海河流域是一個嚴重缺水的地區,地下水作為流域農業、工業和城市生活用水的主要來源,對海河流域社會經濟的發展起著關鍵作用。本文從流域整體觀念出發,系統分析流域平原城市群分布及其對地下水資源需求的特點,劃分城市和地下水組合的類型,選擇典型城市,運用恰當的分析模型,對城市區域的地下水可持續利用問題進行深入研究,以期為確定海河流域城市地下水的恢復與管理措施和模式提供依據。

　　一　海河流域平原區的城市及其地下水資源狀況

    按照海河流域地下水資源分布的特點,可以將海河流域平原區的城市劃分為山前平原、中部平原和濱海平原三種類型。其中,山前平原城市大都坐落于太行山和燕山山麓地帶,包括邢臺市、邯鄲市、石家莊市、保定市、北京市、唐山市等一系列特大、大及中小城市。山前平原是一個全淡水區。該區具有補給多元化,垂向水力聯系好,排水暢通,水質良好,地下水資源豐富的特點。各山前平原城市對地下水的開采以第一、二含水組為主,總的來說地下水采補平衡關系打破得較晚。

    中部平原城市坐落于海河流域中部的沖積、沖湖積平原,包括廊坊市、衡水市、滄州市等中小城市。中部沖積平原是一個有咸水區。該區水力坡度減小,滲流微弱,埋深變淺,蒸發變強,以垂向水循環交替為主,咸、淡水并存,地下水資源一般。中部平原城市一般規模不大,但密度較大,主要開采第一、三含水組和深層的地下淡水。地下水采補平衡關系的打破與地區地下水灌溉農業和城市的快速發展有關。

    濱海平原城市坐落于濱海沖積、海積平原,包括天津市、秦皇島市等。整個濱海平原區地勢低平,水力坡度僅為0. 10‰ - 0. 25‰,導水系數一般小于50m2 /d,海相地層較發育,淺層潛水- 微承壓水基本為咸水,僅局部地段有薄層淡水透鏡體,為咸水分布區,但深層為一淡水地下水系統。處于海河流域下游的濱海平原,具有排水不暢,地下水埋深小,蒸發強烈,礦化度大,水質差,地下水資源缺乏的特點。濱海平原城市以開采深層地下淡水為主,同時利用有限的淺層地下淡水和微咸水。由于地下水資源有限,需求又大,所以開采地下水引發的環境問題出現得比較早。

    為使研究更具針對性,在下文的討論中分別選擇山前平原城市石家莊市(太行山山前)和唐山市(燕山山前) 、中部平原城市衡水市和滄州市、濱海平原城市天津市作為各類型城市的代表。

　　二　海河流域典型城市地下水資源利用狀況評價方法

     1.評價模型

    “壓力- 狀態- 響應”( PSR)概念模型是用于評價一個國家和地區可持續發展水平的、著名的國際通用模型[ 1 ] 。其中,壓力指標用以表征那些造成發展不可持續的人類的活動和消費模式或經濟系統的一些因素;狀態指標用以表征可持續發展過程中的各系統的狀態;響應指標用以表征人類為促進可持續發展進程所采取的對策。由于該框架模型突出了環境受到的壓力和環境退化之間的因果關系,與可持續發展的環境目標密切相關,因而受到了普遍接受[ 2 ] 。因此,該模型是一個開展地下水資源可持續利用問題研究的有力工具[ 3 ] 。

    2.基于壓力- 狀態- 響應概念模型的地下水評價指標

    鑒于近年來社會經濟活動對地下水資源干擾加劇的趨勢,本研究重點考慮社會經濟系統與地下水系統之間的“壓力—狀態—響應”循環關系,并建立相應的評價指標體系,如表1所示。　

 

 

