2001—2012年鄭州市水資源變化趨勢分析與相關對策

鄧敬一,方榮杰,牛津劍,劉顏琿

(1.桂林理工大學 環境科學與工程學院,廣西 桂林　541004; 2.南水北調中線干線工程建管局,北京　100038;

3.河海大學 水利水電學院,江蘇 南京　210098)

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2001—2012年鄭州市水資源變化趨勢分析與相關對策

鄧敬一1,方榮杰1,牛津劍2,劉顏琿3

(1.桂林理工大學 環境科學與工程學院,廣西 桂林541004; 2.南水北調中線干線工程建管局,北京100038;

3.河海大學 水利水電學院,江蘇 南京210098)

摘要：分析了2001—2012年鄭州市水資源變化情況、社會用水變化情況以及廢污水排放與河流水質變化情況。結果表明:①鄭州市降水量平水年占41.67%,地表水資源量偏枯和枯水年份占83%,地下水資源量低于多年平均值的年份占50%,年平均水資源總量低于多年平均水資源總量11.25%。②社會總用水量、工業用水量和生活用水量明顯增加；呈穩步上升趨勢,農業用水量明顯減少，呈明顯下降趨勢。社會用水由以農業用水為主導向以工業用水為主導轉變,用水水源主要來自地下水。③廢污水排放量呈明顯增加趨勢,主要河流水污染嚴重,基本達不到水資源功能區要求。針對水資源開發利用中存在的問題,提出了對策建議:①水資源短缺矛盾尖銳,要開源補水;②廢污水處理落后,要治污清源;③地下水開采量大,要減采補水。

關鍵詞：水資源變化趨勢;降水量;用水量;農業用水;工業用水;地下水;廢污水;河流水質;鄭州市

鄭州市位于河南省中部偏北,行政所轄有鞏義市、登封市、滎陽市、新密市、新鄭市和中牟縣,總面積達7 446.3 km2。鄭州市年降雨少,蒸發多,水污染重,水資源可利用量匱乏,人均水資源占有量僅為全國的1/10,河南省的1/2,屬于資源型缺水和水質型缺水城市[1-2]。遵照自然界水循環的規律,沿循大氣降水形成地表地下水資源,以及社會發展取用水資源量,排放廢污水回歸河流影響水質的路徑,筆者以鄭州市水資源公報數據為主,鄭州市統計年鑒①指2001—2012年《鄭州市水資源公報》和2001—2012年《鄭州市統計年鑒》。數據為輔,采用統計與分析相結合的方法,對2001—2012年鄭州市大氣降水特征、地表水和地下水資源量、工農業社會用水結構、城市廢污水排放情況以及主要河流水質狀況進行了分析,闡明了不同層面上鄭州市水資源變化特點和趨勢,提出了近期水資源開發利用中的主要問題與解決對策,旨在為合理、科學、有序地解決鄭州城市發展中的水資源問題提供參考。

1水資源變化情況

1.1　降水

20世紀70年代鄭州市降水量年際變化幅度較小,20世紀80年代到21世紀初變化幅度很大。降水量年內分配極不均勻,52.3%～54.2%的降水集中在6-8月份[3-5]。2001—2012年鄭州市年降水量變化情況見圖1。

圖1　2001—2012年鄭州市年降水量的變化情況

從圖1可以看出,2003年是降水最多的年份,是典型的豐水年,年降水量1 016.5 mm。2001年是降水量最少的年份,年降水量450.6 mm,年降水量最大值和最小值的變幅達到125.6%,年際差異很大。將各年降水量與多年平均降水量進行比較,可知12年間平水年份降水量占41.67%,12年平均降水量為640.8 mm,較多年平均降水量635.6 mm多0.81%。

