华北平原地下水降落漏斗的“前世今生”
摘要
华北平原是我国缺水最严重的地区之一，近40年的超量开采地下水，产生区域性地下水位不均匀下降，形成水位下降漏斗，从而诱发含水层疏干、地面沉降、地裂缝、地面塌陷、海水入侵等生态环境地质问题；同时也出现了盐碱地消失、地下空间安全、促使洪水资源化、减少洪灾等方面的正效应。解决华北平原地下水降落漏斗问题，需要认清和尊重水循环系统内在规律，优化多水源联合配置，合理利用地下水资源，提高全民节水意识，强化地下水资源管理。
在第53个世界地球日之际，让我们一起来揭秘华北平原地下水降落漏斗的“前世今生”。
华北平原深层地下水复合漏斗。
揭秘华北平原地下水降落漏斗的“前世今生”
张兆吉 杨会峰 李亚松 曹文庚
自然资源部地下水科学与工程重点实验室
河北沧州平原区地下水与地面沉降国家野外科学观测研究站
国际水文地质学家协会中国国家委员会
中国地质科学院水文地质环境地质研究所
水是生命之源、生产之要、生态之基，是人类赖以生存发展之本，是生态环境控制因素之一，是不可替代的战略性经济资源。习近平总书记指出：“水安全是涉及国家长治久安的大事，全党要大力增强水忧患意识、水危机意识，从全面建成小康社会、实现中华民族永续发展的战略高度，重视解决好水安全问题。”
华北平原在我国政治、经济、文化发展格局中占据十分重要地位，也是我国缺水最严重的地区之一，水资源总量仅占全国的1.7%，人均水资源占有量不到全国的1/6，正面临着严重的水危机。华北平原地下水是水资源的重要组成部分，75%以上的用水需求靠地下水支撑，由于长期超采地下水，使区域地下水位下降，在地下水开采集中区出现地下水降落漏斗，导致地下水资源衰减、地质环境恶化，直接威胁到供水安全、粮食安全和重大工程设施安全，已成为经济社会发展的主要制约瓶颈。如何解决华北平原地下水降落漏斗问题，就需要认清和尊重水循环系统内在规律，合理制定水资源利用与保护的法规、政策，高效永续利用水资源。
一、华北平原地下水降落漏斗发展历史与现状
华北平原地下水是在晚更新世以来地质格局和环境变化背景下形成的复杂的大型地下水系统，是我国沉积盆地地下水系统的典型代表。由西部山前的单一潜水含水系统向东过渡到多层含水系统，在多层系统地下水循环条件差异明显，一般以地下埋藏深度120米为界限分成相互独立又相互联系的浅层地下水系统和深层地下水系统。
在建国初期，工农业处于恢复阶段，对水资源还没有较大的需求，地下水开发利用程度很低，地下水流场基本可视为天然状态。上世纪60年代中期至70年代，进入农业大发展阶段，由于降水偏少、气候偏干旱，加之人们对含水层储存能力认识的提高和打井技术的日渐成熟，同时为保证城市工业用水及城乡居民饮用水的水源，区内掀起了大打机井的热潮，揭开了大规模开发地下水的序幕，地下水开采量达到了156.57亿立方米/年。从上世纪70年代初期开始，地下水位开始区域性下降，逐渐出现若干水位下降漏斗。
华北平原浅层地下水埋深及漏斗分布图。
浅层地下淡水主要分布于山前平原，在山前平原形成了系列浅层地下水降落漏斗，最具代表性的有北京漏斗、石家庄漏斗、高蠡清漏斗、保定漏斗、邯郸漏斗、宁柏隆漏斗，6个漏斗总面积2102平方千米，邯郸漏斗中心地下水位埋深最大，为26.62米。
分布于中部—滨海平原浅部地下咸水之下的深层地下水，在中部—滨海平原出现了相对独立的深层地下水降落漏斗，主要有冀枣衡漏斗、沧州漏斗、宁河唐海漏斗、霸州漏斗、青县漏斗、廊坊市漏斗、德州漏斗，沧州漏斗中心地下水头埋深最大，为50.28米。
从上世纪70年代末改革开放以来，到上世纪末，工农业生产空前发展，水资源供需矛盾日益突出，已成为制约社会发展的主要因素。这一时期除了尽可能利用地表水资源外，还靠超采地下水维持工农业和生活用水，地下水开采量逐年增大，开采深度不断加深。到上世纪末华北平原地下水开采量达到211.98亿立方米/年，其中浅层地下水178.40亿立方米/年，深层地下水33.58亿立方米/年。6个浅层地下水降落漏斗总面积达到了6409平方千米，宁柏隆漏斗中心地下水位埋深变为最大，下降到65.37米。德州深层地下水降落漏斗中心地下水头埋深成为最大，为105.3米，各相对独立的深层地下水降落漏斗已无法单独区别，呈连片趋势。
