第19卷 第4期
2004年10月北 京 农 学 院 学 报JOURNALOFBEIJINGAGRICULTURALCOLLEGEVol119,No14Oct1,2004
北京市水资源状况分析
邱化蛟1,程 序1,常 欣13,郭淑敏1,张爱军2
(1中国农业大学可持续农业中心,北京10094;2北京市顺义区种植业服务中心,北京101300)
摘要:北京市水资源面临着数量不足和严重污染并存的压力,笔者概括分析了造成水污染的工业、农业、气候等原因,并总结和提出了实现水资源可持续利用的一些具体措施。
关 键 词:北京;水资源;污染;可持续利用
中图分类号:X52 文献标识码:A 文章编号:1002()04-TheofXu1,CHANGXin13,GUOShu2min1,ZHANGAi2jun2
(AgriculturalCentreofChinaAgriculturalUniversity,Beijing100094;China
ThePlantingServiceCenterofShunYiDistnict,Beijing101300,China)
Abstract:ThelackofwaterandseriouspollutionaretwomajorproblemsfacingBeijingmunicipality,originsofwaterpollutionwereanalyzed,andsomemeasurestorealizethesustainableutilizationofwaterresourcewereproposed1Keywords:Beijing;waterresource;pollution;sustainableutilization
北京市属海河流域,是300万年前由永定河和潮白河冲积形成的倾斜平原,地势西北高,东南低;从东到西分布有蓟运河、潮白河、北运河、永定河和大清河5大水系,官厅水库和密云水库是市区地表水的两大水源,其中密云水库供应了市区一半以上的日常用水;全市多年平均降雨量595mm,折合水体9919亿m3;平均地表径流21198亿m3,地下水资源27109亿m3,扣除地表水、地下水重复计算量9108亿m3,北京自产天然水资源总量为39199亿m3;多年平均入境水量16150亿m3,出境水量11160亿m3;人均水资源占有量约300m3,是全国平均水平的1/8,是世界人均水平的1/30,远远低于国际公认的人均1000m3的下限。随着北京经济和社会的飞速发展,水资源不足的问题日益严重,并且伴随着比较严重的污染现象,已经对社会可持续发展造成不可忽视的影响。笔者重点分析农业、气候条件对水资源的影响,并提出一些相应措施。
1 北京市水资源利用情况及污染现状
北京市多年(1979—2001)平均用水量为42136亿m3,其中农业用水占49%,工业用水占30%,生活用水占21%。近年来地表水源密云、官厅两大水库上游来水不断减少,来水量由20世纪60年代的年均30亿m3减少到20世纪90年代的12亿m3,目前密云水库蓄水量为717亿m3,官厅水库蓄水量仅为119亿m3。北京地下水主要贮存在第4系松散孔隙含水层中,分布在太行山余脉西山和燕山余脉军都山山前冲、洪积扇形成的平原区和北部延庆盆地之中[4]。全市地下水总资源量年平均为40157亿m3,其中降水入渗补给占72%,河水入渗占18%,其他渠道、灌溉等受人类活动影响的补给占10%[5];平原区地下 收稿日期:2004204208;修订日期:2004206220
基金项目:北京市自然科学基金资助(项目编号为6002009)
作者简介:邱化蛟,男,1972年出生,山东济南人,农艺师;3通讯作者
2004年第4期邱化蛟等:北京市水资源状况分析 5水总资源量为30143亿m3/a,其中处于永定河、潮白河冲、洪积扇中上部的城近郊区和密、怀、顺地区地下水可采资源量约占全市平原地区可采资源量的48%,是城市集中供水的主要水源地,年允许开采量平均为2415亿m3;但近20年来北京平原地下水的实际开采量为25～29亿m3;据统计,1961—1995年北京市平原地区地下水储存量累计亏损39165亿m3,其中,20世纪70年代亏损21125亿m3,20世纪80年代亏损18126亿m3,1991—1995年亏损0114亿m3[3]。地下承压水的大规模超采导致地下水位下降,全市平均水位从1960年的316m到1999年已降到14121m[4]。地下水位下降大于10m的地区已经从1986年的1590km2扩大到2001年的2685km2,中心下降漏斗区在朝阳将台到顺义米各庄一带,该区地下水位平均在30m以上,平均每年下降约015～115m[5]。水位下降会导致地面下沉,全市地面下沉面积近800km2,沉降幅度一般几十毫米,最大达800mm[6]。