1.2　地表水資源

2001—2012年鄭州市地表水資源量變化趨勢如圖2所示。

圖2　2001—2012年鄭州市地表水、地下水資源量變化

從圖2可以看出,2003年地表水資源量為13.535 5億m3,2004年地表水資源量為10.273億m3,多于多年平均地表水資源量8.669億m3,分別屬于豐水年和偏豐年,其他年份均低于多年平均值。其中,2005年、2006年、2007年、2010年、2011年屬偏枯年份,2001年、2002年、2008年、2009年、2012年屬枯水年。12年間偏枯和枯水年份占83%。12年來地表水水資源量年均值6.070 5億m3,比多年平均值8.669億m3偏小29.97%。2003年是12年中水資源量最大的年份,達13.535 5億m3,比多年平均值偏大56.1%。2002年是12年中水資源量最少的年份,只有2.900 4億m3,比多年平均值偏小66.5%。12年來年際豐枯變化很大,變幅達4.6倍。

1.3　地下水資源

鄭州市地下水資源補給主要受自然降水、地表水體入滲、農田灌溉、地下水開采與回灌影響。整體來看,鄭州市地下水資源量年際變化明顯。鄭州市地下水資源量變化趨勢見圖2。12年地下水資源量年均值9.353 2億m3,比多年平均值8.65億m3偏大8.13%。12年中,2001、2006—2009年、2012年共6年地下水資源量比多年平均值偏小,約占總年份的50%。2003年是地下水資源量最多的年份,可達11.419 8億m3,2008年是最少的年份,只有7.3786億m3。

1.4　水資源總量

2001—2012年鄭州市水資源總量見表1。鄭州市水資源總量波動性變化明顯。2001—2012年鄭州市年平均水資源總量是11.885 7億m3,地表水與地下水的重復量為3.538億m3,12年平均水資源總量比多年平均水資源總量13.393億m3偏小11.25%。12年中,2003年是水資源總量最多的年份,可達21.061 8億m3,2008年是最少的年份,只有8.426 6億m3,最大值約是最小值的2.5倍。

表1　2001—2012年鄭州市水資源總量　億m3

2社會用水量變化情況

2001年,鄭州市城鎮化率為55.5%、人口為676.974 4萬人、國民生產總值為1 268.27億元,2012年城鎮化率達到66.3%、人口903.109 0萬人、國民生產總值5 549.79億元。12年來城鎮化率提高了10.8%,人口增加了226萬,生產總值增加了3.4倍,它們直接驅動并影響了社會用水變化。

2.1　總用水量與用水結構

從用水總量和水源來看,2001年鄭州市總用水量15.161 7億m3,2001—2012年以1.06%的平均速率穩步上升,2012年達到了17.034 9億m3。12年來城市用水量共增加了1.873 2億m3,增加了12.35%。2001—2012年年平均用水總量是16.387 6億m3。12年中,用水量最多的年份是2010年,可達20.231 2億m3,用水量最少的年份是2001年,只有15.161 7億m3。用水水源主要是地下水,2001—2012年地下水資源供水量是9.919 2億～12.168 1億m3,年平均值10.873 2億m3,占年均總用水量的66.35%。

從用水結構來看,2001—2012年,鄭州市農業用水呈現明顯減少的趨勢,工業和生活用水呈現明顯增加趨勢 (圖3),2001—2009年農業都是第一用水大戶,工業用水位居第二,生活用水排第三。

圖3　2001—2012年鄭州市社會用水量變化情況

2010—2012年工業用水量位居第一,生活用水量明顯增加,農業用水量明顯減少。

2.2　工業用水和農業用水

2001—2012年工業用水量及其占總用水量的比例呈現平穩增加的態勢(圖4)。

圖4　2001—2012年鄭州市社會用水量比例變化

12年工業用水量年均值是4.821 4億m3,2001年工業用水量是3.950 9億m3,2012年達到了最高值6.023 1億m3,12年間增加了2.072 2億m3,增加了52.45%,年平均增加速率6.58%。工業用水量占總用水量的比例,2012年比2001年增加了9.3%。