本世纪以来，随着人们环保意识的提高，地下水开采量有所减少，地下水超采状态仍未得到解决。2005年浅层地下水降落漏斗总面积为9657.9平方千米，2019年发展到14840.41平方千米，2021年进一步增至16385.09平方千米，浅层地下水降落漏斗总面积不断增大，但漏斗中心水位埋深在逐渐减小。依据2002年地下水头资料,参考地下水位0米标高等值线划分出“华北平原环渤海深层地下水复合大漏斗”，总面积达72787平方千米，中心水头埋深达109.73米，位于沧州市沧县。另外2002年深层地下水头埋深大于50米的面积有32106平方千米，大于70米的面积有7145.34平方千米。2020年以-60米水头标高等值线圈定的深层地下水降落漏斗总面积为23799.8平方千米，中心水头埋深为135.78米，位于衡水市景县。因此，目前深层地下水降落漏斗面积仍在增大，区域深层地下水头也在持续下降，降落漏斗中心从城市向农村转移。
二、地下水降落漏斗是如何形成的
地球内部富含地下水，一般将积极参与水循环的地下水视为地下水资源，不参与水循环的地下水叫做地下水储存量。地下水资源是可更新的资源，从可持续利用角度出发，可长期作为“三生用水”（生活用水、生产用水、生态用水）的水源；而地下水储存量属于化石资源，一般不能开采利用，只能作为临时应急供水水源。对于浅层地下水，枯水年可适当动用地下水储存量，在丰水年能全部补回亏欠的地下水储存量，达到地下水的动态平衡，以此实现地下水在时间上的调节，这部分被动用的地下水储存量称为地下水动储量。其它的地下水储存量称为地下水静储量。地下水储存量的过量动用，会产生区域地下水位下降，形成地下水位降落漏斗，进而引发地面沉降、海水入侵等一系列环境地质问题。华北平原有限的水资源，维持了该区近40年的经济社会高速发展，彻底扭转了长期以来南粮北运的局面。这些成就主要是靠长期超量开采地下水、超量动用地下水储存量来实现的。据估算，华北平原累计超采地下水约1300亿立方米，造成区域性地下水位不均匀下降，形成地下水降落漏斗。本世纪以来，由于人们环保意识不断提高，采取了压采、节水、调整种植结构等一系列措施，加上2014年南水北调中线通水，地下水开采量有所减少，在一定程度上缓解了华北平原水资源问题，但地下水仍处于超采状态，2014-2020年华北平原浅层地下水超采11.22亿立方米/年，深层地下水超采17.46亿立方米/年，主要分布于中部—滨海平原。
水循环演变也是地下水降落漏斗的原因。从上世纪80年代至今，华北平原地下水系统受到人类高强度、大规模的开发利用，华北平原地下水循环发生巨大变化。随着区域地下水位埋深的增大，区域降水入渗补给量增大、潜水自然蒸发量呈减小或消失的变化趋势，山前平原巨厚包气带致使降水入渗补给略有减少，并出现滞后现象。山区用水增多，地表水入平原量逐年锐减，同时山前水库的修建改变了地表水径流模式，80%的河流径流量被上游水库截留，增加了库区地表水蒸发，且下游大部分河流基本枯竭，河道渗漏量很少，渠系渗漏和地表水灌溉补给量增加，但总体上地表水补给量呈减少趋势。上世纪，随着工农业的迅猛发展，水资源需求量日益增加，形成了深浅层地下水的大面积、高强度立体开采格局。本世纪以来，随着各类环境问题的出现，人们环保意识的提高，以及国家出台一些相关政策以及南水北调通水，地下水开采程度有所减少并趋于稳定。目前，地下水总的流动趋势虽仍然保持从山前向渤海流动的天然状态，但导致天然局部地下水流系统消失，取而代之的是向地下水降落漏斗中心汇聚的局部地下水流系统。
三、地下水降落漏斗引发的生态环境问题
近40年的超量开采地下水，产生区域性地下水位不均匀下降，形成水位下降漏斗，从而诱发含水层疏干、地面沉降、地裂缝、地面塌陷、海水入侵、咸淡水界面运移、水质恶化、泉水干枯、湿地减少等许多生态环境地质问题。
