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近40年来华北平原地下水位演变研究及其超采治理建议

花匠小妙招
2025-01-03 00:48

1 引言

华北平原是中国人口最密集、经济最发达的地区之一，是重要的粮食生产基地，但同时又是水资源最为短缺的地区之一(邵景力等，2009；吴爱民等，2010；李文鹏等，2020)。自20世纪70年代末以来，地下水开采强度不断增大，地下水位持续下降并形成巨大的地下水降落漏斗(王晓光等，2019)，同时引起了地面沉降、湿地退化、海水入侵等一系列的环境地质问题，成为制约该地区可持续发展的瓶颈(张光辉等，2004；石建省等，2014；朱菊艳等，2014)。近年来为了解决华北地下水超采问题，国家与地方实施了地下水减采、南水北调补水等一系列措施，并取得了积极成效(李文鹏等，2020；Zhu，2020)。基于地下水在华北平原的重要战略地位，地下水位变化特征及地下水超采治理对策研究一直受到学者的持续关注，取得了一系列瞩目的研究成果。

地下水位演变研究方面，张宗祜等(1997a,b)认为20世纪50年代以来，人类活动导致华北平原水动力场发生明显变化，使得补给量减少，咸水可能下移(Liu，2001)。费宇红等(2009)和卫磊等(2019)研究也表明，华北平原区自20世纪60年代以来地下水位下降的主要动因为人类活动，农业灌溉开采地下水是其中重要的因素之一(胡春胜等，2002；Xu et a1．，2005；张光辉等，2013)；石建省等(2010)和钱永等(2014)分析华北平原多年水位变化状况，对比地下水资源量与开采量，认为华北平原地下水已无开采潜力，亟需开展相关措施解决华北水位危机。在地下水超采治理对策方面，相关专家及学者提出了针对性建议，例如谢新民等(2007)提出对华北地下水位划出蓝线与红线，以此来为地下水位的控制提供依据。邵景力等(2009)( Shao et a1．，2013)通过模拟等手段分析地下水对环境的控制作用，确定了华北地区地下水水位恢复阈值，并预测南水北调工程会对水位恢复起到重要作用(崔亚莉等，2009；赵辉等，2010；Zhang，2018)。王贵玲等(2007)则提出可在山前冲洪积扇区实施地下水回灌工程以缓解华北地下水超采问题(许广明等，2009;张兆吉等，2009b)。张光辉等(2011)则认为优化调整产业结构，大力发展节水技术同样起到重大作用(Zhang，2003；Yu et a1．，2020；Yuan，2021)，通过轮耕、休耕等调节种植方式技术可以有效减少地下水使用(Wu，2019；Sun, 2019；Liu, 2020).

华北平原作为全国研究程度最高地区之一，地下水位演变及超采治理对策研究成果丰硕。但是近年来，随着地下水超采治理持续推进、南水北调工程通水以及华北主要河道实施生态补水，华北平原地下水环境发生了重大变化，亟需针对变化条件下的地下水流场现状及长序列的演变进行对比分析，研究地下水位的演化规律，针对地下水位持续下降和降落漏斗问题，提出地下水减采与生态补水等对策措施，为华北平原地下水超采治理及降落漏斗修复提供地质支撑与科学依据，支撑地下水资源合理开发与管理。

2 研究区概况

华北平原西依太行山、北靠燕山，东临渤海，南界黄河，包括北京、天津、河北平原全部以及黄河以北的豫北、鲁北平原区，面积约13.9×104 km2(张光辉等，2011；李文鹏等，2020)。该地区地处半干旱、半湿润大陆性季风气候区，降雨多集中在7-9月，多年平均降水量500～600mm，滨海地区降雨较多，可达600～700mm(张宗祜等，2000；吴爱民等，2010；张达，2017)。蒸发量随着气温升高而增加，大致随纬度增加而降低。降水和蒸发时空分布不均，对本区地下水资源及地下水环境产生直接影响：近几十年来，华北地区降雨量与蒸发量总体呈逐渐减少的趋势，其中京津冀地区年均降雨量与蒸发量从20世纪80年代的572mm和1159mm分别减少至2000年后的501mm与1060mm。

