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中国地下水资源演变趋势及影响因素分析

陈飞 徐翔宇 羊艳 丁跃元 郦建强 李原园

陈飞, 徐翔宇, 羊艳, 丁跃元, 郦建强, 李原园. 中国地下水资源演变趋势及影响因素分析[J]. 水科学进展, 2020, 31(6): 811-819. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2020.06.001
引用本文: 陈飞, 徐翔宇, 羊艳, 丁跃元, 郦建强, 李原园. 中国地下水资源演变趋势及影响因素分析[J]. 水科学进展, 2020, 31(6): 811-819. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2020.06.001
CHEN Fei, XU Xiangyu, YANG Yan, DING Yueyuan, LI Jianqiang, LI Yuanyuan. Investigation on the evolution trends and influencing factors of groundwater resources in China[J]. Advances in Water Science, 2020, 31(6): 811-819. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2020.06.001
Citation: CHEN Fei, XU Xiangyu, YANG Yan, DING Yueyuan, LI Jianqiang, LI Yuanyuan. Investigation on the evolution trends and influencing factors of groundwater resources in China[J]. Advances in Water Science, 2020, 31(6): 811-819. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2020.06.001

中国地下水资源演变趋势及影响因素分析

doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2020.06.001
基金项目: 

国家重点研发计划资助项目 2018YFC0406505

详细信息
    作者简介:

    陈飞(1986-), 男, 河北南宫人, 高级工程师, 博士, 主要从事地下水超采治理、水资源规划与管理工作。E-mail:chenfei@giwp.org.cn

    通讯作者:

    李原园, E-mail:liyuanyuan@giwp.org.cn

  • 中图分类号: P641.8

Investigation on the evolution trends and influencing factors of groundwater resources in China

Funds: 

The study is financially supported by the National Key R&D Program of China 2018YFC0406505

  • 摘要: 中国地下水资源发生了显著变化,全面摸清地下水资源演变趋势及其影响因素是治理和管理地下水资源的基础。基于全国水资源调查评价、中国水资源公报等资料,对中国60余年来地下水资源的演变规律与影响因素进行了系统分析。结果表明:全国地下水资源量总体稳定,但区域演变趋势差异明显,海河区、辽河区、黄河区呈明显衰减态势;地下水补给结构发生重大变化,由自然补给演变为自然与人工补给并存的模式;地下水排泄结构发生巨大变异,由天然排泄逐渐演变为以人工排泄为主。海河区、松花江区、黄河区、西北诸河区等区域地下水补给排泄关系严重失衡,超采问题突出;降水变化、下垫面条件改变、人类活动干扰是地下水资源变化的主要原因。
  • 图  1  不同地区地下水资源量变化情况(2001—2016年平均与1956—1979年平均比较)

    Figure  1.  Evolution of groundwater resources quantity of China(comparison between the average of 2001—2016 series and 1956—1979 series)

    图  2  全国有效灌溉面积与灌溉用水量发展变化

    Figure  2.  Variation of effective irrigation area and irrigation water of China

    图  3  中国地下水开采量变化

    Figure  3.  Variation of groundwater extraction in China

    图  4  海河区河川径流量与降水量关系变化

    Figure  4.  Variation of relationship between river runoff and precipitation of Haihe River basin

    图  5  黄河区降水入渗补给量与降水量关系变化

    Figure  5.  Variation of relationship between precipitation infiltration and precipitation of Yellow River basin

    表  1  全国地下水资源量变化情况

    Table  1.   Variation of groundwater resource quantity of China 亿m3

    时间系列 地下水资源量 平原区地下水资源量 降水入渗补给量 地表水体补给量 山前侧向补给量
    1956—1979年 8 084 1 813 1 066 711 36
    1980—2000年 8 066 1 725 1 025 613 87
    2001—2016年 7 994 1 749 1 016 619 114
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    表  2  地下水循环通量变化

