率）、提倡節(jié)水以緩解水資源缺乏方案的理念一致；與華北平原地下水主要用于農(nóng)業(yè)灌溉[29]，而農(nóng)業(yè)用水效率很低、亟待提高[30-31]的結(jié)論也較為一致。

3.4 地下水資源承載力的提高對策和調(diào)控途徑

地下水承載力既具有自然屬性又具有社會屬性。影響區(qū)域地下水承載力的主要因素包括四個方面：自然因素（包括氣候、水文條件和地質(zhì)、水文地質(zhì)條件）、環(huán)境因素（地質(zhì)環(huán)境、生態(tài)環(huán)境）、社會因素（人口、科技進(jìn)步、管理政策、宣傳教育等）、經(jīng)濟因素（工業(yè)、農(nóng)業(yè)、第三產(chǎn)業(yè)）。它們之間相互影響、相互制約，構(gòu)成一個復(fù)雜的動力學(xué)系統(tǒng)。由地下水資源承載力的定義可知，地下水承載力是地下水可利用量和用水效率的函數(shù)，因此，地下水承載力的調(diào)控途徑可從兩個方面考慮。

（1）增加地下水可利用量的途徑。由地下水資源承載力的內(nèi)涵可知，地下水可利用量又是水文地質(zhì)條件、經(jīng)濟技術(shù)條件、環(huán)境條件等的函數(shù)。因而，結(jié)合不同地區(qū)的自身條件，可采用以下途徑增加其地下水可利用量：①利用山前沖洪積扇的調(diào)蓄能力，通過人工雨洪調(diào)蓄，增加地下水的可循環(huán)利用量，如實施山前梯級水壩的地下水庫“回灌”工程[26]；②在中東部平原，發(fā)展淺層弱滲透含水層淡水開采技術(shù)，增加地下水可利用量；③在中東部平原，發(fā)展微咸水改造利用技術(shù)，增加地下水可利用量。

（2）提高的用水效率的途徑。用水效率與經(jīng)濟技術(shù)水平、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)、管理政策、公眾認(rèn)識水平等息息相關(guān)。因而對不同用水部門和行業(yè)可采用以下途徑提高用水效率：①發(fā)展農(nóng)業(yè)節(jié)水技術(shù)，提高農(nóng)業(yè)用水效率；②提高工業(yè)用水重復(fù)利用率，提高工業(yè)用水效率；③調(diào)整產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)，改變經(jīng)濟增長模式，提高總體用水效率；④依托科技進(jìn)步，制定管理政策，加強宣傳教育，提高公眾節(jié)水意識，提高全社會用水效率。

4 結(jié)論

本研究主要結(jié)論包括幾下四點。①地下水資源承載力是指在一定發(fā)展階段下，以可預(yù)見的技術(shù)、經(jīng)濟和社會發(fā)展水平為依據(jù)，以可持續(xù)發(fā)展為原則，以地下水最大可利用量為前提，地下水資源對區(qū)域社會經(jīng)濟發(fā)展的最大支撐能力。②對區(qū)域地下水資源承載力評價建立地下水資源開采程度和社會經(jīng)濟發(fā)展程度關(guān)系圖，將地下水資源承載力分為未超采未超載、超采未超載、超采超載三個區(qū)。③華北平原地區(qū)地下水支撐的總GDP從2003年的15 608.18億元迅速提高到2011年的37 584.9 億元，近10年間增長了2倍之多。RG-RQ關(guān)系圖結(jié)果顯示，僅有33.3%的地市位于未超采未超載區(qū)；華北平原整體及57.2%的地市均位于超采未超載區(qū)；9.5%的地市位于超采超載區(qū)。④可以通過增加地下水資源可利用量和提高用水效率兩方面來改善目前的超采超載狀態(tài)，其中，提高用水效率效果更顯著。然而，地下水系統(tǒng)是個錯綜復(fù)雜、受各種天然因素和人為因素影響和制約的系統(tǒng)，本研究還未能把淺層水和深層水分開考慮且由于數(shù)據(jù)所限未考慮城市間的借調(diào)水問題，尚需進(jìn)一步完善。

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