气候变化对北京地下水资源的影响分析

李 鹏，王新娟，孙 颖，刘 殷，陈 芃

(1. 中国地质大学(北京)，北京 100083；2. 北京市水文地质工程地质大队，北京 100195)

地下水分布广泛，可以获得周期性补给，像地表水资源一样具有调节性和可更新性。在世界范围内，地下水的消耗占总淡水资源消耗的50%[1]。随着气候变化的影响，干旱等极端事件频繁发生，气候变化对地下水的影响也日益明显，一方面气候变化导致地下水的补给与循环交替发生变化，另一方面对地下水资源的需求发生变化，进一步增加了实现地下水可持续开发利用的难度[2]。不少学者已开展气候变化对地下水影响的研究工作[3-9]。

地下水是本市供水水源的重要组成部分，2014年南水北调江水进京后，地下水仍将占全市供水量的50%左右。1999年以来，由于多年连续干旱年份的出现，地下水补给量相对减少，地表水资源严重不足，对地下水的需求相对增加，长期靠超采地下水缓解水资源供给压力，在支撑首都经济社会快速发展的同时，也付出了沉重的生态环境代价，出现了诸如区域地下水位下降、局部含水层疏干、降落漏斗范围不断扩大、地下水质变差和地面沉降等环境地质问题[10]，目前已引起各界广泛关注。本文开展气候变化对北京地下水资源的影响分析，总结并分析了近60 a来北京市气候变化特征对地下水资源的影响，对实现北京地下水资源的合理利用与管理以及为供水安全提供保障具有积极的意义。

1 北京市地下水资源概况

1.1 北京市地下水赋存特征

北京市平原区地下水主要赋存于第四系松散孔隙介质中，山区地下水主要赋存在岩溶裂隙和碎屑岩、火成岩、变质岩裂隙中。多年来，北京地下水开采以第四系松散孔隙水为主。平原区第四系孔隙水主要赋存于河流冲洪积作用形成的砂及砂卵砾石中，其成层性好，易形成较连续的含水层。各河流第四系松散沉积物沉积规律大概相同，即从冲洪积扇顶部至下部及冲洪积平原区，含水层颗粒由粗变细，含水层结构由单一层逐渐过渡到多层，地下水位埋深也由深变浅，单井出水量由大于5 000 m3/d过渡到500～1 500 m3/d(降深5 m时)。

1.2 地下水开发利用历史

北京市是一个严重缺水的城市，人均水资源量为117 m3，远低于国际人均水资源占有量1 000 m3的重度缺水标准，是国际上为数不多的以地下水作为主要供水水源的大城市，水资源供需矛盾十分突出。2013年全市供水量为36.4 亿m3，其中地下水为20.1 亿m3，占总供水量的55%，地表水为4.8 亿m3，占总供水量的13%[11]。

北京地下水的开采方式包括水源地集中开采、工业及生活的自备井开采和农业机井开采等。集中开采水源地和农业井主要开采潜水和浅层承压水；工业和生活用水井主要开采深层承压水。1949年机井年开采地下水量仅803 万m3。20世纪60年代，地下水开采规模逐步扩大。进入70年代，随着城市人口增加、工农业发展，北京市地下水开采程度大幅度提高，开采量比60年代增加近1倍。80年代初期处于连续偏枯年份，地下水开采量达到最大，约28 亿m3/a，之后地下水的开采量维持在26～27 亿m3/a。进入21世纪，地下水开采有所控制，开采量有所减少，由2000年的27.08 亿m3，降至2013年的20.1 亿m3，见图1。

图1 北京市地下水开采量历史变化

2 北京市气候条件及其变化特征

2.1 气 温

北京市多年平均气温11.7 ℃，日极端最高气温可达42.6 ℃(1942年6月15日)，日极端最低气温-27.4 ℃(1966年2月22日)。气温多年变化情况见图2，可以看出，北京气温在波动中增暖，20世纪70年代以来一直呈增温趋势，90年代起增温更加明显，而2012、2013年显著下降。1991-2013年年均气温13.02 ℃，比1951-1970年和1971-1990年2个时段分别增长1.86、1.32 ℃，平均增幅约为0.08 ℃/a。

