利用ArcGIS研究密懷順回補(bǔ)區(qū)地下水位時空變化

張雨航, 史芫芫, 何煒, 安同艷*, 孫長虹, 范清

(1.北京市生態(tài)環(huán)境保護(hù)科學(xué)研究院, 北京 100037; 2.國家城市環(huán)境污染控制工程技術(shù)研究中心, 北京 100037)

中國的水資源量分布不均勻,呈現(xiàn)北少南多的特點。2020年北京市水資源公報顯示,全市水資源總量25.76×108m3[1],常住人口2 189.3萬人,人均水資源量僅為118 m3,按照國際標(biāo)準(zhǔn)屬于極度缺水地區(qū),所以保護(hù)好首都有限的水資源至關(guān)重要。從1998—2015年,社會經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展,伴隨需水量的不斷增加,地下水開采量加大,全市水位下降了13.78 m,呈現(xiàn)多個漏斗區(qū),水資源環(huán)境現(xiàn)狀堪憂。但在2014年南水北調(diào)進(jìn)京后,北京市的供水格局發(fā)生了深刻變化,地表水在供水結(jié)構(gòu)占比不斷提高,同時北京市開啟了大規(guī)模自備井置換和地下水源地壓采工作,并利用地表水回補(bǔ)涵養(yǎng)地下水,多重積極因素的疊加效應(yīng),給地下水位帶來積極因素的同時,可能帶來的風(fēng)險因素予以重視,比如對于城市地下建筑[2]、農(nóng)業(yè)、環(huán)境的潛在風(fēng)險,因此有必要對該地區(qū)地下水位的時空變化特征予以關(guān)注。

張雨航等[3-4]對密懷順?biāo)幢Ｗo(hù)區(qū)土地利用演化的研究顯示,在南水北調(diào)進(jìn)京前,該地區(qū)曾經(jīng)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動活躍,耕地占比較大,2015年后土地利用發(fā)生了較為劇烈的變化,伴隨著地下水位抬升,包氣帶厚度變薄,地表與地下輸水通道變短,地下水浸泡原有包氣帶,地下水環(huán)境風(fēng)險隨之加大。因此對地下水位的研究一直是該地區(qū)的重點。何亞平等[5]利用模型對密懷順潮白河地區(qū)的回補(bǔ)情況及水位影響進(jìn)行了預(yù)測分析,發(fā)現(xiàn)2018年比2017年水位出現(xiàn)明顯升高,其中牛欄山區(qū)域、懷柔應(yīng)急水源地、潮白河橡膠壩回升明顯,并通過模型預(yù)測2022年區(qū)域水位回升在9～11 m。李志強(qiáng)等[6]對2021年潮白河春季生態(tài)補(bǔ)水及地下水位的響應(yīng)研究中,發(fā)現(xiàn)地下水位對補(bǔ)水的響應(yīng)存在一定滯后性,距離河道越近響應(yīng)越快,反之亦然;李海軍[7]通過對150眼地下水監(jiān)測井補(bǔ)水期間日監(jiān)測數(shù)據(jù)資料以及水源地部分監(jiān)測井的監(jiān)測資料,對5 000余個水位數(shù)據(jù)分析得到,通過為期1個月的春季補(bǔ)水,潮白河沖洪積扇中上部地下水位上升幅度最高、范圍最大;劉文路等[8]和劉翠珠等[9]針對春季生態(tài)補(bǔ)水試驗,對河流沿線水位變化特征進(jìn)行了研究。由于密懷順地區(qū)是北京市重要的地下水水源涵養(yǎng)區(qū),分布著多個地下水型水源地,而南水北調(diào)通過地表水反補(bǔ)地下水作為國家重要的示范性工程,已引起眾多學(xué)者的關(guān)注,近些年的關(guān)于回補(bǔ)區(qū)的水位的研究主要兩個特點,集中在短時間回補(bǔ)的效果以及回補(bǔ)河段局部區(qū)域的變化,而南水北調(diào)回補(bǔ)該地區(qū)地下水已近10年,缺少對密懷順地區(qū)自南水北調(diào)回補(bǔ)以來,系統(tǒng)性分析水位的分區(qū)變化特點。同時因為該地區(qū)屬于典型的沖洪積扇區(qū),地下水抵御外界風(fēng)險能力較差,考慮到歷史上該地區(qū)是重要的農(nóng)耕區(qū),至今依舊有大面積的農(nóng)業(yè)種植,并在21世紀(jì)前葉,分布著種類繁多的可能影響地下水環(huán)境的風(fēng)險源,有些風(fēng)險可能已在包氣帶聚集,尚未顯露。

