在干旱半干旱区, 自然生态环境和人类社会经济发展对地下水资源都有较强的依赖性。此类地区集中开采地下水, 不仅会形成以水源地为中心的地下水位降落漏斗, 同时可能对周边依赖地下水的生态要素产生负面影响。水源地开采规模应该受到约束, 不应导致严重的负面环境影响。关于地下水开采的约束条件, 行业部门有一些规定^[1-3], 但是具体量化指标尚不明确, 实际执行过程中地下水的可开采量常用天然补给资源量乘以经验比例确定。一些水源地建设项目由于对水文地质条件与生态环境的关系存在认识上的不足, 开采规划不合理, 可能导致未能预料到的不良环境后果。

鄂尔多斯浩勒报吉水源地是经过内蒙古自治区水利厅批准的工业项目水源地, 水源为地下水, 设计一期工程需水量3.0×10⁴ m³/d^[4]。以往水资源评价认为, 该水源地的可开采量达到8.0×10⁴ m³/d^[5]。在2008-2014年规模化开采过程中, 水源地周边的环境发生显著变化, 引起了环保组织的关注。国际绿色和平组织调查认为该水源地的地下水开采导致植被枯死、大量民井不能正常取水^[6]。《中国新闻周刊》也对此进行了报道^[7]。2013年, 鄂尔多斯市委托地质行业单位调查了该水源地东北部若干村镇(距离水源地5~10 km)受到的影响, 发现潜水面下降幅度超过2 m的区域面积占80%以上, 认为水源地开采与本地农业用水量增加共同导致了地下水位快速下降^[8]。从2014年开始, 鄂尔多斯市对工业项目开采地下水采取了限制措施。尽管如此, 关于浩勒报吉水源地开采地下水造成的环境影响, 多年来只有宏观现象的模糊认识, 缺少专业的核查和定量评价。

近年来, 中国地质调查局在鄂尔多斯地区部署了1∶5万水文地质调查项目, 其中一个重要任务即为核查浩勒报吉水源地以往地下水开采造成的环境影响。本文对现有的部分核查成果进行梳理, 分析以往10多年来浩勒报吉水源地及其周边地区的地下水开采、地下水位变化、湖泊以及植被变化历程, 定量评价水源地集中开采地下水与环境要素变化之间的关系。借助于该典型案例, 本文进一步讨论了干旱半干旱区地下水资源开发利用需要注意和研究的问题。

1.   研究区概况

浩勒报吉水源地位于内蒙古自治区鄂尔多斯市乌审旗、杭锦旗和伊金霍洛旗的交界带, 面积约400 km²(图 1)。区内的气象条件受到温带半干旱大陆性气候控制, 蒸发作用强烈, 多年平均降水量不足400 mm。水源地及其周边地形呈波状起伏, 低洼区分布一些湖泊湿地, 集中开采区附近有苏贝淖、胡同察汗淖等湖泊(图 1a)。其中, 胡同察汗淖属于区域地势最低处, 围绕该湖泊的区域地貌分水岭圈闭成乌审召盆地, 面积达4 780 km², 地形海拔变化范围为1 270~1 550 m。

图  1  浩勒报吉水源地地下水集中开采区位置和剖面地下水流特征示意图

注: A和B分别为神华集团与博源工业园开采区; 原地下水资源评价区范围及2004年浅层地下水位^[4-5]

Figure  1.  Location of the concentrated groundwater exploitation area of the Haolebaoji wellfield and schematic profile showing groundwater flow near the Haolebaoji wellfield

