鄂爾多斯浩勒報吉水源地開采地下水的環境影響分析

王旭升，尹立河，方 坤，張 俊，王曉勇

(1.中國地質大學(北京)水資源與環境學院, 北京 100083；2.中國地質調查局西安地質調查中心, 陜西 西安 710054； 3.中國地質大學(北京)信息工程學院, 北京 100083)

在干旱半干旱區，自然生態環境和人類社會經濟發展對地下水資源都有較強的依賴性。此類地區集中開采地下水，不僅會形成以水源地為中心的地下水位降落漏斗，同時可能對周邊依賴地下水的生態要素產生負面影響。水源地開采規模應該受到約束，不應導致嚴重的負面環境影響。關于地下水開采的約束條件，行業部門有一些規定[1-3]，但是具體量化指標尚不明確，實際執行過程中地下水的可開采量常用天然補給資源量乘以經驗比例確定。一些水源地建設項目由于對水文地質條件與生態環境的關系存在認識上的不足，開采規劃不合理，可能導致未能預料到的不良環境后果。

鄂爾多斯浩勒報吉水源地是經過內蒙古自治區水利廳批準的工業項目水源地，水源為地下水，設計一期工程需水量3.0×104m3/d[4]。以往水資源評價認為，該水源地的可開采量達到8.0×104m3/d[5]。在2008—2014年規模化開采過程中，水源地周邊的環境發生顯著變化，引起了環保組織的關注。國際綠色和平組織調查認為該水源地的地下水開采導致植被枯死、大量民井不能正常取水[6]。《中國新聞周刊》也對此進行了報道[7]。2013年，鄂爾多斯市委托地質行業單位調查了該水源地東北部若干村鎮(距離水源地5～10 km)受到的影響，發現潛水面下降幅度超過2 m的區域面積占80%以上，認為水源地開采與本地農業用水量增加共同導致了地下水位快速下降[8]。從2014年開始，鄂爾多斯市對工業項目開采地下水采取了限制措施。盡管如此，關于浩勒報吉水源地開采地下水造成的環境影響，多年來只有宏觀現象的模糊認識，缺少專業的核查和定量評價。

近年來，中國地質調查局在鄂爾多斯地區部署了1∶5萬水文地質調查項目，其中一個重要任務即為核查浩勒報吉水源地以往地下水開采造成的環境影響。本文對現有的部分核查成果進行梳理，分析以往10多年來浩勒報吉水源地及其周邊地區的地下水開采、地下水位變化、湖泊以及植被變化歷程，定量評價水源地集中開采地下水與環境要素變化之間的關系。借助于該典型案例，本文進一步討論了干旱半干旱區地下水資源開發利用需要注意和研究的問題。

1 研究區概況

浩勒報吉水源地位于內蒙古自治區鄂爾多斯市烏審旗、杭錦旗和伊金霍洛旗的交界帶，面積約400 km2(圖1)。區內的氣象條件受到溫帶半干旱大陸性氣候控制，蒸發作用強烈，多年平均降水量不足400 mm。水源地及其周邊地形呈波狀起伏，低洼區分布一些湖泊濕地，集中開采區附近有蘇貝淖、胡同察汗淖等湖泊(圖1a)。其中，胡同察汗淖屬于區域地勢最低處，圍繞該湖泊的區域地貌分水嶺圈閉成烏審召盆地，面積達4 780 km2，地形海拔變化范圍為1 270～1 550 m。

圖1 浩勒報吉水源地地下水集中開采區位置和剖面地下水流特征示意圖Fig.1 Location of the concentrated groundwater exploitation area of the Haolebaoji wellfield and schematic profile showing groundwater flow near the Haolebaoji wellfield注：A和B分別為神華集團與博源工業園開采區；原地下水資源評價區范圍及2004年淺層地下水位 [4-5]

