地下水的超采对农业灌溉和环境的影响及其对策
【字体:
地下水的超采对农业灌溉和环境的影响及其对策
作者:张蔚榛 张…    地质科普来源:网络    点击数:4095    更新时间:2015-04-17

地下水的超采对农业灌溉和环境的影响及其对策

张蔚榛  张瑜芳

(武汉大学  水利水电学院)

 

    开源节流是节水灌溉的重要措施,采用井渠结合利用地下水进行灌溉是开源的重要途径。陕西泾惠渠灌区、河南人民胜利渠灌区采取井渠结合,开发利用地下水,提高了灌溉水的利用率,发挥了节水效果。甘肃的石羊河流域和新疆天山北坡灌区采用井灌井排,不仅对解决水资源紧缺、提高灌溉保证率、降低地下水位,起到了控制土壤盐渍化的效果,对农业增产和发展地区经济也发挥重要作用

    但目前北方一些灌区,由于地下水的过量开采,也出现了水位持续下降等一系列生态环境问题。特别是西北灌区降水稀少,蒸发强烈,地下水的补给较少,且相当一部分还要消耗于非耕地的蒸发,维持天然植被的存活。在缺乏排水的条件下灌区内部长期使用含盐的地下水进行灌溉,使地下水矿化度增加,土壤盐渍化加剧,灌区边缘天然植被退化,沙丘向灌区推进。必须采取有效措施严格控制地下水超采,保护生态环境。由于一些灌区对地下水的可采资源量估计过高,目前地下水超采仍有进一步发展的趋势。下面将讨论地下水超采的判别方法,地下水超采的现状,超采对灌区和环境的影响,以及应采取的对策

一. 判别地区或灌区地下水超采的方法

为了判别流域或地区地下水是否超采,常用的办法有以下几种:

1. 根据流域和或地区地下水动态观测资料判断地下水是否超采和地下水的超采量的方法

在年内和一定的时期内,地下水位可能由于气象条件的变化而发生一定的波动,这是正常的现象,但如果地下水位持续下降,时段末地下水的埋深超过了时段初的平均埋深,这就表明地下水发生超采。时段初和时段末地下水储存量的差值即是地下水的超采量。在有长期的地区或灌区地下水动态观测资料的条件下,利用地下水位的变化资料判别地下水是否超采是最确切的、也是最直接的方法。这种方法既适用于流域和地区,也可用于灌区。例如,截止1998年海河流域深、浅层地下水超采面积已达到8.9km2, 其中浅层地下水超采区面积4.4 km2, 深层承压地下水超采区面积5.6 km2。 与50年代相比,全流域已累计消耗地下水储量896亿m3,其中浅层地下水471亿m3,深层水425亿m3。海河流域年平均超采65.3亿m3, 其中浅层地下水24.2亿m3,深层水41.1亿m3

2.利用地下水可开采量和地下水的开采系数判别地下水超采   

1)             地下水可采量

地下水可开采量是地下水补给量(地下水资源量)中通过水井开采可以利用的那部分水量,习惯上常将地下水补给量乘以开采系数求得地下水可采量。湿润地区或半干旱半湿润地区,灌区地下水的补给一方面来自降雨入渗,另一方面来自地表水的转化(河道、水库、湖泊、和渠道的渗漏,以及田间灌溉水的渗漏转化为地下水),因此,地下水的可采系数可以达到较高的数值(有时可达0.7~0.9)。干旱地区降水量稀少,地下水的补给量大部来自地表水的转化,且有相当一部分消耗于农田和非耕地天然植被的腾发,因而地下水的可采系数应远小于半湿润地区,并在很大程度上决定于地表水的利用条件。由于水利工程的建设、渠道防渗和田间节水技术的推广,都会严重影响地表水对地下水的补给,因此,一个地区地下水可采资源量不是一个固定不变的数量,而是一个随水利条件的改善、灌区的改建、节水措施的实施等地表水的开发利用情况变化的数值。由于地下水可采系数是一个任意性很大的经验系数,华北地区在大量实际资料基础上求得的可开采系数经验值比较可靠,西北地区资料较少,一些地区借用华北地区经验可采系数估算地下水的可开采量,显著偏高。

     2)开采系数

开采系数是地下水的实际开采量与地下水可开采量的比值。在地区的多年平均地下水开采量超过了该地区地下水可开采量(可开采系数大于1),并造成了地下水位持续下降时,即表明该区地下水超采。在《全国地下水资源开发利用规划》中规定,在超采区范围内出现:开采系数大于1.2、年平均地下水位下降速率大于1.5m、年地面沉降速率大于10 mm 或发生了海水入侵或荒漠化等现象之一者即为严重超采。

地下水补给量的计算牵涉到多种因素,可开采系数选择又有很大的任意性,一些地区估算的地下水可采量往往过高,根据偏高的可开采量计算的开采系数过低,不能及时发现地下水的超采和采取防止超采的有效措施。只有在地区可采系数或可采量比较可靠的情况下,才可以采用这种方法确切地判别地下水的超采和计算地下水的超采量。例如,根据国家七五重点攻关资料,河北省多年平均小于2g/l 的浅层地下水可采资源量为91.68亿m3 ,小于2g/l 的深层承压水量为8.6亿m3。根据水资源公报资料,1994-1999年期间河北省地下水资源开采状况如表1所示。自表1可见1994-19996年间浅层和深层地下水开采量累计超出多年平均可采量335.62亿m3, 累计超出平原浅层资源量和深层资源量555.3亿m3

