地下水的超采对农业灌溉和环境的影响及其对策Word格式文档下载.docx
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地下水补给量的计算牵涉到多种因素,可开采系数选择又有很大的任意性,一些地区估算的地下水可采量往往过高,根据偏高的可开采量计算的开采系数过低,不能及时发现地下水的超采和采取防止超采的有效措施。
只有在地区可采系数或可采量比较可靠的情况下,才可以采用这种方法确切地判别地下水的超采和计算地下水的超采量。
例如,根据国家”七五”重点攻关资料,河北省多年平均小于2g/l的浅层地下水可采资源量为91.68亿m3,小于2g/l的深层承压水量为8.6亿m3。
根据水资源公报资料,1994-1999年期间河北省地下水资源开采状况如表1所示。
自表1可见1994-1999年6年间浅层和深层地下水开采量累计超出多年平均可采量335.62亿m3,累计超出平原浅层资源量和深层资源量555.3亿m3。
3.利用水资源开发利用率、耗用率和地下水开采量与地表水供水量比判断地下水超采
1)水资源的开发利用率
灌区水资源总量是指扣除地表水资源量与地下水补给之间重复量之后的地表水资源和地下水补给量的总和。
一个灌区真正可以消耗利用的水量不能超过这个总量。
灌区地表水和地下水供水量的总和与水资源总量的比值即为水资源的开发利用率。
由于进入灌区的地表引水量和地下水开采量并非全部为用水部门消耗利用,其中一部分水量将作为地表退水重新回到灌溉渠系或进入排水系统,泻入河流或湖泊水库,一部分将通过深层渗漏补给地下水。
这些地表水和地下水还可以被重复利用于灌溉和其他用水部门。
因此,水资源的开发利用率只能表示水资源总量的的开发利用程度,并不能说明水资源消耗的程度。
表1.1994-1999年期间河北省地下水资源开采状况表
年份
降雨(mm)
浅层地下水资源量(亿m3)
深层承压水量(亿m3)
多年平均资源
当年资源量
开采量
剩余或超采量
资源量
1994
585
91.68
87.00
110.22
-18.54**
(-23.22)
9.80
37.26
-28.54
1995
634
93.00
109.10
-17.42
(-16.10)
34.64
-24.36
1996
601
93.20
111.28
-19.60
(-17.92)
33.16
-23.36
1997
365
46.68
127.06
-35.38
(-81.38)
37.94
-28.14
1998
537.1
69.86
133.32
-41.64
(-63.46)
36.69
-26.89
1999
376.9
41.41
128.21
-36.53
(-86.80)
45.02
-35.22
近6年平均
516.9(多年均值541.0)
71.85
119.86
*-169.11
**-388.8
37.45
*-166.51
*近6年累计超出多年平均值91.68亿m3的超采量
**近6年累计超出当年平原区资源量的超采量
3)水资源的耗用率
灌区各行业地表水和地下水耗(用)水量的总和(各用水部门,不包括生态耗水)与水资源总量的比值即为社会经济对水资源的耗用率。
它反映灌区社会经济对水资源消耗利用的程度,水资源耗用率大于1说明社会经济用水不仅已将水资源总量耗尽,而且正在挪用非耕地的生态用水和动用地下水的储存量。
4)灌区地下水与地表水供水比
地下水可采资源量与地下水补给量的比值,即通常的地下水可采系数,在已知地下水补给量的情况下乘以可采系数就可以确定地下水可采量。
但地下水补给量的确定需要通过复杂的计算。
西北干旱地区降雨稀少,地下水的补给主要来自地表水灌溉入渗,地下水的可供水量应主要决定于地表水供水量。
半干旱半湿润地区,虽有一定的降雨补给,但灌溉的地表水仍是地下水补给的重要来源。
由于地表水供水量是灌区规划和管理的基本数据,因此,可以利用灌区内地下水与地表水供水量的比值来近似地确定灌区地下水可供水量和作为反映地下水开采程度是否适当的参考指标。
灌区地下水与地表水供水必须采用适当的比例,除保证耕地农作物用水要求外,也需要使周边非耕地保持适当的地下水埋深,以维持天然植被的存活。
为了灌区的持续发展,还需要满足地下水采补平衡,盐分排补平衡的要求,既要避免地下水超采,水位下降,又要防止地下水位过高,造成灌区土壤积盐。
我国北方地区,气象、土地利用和水文地质条件有很大差异,特别是降雨量和土地利用条件差别很大。
例如,陕西关中灌区年平均降雨在540mm左右,土地利用系数也比较高;