在地質構造上，浩勒報吉水源地屬于鄂爾多斯向斜盆地的東北部[9]，第四系松散沉積物覆蓋厚度一般小于10 m，作為基巖的白堊系砂巖總厚度達到800～ 900 m(圖1b)。水源地含水層為白堊系砂巖孔隙裂隙含水層[9]，賦存的地下水基本上都是淡水，以降水入滲為補給源，其溶解性總固體(TDS)一般為0.2～0.6 g/L，對于大多數深度100 m以上的抽水井，單井涌水量能達到500～3 000 m3/d，是當地最具有供水意義的含水層。水源地開采深度約300 m，主要開采層位為白堊系上部的環河組。相對而言，白堊系以下的侏羅系砂巖、頁巖地層埋藏深且滲透性較差，通常被視為鄂爾多斯高原含水層系統的隔水底板。受區域地下水流系統控制，開采層位的地下水在自然狀態具有承壓自流性質。抽水形成的水頭降深對地下水流系統產生干擾，部分原本流向附近湖泊的側向徑流被截取，并引起潛水向下補給承壓水(圖1b)。

水源地所處的烏審召地區生態脆弱，是我國重要的防風固沙生態功能區，20世紀50年代以來開展了一系列生態綜合治理措施[10]，成功遏制土地沙化的侵害，曾被授予“牧區大寨”的榮譽稱號。進入21世紀后，隨著國家“退牧還草”政策的持續實施，當地自然環境進一步好轉。浩勒報吉水源地選址在一個地下水埋藏淺、水草豐茂的牧區，原有的風沙地貌大部分被灌木林代替，優勢植被有沙柳、楊柴、檸條等，局部分布以旱柳為主的喬木林，耕地面積所占比例不足5%。當地牧民約有2 000多戶，社會生活與農業用水均以地下水為水源。

2 核查要素、調查方法和數據

2.1 氣象數據

研究區設有烏審召氣象站。本次收集了該氣象站2004—2016年的氣象監測數據，包括逐月降水量、平均氣溫和小型蒸發皿蒸發量等。整理得到的逐年降水量和氣溫變化見圖2。可以看出，該時期的年平均氣溫比較平穩，而年降水量自2009年以來呈現增大趨勢，多年平均降水量接近350 mm，其中2005是最干旱年份(降水量不足200 mm)，2016年是最濕潤年份(降水量超過500 mm)。由于文中對每年8月植被指數進行分析，考慮相關的植被生長期，圖2中顯示了5—8月降水量和平均氣溫的數據。與年值相比，5—8月平均氣溫的振蕩幅度更大一些，除個別年份外，5—8月降水量的排序與年降水量的排序保持一致。

2.2 地下水開采

研究區地下水資源開發利用的規模和主要供水對象隨著時代的不同而變化，本研究收集了不同歷史時期的水文地質調查資料，也對現有水源地開采數據進行了調研校核。2000年之前，地下水開采以分散式民井為主，用于人畜飲水和少量耕地灌溉，井深普遍小于50 m，開采強度為10～30 m3/(d·km2)，2003年開采規模約為1.26×104m3/d(圖3)。從2005年開始，多個工業項目分批次在浩勒報吉水源地進行地下水開采，包括神華集團煤制油項目、博源集團化工項目(現為中煤蒙大化工項目)、蘇格里天然氣化工項目、生物質熱電項目等。工業用水開采強度在2009—2014年期間為6.0×104～7.3×104m3/d，2011年達到峰值7.3×104m3/d，區內地下水總開采量超過8×104m3/d。從2015年開始，工業用水量顯著回落，但仍然高于非工業用水開采量。

圖2 烏審召氣象站2004—2016年期間的逐年降水量和平均氣溫變化特征Fig.2 Variations in annual precipitation and average temperature from 2004 to 2016 at the Wushenzhao meteorological station

圖3 浩勒報吉水源地2003—2016年期間地下水開采規模的變化Fig.3 Change in groundwater pumping rate of the Haolebaoji wellfield from 2003 to 2016