3.利用水资源开发利用率、耗用率和地下水开采量与地表水供水量比判断地下水超采

1)水资源的开发利用率

灌区水资源总量是指扣除地表水资源量与地下水补给之间重复量之后的地表水资源和地下水补给量的总和。一个灌区真正可以消耗利用的水量不能超过这个总量。灌区地表水和地下水供水量的总和与水资源总量的比值即为水资源的开发利用率。由于进入灌区的地表引水量和地下水开采量并非全部为用水部门消耗利用,其中一部分水量将作为地表退水重新回到灌溉渠系或进入排水系统,泻入河流或湖泊水库,一部分将通过深层渗漏补给地下水。这些地表水和地下水还可以被重复利用于灌溉和其他用水部门。因此,水资源的开发利用率只能表示水资源总量的的开发利用程度,并不能说明水资源消耗的程度。

1. 1994-1999年期间河北省地下水资源开采状况表

 年份

  降雨

  (mm)

     浅层地下水资源量(亿m3) 

     深层承压水量(亿m3) 

 多年平

 均资源

 当年资

  源量

 开采量

 剩余或

 超采量

  资源量

  开采量

 剩余或

 超采量

 1994

  585

91.68

  87.00

 110.22

-18.54**

(-23.22)*

   9.80

  37.26

 -28.54

 1995

  634

91.68

  93.00

 109.10

 -17.42

(-16.10)

   9.80

  34.64

 -24.36

 1996

  601

91.68

  93.20

 111.28

 -19.60

(-17.92)

   9.80

  33.16

 -23.36

 1997

  365

91.68

  46.68

 127.06

 -35.38

(-81.38)

   9.80

  37.94

 -28.14

 1998

 537.1

91.68

  69.86

 133.32

 -41.64

(-63.46)

   9.80

  36.69

 -26.89

 1999

 376.9

91.68

  41.41

 128.21

 -36.53

(-86.80)

   9.80

  45.02

 -35.22

6

 平均

 516.9

(多年均值541.0)

 91.68

  71.85

 119.86

*-169.11

**-388.8

   9.80

  37.45

*-166.51

*6年 累计超出多年平均值91.68亿m3的超采量  

**6年 累计超出当年平原区资源量的超采量

 

3) 水资源的耗用率

    灌区各行业地表水和地下水耗(用)水量的总和(各用水部门,不包括生态耗水)与水资源总量的比值即为社会经济对水资源的耗用率。它反映灌区社会经济对水资源消耗利用的程度,水资源耗用率大于1 说明社会经济用水不仅已将水资源总量耗尽,而且正在挪用非耕地的生态用水和动用地下水的储存量。

4)              灌区地下水与地表水供水比

    地下水可采资源量与地下水补给量的比值,即通常的地下水可采系数,在已知地下水补给量的情况下乘以可采系数就可以确定地下水可采量。但地下水补给量的确定需要通过复杂的计算。西北干旱地区降雨稀少,地下水的补给主要来自地表水灌溉入渗,地下水的可供水量应主要决定于地表水供水量。半干旱半湿润地区,虽有一定的降雨补给,但灌溉的地表水仍是地下水补给的重要来源。由于地表水供水量是灌区规划和管理的基本数据,因此,可以利用灌区内地下水与地表水供水量的比值来近似地确定灌区地下水可供水量和作为反映地下水开采程度是否适当的参考指标。

灌区地下水与地表水供水必须采用适当的比例,除保证耕地农作物用水要求外,也需要使周边非耕地保持适当的地下水埋深,以维持天然植被的存活。为了灌区的持续发展,还需要满足地下水采补平衡,盐分排补平衡的要求,既要避免地下水超采,水位下降,又要防止地下水位过高,造成灌区土壤积盐。我国北方地区,气象、土地利用和水文地质条件有很大差异,特别是降雨量和土地利用条件差别很大。例如,陕西关中灌区年平均降雨在540mm左右,土地利用系数也比较高;宁蒙河套地区、河西走廊、青海和新疆北疆的一些地区降雨在130mm200mm,而新疆南疆的大部地区年降雨均在50mm以下,蒸发强烈,土地利用系数也较低,各地地下水补给排泄条件也有很大差异,因此,各地适宜的地下水开采量与地表引水量的比例也应是不同的,应根据各地的具体条件确定。地下水灌水量与地表水灌水量的适宜比例,一方面决定于降雨量与蒸发量和作物的需水量,另一方面也决定于土地利用系数和水文地质条件。根据地处半干旱半湿润地区的陕西泾惠渠灌区和河南人民胜利渠引黄灌区井渠结合的实际资料,在降雨量平均540mm的情况下,地下与地表用水量比在0.400.60左右可能是比较适当的.。西北干旱地区生态环境脆弱, 降雨稀少,蒸发强烈,在缺乏人工灌溉的条件下, 天然植被主要靠地下水对根层补给的水量而存活。如地下水缺乏天然补给,地下水位将由于植被和土壤蒸散发消耗而下降。随着地下水位的下降,天然植被吸取不到生存所需要的水分将逐渐衰亡,在天然植被减少到一定程度后,将导致土地的荒漠化。为了保持灌区和周边地区的生态平衡,灌区采用的地下水与地表水用水比例除满足耕地的水资源供需平衡外,还必须满足生态需水和天然植被对地下水位的要求。在缺乏侧向补给条件的干旱地区,灌区可利用的地下水量与渠灌水量之比应小于半干旱半湿润地区。新疆天山北坡降雨量在150mm-200mm以下的地区,在缺乏侧向地下水补给,且采取一定的渠道防渗等节水措施的条件下,灌区内井灌与渠灌用水量比一般估计可能应在0.200.25以下。北疆的伊犁河、额尔齐斯河灌区降雨在250-450mm之间,高于天山北坡,低于陕西的关中平原,地下水与地表水供水量的比值估计可能在0.25-0.30左右。新疆的东疆和南疆,降水量在20-50 mm以下的灌区内部地下水与地表水灌溉用水量比一般估计可能应在0.100.15以下。地下水与地表水供水量的比值超过一定的数量即表明地下水已经超采,正在动用地下水的储存量,并对生态环境产生一定的影响。