    Table  2.   Variation of groundwater cyclic flux 亿m3

    分区 1956—1979年 1980—2000年 2001—2016年
    自然通量 人工通量 自然通量 人工通量 自然通量 人工通量
    松花江区 856.7 32.9 862.7 147.4 827.7 252.4
    辽河区 374.2 41.2 337.0 104.1 277.3 136.0
    海河区 466.0 180.1 361.4 213.8 316.2 249.0
    黄河区 802.1 115.1 708.9 148.4 621.7 199.5
    淮河区 706.2 119.6 644.0 169.2 637.6 222.5
    长江区 4 845.3 54.1 4 971.6 35.1 4 768.5 155.8
    东南诸河区 890.3 9.9 1 073.6 0 1 016.5 7.5
    珠江区 2 158.2 15.0 2 325.6 6.2 2 226.7 38.2
    西南诸河区 3 087.6 0 2 879.5 0 2 802.4 3.8
    西北诸河区 1 928.3 243.0 1 670.2 265.4 1 806.7 391.6
    全国 16 114.9 810.9 15 829.4 1 089.7 15 301.2 1 656.1
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    表  3  北方地区河湖渗漏补给量与降水入渗补给量变化

    Table  3.   Variation of quantity of river and lake leakage recharge and precipitation infiltration recharge in North China 亿m3

    分区 1956—1979年 1980—2000年 2001—2016年
    降水入渗补给量 河湖渗漏补给量 降水入渗补给量 河湖渗漏补给量 降水入渗补给量 河湖渗漏补给量
    山丘区 平原区 山丘区 平原区 山丘区 平原区
    松花江区 223.6 186.6 21.4 250.5 186.9 23.0 241.9 190.3 15.1
    辽河区 96.4 81.9 11.5 97.6 81.5 9.4 86.1 76.8 8.7
    海河区 124.5 119.6 11.8 108.1 106.2 2.6 100.9 106.8 0.8
    黄河区 292.0 74.1 19.1 265.0 75.3 15.5 253.3 75.5 11.5
    淮河区 107.0 255.7 4.2 127.3 234.9 4.0 123.8 252.8 3.8
    西北诸河区 565.3 46.0 209.2 530.2 47.5 132.0 603.0 46.6 138.0
    合计 1 408.8 763.9 277.2 1 378.7 732.3 186.5 1 409.0 748.8 177.9
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    表  4  北方地区河道排泄量与潜水蒸发量变化

    Table  4.   Variation of quantity of river discharge and dive evaporation in North China 亿m3

    分区 1956—1979年 1980—2000年 2001—2016年
    河道排泄量 潜水蒸发量 河道排泄量 潜水蒸发量 河道排泄量 潜水蒸发量
    山丘区 平原区 山丘区 平原区 山丘区 平原区
    松花江区 213.5 32.4 158.3 232.7 8.2 145.0 213.8 1.8 138.8
    辽河区 87.4 2.6 84.6 85.7 3.7 45.7 74.4 1.1 16.6
    海河区 98.5 15.4 50.8 67.1 2.3 25.9 54.8 0.5 4.8
    黄河区 269.7 26.6 79.3 221.3 23.8 56.6 209.0 10.2 18.2
    淮河区 102.0 48.6 173.7 89.4 45.2 131.8 94.7 29.2 121.8
    西北诸河区 477.0 130.8 297.8 473.2 115.2 241.7 551.4 100.3 230.4
    合计 1 248.1 256.4 844.5 1 169.4 198.4 646.7 1 198.1 143.1 530.6
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    表  5  北方地区平原区地下水补给排泄差变化情况

    Table  5.   Variation of groundwater recharge quantity and discharge quantity of plain areas in North China 亿m3

    分区 1956—1979年 1980—2000年 2001—2016年
    总补给量 总排泄量 补排差 总补给量 总排泄量 补排差 总补给量 总排泄量 补排差
    松花江区 223.9 218.5 5.4 256.3 252.8 3.5 253.2 273.8 -20.6
    辽河区 110.4 112.3 -1.9 125.6 120.3 5.3 119.3 121.8 -2.5
    海河区 192.3 204.7 -12.4 163.9 195.1 -31.1 162.9 200.5 -37.6
    黄河区 164.2 169.0 -4.8 161.9 165.4 -3.4 164.5 176.1 -11.6
    淮河区 306.7 305.1 1.6 280.3 278.4 1.9 305.2 307.4 -2.1
    西北诸河区 512.5 528.2 -15.7 436.3 438.9 -2.6 477.3 515.0 -37.7
    合计 1 510.0 1 537.9 -27.9 1 424.3 1 450.8 -26.4 1 482.5 1 594.6 -112.1
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    表  6  降水变化