华北平原属海、滦河及黄河水系，发育大小河流近60条，近几十年来地表水资源量显著减小，根据2019年完成的京津冀地区地表水及地下水资源评价，京津冀地区地表水资源量已从20世纪80年代前的172.30×108 m3减少至2000年后的78.4×108 m3，受山区水库截留及地表水过度开发影响，平原区河道逐渐变得常年无水（刘中培等，2012），平原区滦河、潮白河、永定河、滹沱河4条主要河流总流量由20世纪50年代的135.98×108 m3降至2000年的42.91×108 m3，主要河流断流天数由20世纪60年代的69d增加至2000年的273d。

2014年南水北调中线工程向华北平原供水，截至2021年，累计向北京供水62×108 m3，向河北供水超过100×108 m3，向天津供水60×108 m3。南水北调供水后，华北平原部分地区的地下水位得到明显回升，其中北京市地下水位最大回升超过11m(王树芳等，2019)；石家庄市域内滹沱河补水段下段水位回升6.1m，2019年较2015年滹沱河超采区地下水位平均回升5.93m(崔向向等，2020；田夏等，2021)；2020年年底河北省2/3以上的超采县地下水位下降得到一定遏制。

华北平原区地势平坦，海拔不超过100m，自北、西、南西3个方向向渤海湾倾斜，坡度从山前1‰～2‰变化至东部临海平原的0.1‰～0.2‰(张兆吉等，2009a)。在地质构造方面，华北平原隶属于中朝准地台的华北断拗，区内第四纪地层可划分为全新统、上更新统、中更新统、下更新统(陈望和，1999;张兆吉等，2009a)。按成因和形态特征可分为山前冲洪积倾斜平原、中东部冲积平原和滨海冲积海积平原(张宗祜等，2000)。

在含水层划分上，华北平原地下水主要赋存于第四系孔隙地下含水岩系中，根据其埋藏特征和水力性质，自上而下可划分为4个含水岩组，第Ⅰ含水层组为开放式的浅层地下水，埋深为40—60m；第Ⅱ至第Ⅳ层为具有承压性质的深层含水层组，埋深分别为120～170m、250～350m与350～550m(陈望和，1999；张宗祜，2005)。在山前平原区，第Ⅰ和第Ⅱ含水层组已混合开采，将这二者统称为浅层地下水，第Ⅲ和第Ⅳ含水层组为深层地下水(陈望和，1999；费宇红等，2009)。在中东部平原，浅层地下水主要赋存在第Ⅰ含水层组，微咸水、咸水广泛分布，深层地下水主要赋存于Ⅱ、Ⅲ含水层组，为主要开采层。

在水资源利用方面，华北平原供水由地表水、地下水、再生水、雨水和海水淡化等共同组成，但是地下水是主要的供水水源，而在地下水供水量中，又以浅层水供水量为主，其占地下水供水量的78.1%。地下水的过度开采造成地下水水位逐年下降。

3 研究方法及数据来源

2019-2020年由中国地质科学院水文地质环境地质研究所和中国地质调查局天津地质调查中心牵头，北京市地质环境监测总站、天津市地质环境监测院、河北省地质环境监测院、河南省地质环境监测院、山东省地矿局第二水文地质工程地质大队、山西省第三地质工程勘察院共同参与，完成两期华北平原高密度地下水位统测，统测25158点次（含国家地下水监测工程3918点），其中浅层地下水16792点次，深层地下水8366点次。在山前平原、中部平原等重点区统测密度达到9点/100km2，东部平原区统测密度达到6点/100km2，滨海平原区、鲁北平原区统测密度达到5点/100km2。