在不考虑节水和新水源开发情况下,到2005年平水年份全市将缺水7194亿m3,到2010年平水年份全市将缺水153(从调查结果看全市存在严重的水污染现象,全市年污水排放量高达12亿m3,其中市区8亿m3。((见表2),表明Ⅳ和Ⅴ。城区河湖21个水体中,11个中等富营养(N、P)和有机物污染;21个水体平均NH32N为01797mg/L;TN为11644mg/L,Ⅴ,TP为01217mg/L,达到国家Ⅳ标准;污染源主要来自点源(河湖周围的排污口),(河湖周围汇水区内人口车辆密集,地面营养物多)[7]。1995年近郊几条河流氨氮的超标倍数为:南护城河为214倍,小月河为215倍,通惠河为9倍,洋河为1012倍,温榆河为1215倍,而凉水河则达到2218倍。密云水库总体尚处于中营养水平,但内湖已成为富营养水体;而官厅水库由于严重污染1997年已经退出北京市饮用水源[8]。
表1 北京市一次水资源供需平衡表/亿m3
2005年2010年95%
34109
50159
-1615050%4018860103-1611575%3715459198-1914495%3319959198-22199表2 北京河湖污染状况调查/km年份[**************]0检测河长[***********]99712II～III项目供水量需水量平衡结果50%4113349127-719475%3717950159-12180类水体[***********](Ⅰ)～ⅢⅣ类[**************]3Ⅴ类2419691626大于Ⅴ类[***********]13) (数据来自《21世纪初期首都水资源可持续利用规划》 (注:2000年无Ⅴ类水体数据,数据来自北京市水利局《水
)资源公报1986—2001》
北京市环保部门1995年对全市280眼监测井的水质监测结果显示:总硬度检出值大于或等于450mg/L的井有111眼,其中朝阳区垡头井总硬度由1981年的144mg/L上升到543mg/L[1];氯化物超出饮用水卫生标准250mg/L的井有10眼;亚硝酸盐氮检出大于0102mg/L的井有5眼;氨氮检出超标井5眼;溶解性总固体检出超过国家标准1000mg/L的井有26眼。全部监测井中较差、极差井占46179%[9]。占平原地区5%面积的监测井硝态氮含量大于20mg/L[1],有近一半的平原区浅层地下水受到农药、化肥和废水污染。近郊区地下水硬度超标面积已从20世纪40年代的13km2已扩大到1997年的31216km2[3]。北京西南城近郊位于永定河东的山前冲、洪积扇顶部和中部,浅层地下水主要赋存在第4系松散层孔隙中,是北京平原区地下水的主要补给区,该区岩性以砂卵砾石为主,地层防护性能差,入渗系数0145～016m/d,一旦地表水受到污染,将对区内地下水造成垂直污染和对下游地下水的侧向污染。邹胜章(2002年)调查发现该地区地下水主要污染为NO3-污染,检出含量介于016～7910mg/L之间,大于20mg/L的范围占总面积的30%以上,污染途径主要是:农业活动(污水灌溉及施用农药、化肥)、砂石坑垃圾回填、生活和工业污水下渗;其次为硬度和Cl-污染,是北京市高硬度水的主要分布区,超标率在90%以上,(最高达1300mg/L以上),且由以前的东低西高、东南偏高的分布格局,逐渐转为东部及东南部偏高而西部却缓慢下降的趋势;其中总硬度与硝酸盐具有最高的相关性,证明氮迁移转化对地下水硬度升高具有重大影响;同时该地区亚硝酸盐氮和氨氮含量也在逐年上升[10]。
6北 京 农 学 院 学 报第19卷2 农业活动与水资源
北京市多年农业用水中,地下水占绝大部分(表3)。2002年北京市农业用水为2011亿m3,占总用水量54%,其中地表水4130亿m3,地下水15180亿m3。从农村用水结构看,1993年农村总用水20135亿m3,其中种植业占80%,果林苗圃灌溉占8%,农村人畜用水占7%,渔业用水占5%,其他为农村工副业用水。而1995年农村总用水20110亿m3,其中种植业占77%,果业占814%,人畜813%,渔业占519%,其他为副业用。农作物灌溉用水量在逐渐减少,而果林、渔业、人畜、工副业等用水逐渐增加。