2001—2012年農業用水量及其占總用水量比例呈現明顯下降的態勢。2001年農業用水量8.124 9億m3,2012年是4.279 2億m3,下降了3.845 7億m3,農業用水量下降幅度達47.33%,年平均下降速率5.66%。2002年是農業用水量最多的年份,高達8.789 0億m3,占總用水量的55.7%。農業用水量占總用水量比例,2001年是53.6%,2012年下降到25.1%,農業用水量占社會總用水量比例下降趨勢十分明顯。

2.3　生活用水和生態環境用水

2001—2012年鄭州市居民生活用水量年均值是3.639 5億m3，2001—2005年間呈逐年下降的趨勢,2004年有所上升,2006—2012年間呈逐年增加的趨勢,2012年達到3.878 2億m3,比2001年增加了0.792 3億m3,增加幅度為25.67%,年平均增加速率為3.96%。生活用水量占總用水量比例略有增加,從2001年的20.14%,增加到2012年的22.8%。

長期以來,我國的供水制度中,主要考慮工業、農業和生活用水,近些年由于生態環境質量下降,全國各地對生態環境問題逐漸重視。2003年,鄭州市把生態環境用水納入了用水統計。2003年鄭州市生態環境用水量只是0.369 0億m3,2007年鄭州市通過了《鄭州市生態水系規劃》,2008年以后鄭州加大引用黃河水向東風渠、賈魯河、金水河、熊耳河、十七里河、十八里河等河流補水,用來改善河流水環境。2008年以后,鄭州市生態環境用水量明顯增多,2010年達5.111 5億m3,占到總用水量的25.3%。若以2012年2.002 6億m3與2003年開始統計生態環境用水的0.369 0億m3相比,則鄭州市生態環境用水量增加了4.4倍。

3廢污水排放與河流水質變化情況

3.1　廢污水排放總量與排水結構

隨著鄭州市用水量增多,生產、生活污水排放量也相應增加(圖5)。

圖5　2001—2012年鄭州市廢污水排放量變化

從圖5可以看出,鄭州市廢污水年排放量2001年為3.385 7億m3,2012年達到了7.602 5億 m3,2012年比2001年城市廢污水排放量增加了4.216 8億 m3,增加了124.55%。12年來城市廢污水排放量增長了1倍多。

從廢污水排放結構來看,2001—2006年生活污水排放量大于工業廢水排放量,2007—2012年工業廢水排放量大于生活污水排放量。

3.2　工業廢水和生活污水排放量

工業廢水、生活污水以及廢污水排放總量最多的是鄭州市區,明顯高于所轄的鞏義市、登封市、滎陽市、新密市、新鄭市及中牟縣。由圖5可知,12年來工業廢水排放量呈現明顯增加趨勢。2001年工業廢水排放量是1.095 7億 m3,2012年是4.625 9億 m3, 2012年比2001年增加了3.530 2億 m3,增加幅度322.19%。2012年工業廢水排放量最多,達到廢污水總排放量的60.8%。12年來生活污水排放量也有所增加。2001年生活污水排放量是2.290 0億 m3,2012年2.976 6億 m3,2012年比2001年增加了0.686 6億 m3,增加幅度29.98%。

3.3　河流水質

賈魯河屬于淮河水系的二級支流,是鄭州市境內匯水最多、最大的河流。鄭州市的索須河、賈魯河支河、金水河、熊耳河、七里河、東風渠等都匯入賈魯河[6]。賈魯河是鄭州市河流水資源狀況最具代表性的河流,賈魯河下游中牟(陳橋)斷面是鄭州市河流出境河流水質的責任目標考核斷面,也是河南省的省控斷面[6-8]。按照相應時期國家GB 3838—88、GB 3838—2002《地表水環境質量標準》對2001—2012年賈魯河水資源質量進行綜合評價。賈魯河上游的尖崗水庫2005年以后水質有了較大的改善,穩定在Ⅲ類水水質。西流湖水質明顯下降,多數年份是Ⅴ類水。賈魯河下游中牟斷面水質污染嚴重,2001—2012年全部是Ⅴ類或超Ⅴ類水。賈魯河多數河段水質達不到所在河段水資源功能區要求。賈魯河主要污染指標是COD、NH3-N、BOD5、CODMn等，河流水質堪憂。