2.3 地下水位

在水源地勘探階段，勘探部門繪制了2004年淺層地下水位等值線[11](圖1a)。由于未考慮湖泊水位線的封閉性，少數等水位線從湖區穿過，該圖只是真實地下水位分布的粗略近似。總體上，地下水位在1 280～1 370 m，水源地北部、東部和西部水位較高，水力梯度一般為8‰～20‰，南部水位低于1 300 m，水力梯度小于10‰。在原評價區的南端，因靠近區域最低排泄面——胡同察汗淖，其地下水位可低于1 280 m。

浩勒報吉水源地內部和周邊地區設置了23眼地下水位監測井，其分布方式見圖1，其中淺層地下水(潛水)13眼，其它為深層地下水(承壓水)監測井。2003—2009年多年觀測的監測井有19眼，水位觀測間隔一般為5 d。2013—2016年觀測的監測井有20眼，水位觀測間隔一般為10 d。17眼監測井同時具備這2個時期的觀測資料，但均缺少2010—2012年觀測數據。

2.4 湖泊面積

如圖1(a)所示，最靠近水源地的湖泊是蘇貝淖，北部遠處還有奎生淖、敖各窖淖、小克泊等湖泊，東部和南部有木凱淖、胡同察汗淖等湖泊。在這些湖泊中，只有木凱淖在某些月份干涸，其它都常年有水。它們與A區中心距離不到20 km。

本研究采用遙感影像資料對重點湖泊多年面積變化進行了識別分析。衛星影像來源是美國Landsat-7 ETM數據，周期為16 d，滿足逐月分析湖面積變化的需要。從多光譜影像中提取湖泊水體的方法包括單波段閾值法、歸一化水體指數法等[12-15]，本文主要采用綠光波段(0.52～0.60 μm)和中紅外波段(1.55～1.75 μm)計算歸一化水體指數。這2個波段數據分辨率均達到30 m。湖泊面積解譯誤差小于0.1 km2。

2.5 植被指數

已有研究表明鄂爾多斯高原的植被蓋度與地下水的關系比較密切[16]。浩勒報吉水源地及其周邊地區的地下水埋深一般小于10 m，植被生長對淺層地下水具有一定的依賴性。筆者近年來在水源地進行植被調查，確實也發現蘇貝淖與奎生淖附近有零星枯死的旱柳。然而，影響喬木生長的因素較多，旱柳枯死屬于零星現象，而且附近也有不少正常生長的旱柳，很難作為地下水開采影響植被的確鑿證據。

為了從宏觀上對植被狀況進行判斷，本研究采用植被指數遙感數據分析植被蓋度的多年變化。以美國NASA 發布的MODIS 數據產品為代表，常用的遙感植被指數有歸一化植被指數(NDVI)、增強型植被指數(EVI)和葉面積指數(LAI)。其中LAI數據分辨率為1 km，而NDVI和EVI的分辨率都能達到250 m。EVI對高蓋度植被具有較好的識別度。本文優選EVI數據對2000—2016年期間水源地的植被變化進行分析。根據經驗[16-17]，當地植被蓋度一般在8月中下旬達到最大值，為此取每年8月份平均EVI值作為指標。在統計不同區塊EVI均值時，剔除了水體和耕地。

3 環境變化的結果與成因評價

3.1 生態水文指標變化過程

在研究區，作為環境因子的關鍵生態水文指標是地下水位、湖泊面積和植被指數。根據已有核查數據對這3個指標的多年變化進行分析。

地下水開采已經導致水源地及其周邊的地下水位持續下降(圖4)。總體而言，2008年之前地下水位較為平穩，略有下降趨勢。2008—2014年期間淺層地下水表現出同步性的水位下降趨勢，盡管2010—2012年缺測，但根據現有數據仍可推測平均降深速率，可達到0.2～0.4 m/a。與2004年相比，2014年淺層地下水位降低幅度一般為1～3 m。深層地下水(承壓水)的變化更加劇烈，2004—2014年期間水頭下降幅度普遍超過3 m，其中A區降深接近20 m(觀測孔C1)。從2014年開始，地下水位趨于平穩，2016年出現小幅度的抬升。