表3 北京历年开采的地下水中农业用水所占比例/亿m3年份
总量
农业
%1971—197417～239～1453～611980—198925～2715～1760～[***********][***********][***********][***********][***********][***********][***********]017
(北京市水利局《水资源公报1986—2001》;)
。人体摄入的硝酸盐80%来自蔬菜,,后者的增加与地下水硝酸盐浓度增加趋势一致[11]。)调查认为造成密云水库污染的非点污染源主要有化肥损失、畜禽粪便流失、水土流失三种类型[12]。潮河流域化肥多年平均施用量为159kg/hm2,农药用量1995年为28510kg;白河流域平均化肥用量为35915kg/hm2,农药施用量为101315t,平均用量为9113kg/hm2[17]。每年因施用化肥流失到环境中的氮素共7184×105kg,磷素2157×104kg;每年因畜禽排泄物流失到环境中的氮素为4189×106kg,磷素2147×105kg[12]。1995年北京市平均每公顷土地施氮肥363115kg,磷肥67105kg;由此导致7106t左右的氮、1322～2644t的磷进入地表水,7106～21318t的氮进入地下水;农药施用量1995年为13206t,有132～660t、660t的农药进入地表、地下水中,尤以西郊水源地进入的农药最多。北京市近年来畜牧养殖发展很快,2002年北京市郊区全年出栏生猪417万头,肉鸡出栏7828万只,产蛋鸡860万只左右,肉鸭出栏3122万只,肉牛出栏1413万头,肉羊出栏188万只;庞大的饲养量产生巨量粪尿,全市郊县畜禽平均粪便负荷量现已达到27190t/hm2,以顺义区最高(57158t/hm2);畜禽污水总量223815万t/a,其BOD5总量达到14万t/a[14],对水资源造成严重隐患。据文化等(1997年)对窦店村承压水的定位分析,邻近小型猪场的水井中的NO3—含量在1996年高达63～68mg/kg,是1963年的515倍[15]。
另外由于化学氮肥的投入,农田N2O的排放量也随之增加。据IPCC1996年报告,全球农业(包括动物生产系统)的N2O排放量已达612TgN,从肥料生产和施用过程向大气迁移的NH3每年可达814TgN[16];与此同时,超量开采地下水同样意味着额外的CO2释放,每采1亿m3地下水,其蒸发消耗的结果相当于燃烧9000t煤所排放的CO2[17];北京还处在我国和全球大气CH4的源区(生物燃烧和化石燃料的开采与利用所致)[19]。这些温室气体产生的效应会对全球和区域水循环平衡产生重要影响,从而影响北京水资源量;对作物生产本身也会产生影响,据分析温度比其适宜温度每提高10C,作物收获量就减少10%。目前几乎没有关于北京地区农业氮肥制造和使用以及抽取地下水对温室效应影响的研究。3 气候条件、大气污染和北京水资源
北京属半湿润大陆性季风气候,近60年出现酷暑天气的年频率高达8l%[20],多年平均气温为11180C,年平均降水量为62215mm(1871—1998年)[21],城区年平均气温比郊区偏高111～1140C,6—9月的降雨量比郊区偏大7%～13%[22]。
从1871年到1998年127a中,北京大体经历了2个冷周期(1871—1918,1952—1980)和2个暖周期(1919—)[21,23]。全市平均气温自1940年以来增长率为010115～01020C/a,大于全国气温增1951,1981—
长率(010040C/a),也大于全球气温增长率(01003～010060C/a),是中国乃至世界上增温最显著的地区之一;1940年以来主要是冬季气温升高,1月份最低气温的线性增加率为0104080C/a,而7月份最高气温则
2004年第4期邱化蛟等:北京市水资源状况分析 7以-01002450C/a递减率线性降低[24-25]。ElNino/LaNina事件与北京气候具有显著性相关,前者造成降水减少,气温年较差增大;后者则造成降水增加,气温年较差减小[26]。温度每升高10C,相应蒸发量就要增加10%～15%。北京地区降雨量的60%～70%被蒸发散失;水面年平均蒸发量为1800～2000mm,陆地平均蒸发量450～500mm,其中作物田蒸散量为630mm左右,菜地1200mm左右,水稻田1100mm,全年仅7—8月份降水量能基本满足农田的蒸散消耗[3,21]。