    在缺乏地下水动态观测资料的地区可以根据水资源开发利用率、耗用率和地下水开采量与地表水供水量比判断地下水超采。例如,河西走廊石羊河流域水资源总量为17.5亿m3, 近年来年平均地表水和地下水供水总量为26.63亿m3,(其中地表水供水量13.95亿m3,地下水供水量12.68亿m3) 耗水总量为17.90亿m3, 水资源的开发利用率为1.73, 水资源的耗用率为1.03,地下水开采量与地表水供水量比为0.908。流域水资源开发利用的总量已达到水资源总量的1.73倍,消耗的水资源总量达到水资源总量的1.03倍,表明社会经济用水不仅已将水资源总量耗尽,而且正在通过地下水的超采,挪用非耕地的生态用水和动用地下水的储存量。根据1998~2000年资料,武威地区供水量与水资源总量比1.81.~2.26,耗水量与水资源总量比也已达到1.18~154,地下水开采量与地表水供水量比已达到0.922~1.191。表明武威地区在石羊河流域中水资源的开发程度更高,地下水超采更加严重。

    武威市的民勤县共有三个较大灌区,环河灌区、昌宁灌区和红崖山灌区。环河灌区和昌宁灌区均为纯井灌区。红崖山灌区又分为坝区泉山和湖区两个灌区。红崖山灌区位于石羊河最下游的民勤县绿洲带中,南与武威市凉州区接壤,东西北三面被腾格里沙漠和巴丹吉林沙漠包围,属典型大陆温带干旱气候,风多沙大,降雨稀少。上游的地下水侧向补给已被位于灌区上部的环河和昌宁两纯井灌区利用,红崖山灌区可利用的水资源总量仅为地表引水量。根据1999-2000年灌区灌溉面积和水资源开发利用资料,见表2,全灌区和坝区泉山、湖区两分灌区水资源利用率分别为 7.524~8.09612.87~13.00、和3.59~4.30,地下水开采量与地表水供水量的比值分别为7.52~8.09 12.00~12.87 3.30~3.59,表明无论全灌区和分灌区地下水均已严重超采。

 

 2  1999-2000年民勤县红崖山灌区灌溉面积和水资源开发利用情况

(灌溉面积,万亩;用水量,万m3)

年份

项目

总计

坝区泉山

湖区

 

 

 

1999

灌溉面积

78.72

58.36

20.36

总用水量

60769

44961

15806

毛灌溉定额(m3

772

770

776

地表水用水量

7129

3458

3671

水资源利用率

8.52

13.00

4.30

地下水用水量

53640

41503

12135

地下地表用水比

7.524

12.00

3.305

 

 

 

2000

灌溉面积

77.06

57.13

19.93

总用水量

58141

43012

15121

毛灌溉定额(m3

754

753

758

水资源利用率

9.097

13.87

4.594

地表水用水量

6391

3100

3291

地下水用水量

51742

39912

11830

地下地表用水比

8.096

12.87

3.594

 

二. 地下水的超采对农业灌溉和环境的影响

1.地下水持续下降、形成大面积地下水漏斗和地面沉降

    我国北方地区,由于地下水的超采,地下水位大幅度下降,在广大的地区形成16km2的地下水位下降漏斗。海河流域由于地下水过度开采,东部平原沿津浦铁路形成了以天津、沧州、德州为中心的大面积深层地下水降落漏斗区,面积约2.14 km21999年第IV 含水组漏斗中心承压水位埋深达到111m 1995年冀、枣、衡漏斗中心最大地下水承压水位埋深达76.18m, 沧州市1998年达94.0m。在太行山前沿京广线形成了以北京、保定、石家庄、邯郸、濮阳为中心的浅层地下水下降漏斗区面积约1.4km22000年河北省石家庄市漏斗面积达到426 km2, 漏斗中心地下水埋深达 41.93 m。由于深层地下水的超采引起大面积地面沉降、地裂和塌陷等一系列环境地质问题。天津和流域中东部平原已发生区域性地面沉降。至1998年,河北平原累计沉降量大于300mm的面积达1.82km2,地面沉降大于100mm的面积即超过 33,900 km2, 占河北平原总面积的 55 %以上。1994年地区的最大地面沉降量达 1,523 mm, 天津市1994年最大累积地面沉降量达到 2.74~3.04 m。山西太原市由于城区深层承压水超采,城区承压水位的最大埋深1996年达到130 m,已形成多个地面沉降漏斗,1990年最大地面沉降量已达 1.3m。。造成建筑物和铁路路基沉陷,桥梁破坏。

    我国西北地区除一些城市出现超采外,许多灌区也出现超采的现象。例如,陕西泾惠渠灌区超采区面积近900km2,地下水平均埋深从1985年的4.38m 增加到2000年的12.97m,下降了 8.59m。内陆河流域地下水超采区总面积达2.395km2,其中严重超采区面积3400km2, 年平均地下水超采量4.1 亿m3,累计地下水超采量约为32.9km2。其中甘肃石羊河流域的武威市超采区面积达2000 km2,民勤县超采区面积为1600 km2。民勤灌区的地下水位由1979年的1.5~7m 增加到2000年的13~20m。新疆天山北坡的奇台县地下水超采严重,超采区面积为1198 km2,米泉县超采区面积 140 km2。奇台县年平均地下水位埋深已达到20.16m。阜康县三工河冲洪积扇地区地下水持续下降,地下水埋深由1978年的26m增加到200038m。五家渠灌区103团平均埋深由1981年的4.98m增加到1995年的10.42m。新疆东疆的哈密超采区面积约1000 km2,吐鲁番超采区面积600 km2,与80年代相比地下水位已下降了20-30m