圖4 浩勒報吉水源地及其周邊觀測孔的地下水位變化特征Fig.4 Change in groundwater depth at the observation wells near the Haolebaoji wellfield and the swrrounding areasC1觀測承壓水相對地面的水頭高度，其它孔觀測潛水埋深

圖5 典型湖泊的面積在2004—2016年期間變化特征Fig.5 Change in area of typical lakes from 2004 to 2016

在2014—2016年期間，不同湖泊的面積具有相似的年內變化特征和不同的年際變化特征(圖5)。從年內動態看，一般夏季縮小、冬季擴張，其成因為夏季蒸發強烈湖水位下降，而冬季蒸發較弱又能得到地下水基流補給，從而湖水位抬升。區內湖泊均為地下水補給型湖泊，湖面積的波動主要反映周邊地下水位的升降。從年際變化看，如圖5(a)所示，小克泊及蘇貝淖面積的季節性振幅和均值在該期間沒有明顯變化。小克泊離水源地中心區超過20 km，其面積的穩定波動特征說明地下水開采尚未顯著影響到該地區。蘇貝淖離水源地最近，是這幾個湖泊中面積最大的一個，處于區域地下水的排泄區，受當地制堿工業的影響而人工改造強烈，其波動特征的穩定性可能既與匯水范圍、地下水循環深度較大有關，也可能是受到人工調節的影響。相比之下，奎生淖、敖各窖淖在2009—2014年期間表現出整體性的面積偏小特征(圖5b)。木凱淖的面積變化見圖5(c)，其年際變幅與季節性變幅相當，但沒有顯著的趨勢性變化。典型湖泊面積的逐年平均值變化特征見圖5(d)，可以看出奎生淖與敖各窖淖的平均面積在2004—2008年較為穩定，2009—2014年期間偏低(萎縮約30%)，2015—2016年有所恢復。

植被指數在2000—2016年期間的變化特征見圖6。其中，大埋深區指原水源地評價區(圖1a)內地下水埋深大于10 m的區域，其EVI的變化與地下水埋深變化的相關性應該很弱，可以反映植被變化的背景特征。研究區8月EVI均值在該時期存在普遍的增大趨勢。大埋深區的EVI較為平穩，其平均值略低于地下水開采區(開采區地下水平均埋深小于5 m)。與之相比，其它地區的EVI值在2009—2011年期間表現出強烈的下降趨勢，而2012年表現出強烈的增加趨勢，年際變化顯著。B開采區和原水源地評價區的EVI在2011年達到該時期的最低點。

圖6 研究區2004—2016年期間8月份增強型植被指數(EVI)的變化特征Fig.6 Change in August vegetation index (EVI) from 2004 to 2016 in the study area

3.2 地下水開采影響生態環境的評判

研究區生態水文指標的多年變化是否與水源地集中開采地下水存在因果關系，這是判斷水源地環境影響的關鍵問題。從成因機理上講，生態水文指標年際變化的主要控制因素為：(1) 降水量等氣象要素；(2) 滿足工業用水的地下水開采強度；(3) 滿足當地非工業用水的地下水開采強度。從圖3可以看出，當地的非工業用水規模在2004—2016年期間并沒有顯著變化，而且在2006—2012年期間還略偏低，不至于成為該期間生態水文指標衰退的誘因。為此本文主要分析前2個因素的影響。

水源地高強度開采地下水必定是周邊地下水位在2008—2014年期間持續下降的主要原因。從圖2可以看出2009年以來降水量總體上具有增長趨勢，氣象資料也表明該時期蒸發潛力逐漸下降，有利于降水入滲形成地下水補給。因此氣象條件不可能導致該時期地下水位下降。

湖泊面積與降水量、工業用水的地下水開采強度之間的相關性，可以建立二元線性回歸模型：

(1)