    Table  6.   Variation of precipitation mm

    分区 1956—1979年 1980—2000年 2001—2016年
    松花江区 491.8 518.1 494.6
    辽河区 553.0 539.4 518.1
    海河区 558.6 494.8 503.3
    黄河区 460.9 438.0 456.8
    淮河区 856.1 814.9 841.8
    长江区 1 072.9 1 098.3 1 067.4
    东南诸河区 1 634.1 1 697.9 1 732.2
    珠江区 1 553.8 1 544.7 1 576.1
    西南诸河区 1 114.1 1 094.7 1 087.0
    西北诸河区 155.4 165.5 181.2
    全国 640.3 645.4 641.4
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出版历程
  • 收稿日期:  2020-03-03
  • 网络出版日期:  2020-07-02
  • 刊出日期:  2020-11-30

中国地下水资源演变趋势及影响因素分析

doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2020.06.001
    基金项目:

    国家重点研发计划资助项目 2018YFC0406505

    作者简介:

    陈飞(1986-), 男, 河北南宫人, 高级工程师, 博士, 主要从事地下水超采治理、水资源规划与管理工作。E-mail:chenfei@giwp.org.cn

    通讯作者: 李原园, E-mail:liyuanyuan@giwp.org.cn
  • 中图分类号: P641.8

摘要: 中国地下水资源发生了显著变化,全面摸清地下水资源演变趋势及其影响因素是治理和管理地下水资源的基础。基于全国水资源调查评价、中国水资源公报等资料,对中国60余年来地下水资源的演变规律与影响因素进行了系统分析。结果表明:全国地下水资源量总体稳定,但区域演变趋势差异明显,海河区、辽河区、黄河区呈明显衰减态势;地下水补给结构发生重大变化,由自然补给演变为自然与人工补给并存的模式;地下水排泄结构发生巨大变异,由天然排泄逐渐演变为以人工排泄为主。海河区、松花江区、黄河区、西北诸河区等区域地下水补给排泄关系严重失衡,超采问题突出;降水变化、下垫面条件改变、人类活动干扰是地下水资源变化的主要原因。

English Abstract

陈飞, 徐翔宇, 羊艳, 丁跃元, 郦建强, 李原园. 中国地下水资源演变趋势及影响因素分析[J]. 水科学进展, 2020, 31(6): 811-819. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2020.06.001
引用本文: 陈飞, 徐翔宇, 羊艳, 丁跃元, 郦建强, 李原园. 中国地下水资源演变趋势及影响因素分析[J]. 水科学进展, 2020, 31(6): 811-819. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2020.06.001
CHEN Fei, XU Xiangyu, YANG Yan, DING Yueyuan, LI Jianqiang, LI Yuanyuan. Investigation on the evolution trends and influencing factors of groundwater resources in China[J]. Advances in Water Science, 2020, 31(6): 811-819. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2020.06.001
Citation: CHEN Fei, XU Xiangyu, YANG Yan, DING Yueyuan, LI Jianqiang, LI Yuanyuan. Investigation on the evolution trends and influencing factors of groundwater resources in China[J]. Advances in Water Science, 2020, 31(6): 811-819. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2020.06.001
  • 地下水是水资源的重要组成部分, 具有重要的资源保障和生态维系功能[1]。受气候变化和人类活动影响, 近年来一些地区地下水资源发生变化, 甚至出现了严重的超采和污染问题[2], 威胁区域用水安全和生态安全。加强地下水管理与保护, 保障用水安全和生态安全, 前提是科学摸清地下水资源演变规律。从当前已有研究成果来看, 前人对中国降水、水资源总量和地表水资源演变规律已有较为深入的研究[3-6], 但全国层面的地下水资源演变规律研究还相对缺乏, 已有研究大多集中在某一流域或区域上。如刘花台和郭占荣[7]对西北地区1945—2000年地下水资源量进行了评价并分析了地下水资源变化趋势及原因; 冯慧敏等[8]对近40~50年来石家庄地区地下水流场变化与主要动因及其特征进行了研究; 姬宏等[9]基于1956—2006年水文资料系列, 分析淮北地区地下水资源及演变规律; 石建省等[10]对20世纪50年代以来华北平原地下水及其降落漏斗演变规律进行研究。已有的这些研究成果对局部地区地下水资源演变情况进行了深入分析, 但没有全面揭示全国地下水资源演变规律, 不能满足全国层面地下水管理需求。

    为了揭示全国地下水资源演变规律, 基于全国水资源调查评价、中国水资源公报等有关成果, 通过比较1956—1979年、1980—2000年、2001—2016年等不同时间系列地下水资源数量与结构, 分析近60年全国及各水资源分区地下水资源演变趋势, 诊断地下水资源补给与排泄结构变异性特征, 探讨地下水资源变化的主要影响因素, 以期为地下水开发利用与治理保护提供参考依据。