因此,現(xiàn)對南水北調(diào)回補(bǔ)密懷順地下水后,地下水位的時空變化特征進(jìn)行研究,以支撐地下水管理、地下水政策制定及地下水型水源地的精細(xì)化管理。

1 數(shù)據(jù)來源與研究方法

1.1 研究區(qū)域概況

密懷順地區(qū)是北京市重要的水源涵養(yǎng)區(qū),是北京第八水廠、懷柔應(yīng)急、潮白河應(yīng)急水源地等多個水源地的所在區(qū)域,地處順義、懷柔、密云三區(qū)接壤地區(qū)(圖1),面積約486.93 km2,116°30′E～117°E,40°10′E～40°30′E。研究區(qū)東部、西部和北部三面環(huán)山,南為平原。年平均降水量為615.6 mm。區(qū)內(nèi)河流屬潮白河水系,最大河流為潮白河,懷河是本區(qū)第二大河流,系潮白河的支流。回補(bǔ)區(qū)河道砂石裸露,包氣帶巖性主要為單一砂卵礫石層,中間夾有粉質(zhì)黏土透鏡體,具有強(qiáng)滲透性能。地下水屬于潮白河地下水子系統(tǒng)中上部,第四系孔隙水主要賦存于河流沖洪積作用形成的砂及砂卵礫石中。

圖1 研究區(qū)地理位置圖Fig.1 Geographical location map of the study area

1.2 數(shù)據(jù)

1.2.1 水位

數(shù)據(jù)來自2014—2022年北京市水務(wù)局官網(wǎng)的《北京市水資源公報》和《北京市地下水周報》。

1.2.2 高程

數(shù)字高程模型(digital elevation mode)是描述地表起伏形態(tài)特征的空間數(shù)據(jù)模型,由地面規(guī)則格網(wǎng)點的高程值構(gòu)成的矩陣,形成柵格結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)集,該數(shù)據(jù)為10 m分辨率。

1.3 研究方法

對2014—2022年的北京市地下水位等值線圖進(jìn)行配準(zhǔn),選取27個配準(zhǔn)點,提取出地下水位等值線,通過矢量撲捉功能,每間隔100 m賦予點狀水位數(shù)據(jù),通過克里金插值,制成10 m分辨率的地下水位柵格結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù),用于分析研究區(qū)地下水位時空變化特征。

地下水位的升幅和包氣帶厚度的計算則通過柵格疊加計算實現(xiàn),用于分析地下水位升幅帶和包氣帶厚度的時空變化特征。

1.3.1 Kriging內(nèi)插法

克里金插值(Kriging)是依據(jù)協(xié)方差函數(shù)對隨機(jī)過程/隨機(jī)場進(jìn)行空間建模和預(yù)測(插值)的回歸算法 。克里金法被廣泛用于地學(xué)[10-11]、氣象學(xué)[12-13]、環(huán)境科學(xué)[14-15]等各類觀測數(shù)據(jù)的空間插值,克里金插值公式為

(1)

