華北平原地下水資源承載力評價

劉敏+聶振龍+王金哲+田言亮+汪麗芳+劉少玉

摘要：[JP2]華北平原地下水嚴重超采，并帶來一系列資源環境問題，地下水資源承載力的可持續性面臨嚴重挑戰。本研究定義了地下水資源承載力的概念，提出了一種定量評價地下水承載力的新方法，并對華北平原地下水承載力進行了評價。結果表明，華北平原地區地下水資源支撐的GDP從2003年的15 60818億元迅速提高到2011年的37 5849 億元，[JP]333%的地市位于未超采未超載區；華北平原整體及572%的地市均位于超采未超載區，已發生地下水超采，但通過提高用水效率，未來社會經濟規模仍有發展空間；95%的地市位于超采超載區。最后探討地下水資源的承載力的提高途徑，主要包括增加地下水資源可利用量和提高用水效率兩方面，其中提高用水效率效果更顯著。

關鍵詞：華北平原；地下水資源承載力；地下水開采程度；社會經濟發展程度

中圖分類號：：TV213 文獻標識碼：A 文章編號：1672-1683（2017）04-0013-06

Abstract：Groundwater is over-exploited in North China Plain，and this brings a series of eco-environmental problems.The sustainability of groundwater carrying capacity in NCP is faced with an unprecedented challenge.The definition of groundwater carrying capacity was put forward in this study and a new evaluation method for groundwater carrying capacity was proposed.The cities were grouped into three regions，i.e.the non-over-exploited and non-overloaded region （NN），the over-exploited but non-overloaded region （ON），and the over-exploited and overloaded region （OO）.The results showed that the GDP supported by groundwater was 1560.8 billion RMB in 2003，and it quickly increased to 3758.5 billion RMB in 2011.33.3% of the cities belong to the NN region.NCP as a whole and 57.2% of the cities belong to the ON region，where groundwater has been over-exploited，but the water use efficiency is relatively low，so there is still room for social and economic development if the water use efficiency is enhanced.9.5% of the cities belong to the OO region.In the end，we discussed the approaches to enhancing the groundwater carrying capacity，including increasing the available groundwater quantity and enhancing the water use efficiency.

Key words：[JP2]North China Plain；groundwater carrying capacity；groundwater exploitation degree；social and economic development level

隨著近幾十年中國社會經濟的快速發展和人口的劇增，社會各方面對水的需求迅速增長，水資源供需矛盾日益突出[1]。華北平原地處半干旱半濕潤地區，水資源有限且氣候呈暖干化趨勢[2-3]，作為地下水支撐農業高產的重要糧食產區之一，該區地下水長期過量開采，區域地下水位持續下降，形成了世界上最大的地下水降落漏斗，并引起地面沉降、地面塌陷、地裂縫等一系列資源環境問題[4]，引起了國際范圍內的廣泛關注，嚴重制約了區域社會經濟的健康發展。“華北平原地下水資源對社會經濟的承載力上限到底有多大？”、“是否還有可調控的空間？”等問題成為我國政府、公眾、甚至國際社會共同關注的問題，也成為資源環境領域必須要回答的問題。開展華北平原地區地下水資源承載能力評價是回答上述問題的關鍵，這不僅是華北地區水循環和地下水資源可持續發展研究的重要課題，也對保障水資源-生態環境-社會經濟-糧食安全的協調可持續發展具有緊迫的現實意義。