    • 本文所指地下水资源量, 是指与当地降水和地表水体有直接水力联系、参与水循环且可以逐年更新的动态水量。地下水资源量由平原区和山丘区地下水资源量之和减去二者之间的重复量求得。平原区地下水资源量主要包括降水入渗补给量、地表水体补给量(包括河湖渗漏补给量和田间渠系补给量)、侧向补给量;山丘区地下水资源量即山丘区降水入渗补给量, 一般采用排泄法计算。

      基于流域完整性及水资源空间分布和地理特征, 全国分为10个水资源一级区[5]。本文基础资料为10个水资源一级区的1956—2016年系列地下水资源量成果, 其中1956—1979年数据采用第一次全国水资源调查评价成果, 1980—2000年数据采用第二次全国水资源调查评价成果, 2001—2016年数据来自该时段的逐年的中国水资源公报。在开展研究过程中, 对研究单元进行了细化, 以水资源二级分区为计算单元, 全国共划分为77个计算单元。

      在分析地下水资源动态演变时, 为与全国水资源评价系列一致, 探究近年来地下水资源量、循环通量、补给排泄结构变化情况, 将1956—1979年作为基准期, 将1980—2000年和2001—2016年作为对比期, 分析各个水资源一级区或二级区较基准期的变化。在分析地下水资源演变因素与机理时, 利用线性回归方法, 通过分析降水与径流关系变化、降水与降水入渗关系变化等, 分析降水变化、下垫面条件改变、人类活动干扰等对地下水资源的影响。

    • 1956年以来, 全国地下水资源数量及其时空分布发生了一定的变化, 如表 1所示, 2001—2016年系列平均地下水资源总量为7 994亿m3, 相比于1956—1979年系列地下水资源量平均值减少了90亿m3, 相比于1980—2000年系列平均值减少了72亿m3。其中, 全国山丘区地下水资源量基本稳定, 平原区地下水资源量呈下降趋势, 2001—2016年系列平均值相较于1956—1979年系列平均值减少64亿m3, 其中平原区降水入渗补给量减少50亿m3, 减少了4.7%;平原区地表水体补给量减少约92亿m3, 减少幅度达到12.9%。

      表 1  全国地下水资源量变化情况

      Table 1.  Variation of groundwater resource quantity of China 亿m3

      时间系列 地下水资源量 平原区地下水资源量 降水入渗补给量 地表水体补给量 山前侧向补给量
      1956—1979年 8 084 1 813 1 066 711 36
      1980—2000年 8 066 1 725 1 025 613 87
      2001—2016年 7 994 1 749 1 016 619 114

      为分析不同地区地下水资源量变化及分布情况, 计算了全国77个水资源二级区2001—2016年系列相较于1956—1979年系列地下水资源量的变化, 计算结果绘制于图 1中。从图 1可以看出, 全国不同区域地下水资源数量演变趋势差别较为明显, 北方地区的西北诸河区、松花江区、淮河区浅层地下水资源量有所增长;辽河区、海河区、黄河区浅层地下水资源量有所减少;南方地区浅层地下水资源量总体变化不大。值得注意的是, 辽河区、海河区、黄河区等地下水开发利用强度高、供水比例大的区域, 地下水资源量衰减趋势明显, 分别减少了6.7%、15.8%、7.2%, 尤其是海河流域(包括海河南系和海河北系)衰减幅度大, 地下水资源量减少了21.8%。

      图  1  不同地区地下水资源量变化情况(2001—2016年平均与1956—1979年平均比较)

      Figure 1.  Evolution of groundwater resources quantity of China(comparison between the average of 2001—2016 series and 1956—1979 series)

    • 地下水自然循环通量是指地下水通过自然途径补给和排泄的水量, 其中自然补给通量主要包括降水入渗补给量、河湖渗漏补给量、山前侧向补给量, 自然排泄通量主要包括河道排泄量、潜水蒸发量、山前侧向排泄量、山前泉水溢出量和侧向流出量。地下水人工通量是指地下水通过人工途径补给和排泄的水量, 其中人工补给通量主要包括渠系和田间灌溉入渗补给量、井灌回归补给量等, 人工排泄通量主要为人工开采(净消耗)量。