降水是北京市水资源的主要补给来源,北京降雨量从20世纪50年代至80年代持续下降,平均每10年下降1212%;可分为两个多雨时段即19世纪90年代和20世纪50年代,和三个少雨期即19世纪60年代、20世纪40年代和80年代[24];北京丰枯水年交替出现与丰枯水年连续发生的机率大体各占1/3,连续出现的时间平均2～3年,近50年来,有两个较长时段的枯水年(1940—1945年、1980—1984年)[21]。1915—1997年83年间北京年平均相当暴雨日数5102d(的暴雨过程的总降水量除以50所得整数商,即为相当暴雨日数)[27];,北[28],目前官厅水库已淤积6146亿m3,11年以来,由气象灾害造成的直接经济损失每年约10染。C总量为121t,其中屋面径流和路面径流各占1/4和3/4,折合成COD为500L24万t;1981年美国曾预计城市径流带入水体的BOD量约相当于城市污水经处理后的BOD排放总量,而且129种重点污染物中有约50%会在城市径流中出现[30]。
北京市区大气污染物以可吸入颗粒物和二氧化硫为主,3级以上的概率分别为50%和20%。在石景山古城地区大气飘尘中发现40多种多环芳烃,其中很多具有致癌和怀疑有致癌作用,主要来源于煤的不完全燃烧和汽车尾气的排放;通风量值≤4000m2/s是造成地面污染物滞留的气象因素[32]。北京全年以偏北风为主,年平均风速为214m/s,不利于污染物扩散的稳定类型天气出现的频率为45%[33];特别是冬、春季节大气层结构总体稳定,大气污染相对严重[34]。这些大气污染物不但对人类健康产生严重危害,而且经降雨过程会造成对水体的污染。
北京每年春季会发生浮尘或沙尘暴天气,沙尘进入北京的通道为关沟、潮白河和永定河河谷,近年来北京出现的沙尘天气多为扬沙和浮沉,就地起沙的扬沙占74%,这和北京周围土地开垦、森林植被的破坏有直接关系[35-36]。随沙尘暴输送来大量的沙尘气溶胶,它能够促进硫酸盐气溶胶的形成;气溶胶会对所经地区的大气环境和地球生物化学循环过程产生重要影响,并通过辐射过程改变地气系统的能量平衡,从而对区域气候产生重要影响,例如导致干旱[37]。
4 北京水资源可持续利用措施
411 水资源管理制度和法制建设 对水资源的管理应该以流域或区域为单位进行系统统筹规划。协调流域上下游之间的蓄水、供水、排污关系,联合调度地上和地下水,水源地保护和改善人民生活同步进行,开源、节流和保护并重,人口、资源、环境协调发展。当前北京市人口已超过1300万,居民人均生态占用面积1999年达到1162hm2,是实际人均面积的22倍[38];应采取鼓励措施,积极促进北京周围小城镇、卫星城的发展,促进京、津、塘经济圈一体化,以区域整体发展来缓解北京水资源压力。加快法律、法规体系建设的步伐,谁耗费谁补偿,谁污染谁治理,减少经济的外部效应。同时应该改变对地下水利用的错觉,即认为超量开采就意味着水量不足,整个地区都不宜再扩大开采。其实超采和水资源大小没有直接关系,况且也是局部地区超采,只要正确管理、全面规划,在某个时段内适度超采地下水、动用部分储存量是可以接受的[39]。
412 开源、节流、保护水资源措施 开源措施:南水北调年可净引水12亿m3;工业清洁生产;人工增雨,成本只有0103美元/m3,大大低于净化方法的014美元/m3,据估算每年经过北京上空的水汽只有不到20%变为自然降水,因此增雨潜力很大[40];城市集水系统建设,一个直径3m,渗透系数为6×1023cm/s的渗井,可控制5000m2的屋顶,20年可回灌地下水516万m3[41];污水处理再用,2010年处理后的污水可达
8北 京 农 学 院 学 报第19卷到6145亿m3;利用河道、平原水库、深井、废弃砂石坑等进行回灌,北京市地下水超采已腾空了8100亿m3的地下库容,可以用来盛纳多余的雨洪;开发西山山前岩溶裂隙水可以为北京提供新的水源。节流措施,如在工业、农业、生活用水方面推广节水型工艺,据研究2010年工业节水可年增1137亿m3,农业年增2154亿m3,生活年增0123亿m3。调查表明,北京居民为5年内降低目前大气污染物质浓度的50%的平均支付意愿是143元/户・年(1999年元),收入和教育水平对支付意愿的影响最显著[44]。因此发展经济和教育,提高人民素质,是保护环境、持续发展的有效途径。