三　評價結果與分析

    1.城市地下水資源壓力分析

    圖1顯示了所選5個城市淺層地下水資源的狀況。從中可以看出,山前平原城市石家莊市和唐山市的地下水資源條件明顯優于中部平原城市衡水市和滄州市,而后者又好于濱海地區的天津市。城市地下水資源系統壓力從大到小的順序依次為天津市、滄州市、衡水市、石家莊市和唐山市。1950年后尤其是1980年以后這些城市在人口、經濟方面的長期持續增長使得地下水的供需矛盾變得十分突出,近些年上述5城市的年缺水量均在50%以上。以2003年1 - 6月的情況為例,石家莊市、唐山市、衡水市、滄州市的水資源供需比依次為0138、0. 48、0133、0. 37,缺水程度嚴重。這種缺水狀況,使得城市地下水的開采量長期居高不下,遠遠超出了當地地下水資源的承載能力。同時,這一壓力又因各個城市人口、經濟和地下水資源存在的差異而不同,并可進一步區分為資源脅迫型和污染脅迫型兩種類型。由人口、經濟和城市化帶給地下水系統的壓力主要反映在資源量上,可稱這種來自社會經濟系統的壓力為資源脅迫型壓力。此外,作為人口、經濟高度密集的城市,在其正常的運轉中要產生大量的廢棄物,它們尤其是廢水向自然界的排放和農用化學物質的大量施用,將直接威脅到地下水系統的質量,可稱這種來自社會經濟系統的壓力為污染脅迫型壓力。2002年城市地下水監測數據表明,在各城市均存在著不同程度的超標現象,總硬度污染主要集中在石家莊,超標率為61. 5%;氟化物污染主要集中在滄州和衡水,超標率分別為71. 0%和13%;唐山存在六價鉻污染,超標率為23%。上述兩種壓力交織在一起,一同改變著城市地下水資源的質量、數量以及地下水環境的質量。

 

    2.城市地下水資源系統狀態分析

    如上所述,海河流域地下水資源系統在流域社會經濟發展的同時,承受著巨大的壓力,被長期超量開采,由此導致地下水資源系統狀態發生了一系列的變化。變化之一是平原區大面積的地下水位持續下降, 1965 - 1998 年不同區域下降幅度在4 - 20米。淺層地下水水位的變化規律為從山前平原到濱海平原,水位埋深逐漸減小。2001年底,石家莊市、唐山市、衡水市、滄州市平均水位埋深依次為33. 57米、17.35米、4.19米、3.14米。深層地下水水位的變化規律為從濱海平原到山前平原,水位埋深逐漸減小。2001年底,滄州市、衡水市、唐山市、石家莊市平均水位埋深依次是62.52 米、56.40 米、44.58米、27.37米。變化之二是在流域的山前平原至濱海平原,形成了常年性大面積的、以城市為中心的淺層、深層地下水水位降落漏斗。所選5座城市分別是5個典型的漏斗中心。但是各城市漏斗中心在水平方向和垂直方向均呈現不同的發展態勢,具體情況如表2所示。　　

 

 

    其中淺層地下水漏斗主要沿弧帶狀山前平原呈串珠式發展,石家莊市和唐山市分別是山前平原的兩個主要淺層地下水水位漏斗中心,深層地下水漏斗在中東部平原呈片狀,并相互連接向著大型復合型漏斗方向發展,天津市、衡水市和滄州市分別是中東部平原的三個深層地下水水位漏斗中心。

    在外部壓力的作用下,地下水系統狀態的變化不僅僅表現在地下水位的降落單個方面,而是綜合反映在水質、水量和水文地質環境等三個方面,這種變化將把系統推向遠離平衡狀態或相向平衡狀態。綜合上面的數據可以看出,所選5城市的地下水系統正向著遠離平衡狀態方向發展,并表現出一系列包括地面沉降、水質污染、淡水咸化、海水入侵等在內的環境地質災害。許多研究對此已有報道,本文不再贅述。

    3.城市地下水資源系統響應分析

    按照PSR概念模型理論,地下水系統狀態的上述種種改變,進而又會影響到人類的社會經濟活動,社會經濟系統會對此做出種種調整措施,統稱為社會經濟系統對地下水資源系統的響應。根據這些響應對系統平衡狀態恢復的影響,可以將其進一步區分為正向反饋和負向反饋兩種類型。考慮到海河流域城市地下水資源系統全部超采的實際情況,任何有利于城市地下水恢復的政策、經濟、工程和技術措施都應視為具有正向反饋意義的響應,從這個意義上講,響應涉及的范圍非常廣泛。為使討論更具針對性,選擇5城市控制超采、域外引水的情況進行分析。為減輕本地的水資源緊張, 5城市幾乎都相繼實施了引水工程,其中石家莊市引崗南水庫、黃壁莊水庫供水工程,唐山市引灤供水工程,衡水市衡水湖擴建加大蓄水工程,滄州大浪淀水庫引黃河供水工程和引王快水庫八大浪淀工程,天津市引用灤河和黃河水。對于能夠直接減輕地下水資源壓力的控采措施來講,各城市的情況各不相同。

 