      天然情况下, 地下水循环路径全部为自然路径。随着人类活动干扰增多, 地下水循环路径改变, 自然循环通量减少, 人工循环通量增加。2001—2016年与1956—1979年系列平均值相比, 地下水与降水、地表水、大气等之间的自然交互作用减弱, 全国自然循环通量年均减少813.7亿m3(见表 2), 减少比例为5.0%, 其中北方地区地下水自然循环通量减少646.3亿m3, 减少了12.6%;海河区地下水自然循环通量减少149.8亿m3, 减少了32.1%。地下水与开采排泄、灌溉补给等人类交互作用增强, 全国人工循环通量年均增加845.2亿m3, 增长幅度达104.2%, 其中北方地区地下水人工循环通量增加719.1亿m3, 增加了98.3%;海河区地下水人工循环通量增加68.9亿m3, 增加了38.3%。

      表 2  地下水循环通量变化

      Table 2.  Variation of groundwater cyclic flux 亿m3

      分区 1956—1979年 1980—2000年 2001—2016年
      自然通量 人工通量 自然通量 人工通量 自然通量 人工通量
      松花江区 856.7 32.9 862.7 147.4 827.7 252.4
      辽河区 374.2 41.2 337.0 104.1 277.3 136.0
      海河区 466.0 180.1 361.4 213.8 316.2 249.0
      黄河区 802.1 115.1 708.9 148.4 621.7 199.5
      淮河区 706.2 119.6 644.0 169.2 637.6 222.5
      长江区 4 845.3 54.1 4 971.6 35.1 4 768.5 155.8
      东南诸河区 890.3 9.9 1 073.6 0 1 016.5 7.5
      珠江区 2 158.2 15.0 2 325.6 6.2 2 226.7 38.2
      西南诸河区 3 087.6 0 2 879.5 0 2 802.4 3.8
      西北诸河区 1 928.3 243.0 1 670.2 265.4 1 806.7 391.6
      全国 16 114.9 810.9 15 829.4 1 089.7 15 301.2 1 656.1

      以地下水总循环通量中的自然/人工循环通量之比表示地下水循环自然-人工路径结构, 分析1956—1979年、1980—2000年、2001—2016年3个时间系列地下水循环路径和结构变化。结果表明, 地下水循环路径和结构发生显著改变, 2001—2016年与1956—1979年相比, 地下水总循环通量中自然/人工比由20: 1变为9: 1, 海河区、辽河区、黄河区自然/人工比分别由2.6: 1、9.1: 1和7.0: 1变为1.3: 1、2.0: 1和3.1: 1。其中, 全国平原区自然/人工比由4: 1变为1.5: 1, 海河区、辽河区、黄河区平原区自然/人工比分别由1.2: 1、5.0: 1和1.9: 1变为0.6: 1、0.8: 1和0.8: 1。

    • (1) 地下水自然补给量变化。地下水自然补给量主要包括降水入渗补给量和河湖渗漏补给量。对于降水入渗补给, 随着近年来北方很多地区地下水埋深增加, 同等降水产生的降水入渗补给量明显减小。北方除西北诸河区外, 其他大部分地区降水入渗补给量呈明显减少趋势, 如辽河区、海河区、黄河区2001—2016年降水入渗补给量平均值较1956—1979年平均值分别减少15.4亿m3、36.4亿m3、37.3亿m3。近年来随着北方很多河流实测径流量大幅减少, 导致平原区河湖渗漏补给量随之减少, 如表 3中所示, 全国平原区河湖渗漏补给量衰减幅度达34%, 其中海河区衰减幅度高达93%, 河湖对地下水的补给几乎消失殆尽。

      表 3  北方地区河湖渗漏补给量与降水入渗补给量变化

      Table 3.  Variation of quantity of river and lake leakage recharge and precipitation infiltration recharge in North China 亿m3

      分区 1956—1979年 1980—2000年 2001—2016年
      降水入渗补给量 河湖渗漏补给量 降水入渗补给量 河湖渗漏补给量 降水入渗补给量 河湖渗漏补给量
      山丘区 平原区 山丘区 平原区 山丘区 平原区
      松花江区 223.6 186.6 21.4 250.5 186.9 23.0 241.9 190.3 15.1
      辽河区 96.4 81.9 11.5 97.6 81.5 9.4 86.1 76.8 8.7
      海河区 124.5 119.6 11.8 108.1 106.2 2.6 100.9 106.8 0.8
      黄河区 292.0 74.1 19.1 265.0 75.3 15.5 253.3 75.5 11.5
      淮河区 107.0 255.7 4.2 127.3 234.9 4.0 123.8 252.8 3.8
      西北诸河区 565.3 46.0 209.2 530.2 47.5 132.0 603.0 46.6 138.0
      合计 1 408.8 763.9 277.2 1 378.7 732.3 186.5 1 409.0 748.8 177.9