413 提高水价是可持续利用的经济保证 北京水价政策事实上是一种鼓励消费的“消费型水价”政策,应提高水价并超额累加。将水价提高到占农民总收入的10%～20%是可以接受的,0113～01847元/m3是节水灌溉的理论界限[7];北京供求平衡的自来水价大约为0160元/m3“,节水型”水价应该大于1元/m3(1989年价格水平);当水费提高到11341元/m3时,包括农业在内可以节水20161～亿m3[43]。21世纪初期首都水资源可持续利用规划中规定2005,其中自来水价为2194元,污水处理费1100元;0元,所筹资金可用于工程建设或补偿库区人民收入。
414 ,;改良施肥方法,,减少地表养分流失;保护性耕作可以减少75%～90%,年减少25%的径流量,并降低径流中养分含量,同时增加渗漏[46];在农田和河流之间的缓冲带能够阻止硝酸盐往地表水的移动[46];其他措施如精确农作,营养管理计划,保护耕作,等高种植等控制养分流失的方法正被提倡。控制畜牧养殖场的规模,并加强对畜禽粪尿的管理,世界卫生组织规定养殖场与水井、泉水或河流之间的水平距离应该大于地下水在50d内的流动距离[48]。北京万美元农业增加值用水15473m3,是澳大利亚(4393m3)的315倍,是美国(6930m3)的212倍,我国每生产1kg粮食,要补充灌溉1123m3,而加拿大、美国分别为0107m3和0109m3[39]。农业节水潜力很大。节水工艺的效益为喷灌>渗灌>滴灌>管灌[7];试验表明喷灌能增产37%,节水50%,省工58%,节电率为30kw・h/(hm2・a)[50];另外改革灌溉措施如交替隔沟灌溉技术可以明显提高作物水分利用效率[47]。415 研究方法定量化、精确化 对水资源的多目标要求使传统的经验方法力不从心。例如在农业用水比例上,不但要考虑经济效益,同时还要考虑其巨大的环境效益和社会效益;需要结合模型的定量化、精确化特点,来达到水资源管理和应用的科学化。第一个水模型由Deninger1970年建立,现在国际上水模型较多,从分类看:有地下水2地表水联合调度管理模型,地下水量2水质综合管理模型,地下水可持续开发利用管理模型,多目标地下水管理模型,非线形地下水管理模型等[39]。例如美国TexasA&MUniversity的TheErosionProductivityImpactCalculator(EPIC)模型可以用来模拟气候、水文、侵蚀、养分循环、农药残留、植物生长等[49]。而荷兰瓦赫宁根大学的LUPAS模型在农村水资源的合理分配以及区域发展方面考虑比较周全。其他分析模型如荷兰Utrecht大学GIS支持的LISEM模型,美国APEX模型和SWAT系列模型等[39],作物生产模型如农业生态带模型(AEI)、PS123模型等也可在水资源分配方面起到作用。我国邵景力、林学钰、焦雨1985首先开始水模型研究,林昭远也曾利用数值地形模型(DEM)探讨集水区农业非点源污染的控制。但总体来看我国目前在水分析管理模型的研究上尚处于探索阶段,需要加强研究,以利于水资源的可持续利用管理。
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第19卷 第4期
2004年10月北 京 农 学 院 学 报JOURNALOFBEIJINGAGRICULTURALCOLLEGEVol119,No14Oct1,2004
北京市水资源状况分析
邱化蛟1,程 序1,常 欣13,郭淑敏1,张爱军2
(1中国农业大学可持续农业中心,北京10094;2北京市顺义区种植业服务中心,北京101300)
摘要:北京市水资源面临着数量不足和严重污染并存的压力,笔者概括分析了造成水污染的工业、农业、气候等原因,并总结和提出了实现水资源可持续利用的一些具体措施。
关 键 词:北京;水资源;污染;可持续利用
中图分类号:X52 文献标识码:A 文章编号:1002()04-TheofXu1,CHANGXin13,GUOShu2min1,ZHANGAi2jun2
(AgriculturalCentreofChinaAgriculturalUniversity,Beijing100094;China
ThePlantingServiceCenterofShunYiDistnict,Beijing101300,China)
Abstract:ThelackofwaterandseriouspollutionaretwomajorproblemsfacingBeijingmunicipality,originsofwaterpollutionwereanalyzed,andsomemeasurestorealizethesustainableutilizationofwaterresourcewereproposed1Keywords:Beijing;waterresource;pollution;sustainableutilization