    我国南方虽然水资源比较丰富,地下水过量开发也会造成严重的后果。由于地下水超采上海市累积地面沉降量达2.629 m,苏州,无锡和常州形成的区域地下水位降落漏斗面积达 7,000 km2, 苏州,无锡和常州漏斗中心的承水位埋深分别达到 63.3 m, 74.1 m 80.5 m,目前,苏、锡、常地面沉降总面积已超过 3,000 km2。苏州沉降中心的累积沉降量已超过 1,682 mm, 沉降量600 mm的等沉降量线包围的面积已达80.4 km2. 无锡的最大沉降量为1,100 mm, 超过600 mm的面积达 60 km2。常州的最大地面沉降量为 949 mm.。浙江省嘉兴市由于严重超采,1995年漏斗中心承压水位已达 - 44.30 m,最大地面沉降量达709.6 mm,宁波市累积地面沉降量达 350 mm, 安徽省阜阳市1990年累积地面沉降量达872.82 mm  

2. 提水费用增加、含水层枯竭、机井报废

    地下水的超采,导致地下水位下降和地面沉降对农田灌溉的产生严重影响。由于地下水位持续下降,水井提水杨程加大,出水量减小,使水井运行费用大幅度增加,提水成本成倍增长。例如,陕西泾惠渠灌区由于地下水超采,地下水埋深由1985年的4.38m下降至2000年的12.97m,累计下降8.59m。造成大量机井水泵调空,井壁坍塌,甚至报废。山西太原市由于含水层水位的下降水源地的出水量大幅度减少,1996年水源地的出水量较1980年减少了 78-100 %。河北石家庄地区由于地下水位下降,提水成本由70年代的每亩次8元增加到现在的30元,能耗增加两倍多。很多地区由于地下水位下降,水井抽空吊泵,抽水设备需要不断更新,农民对灌溉的投入急剧增加。由于含水层疏干枯竭,一些水井甚至报废。例如,1986年河北省平均每年有8500眼机井干枯,占报废机井的21.9%。石家庄地区机井报废率每年达3~10%。提水机具已由离心泵改为潜水泵。由于岩溶裂隙水的超采,山东济南市豹突泉也已近枯竭, 河北邢台百泉1986年断流,山西太原市最大的晋祠泉1996年枯竭,使下游农田灌溉缺水日益严重。

    新疆天山北坡一些灌区,70年代水井可以自流,由于地下水位下降80年代井深达到100m, 90年代达到120~130m ,目前已到200m。吐鲁番盆地80年代井深只有20~30m, 采用离心泵抽水,现在井深达到120~150 m,甚至200m, 潜水泵要下到80m才能抽水。80年代吐鲁番原有1237条坎儿井,目前仅有400条有水,有400多口浅机井已经报废。

    由于地面沉降降低了地面高程,不仅引起建筑物沉陷,还会降低河流堤防抗御高潮和洪水的能力,造成排除暴雨径流困难,引起土壤盐碱化和农田减产,对农业生产造成严重影响。

3.   天然植被衰退,生态环境恶化

地下水位下降,使土壤含水率降低,造成土地沙化。例如,海河流域山前平原与河道两岸附近由于浅层地下水位持续下降地区,河流冲积沙地和砂质褐土、砂质潮土、砂质草甸土等耕地沙化趋势严重,沙土随风迁移造成覆盖沙地。近30年来,流域内“沙化”土壤面积不断扩大。西北地区,气候干旱,降水稀少,蒸发强烈,非耕地的天然植被,主要靠地下水的补给存活。由于地下水的超采,地下水位下降,导致天然植被衰退,生态环境恶化。根据塔里木河流域资料,天然植被的出现频率与地下水埋深的关系如表3所示。

3  塔里木干流区典型植物在不同地下水埋深范围内总体出现频率(%

植物

群落

地下水埋深

<1m

1-2m

2-3m

3-4m

4-5m

5-6m

6-7m

7-8m

8-9m

9-10m

>10m

胡杨

4.72

13.78

20.96

20.62

12.41

5.90

7.26

7.11

4.77

0.37

 

柽柳

4.34

19.96

26.11

22.12

13.59

3.92

0.92

5.17

0

2.31

1.56

芦苇

14.29

36.93

29.45

16.85

6.02

1.81

0.77

 

 

 

 

罗布麻

4.01

12.20

41.15

13.95

20.85

4.97

0.96

1.93

 

 

 

甘草

2.7

18.9

40.5

24.3

10.8

0

2.7

 

 

 

 

骆驼刺

5.56

11.1

22.8

22.2

19.4

8.33

2.78

2.78

 

 

 

 

自表3几种植物群落出现峰值的地下水埋深分别为:胡杨3.2m,柽柳3.7m,芦苇1.9m,罗布麻2.7m,甘草2.9m,骆驼刺3.4m。地下水埋深小于2.5m的最适植物群落是湿生的芦苇;埋深在2.5-3m的最适植物群落是以罗布麻、甘草为优势种的草甸植被;埋深在3-3.5m的适宜植物群落有胡杨林,在3.5-4m的最适植物群落有柽柳,同时3-4m这一埋深范围也是以骆驼刺等植物为优势种的荒漠化草甸的适宜区。在降雨稀少的情况下地下水埋深超过7-8m,甚至耐旱的胡杨和柽柳都难以存活,地区将导致荒漠化。例如,甘肃石羊河流域的民勤灌区和新疆奇台县灌区的北部边缘,由于地下水超采,地下水位分别下降到地表以下 12m 20m,导致生态环境恶化,北部沙漠的沙丘分别以每年 3m~4m .25m~2.8m 的速度向灌区推进。

