降水及人類活動對北京市平原區地下水位變化影響分析

梁靈君，劉翠珠

(北京市水文總站，北京 100089)

地下水作為水資源的一種重要儲存形式，在保障生活供水、支持經濟社會發展和維護生態平衡等方面起到十分重要的作用。而地下水位動態變化直接反映地下水資源量隨時間和空間的變化，研究地下水變化有助于評價地下水資源儲量和區域用水結構以及水資源合理開發利用與管理。隨著氣候變化和人類活動對地下水資源在時間和空間上產生影響的日益加劇，對地下水水位埋深動態變化的研究逐漸引起國內外學者的關注。目前，主要的研究方法為數值模型法和數理統計法，Yihdego等[1]利用多元線性回歸水文分析法模擬了典型監測地點的地下水位動態；Remi等[2]利用Mann-Kendall評估了半干旱地區地下水短期和長期動態變化趨勢；李小龍等[3]采用三維地下水數值模擬方法研究了瑪納斯河流域地下水水位動態變化及水量平衡規律；楊依天等[4]基于逐步回歸方法分析了潮河上游地下水位變化和影響因素；楊瀅嘉等[5]運用相關性分析法、普通kriging插值法研究彌河流域平原區地下水埋深時空的動態變化及分布特征；張文鴿等[6]采用五點三次平滑方法分析了河套灌區年際與年內地下水埋深變異規律。

北京市屬資源型缺水的特大型城市[7]，地下水作為重要的基礎資源和戰略資源[8]，是北京市常規供水的主要供水水源，平原區大規模開發利用地下水已有約40年的歷史[9]。在20世紀70年代以前，北京市平原區地下水開采基本處于均衡狀態，隨著城市社會經濟發展開始過量開采地下水，2000年左右，地下水開采量約占全市總供水量的2/3以上。2014年末，南水北調江水進京，在一定程度上緩解了水資源供需緊張的狀況，但地下水仍占全市總供水量的50%左右[10]。多年高強度開采地下水使得地下水位持續下降，局部地區超采嚴重，引發了水質惡化、地面沉降等資源與生態環境問題[11-12]，影響了區域可持續發展。近年來，通過實施地下水壓采及生態補水[13-16]等措施，地下水位持續下降的趨勢基本得到遏制。為了地下水資源的科學管理，確保地下水戰略儲備功能，本文借鑒國內外分析方法，選取1981年—2020年北京市平原區地下水有關資料，采用數理統計法研究地下水位變化特征及影響因素，為地下水超采綜合治理和水資源涵養修復提供借鑒。

1 研究區概況

北京市位于華北平原的西北邊緣(圖1)，西部為山區，地下水分布以巖溶裂隙水為主，東南是向渤海緩傾的平原，平原區主要為第4系松散孔隙水含水層及巖溶水含水層。根據平原區多年地下水監測資料分析，近年來水位有所回升，但平均地下水位總體呈下降態勢，最大地下水埋深為2015年的25.75 m。北京市位于永定河沖洪積扇地形的中上部，全市面積約為16 410 km2，其中，平原區面積為6 900 km2(含延慶盆地)。北京市屬暖溫帶、半濕潤季風氣候區，多年平均降水量為569 mm，平均蒸發量為1 562 mm(20 cm蒸發皿)，屬海河流域，由西向東依次為大清河、永定河、北運河、潮白河、薊運河5大水系，河流流量年際變化較大，部分河段目前已斷流。

圖1 北京市地形圖Fig.1 Topographic Map of Beijing City

2 資料和方法

2.1 資料

為研究北京市平原區不同年代地下水位變化特征和主要影響因素，根據監測井資料可靠性并兼顧均勻分布的原則，篩選出121眼地下水長觀孔作為北京市平原區代表性觀測井(圖2)。選取1981年—2020年共40年地下水埋深監測數據分析地下水位動態變化，同時，選取研究區內121個雨量站的同期降水資料做對比分析，并結合地表徑流、地下水開采、外調水及生態補水等情況進行地下水位變化的影響因素分析，其資料源自歷年的北京市水資源公報數據。