式中：A——湖泊面積的年平均值/km2；

P——年降水量/mm；

Qg——地下水的工業用水開采量/(×104m3·d-1)。

A0、P0和Q0為無量綱化因子，分別取1 km2、350 mm和1.0×104m3/d，a0為基準值，a1和a2為回歸系數。對于回歸系數a1和a2反映的線性相關性，采用t檢驗的臨界概率p值進行判斷[18]。如果p值小于置信水平則相關性顯著。回歸模型的總體效果通過F檢驗進行評判。結果見表1，可見奎生淖與敖各窖淖的回歸模型是有效的，它們的面積與地下水開采量之間顯著負相關，而且奎生淖更為敏感。既有潛在的因果關系，相關性又很顯著，說明水源地集中開采是導致2009—2014年期間奎生淖和敖各窖淖面積縮小的主因。對于湖泊面積與降水量的相關性，奎生淖不顯著,而敖各窖淖顯著。表1說明木凱淖的面積與年降水量和水源地開采量的相關性不顯著(主要受季節性降水變化影響)。木凱淖與A、B開采區的中心相距超過10 km，可能距離較遠尚未受到顯著影響。

表1 采用回歸模型式(1)檢驗要素相關性

說明：p值為回歸系數進行統計t檢驗的臨界概率；t檢驗和F檢驗的置信水平均為α=0.05

植被指數變化的情況比較復雜，因為植被的影響因素很多，時空變異性強烈。在區域尺度上，植被蓋度主要取決于氣候條件、水文地質條件和土地利用方式。近20年來，西北地區的氣候朝著相對暖濕的方向變化，對植被生長有利。鄂爾多斯高原長期推行沙漠化防治與退牧還草的政策。這些因素導致鄂爾多斯高原植被蓋度表現出逐年增加的趨勢。由于統計過程中剔除了耕地，圖6中EVI變化與研究區農業用水的關系較弱，因此，EVI的非趨勢性變化主要是植被生態系統響應氣象要素變化、地下水位變化所導致的。地下水大埋深區的植被蓋度變化與地下水的相關性較弱[17]，主要是氣象要素變化的結果。2000—2007年期間不同區塊與地下水大埋深區的EVI波動特征一致(圖6)，存在顯著的線性相關(相關系數均超過0.93)。本文以這種相關性為背景，建立指標：

(2)

其中，ej為第j區塊(地下水大埋深區j=1、原水源地評價區j=2、A開采區j=3、B開采區j=4)的植被指數相對偏移量，EVI0是地下水大埋深區8月份多年平均EVI值，EVIj是第j區塊某年的8月份EVI值，bj+cjEVI1表示利用地下水大埋深區估算第j區塊EVI的回歸值，而bj和cj是用2000—2007年數據得到的系數。根據2000—2007年的隨機特征，本文取ej<7%為負異常，即植被指數偏小，如果ej>7%則為正異常。2000—2016年期間不同區塊植被指數的偏移量見圖7。

圖7 不同區塊植被指數相對偏移量(ej)的變化曲線Fig.7 Change in the relative offset of vegetation index (ej) for different zones注：異常數據點落在灰色區域之外

根據圖7所示的曲線，2008年A開采區出現負異常，2011年B開采區和原水源地評價區均出現負異常，2012年B開采區出現正異常，2015年A、B開采區都出現正異常。初步認為2008年和2011年水源地負異常是植被生態系統對氣象要素變化(5—8月氣溫和降水量在2008年、2011年相比前一年都明顯偏低)的過激響應，其成因為地下水位下降導致植被生態系統脆弱性增大。然而生態系統具有適應能力，在過激響應之后快速恢復，而在條件改善的情況下出現補償式恢復，例如2009年盡管降水量偏少、但氣溫明顯升高，2012年降水量明顯增加。2015年降水量明顯偏少，地下水大埋深區的EVI值顯著減小(圖6)，而水源地開采區EVI值卻較為穩定，導致偏移量ej正異常，這可能與2014年限制地下水開采后水位停止下降或略有回升有關。從2008—2012年的情況判斷，區域地下水位下降在一定程度上增加了植被指數對氣象條件變化的敏感性，主要影響地下水淺埋區。

