生态补水下的永定河流域地下水水位变化规律
胡新宇1, 申媛媛2, 褚婷雯1, 贺巍3, 魏炜1, 申晓鹏1
（1.中咨海外咨询有限公司,北京 100048；2.中国地质大学(北京)水资源与环境学院,北京 100083；3.永定河流域投资有限公司,北京 100193）
摘 要
2020年春季永定河流域(北京段)生态补水工作于4月20日正式开启。为了解在生态补水影响下的永定河流域北京段及北京段周边地区地下水水位变化规律,依据收集的2020年春季补水开展后的半年内地下水水位观测数据,以聚类方式进行归类,再对每类变化规律分别进行分析。结果表明,在生态补水影响下的永定河流域研究区域地下水水位动态变化类型可划分为持续下降型、先下降后上升型和持续平缓型,其中北京段、天津段和部分河北段地下水水位呈先下降后上升的变化趋势,而且存在明显的滞后性。另一部分河北段和山西段呈持续平缓型,仅有少数位点呈持续下降型。这些规律可为制定科学的生态补水方案提供技术参考。
关键词
永定河流域; 生态补水; 地下水; 水位变化
0 引 言
地下水是世界上最重要的淡水资源,对农业灌溉和全球粮食安全至关重要。然而,随着工农业文明的飞速发展,地下水过度开采利用,地下水的水源补给跟不上消耗的速度,导致区域地下水水位的持续下降。地下水位的大幅下降引起单井单位涌水量减少,含水层水质变坏,甚至导致含水层水位枯竭。地下水源枯竭是一个难以弥补的损失[1-2]。另外,全球地下水枯竭加剧了海平面上升,自20世纪中期以来,海平面上升速度明显加快。因此地下水位持续下降的防治工作刻不容缓。
人工生态补水是在一定条件下合理开采地下水且有效缓解地下水位持续下降的积极措施[3]。目前关于人工生态补水对河湖流域水位变化的影响的相关研究不多。潘竟忠等[4]开展了保持内陆盐湖水体平衡,延长盐湖服务年限的相关研究,其实施的人工补水作业,取得了一定效果。毛雪慧等[5]研究了东莞市某河流生态环境承载力较差的人工河道,指出人工生态补水能有效地改善该河道的水体环境。
永定河被称为北京的“母亲河”,承担着北京市主要的水源供给和防洪任务,流域人文资源丰富[6]。然而,近年来永定河流域(北京段)地下水位持续下降、资源紧缺,降落漏斗逐年扩大,导致局部地区含水层疏干,形成“地下沙漠化”,地下生态系统蜕化。河道断流、湿地萎缩、井泉枯竭成为城市负面形象。针对这一现象,国家开启了对永定河的生态补水工作。据水利部统计,2019年永定河生态补水达到3.45亿m3,300天以上不断流的通水河段达513 km,与2006至2011年的河道情况相比增加了367 km,增幅为49%。北京市通过机制调整,永定河山峡段40年来首次实现了不断流,有水河段达130 km,占到总河长的76%。自去年以来,永定河沿线河道周边地下水位整体上都有不同幅度回升,北京山峡段地下水位上升明显,门头沟区部分泉眼停喷30年后已开始复涌[7]。2020年4月20日至5月14日成功实施了春季永定河生态补水工作,北京、河北、天津三地水路贯通,北京境内170 km河段25年来首次全线通水[8]。
1 研究区域特征
1.1 研究区域地理位置
永定河流经山西、内蒙古、河北、北京、天津等五省市,位于北京西南部,是海河水系里北系最大的河流,是由洋河和桑干河两大支流组成[9]。永定河地理坐标范围为112°—117°45'E、39°—41°20'N,东邻潮白河、北运河,西邻黄河,南为大清河,北为内陆河。全长约747 km,流域面积约47016 km2,其中山区面积约45063 km2,平原面积约1953 km2,流经北京段长约169.6 km,境内流域面积约3168 km2。
永定河于官厅水库上游有两大支流桑干河和洋河,出库后称永定河,在三家店地区进入平原区,斜穿北京西南部,随后由大兴区出境。境内流域面积3168 km2,其中山区流域面积2491 km2,是流经北京市最长的河流。本研究区域为永定河流域北京段、天津段以及临近北京段的部分山西段、部分河北段。图1所示为本研究所选取的永定河流域北京段以及周边省市的国家监测位点,共162个。