      (2) 地下水人工补给量变化。自20世纪六七十年代以来, 随着中国灌溉工程建设加快, 灌溉面积迅速发展[11], 如图 2所示, 灌溉用水量随之快速增长, 由此产生的灌溉渗漏补给量明显增加。近年来随着节水水平提高, 灌溉用水量呈逐渐稳定、缓慢降低趋势, 但全国2001—2016年平均灌溉用水量仍是20世纪50年代的2.5倍, 达到3 250亿m3左右。全国1956—1979年、1980—2000年、2001—2016年灌溉渗漏补给量(含井灌回归补给量)平均值分别为408.1亿m3、432.3亿m3、471.9亿m3, 呈逐渐增加趋势。并且, 随着华北地区、西北地区河湖地下水人工回补逐渐稳定实施且扩大规模, 地下水人工补给量增加的趋势将进一步凸显。

      图  2  全国有效灌溉面积与灌溉用水量发展变化

      Figure 2.  Variation of effective irrigation area and irrigation water of China

      (3) 地下水补给结构变化。在地下水自然补给量减少和人工补给量增加的双重因素影响下, 中国平原区地下水补给结构改变, 人工补给量在总补给量中占比不断增加, 由20世纪四五十年代的7%、1956—1979年的20%逐步增加至2001—2016年的26%。地下水补给结构由天然状态下的“自然”补给模式逐渐演变为“自然-人工”复合补给模式。其中, 西北诸河区人工补给占比由1956—1979年的38%上升至2001—2016年的50%。

    • (1) 地下水自然排泄量变化。地下水自然排泄主要包括河道排泄量、潜水蒸发量和泉水溢出量等。与1956—1979年相比, 2001—2016年北方地区河道排泄量大幅减少, 如表 4所示, 北方平原区河道排泄量减少了113.3亿m3, 减少比例为44.2%;对于山丘区, 除西北诸河区增加外, 其他区域基流量(即河道排泄量)减少了124.4亿m3, 减少比例为16.1%。其中, 海河流域平原区河道排泄量减少了97%, 几乎完全消失;松花江区、辽河区、黄河区平原区河道排泄量减少比例超过60%。河道排泄量减少引发或加重了河道断流、湿地萎缩、泉水衰竭等问题。河南省的珍珠泉等多个大泉现状泉水流量平均比1950年代减少了一半以上, 山西的娘子关泉、神头泉、坪上泉、柳林泉和辛安泉, 河北的黑龙洞泉、百泉、一亩泉和威州泉等均出现衰竭甚至干涸问题[12]。近年来新疆坎儿井数量和出水量急剧减少, 吐哈盆地坎儿井数量从1949年1 084条减少到目前的214条, 出流量从16.0 m3/s减少到3.6 m3/s, 衰减幅度超过70%[13]

      表 4  北方地区河道排泄量与潜水蒸发量变化

      Table 4.  Variation of quantity of river discharge and dive evaporation in North China 亿m3

      分区 1956—1979年 1980—2000年 2001—2016年
      河道排泄量 潜水蒸发量 河道排泄量 潜水蒸发量 河道排泄量 潜水蒸发量
      山丘区 平原区 山丘区 平原区 山丘区 平原区
      松花江区 213.5 32.4 158.3 232.7 8.2 145.0 213.8 1.8 138.8
      辽河区 87.4 2.6 84.6 85.7 3.7 45.7 74.4 1.1 16.6
      海河区 98.5 15.4 50.8 67.1 2.3 25.9 54.8 0.5 4.8
      黄河区 269.7 26.6 79.3 221.3 23.8 56.6 209.0 10.2 18.2
      淮河区 102.0 48.6 173.7 89.4 45.2 131.8 94.7 29.2 121.8
      西北诸河区 477.0 130.8 297.8 473.2 115.2 241.7 551.4 100.3 230.4
      合计 1 248.1 256.4 844.5 1 169.4 198.4 646.7 1 198.1 143.1 530.6

      另外, 全国大部分地区潜水蒸发量大幅减少, 北方地区潜水蒸发量减少比例达37%, 海河区、辽河区、黄河区大部分地区潜水蒸发已经几乎全部消失。在干旱和半干旱地区, 潜水蒸发减少将降低土壤水分供给, 引起区域植被退化, 导致土地荒漠化加剧。

