西安地區水資源短缺的原因與對策

柳 嵩,張永戰

(南京大學地理與海洋科學學院,江蘇 南京 210023)

西安地區水資源短缺的原因與對策

柳 嵩,張永戰

(南京大學地理與海洋科學學院,江蘇 南京 210023)

調查了西安地區水資源情況,分析西安地區水資源短缺的原因。結果表明,西安地區水資源短缺是自然條件制約與人為因素雙重作用的結果,其中以自然因素為輔、人為因素為主。提出改善水資源短缺狀況的對策:保護水源地;嚴格限制地下水的開采;合理規劃和建設水利工程,構建水資源管理和水環境監測平臺;增加污水處理廠,提高污水處理技術。

水資源短缺;水源地保護;地下水開采;污水處理;水利工程建設;西安地區

西安位于關中平原地區中部,南臨秦嶺山地,北接黃土臺塬[1],城區位于渭河平原二級階地之上(圖1)。西安境內海拔差異顯著,南部有陡升的秦嶺斷塊,而北部是沉降的渭河斷塊。西安地區氣候為典型的暖溫帶季風型氣候,夏季受到東亞季風帶來的暖濕氣流影響,降雨充沛,為一年當中的雨季；冬季則受到亞洲大陸內部干冷的冬季風影響,氣候寒冷干燥。西安地區多年平均降水量約為600 mm,為半濕潤半干旱地區。西安市轄9區4縣,面積10 108 km2,常住人口約為800多萬,是我國西北地區重要的經濟、政治、文化和教育中心。

圖1 研究區地理位置

1 研究區水資源背景

西安舊稱長安,在古時有“八水繞長安”的說法:北部的渭河、涇河,東部的浐河、灞河,南部的滈河、潏河,西部的灃河、澇河。這8條河流都屬黃河水系的支流,其中渭河是黃河最大的支流[2]。但隨著氣候的變化、生態環境的破壞、工農業的快速發展,這些河流逐漸開始干涸甚至斷流,水污染情況愈發嚴重,水資源急劇短缺,古時秀麗的“八水繞長安”的勝景早已不再。

西安地處半濕潤半干旱地區,位于暖溫帶與亞熱帶界限的北緣,降水量并不算十分豐富,且受東亞季風的影響,全年降水量分布十分不均:夏季受到東亞季風的影響,秦嶺山脈南緣阻擋暖濕氣流北上,形成大量降雨,降雨量約占全年降水量的一半;而秋季受太陽輻射影響,冷空氣南下，與南部的暖濕氣流形成鋒面雨,但降雨量少于夏季;冬季干燥,降雨量最少,只占全年降雨量的3.7%。西安地區河川徑流的補給主要靠降雨,而降雨量分布不均易造成夏秋季澇災、冬春季旱災,對當地農作物帶來不利影響。據西安市統計局數據,2011年,西安市水資源總量為30.74億m3,天然地表水資源總量為25.84億m3。

1.1 天然地表河流狀況

流經西安地區的天然地表河流主要為“八水”,其基本情況見表1。

渭河發源于甘肅省渭源縣烏鼠山,是黃河第一大支流,是西安最大的過境河,在西安市區段長141 km,河床平均比降0.15%,多年平均徑流量102億m3,泥沙含量高。渭河上游水質較好,但在西安市區段水質迅速惡化。涇河發源于寧夏六盤山脈東麓,途徑寧夏、甘肅、陜西3省,于高陵縣涇渭堡匯入渭河,為渭河一級支流。由于涇河含沙量低于渭河,故在匯流處形成“涇渭分明”的局面。涇河流經西安市的河段較短,只有8.5 km。灞河發源于藍田縣灞源鄉東北箭峪南九道溝,平均比降0.6%,多年平均徑流量1.9億m3,主要支流有清峪河、網峪河和浐河,下游受驪山新構造抬升運動影響,水系不對稱,右岸支流多,左岸不斷側蝕白鹿原[3]。浐河是灞河的支流,發源于藍田縣紫云山南月亮石溝,納岱峪河、庫峪河之后,與灞河一起匯入渭河。浐河主河道平均比降0.99%。灃河發源于秦嶺山北部山脈,于咸陽市灃都鎮匯入渭河,平均比降0.82%。滈河(古稱洨河)發源于秦嶺山脈石砭峪,與潏河匯合后共同流入灃河。潏河是灃峪河的支流,主源為秦嶺北麓的大峪河,至灃河匯合處與滈河共同匯入灃河。澇河發源于秦嶺北麓澇峪溝,為渭河一級支流,河道平均比降0.95%。