图1 永定河流域监测点分布
1.2 气候特征
全球气候变暖,气温逐渐升高,区域水文环境变化明显。降水减少导致河流径流减少,是河床干枯裸露、沙土形成的重要因素[10]。永定河流域整体处于半干旱半湿润季风气候区,冬季寒冷干燥,夏季炎热多雨。
北京段属暖温带半湿润季风型大陆性气候区。同时由于山地高峰与平原相对高差悬殊,又具有明显的气候垂直地带性。以海拔700~800 m为界,此界以下为暖温带半湿润季风气候型;此界以上中山区为温带半湿润-半干旱季风气候型;区内四季分明,春季干旱,夏季炎热多雨,秋季天高气爽,冬季寒冷干燥。多年平均气温12 ℃,日极端最高气温可达42.6 ℃,日极端最低气温-27.4 ℃。最低气温出现在1月份,平均气温在-2.7 ℃,日极端最低气温-27.4 ℃,最高气温出现在7月份,平均气温在27 ℃,日极端最高气温可达42.6 ℃。
据多年监测资料(海河流域水文统计年鉴),流域1956—2000年45年系列多年平均降雨量为425.3 mm,多年平均水面蒸发量为850~1200 mm,降雨主要集中在6—9月。北京地区各站年平均水面蒸发量在1800 mm左右,其中1960—2011年北京城区平均水面蒸发量为1791 mm;郊区平均水面蒸发量为1632 mm。同时,工作区风向有明显的季节性变化。冬季盛行偏北风,夏季盛行偏南风。山区因地形复杂,风向与山脉、河谷的走向关系极为密切,有明显的地域性。
1.3 水文特征
永定河山峡段经过的区域,地下水类型主要为第四系孔隙水、碳酸岩岩溶裂隙水和碎屑岩裂隙水。永定河主要流经北京西山岩溶地区(门头沟山区碳酸盐地层)。山区水库主要有斋堂水库、珠窝水库、龙庆峡水库、佛峪口水库;位于清水镇上清水泉是斋堂水库较大泉水补给源;还有较小水库如上苇甸水库、南马场水库等,对整个流域水资源空间调配起到一定的作用。区内绝对高程较大,相对高程较小,多为中山丘陵及盆地,河谷开阔,地势自东南向西北逐渐抬升。永定河上游地区大部分为黄土覆盖及石质山区,植被覆盖度不高,土质疏松,下切较深,两岸冲沟发育,水土流失严重,是我国多沙的河流之一[11]。
1.4 2020春季永定河流域(北京段)补水情况
2020年春季永定河流域(北京段)生态补水工作于4月20日正式开启。4月20日下午5时珠窝水库开始放水,4月21日8时水头到达落坡岭水库,4月22日11时三家店拦河闸开闸放水4月28日8时卢沟桥拦河闸开闸放水,4月29日8时水头到达卢沟桥下游6 km,4月20日至5月14日,官厅水库累计向下游补水1.6亿m3。5月12日15时,补水水头历经22 d,抵达京冀交界处大兴区崔指挥营村,永定河北京段170 km全线通水。至5月22日,补水水头到达崔指挥营下游63 km的天津市武清区104国道永定河大桥。与2019年相比,通水河长增加约108 km,水头位置距离天津屈家店约20 km,距离下游连续水面约11 km。5月26日,水头进入天津15 km 距下游连续水面8.5 km。截至6月30日,引黄补水累计0.94亿m3,水库集中输水0.65亿m3,八号桥累计过水0.81亿m3,官厅水库下泄水量1.87亿m3,通过三家店拦河闸向平原河道生态补水1.27亿m3。
1.5 数据来源与检测方法
本研究选取了对现有国家地下水监测工程及北京市科技计划课题“永定河流域(北京段)地下水涵养储备与保护修复研究及示范”的13个平原区地下水监测站以及永定河流域周边省市162个沿河监测点自2020年4月至2020年10月间半年的水位检测数据。各区域监测井中均安装有水位、水温自动监测设备,监测频率为1天/次。
1.6 分析方法
通过IBM SPSS Statistics 20(IBM公司,美国)进行主成分分析(PCA),选取流域不同区域位点为随机变量,根据区域水位数据变化情况,采用PCA进行降维,选出具有各变化类型的代表位点,进行补水影响下的水位差异性变化规律评估。