 

4. 海水入侵和水质恶化

    由于地下水超采使地下水位持续下降,沿渤海、黄海的沙质和基岩裂隙海岸地带,发生海水入侵,在有咸水分布的地区出现咸水边界向淡水区移动。例如,山东沿海地区由于地下水位大幅度下降,涞州湾形成面积为11,400km2的地下水位下降漏斗,其中地下水位在海平面以下的面积为 2400 km2, 1988年漏斗中心地下水位在海平面以下 20 m,造成涞州湾海水入侵地下水含水层,海水入侵的面积达 730.7 km2。山东省的烟台、威海、和青岛市也发生了海水入侵。地下水位的下降也造成辽宁省大连市、锦州、锦西、营口市,和河北秦皇岛市的海水入侵和水质恶化。1992年辽宁省海水入侵面积达 434 km2,秦皇岛市达55.4 km2。在广西省北海市的海城区和涠州岛都曾由于长期超采地下水引起海水入侵,造成水质恶化。

    河北黑龙港地区地下水在垂直剖面上多为上咸下淡,由于地下水的超采,浅层咸水含水层与承压含水层之间的水头差增大,使一些地区咸水界面向淡水层移动。例如,河北省沧县1992年地下水咸水层底界面埋深,较1974年下降10m以上的面积达1260km2。有些地区咸淡水界面以每年 0.1-0.2 m的速度不断下移,使承压含水层水质恶化,个别地区地下水矿化度上升至 14.3 g/L。山西太原市由于地下水的超采,地表污水向深层入渗,使浅层地下水受到污染,局部地区深层水也受到污染。辽宁、河北、山东三省沿海地区因海水入侵报废的机井达8000多眼,每年减少地下水开采量1.3亿m3, 给工农业生产造成严重损失。

5. 盐分向超采区聚集,地下水矿化度增加、土壤盐渍化加剧

由于大量开采地下水,水位下降,形成地下水位降落漏斗,周围地下水向灌区补给,不仅灌溉用的地表水带来的盐分无法外排,逐步向深层入渗,灌区周围侧向补给的地下水中的盐分也在灌区聚集。在长期大量利用地下水灌溉,又缺乏排水措施的情况下(所谓井灌井排或井灌代排,实际上只是内部循环,并无水盐自灌区排出)水分经腾发而散失后,盐分大部留在土壤中,使土壤含盐量和地下水的矿化度逐步增加,造成土壤盐渍化的面积增大。例如,半湿润地区的陕西省泾惠渠灌区的部分地区由于单纯使用矿化度较高的地下水进行灌溉,致使土壤耕作层盐分积累,导致土壤盐渍化和农作物减产。甘肃民勤各灌区由于地下水连年超采,灌区内形成地下水位下降漏斗(各灌区地下水埋深见表4),不仅灌区地下水盐不能向外排除,周边沙漠地区地下水还要向灌区补给,由于开采高矿化度的地下水,大量的盐分进入灌区农田。根层和地下水中的盐分不能排除,造成地下水的矿化度进一步升高(各灌区地下水矿化度情况见表5),而高矿化度地下水灌溉,又进一步增加土壤的含盐量和地下水的矿化度,使地区土壤盐渍化面积增加,地下水难以利用,农业生产无以为继。

 

 

 

4  灌区地下水埋深变化情况

灌区

年份

地下水埋深(m

时段水位降深(m

时段年平均降深(m

 

昌宁

1979

1.508

 

 

1990

14.38

10~15

0.80~1.25

2000

20.31

5.93

0.54

 

环河

1979

0.5~1.5

 

 

1990

0.7~2.3

0.2~0.3

基本稳定

2000

3.88

2.38

0.22

 

坝区

1979

2.5~7.0

 

 

1990

13.73

8.0

0.66

2000

19.93

6.2

0.56

 

泉山

1979

3.0~8.0

 

 

1990

14.45

1.0~7.0

0.58

2000

18.94

4.49

0.41

 

湖区

1979

1.0~5.0

 

 

1990

7.09

3.0~5.0

0.33

2000

12.79

5.7

0.52

 

5 民勤县各灌区地下水矿化度情况(矿化度,g/l

年份

昌宁

坝区

泉山

泉山夹河乡

湖区

1998

2.381

1.342

1.908

1.528

3.495

1999

2.245

1.467

1.893

1.759

3.938

2000

2.438

1.409

1.936

1.876

4.065

总变幅

+0.055

+0.067

+0.028

+0.346

+0.57

平均年变幅

+0.028

+0.033

+0.014

+0.174

+0.285

 

三.解决地下水超采的对策

    产生地下水超采的原因主要有以下几方面:1)工农业发展规模和对水资源的需求,超过了水资源供水能力;2)地区或灌区水资源开发利用布局不合理;3)忽视生态对地下水的需求,过高估计地下水可采量,造成盲目超采;和4)缺乏完善的地下水盐动态监测系统,不能及时采取措施控制超采。针对地下水超采产生的原因,解决地下水的超采应采取以下措施:

