利用ArcGIS研究密懷順回補區地下水位時空變化

張雨航, 史芫芫, 何煒, 安同艷*, 孫長虹, 范清

(1.北京市生態環境保護科學研究院, 北京 100037; 2.國家城市環境污染控制工程技術研究中心, 北京 100037)

中國的水資源量分布不均勻,呈現北少南多的特點。2020年北京市水資源公報顯示,全市水資源總量25.76×108m3[1],常住人口2 189.3萬人,人均水資源量僅為118 m3,按照國際標準屬于極度缺水地區,所以保護好首都有限的水資源至關重要。從1998—2015年,社會經濟快速發展,伴隨需水量的不斷增加,地下水開采量加大,全市水位下降了13.78 m,呈現多個漏斗區,水資源環境現狀堪憂。但在2014年南水北調進京后,北京市的供水格局發生了深刻變化,地表水在供水結構占比不斷提高,同時北京市開啟了大規模自備井置換和地下水源地壓采工作,并利用地表水回補涵養地下水,多重積極因素的疊加效應,給地下水位帶來積極因素的同時,可能帶來的風險因素予以重視,比如對于城市地下建筑[2]、農業、環境的潛在風險,因此有必要對該地區地下水位的時空變化特征予以關注。

張雨航等[3-4]對密懷順水源保護區土地利用演化的研究顯示,在南水北調進京前,該地區曾經農業生產活動活躍,耕地占比較大,2015年后土地利用發生了較為劇烈的變化,伴隨著地下水位抬升,包氣帶厚度變薄,地表與地下輸水通道變短,地下水浸泡原有包氣帶,地下水環境風險隨之加大。因此對地下水位的研究一直是該地區的重點。何亞平等[5]利用模型對密懷順潮白河地區的回補情況及水位影響進行了預測分析,發現2018年比2017年水位出現明顯升高,其中牛欄山區域、懷柔應急水源地、潮白河橡膠壩回升明顯,并通過模型預測2022年區域水位回升在9～11 m。李志強等[6]對2021年潮白河春季生態補水及地下水位的響應研究中,發現地下水位對補水的響應存在一定滯后性,距離河道越近響應越快,反之亦然;李海軍[7]通過對150眼地下水監測井補水期間日監測數據資料以及水源地部分監測井的監測資料,對5 000余個水位數據分析得到,通過為期1個月的春季補水,潮白河沖洪積扇中上部地下水位上升幅度最高、范圍最大;劉文路等[8]和劉翠珠等[9]針對春季生態補水試驗,對河流沿線水位變化特征進行了研究。由于密懷順地區是北京市重要的地下水水源涵養區,分布著多個地下水型水源地,而南水北調通過地表水反補地下水作為國家重要的示范性工程,已引起眾多學者的關注,近些年的關于回補區的水位的研究主要兩個特點,集中在短時間回補的效果以及回補河段局部區域的變化,而南水北調回補該地區地下水已近10年,缺少對密懷順地區自南水北調回補以來,系統性分析水位的分區變化特點。同時因為該地區屬于典型的沖洪積扇區,地下水抵御外界風險能力較差,考慮到歷史上該地區是重要的農耕區,至今依舊有大面積的農業種植,并在21世紀前葉,分布著種類繁多的可能影響地下水環境的風險源,有些風險可能已在包氣帶聚集,尚未顯露。

因此,現對南水北調回補密懷順地下水后,地下水位的時空變化特征進行研究,以支撐地下水管理、地下水政策制定及地下水型水源地的精細化管理。

1 數據來源與研究方法

1.1 研究區域概況

密懷順地區是北京市重要的水源涵養區,是北京第八水廠、懷柔應急、潮白河應急水源地等多個水源地的所在區域,地處順義、懷柔、密云三區接壤地區(圖1),面積約486.93 km2,116°30′E～117°E,40°10′E～40°30′E。研究區東部、西部和北部三面環山,南為平原。年平均降水量為615.6 mm。區內河流屬潮白河水系,最大河流為潮白河,懷河是本區第二大河流,系潮白河的支流。回補區河道砂石裸露,包氣帶巖性主要為單一砂卵礫石層,中間夾有粉質黏土透鏡體,具有強滲透性能。地下水屬于潮白河地下水子系統中上部,第四系孔隙水主要賦存于河流沖洪積作用形成的砂及砂卵礫石中。

圖1 研究區地理位置圖Fig.1 Geographical location map of the study area

1.2 數據

1.2.1 水位

數據來自2014—2022年北京市水務局官網的《北京市水資源公報》和《北京市地下水周報》。

1.2.2 高程

數字高程模型(digital elevation mode)是描述地表起伏形態特征的空間數據模型,由地面規則格網點的高程值構成的矩陣,形成柵格結構數據集,該數據為10 m分辨率。