式(1)中:Z(s0)為第i個位置處的測量值;λi為第i個位置處的測量值的未知權(quán)重;s0為預(yù)測值位置;N為測量數(shù)值。

1.3.2 柵格的疊加計算

如圖2所示,逐個像元地從第一個輸入柵格(InRas1)的值中減去第二個輸入柵格(InRas2)的值,得到柵格輸出(OutRas)的目標(biāo)結(jié)果,地下水位的升幅和包氣帶厚度運算,均用到該方法。

圖2 柵格計算模型Fig.2 Raster calculation model

OutRas=InRas1-InRas2

(2)

2 結(jié)果與分析

2.1 水位變化分析

南水北調(diào)通過3條線路回補(bǔ)區(qū)域地下水,第一條是通過李家史山閘放水,進(jìn)入小中河后入懷河,在牛欄山橡膠壩攔截作用,向北進(jìn)入潮白河,該線路為核心地下水補(bǔ)水線路,研究顯示該線路河道附近地下水中南水已經(jīng)占主導(dǎo)地位;第二條是通過密云水庫放水進(jìn)入潮河和白河;第三條是通過京密引水渠將南水北調(diào)水放入雁棲河和沙河[16]。2014—2022年回補(bǔ)區(qū)地下水位變化情況如圖3和表1所示,地下水位呈現(xiàn)不斷抬升趨勢,密懷順整體地下水位升高了26.38 m,年均升高2.93 m,牛欄山一帶的地下水漏斗區(qū)回升明顯,漏斗范圍縮小,水力坡度從2014年的2.3‰減小至2022年0.9‰,減小了57.34%,地下水漏斗區(qū)得到了有效遏制。從地下水位回升速度從快到慢依次是順義區(qū)、懷柔區(qū)、密云區(qū),其中順義區(qū)地下水位升高31.67 m,年均升高3.52 m;懷柔區(qū)地下水位升高28.26 m,年均升高3.14 m;密云區(qū)地下水位升高19.01 m,年均升高2.11 m。由于地下水補(bǔ)徑排的差異性,將其分為3個時間段,特點有所不同。2014—2016年密懷順地下水位年均下降0.88 m,各區(qū)呈現(xiàn)差異性,其中順義區(qū)地下水位年均上升0.28 m,呈現(xiàn)回升態(tài)勢;懷柔區(qū)地下水位年均下降0.30 m,有所下降;密云區(qū)地下水位年均下降2.64 m,持續(xù)下降。2016—2020年密懷順地下水位年均上升3.42 m,各區(qū)均呈現(xiàn)上升趨勢,順義區(qū)地下水位年均上升3.85 m,懷柔區(qū)地下水位年均上升4.29 m,密云區(qū)地下水位年均上升4.79 m。但從2020—2022年,地下水水位升速出現(xiàn)了分異性,順義區(qū)和懷柔區(qū)出現(xiàn)了明顯的增長,分別為11.62 m/a和7.71 m/a,而密云區(qū)明顯放緩,為2.97 m/a。

表1 2014—2022年密懷順研究區(qū)地下水位Table 1 Groundwater level in Miyun-Huairou-Shunyi study area from 2014 to 2022

圖3 地下水位變化圖Fig.3 Groundwaterlevel variation

2.2 水位升幅帶變化分析

從20世紀(jì)末到2014年,密懷順研究區(qū)地下水位持續(xù)下降了30 m以上,形成了北京地區(qū)明顯的地下水降落漏斗區(qū),這就意味著包氣帶的厚度也隨之增加。而這個時期,密懷順地區(qū)社會經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展,分布著多個工業(yè)園區(qū)和眾多工業(yè)企業(yè),但近些年隨著首都定位日漸明確,疏解非首都供能,治理散亂污,企業(yè)也急劇減少,然而長年以來工業(yè)企業(yè)的長時間生產(chǎn)活動,以及農(nóng)業(yè)種植、分散式生活污水、畜禽養(yǎng)殖、地表Ⅳ類以下水體、再生水回補(bǔ)[17-19]等眾多環(huán)境風(fēng)險因素的共同存在,在水位下降的背景下,由于地表到地下水的路徑變長,對地下水的影響效應(yīng)有所減小,但這也意味著在包氣帶土壤中聚集的環(huán)境風(fēng)險因素變多。當(dāng)近些年,地下水位的快速提升,原先包氣帶地層被水浸泡,存在包氣帶環(huán)境風(fēng)險釋放到地下水的可能性,尤其在該地區(qū)水位升幅高的區(qū)域需引起關(guān)注。