圖2 研究區范圍及監測井分布Fig.2 Study Area and Distribution of Monitoring Wells

2.2 研究方法

2.2.1 Mann-Kendall檢驗法

Mann-Kendall檢驗法(以下簡稱M-K方法)是一種廣泛應用于水文、氣象時間序列分析的非參數檢驗方法，可用來檢驗系列趨勢的顯著性和突變[5, 17-18]。在M-K趨勢檢驗中，統計量為正值表示增加趨勢，M-K用于序列突變檢驗時，統計變量UFk為如式(1)。

(1)

其中：sk——樣本正符號累積數；

E(sk)——樣本均值；

Var(sk)——樣本方差。

將序列按時間逆序排列計算變量UBk，兩統計序列構成的曲線分別記為UF和UB，兩條曲線出現交點且在置信區間內即為突變點。

2.2.2 累積距平法

累積距平法是一種通過曲線反映序列變化趨勢的非線性統計方法，從累積距平曲線的起伏可以判斷系列的演變趨勢及變化，并根據累積距平曲線的轉點判斷其突變點。時間序列x在t時刻的累積距平值如式(2)。

(2)

其中：ILP——序列累積距平值；

3 結果與討論

3.1 降水量與地下水埋深突變特征

應用M-K法和累積距平法進行降水量與地下水埋深趨勢及突變分析(圖3)。M-K法的分析結果如圖3(a)和3(c)所示，降水量和地下水埋深系列分別通過了95%、99%的置信度檢驗，地下水埋深下降趨勢顯著，降水量呈弱下降趨勢。降水量序列呈高低起伏的變化趨勢，突變點較多，也反映了年代的豐枯變化特點，其中一個突變點為1998年，與累積距平法分析的突變年份一致，如圖3(b)所示。M-K法分析的地下水埋深突變年份為2001年，同樣運用距平累積法進行分析[圖3(d)]，確定突變年份為2001年。因地下水埋深不僅受開采影響，也與包氣帶增厚導致降水對地下水補給產生滯后效應有關[19-20]。綜合兩種方法的分析結果，地下水埋深在2000年前后發生突變，因此，按不同年代和不同水平年進行地下水埋深的年際和年內分析更能反映其變化特征。

圖3 研究區降水量、地下水埋深變化趨勢及變異點識別Fig.3 Variation Trend and Variation Point Identification of Precipitation and Groundwater Depth in the Study Area

3.2 地下水埋深動態變化特征

3.2.1 年際變化

地下水位多年動態可直接反映研究區地下水補排條件的變化，1981年—2020年降水量與地下水埋深變化過程如圖4所示，埋深從1981年的9.01 m下降到2020年的22.03 m，年均下降0.33 m。地下水埋深變化可分為4個時期：(1)1981年—1998年為波動下降期，在1998年之前，豐水年埋深上升，枯水年下降，埋深年均下降0.15 m；(2)1999年—2007年為地下水位劇烈下降期，1999年以后遭遇連續枯水年，年均降水量僅為450 mm，補給減少以及地下水開采加大，造成埋深大幅度下降，年均下降達1.36 m；(3)2008年—2015年為下降趨緩期，2008年后降水量較枯水期增加，且開展外調水及多水源開發利用工作，開采量減少，年均下降0.37 m，下降趨勢明顯趨緩，其中，2012年降水量較大，地下水埋深波動回升；(4)2016年—2020年為止降回升期，因受連續豐水年和南水北調江水進京、地下水壓采及生態補水等因素影響，5年累計回升3.72 m，年均回升0.74 m。

圖4 1981年—2020年降水量與地下水埋深變化Fig.4 Variation of Precipitation and Groundwater Depth during 1981 to 2020

3.2.2 年內變化

通過年降水量頻率計算，選取豐(2008年)、平(2010年)、枯(2005年)不同水平年，分析地下水埋深年內變化情況。由圖5可知，在豐、平、枯水年內地下水埋深變化趨勢基本一致。1月—2月，地下水主要接受側向補給，開采量相對較小，水位處于穩定恢復期，達到年內最高；3月—6月，降水補給較少，受農灌用水增加影響，水位持續下降，5月—6月水位達到年內最低值；7月—9月，降水集中，地下水位逐漸上升；10月—11月，降水和徑流補給減少，水位小幅下降；12月地下水緩慢恢復。因此，北京市平原區地下水埋深年內動態總體以降水入滲-開采動態型為主，不同水平年降水量差異導致年內埋深回升幅度不同，降水量越多回升幅度越大，降水量越小，年內水位受地下水開采影響越明顯。