1.加强地下水、地表水的统一规划和管理,严格控制地下水的超采

    在河流流域范围内不论是地表水还是地下水,其分布和开采条件往往都是上游优于下游。河流的上游的耕地面积较少,而水量则比较充足。上游地区往往具有良好的地下水含水层,水质相对较好,而下游地区含水层颗粒较细,单井出水量小,且水质较差,有的地区地下水矿化度高,不宜用于灌溉。由于上游地区和灌区的上部具有引用地面水的优越条件,且地面水的水价远低于开采地下水,因此往往大量引用地面水,造成上游地表水浪费,下游地表水资源紧缺,地下水严重超采。我国北方的甘肃河西走廊、新疆天山北坡和东疆各河流域,特别是下游地区均普遍存在地下水超采、生态环境恶化的情况。产生地下水超采的根本原因在于地表水和地下水缺乏统一规划和统一管理。特别是农用地下水的开采基本处于无人管理的状态,虽然打井需要得到水利部门的许可,但开采的水量并无任何限制。为了根本解决我国北方地区的缺水问题在各河流域对地表水地下水资源必须严格施行统一规划、统一管理、统一调配, 严格控制地下水的超采

 水资源的合理利用,控制地下水的超采,必须从全流域着手,为此,必须建立有权威性的流域机构,根据流域水资源承载能力,和当前水资源开发利用情况和灌区存在的问题,制定流域长远水资源开发利用规划,兼顾社会经济发展和生态环境保护,对上下游、各用水部门、各行业合理分配水权。对地表水地下水资源进行统一规划、统一管理、统一调配。为了施行区域和流域地表水地下水资源统一规划和管理,除需要有健全的水管理机构和体制外,还必须制定相应的水价政策。上游灌区有地表水可用,水价又远低于地下水,农民是不会开采地下水的。灌区下游地表水缺乏,往往超采地下水,导致生态环境恶化。为了做到全流域和全灌区地表水地下水联合运用,地表水地下水统一管理,必须实行地表水地下水统一水价。流域和地区水资源问题的解决,必须首先立足于挖掘本流域的潜力,对本流域水资源进行优化配置。在流域水资源承载能力的基础上,根据用水已超过水资源成承载能力的现实,确定工、农业发展规模,上下游灌区的适宜灌溉面积,切实调整优化农业结构,减少农业用水量。对全流域生态建设的任务和投资必须由上下优、各部门、各行业统一分担,不能只靠下游灌区解决。

2.建立和完善地下水盐动态监测系统,正确评价地下水可采资源

如前所述,地下水动态监是正确评价地下水资源的基础资料,也是及时发现和掌握地下水超采情况和采取控制超采措施,避免超采对生产造成损失的基本依据,为此,在灌区建立和完善地下水盐动态监测系统具有重要意义。

地下水可采资源量是判别地区当前地下水是否超采和进行地表水和地下水统一规划的基本资料。西北地区一些灌区,由于过去对天然植被对地下水的需求和生态耗水与地下水埋深的关系认识不足,造成对地下水可采资源量估计过高。根据过高的地下水可采量与实际开采量对比,一些灌区在已经出现地下水超采,地下水位持续下降的情况下,仍然盲目认为该地区地下水的开采尚有较大潜力,这是十分危险的。我国北方各省区应在总结过去水资源评价经验的基础上,结合地表水规划对地下水可采资源重新进行评价,并对地下水开发利用进行规划。

3. 拦蓄降水和地表径流,利用微咸水和海水,缓解水资源紧缺

    解决地下水超采问题的关键措施是开源与节流并重。北方半湿润地区降雨量在500-600mm以上,充分利用降水和地表径流是开源的重要途径之一。根据河北省1994-1999年地表水和地下水资源的情况,虽然地下水持续超采,见表6,但通过田间拦蓄降雨和沟渠、坑塘、湖伯调蓄地表径流,进行人工回灌,增加地下水的补给仍有一定潜力。自表6地下水开采量占总供水量的74%, 而地表水用水量仅占总供水量的26%,实际利用的地表水量为56.15亿m3, 仅占总泾流量131.98亿m342.5%,尚有57.5%的地表水资源无效流失,表明应采取综合措施增加田间土壤水的入渗,增加地下水的补给,和拦蓄和调节地表径流,充分利用地表水资源,缓解地下水的超采。

6. 1994-1999年期间河北省地表水和地下水资源开采状况表

年份

降雨

(mm)

年供水

总量

(亿m3)

地下水量(亿m3)

地表水量 (亿m3)

地下水

资源量

地下水

开采量

占总开

采量

(%)

资源量

利用

水量

占总供水

量百分数

 1994

  585

 210.35

 150.2

 150.16

 71.38

  167.00

  59.67

  28.37

 1995

  634

 205.76

 166.8

 146.39

 71.14

  184.00

  57.05

  27.72

 1996

  601

 207.13

 180.50

 147.11

 71.02

  216.00

  58.67

  28.32

 1997

  365

 221.48

  90.44

 165.00

 74.50

   66.20

  55.49

  25.05

 1998

 537.1

 226.27

 126.24

 170.01

 75.13

  105.38

  55.16

  24.38

 1999

 376.9

 224.85

  91.38

 173.23

 77.04

   53.29

  50.90

  22.63

6

 平均

516.9

(多年均值541.0)

215.97

134.26

(多年均值91.68)

 58.65

 73.37

131.98

 56.15

 26.08

 

    开源的另一种途径即是利用劣质水和海水。我国北方平原分布有130亿m3的微咸(2~3g/l)地下水,其中仅华北地区可开采利用的微咸水即在23亿m3以上,而目前微咸水利用量仅有6.6亿m3,尚有很大潜力。我国河北南皮利用4-6g/l2-4g/l的微咸水灌溉连作的小麦玉米,创造了比不灌溉的旱作增产1.2-1.6倍的成功经验。半湿润地区由于有集中的降雨或淡水灌溉淋洗,可以排出因咸水灌溉而增加的盐分,保持土壤盐分平衡。开发浅层微咸水,可以减少深层和浅层地下的超采量和地表水的引水量。随着海水淡化技术的的提高,成本也不断降低。我国北方沿海地区海岸线很长,但目前海水利用量很少。2000年海水利用量仅有34.3亿m3,与美国的840亿m3,和日本的1854亿m3相比,我国海水利用尚有很大潜力。