华北平原地面沉降最早始于上世纪20年代，60年代中期至80年代中期整体进入快速发展阶段。80年代后期以来，各地对地面沉降管控力度不一，导致地面沉降差异性发展。华北平原是全国地面沉降最严重的地区，2018年严重区面积达5800平方千米，占全国严重区面积的99.8%，地面沉降防治形势严峻。据统计，全区大于200毫米的地面沉降面积达6.4万平方公里，北京地区地面沉降最大累计沉降量1.2米左右；天津地区地面沉降最大累计沉降量3.25米；河北沧州市地面沉降最大累计沉降量2.50米；山东德州市地面沉降最大累计沉降量达1.08米。地面沉降速率居高不下，主要集中在北京朝阳-通州、海淀-昌平，天津市西青、静海、津南，河北霸州、高阳、东光、南宫、曲周、肥乡、临漳等区域。地面沉降导致铁路路基、建筑物、地下管道等下沉、开裂，堤防和河道行洪出现危机，具有重要防洪作用的南运河部分堤段已经下沉了１米左右。据估计，整个华北平原地面沉降所造成经济损失达3300多亿元。
华北平原地下咸水分布剖面图。
随着深层地下水超强度开采，深层地下水头持续下降，在与浅层地下水位的巨大水头差驱使下，覆于深层地下淡水之上的浅层地下咸水向下移动，物探资料显示，下移速率0.87～2.61米/年。秦皇岛市海水入侵面积已达55平方公里，海水入侵内伸最远达65公里，使大量机井因水质变咸而停用，每年因海水入侵造成的机械设备腐蚀损失达396万元。地下水位下降引起岩溶塌陷，主要分布于唐山市区。据调查，从1920年到2000年的80年间唐山市岩溶塌陷共发生上百起。
上世纪50年代，华北平原湖泊洼淀密布，湿地连片，河北平原主要湖泊湿地水面面积有783.1平方千米。自上世纪60年代初至70年代末，由于水资源的过度开发、流域下垫面发生重大变化、上游建设大量水利工程和不适当的土地开垦等原因，天然湿地开始逐渐消亡，湿地面积大幅度减少，河北平原主要湖泊湿地水面面积减少到187.7平方千米。上世纪80年代末期，由于气候变暖，降水量减少、蒸发量增大，生产生活用水量急剧增加，地下水严重超采，地下水位大幅下降，再加上城镇化发展挤占湿地面积，使湿地进一步萎缩，河北平原主要湖泊湿地水面面积仅有109.8平方千米。上世纪末，河北平原主要湖泊湿地水面有所恢复，为158.8平方千米。目前，华北平原尚能维持一定水面的主要湿地，有青甸洼、黄庄洼、七里海、大黄堡洼、白洋淀、团泊洼、北大港、衡水湖、大浪淀、南大港等，其他大部分湿地都已退化或消失。
四、地下水降落漏斗也有正面效应
区域地下水位下降，产生地下水降落漏斗，也出现了盐碱地消失、地下空间安全、促使洪水资源化、减少洪灾等方面的正效应。
区域地下水位下降促使盐碱地面积逐渐缩小。上世纪５0年代之前自然状态下的华北平原地下水位埋深较浅，盐碱地分布较广，自然生态环境不利于农作物的生长。由于大规模开采地下水，大部分地区地下水位埋深已超过4米，地下水蒸发浓缩作用受到控制，盐碱地面积逐渐缩小。1957年盐渍化土壤约占河北省平原总面积的69.2%，而到2005年盐渍化土壤约占河北省平原总面积的18.9%。盐碱地的发生、发展与水的关系十分密切，潜水参加成壤作用，是导致土壤盐碱化的重要原因之一，潜水位的埋深与土壤盐渍化之间是负相关。建国以来随着水资源利用方式的改变，盐碱地分布也经历了扩大～缩小～扩大～缩小的反复变化。上世纪50年代初，抗旱修渠引水灌溉，引起大面积土壤次生盐碱化，灌区被迫停灌后盐碱地面积才逐年缩小。而1958～1961年为了解决缺水问题，大规模引黄济卫，大搞平原水库，使盐碱地面积大幅度增加，河北省盐碱地面积从不到100万亩增加到2300万亩。