目前，國際上對水資源承載力的單項研究成果較少，大多將其納入可持續發展的理論范疇[5-9]。在我國，關于水資源承載力的研究相對較多，尤其是20世紀90年代以來相關研究如雨后春筍般不斷涌現[10-15]，提出的概念和研究方法也層出不窮。定義主要可以歸納為水資源開發規模論和水資源承載最大規模論兩種，代表性研究分別為高彥春[16]和阮本清[17]等，持第二種觀點的學者較多[18-19]。水資源承載力的研究方法目前采用較多有常規趨勢法、背景分析法、層次分析法、動態模擬遞推算法、狀態空間法、模糊評價方法、主成分分析法、系統動力學方法等，主要可歸為經驗估算法、指標體系評價法和復雜系統分析法等三類[11]，其中經驗估算法一般精度較低，指標體系法評價指標的選取有一定的局限性，復雜系統法參數較多、不易把握和推廣。關于地下水資源承載力的研究相對較少，尚處于探索階段。直到2000年以后相關才不斷增多[20-24]，各種方法和指標也頗為豐富，并成為水資源承載力研究領域的一個研究熱點。地下水資源承載力的概念和方法也多直接沿用水資源承載力的方法，目前也尚無統一、明確的定義和成熟的方法。

基于以上背景，本研究擬從地下水資源最大可利用量以及地下水資源對社會經濟發展的承載能力兩個角度出發，定義地下水資源承載力的概念和內涵；并結合用水效率提出區域地下水資源承載力評價的新方法；并對現狀條件下華北平原地區各城市地下水資源承載力進行評價，力求能明確、清晰表示地下水資源對社會經濟發展的支撐能力，最后探討地下水資源承載力的調控途徑及提高對策。

1 地下水資源承載力的方法與理論

1.1 地下水資源承載力的概念與內涵

地下水資源既有自然屬性也有社會屬性。其自然屬性表現在兩個方面：其一是地下水資源量的大小取決于地下水系統獲得補給的能力，必然受到氣象水文、地形地貌、水文地質條件等因素的控制和影響，在這些自然條件的影響和控制下，從多年平均的意義上講地下水系統從外界獲得補給的能力是相對穩定的，即為地下水天然資源量；其二是作為自然環境的構成要素，地下水在形成、運移過程中與周圍自然環境發生諸多的相互作用，對自然環境的維持與演變具有重要的甚至是不可替代的作用，因此，人類取用地下水要充分考慮到這部分用于維持自然環境的水量，以不引起嚴重環境問題為前提，即為地下水可利用量。然而，僅從自然屬性角度考察地下水資源的承載力還不夠，地下水在人類社會經濟發展的各個領域都有舉足輕重的作用，具有廣泛的社會屬性，不同的利用途徑會產生不同的用水效率，且各行各業的用水效率均有上限，因而其對社會經濟發展的支撐能力必然存在上限，即為地下水資源的承載力。顯然地下水資源承載力一方面取決于自然環境約束下地下水系統的最大供水能力，另一方面又受社會經濟發展階段和地下水利用結構影響。

基于以上討論，針對本研究目的給出地下水資源承載力的定義：地下水資源承載力是指在一定發展階段下，以可預見的技術、經濟和社會發展水平為依據，以可持續發展為原則，以地下水最大可利用量為前提，地下水資源對區域社會經濟發展的最大支撐能力。以可支撐的社會經濟發展規模（人口、GDP）表示。

1.2 地下水資源承載力評價方法

2 研究區概況與數據來源

華北平原位于中國東部，東臨渤海、西抵太行山，北到燕山、南抵黃河，總面積13.9 萬km2。2011年末總人口約1.2 億人，包括21個大中型城市。華北平原是中國的政治、經濟、文化中心，也是重要的糧食生產基地。然而，華北平原是我國水資源最為緊缺的地區之一。年平均降水量為558.6 mm[4]，多年平均水資源量為372 億m3[25]，其中地下水資源量占60%左右[26]。據統計，2011年，華北平原所涉及的各縣區總用水量為353.86 億m3/a，占全國總用水量的7.14%，其中，地下水開采量為212.9億m3/a，從行政分區看，地下水是河北平原的主要供水水源，地下水供水量占總供水量的80.21%。本研究所涉及到的地下水資源開采量數據來自河北省各市地質環境監測報告，地下水資源可利用量數據來自華北平原地下水可持續利用調查評價結果[4]，供用水數據和經濟數據均來自河北、山東、河南各省2011年水利統計年鑒和各省市統計年鑒和經濟統計年鑒。