4問題分析與對策

4.1　水資源短缺矛盾尖銳,要開源補水

2001—2012年鄭州市年均用水總量是16.387 6億m3,超過多年平均水資源總量13.393億m3。鄭州市人均水資源占有量僅是全國人均水資源占有量的1/10。在降水正常的年份,鄭州市水資源量難以滿足快速增長的社會用水需求,水資源短缺矛盾非常尖銳。因此,建議:①用好流域外調水。鄭州依傍黃河,國家分配給鄭州的引黃用水指標多數年份還不能全部利用,一邊缺水一邊空望大河水流去。政府要牽頭組織有關行業部門研究問題的癥結所在,力爭年年把黃河的水用足、用好。我國南水北調丹江口水庫水質常年保持在Ⅰ、Ⅱ類,水質非常好。按計劃,鄭州市南水北調年分水量約為5.4億m3。2001—2012年地下水資源供水量年均值是10.873 2億m3,南水北調的水可以置換地下水,減少大量地下水的開采量。政府要組織協調各部門把這來之不易的丹江口水庫調水用足、用好,并優先考慮生活飲用水,這對提高鄭州市飲水人群身體健康具有深遠意義,對大幅度減少地下水開采也具有實踐價值。②大力發展中水回用。中水回用是節約用水、重復用水的關鍵,它能大幅度減少新鮮水的消耗和污水的排放。2001—2012年鄭州市年均工業和生活用水總量是8.460 9億m3,中水回用有潛力可挖。建議鄭州市政府要強力推動中水回用,將中水回用納入城市建設和行業發展規劃,如水資源保護綜合規劃,城市建設規劃,建筑行業規劃等。對工業用水或其他用水大戶要狠抓水的重復利用。分期分批建立集中式中水處理站,避免遠距離輸送到污水處理廠所致費用的增加。中水處理達到GB/T 18920—2002標準后,可用于沖廁洗車、綠化澆灌、道路噴灑,建筑施工,景觀用水,河道補水等。2005年,位于鄭州市市區的河南省體工大隊建設了游泳池排水中水利用項目,年節水3.7萬m3。2013年,鄭州宇通客車公司重復利用水量1856萬m3,水資源重復利用率達92%。如果鄭州市能夠推而廣之利用中水,必將大大緩解水資源短缺的局面。

4.2　廢污水處理落后,要治污清源

只有處理好了廢污水,排出流到河里的廢污水才能不污染河流。鄭州市廢污水排放量2012年比2001年增加了124.55%,但是廢污水處理量卻沒能跟上去。2012年鄭州市的廢污水處理率只有48.2%。鄭州市河流河道水質大部分是Ⅴ類或超Ⅴ類水,基本達不到所在河段水質功能要求。很明顯,鄭州市廢污水處理的落后是造成地表水資源質量下降、河流污染的主要原因。分析鄭州市所轄行政區域排污與處理狀況,2010年起鄭州市市區廢污水處理就已經全部達標處理了,但是所轄鞏義市、登封市、滎陽市、新密市、新鄭市和中牟縣廢污水處理落后,拉低了全市的廢污水處理率。因此,鄭州市要大力投資建設5市(縣)的污水處理廠，先把所有廢污水全部進行處理,以后再進一步要求高標準處理排放廢污水,這樣才能截污清源,減輕河流污染,改善地表水水質。

4.3　地下水開采量大,要減采補水

鄭州市供水水源主要靠地下水。2001—2012年,占年均總用水量66.35%的供水水源來自地下水,年均地下水供水量10.873 2億m3,超過了12年平均地下水資源量9.353 2億m3以及多年平均地下水資源量8.65億m3。長期過量開采地下水引起了地下水位下降,地下水漏斗快速發展。根據鄭州市水資源公報中地下水埋深資料統計,鄭州市淺層地下水漏斗(五里堡)2001年埋深21.21 m、漏斗面積20 km2,2012年地下水埋深和漏斗面積分別達到了31.88 m、110.4 km2,2012年比2001年漏斗面積增加了4.5倍，埋深下降了10.67 m。