系统收集《华北平原地下水可持续利用图集》及《华北平原地下水资源可持续利用报告》中1980年和2005年水位数据，以及北京市地质环境监测总站、天津市地质调查研究院、河北省地质环境监测院的2014年水位数据。掌握了国家气象局海河流域范围内1956-2020年56个站点的逐月降雨数据，河北气象局1956-2020年的175个站点逐月降雨数据；整理汇总河北省地质环境监测报告中2001-2015年开采量数据，北京、天津、河南、山东各省水资源公报及2000-2018年海河流域水资源公报等相关数据。

综合以上数据及资料，绘制2019年及2020年华北平原地下水位埋深及水位标高等值线图，圈定了地下水位降落漏斗分布范围；系统分析了1980-2020年地下水流场变化状况，编制了1980-2005年、2005-2014年、2014-2020年深、浅层地下水位变幅图；针对不同典型地区进行了长序列的地下水位动态规律研究，全面分析了华北平原近40年水位变化状况。

4 结果与讨论

4.1 2020年华北平原地下水流场现状

4.1.1浅层地下水流场

华北平原浅层地下水埋深在东西部有较大差异。考虑地下水位埋深和水文地质条件的差别，自西向东，将华北平原分为“西部山前冲积扇”、“冲洪积扇缘”以及“中东部平原”3个典型区域进行分析。

西部山前冲洪积扇区，主要包括永定河冲积扇、拒马河冲积扇、沙河—唐河冲积扇、滹沱河冲积扇、滏阳河冲积扇及漳卫河冲积扇，地处京广铁路以西的“北京—保定—石家庄—邢台—邯郸”一线，浅层地下水位埋深10～40m，呈现南北水位埋深小，中部埋深大的分布规律，地下水位标高15～45m，北部水位低，南部水位高。其中北部“北京—廊坊”一带浅层地下水位埋深10～20m，水位标高15～30m；中部“保定—石家庄—邯郸—邢台”一带地区埋深稍大，为20～40m．水位标高15～45m；南部“安阳—焦作”一带水位埋深0～20m，水位标高为30～45m。

冲洪积扇缘区，主要位于京广铁路沿线两侧区域，浅层地下水位埋深40—70m，此区域主要以农业区为主，地下水开采强烈，最低水位标高小于-30m。自北向南，沿着扇缘形成“雄县霸州漏斗”、“高蠡清—宁柏隆漏斗”、“平乡—曲周漏斗”、“邯郸肥乡—广平漏斗”等7个浅层漏斗群，总面积达1.57×104 km2，山前地区各浅层地下水降落漏斗边界不明显，呈现复合连片趋势，其中“高蠡清—宁柏隆漏斗”面积最大，达到了0.95×104 km2，漏斗中心最大水位埋深达103.19m，位于河北省柏乡县。

中东部平原区，主要涉及天津、沧州、衡水、德州等地。浅层地下水埋深较小，一般在0～10m，水位标高0～15m。多为咸水、微咸水，地下水开采较少，水位处于自然波动状态。

4.1.2深层地下水流场

华北平原深层地下水受开采影响，平原中部与周边水头存在较大差异。根据深层地下水头埋深的变化特征，将华北平原自周边到中部划分为“太行山前平原”、“滦河三角洲”、“山东鲁北地区黄河北岸平原”、“豫北地区黄河北岸平原”及“中东部平原”5个典型区域进行分析。

深层地下水头埋深从平原周边至中东部平原逐渐增大。平原周边地区由于水文地质条件和深层地下水开采程度差异，深层地下水水头存在一定差别：太行山前平原深层水头埋深范围在10～40m，水头标高范围-15～15m；滦河三角洲水头埋深较浅，为0～25m，水头标高-30m～0；鲁北地区黄河北岸平原深层地下水开采量较小，埋深相对较浅，为5～20m，水头标高-25～0m；豫北地区黄河北岸平原层水头埋深为5～30m，水头标高0～40m。