3 結果與討論

3.1 華北平原各地市地下水供水能力

根據最新地下水資源評價結果[4]，地下水資源的最大供水能力由大到小依次為：保定、北京、新鄉、石家莊、邯鄲、唐山、聊城、德州、邢臺、濮陽、廊坊、天津、安陽、衡水、滄州、焦作、秦皇島、濱州、濟南、鶴壁和東營（圖2），保定市最大，為25.8億m3，鶴壁和東營最小，分別為1.6和0.1億m3。

3.2 地下水資源實際承載的經濟規模

地下水資源對經濟的支撐能力以地下水資源最大供給量為前提，但更取決于各用水行業和部門的用水效率。華北平原用水效率略高于中國平均用水效率，同樣遠低于國際先進水平。本研究統計了2003年和2011年華北平原各地市不同行業的平均用水效率，并折算成綜合用水效率，即每方水平均可產生的GDP價值。華北平原平均用水效率在近10年間顯著提高，從2003年的51.3元/m3到179.5元/m3（圖3），提高了3倍多。2011年各城市用水效率從高到低見圖4，其中天津和北京遙遙領先，分別為489.5元/m3和451.4元/m3，最低為衡水，僅為54.5元/m3。

用水效率提高的同時，華北平原各城市社會經濟也迅速發展，地下水支撐的總GDP從2003年的15 608.18億元迅速提高到2011年的37 584.9 億元，近10年間增長了2倍之多。其中，北京遙遙領先，地下水實際承載的GDP達到9 435.1 億元，東營和濱州最小，僅為252億元。地下水實際支撐的GDP從大到小依次為北京、唐山、石家莊、天津、滄州、保定、邯鄲、濟南、聊城、廊坊、邢臺、安陽、焦作、衡水、新鄉、秦皇島、德州、濮陽、鶴壁、東營、濱州。然而，大多數地區地下水實際承載的GDP已超過了地下水的安全承載能力，其中有14個城市都已超載（圖4），總體而言，華北平原地下水資源實際承載的GDP也超過了當前用水效率下可安全承載的GDP（31 325.9億元），超載率為20%。

3.3 華北平原各地市地下水承載力比較

基于第二部分介紹的相對評價方法，取區內最大用水效率值489.5元/m3（天津市）為參考用水效率計算各地市地下水理論可支撐GDP規模，并將各地市地下水開采程度和地下水支撐的經濟發展程度投影到RG-GQ關系圖上（圖5）。

如圖5所示，華北平原作為一個整體的投影點落在II區，意味著華北平原雖然已發生地下水超采，但用水效率遠低于區內最高用水效率，現狀經濟發展受到水資源制約，但通過提高用水效率，仍有較大的發展空間。新鄉、德州、濮陽、濱州、聊城、北京等7市位于I區（占33.3%），說明這6個地區經濟發展對地下水資源依賴程度低，且用水效率有待提高，其中新鄉、德州地下水資源開采程度較低，北京、聊城雖尚未超采，但已接近100%，除北京外，其它五個城市用水效率較低，節水空間很大；這與劉敏等[20]得出的新鄉、濮陽、濱州和聊城位于尚具一定開發潛力的第一組的結論較為一致。保定、邯鄲、廊坊、安陽、唐山、石家莊、鶴壁、邢臺、秦皇島、衡水、焦作、滄州等12個地區位于Ⅱ區，占57.2%，表明這12個地區經濟發展對地下水資源依賴程度高，且已發生地下水超采，但用水效率低，經濟發展實際并未超載，現狀經濟發展受到水資源制約，但節水空間很大，通過提高用水效率、減少地下水開采量，地下水資源仍可回歸采補平衡狀態，未來社會經濟規模仍有發展空間；濟南市位于Ⅲ區，表明在目前用水水平下的用水效率下，該區已發生地下水超采和經濟超載，若沒有地下水可利用量增加的情況下，地下水將構成未來發展的重要制約因素。總的來說，華北平原地區大多數地市地下水已嚴重超采，地下水資源承載力的可持續性面臨嚴峻挑戰，整體用水效率較低，現狀經濟發展受到水資源制約，這與劉敏等[20]得出的“多數城市地下水資源開發利用潛力已接近其極限，部分出現嚴重超采”和錢永等[27]得出的“華北平原淺層地下水已基本無開發潛力”的結論較為相似，但也有不同，本研究認為，通過提高用水效率、節水和壓采，華北平原地下水資源仍可回歸采補平衡狀態，地下水對社會經濟發展的承載力仍由提升空間。這與汪彥博等[28]開源節流、不擴大開采但提高供水率、利用率（用水效率）、提倡節水以緩解水資源缺乏方案的理念一致；與華北平原地下水主要用于農業灌溉[29]，而農業用水效率很低、亟待提高[30-31]的結論也較為一致。