在多數(shù)平原研究區(qū)地下水位會保持一種平衡,以年為周期,隨著春夏秋冬,降雨量的不同,枯水期、平水期和豐水期的切換,地下水位會在相對穩(wěn)定的范圍內(nèi)波動,但密懷順屬于南水北調(diào)來水回補(bǔ)地下水的特殊地區(qū),地下水位在短時間內(nèi)快速上升,尤其近9年持續(xù)上升。因此,基于地下水快速持續(xù)增長的地區(qū),提出地下水的升幅帶這一概念,便于后續(xù)開展的研究,以2014年地下水位作為基準(zhǔn)年,對照2022年地下水位,地下水位升高的區(qū)域定義為地下水升幅帶,因此該定義在時間維度上具有一定相對性,在地下水快速增長的情況下具有一定研究意義。定量分析密懷順地區(qū)地下水位的升幅情況,有助于掌握包氣帶地層的浸泡情況,為地下水包氣帶污染的釋放研究奠定基礎(chǔ)。地下水位升幅從9.61～40.16 m(圖4),利用等間距法進(jìn)行重分類(圖5),將9.61～17.79 m表示為地下水位低升幅帶,面積約為144.47 km2,占研究區(qū)面積的29.67%;將17.79～29.98 m表示為地下水位中升幅帶,面積約為128.85 km2,占研究區(qū)面積的26.47%;將29.98～40.16 m表示為地下水位高升幅帶,面積約為213.52 km2,占研究區(qū)面積的43.86%。從鄉(xiāng)鎮(zhèn)街道角度分析地下水位升幅帶(圖6),順義區(qū)的牛欄山地區(qū)、馬坡地區(qū)、北小營鎮(zhèn)、木林鎮(zhèn)和懷柔區(qū)的楊宋鎮(zhèn)、北房鎮(zhèn)屬于地下水位升幅高區(qū)域帶,地下水位的升幅帶均超過了30 m。

圖4 地下水位升幅空間分布Fig.4 Spatial distribution of groundwater level rise

圖5 地下水位升幅空間分區(qū)Fig.5 Spatial partition of groundwater level rise

2.3 包氣帶厚度變化分析

包氣帶厚度由地表高程和地下水位決定,水位的不斷抬高,會導(dǎo)致包氣帶的厚度逐漸變薄,包氣帶減小意味著地表到地下水的路徑長短。2022年和2014年相比(圖7),研究區(qū)包氣帶由43.07 m減小至16.69 m,減少了26.38 m。其中密云區(qū)由43.42 m減小至24.41 m,減少了19.01 m;懷柔區(qū)由39.38 m減小至11.13 m,減少了28.26 m;順義區(qū)由45.83 m減小至14.11 m,減少了31.72 m。2014年包氣帶從厚到薄依次是順義區(qū)、密云區(qū)、懷柔區(qū),2022年包氣帶厚度從厚到薄依次變?yōu)槊茉茀^(qū)、順義區(qū)、懷柔區(qū)。用地表高程減去2022年地下水位得到2022年研究區(qū)包氣帶厚度從4.27～245.83 m,對包氣帶厚度進(jìn)行重分類(圖8),將包氣帶厚度小于15 m的區(qū)域稱為包氣帶較薄區(qū)域,面積約為236.83 km2,占研究區(qū)面積的48.64%;將包氣帶厚度在15～30 m范圍區(qū)域稱為包氣帶中厚區(qū)域,面積約為229.28 km2,占研究區(qū)面積的47.08%;將包氣帶厚度大于30 m范圍區(qū)域稱為包氣帶較厚區(qū)域,面積約為20.84 km2,占研究區(qū)面積的4.28%。從鄉(xiāng)鎮(zhèn)街道分析包氣帶厚度(圖9),懷柔區(qū)的龍山街道、泉河街道、懷柔地區(qū)辦事處、雁棲經(jīng)濟(jì)開發(fā)區(qū)包氣帶厚度均已小區(qū)10 m;而密云區(qū)的溪翁莊鎮(zhèn)、檀營地區(qū)辦事處、密云鎮(zhèn)地下水位埋深均超過了30 m,這些地區(qū)主要是由于地形所致,含有山區(qū)。