圖5 研究區內豐、平、枯年份地下水埋深年內變化過程Fig.5 Annual Variation Process of Groundwater Depth in Wet, Normal and Dry Years in Study Area

3.2.3 空間變化

為進一步了解北京市平原區地下水位增幅情況，基于ArcGIS繪制了1990年代、2001年—2010年、2011年—2020年年均地下水位回升圖和2016年—2020年水位變幅圖(圖6)。由圖6可知，1991年—2000年，平原區小部分區域地下水位年均上升僅在0.5 m之內，主要分布在延慶、昌平西部、房山南部等地，面積為944 km2；2001年—2010年，平原區地下水位年均上升0.5 m以內的地區主要位于延慶、朝陽東南部以及房山等少部區域，上升區面積僅占平原區總面積的9%，比1991年—2000年上升區域面積減少29%，說明地下水埋深總體呈下降趨勢。而平原區東南和西南局部區域水位上升，主要因所在的北運河和大清河水系有較充足的徑流補給，且延慶盆地地下水位總體變化不大，略有回升，主要與永定河上游河道及官廳水庫補給有關；2011年—2020年，平原區地下水位上升區域面積為4 480 km2，占平原區總面積的65%，其中，上升超過1 m的地區主要集中在平谷、密懷順和水源3廠等水源地所在區域，水位上升除受降水增加及地表水系補給影響外，還與水源地壓采和區域生態補水等因素有關；2016年—2020年，地下水位回升范圍達到平原區總面積的78%，回升超過10 m的區域主要位于平谷和密懷順水源地以及西山山前部分區域，地下水回升范圍廣，回升幅度較為顯著。

圖6 不同時期研究區地下水水位上升幅度Fig.6 Rising Range of Groundwater Level in Study Area in Different Periods

4 影響因素分析

4.1 自然因素

影響地下水動態變化的自然因素主要是降水量、蒸發量及徑流量等[21]，因北京市平原區地下埋深超過20 m，蒸發對地下水的影響微弱[22]，故本次分析不考慮該因素影響。

降水是地下水補給的最重要來源，同時，其形成的地表徑流也間接地影響地下水資源。由全市降水量和徑流量變化(圖4、圖7)可知，全市降水、徑流連豐連枯時有發生，徑流量總體呈明顯減少趨勢，2001年—2020年年均徑流量(6.90億m3)比1981年—2000年年均徑流量(14.2億m3)減小106%，其中2001年—2010年年均徑流為4.96億m3，僅為多年平均徑流量(10.6億m3)的47%。80年代初期降水偏枯，降水及徑流補給量較小，綜合開采因素導致地下水位開始下降；1985年—1998年，連續降水偏豐，徑流量較大，地下水的采補出現了新一輪的動態平衡，說明區域地下水資源具有較強的調節能力和可恢復性；2016年—2020年降水量偏豐，徑流量(11.8億m3)明顯增加，為枯水段(1999年—2007年)徑流量(5.13億m3)的2.3倍，但因地下水位下降使得包氣帶增厚，降水和徑流對地下水的入滲補給量大大減少。

圖7 北京市1981年—2020年地表徑流變化Fig.7 Variation of Surface Runoff in Beijing City during 1981 to 2020

4.2 人為因素

人類活動是影響地下水位變化的關鍵因素，主要有地下水開采、外流域調水和生態補水等。

4.2.1 地下水開采

20世紀60—70年代，北京市平原區地下水補排關系基本上處于均衡狀態；80年代初期，地下水開采量增加到23億m3/a，地下水資源量開始虧損(圖8)；90年代，地下水開采量相對穩定，較80年代略有增加，累計虧損量增大；1999年后連續枯水年，地表水可利用量減少，為保障城市供水安全；2003年起陸續建設了懷柔、平谷等5個應急水源地，地下水開采量增大，地下水位劇烈下降，造成地下水儲量嚴重虧損，1999年—2011年年均虧損4.83億m3，是1981年—2020年均虧損量的2.9倍。長期地下水超采使2015年超采區面積增加為1995年的2.5倍。2014年底南水北調水進京后，地下水開采量逐年減少，到2020年開采量降至13.5億m3，僅為多年平均的58%，地下水位止降回升，可見開采是地下水位下降的最主要因素。