4 討論

人類開采地下水必然在一定的時空范圍內奪取自然生態系統的可利用水量，從而導致生態環境變化。開發利用地下水和維持環境穩定性的內在矛盾在干旱、半干旱地區更加突出。正因如此，干旱、半干旱地區的地下水資源評價或水源地論證需要更加謹慎。浩勒報吉水源地屬于半干旱地區，周邊的湖泊、濕地和植被都對地下水具有較強依賴性。這雖然在以往的水資源論證中已經得到考慮，但評估不夠充分。

對于水源地的可開采量評價，圖1(a)中的原評價區被認為是一個相對獨立的水文地質單元，地下水補給以降水入滲為主，天然補給量約12×104m3/d，2008年之前當地已有開采量為1.5×104m3/d、潛水蒸發和湖泊蒸發總排泄量為9.2×104m3/d[5]。在此基礎上，論證得到水源地可開采量為8×104m3/d。暫且不論補給量和排泄量的評價精度如何，單從比例關系上看，可開采量的評價結果嚴重偏大。首先，潛水蒸發和湖泊蒸發是維持生態環境的耗水量，2008年之前其數值超過9×104m3/d。其次，考慮當地已有的地下水開采，在可開采量中將有6.5×104m3/d的新增開采量(工業供水)必須依靠奪取生態耗水量維持穩定，即使假設還有1.5×104m3/d的最大側向徑流量可以奪取，也還要至少奪取5.0×104m3/d的生態耗水量，超過現有生態耗水量的50%。留下不到一半的水資源給當地生態環境，不太可能維持原有的穩定狀態。以往的水源地可開采量評價低估了生態需水量，應該加以調整。

在鄂爾多斯高原這樣的干旱、半干旱區如何定量評價地下水的生態需水量，如何監測識別地下水開采對生態環境的影響，仍然是水文地質領域的難點問題。生態需水量或環境流量是從河流水資源開發研究中引入的概念，主要通過河流中水生動物種群的響應特征進行評估，較為明確。例如，美國密西根州的水資源管理實行總量控制，以確保河道中的特色魚類種群不低于正常水平的90%[19]。相比之下，地下水的生態功能主要是提供河道基流、補充湖泊蒸發耗水和區域尺度的植被蒸騰耗水，缺乏直接觀測數據，定量評價難度較大。筆者參考發達國家經驗，取80%～90%生態保證率評估研究區的生態需水量，采用生態地下水位約束指標對地下水開采方案進行比選(在此不贅述)，初步評價認為浩勒報吉水源地的地下水可開采量為2.1×104～2.7×104m3/d，遠低于以往評價得到的可開采量。

5 結論

(1) 地下水開采造成了區域地下水位的整體下降。在距離開采區中心10 km范圍內，淺層地下水的累計下降幅度普遍超過1 m。2015年水源地開采量下調后地下水位趨于平穩，并在2016年出現上升趨勢。

(2) 水源地周邊的湖泊對地下水開采有不同的響應特征。位于北部上游區的奎生淖和敖各窖淖與開采區中心相距不足10 km，其湖泊面積在2009—2014年期間偏小約30%，與地下水的工業用水開采量存在顯著負相關的關系。相對而言，水源地西部的木凱淖和南部的蘇貝淖面積變化與地下水開采量的相關性不顯著。

(3) 2000年以來，水源地及其周邊的遙感植被指數總體上存在增長趨勢。相對正常趨勢，地下水開采區的植被指數在2008年和2011年存在負異常，在2012和2015年存在正異常。區域地下水位下降在一定程度上增加了植被指數對氣象條件變化的敏感性。

在干旱、半干旱地區進行地下水水源地論證，需要充分考慮地下水對生態環境的支撐功能。浩勒報吉水源地以往評價得到的地下水可開采量達8×104m3/d，低估了生態需水量。考慮生態環境的約束條件，建議將該水源地的集中開采強度控制在3×104m3/d以下。