宁蒙河套地区、河西走廊、青海和新疆北疆的一些地区降雨在130mm~200mm,而新疆南疆的大部地区年降雨均在50mm以下,蒸发强烈,土地利用系数也较低,各地地下水补给排泄条件也有很大差异,因此,各地适宜的地下水开采量与地表引水量的比例也应是不同的,应根据各地的具体条件确定。
地下水灌水量与地表水灌水量的适宜比例,一方面决定于降雨量与蒸发量和作物的需水量,另一方面也决定于土地利用系数和水文地质条件。
根据地处半干旱半湿润地区的陕西泾惠渠灌区和河南人民胜利渠引黄灌区井渠结合的实际资料,在降雨量平均540mm的情况下,地下与地表用水量比在0.40~0.60左右可能是比较适当的.。
西北干旱地区生态环境脆弱,降雨稀少,蒸发强烈,在缺乏人工灌溉的条件下,天然植被主要靠地下水对根层补给的水量而存活。
如地下水缺乏天然补给,地下水位将由于植被和土壤蒸散发消耗而下降。
随着地下水位的下降,天然植被吸取不到生存所需要的水分将逐渐衰亡,在天然植被减少到一定程度后,将导致土地的荒漠化。
为了保持灌区和周边地区的生态平衡,灌区采用的地下水与地表水用水比例除满足耕地的水资源供需平衡外,还必须满足生态需水和天然植被对地下水位的要求。
在缺乏侧向补给条件的干旱地区,灌区可利用的地下水量与渠灌水量之比应小于半干旱半湿润地区。
新疆天山北坡降雨量在150mm-200mm以下的地区,在缺乏侧向地下水补给,且采取一定的渠道防渗等节水措施的条件下,灌区内井灌与渠灌用水量比一般估计可能应在0.20~0.25以下。
北疆的伊犁河、额尔齐斯河灌区降雨在250-450mm之间,高于天山北坡,低于陕西的关中平原,地下水与地表水供水量的比值估计可能在0.25-0.30左右。
新疆的东疆和南疆,降水量在20-50mm以下的灌区内部地下水与地表水灌溉用水量比一般估计可能应在0.10~0.15以下。
地下水与地表水供水量的比值超过一定的数量即表明地下水已经超采,正在动用地下水的储存量,并对生态环境产生一定的影响。
在缺乏地下水动态观测资料的地区可以根据水资源开发利用率、耗用率和地下水开采量与地表水供水量比判断地下水超采。
例如,河西走廊石羊河流域水资源总量为17.5亿m3,近年来年平均地表水和地下水供水总量为26.63亿m3,(其中地表水供水量13.95亿m3,地下水供水量12.68亿m3)耗水总量为17.90亿m3,水资源的开发利用率为1.73,水资源的耗用率为1.03,地下水开采量与地表水供水量比为0.908。
流域水资源开发利用的总量已达到水资源总量的1.73倍,消耗的水资源总量达到水资源总量的1.03倍,表明社会经济用水不仅已将水资源总量耗尽,而且正在通过地下水的超采,挪用非耕地的生态用水和动用地下水的储存量。
根据1998~2000年资料,武威地区供水量与水资源总量比1.81.~2.26,耗水量与水资源总量比也已达到1.18~154,地下水开采量与地表水供水量比已达到0.922~1.191。
表明武威地区在石羊河流域中水资源的开发程度更高,地下水超采更加严重。
武威市的民勤县共有三个较大灌区,环河灌区、昌宁灌区和红崖山灌区。
环河灌区和昌宁灌区均为纯井灌区。
红崖山灌区又分为坝区泉山和湖区两个灌区。
红崖山灌区位于石羊河最下游的民勤县绿洲带中,南与武威市凉州区接壤,东西北三面被腾格里沙漠和巴丹吉林沙漠包围,属典型大陆温带干旱气候,风多沙大,降雨稀少。
上游的地下水侧向补给已被位于灌区上部的环河和昌宁两纯井灌区利用,红崖山灌区可利用的水资源总量仅为地表引水量。
根据1999-2000年灌区灌溉面积和水资源开发利用资料,见表2,全灌区和坝区泉山、湖区两分灌区水资源利用率分别为7.524~8.096、12.87~13.00、和3.59~4.30,地下水开采量与地表水供水量的比值分别为7.52~8.09、12.00~12.87和3.30~3.59,表明无论全灌区和分灌区地下水均已严重超采。
表21999-2000年民勤县红崖山灌区灌溉面积和水资源开发利用情况
(灌溉面积,万亩;
用水量,万m3)
项目
总计
坝区泉山
湖区
灌溉面积
78.72
58.36
20.36
总用水量
60769
44961
15806
毛灌溉定额(m3)
772
770
776
地表水用水量
7129
3458
3671
水资源利用率
8.52
13.00
4.30
地下水用水量
53640
41503
12135
地下地表用水比
7.524
12.00
3.305
2000
77.06
57.13
19.93
58141
43012
15121
754
753
758