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在地质构造上, 浩勒报吉水源地属于鄂尔多斯向斜盆地的东北部^[9], 第四系松散沉积物覆盖厚度一般小于10 m, 作为基岩的白垩系砂岩总厚度达到800~ 900 m(图 1b)。水源地含水层为白垩系砂岩孔隙裂隙含水层^[9], 赋存的地下水基本上都是淡水, 以降水入渗为补给源, 其溶解性总固体(TDS)一般为0.2~0.6 g/L, 对于大多数深度100 m以上的抽水井, 单井涌水量能达到500~3 000 m³/d, 是当地最具有供水意义的含水层。水源地开采深度约300 m, 主要开采层位为白垩系上部的环河组。相对而言, 白垩系以下的侏罗系砂岩、页岩地层埋藏深且渗透性较差, 通常被视为鄂尔多斯高原含水层系统的隔水底板。受区域地下水流系统控制, 开采层位的地下水在自然状态具有承压自流性质。抽水形成的水头降深对地下水流系统产生干扰, 部分原本流向附近湖泊的侧向径流被截取, 并引起潜水向下补给承压水(图 1b)。

水源地所处的乌审召地区生态脆弱, 是我国重要的防风固沙生态功能区, 20世纪50年代以来开展了一系列生态综合治理措施^[10], 成功遏制土地沙化的侵害, 曾被授予“牧区大寨”的荣誉称号。进入21世纪后, 随着国家“退牧还草”政策的持续实施, 当地自然环境进一步好转。浩勒报吉水源地选址在一个地下水埋藏浅、水草丰茂的牧区, 原有的风沙地貌大部分被灌木林代替, 优势植被有沙柳、杨柴、柠条等, 局部分布以旱柳为主的乔木林, 耕地面积所占比例不足5%。当地牧民约有2 000多户, 社会生活与农业用水均以地下水为水源。

2.   核查要素、调查方法和数据

2.1   气象数据

研究区设有乌审召气象站。本次收集了该气象站2004-2016年的气象监测数据, 包括逐月降水量、平均气温和小型蒸发皿蒸发量等。整理得到的逐年降水量和气温变化见图 2。可以看出, 该时期的年平均气温比较平稳, 而年降水量自2009年以来呈现增大趋势, 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年是最湿润年份(降水量超过500 mm)。由于文中对每年8月植被指数进行分析, 考虑相关的植被生长期, 图 2中显示了5-8月降水量和平均气温的数据。与年值相比, 5-8月平均气温的振荡幅度更大一些, 除个别年份外, 5-8月降水量的排序与年降水量的排序保持一致。

图  2  乌审召气象站2004—2016年期间的逐年降水量和平均气温变化特征

Figure  2.  Variations in annual precipitation and average temperature from 2004 to 2016 at the Wushenzhao meteorological station

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2.2   地下水开采

研究区地下水资源开发利用的规模和主要供水对象随着时代的不同而变化, 本研究收集了不同历史时期的水文地质调查资料, 也对现有水源地开采数据进行了调研校核。2000年之前, 地下水开采以分散式民井为主, 用于人畜饮水和少量耕地灌溉, 井深普遍小于50 m, 开采强度为10~30 m³/(d·km²), 2003年开采规模约为1.26×10⁴ m³/d(图 3)。从2005年开始, 多个工业项目分批次在浩勒报吉水源地进行地下水开采, 包括神华集团煤制油项目、博源集团化工项目(现为中煤蒙大化工项目)、苏格里天然气化工项目、生物质热电项目等。工业用水开采强度在2009-2014年期间为6.0×10⁴~7.3×10⁴ m³/d, 2011年达到峰值7.3×10⁴ m³/d, 区内地下水总开采量超过8×10⁴ m³/d。从2015年开始, 工业用水量显著回落, 但仍然高于非工业用水开采量。

图  3  浩勒报吉水源地2003—2016年期间地下水开采规模的变化

Figure  3.  Change in groundwater pumping rate of the Haolebaoji wellfield from 2003 to 2016

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2.3   地下水位

在水源地勘探阶段, 勘探部门绘制了2004年浅层地下水位等值线^[11](图 1a)。由于未考虑湖泊水位线的封闭性, 少数等水位线从湖区穿过, 该图只是真实地下水位分布的粗略近似。总体上, 地下水位在1 280~1 370 m, 水源地北部、东部和西部水位较高, 水力梯度一般为8‰~20‰, 南部水位低于1 300 m, 水力梯度小于10‰。在原评价区的南端, 因靠近区域最低排泄面--胡同察汗淖, 其地下水位可低于1 280 m。