為了遏制地下水資源補排失衡、漏斗快速發展的態勢,避免誘發地面沉降、開裂等地質災害的發生,建議:①減少地下水的開采。政府部門要研究并監控地下水可開采總量,把地下水開采利用量控制在一定水文周期內地下水補排平衡的范圍內。每年制定地下水壓采計劃并落實年壓采量,盡量減少地下水開采量。通過系統規劃,持續扭轉長期以來地下水過度消耗的狀況。②增加地下水補給量。人工回灌補給技術國內外已有研究[9],上海、天津通過減少地下水開采量和人工增加地下水補給,已經較好地控制了地面沉降。鄭州已開展了小規模回灌實踐,但還應該加大雨水、廢污水的回灌力度,采用注入、滲透、疏導多種形式增加地下水補給。要有具體部門負責研究并落實每年地下水補給量。在今后城市規劃中,建議研究建設下沉式廣場,有雨時,蓄水下滲天成湖面;無雨時,干涸自成廣場,這樣巧借自然之力,既建了公眾休閑場所,又補充了地下水。

5結語

a. 對鄭州市2001—2012年12年降水量年均值與多年平均值進行比較分析,可知鄭州市降水量年均值為640.8 mm,略高于635.6 mm的多年平均值,平水年份和偏枯年份占58.3%。地表水資源量年均值6.070 5億m3,比多年平均值8.669億m3偏小29.97%,偏枯和枯水年份占83%,豐枯變幅達4.6倍。地下水資源量年均值9.353 2億m3,比多年平均值8.65億m3偏大8.13%。水資源總量年均值是11.885 7億m3,低于多年平均水資源總量11.25%。降水量、地表水、地下水和水資源總量豐枯不均,年際差異明顯。

b. 鄭州市用水總量、工業用水量和生活用水量呈明顯增加趨勢。從12年情況來看,鄭州市用水總量年均值是16.387 6億m3,2012年比2001年用水總量增加了12.35%;工業用水量年均值是4.821 4億m3,增加了52.45%;生活用水量年均值是3.639 5億m3,增加了25.67%;農業用水量呈現明顯減少趨勢,農業用水量減少了47.33%,農業用水量占總用水量的比重下降了53.17%;用水結構由農業用水為主導向工業用水為主導轉變,用水水源主要是地下水。

c. 鄭州市廢污水排放量呈現明顯增加趨勢。與2001年相比,2012年城市廢污水排放總量增加了124.55%,工業廢水排放量增加了322.19%,生活污水排放量增加了29.98%。主要河流賈魯河上游尖崗水庫水質有明顯改善,穩定在Ⅲ類水水質,下游河道大部分是Ⅴ類水,不符合所在河段水資源功能區要求,水資源質量堪憂。

d. 鄭州市水資源短缺,要用好流域外調水,發展中水回用,開源補水。鄭州市地表水水質惡化,要加大所轄5市縣廢污水處理力度,治污清源。針對鄭州市地下水開采過多、漏斗快速發展的狀況,要減少地下水開采,增加地下水補給量。

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編委風采

王沛芳,《水資源保護》現任主編，河海大學教授、博士生導師國家杰出青年基金獲得者，教育部“長江學者獎勵計劃”特聘教授，入選國家 “新世紀百千萬人才工程”、教育部新世紀優秀人才、江蘇省“333工程”中青年科技帶頭人(第二層次)，“青藍工程”中青年學術帶頭人，2012年江蘇省高校“青藍工程”科技創新團隊首席帶頭人。王沛芳教授還擔任國際水協會(IWA)青年協會副主席、美國American Geophisical Union (AGU)學會會員、國際水協會(IWA)會員、中國環境科學學會水環境分會理事、中國自然資源學會濕地保護專業委員會理事、《Journal of Hydrodynamics》及《水動力學研究與進展》編委。