9.097
13.87
4.594
6391
3100
3291
51742
39912
11830
8.096
12.87
3.594
二.地下水的超采对农业灌溉和环境的影响
1.地下水持续下降、形成大面积地下水漏斗和地面沉降
我国北方地区,由于地下水的超采,地下水位大幅度下降,在广大的地区形成16万km2的地下水位下降漏斗。
海河流域由于地下水过度开采,东部平原沿津浦铁路形成了以天津、沧州、德州为中心的大面积深层地下水降落漏斗区,面积约2.14万km2。
1999年第IV含水组漏斗中心承压水位埋深达到111m。
1995年冀、枣、衡漏斗中心最大地下水承压水位埋深达76.18m,沧州市1998年达94.0m。
在太行山前沿京广线形成了以北京、保定、石家庄、邯郸、濮阳为中心的浅层地下水下降漏斗区面积约1.4万km2。
2000年河北省石家庄市漏斗面积达到426km2,漏斗中心地下水埋深达41.93m。
由于深层地下水的超采引起大面积地面沉降、地裂和塌陷等一系列环境地质问题。
天津和流域中东部平原已发生区域性地面沉降。
至1998年,河北平原累计沉降量大于300mm的面积达1.82万km2,地面沉降大于100mm的面积即超过33,900km2,占河北平原总面积的55%以上。
1994年地区的最大地面沉降量达1,523mm,天津市1994年最大累积地面沉降量达到2.74~3.04m。
山西太原市由于城区深层承压水超采,城区承压水位的最大埋深1996年达到130m,已形成多个地面沉降漏斗,1990年最大地面沉降量已达1.3m。
。
造成建筑物和铁路路基沉陷,桥梁破坏。
我国西北地区除一些城市出现超采外,许多灌区也出现超采的现象。
例如,陕西泾惠渠灌区超采区面积近900km2,地下水平均埋深从1985年的4.38m增加到2000年的12.97m,下降了8.59m。
内陆河流域地下水超采区总面积达2.395万km2,其中严重超采区面积3400km2,年平均地下水超采量4.1亿m3,累计地下水超采量约为32.9万km2。
其中甘肃石羊河流域的武威市超采区面积达2000km2,民勤县超采区面积为1600km2。
民勤灌区的地下水位由1979年的1.5~7m增加到2000年的13~20m。
新疆天山北坡的奇台县地下水超采严重,超采区面积为1198km2,米泉县超采区面积140km2。
奇台县年平均地下水位埋深已达到20.16m。
阜康县三工河冲洪积扇地区地下水持续下降,地下水埋深由1978年的26m增加到2000的38m。
五家渠灌区103团平均埋深由1981年的4.98m增加到1995年的10.42m。
新疆东疆的哈密超采区面积约1000km2,吐鲁番超采区面积600km2,与80年代相比地下水位已下降了20-30m。
我国南方虽然水资源比较丰富,地下水过量开发也会造成严重的后果。
由于地下水超采上海市累积地面沉降量达2.629m,苏州,无锡和常州形成的区域地下水位降落漏斗面积达7,000km2,苏州,无锡和常州漏斗中心的承水位埋深分别达到63.3m,74.1m和80.5m,目前,苏、锡、常地面沉降总面积已超过3,000km2。
苏州沉降中心的累积沉降量已超过1,682mm,沉降量600mm的等沉降量线包围的面积已达80.4km2.无锡的最大沉降量为1,100mm,超过600mm的面积达60km2。
常州的最大地面沉降量为949mm.。
浙江省嘉兴市由于严重超采,1995年漏斗中心承压水位已达-44.30m,最大地面沉降量达709.6mm,宁波市累积地面沉降量达350mm,安徽省阜阳市1990年累积地面沉降量达872.82mm。
2.提水费用增加、含水层枯竭、机井报废
地下水的超采,导致地下水位下降和地面沉降对农田灌溉的产生严重影响。
由于地下水位持续下降,水井提水杨程加大,出水量减小,使水井运行费用大幅度增加,提水成本成倍增长。
例如,陕西泾惠渠灌区由于地下水超采,地下水埋深由1985年的4.38m下降至2000年的12.97m,累计下降8.59m。
造成大量机井水泵调空,井壁坍塌,甚至报废。
山西太原市由于含水层水位的下降水源地的出水量大幅度减少,1996年水源地的出水量较1980年减少了78-100%。
河北石家庄地区由于地下水位下降,提水成本由70年代的每亩次8元增加到现在的30元,能耗增加两倍多。
很多地区由于地下水位下降,水井抽空吊泵,抽水设备需要不断更新,农民对灌溉的投入急剧增加。
由于含水层疏干枯竭,一些水井甚至报废。
例如,1986年河北省平均每年有8500眼机井干枯,占报废机井的21.9%。