浩勒报吉水源地内部和周边地区设置了23眼地下水位监测井, 其分布方式见图 1, 其中浅层地下水(潜水)13眼, 其它为深层地下水(承压水)监测井。2003-2009年多年观测的监测井有19眼, 水位观测间隔一般为5 d。2013-2016年观测的监测井有20眼, 水位观测间隔一般为10 d。17眼监测井同时具备这2个时期的观测资料, 但均缺少2010-2012年观测数据。

2.4   湖泊面积

如图 1(a)所示, 最靠近水源地的湖泊是苏贝淖, 北部远处还有奎生淖、敖各窖淖、小克泊等湖泊, 东部和南部有木凯淖、胡同察汗淖等湖泊。在这些湖泊中, 只有木凯淖在某些月份干涸, 其它都常年有水。它们与A区中心距离不到20 km。

本研究采用遥感影像资料对重点湖泊多年面积变化进行了识别分析。卫星影像来源是美国Landsat-7 ETM数据, 周期为16 d, 满足逐月分析湖面积变化的需要。从多光谱影像中提取湖泊水体的方法包括单波段阈值法、归一化水体指数法等^[12-15], 本文主要采用绿光波段(0.52~0.60 μm)和中红外波段(1.55~1.75 μm)计算归一化水体指数。这2个波段数据分辨率均达到30 m。湖泊面积解译误差小于0.1 km²。

2.5   植被指数

已有研究表明鄂尔多斯高原的植被盖度与地下水的关系比较密切^[16]。浩勒报吉水源地及其周边地区的地下水埋深一般小于10 m, 植被生长对浅层地下水具有一定的依赖性。笔者近年来在水源地进行植被调查, 确实也发现苏贝淖与奎生淖附近有零星枯死的旱柳。然而, 影响乔木生长的因素较多, 旱柳枯死属于零星现象, 而且附近也有不少正常生长的旱柳, 很难作为地下水开采影响植被的确凿证据。

为了从宏观上对植被状况进行判断, 本研究采用植被指数遥感数据分析植被盖度的多年变化。以美国NASA发布的MODIS数据产品为代表, 常用的遥感植被指数有归一化植被指数(NDVI)、增强型植被指数(EVI)和叶面积指数(LAI)。其中LAI数据分辨率为1 km, 而NDVI和EVI的分辨率都能达到250 m。EVI对高盖度植被具有较好的识别度。本文优选EVI数据对2000-2016年期间水源地的植被变化进行分析。根据经验^[16-17], 当地植被盖度一般在8月中下旬达到最大值, 为此取每年8月份平均EVI值作为指标。在统计不同区块EVI均值时, 剔除了水体和耕地。

3.   环境变化的结果与成因评价

3.1   生态水文指标变化过程

在研究区, 作为环境因子的关键生态水文指标是地下水位、湖泊面积和植被指数。根据已有核查数据对这3个指标的多年变化进行分析。

地下水开采已经导致水源地及其周边的地下水位持续下降(图 4)。总体而言, 2008年之前地下水位较为平稳, 略有下降趋势。2008-2014年期间浅层地下水表现出同步性的水位下降趋势, 尽管2010-2012年缺测, 但根据现有数据仍可推测平均降深速率, 可达到0.2~0.4 m/a。与2004年相比, 2014年浅层地下水位降低幅度一般为1~3 m。深层地下水(承压水)的变化更加剧烈, 2004-2014年期间水头下降幅度普遍超过3 m, 其中A区降深接近20 m(观测孔C1)。从2014年开始, 地下水位趋于平稳, 2016年出现小幅度的抬升。

图  4  浩勒报吉水源地及其周边观测孔的地下水位变化特征

C1观测承压水相对地面的水头高度, 其它孔观测潜水埋深

Figure  4.  Change in groundwater depth at the observation wells near the Haolebaoji wellfield and the swrrounding areas