4.采取综合节水措施体系、提高水分生产效率

    采用水利与农艺措施相结合、工程措施与非工程措施相结合综合节水措施体系,提高水分生产效率是解决地区水资源紧缺、地下水超采的根本途径。田间非工程节水措施可以显著减少无效蒸发量和提高水的生产效率具有重要的节水增产作用,可以直接减少农作物对水量的消耗量,田间水管理措施(节水灌溉制度)和农业措施所产生的净节水量是实际节省的水资源量,在渠系水有效利用为0.5的情况下,田间节省1m3,就可以自渠首少引2m3,因此,田间节水较之渠系节水可以发挥更大的作用。

    旱作地区采取优化灌溉制度,把有限的灌溉水量在作物生育期内进行优化分配,一定的生长阶段限制对作物的水分供应,在关键时期进行灌水,加大土壤的调蓄能力,具有显著的节水效果。旱作地区优化灌溉制度一般可以节水30%~40%。例如, 河北平原的石家庄地区,50-60年代小麦一般灌水7-8,经过多年实践,采取水管理措施与农业措施相结合,目前灌水减少到3-4,每亩田间净节水150-200m3/,产量不仅没有减少,反而大幅度增加。又如根据清华大学在北京昌平县南邵乡进行的冬小麦不同喷灌灌溉制度试验研究资料, 19941997年期间示范区冬小麦喷灌试验表明,在喷灌水量为200-260mm,总耗水量为286-308mm的情况下,小麦产量可达462-472kg/,水分生产率可达2.30-2.43 kg/m3。而在1992-1993年群众采用的习惯性喷灌情况下,喷灌水量为450mm,灌水5,总耗水为504-510mm,亩产仅有317-367 kg,水分生产效率仅为0.93-1.095 kg/m3

   在现有的地面灌水技术的条件下,有些灌区由于田间工程部配套,土地不平整,畦田的面积较大,灌水不均匀,一次灌水定额达到80-100m3,若采取土地平整,沟畦灌溉,将灌水定额降低至50-60m3/亩,节水效果也将是非常显著的。

例如,山东桓台县通过采用节水高产灌溉技术体系和节水管理推广体系,包括:田间深耕松土蓄水,根据天气预报充分利用降水,减少灌溉次数;采用节水高产灌溉制度、节水田间灌水技术和农业技术措施在当地水资源采补平衡的条件下,粮食产量超过了1150kg/亩,水分生产效率达到了2 kg/m以上,见表7。由于采用了综合节水灌溉体系,充分利用了降雨和地表径流,在降雨量为554 mm没有引用外来地表水的情况下,控制了地下水超采,保持了地下水的采补平衡,并使地下水位略有回升,见表8

  7  桓台县定点调查测算好水量、产量和水分生产效率

(水量mm,产量kg/hm2,水分生产效率kg/m3

年度

作物

灌水量

有效降水量

土壤水

总耗水量

产量

水分生产效率

 

1988-1991

小麦

408.3

137.8

76.2

622.3

7009.65

1.13

夏玉米

217.3

290.5

-92.7

415.0

8056.2

1.94

小计

625.6

428.3

-16.5

1037.4

15065.85

1.45

 

1995-1996

小麦

271.8

99.5

208.8

580.0

7560

1.30

夏玉米

67.5

264.0

22.5

354.0

9570

2.70

小计

339.3

363.5

231.3

934.0

17130

1.83

 

1997-1998

小麦

270.0

165.7

132.3

568.0

7770

1.36

夏玉米

67.5

299.0

-75.1

291.4

9615

3.30

小计

337.5

464.7

57.1

859.4

17385

2.02

 

 

 

 

 

 

8  桓台县历年引水和降水条件下地下水埋深变化表

(引水量万m3,降水mm,地下水埋深m

年份

引水量

降水量

3月水位埋深

与上年同期比

年平均水位埋深

与上年比

变化值

1986

6473

362.8

6.99

0

8.29

0

1987

3807

568.2

7.92

-0.93

8.76

-0.47

1988

0

453.8

8.36

-0.44

8.94

-0.18

1989

4000

198.1

8.14

+0.22

10.05

-1.11

1990

4200

748.8

10.08

-1.94

10.34

-0.29

1991

2300

567.7

9.00

+1.08

9.58

+0.76

1992

3300

294.7

9.05

-0.05

10.67

-1.09

1993

3100

586.7

10.41

-1.36

10.70

-0.03

平均

3397.5

472.6

 

-0.43

 

-0.34

1994

0

521

9.68

+0.73

10.56

+0.14

1995

0

737

9.83

-0.15

9.82

+0.74

1996

0

473.6

8.73

+1.11

9.17

+0.66

1997

0

445.6

8.63

+0.09

10.24

-1.07

1998

0

595.1

9.37

-0.74

9.84

+0.40

平均

0

554.6

 

0.16

 

0.14

说明: 表中水位变化值(+)为上升,(-)为下降

 

4. 淡水压盐、适当排水、保持灌区盐分平衡

    灌溉水中都含有一定盐分,且地下水的矿化度一般均高于地表水,采用井渠结合灌溉时,必须要有一定的地下水排出区外,以保持耕层和灌区盐分平衡。特别是长期利用高矿化度的地下水进行灌溉,已造成土壤盐碱化的地下水超采区,必须减少地下水的灌水量,增加地表淡水的灌水量以淋洗土壤中的盐分,并通过水井或水平排水系统,将多余的盐分随地下水排出区外,防止地下水矿化度继续增加,保证灌区土壤逐步脱盐。