1.3 研究方法

對2014—2022年的北京市地下水位等值線圖進行配準,選取27個配準點,提取出地下水位等值線,通過矢量撲捉功能,每間隔100 m賦予點狀水位數據,通過克里金插值,制成10 m分辨率的地下水位柵格結構數據,用于分析研究區地下水位時空變化特征。

地下水位的升幅和包氣帶厚度的計算則通過柵格疊加計算實現,用于分析地下水位升幅帶和包氣帶厚度的時空變化特征。

1.3.1 Kriging內插法

克里金插值(Kriging)是依據協方差函數對隨機過程/隨機場進行空間建模和預測(插值)的回歸算法 。克里金法被廣泛用于地學[10-11]、氣象學[12-13]、環境科學[14-15]等各類觀測數據的空間插值,克里金插值公式為

(1)

式(1)中:Z(s0)為第i個位置處的測量值;λi為第i個位置處的測量值的未知權重;s0為預測值位置;N為測量數值。

1.3.2 柵格的疊加計算

如圖2所示,逐個像元地從第一個輸入柵格(InRas1)的值中減去第二個輸入柵格(InRas2)的值,得到柵格輸出(OutRas)的目標結果,地下水位的升幅和包氣帶厚度運算,均用到該方法。

圖2 柵格計算模型Fig.2 Raster calculation model

OutRas=InRas1-InRas2

(2)

2 結果與分析

2.1 水位變化分析

南水北調通過3條線路回補區域地下水,第一條是通過李家史山閘放水,進入小中河后入懷河,在牛欄山橡膠壩攔截作用,向北進入潮白河,該線路為核心地下水補水線路,研究顯示該線路河道附近地下水中南水已經占主導地位;第二條是通過密云水庫放水進入潮河和白河;第三條是通過京密引水渠將南水北調水放入雁棲河和沙河[16]。2014—2022年回補區地下水位變化情況如圖3和表1所示,地下水位呈現不斷抬升趨勢,密懷順整體地下水位升高了26.38 m,年均升高2.93 m,牛欄山一帶的地下水漏斗區回升明顯,漏斗范圍縮小,水力坡度從2014年的2.3‰減小至2022年0.9‰,減小了57.34%,地下水漏斗區得到了有效遏制。從地下水位回升速度從快到慢依次是順義區、懷柔區、密云區,其中順義區地下水位升高31.67 m,年均升高3.52 m;懷柔區地下水位升高28.26 m,年均升高3.14 m;密云區地下水位升高19.01 m,年均升高2.11 m。由于地下水補徑排的差異性,將其分為3個時間段,特點有所不同。2014—2016年密懷順地下水位年均下降0.88 m,各區呈現差異性,其中順義區地下水位年均上升0.28 m,呈現回升態勢;懷柔區地下水位年均下降0.30 m,有所下降;密云區地下水位年均下降2.64 m,持續下降。2016—2020年密懷順地下水位年均上升3.42 m,各區均呈現上升趨勢,順義區地下水位年均上升3.85 m,懷柔區地下水位年均上升4.29 m,密云區地下水位年均上升4.79 m。但從2020—2022年,地下水水位升速出現了分異性,順義區和懷柔區出現了明顯的增長,分別為11.62 m/a和7.71 m/a,而密云區明顯放緩,為2.97 m/a。

表1 2014—2022年密懷順研究區地下水位Table 1 Groundwater level in Miyun-Huairou-Shunyi study area from 2014 to 2022

圖3 地下水位變化圖Fig.3 Groundwaterlevel variation

2.2 水位升幅帶變化分析

從20世紀末到2014年,密懷順研究區地下水位持續下降了30 m以上,形成了北京地區明顯的地下水降落漏斗區,這就意味著包氣帶的厚度也隨之增加。而這個時期,密懷順地區社會經濟快速發展,分布著多個工業園區和眾多工業企業,但近些年隨著首都定位日漸明確,疏解非首都供能,治理散亂污,企業也急劇減少,然而長年以來工業企業的長時間生產活動,以及農業種植、分散式生活污水、畜禽養殖、地表Ⅳ類以下水體、再生水回補[17-19]等眾多環境風險因素的共同存在,在水位下降的背景下,由于地表到地下水的路徑變長,對地下水的影響效應有所減小,但這也意味著在包氣帶土壤中聚集的環境風險因素變多。當近些年,地下水位的快速提升,原先包氣帶地層被水浸泡,存在包氣帶環境風險釋放到地下水的可能性,尤其在該地區水位升幅高的區域需引起關注。