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在2014-2016年期间, 不同湖泊的面积具有相似的年内变化特征和不同的年际变化特征(图 5)。从年内动态看, 一般夏季缩小、冬季扩张, 其成因为夏季蒸发强烈湖水位下降, 而冬季蒸发较弱又能得到地下水基流补给, 从而湖水位抬升。区内湖泊均为地下水补给型湖泊, 湖面积的波动主要反映周边地下水位的升降。从年际变化看, 如图 5(a)所示, 小克泊及苏贝淖面积的季节性振幅和均值在该期间没有明显变化。小克泊离水源地中心区超过20 km, 其面积的稳定波动特征说明地下水开采尚未显著影响到该地区。苏贝淖离水源地最近, 是这几个湖泊中面积最大的一个, 处于区域地下水的排泄区, 受当地制碱工业的影响而人工改造强烈, 其波动特征的稳定性可能既与汇水范围、地下水循环深度较大有关, 也可能是受到人工调节的影响。相比之下, 奎生淖、敖各窖淖在2009-2014年期间表现出整体性的面积偏小特征(图 5b)。木凯淖的面积变化见图 5(c), 其年际变幅与季节性变幅相当, 但没有显著的趋势性变化。典型湖泊面积的逐年平均值变化特征见图 5(d), 可以看出奎生淖与敖各窖淖的平均面积在2004-2008年较为稳定, 2009-2014年期间偏低(萎缩约30%), 2015-2016年有所恢复。

图  5  典型湖泊的面积在2004—2016年期间变化特征

Figure  5.  Change in area of typical lakes from 2004 to 2016

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植被指数在2000-2016年期间的变化特征见图 6。其中, 大埋深区指原水源地评价区(图 1a)内地下水埋深大于10 m的区域, 其EVI的变化与地下水埋深变化的相关性应该很弱, 可以反映植被变化的背景特征。研究区8月EVI均值在该时期存在普遍的增大趋势。大埋深区的EVI较为平稳, 其平均值略低于地下水开采区(开采区地下水平均埋深小于5 m)。与之相比, 其它地区的EVI值在2009-2011年期间表现出强烈的下降趋势, 而2012年表现出强烈的增加趋势, 年际变化显著。B开采区和原水源地评价区的EVI在2011年达到该时期的最低点。

图  6  研究区2004—2016年期间8月份增强型植被指数(EVI)的变化特征

Figure  6.  Change in August vegetation index (EVI) from 2004 to 2016 in the study area

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3.2   地下水开采影响生态环境的评判

研究区生态水文指标的多年变化是否与水源地集中开采地下水存在因果关系, 这是判断水源地环境影响的关键问题。从成因机理上讲, 生态水文指标年际变化的主要控制因素为: (1) 降水量等气象要素; (2) 满足工业用水的地下水开采强度; (3) 满足当地非工业用水的地下水开采强度。从图 3可以看出, 当地的非工业用水规模在2004-2016年期间并没有显著变化, 而且在2006-2012年期间还略偏低, 不至于成为该期间生态水文指标衰退的诱因。为此本文主要分析前2个因素的影响。

水源地高强度开采地下水必定是周边地下水位在2008-2014年期间持续下降的主要原因。从图 2可以看出2009年以来降水量总体上具有增长趋势, 气象资料也表明该时期蒸发潜力逐渐下降, 有利于降水入渗形成地下水补给。因此气象条件不可能导致该时期地下水位下降。

湖泊面积与降水量、工业用水的地下水开采强度之间的相关性, 可以建立二元线性回归模型:

式中: A--湖泊面积的年平均值/km²;

P--年降水量/mm;