2 生态补水影响下的永定河流域地下水水位变化分析
本研究选取的162个监测位点包含北京段65个、天津段27个、河北段(张家口市、廊坊市)40个、山西段(大同市、朔州市)30个,由于数据较多,方便起见,把永定河流域4段位点数据分别表示为LB(北京段)、LT(天津段)、LH(河北段)、LS(山西段),并分别进行分析。
2.1 永定河流域(北京段)地下水水位变化分析
永定河流域(北京段)所选取监测位点数据根据PCA聚类所显示的聚集程度大致划分为两个变化类型,排除异常点后,从每个类型中分别随机选取5个位点(图2中分别以红、蓝点表示)以作代表位点进行表述分析,其中所选取位点的具体位置分别为朝阳区电子管厂(LB11)、朝阳区安外小关(LB16)、顺义区柳洐村(LB39)、顺义区马圈村(LB41)、顺义区南彩镇洼里(LB46)、昌平区定福皇庄(LB50)、大兴区魏善庄(LB57)、怀柔区年丰村北(LB60)、平谷区东柏店(LB61)和通州区宋庄(LB62)。
图2 永定河流域(北京段)所选监测位点聚类分析
由永定河流域(北京段)的研究区域分类分析可以看出(图3),随着补水工作的开启,永定河流域北京段的地下水水位高度整体呈先下降后逐渐上升趋势。由于不同位点距补水水库存在远近差异,且地表水的补充向地下渗入需要一定时间,地下水位升幅与距河道远近呈负相关性,表现出明显的滞后效应。图3(b)中的位点到达最低值后回升的进程是比较迅速的,且后阶段上升的趋势更加明显,此类型区域受生态补水影响较显著,可能与此类型含水层的渗透性有关,在马尧等[12]进行的2019年永定河流域(北京段)生态补水的研究中,笔者观察到了类似现象。类似如图3(a)中位点L61(平谷区东柏店)的情况属持续下降型,地下水位的变动并非单一变量所致,而是多种因素的共同作用[13]。在Marques等[14]的研究中发现可能由于气候波动而导致的降水减少并不能充分解释水位下降,因此,在这一流域中过度开采含水层也可以被认为是观测到水位下降的原因之一。除此之外,还有可能是由该类型位点的含水层介质的性质差异导致的,平谷区含水层介质多为多层砂层[15],其渗透性较差,受补水影响较小,此类现象也出现在Rede [16]对印度马哈拉施特拉邦贾尔纳区地下水水平波动的研究中,发现该地区部分区域西部坚硬的贝盐岩床不允许水渗透。但由于人类对该地区的地下水开发仍在进行中,导致水位持续下降,从统计数据上显示出实际补水时间与水位实际上升时间的延迟。罗杰等[17]在对银川平原地下水位变化的研究中发现人工开采是导致地下水位持续下降的主要原因。
图3 永定河流域(北京段)降维位点分析图(2020年)
2.2 永定河流域(天津段)地下水水位变化分析
永定河流域(天津段)所选取监测位点数据根据PCA聚类(图4)所显示的各位点的聚集程度可知,天津段地下水水位标高的变化规律比较一致,本文随机选取其中5个位点作为代表进行表述分析,这5个位点位置分别为天津市蓟州区东赵各庄镇牛道口村东(LT2)、天津市武清区王庆坨镇复兴庄村东(LT5)、天津市滨海新区南港工业区红旗路与西港池东路交口红旗路南(LT9)、天津市北辰区天津职业大学东北角(LT10)和天津市静海区子牙镇(LT15)。
图4 永定河流域(天津段)所选监测位点聚类分析
整体来说,在生态补水影响下的天津段地下水水位变化波动比较大(图5)。2020年5月中旬,部分位点的水位(如LT2、LT15)有微弱的回升,但在此之后水位整体是在波动中呈逐渐下降的状态,推测可能是由于补水水库距离较远,在生态补水工作进行的前阶段,地表水向地下渗入需要一定时间,在此期间人工开采使地下水位持续下降。这与王槿妍等[18]对永定河生态补水水文要素变化分析中观察到的现象一致,即地表水入渗需要时间,再加上沿途的水量损失,造成下游的地下水得不到充足的补给,因此出现小幅度下降。直到8月初,天津段大范围区域的位点开始回升至原来高度,甚至大部分位点回升至高于初始高度。刘波等[19]在对黄河三角洲清水沟湿地生态补水对地下水的影响分析的研究中发现,补水结束后,湿地入渗过程持续,水位差值增大,但由于湿地入渗速率减弱,水位差值的增长速率减缓,最终趋于稳定。这种现象与我们观察到的非常相似,可见生态补水对地下水位的回升有一定效果。