北京市属海河流域,是300万年前由永定河和潮白河冲积形成的倾斜平原,地势西北高,东南低;从东到西分布有蓟运河、潮白河、北运河、永定河和大清河5大水系,官厅水库和密云水库是市区地表水的两大水源,其中密云水库供应了市区一半以上的日常用水;全市多年平均降雨量595mm,折合水体9919亿m3;平均地表径流21198亿m3,地下水资源27109亿m3,扣除地表水、地下水重复计算量9108亿m3,北京自产天然水资源总量为39199亿m3;多年平均入境水量16150亿m3,出境水量11160亿m3;人均水资源占有量约300m3,是全国平均水平的1/8,是世界人均水平的1/30,远远低于国际公认的人均1000m3的下限。随着北京经济和社会的飞速发展,水资源不足的问题日益严重,并且伴随着比较严重的污染现象,已经对社会可持续发展造成不可忽视的影响。笔者重点分析农业、气候条件对水资源的影响,并提出一些相应措施。
1 北京市水资源利用情况及污染现状
北京市多年(1979—2001)平均用水量为42136亿m3,其中农业用水占49%,工业用水占30%,生活用水占21%。近年来地表水源密云、官厅两大水库上游来水不断减少,来水量由20世纪60年代的年均30亿m3减少到20世纪90年代的12亿m3,目前密云水库蓄水量为717亿m3,官厅水库蓄水量仅为119亿m3。北京地下水主要贮存在第4系松散孔隙含水层中,分布在太行山余脉西山和燕山余脉军都山山前冲、洪积扇形成的平原区和北部延庆盆地之中[4]。全市地下水总资源量年平均为40157亿m3,其中降水入渗补给占72%,河水入渗占18%,其他渠道、灌溉等受人类活动影响的补给占10%[5];平原区地下 收稿日期:2004204208;修订日期:2004206220
基金项目:北京市自然科学基金资助(项目编号为6002009)
作者简介:邱化蛟,男,1972年出生,山东济南人,农艺师;3通讯作者
2004年第4期邱化蛟等:北京市水资源状况分析 5水总资源量为30143亿m3/a,其中处于永定河、潮白河冲、洪积扇中上部的城近郊区和密、怀、顺地区地下水可采资源量约占全市平原地区可采资源量的48%,是城市集中供水的主要水源地,年允许开采量平均为2415亿m3;但近20年来北京平原地下水的实际开采量为25～29亿m3;据统计,1961—1995年北京市平原地区地下水储存量累计亏损39165亿m3,其中,20世纪70年代亏损21125亿m3,20世纪80年代亏损18126亿m3,1991—1995年亏损0114亿m3[3]。地下承压水的大规模超采导致地下水位下降,全市平均水位从1960年的316m到1999年已降到14121m[4]。地下水位下降大于10m的地区已经从1986年的1590km2扩大到2001年的2685km2,中心下降漏斗区在朝阳将台到顺义米各庄一带,该区地下水位平均在30m以上,平均每年下降约015～115m[5]。水位下降会导致地面下沉,全市地面下沉面积近800km2,沉降幅度一般几十毫米,最大达800mm[6]。
在不考虑节水和新水源开发情况下,到2005年平水年份全市将缺水7194亿m3,到2010年平水年份全市将缺水153(从调查结果看全市存在严重的水污染现象,全市年污水排放量高达12亿m3,其中市区8亿m3。((见表2),表明Ⅳ和Ⅴ。城区河湖21个水体中,11个中等富营养(N、P)和有机物污染;21个水体平均NH32N为01797mg/L;TN为11644mg/L,Ⅴ,TP为01217mg/L,达到国家Ⅳ标准;污染源主要来自点源(河湖周围的排污口),(河湖周围汇水区内人口车辆密集,地面营养物多)[7]。1995年近郊几条河流氨氮的超标倍数为:南护城河为214倍,小月河为215倍,通惠河为9倍,洋河为1012倍,温榆河为1215倍,而凉水河则达到2218倍。密云水库总体尚处于中营养水平,但内湖已成为富营养水体;而官厅水库由于严重污染1997年已经退出北京市饮用水源[8]。
表1 北京市一次水资源供需平衡表/亿m3
2005年2010年95%
34109
50159