在多數平原研究區地下水位會保持一種平衡,以年為周期,隨著春夏秋冬,降雨量的不同,枯水期、平水期和豐水期的切換,地下水位會在相對穩定的范圍內波動,但密懷順屬于南水北調來水回補地下水的特殊地區,地下水位在短時間內快速上升,尤其近9年持續上升。因此,基于地下水快速持續增長的地區,提出地下水的升幅帶這一概念,便于后續開展的研究,以2014年地下水位作為基準年,對照2022年地下水位,地下水位升高的區域定義為地下水升幅帶,因此該定義在時間維度上具有一定相對性,在地下水快速增長的情況下具有一定研究意義。定量分析密懷順地區地下水位的升幅情況,有助于掌握包氣帶地層的浸泡情況,為地下水包氣帶污染的釋放研究奠定基礎。地下水位升幅從9.61～40.16 m(圖4),利用等間距法進行重分類(圖5),將9.61～17.79 m表示為地下水位低升幅帶,面積約為144.47 km2,占研究區面積的29.67%;將17.79～29.98 m表示為地下水位中升幅帶,面積約為128.85 km2,占研究區面積的26.47%;將29.98～40.16 m表示為地下水位高升幅帶,面積約為213.52 km2,占研究區面積的43.86%。從鄉鎮街道角度分析地下水位升幅帶(圖6),順義區的牛欄山地區、馬坡地區、北小營鎮、木林鎮和懷柔區的楊宋鎮、北房鎮屬于地下水位升幅高區域帶,地下水位的升幅帶均超過了30 m。

圖4 地下水位升幅空間分布Fig.4 Spatial distribution of groundwater level rise

圖5 地下水位升幅空間分區Fig.5 Spatial partition of groundwater level rise

2.3 包氣帶厚度變化分析

包氣帶厚度由地表高程和地下水位決定,水位的不斷抬高,會導致包氣帶的厚度逐漸變薄,包氣帶減小意味著地表到地下水的路徑長短。2022年和2014年相比(圖7),研究區包氣帶由43.07 m減小至16.69 m,減少了26.38 m。其中密云區由43.42 m減小至24.41 m,減少了19.01 m;懷柔區由39.38 m減小至11.13 m,減少了28.26 m;順義區由45.83 m減小至14.11 m,減少了31.72 m。2014年包氣帶從厚到薄依次是順義區、密云區、懷柔區,2022年包氣帶厚度從厚到薄依次變為密云區、順義區、懷柔區。用地表高程減去2022年地下水位得到2022年研究區包氣帶厚度從4.27～245.83 m,對包氣帶厚度進行重分類(圖8),將包氣帶厚度小于15 m的區域稱為包氣帶較薄區域,面積約為236.83 km2,占研究區面積的48.64%;將包氣帶厚度在15～30 m范圍區域稱為包氣帶中厚區域,面積約為229.28 km2,占研究區面積的47.08%;將包氣帶厚度大于30 m范圍區域稱為包氣帶較厚區域,面積約為20.84 km2,占研究區面積的4.28%。從鄉鎮街道分析包氣帶厚度(圖9),懷柔區的龍山街道、泉河街道、懷柔地區辦事處、雁棲經濟開發區包氣帶厚度均已小區10 m;而密云區的溪翁莊鎮、檀營地區辦事處、密云鎮地下水位埋深均超過了30 m,這些地區主要是由于地形所致,含有山區。

圖7 地下水埋深變化圖Fig.7 Groundwater depth variation

圖8 2022年鄉鎮街道地下水埋深分區Fig.8 Subdivision of groundwater depth in township streets in 2022

圖9 2022年密懷順各鄉鎮街道地下水埋深Fig.9 Groundwater depth in township streets of Mihuaishun in 2022