“八水”為古長安的長久興盛提供了保障,但在近代作為交通樞紐、城市水源的作用幾乎消失,河流規模也在不斷萎縮。

表1 部分自然河流狀況

1.2 地下水環境狀況

關中平原南部位于渭河斷陷沉降區,地質構造為一系列斷層形成的地塹,正斷層居多,基巖為碳酸鹽巖與沉積巖,其上覆蓋著厚達數千米的洪積物、風積黃土、巖屑等。地表層廣泛出露的為第四紀粗顆粒沉積物和各階段黃土沉積,為地下水的賦存和運移提供了優良的環境(圖2)。根據西安市統計局資料,2011年西安地下水資源總量為18.76億m3。地下水作為地表水資源的重要補充,在調節徑流、補給工農業建設和居民用水等方面發揮了極為重要的作用。特別是在干旱半干旱地區,地表水、地下水的水循環交換作用顯得更加突出[4]。

圖2 研究區河流分布及地質簡圖

2 研究區水資源利用情況

盡管西安市擁有一定的水資源,但相較于城市的發展需求來說遠遠不夠。特別是在“八水”逐漸失去其基本功能的情況下,西安市水資源短缺問題日益嚴重。水資源短缺分為4種類型:資源型缺水、工程性缺水、管理型缺水和污染性缺水。西安地區水資源短缺并不是單一原因造成的,而是多方面因素綜合作用的結果。

2.1 天然水資源不足

從自然環境條件來看,西安地區多年平均降水量僅有600 mm左右,多年平均地表水資源21.77億m3,地下水資源量17.27億m3,除去二者轉化的重復量,水資源總量約26.66億m3,多年人均資源量不到350 m3,不到全國平均水平的1/2,更低于國際標準的絕對缺水線。且在近50年來,西安地區降水量總趨勢在逐漸減小,夏季減少量最多,冬季最小[5]。由于受到季風的顯著影響,全年降水分布不均的狀況沒有得到改變,南部由于秦嶺山脈的存在,降水量高于北部地區,使得降水的地區分布同樣不均。

2.2 水資源利用不合理,地下水過度開采

西安地區屬于資源型缺水地區,且在20世紀70年代后,隨著城市的擴張,外來人口的涌入,工農業用水、居民生活用水急劇增加,供水設施難以保證用水需求,政府一度鼓勵自主鑿井來應對用水荒的局面。1980年西安市地下水的開采量高達8 359萬 m3,在1990年則達到11 223.75萬 m3,遠遠超出可承受的開采量,西安地下水水位持續下降。1989—2002年地下水潛水位平均下降了5.7 m,平均每年下降約0.39 m。這種不加管控的盲目開采地下水,極大地破壞了自然狀態下的水循環,擾亂了降雨和徑流之間的補給關系。地下水潛水位降低,導致大氣降水首先滲透補充地下水,而河流得不到足夠的降水補給,導致地表徑流量逐年減少,地下水和河流的補給關系由相互補給變為單方面補充,從而進一步破壞了當地自然水循環條件,最終打破了生態系統的平衡。

2.3 水利工程設施的作用沒有充分發揮

盡管秦嶺山中興建了大小水庫近百座,但是這些水庫所供水僅占地表水資源總量的7%,沒有充分發揮水庫防洪、調蓄、灌溉和供水的作用。隨著社會經濟的快速發展和城市人口的迅速膨脹,工農業用水量急劇增加,水資源供需矛盾越來越突出,需要興建水利工程來緩解水資源供需矛盾。20世紀90年代后期，西安開始興建黑河引水工程,該工程于2001年建成,每年直接向市區供水約3.05億m3,暫時緩解了西安市區生活用水短缺的狀況[6]。

水利工程設施的興建對水資源利用有一定幫助,但同時對天然水體的凈化及良性自循環造成一定的不利影響。如,三門峽水電站建成后,渭河河床發生變化,下游河水流速減慢,河道展寬,河底泥沙淤積速率加快。泥沙含量的驟增導致渭河逐漸變為地上河,在多雨期常常發生洪澇災害,造成嚴重的損失。