图2 北京年均气温变化趋势

2.2 降 水

气象站多年(1951-2013年)平均降水量593.81 mm，年降水量最大值1 406 mm(1956年)，最小值261 mm(1965年)，见图3。降水年际变化显示连续的干湿交替模式，降水连枯年和连丰年交替出现，丰枯水年出现的年份一般是3～4 a，比如1960-1962年、1980-1984年为连枯年，1976-1979、1985-1988、1994-1998年为连续丰水年，而1999年以后，北京市经历了多年枯水年。年降水量整体表现为下降趋势，1970年至今为少雨期，1951-1970年、1971-1990年、1991-2013年分段年均降水量为682.44、573.65、534.10 mm，降水偏少的概率增大，分时段平均变幅为-3.45 mm/a。

图3 北京年降水量变化趋势

2.3 蒸 发

北京地区年蒸发量大于降水量。据气象站资料，年总水面蒸发量表现为明显的下降趋势，见图4。20世纪70年代以后蒸发量减少十分明显，除受日照等气候因子影响以外，城市发展带来的下垫面变化也是一个重要因素[13]，1955-1974年、1975-1994年、1995-2013年年均总水面蒸发量为1 937.71、1 766.57、1 597.67 mm，分时段平均值变幅为-8.04 mm/a。

图4 北京年蒸发量变化趋势

3 气候变化对地下水资源的影响

一般情况下，从水文循环的角度，自然状态下地球上大气降水、地表水、地下水之间的水量进行着循环并且保持着一种平衡关系，如果平衡不被打破，地球上的气候将保持干湿交替，产生良性循环，地区多年降水将维持一个水平，降水量的丰枯交替出现，地下水的补给量相对稳定。

3.1 气温对地下水的影响

对于地下水资源来说，降水是补给项，而蒸发则是排泄项。气温变化对水循环和地下水资源的影响是间接的，是通过影响区域降水和蒸发而影响地下水资源的补排量，非决定性因素。图5为城近郊长观孔地下水位和气温变化关系图，一般情况下，气温与水资源量基本呈反比关系，气温升高导致用水需求加大，既暖又干的气候必将加剧地下水资源短缺状态[13]，表现为地下水位整体呈下降趋势。

图5 气温和地下水位动态曲线

3.2 降水对地下水的影响

北京地区降水补给地下水量占地下水总补给量的50%左右[14]，降水量的大小直接影响着北京地区地下水资源量的多少。因此，分析降水对地下水的影响显得尤为重要。

(1)降水对地下水位的影响。在20世纪60年代，北京市平原区浅层地下水埋深一般不超过5 m，到2013年底，平原区地下水平均埋深24.5 m，丰台等西部地区浅层含水层已基本疏干。下面以北京市2大主要河流永定河和潮白河冲洪积扇中上游地下水位与降水量变化关系分析降水对地下水位的影响。

①永定河冲洪积扇中上游。17号潜水长观孔和22号承压水长观孔水位与降水量关系见图6。从图6可以看出，17号潜水孔和22号承压孔地下水位均随着降水量的降低而下降。在1970年以前，永定河冲洪积扇中上游地下水位基本持平，变化不大。20世纪70年代初到80年代末期，地下水位持续下降，80年代末至90年代中期，地下水位达到一个新的平衡。1999年以来地下水位整体呈下降趋势，17号和22号孔年均下降了0.51、0.75 m/a。2008、2012年降水量比较充沛，地下水位有所回升，但有一定的滞后效应。此外，由于官厅水库、三家店水库等修建设施拦蓄地表径流，大大减少了河谷潜流对平原区的补给，致使开采井抽水量增大，也是地下水位下降的原因之一。

图6 永定河冲洪积扇长观孔地下水位随降水变化

②潮白河冲洪积扇中上游。潮白河冲洪积扇中上游地区选择密云309号孔地下水位变化分析降水对地下水的影响，见图7。地下水位在年内随着降水和周边水源井开采的变化而波动。从图7可以看出，2000年以前地下水位随着降水的变化而上升或下降。20世纪80年代以前地下水位变化不大，80年代以后，地下水位整体持续下降。90年代水位下降趋势与降水量下降趋势基本一致。

图7 潮白河冲洪积扇长观孔地下水位随降水变化

在气候变化影响下，人类活动也相应发生变化，两者有很好的同步性[8]。为应对大气降水、地表水补给量减少而引起的水资源紧缺状况，怀柔应急水源地于2003年8月正式运行，加之周边八厂水源地的持续开采以及潮怀应急水源地的建成，集中水源地的开采量一直高达1.6 亿m3左右(见图8)，因此21世纪初降水量虽有所恢复，但区域地下水位仍持续大幅下降，也反映了此时段人工开采较降水减少起了更加决定性的作用。1999年以来密云309孔、怀柔216孔地下水位分别平均下降了2.06、2.80 m/a，该区域形成了484 km2的地下水位降落漏斗，区内较浅的农业井和生活井出现不能正常取水的情况，严重影响了当地生产和生活，加剧了城乡在水资源分配上的矛盾，不得不陆续对部分水井进行了更新。