3 討論

密懷順地區地下水位快速大幅升高的變化特征不同于一般地區的地下水位正常波動,該地區是北京市重要的飲用水源地,因此從歷史角度分析受到了強烈的人為因素影響,從1998年以來至2014年,由于社會經濟的快速發展,北京市人口從1998年的1 245.6萬人增長到2014年的2 171萬人,增長了74.29%,伴隨北京人口快速增長,城市化擴張,經濟迅速增長,背后是用水量需求的大幅增和有限的水資源矛盾日益凸顯。全市總用水量從1998年的23.13×108m3增加至2014年的38.2×108m3,增加64.93%;生活用水從1998年的5.77×108m3,增加至2014年15.04×108m3,增加203.29%。密懷順地區分布著多個水源地,包括第八水廠、懷柔應急、潮白河應急市級和多個區級水源地,1998年后開始大量取用地下水,強力支撐北京社會經濟迅速發展,這與北京市有限的水資源形成了鮮明的矛盾,引起該地區地下水位多年持續下降。但2014年后,南水北調來水,通過潮白河補給地下水,使得地下水補給來源增加,同時地下水實施壓采涵養當地地下水,減少地下水量的使用,地下水位出現了快速抬升,研究區地下水位增長了26.38 m,而處于回補主要河段的順義區地下水位抬升達到了31.67 m。

南水北調來水通過潮白河回補密懷順地下水,使得研究區地下水位快速大幅升高,但這不是唯一的因素,而是由點帶面產生的綜合效應,南水北調來水深刻地影響著北京市的供水格局,2014年北京市地表水供水8.5×108m3,地下水供水量19.6×108m3,南水北調參與供水0.8×108m3;到2020年地表水供水量為8.5×108m3,地下水供水量為13.5×108m3,而此時南水北調參與供水6.6×108m3。2020年和2014年相比,地表水供水量不變,但地下水供水量卻減少了6.1×108m3,而南水北調參與供水大幅增加了5.8×108m3,地下水供水量和南水北調供水的此消彼長,越發凸顯南水北調來水在北京的供水格局扮演的角色愈發重要,而地下水的多年過度消耗也得到了有效遏制。近些年,地下水供水量逐年減小,南水北調盈余水量則用于填補多年地下水虧空,這一正一負,使得密懷順地區的地下水得到了久違休養生息涵養窗口期,地下水漏斗區進一步縮小,夯實了北京市的供水結構安全。

密懷順地區地下水位的快速和大幅增長,使得原先的地下水漏斗區范圍縮小,地下水的虧空得以填補,給供水安全和環境因素帶來了積極的因素,但地下水的快速大幅提升,使得原先包氣帶地層位置被地下水上升所浸泡,這部分地層中由于常年的地表入滲積累,可能蘊藏著潛在的地下水環境風險,在地下水浸泡中將會得以釋放,對地下水產生一定風險;同時,地下水的迅速快速大幅提升,會使得包氣帶厚度大幅變薄,這就意味著地表風險到下水面的路徑變短,從一定程度上縮短了地表風險到地下水的時間。本次研究主要圍繞水位開展相關研究,確定了地下水位高升幅區和包氣帶較薄區,但是對水位回升引起包氣帶環境風險進入地下水的定量化研究不足,這也是開展下一步研究的重點,將基于本次研究結果,在地下水位高升幅區域和包氣帶較薄區,進一步開展地面風險源歷史分析和包氣帶相關試驗測試,闡明地下水位快速回升,對該區域地下水環境風險的量化研究,因此研究結果對支撐地下水管理、地下水政策制定及地下水型水源地的精細化管理具有實際意義。

4 結論

(1)2014—2022年研究區地下水位升高26.38 m,其中密云升高19.01 m,懷柔區升高28.26 m,順義區升高31.67 m,地下水位抬升速度從快到慢依次是順義區、懷柔區、密云區。

(2)2014—2022年研究區地下水升幅帶后對從9.61～40.16 m,其中地下水位低升幅帶面積約為144.47 km2,占研究區面積的29.67%;地下水位中升幅帶面積約為128.85 km2,占研究區面積的26.47%;地下水位高升幅帶面積約為213.52 km2。順義區的牛欄山地區、馬坡地區、北小營鎮、木林鎮和懷柔區的楊宋鎮、北房鎮屬于地下水位升幅高區域帶,地下水位的升幅帶均超過了30 m,該區域是歷史上一直屬于農耕區,至今仍有農業種植。

(3)2014—2022年研究區包氣帶厚度由43.07 m減小至16.69 m,減少了26.38 m,其中密云區由43.42 m減小至24.41 m,減少了19.01 m;懷柔區由39.38 m減小至11.13 m,減少了28.26 m;順義區由45.83 m減小至14.11 m,減少了31.72 m。懷柔區的龍山街道、泉河街道、懷柔地區辦事處、雁棲經濟開發區包氣帶厚度均已小于10 m,該區域工業企業分布密集。

(4)將由于地下水位的快速大幅升高,引起的地下水位高升幅區域和包氣帶較薄區域作為關注區,開展地面風險源歷史分析和包氣帶相關試驗測試研究,量化環境風險對地下水環境的影響,對地下水環境風險的管控具有現實意義。