Q_g--地下水的工业用水开采量/(×10⁴ m³·d^-1)。

A₀、P₀和Q₀为无量纲化因子, 分别取1 km²、350 mm和1.0×10⁴ m³/d, a₀为基准值, a₁和a₂为回归系数。对于回归系数a₁和a₂反映的线性相关性, 采用t检验的临界概率p值进行判断^[18]。如果p值小于置信水平则相关性显著。回归模型的总体效果通过F检验进行评判。结果见表 1, 可见奎生淖与敖各窖淖的回归模型是有效的, 它们的面积与地下水开采量之间显著负相关, 而且奎生淖更为敏感。既有潜在的因果关系, 相关性又很显著, 说明水源地集中开采是导致2009-2014年期间奎生淖和敖各窖淖面积缩小的主因。对于湖泊面积与降水量的相关性, 奎生淖不显著, 而敖各窖淖显著。表 1说明木凯淖的面积与年降水量和水源地开采量的相关性不显著(主要受季节性降水变化影响)。木凯淖与A、B开采区的中心相距超过10 km, 可能距离较远尚未受到显著影响。

表  1  采用回归模型式(1)检验要素相关性

Table  1.  Results of correlation among factors checked with the regression model Eq. (1)

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植被指数变化的情况比较复杂, 因为植被的影响因素很多, 时空变异性强烈。在区域尺度上, 植被盖度主要取决于气候条件、水文地质条件和土地利用方式。近20年来, 西北地区的气候朝着相对暖湿的方向变化, 对植被生长有利。鄂尔多斯高原长期推行沙漠化防治与退牧还草的政策。这些因素导致鄂尔多斯高原植被盖度表现出逐年增加的趋势。由于统计过程中剔除了耕地, 图 6中EVI变化与研究区农业用水的关系较弱, 因此, EVI的非趋势性变化主要是植被生态系统响应气象要素变化、地下水位变化所导致的。地下水大埋深区的植被盖度变化与地下水的相关性较弱^[17], 主要是气象要素变化的结果。2000-2007年期间不同区块与地下水大埋深区的EVI波动特征一致(图 6), 存在显著的线性相关(相关系数均超过0.93)。本文以这种相关性为背景, 建立指标:

其中, e_j为第j区块(地下水大埋深区j=1、原水源地评价区j=2、A开采区j=3、B开采区j=4)的植被指数相对偏移量, EVI₀是地下水大埋深区8月份多年平均EVI值, EVI_j是第j区块某年的8月份EVI值, b_j+c_jEVI₁表示利用地下水大埋深区估算第j区块EVI的回归值, 而b_j和c_j是用2000-2007年数据得到的系数。根据2000-2007年的随机特征, 本文取e_j < 7%为负异常, 即植被指数偏小, 如果e_j > 7%则为正异常。2000-2016年期间不同区块植被指数的偏移量见图 7。

图  7  不同区块植被指数相对偏移量(e_j)的变化曲线

注: 异常数据点落在灰色区域之外

Figure  7.  Change in the relative offset of vegetation index (e_j) for different zones

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根据图 7所示的曲线, 2008年A开采区出现负异常, 2011年B开采区和原水源地评价区均出现负异常, 2012年B开采区出现正异常, 2015年A、B开采区都出现正异常。初步认为2008年和2011年水源地负异常是植被生态系统对气象要素变化(5-8月气温和降水量在2008年、2011年相比前一年都明显偏低)的过激响应, 其成因为地下水位下降导致植被生态系统脆弱性增大。然而生态系统具有适应能力, 在过激响应之后快速恢复, 而在条件改善的情况下出现补偿式恢复, 例如2009年尽管降水量偏少、但气温明显升高, 2012年降水量明显增加。2015年降水量明显偏少, 地下水大埋深区的EVI值显著减小(图 6), 而水源地开采区EVI值却较为稳定, 导致偏移量e_j正异常, 这可能与2014年限制地下水开采后水位停止下降或略有回升有关。从2008-2012年的情况判断, 区域地下水位下降在一定程度上增加了植被指数对气象条件变化的敏感性, 主要影响地下水浅埋区。