受农业灌溉强烈开采影响，中东部平原深层地下水头埋深大，形成面积2.38×104 km2的“天津—沧州—衡水—德州复合漏斗”，其中漏斗边界附近的“天津—廊坊—邢台东部”一带，深层地下水头埋深相对较浅，范围在50～80m，水头标高在-90～-45m；漏斗中心的“巨鹿—新河”、“衡水阜城—德州”、“沧州”、“黄骅”4个漏斗中心水头埋深平均90～120m，其中最大水头埋深达到135.78m，位于衡水景县。

华北平原深层地下水位低于黄海海平面(0m水位标高等值线)的范围达到了9.02×104 km2，占华北平原总面积的65%。

4.2 近40年来华北平原区域地下水位演变特征

近40年来，华北平原地下水开采量总体呈现先升后降的趋势，以京津冀平原为例，2000-2010年地下水开采量达到历史最高，年均159.22×108m3/a，2014年后，随着地下水超采治理推进和南水北调中线工程供水，地下水开采量显著下降，2019年地下水开采量降至96.97×108m3/a。受地下水开采量变化影响，地下水位在不同历史阶段变化规律存在明显差异，可分为3个阶段：1980-2010年地下水开采量激增，水位快速下降阶段；2010-2014年开采量总体居高不下，水位加速持续下降，但部分城市启动地下水压采工作，局部地下水位呈现止跌回升；2015-2020年，地下水超采治理及南水北调供水持续推进，城市区水位上升明显，但农业区水位仍持续下降，城区和农业区水位变化差异程度逐渐增大。

4.2.1浅层地下水位演变

华北平原西部浅层地下水位总体呈下降趋势，近40年来水位累计降幅20～60m，其中山前平原北部降幅0～10m，山前平原中部的“保定—石家庄—邢台—邯郸”冲洪积扇缘一带水位降幅最大，累计降幅达到40～60m，山前平原南部豫北平原水位降幅较小，在10～20m；平原中东部浅层地下水呈现自然波动状态。

浅层地下水位在不同历史阶段呈现差异变化。1984-2005年，平原大部分地下水水位都处于下降状态，其中西部太行山前平原的“北京—保定—石家庄—邢台”等地区浅层地下水开采量最大，2000-2005年均开采模数为(1.02～1.69)×105m3/a．km2．水位降速达到1～2m/a； 2005-2014年，西部山前平原浅层地下水开采量持续居高不下，年均开采模数为(0.97～1.47) ×105m3/a．km2，其中“保定—石家庄—邢台”冲洪积扇缘一带水位降速为1～2m/a，局部地区降速达到3m/a；2014-2020年，由于南水北调供水及生态补水工程的实施，西部山前冲积扇上大中型城市及主要河道影响带水位出现回升，但目前的生态补水方式相对粗放，水位下降速率最大的冲洪积扇缘处水位降速仍达到2～4m/a，农业灌溉开采地下水是造成扇缘处水位持续下降的主要原因。

4.2.2深层地下水位演变

近40年以来，华北平原区深层地下水头总体呈大幅度下降趋势，其中下降幅度最大区域位于平原中东部的“天津—沧州—衡水—德州”一带，累计降幅40～90m，其中衡水—德州地区降幅达到90～110m；平原周边的燕山山前平原、太行山山前平原以及黄河北岸鲁北平原，深层地下水位降幅相对较小，其中，太行山山前平原降幅20～40m，滦河三角洲地区水头降幅0～30m，豫北平原水头降幅20～40m。