圖7 地下水埋深變化圖Fig.7 Groundwater depth variation

圖8 2022年鄉(xiāng)鎮(zhèn)街道地下水埋深分區(qū)Fig.8 Subdivision of groundwater depth in township streets in 2022

圖9 2022年密懷順各鄉(xiāng)鎮(zhèn)街道地下水埋深Fig.9 Groundwater depth in township streets of Mihuaishun in 2022

3 討論

密懷順地區(qū)地下水位快速大幅升高的變化特征不同于一般地區(qū)的地下水位正常波動,該地區(qū)是北京市重要的飲用水源地,因此從歷史角度分析受到了強(qiáng)烈的人為因素影響,從1998年以來至2014年,由于社會經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展,北京市人口從1998年的1 245.6萬人增長到2014年的2 171萬人,增長了74.29%,伴隨北京人口快速增長,城市化擴(kuò)張,經(jīng)濟(jì)迅速增長,背后是用水量需求的大幅增和有限的水資源矛盾日益凸顯。全市總用水量從1998年的23.13×108m3增加至2014年的38.2×108m3,增加64.93%;生活用水從1998年的5.77×108m3,增加至2014年15.04×108m3,增加203.29%。密懷順地區(qū)分布著多個水源地,包括第八水廠、懷柔應(yīng)急、潮白河應(yīng)急市級和多個區(qū)級水源地,1998年后開始大量取用地下水,強(qiáng)力支撐北京社會經(jīng)濟(jì)迅速發(fā)展,這與北京市有限的水資源形成了鮮明的矛盾,引起該地區(qū)地下水位多年持續(xù)下降。但2014年后,南水北調(diào)來水,通過潮白河補(bǔ)給地下水,使得地下水補(bǔ)給來源增加,同時地下水實施壓采涵養(yǎng)當(dāng)?shù)氐叵滤?減少地下水量的使用,地下水位出現(xiàn)了快速抬升,研究區(qū)地下水位增長了26.38 m,而處于回補(bǔ)主要河段的順義區(qū)地下水位抬升達(dá)到了31.67 m。

南水北調(diào)來水通過潮白河回補(bǔ)密懷順地下水,使得研究區(qū)地下水位快速大幅升高,但這不是唯一的因素,而是由點帶面產(chǎn)生的綜合效應(yīng),南水北調(diào)來水深刻地影響著北京市的供水格局,2014年北京市地表水供水8.5×108m3,地下水供水量19.6×108m3,南水北調(diào)參與供水0.8×108m3;到2020年地表水供水量為8.5×108m3,地下水供水量為13.5×108m3,而此時南水北調(diào)參與供水6.6×108m3。2020年和2014年相比,地表水供水量不變,但地下水供水量卻減少了6.1×108m3,而南水北調(diào)參與供水大幅增加了5.8×108m3,地下水供水量和南水北調(diào)供水的此消彼長,越發(fā)凸顯南水北調(diào)來水在北京的供水格局扮演的角色愈發(fā)重要,而地下水的多年過度消耗也得到了有效遏制。近些年,地下水供水量逐年減小,南水北調(diào)盈余水量則用于填補(bǔ)多年地下水虧空,這一正一負(fù),使得密懷順地區(qū)的地下水得到了久違休養(yǎng)生息涵養(yǎng)窗口期,地下水漏斗區(qū)進(jìn)一步縮小,夯實了北京市的供水結(jié)構(gòu)安全。