5. 适当引用外流域调水,保护和恢复生态环境

根据海河流域资料,截止1998年全流域已累计消耗地下水储量896亿m3,其中浅层地下水471亿m3,深层水425亿m3。海河流域年平均超采65.3亿m3, 其中浅层地下水24.2亿m3,深层水41.1亿m3。在1980~2000年持续干旱的情况下,黄淮海地区年缺水量在200亿m3左右,主要靠超采地下水和挤占黄河冲沙水量来解决工农业和生活用水的需求,造成了严重的生态环境问题。表明地区对水的需求已经超过了水资源的承载能力,属于资源性缺水。为了解决地区的缺水问题,除进一步挖掘本区节水潜力外必须实施南水北调工程,适当调用外来水,调水量除满足当年的缺水外,还应有一定的水量补给地下水,使多年超采对生态环境造成的破坏,得以逐步恢复。

     甘肃河西走廊石羊河流域的民勤灌区地下水超采,生态环境严重破坏,新疆天山北坡经济带用水过度,地下水超采,挤占了生态用水,这些地区发展经济对水的需求超过了当地水资源的承载能力,也必须在本区节水的基础上适当引用外区调水解决地区的缺水问题。例如,石羊河流域民勤灌区应继续自景泰二期工程调用黄河水和通过引大济西工程,调用大通河水入民勤;天山北坡通过自额尔齐斯河和伊犁河调水的北水南调工程,调水至各河下游灌区,解决地区的缺水和由于地下水超采造成的生态环境问题。但外区调水,水价太高,用于灌溉和保护、恢复生态用水,农民将难以负担。例如,民勤县红崖山灌区,由于水价高,目前民勤要求调用的水量,尚未达到景泰工程设计的向民勤供水能力6100m32001年调水仅有4500m3,2002年尚未提出调水要求。石羊河下游红崖山灌区水资源紧缺,生态环境恶化,受到东、西、北三面沙漠侵袭的威胁,引用外流域调水灌溉农田,兼有保证当地农民正常生产、生活和保护生态、维持武威地区绿色屏障双重作用,调水的水费必须由全流域合理负担。

6.   灌区地下水的开发必须合理布局

北方平原和盆地灌区大量资料表明,地下水的补给主要来自降雨和灌溉水的入渗,垂直补给占整个补给量的80-90%以上。 由于地下水地补给量基本上是比较均匀地分布于整个灌区的,灌区的地下水开采也应采取就地补给就地开采的布井方式。除冲洪积扇缘潜水溢出带,侧向补给量较大的地区在较小范围内可采用水源地的方式集中开采地下水外,一般在灌区内不适于采取集中开采的方式,更不宜在城市集中开采地下水,解决城市全部的工业和生活用水问题。目前在一些灌区水资源开发利用规划中,将灌区内由于灌溉和降雨补给而获得的地下水量与地表水一起分配给工业用水和生活用水,这种做法将会带来严重的后果,因为地下含水层中的地下水与地表水不同,是不能任意从一个地区任意向另外一个地区转移的。如前所述,灌区的地下水补给强度一般不超过200mm,但集中开采的城市水源地开采强度常在4000mm/a以上,在持续开采的情况下将出现大面积地下水位下降漏斗,地面沉降等一系列环境地质问题。灌区内由降雨和地表水灌溉而补给而形成的地下水,除将一部分优质地下水用于城镇和农村生活用水外,应主要通过井渠结合再用于灌溉。城市工业用水应主要由地表水供水来解决。全国许多城市,甚至南方湿润地区地下水补给比较充足的城市,由于大量集中开采深层承压地下水,造成地下水超采,形成大面积地下水降落漏斗,地面沉降等严重后果,最终还不得不重新修建自来水厂,改用地表水供水来解决,造成了很大浪费。在灌区水资源规划中应认真吸取这些教训,城镇工业生活用水应主要由地表水供水。

 

 

参考文献

陈志恺,2002年,持续干旱缺水对华北平原生态环境的严重影响,中国工程院第六次院士大会学术报告论文集

裴源生 王建华 罗琳, 2002,南水北调对海河流域水生态环境影响分析,水资源及水环境承载能力学术研讨会论文

英若智、赵玲,河北省地下水超采现状及其对策,水利规划,1998年增刊

方生、陈秀玲,地下水开发引起的环境问题与治理,水利规划设计,2000年,第4

方生、陈秀玲,1998,浅层地下咸水利用与改造的研究,第30届国际地质大会论文集,第22

甘肃省水利厅,199819992000年甘肃省水资源公报

李世明等,1999,河西走廊可持续发展与水资源合理利用,中国环境科学出版社,北京

武威市水利志编纂委员会,王兴柱(主编),1998,武威市水利志,兰州大学出版社

民勤县水利志编纂委员会,常厚春(主编),1994,民勤县水利志,兰州大学出版社

张元禧、庄淑贞、高飞,1999,河西走廊地下水开采的环境影响及其对策初探,地下水开发利用研究与实践,中国农业科技出版社

地质科普录入:admin    责任编辑:scdk404 
  • 上一篇地质科普:

  • 下一篇地质科普:
  • 相关地质科普
    没有相关地质科普
    发表评论
    用户名
    *
    Emaill
    评价等级
    Reset
    四川省地矿局四〇四地质队
    四川省地矿局四0四地质队版权所有 未经授权禁止复制或镜像
    sc404.com 备案号:蜀ICP备11024112号 Powered by 寒剑(QQ:23826130)
    建议使用IE6.0及以上版本,在1024*768及以上分辨率下浏览
    回到顶部