近40年来华北平原不同时期深层地下水位变化存在明显差异。1980-2005年，华北平原深层地下水头呈现快速下降状态，其中平原中东部的衡水、沧州等地水头降速最大，达到3～4m/a，地下水开采模数达到0.58×104 m3/a．km2，农业开采量占比约70%，农业灌溉开采地下水是本区水头快速下降的主要原因；黄河北岸鲁北平原降速相对较小，为1～2m/a，农业灌溉主要依赖引黄灌溉是本区水头降速较小的主要原因。2005-2020年，华北平原深层地下水水位下降速率呈差异化发展。中东部平原受农业开采影响，开采模数依然为全区最大，达0.59×104 m3/a．km2，农业区水位仍呈快速下降趋势，下降速率达到2～4m/a；由于早期沧州、天津等城市针对地面沉降防控开展封填井以及2014年后开展地下水超采综合治理、南水北调水源替换工程，主要城区地下水位回升较为明显，水头上升速率1～2m/a。

4.3 典型地貌单元地下水位动态变化特征

4.3.1浅层地下水位动态变化

华北平原由西部山前冲洪积扇至中东部平原，浅层地下水位在不同时期呈现不同的动态变化特征。山前冲洪积扇地区地下水位在2000年之前处于持续下降状态，2000年之后水位逐渐减缓呈现小幅抬升。以潮白河冲洪积扇上典型浅层地下水监测井Sl01（北京市河南村）为例，2000年之前，受地下水开采影响，浅层地下水位持续下降，降速为0.15m/a，2000-2014年，国家相关部门逐渐重视地下水资源保护和水位恢复，地下水超采治理工作逐步开展，地下位止跌并呈现小幅回升，水位埋深年均上升0.4 m，2014年后，随着南水北调工程供水，以及地下水压采工作推进力度增大，浅层水位继续上升，年均上升0.6m/a。

冲洪积扇缘地区地下水位2014年之前呈现持续下降趋势，2014年后降速减缓并逐渐平稳。以滹沱河冲洪积扇缘处的石家庄高邑监测井为例，自2000-2014年，地下水开采强度大，浅层地下水位下降速率增大为3m/a，农业灌溉开采是造成水位下降的主要原因，2015年后由于南水北调工作的推进，城市生活及工业用水逐渐被南水北调水源置换，地下位变化主要受到农业灌溉季节性开采地下水的影响，表现为震荡缓慢下降。

中东部平原地区浅层地下水以咸水、微咸水为主，开发利用极少，水位动态特征主要表现为缓慢波动趋势。以沧州市区浅层监测井为例，2000年之前，水位埋深基本维持在1.5m处上下波动，2000年后水位总体呈现抬升趋势。

4.3.2深层地下水位动态变化

华北平原东西部深层地下水头变化差异明显。西部山前平原深层地下水头2000年之前以持续下降为主，近年来水位基本保持稳定或局部小幅抬升。以太行山前平原北段的北京监测井为例，深层承压水水头自1990-2000年呈现快速下降趋势，累计降幅20m，城市及农业的强烈开采是主要原因；2001-2014年深层水位小幅下降，2014年后随着南水北调工程及地下水压采工作深入推进，该监测井水头回升较为明显，2015-2019年地下水头上升7.2m，年均上升1.8m。太行山前平原中段雄安新区的深层地下水监测井水头呈现持续下降趋势，2014年之前深层水头降速为0.8m/a，2014至今，受到南水北调置换深层地下水开采以及近年来的河道生态补水的影响，深层地下水头降幅减缓明显。

中东部平原深层地下水头动态特征总体表现为震荡快速下降趋势，表明水头变化主要受到季节性农业灌溉开采影响。以衡水市东部景县典型深层地下水位监测井为例，1994年至今深层地下水头持续下降，水头埋深累计增加近70m，年均水位下降速率达到2m/a。同样，沧州南皮县的深层水头观测井也显示，深层地下水头呈持续快速下降趋势，并且2000年以后，年均下降速率由之前的0.6m/a增加至1.1m/a，下降速率增加了近1倍，近30年累计降幅达到60m。农业灌溉无替代水源，依赖超采地下水是造成中东部平原深层地下水头持续下降的关键因素。

5 结论

(1)近40年来，华北平原地下水长期超采导致水位显著下降，形成规模巨大的降落漏斗，地下水超采治理后地下水位下降趋势有所减缓，但地下水降落漏斗范围仍有扩大，且呈连片趋势发展。