      (2) 地下水人工排泄量变化。近60多年来, 随着经济社会快速发展, 中国地下水开发利用量迅速增长, 如图 3所示, 全国地下水年开采量由20世纪50年代约100亿m3, 持续快速增长至2000年后的1 100~ 1 200亿m3。其中, 平原区1956—1979年平均地下水开采量378.7亿m3, 1980—2000年平均地下水开采量577.1亿m3, 2001—2016年平均地下水开采量1 050.0亿m3;山丘区人工开采净消耗量由1956—1979年平均15.1亿m3, 增长至2001—2016年平均138.3亿m3。地下水人工开采的迅速增加, 袭夺了地下水河道排泄量和潜水蒸发量, 导致地下水自然排泄量减少, 进一步改变地下水排泄结构。

      图  3  中国地下水开采量变化

      Figure 3.  Variation of groundwater extraction in China

      (3) 地下水排泄结构变化。在地下水自然排泄减少和人工开采排泄增加的双重影响下, 中国地下水排泄结构发生了巨大变化, 平原地区地下水排泄结构由自然排泄演变为人工排泄为主。在20世纪四五十年代, 全国机井较少, 地下水开采主要以人工开挖的浅井为主, 地下水排泄几乎全部为自然排泄。而20世纪50年代以后, 随着经济社会发展, 开始大量开采地下水, 平原区地下水开采在总排泄量中占比逐渐升高: 1956—1979年, 人工开采占总排泄量比例约为24%;1980—2000年, 人工开采占总排泄量的比例达到了40%;2001—2016年, 人工开采占总排泄量比例上升至62%, 成为主要的排泄途径。其中, 海河区平原区2001—2016年人工开采占总排泄量比例达97%。

    • 随着地下水补给与排泄结构变化, 中国地下水补给—排泄关系发生明显变化, 尤其是北方地区排泄量大于补给量, 补排关系逐渐失衡, 失衡范围由海河区扩大至松花江区、辽河区、黄河区、西北诸河区等北方多个地区, 补给排泄差逐步变大, 地下水存储亏损量持续加大, 亏损面积由8万km2扩大至30万km2。其中, 西北诸河区补排差由1956—1979年均15.7亿m3增长至2001—2016年均37.7亿m3, 海河区补排差由年均12.4亿m3增长至37.6亿m3(见表 5)。长期补排失衡导致地下水“入不敷出”, 造成区域地下水位大幅下降, 地下水径流场和应力场发生明显变化, 地下孔隙水压力-有效应力承载平衡、地下水-海(咸)水界面水压力平衡被打破, 引发地面沉降、海水入侵等地质环境问题。

      表 5  北方地区平原区地下水补给排泄差变化情况

      Table 5.  Variation of groundwater recharge quantity and discharge quantity of plain areas in North China 亿m3

      分区 1956—1979年 1980—2000年 2001—2016年
      总补给量 总排泄量 补排差 总补给量 总排泄量 补排差 总补给量 总排泄量 补排差
      松花江区 223.9 218.5 5.4 256.3 252.8 3.5 253.2 273.8 -20.6
      辽河区 110.4 112.3 -1.9 125.6 120.3 5.3 119.3 121.8 -2.5
      海河区 192.3 204.7 -12.4 163.9 195.1 -31.1 162.9 200.5 -37.6
      黄河区 164.2 169.0 -4.8 161.9 165.4 -3.4 164.5 176.1 -11.6
      淮河区 306.7 305.1 1.6 280.3 278.4 1.9 305.2 307.4 -2.1
      西北诸河区 512.5 528.2 -15.7 436.3 438.9 -2.6 477.3 515.0 -37.7
      合计 1 510.0 1 537.9 -27.9 1 424.3 1 450.8 -26.4 1 482.5 1 594.6 -112.1
    • 气候变化导致区域降水强度改变(见表 6), 导致降水入渗补给量随之改变, 影响地下水资源数量。2001—2016年系列与1956—1979年系列相比, 海河区降水量减少10%, 辽河区减少6%, 导致降水入渗补给量减少, 并引起地表径流量和河湖渗漏补给量减少;西北诸河、东南诸河降水偏丰, 地下水资源量也明显增大。