石家庄地区机井报废率每年达3~10%。
提水机具已由离心泵改为潜水泵。
由于岩溶裂隙水的超采,山东济南市豹突泉也已近枯竭,河北邢台百泉1986年断流,山西太原市最大的晋祠泉1996年枯竭,使下游农田灌溉缺水日益严重。
新疆天山北坡一些灌区,70年代水井可以自流,由于地下水位下降80年代井深达到100m,90年代达到120~130m,目前已到200m。
吐鲁番盆地80年代井深只有20~30m,采用离心泵抽水,现在井深达到120~150m,甚至200m,潜水泵要下到80m才能抽水。
80年代吐鲁番原有1237条坎儿井,目前仅有400条有水,有400多口浅机井已经报废。
由于地面沉降降低了地面高程,不仅引起建筑物沉陷,还会降低河流堤防抗御高潮和洪水的能力,造成排除暴雨径流困难,引起土壤盐碱化和农田减产,对农业生产造成严重影响。
3.天然植被衰退,生态环境恶化
地下水位下降,使土壤含水率降低,造成土地沙化。
例如,海河流域山前平原与河道两岸附近由于浅层地下水位持续下降地区,河流冲积沙地和砂质褐土、砂质潮土、砂质草甸土等耕地沙化趋势严重,沙土随风迁移造成覆盖沙地。
近30年来,流域内“沙化”土壤面积不断扩大。
西北地区,气候干旱,降水稀少,蒸发强烈,非耕地的天然植被,主要靠地下水的补给存活。
由于地下水的超采,地下水位下降,导致天然植被衰退,生态环境恶化。
根据塔里木河流域资料,天然植被的出现频率与地下水埋深的关系如表3所示。
表3塔里木干流区典型植物在不同地下水埋深范围内总体出现频率(%)
植物群落
地下水埋深
<
1m
1-2m
2-3m
3-4m
4-5m
5-6m
6-7m
7-8m
8-9m
9-10m
>
10m
胡杨
4.72
13.78
20.96
20.62
12.41
5.90
7.26
7.11
4.77
0.37
柽柳
4.34
19.96
26.11
22.12
13.59
3.92
0.92
5.17
2.31
1.56
芦苇
14.29
36.93
29.45
16.85
6.02
1.81
0.77
罗布麻
4.01
12.20
41.15
13.95
20.85
4.97
0.96
1.93
甘草
2.7
18.9
40.5
24.3
10.8
骆驼刺
5.56
11.1
22.8
22.2
19.4
8.33
2.78
自表3几种植物群落出现峰值的地下水埋深分别为:
胡杨3.2m,柽柳3.7m,芦苇1.9m,罗布麻2.7m,甘草2.9m,骆驼刺3.4m。
地下水埋深小于2.5m的最适植物群落是湿生的芦苇;
埋深在2.5-3m的最适植物群落是以罗布麻、甘草为优势种的草甸植被;
埋深在3-3.5m的适宜植物群落有胡杨林,在3.5-4m的最适植物群落有柽柳,同时3-4m这一埋深范围也是以骆驼刺等植物为优势种的荒漠化草甸的适宜区。
在降雨稀少的情况下地下水埋深超过7-8m,甚至耐旱的胡杨和柽柳都难以存活,地区将导致荒漠化。
例如,甘肃石羊河流域的民勤灌区和新疆奇台县灌区的北部边缘,由于地下水超采,地下水位分别下降到地表以下12m和20m,导致生态环境恶化,北部沙漠的沙丘分别以每年3m~4m和.25m~2.8m的速度向灌区推进。
4.海水入侵和水质恶化
由于地下水超采使地下水位持续下降,沿渤海、黄海的沙质和基岩裂隙海岸地带,发生海水入侵,在有咸水分布的地区出现咸水边界向淡水区移动。
例如,山东沿海地区由于地下水位大幅度下降,涞州湾形成面积为11,400km2的地下水位下降漏斗,其中地下水位在海平面以下的面积为2400km2,1988年漏斗中心地下水位在海平面以下20m,造成涞州湾海水入侵地下水含水层,海水入侵的面积达730.7km2。
山东省的烟台、威海、和青岛市也发生了海水入侵。
地下水位的下降也造成辽宁省大连市、锦州、锦西、营口市,和河北秦皇岛市的海水入侵和水质恶化。
1992年辽宁省海水入侵面积达434km2,秦皇岛市达55.4km2。
在广西省北海市的海城区和涠州岛都曾由于长期超采地下水引起海水入侵,造成水质恶化。
河北黑龙港地区地下水在垂直剖面上多为上咸下淡,由于地下水的超采,浅层咸水含水层与承压含水层之间的水头差增大,使一些地区咸水界面向淡水层移动。
例如,河北省沧县1992年地下水咸水层底界面埋深,较1974年下降10m以上的面积达1260km2。
有些地区咸淡水界面以每年0.1-0.2m的速度不断下移,使承压含水层水质恶化,个别地区地下水矿化度上升至
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