王沛芳教授現從事水資源保護、水環境污染控制、生態修復理論和技術等方面的教學和科研工作，先后主持或參加完成國家973課題、863課題、重大水專項課題、自然科學基金重點和面上等項目40余項,發表學術論文100余篇，其中SCI收錄55篇，EI收錄51篇，出版專著3部，授權國家發明專利23項;獲國家自然科學二等獎1項(排名5)、國家技術發明二等獎1項(排名2)、國家科技進步二等獎2項(排名2，7)、教育部自然科學一等獎和技術發明一等獎各1項(排名3、2)、江蘇省科技進步一等獎1項(排名2)和二等獎2項(均排名1)，獲中國專利優秀獎1項(排名2)和江蘇省百件優質發明專利1項(排名2);獲2006年全國百篇優秀博士學位論文提名獎，2007年第十屆中國青年科技獎，第八屆江蘇省優秀科技工作者。

王沛芳教授擔任《水資源保護》主編以來，關心期刊工作，傾注了大量心血，《水資源保護》取得了較大進步，2012年、2014年連續兩次榮獲教育部科學技術司頒布的第四、五屆中國高校特色科技期刊獎，2015年被中國科學引文數據庫(CSCD)收錄。

Analysis and corresponding strategy of changing trend of water resources in Zhengzhou from 2001 to 2012

DENG Jingyi1, FANG Rongjie1, NIU Jinjian2, LIU Yanhui3

(1.CollegeofEnvironmentalScienceandEngineering,GuilinUniversityofTechnology,Guilin541004,China;

2.ConstructionandAdministrationBureauofSouth-to-NorthWaterDiversionMiddleRouteProject,

Beijing100038,China;

3.CollegeofWaterConservancyandHydropowerEngineering,HohaiUniversity,Nanjing210098,China)

Abstract：The changing trends of society water use, wastewater emission and river water quality are analyzed in Zhengzhou during the period of 2001-2012.This study result shows: ① The normal years of the total precipitation for many years accounted for 41.67%. The low-flow and dry year of the surface water resources for many years accounted for 83%. And the year of the groundwater resources below the average for many years accounted for 50%. The average annual amount of water resources is lower than the average for many years about 11.25%. ② The survey also reflects an apparently increase and upward trend in water consumption in society industrial and domestic water use while the water consumption of agricultural production has been being decreased and dropped considerably in recent years. Therefore the dominant of water utilization is transformed from agricultural water to industrial water. The sources of water in society are mainly from groundwater. ③ The amount of the wastewater emission are still on increasing trend, therefore, water in the main rivers have been severely polluted and can not suit the needs as the water resource function zones. Three questions and suggestions in the development and utilization of water resources are proposed: ① With the acceleration of the shortage of water resources, it is needed to explore more water resources and get some supplement of water. ② The treatment of the wastewater emission are insufficient, so it is needed to manage the treatment of the wastewater emission and protect the water sources. ③ Along with the groundwater mining quantity increasing massively, it is needed to reduce the groundwater mining and get some supplement of water.

Key words：changing trend of water resources; precipitation; water consumption; agricultural water; industrial water; groundwater; wastewater; river water quality; Zhengzhou City

(收稿日期：2015-04-13編輯：彭桃英)

中圖分類號：TV211.1

文獻標志碼：A

文章編號：1004-6933(2016)01-0148-06

作者簡介:鄧敬一(1991—),男,碩士研究生,研究方向為水資源可持續利用與水環境保護。E-mail:286781227@qq.com通信作者:方榮杰,研究員。E-mail:glfrj@126.com

基金項目:廣西礦冶與環境科學實驗中心資助項目(KH2012ZD004)

DOI：10.3880/j.issn.1004-6933.2016.01.026