      表 6  降水变化

      Table 6.  Variation of precipitation mm

      分区 1956—1979年 1980—2000年 2001—2016年
      松花江区 491.8 518.1 494.6
      辽河区 553.0 539.4 518.1
      海河区 558.6 494.8 503.3
      黄河区 460.9 438.0 456.8
      淮河区 856.1 814.9 841.8
      长江区 1 072.9 1 098.3 1 067.4
      东南诸河区 1 634.1 1 697.9 1 732.2
      珠江区 1 553.8 1 544.7 1 576.1
      西南诸河区 1 114.1 1 094.7 1 087.0
      西北诸河区 155.4 165.5 181.2
      全国 640.3 645.4 641.4
    • 随着经济社会发展、城镇化推进、水土保持建设等, 中国土地利用格局发生了显著变化, 加之南水北调等跨流域引调水工程以及大规模灌溉工程建设, 全国和区域供用水格局逐步形成和完善。陆面过程的改变引起了下垫面条件发生剧烈变化, 北方很多地区产汇流机制和地下水补、径、排机制发生了较大改变[14-15]图 4为海河区河川径流量与降水量关系变化情况, 从3个时间系列降水—径流关系拟合线及其斜率可以看出, 海河区在1956—1979年、1979—1980年、2001—2016年3个时间段内, 产流能力明显降低。如2001—2016年系列年均降水量与1980—2000年系列基本持平, 但地表径流量减少了约25%。黄河区、辽河区等北方很多地区降水与径流关系呈现类似变化趋势。产流能力和径流减少导致河道渗漏补给量减少, 造成地下水资源量和补给结构改变。

      图  4  海河区河川径流量与降水量关系变化

      Figure 4.  Variation of relationship between river runoff and precipitation of Haihe River basin

    • 人类活动对地下水的影响主要体现在补给和排泄两个方面。在地下水补给方面, 由于凿井开采、疏干排水等人类活动干扰, 北方平原区地下水水位大幅下降, 如太行山前平原浅层地下水平均埋深由20世纪80年代3~4 m增大到近30~40 m[16]。地下水水位下降后, 降水入渗过程延长, 降水入渗补给系数变小, 相同降水情况下降水入渗补给量明显减小[17]。如图 5所示, 从1956—1979年、1980—2000年、2001—2016年黄河区的降水入渗补给量—降水量关系可以看出, 2001—2016年相同降水条件下降水入渗补给量较1956—1979年、1980—2000年明显减小。海河区、辽河区、淮河区、松花江区等北方很多地区降水量与入渗补给量关系呈现类似变化趋势。另外, 由于灌溉面积迅速发展, 灌溉用水量明显增长, 地下水灌溉渗漏补给量随之增大, 进一步改变了地下水补给结构。在地下水排泄方面, 地下水开采量的快速增大, 改变了地下水排泄结构, 自然排泄量被袭夺, 是导致基流减少、泉水枯竭、湿地萎缩等生态环境问题的主要原因。

      图  5  黄河区降水入渗补给量与降水量关系变化

      Figure 5.  Variation of relationship between precipitation infiltration and precipitation of Yellow River basin

    • (1) 与1956—1979年、1980—2000年系列相比, 2001—2016年中国地下水资源数量略有减少, 不同区域演变趋势差别明显。北方的西北诸河区、松花江区、淮河区地下水资源量有所增长, 南方地区总体变化不大, 海河区、辽河区、黄河区浅层地下水资源量有所减少, 尤其是海河流域、辽河流域、黄河中下游等地下水开发利用强度较高的区域衰减趋势明显。

      (2) 地下水循环路径改变, 降水入渗补给、河湖渗漏补给、河道排泄、潜水蒸发等自然路径循环减弱, 人工开采、灌溉补给等人工路径循环增强。

      (3) 地下水补给结构改变, 自然补给演变为自然与人工双补给模式。与1956—1979年比较, 2001—2016年中国平原区灌溉渗漏补给量(包括渠系、田间、井灌回归)等人工补给量增加16%, 人工灌溉补给在平原区地下水总补给量中占比升至26%。

      (4) 地下水排泄结构发生巨大变化, 由自然排泄为主演变为人工排泄为主。随着地下水开采量增大, 北方平原区人工开采占总排泄量的比例由1956—1979年的24%升至2001—2016年的62%, 成为主要排泄途径。海河区、辽河区、黄河区人工开采占比超过80%。

      (5) 降水变化、下垫面条件改变、人类活动干扰等是导致地下水资源数量变化、地下水补给与排泄结构改变的主要因素。

参考文献 (17)

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