2.4 水污染嚴重

工業廢水和生活污水的肆意排放,造成了水污染,加劇了可利用水資源的短缺程度。為了保護河流和水源地,防止生活污水、工業污水直接排入護城河、渭河河道等,在西安市郊各個地區建造了污水處理廠,但是為了節省成本,許多造紙廠、印染廠等仍將未處理的污水直接排放,造成河流中各種重金屬離子富集,TN、TP質量濃度出現異常高值,河流湖泊富營養化現象嚴重。灞河在流入生態園之前水質較好,但在浐灞匯合口處的水質則為劣Ⅴ類,水中COD質量濃度平均超標3.5倍,NH3-N質量濃度平均超標3.5倍,石油類質量濃度平均超標19倍,TP質量濃度平均超標2.5倍[3]。西安護城河的水質大部分屬Ⅴ類水,甚至有劣Ⅴ類水體存在。西安市政府兩次組織清理護城河污染沉積物及河底淤泥,但是花費了龐大的資金與人力,水質卻沒有得到明顯的改善。伴隨著水質的惡化,河流的排洪調蓄、供人觀賞、改善生態環境的功能也隨之消失,河流成為污染城市的黑點。西安地區水環境的惡化加劇了可利用水資源短缺的程度。

3 研究區水資源短缺原因分析

a. 自然條件的制約。西安地處半濕潤半干旱地區,南部有高大的秦嶺山脈阻擋,從自然條件來看,降水量并不豐盈,遇到極端干旱天氣時蒸發量甚至大于降水量。最近50年內,西安地區降水呈微弱的減少趨勢,以每10年20.42 mm的速率減少;汛期降水變化也呈減少的趨勢,20世紀70年代減少趨勢顯著;降水的季節變化各季均呈減少趨勢,秋季減少趨勢最為明顯;年降水量無明顯的變化[5]。湖泊河流所獲得的有效大氣降水很少,是造成水資源短缺的基本原因。

b. 經濟社會發展和水資源不合理利用的影響。①城市的發展使土地利用形式發生改變,大面積的人工地表減緩、阻隔了地表水的滲透運動,導致地表水蒸發量增加,這種情況在枯水期尤為明顯。而在洪水期,土地對水資源的涵養能力下降,加速了地表降水回流到河水的過程,造成大量水資源的浪費,同時還易引起洪澇災害。②不斷增加的工農業用水使得地表河流的回水量大大減少,擾亂了自然狀況下的水循環機制。③人口增長的影響也不可忽視。從2001年至2011年,10年內西安市城鎮人口總人數由694.84萬人增加到791.83萬人(表2),人均水資源量基本呈逐年遞減趨勢(除2001年及2011年外)。④對水資源的不合理利用使得水資源短缺問題更加惡化。過度開采地下水,且地表水對地下水的補充量小于地下水開采量,導致地下水水位連年降低、地表水資源進一步下滲和漏失,水資源短缺問題更加嚴重。

表2 2001—2011年人均水資源變化情況

c. 污水處理廠數量不夠,某些水利工程設施的建設不合理。首先,西安地區為數不多的污水處理廠的污水處理效率無法應對城市日益增長產生的廢水量;其次,對水庫等各類水利工程設施的建設,盲目追求城市視覺效果而忽視自然因素,如護城河的混凝土岸坡隔絕了水體與土壤的自然物質交換,不利于水體的更新和自凈,使活水變為死水,水質惡化。

d. 水資源受到污染。地表各種固體廢棄物、土壤中的重金屬離子、大氣中沉降的有毒顆粒都有可能隨著雨水徑流入河,造成水體的面源污染。袁宏林等[7]對西安市降雨水質的變化做了統計分析,發現西安市雨水中的SS、COD、NH3-N、TP均超過Ⅴ類水標準,為嚴重污染狀態,其中SS、COD、TP主要源于徑流過程雨水對下墊面的沖刷,NH3-N主要源于降雨對大氣的直接淋洗。陳景輝等[8]對市區路邊土壤取樣進行XRF元素檢測和多元統計分析,發現土壤中重金屬含量超標,屬于中等污染水平,其中交通源和工業源為重金屬超標的兩大原因。天然大氣降水經過下滲、積蓄以及徑流等途徑帶走這些大量污染物,造成地表水、地下水都受到強烈污染。在人類活動密集區域,水資源污染情況更加常見[9]。