图8 潮白河冲洪积扇主要水源地开地下水采量变化

水质方面，降水补给减少导致地下水稀释能力减弱，加之超采导致地下水径流途径加长、组分积累，浅层水中总溶解固体、硬度和NO-3均呈逐年升高趋势，深层水中总溶解固体、硬度变化较小，但NO-3含量明显升高。

(2)降水对地下水储变量的影响。地下水的储存量变化反映地下水资源的盈亏状况，同时也是地下水资源补排大小关系的反应。根据北京平原区地下水储存变化量计算值编制降水量与地下水储存变化量关系图，见图9。可以看出，当降水量高于多年平均降水量时，地下水储存变化量为正，反之为负。经动态均衡法计算，1961-2013年，平原区第四系地下水储存量累计亏损101.78 亿m3，1999-2013年，第四系地下水累计亏损量就达65.82 亿m3，年均亏损量4.39 亿m3。

图9 北京市平原区降水量与地下水储变量关系

3.3 蒸发对地下水的影响

水分蒸发是地球水文循环的必不可少的一环，近年来北京地区地表蒸发量呈现连年减少的趋势，地表蒸发量的减少致使大气中湿度变小，同样也影响着地区降水量，进而间接影响地下水的补给量。北京平原区潜水极限蒸发深度为4 m，潜水蒸发量以水面蒸发量乘以潜水自然蒸发折算系数来获得。水面蒸发量减小，地下水位持续下降，双重作用下潜水蒸发量也呈逐渐减小趋势。北京平原区1960-1980年多年平均地下水蒸发量4.95 亿m3/a，1980-2000年平均蒸发量1.19 亿m3/a，2001年以来平均蒸发量为0.44 亿m3/a。

综上来看，气候变化的作用主要体现在降水减少对地下水资源的影响，导致地下水位持续下降，地下水资源连年亏损，水质变差，蒸发对地下水有一定的影响，与降水对比其影响相对较弱，而气温对地下水的影响是间接和微弱的。

4 应对策略

气候变化对北京地区地下水资源带来了诸多不利影响，伴随着北京城市、人口和社会经济的迅速发展，逐渐超出了地下水资源的承载能力，为此，提出以下对策与建议。

(1)不断优化水资源配置，降低地下水在城市供水中的比例。在地下水超采区限制地下水开采，采取停采、压采等措施，遏制地下水位继续下降趋势。

(2)采取地下水回灌增渗措施，建立地下水资源调蓄系统，发挥“水银行”作用。推进雨洪利用设施建设，增加雨洪水的入渗能力，充分利用南水北调来水，还欠账，优化调整水源地布局，优先回补水源地和应急水源地，加速集中水源地的地下水涵养，增加水资源战略储备，保障非常时期的用水需要。

5 结 论

(1)北京地区多年来气候变化特征是：气温在波动中增暖，分时段统计平均增幅约为0.08 ℃/a；降水量年际变化显示连续的干湿交替模式，降水连枯年和连丰年交替出现，整体表现为下降趋势，分时段平均变幅为-3.45 mm/a；年总水面蒸发量表现为明显的下降趋势，分时段平均值变幅为-8.04 mm/a。

(2)气温变化对水循环和地下水资源的影响是间接的，是通过影响区域降水和蒸发而影响地下水资源的补排量。北京地区地下水补给以降水补给为主，降水量的多少不但直接影响地下水资源的补给量，而且影响地表水资源量的多少，进而间接影响地下水资源的补给，1961-2013年，北京平原区第四系地下水储存量累计亏损101.78 亿m3，其中1999-2013年累计亏损量高达65.82 亿m3；水面蒸发量减小，地下水位持续下降，北京平原区地下水蒸发量1960-1980年平均4.95 亿m3/a，1980-2000年平均1.19 亿m3/a，2001年以来平均为0.44 亿m3/a，呈逐渐减小趋势。

(3)气候变化对北京地区地下水资源带来了诸多不利影响，要以“南水”进京为契机，不断优化水资源配置，降低地下水在城市供水中的比例，采取地下水回灌增渗措施，加速地下水涵养，建立地下水资源调蓄系统，发挥“水银行”作用，实现北京地区的地下水资源合理利用和管理，保障供水安全。

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