密懷順地區(qū)地下水位的快速和大幅增長,使得原先的地下水漏斗區(qū)范圍縮小,地下水的虧空得以填補(bǔ),給供水安全和環(huán)境因素帶來了積極的因素,但地下水的快速大幅提升,使得原先包氣帶地層位置被地下水上升所浸泡,這部分地層中由于常年的地表入滲積累,可能蘊藏著潛在的地下水環(huán)境風(fēng)險,在地下水浸泡中將會得以釋放,對地下水產(chǎn)生一定風(fēng)險;同時,地下水的迅速快速大幅提升,會使得包氣帶厚度大幅變薄,這就意味著地表風(fēng)險到下水面的路徑變短,從一定程度上縮短了地表風(fēng)險到地下水的時間。本次研究主要圍繞水位開展相關(guān)研究,確定了地下水位高升幅區(qū)和包氣帶較薄區(qū),但是對水位回升引起包氣帶環(huán)境風(fēng)險進(jìn)入地下水的定量化研究不足,這也是開展下一步研究的重點,將基于本次研究結(jié)果,在地下水位高升幅區(qū)域和包氣帶較薄區(qū),進(jìn)一步開展地面風(fēng)險源歷史分析和包氣帶相關(guān)試驗測試,闡明地下水位快速回升,對該區(qū)域地下水環(huán)境風(fēng)險的量化研究,因此研究結(jié)果對支撐地下水管理、地下水政策制定及地下水型水源地的精細(xì)化管理具有實際意義。

4 結(jié)論

(1)2014—2022年研究區(qū)地下水位升高26.38 m,其中密云升高19.01 m,懷柔區(qū)升高28.26 m,順義區(qū)升高31.67 m,地下水位抬升速度從快到慢依次是順義區(qū)、懷柔區(qū)、密云區(qū)。

(2)2014—2022年研究區(qū)地下水升幅帶后對從9.61～40.16 m,其中地下水位低升幅帶面積約為144.47 km2,占研究區(qū)面積的29.67%;地下水位中升幅帶面積約為128.85 km2,占研究區(qū)面積的26.47%;地下水位高升幅帶面積約為213.52 km2。順義區(qū)的牛欄山地區(qū)、馬坡地區(qū)、北小營鎮(zhèn)、木林鎮(zhèn)和懷柔區(qū)的楊宋鎮(zhèn)、北房鎮(zhèn)屬于地下水位升幅高區(qū)域帶,地下水位的升幅帶均超過了30 m,該區(qū)域是歷史上一直屬于農(nóng)耕區(qū),至今仍有農(nóng)業(yè)種植。

(3)2014—2022年研究區(qū)包氣帶厚度由43.07 m減小至16.69 m,減少了26.38 m,其中密云區(qū)由43.42 m減小至24.41 m,減少了19.01 m;懷柔區(qū)由39.38 m減小至11.13 m,減少了28.26 m;順義區(qū)由45.83 m減小至14.11 m,減少了31.72 m。懷柔區(qū)的龍山街道、泉河街道、懷柔地區(qū)辦事處、雁棲經(jīng)濟(jì)開發(fā)區(qū)包氣帶厚度均已小于10 m,該區(qū)域工業(yè)企業(yè)分布密集。

(4)將由于地下水位的快速大幅升高,引起的地下水位高升幅區(qū)域和包氣帶較薄區(qū)域作為關(guān)注區(qū),開展地面風(fēng)險源歷史分析和包氣帶相關(guān)試驗測試研究,量化環(huán)境風(fēng)險對地下水環(huán)境的影響,對地下水環(huán)境風(fēng)險的管控具有現(xiàn)實意義。