由此可見,除去自然因素的制約,西安地區水資源短缺大部分是由于人為因素的影響。水資源的短缺是相對的,節水理念的缺失,缺乏規劃的不合理水資源開發和利用才是造成西安地區水資源缺乏的根本原因。

4 改善研究區水資源短缺狀況的對策

a. 保護水源地。西安南臨秦嶺,“八水”之中除渭河、涇河處,大多數河流都發源于秦嶺山中,因此要改善秦嶺生態環境,植樹造林,適當退耕還林,從源頭上保護水源。

b. 嚴格限制地下水的開采。2008年西安市區地下水日開采量約為35萬m3,今后應采取封停自備井眼等措施,逐步減少日開采量至20萬m3以下,防止地裂縫和地下漏斗的進一步發育,降低城市對地下水的依賴性,恢復地表水、地下水之間的健康循環,恢復水體自凈和自循環功能。

c. 合理規劃、建設水利工程,構建水資源管理和水環境監測平臺。朱友銀等[10]分析了南通市內河水污染情況,認為引江調水能明顯改善內河水質。但是對于內陸城市西安來說,由于周邊“八水”及黃河水質均受到污染,已經無法找到干凈的河流,因此利用“引江調水”措施來改善內河水質顯得不太現實。解決西安地區的水資源問題,應合理規劃、建設水利工程。黑河引水工程已被證明非常成功,它不但解決了西安城區幾百萬人的生活用水問題,也緩解了西安地區地下水虧空的局面,防止了地面繼續沉降造成的各種種危害。此外,解決水資源短缺的問題,還可通過構建以信息化技術為依托的水資源與水環境監測管理平臺,以推進水資源的合理配置和高效利用[11]。

d. 增加污水處理廠,提高污水處理技術。西安市污水處理廠在“十五”期末的污水處理率僅有38.9%,有極大的提升空間,因此可以增加污水處理廠。污水處理過程中,通常投加凝絮劑,但是大量使用凝絮劑會造成河流中鋁濃度升高。盡管我國還未制定相關標準來規定河流中鋁的質量濃度,但根據其他國家如加拿大、美國的水質標準,渭河西安流域段鋁的質量濃度已經足以對人體健康形成危害:渭河流經西安后,鋁的質量濃度從0.29 mg/L升高到0.43 mg/L。渭河西安段干流及其支流鋁平均質量濃度分別為0.36 mg/L、0.46 mg/L,分別超美國地表水標準3.1倍、4.3倍,超加拿大標準2.6倍、3.6倍[12]。今后應逐步提高污水處理的技術,對不同污染狀況的水區別對待,如對于硫含量過高的污水,處理時可以利用二段生物接觸氧化法[13]。此外,對城市垃圾要及時集中處理,防止雨水淋濾和運移有毒物質污染地表徑流。

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Reasons of water resource shortage in Xi’an area and its countermeasures

LIU Song, ZHANG Yongzhan

(SchoolofGeographicandOceanographicSciences,NanjingUniversity,Nanjing210023,China)

The water resource situation in Xi’an area was investigated. According to relevant literatures and statistic yearbooks, the causes of water resource shortage in Xi’an area was analyzed. The results show that the problem of water resource shortage in Xi’an area is the result of both natural restriction and impact of the human activities, natural restriction being the minor factor and human activities being the major factor. Countermeasures for improving the situation of water resources shortage were put forward: to protect water source, to limit the exploitation of groundwater strictly, to plan and construct water conservancy engineering reasonably and set up a platform of water resources management and water environment monitoring, to increase the number of sewage treatment plant and improve the technology of sewage treatment.

water resource shortage; water source protection; groundwater exploitation; sewage treatment; water conservancy project construction; Xi’an area

10.3880/j.issn.1004-6933.2015.01.019

國家基礎科學人才培養基金(J1103408)

柳嵩(1988—),男,碩士研究生,研究方向為湖泊沉積和水環境。E-mail:liusongnju@gmail.com

張永戰，副教授。E-mail:zhangyzh@nju.edu.cn

TV213.4

A

1004-6933(2015)01-0114-05

2014-05-20 編輯：彭桃英)