注：累計儲變量為與1980年相比虧損的儲量 圖8 1981年—2020年地下水開采量與儲變量變化Fig.8 Variation of Groundwater Exploitation and Storage Variables during 1981 to 2020

4.2.2 外流域調水

因本地水資源難以滿足社會經濟及日常生活的用水需求，2003年開始從山西省和河北省調水，減少了地下水的開采量，但水資源供需依然存在缺口，2008年從河北省黃壁莊等4座水庫向北京市應急供水，截至2013年，累計應急供水15.2億m3(圖9)，地下水位下降幅度得到緩解。2014年底，南水北調中線工程正式向北京市供水，到2020年末累計調水量已達60.68億m3，極大地調整了北京市的供水結構，置換部分地下水源，懷柔、平谷等應急水源地僅維持熱備狀態，累計壓減地下水開采量約7億m3，增加了水資源戰略儲備。

圖9 2008年—2020年外調水量Fig.9 Water Transfer during 2008 to 2020

4.2.3 生態補水

近年利用南水北調水和本地地表水向水源地累計生態補水7.20億m3，使密懷順水源地周邊地下水位平均回升0.86 m[8]。引黃河水對永定河(北京市段)河道共補水5.87億m3，河水入滲使得永定河平原段沿線周邊地下水位平均回升3.54 m，其中，門頭溝陳家莊監測井水位回升超過20 m，玉泉山周邊的海淀北塢監測井回升3.18 m(圖10)。

圖10 陳家莊和北塢監測井埋深變化線Fig.10 Variation Line of Groundwater Depth in Chenjiazhuang and Beiwu Monitoring Wells

因此，區域降水、外流域調水以及生態補水等為地下水位下降的負相關因素；開采是影響地下水下降的正相關因素。近年來，通過實施地下水壓采，積極開展自備井與南水北調水源置換和超采區治理工作，增加地下水回補，實行最嚴格的地下水管控，強化地下水取水過程監管和用途管制。通過多措并舉，有效壓減涵養了地下水資源，加之降水量偏豐，人為因素與降水因素疊加，2016年后地下水埋深多年持續下降趨勢得到抑制，連續5年回升，全市平原區地下水資源儲量比2015年增加21億m3，維系了地下戰略水源的健康。

雖然北京市平原區地下水位持續下降的趨勢得到了一定緩解，但地下水儲量歷史虧空較大，尤其是密懷順、西郊等水源地。因此，需落實最嚴格水資源管理制度，研究制定無替代水源地區地下水超采控制方案，以不超采、動態平衡為目標，提出區域地下水水量、水位的科學管控指標。通過采取節水、用水結構調整等措施，強化再生水及雨洪資源利用，多渠道增加水源補給，壓減地下水超采量。同時，通過優化水資源配置和調度，實施多源頭、多工程、干支流聯調的生態補水，實現藏水于地、涵養地下水，地表和地下協同修復等目標，逐步實現地下水采補平衡，降低流域和區域水資源開發強度，建設西郊、密懷順等地下蓄水區，增強水資源戰略儲備，為促進經濟社會可持續發展提供水安全保障。

5 結論與建議

(1)通過M-K法和累積距平法進行趨勢及突變分析發現，降水量呈弱下降趨勢，地下水埋深下降趨勢顯著，年均下降0.33 m。降水量突變點為1998年，受包氣帶增厚導致降水對地下水補給產生滯后效應影響，地下水埋深在2000年左右發生突變。分析結果客觀地反映了北京40年的降水和地下水埋深變化特征，其研究方法可為其他地區不同水文要素的分析提供借鑒和參考。

(2)地下水埋深動態變化可分為1981年—1998年波動下降期、1999年—2007年地下水位劇烈下降期、2008年—2015年下降趨緩期和2016年—2020年止降回升期4個時期。其中，2016年—2020年因受連續豐水年、南水北調江水進京及生態補水等因素影響，地下水位回升3.72 m，年均回升0.74 m。地下水位動態變化主要受降水和地表徑流補給、生產生活開采以及外流域調水和生態補水等因素影響，其中，地下水超采是影響地下水位下降的最主要因素。

(3)地下水開采應以地下水動態采補平衡為目標，增強地下水戰略儲備。同時，地下水位的回升，可能對城市安全運行帶來一定風險，需加強地下控高水位和預警研究。