(2)华北平原东西部浅层地下水呈现差异化发展，20世纪80年代至2014年平原西部浅层地下水持续快速下降，累计降幅达20～60m，太行山前“保定—石家庄—邢台”冲洪积扇缘一带水位降幅最大，累计降幅达到60～70m； 2014年地下水超采治理和南水北调工程供水后，西部山前主要城市水位止跌回升；深层地下水头20世纪80年代至2014年，总体呈下降趋势，中东部地区水头降幅度最大，累计降幅40～90m，其中衡水、沧州地区水头下降幅度最大，降幅为90～110m； 2014年后城市区与农业区深层地下水头呈差异化发展，城区水位回升明显，周边农业区仍呈下降趋势。

(3)地下水超采治理、南水北调供水、河湖生态补水及农业节水等措施已初见成效，以城区为主的地下水位已经止跌并小幅回升，但地下水长期采补失衡形成的地下水位降落漏斗规模依然巨大，需通过进一步实施相关治理及修复措施，以实现采补平衡和地下水位逐步恢复。

6 建议

华北平原地下水超采治理及降落漏斗修复已开展大量的研究工作，但仍存在诸多问题，主要包括：地下水超采区水位恢复的控制目标亟待明确；地下水超采治理亟需精细化治理方案；地下水超采治理评估的监测体系尚待优化；地下水超采治理措施以控采为主，增补及水源置换等相关研究不够。因此，为进一步遏制华北平原地下水位持续下降态势，实现地下水采补平衡，支撑地下水超采及漏斗的精准治理和修复，提出以下建议：

(1)以地下水头降落漏斗治理和水生态环境改善为目标，开展超采区水位恢复阈值研究。浅层地下水位恢复阈值应主要考虑浅层地下水位降落漏斗修复目标水位、大中型城市地下空间安全保障水位、中东部平原土壤盐渍化防控水位以及湿地生态维系水位等因素研究设置目标水位。深层地下水头恢复阈值则需重点考虑深层地下水漏斗修复和地面沉降防控需求，按地面沉降严重、较严重、一般沉降区分别研究设置目标水位。

(2)以实现采补平衡和地下水位逐步恢复为目标，研究华北平原地下水超采精准治理方案。浅层地下水建议采用地下水减采和回补协同方案；深层地下水建议采用地下水减采和多水源置换分阶段推进方案，可在中东部平原沧州、衡水等地着力推进以咸置淡，充分利用浅层微咸水、减少深层淡水开采，同时考虑南水北调东线二期工程地表水置换深层地下水。依据水利部等四部委《华北地区地下水超采综合治理行动方案》，力争2035年实现采补平衡，2050年达到水位恢复。

(3)优化地下水监测网，支撑地下水超采治理实时监测评估。统筹国家地下水监测工程和各省（市）地下水和地面沉降监测站点，根据地下水超采区、地下水位降落漏斗区和地面沉降区分布特征，开展监测网优化，充分利用物联网、云平台等新技术，构建“水位—水量—水质一体化在线化监测评估体系”，实现地下水超采治理效果实时监测评估。

(4)充分发挥南水北调工程作用，加快华北地下水超采综合治理。充分运用南水北调中线工程地表水库、地下水水库开展联合调蓄，在山前冲洪积扇卵砾石区带、粗砂含砾石区带以及平原古河道带，可采用人工坑塘及天然河道等回补靶区，进行本地地表水、南水北调中线供水、雨洪水等多水源联合高效回补；在中东部地区，结合南水北调东线二期工程，探索在深层地下水降落漏斗中心区及地面沉降严重区进行井灌加压回补，同时研究南水北调中东线二期工程用于农业灌溉可行性，加强从干渠到田间的灌溉渠网规划建设，逐步置换农业灌溉开采水源，减少深层地下水开采。

摘自《中国地质》2021年4期