图5 永定河流域(天津段)降维位点分析(2020年)
2.3 永定河流域(河北段)地下水水位变化分析
永定河流域(河北段)所选取监测位点数据根据PCA聚类所显示的聚集程度大致划分为两个变化类型,每类型分别随机选取5个位点(图6中分别以红、蓝点表示)以作代表进行表述分析,其中所选位点具体位置分别为张家口市宣化县沙岭子镇屈家庄村西1600 m(LH1)、张家口市桥西区沙岭子监狱北10 m(LH2)、张家口市宣化县姚家坊主孔东(LH4)、张家口市宣化县样台村北150 m(LH5)、张家口市宣化县宣化崞村东1.8 km(LH6)、廊坊市广阳区北旺乡小海子村(LH21)、廊坊市安次区古县村(LH23)、廊坊市大厂县芦庄水闸西(LH25)、廊坊市广阳区东沽港(LH27)和廊坊市固安县小东湖(LH29)。
图6 永定河流域(河北段)所选监测位点聚类分析
整体看来,永定河流域(河北段)受此次生态补水影响较小,但在生态补水的影响下,河北段地下水位变化维持平稳,且几乎所有位点均在平稳中有微弱的上升趋势。其中有部分地下水水位始终呈稳定状态(如图7(a)),其他部分水位虽有少许波动,但趋势依旧较平稳(如图7(b)),这与吴润泽[20]等在对邯郸马颊河平原区的地下水位变化的监测分析中观察到的现象一致,地下水位变幅较小,总体平稳。
图7 永定河流域(河北段)降维位点分析(2020年)
2.4 永定河流域(山西段)地下水水位变化分析
永定河流域(山西段)所选取监测位点数据根据PCA聚类所显示的聚集程度大致划分为两个变化类型,每类型分别随机选取5个位点(图8中分别以红、蓝点表示)以作代表进行表述分析。其中所选取位点具体位置分别为大同市城区儿童公园西门北侧(LS4)、大同市南郊区马军营乡马军营木材厂院内(LS6)、大同市阳高县王官屯镇王官屯村北(LS9)、大同市阳高县王官屯镇十里台村西北角 (LS10)、大同市大同县周士庄镇二十里铺旧村南(LS17)、朔州市朔城区北旺庄乡南磨村(LS19)、朔州市朔城区下团堡乡武家庄(LS21)、朔州市朔城区滋润乡小霍家营村(LS22)、朔州市朔城区贾庄乡化庄村(LS23)和朔州市应县下马峪乡武家店(LS27)。
图8 永定河流域(山西段)所选监测位点聚类分析图
永定河流域山西段与河北段情况相似,可能是距补水水库较远的缘故,受到此次春季补水的影响更小,水位变化情况在本研究整个时期始终保持稳定(图9),可能该区域含水层介质类型较为相似。据谢浩等[21]人的研究表明由于人类对地下水的开采在不断进行,山西省整体地下水位呈逐年下降趋势,由于本研究水位检测时长为半年,故本文观察到的这种变化现象并不明显。
图9 永定河流域(山西段)降维位点分析(2020年)
3 结论
(1)在2020年春季生态补水的影响下,研究区域地下水水位变化情况主要概括为三种情况。第一种是在补水的影响下,水位先下降,再逐渐上升,这种类型分布较广,在永定河流域北京段及天津段比较明显,在河北段部分区域有所表现,但比较微弱。第二种是基本稳定,这种类型主要分布在永定河流域河北段局部地区以及永定河流域山西段。第三种是持续下降型,在本研究区域呈这类变化情况的位点相对较少。
(2)通过监测井地下水位动态分析发现,从河道上游至下游地下水位动态响应存在明显的滞后性。
(3)在2020年春季生态补水的影响下,永定河生态补水是地下水位动态变化的外因,而地质条件是地下水位动态变化的内因。对于地质条件的控制作用尚待进一步深入研究。
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