地下水位下降促使洪水资源化。华北山前平原浅层地下水大量开采，浅层地下水位下降，滹沱河、沙河和永定河等冲洪积扇区腾出较大的地下可调蓄库容，利用河床行洪期对地下水的补给实现洪水资源化，一方面可以增加地下水资源量，恢复被疏干含水层的供水能力，另一方面还可以恢复恶化的水环境。1996年8月石家庄市出现了1963年以来罕见的特大暴雨，水库泄洪闸全部提闸泄洪，石家庄市地下水降落漏斗北部边界收缩4千米，漏斗区平均水位埋深比上年同期上升4.71米，漏斗中心水位回升6.58 米，漏斗面积缩小７％。1988年汛期在河道连续8年无水的情况下，黄壁庄水库开始泄洪，泄洪量8.78亿立方米，历时100多个小时后洪水才到达下游北中山水文站，实测水量为3.90亿立方米，河道损失量近50%。而20世纪五六十年代，此河段的洪水传播时间仅为15小时左右，河道几乎未产生渗漏损失，给下游造成了严重洪水灾害。
五、地下水大漏斗如何能变小
习近平总书记提出的“节水优先、空间均衡、系统治理、两手发力”的治水思路，坚持山水林田湖草沙是一个生命共同体，强调要用系统思维统筹山水林田湖草沙治理，坚决落实以水定城、以水定地、以水定人、以水定产的“四水四定”原则，坚持可持续发展理念，尊重水循环规律，发挥地下水资源属性、环境属性、生态属性，制定合理有效的防治措施，达到既满足经济社会供水需求，又最大限度地涵养地下水，恢复地下水资源及其地质生态环境功能，实现人与自然和谐共生。
华北平原深层地下水埋深及漏斗分布图。
优化多水源联合配置。华北平原主要利用的水资源有地下水、地表水、外调水、非常规水资源等，从供给侧角度出发，分析生态、生活、生产用水的需求特征，充分考虑地下水、地表水、外调水的分布和属性，合理配置水资源。在山前地区利用浅层地下水的更新能力和以丰补欠的特点，适当增加浅层地下水开采，同时避免地下水位上升对城市区地下空间的影响。节省出的地表水、外调水向中部—滨海平原调配，缓解深层地下水的压力，尽量把深层地下水开采控制在允许开采范围内，避免地面沉降等环境问题进一步发展。从南水北调供给城市和生态用水中调出部分水量，补充中部—滨海平原农业用水。要重视本地水资源之外的降水资源的高效利用，这部分水占本地降水资源的80%，一般补充土壤水和消耗于蒸发，是缓解华北平原供水矛盾的途径之一。充分挖掘微咸水开采潜力，用于农业灌溉，置换深层地下水开采。
合理利用地下水资源。尊重水循环的自然规律，充分利用地下水分布广、水质好、调蓄能力强的特点，合理利用地下水资源。山前平原分布有一系列的冲洪积扇，含水层厚度一般较大，颗粒较粗，地下水埋藏深，具备很大的调蓄空间，经计算有300-500亿立方米的调节库容，充分利用当地的地表洪水、水库弃水和外调水的余水，采用河道拦蓄、渗水廊道、渗水坑、渗水井等回灌工程，开展地下水回灌，城市区利用公园、绿地、生态景观区等开展雨洪增渗，增加浅层地下水补给，提高浅层地下水供水能力。充分把握以维持地下水基本资源功能和生态环境保护为目标的临界阈值，合理规划地下水开采布局，大中型城市城区浅层地下水位埋深应大于15-30米，保护地下空间利用安全；中部－滨海平原区浅层地下水位埋深应大于3-５米，避免土壤盐渍化回弹，深层地下水头埋深应控制在40-60米，防止地面沉降继续发展。
提高全民节水意识。树立节约用水、合理用水的社会风气，建立节水型经济和节水型社会。建立节水型农业，发展农艺节水，采用喷灌、微灌等先进节水措施实施节水灌溉，提高单方水粮食生产能力，调整农业种植结构，发展旱作植物。提高工业用水利用率，减少污水排放，调整产业结构和工业布局，发展低耗水工业，开发和推广节水生产技术，降低工业万元产值用水量，提升工业循环用水和污水处理能力，充分利用再生水资源，创建节水型工业和节水型城市。市政建设要加强输水管网建设，减少城市输水管网和用水器具的漏水，逐步实现分质供水，合理利用优质水资源。加大节水用水的宣传，避免公共用水浪费。
强化地下水资源管理。优化地下水与地面沉降立体监测网络，构建地下水风险识别—预警—防控技术体系，把降水、地表水、地下水、非常规水、外调水作为一个整体周期调整水资源配置方案，实行水权动态管理。建立用水精确计量、节水补贴、用水价格调节、水权流转、控制污染排放等长效机制和激励机制，因地制宜，分区管控，依法依规管理水资源。
文章来源：长城新媒体、翼云
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