4.   讨论

人类开采地下水必然在一定的时空范围内夺取自然生态系统的可利用水量, 从而导致生态环境变化。开发利用地下水和维持环境稳定性的内在矛盾在干旱、半干旱地区更加突出。正因如此, 干旱、半干旱地区的地下水资源评价或水源地论证需要更加谨慎。浩勒报吉水源地属于半干旱地区, 周边的湖泊、湿地和植被都对地下水具有较强依赖性。这虽然在以往的水资源论证中已经得到考虑, 但评估不够充分。

对于水源地的可开采量评价, 图 1(a)中的原评价区被认为是一个相对独立的水文地质单元, 地下水补给以降水入渗为主, 天然补给量约12×10⁴ m³/d, 2008年之前当地已有开采量为1.5×10⁴ m³/d、潜水蒸发和湖泊蒸发总排泄量为9.2×10⁴ m³/d^[5]。在此基础上, 论证得到水源地可开采量为8×10⁴ m³/d。暂且不论补给量和排泄量的评价精度如何, 单从比例关系上看, 可开采量的评价结果严重偏大。首先, 潜水蒸发和湖泊蒸发是维持生态环境的耗水量, 2008年之前其数值超过9×10⁴ m³/d。其次, 考虑当地已有的地下水开采, 在可开采量中将有6.5×10⁴ m³/d的新增开采量(工业供水)必须依靠夺取生态耗水量维持稳定, 即使假设还有1.5×10⁴ m³/d的最大侧向径流量可以夺取, 也还要至少夺取5.0×10⁴ m³/d的生态耗水量, 超过现有生态耗水量的50%。留下不到一半的水资源给当地生态环境, 不太可能维持原有的稳定状态。以往的水源地可开采量评价低估了生态需水量, 应该加以调整。

在鄂尔多斯高原这样的干旱、半干旱区如何定量评价地下水的生态需水量, 如何监测识别地下水开采对生态环境的影响, 仍然是水文地质领域的难点问题。生态需水量或环境流量是从河流水资源开发研究中引入的概念, 主要通过河流中水生动物种群的响应特征进行评估, 较为明确。例如, 美国密西根州的水资源管理实行总量控制, 以确保河道中的特色鱼类种群不低于正常水平的90%^[19]。相比之下, 地下水的生态功能主要是提供河道基流、补充湖泊蒸发耗水和区域尺度的植被蒸腾耗水, 缺乏直接观测数据, 定量评价难度较大。笔者参考发达国家经验, 取80%~90%生态保证率评估研究区的生态需水量, 采用生态地下水位约束指标对地下水开采方案进行比选(在此不赘述), 初步评价认为浩勒报吉水源地的地下水可开采量为2.1×10⁴~2.7×10⁴ m³/d, 远低于以往评价得到的可开采量。

5.   结论

(1) 地下水开采造成了区域地下水位的整体下降。在距离开采区中心10 km范围内, 浅层地下水的累计下降幅度普遍超过1 m。2015年水源地开采量下调后地下水位趋于平稳, 并在2016年出现上升趋势。

(2) 水源地周边的湖泊对地下水开采有不同的响应特征。位于北部上游区的奎生淖和敖各窖淖与开采区中心相距不足10 km, 其湖泊面积在2009-2014年期间偏小约30%, 与地下水的工业用水开采量存在显著负相关的关系。相对而言, 水源地西部的木凯淖和南部的苏贝淖面积变化与地下水开采量的相关性不显著。

(3) 2000年以来, 水源地及其周边的遥感植被指数总体上存在增长趋势。相对正常趋势, 地下水开采区的植被指数在2008年和2011年存在负异常, 在2012和2015年存在正异常。区域地下水位下降在一定程度上增加了植被指数对气象条件变化的敏感性。

在干旱、半干旱地区进行地下水水源地论证, 需要充分考虑地下水对生态环境的支撑功能。浩勒报吉水源地以往评价得到的地下水可开采量达8×10⁴ m³/d, 低估了生态需水量。考虑生态环境的约束条件, 建议将该水源地的集中开采强度控制在3×10⁴ m³/d以下。