3.4 地下水資源承載力的提高對策和調控途徑

地下水承載力既具有自然屬性又具有社會屬性。影響區域地下水承載力的主要因素包括四個方面：自然因素（包括氣候、水文條件和地質、水文地質條件）、環境因素（地質環境、生態環境）、社會因素（人口、科技進步、管理政策、宣傳教育等）、經濟因素（工業、農業、第三產業）。它們之間相互影響、相互制約，構成一個復雜的動力學系統。由地下水資源承載力的定義可知，地下水承載力是地下水可利用量和用水效率的函數，因此，地下水承載力的調控途徑可從兩個方面考慮。

（1）增加地下水可利用量的途徑。由地下水資源承載力的內涵可知，地下水可利用量又是水文地質條件、經濟技術條件、環境條件等的函數。因而，結合不同地區的自身條件，可采用以下途徑增加其地下水可利用量：①利用山前沖洪積扇的調蓄能力，通過人工雨洪調蓄，增加地下水的可循環利用量，如實施山前梯級水壩的地下水庫“回灌”工程[26]；②在中東部平原，發展淺層弱滲透含水層淡水開采技術，增加地下水可利用量；③在中東部平原，發展微咸水改造利用技術，增加地下水可利用量。

（2）提高的用水效率的途徑。用水效率與經濟技術水平、產業結構、管理政策、公眾認識水平等息息相關。因而對不同用水部門和行業可采用以下途徑提高用水效率：①發展農業節水技術，提高農業用水效率；②提高工業用水重復利用率，提高工業用水效率；③調整產業結構，改變經濟增長模式，提高總體用水效率；④依托科技進步，制定管理政策，加強宣傳教育，提高公眾節水意識，提高全社會用水效率。

4 結論

本研究主要結論包括幾下四點。①地下水資源承載力是指在一定發展階段下，以可預見的技術、經濟和社會發展水平為依據，以可持續發展為原則，以地下水最大可利用量為前提，地下水資源對區域社會經濟發展的最大支撐能力。②對區域地下水資源承載力評價建立地下水資源開采程度和社會經濟發展程度關系圖，將地下水資源承載力分為未超采未超載、超采未超載、超采超載三個區。③華北平原地區地下水支撐的總GDP從2003年的15 608.18億元迅速提高到2011年的37 584.9 億元，近10年間增長了2倍之多。RG-RQ關系圖結果顯示，僅有33.3%的地市位于未超采未超載區；華北平原整體及57.2%的地市均位于超采未超載區；9.5%的地市位于超采超載區。④可以通過增加地下水資源可利用量和提高用水效率兩方面來改善目前的超采超載狀態，其中，提高用水效率效果更顯著。然而，地下水系統是個錯綜復雜、受各種天然因素和人為因素影響和制約的系統，本研究還未能把淺層水和深層水分開考慮且由于數據所限未考慮城市間的借調水問題，尚需進一步完善。

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