   4.城市地下水資源可持續利用狀況總體評價結果

    海河流域城市利用地下水的歷史悠久[ 5 ] ,不同的城市形成了不同的地下水利用模式[ 6 ] 。在石家莊等山前平原城市先是超采市域內地下水,而后發展為超采市域外地下水,目前又不得不進一步犧牲農業,靠山區水庫引水維持。在滄州、衡水等中東部平原城市也由原來(20世紀50 - 60年代)引用地表水,轉為開發地下水,到目前大量開采深層地下水或利用引黃水。在濱海城市天津,早在20世紀50年代就開始大量開采地下水,主要以深層地下水為主,至80年代達到高峰,到目前一方面繼續靠大量開采深層地下水和利用少量的微咸水,另一方面依靠引灤河水和引黃河水維持。從流域的層面看,則表現出城市依靠擠占農業用水發展,農業依靠犧牲環境維持,甚至城市依靠跨流域調水來發展(如引灤、引黃工程)的尷尬局面。總的來說,所選城市普遍存在地下水資源壓力過大,地下水資源系統狀態紊亂,自然環境對地下水系統的響應日趨成災,人為控制措施少而不力的特點。

　　四　結論

    地下水資源已經成為影響海河流域平原城市發展的主要因素。通過引入壓力- 狀態- 響應概念模型,對海河流域典型平原城市的地下水資源的持續利用狀況進行了評價與分析,以期為確定海河流域城市地下水的恢復與管理措施和模式提供依據。在對影響城市地下水可持續利用的各因素的分析中,將來自社會經濟系統的壓力進一步區分為資源脅迫型壓力和污染脅迫型壓力,將在外界壓力下系統表現出的狀態趨勢進一步區分為遠離平衡狀態或相向平衡狀態,并根據對系統平衡狀態恢復的影響將響應區分為正向反饋和負向反饋兩種類型。分析表明,在人口激增、城市持續快速發展的背景下,海河流域城市地下水面臨的主要是資源脅迫型壓力,長期超采使得城市地下水系統極其不穩定,大面積的以城市為中心的地下水位降落漏斗的存在表明系統正向著遠離平衡狀態趨勢發展。與上述系統狀態相,由于缺乏有力的控制措施來減輕壓力,造成了城市地下水系統與社會經濟系統之間的惡性循環。

 

    應當指出,本文所進行的討論存在著一定的局限性,因為,在自然界其它環境要素與地下水系統之間也存在著一種相對比較簡單的“壓力—狀態—響應”循環關系。在自然和人為二元作用模式下,地下水系統存在著一種更為復雜的“壓力—狀態—響應”循環關系。因此,充分考慮這種復雜關系的城市地下水利用應是進一步研究的內容。

【Abstract】　Based on the compositing characteristics of underground water resources and cities of Haihe River Basin, cities can be divided into three types - p iedmont p lain, median p lain and coastal p lain. Taking typ ical cities as the objective, app lyDrive - State - Response framework concep tmodel to evaluate the sustainable exp loiting situation of each urban underground water resources system. The result shows that for all selected cities the stress on underground water resources is over -heavy, the state of urban underground water resources system is chaotic, the response of natural environment on underground water resources system is being disastrous, and there are a few related control actions.
【Key words】　Haihe River Basin; urban underground water;Drive - State - Response model; sustainable exploiting of water resources

參考文獻

[ 1 ] 　葉文虎,仝川. 聯合國可持續發展指標述評. 中國人口、資源與環境, 1997 (3) : 83 - 87
[ 2 ] 　楊多貴,陳劭鋒,牛文元. 可持續發展四大代表性指標體系評述. 科學管理研究, 2001 (4) : 58 - 63
[ 3 ] 　夏軍. 可持續水資源系統管理研究與展望. 水科學進展, 1998(3) : 190 - 197
[ 4 ] 　海河水利委員會. 海河流域地下水資源現狀評價及典型區環境地質效應分析. 天津: 海河水利委員會, 2001
[ 5 ] 　譚徐明. 海河流域水環境的歷史演變及其主要影響因素研究.水利發展研究, 2002, 2 (12) : 15 - 20
[ 6 ] 　李文體,李永根. 河北省城市水資源開發利用存在問題及對策建議. 水資源保護. 2002 (4) : 33 - 35

 

〔收稿日期〕　2005 - 09 - 10
〔修回日期〕　2005 - 11 - 25
〔基金項目〕　中國博士后科學基金資助項目(2004035516) ;天津市高等學校科技發展基金資助項目(20031215) 。
〔作者簡介〕　張水龍(1970— ) ,男,漢族,山西洪洞人,天津大學建筑工程學院博士后,天津理工大學副教授,研究方向為水資源保護和河流生態。