-1615050%4018860103-1611575%3715459198-1914495%3319959198-22199表2 北京河湖污染状况调查/km年份[**************]0检测河长[***********]99712II～III项目供水量需水量平衡结果50%4113349127-719475%3717950159-12180类水体[***********](Ⅰ)～ⅢⅣ类[**************]3Ⅴ类2419691626大于Ⅴ类[***********]13) (数据来自《21世纪初期首都水资源可持续利用规划》 (注:2000年无Ⅴ类水体数据,数据来自北京市水利局《水
)资源公报1986—2001》
北京市环保部门1995年对全市280眼监测井的水质监测结果显示:总硬度检出值大于或等于450mg/L的井有111眼,其中朝阳区垡头井总硬度由1981年的144mg/L上升到543mg/L[1];氯化物超出饮用水卫生标准250mg/L的井有10眼;亚硝酸盐氮检出大于0102mg/L的井有5眼;氨氮检出超标井5眼;溶解性总固体检出超过国家标准1000mg/L的井有26眼。全部监测井中较差、极差井占46179%[9]。占平原地区5%面积的监测井硝态氮含量大于20mg/L[1],有近一半的平原区浅层地下水受到农药、化肥和废水污染。近郊区地下水硬度超标面积已从20世纪40年代的13km2已扩大到1997年的31216km2[3]。北京西南城近郊位于永定河东的山前冲、洪积扇顶部和中部,浅层地下水主要赋存在第4系松散层孔隙中,是北京平原区地下水的主要补给区,该区岩性以砂卵砾石为主,地层防护性能差,入渗系数0145～016m/d,一旦地表水受到污染,将对区内地下水造成垂直污染和对下游地下水的侧向污染。邹胜章(2002年)调查发现该地区地下水主要污染为NO3-污染,检出含量介于016～7910mg/L之间,大于20mg/L的范围占总面积的30%以上,污染途径主要是:农业活动(污水灌溉及施用农药、化肥)、砂石坑垃圾回填、生活和工业污水下渗;其次为硬度和Cl-污染,是北京市高硬度水的主要分布区,超标率在90%以上,(最高达1300mg/L以上),且由以前的东低西高、东南偏高的分布格局,逐渐转为东部及东南部偏高而西部却缓慢下降的趋势;其中总硬度与硝酸盐具有最高的相关性,证明氮迁移转化对地下水硬度升高具有重大影响;同时该地区亚硝酸盐氮和氨氮含量也在逐年上升[10]。
6北 京 农 学 院 学 报第19卷2 农业活动与水资源
北京市多年农业用水中,地下水占绝大部分(表3)。2002年北京市农业用水为2011亿m3,占总用水量54%,其中地表水4130亿m3,地下水15180亿m3。从农村用水结构看,1993年农村总用水20135亿m3,其中种植业占80%,果林苗圃灌溉占8%,农村人畜用水占7%,渔业用水占5%,其他为农村工副业用水。而1995年农村总用水20110亿m3,其中种植业占77%,果业占814%,人畜813%,渔业占519%,其他为副业用。农作物灌溉用水量在逐渐减少,而果林、渔业、人畜、工副业等用水逐渐增加。
表3 北京历年开采的地下水中农业用水所占比例/亿m3年份
总量
农业
%1971—197417～239～1453～611980—198925～2715～1760～[***********][***********][***********][***********][***********][***********][***********]017
(北京市水利局《水资源公报1986—2001》;)
。人体摄入的硝酸盐80%来自蔬菜,,后者的增加与地下水硝酸盐浓度增加趋势一致[11]。)调查认为造成密云水库污染的非点污染源主要有化肥损失、畜禽粪便流失、水土流失三种类型[12]。潮河流域化肥多年平均施用量为159kg/hm2,农药用量1995年为28510kg;白河流域平均化肥用量为35915kg/hm2,农药施用量为101315t,平均用量为9113kg/hm2[17]。每年因施用化肥流失到环境中的氮素共7184×105kg,磷素2157×104kg;每年因畜禽排泄物流失到环境中的氮素为4189×106kg,磷素2147×105kg[12]。1995年北京市平均每公顷土地施氮肥363115kg,磷肥67105kg;由此导致7106t左右的氮、1322～2644t的磷进入地表水,7106～21318t的氮进入地下水;农药施用量1995年为13206t,有132～660t、660t的农药进入地表、地下水中,尤以西郊水源地进入的农药最多。北京市近年来畜牧养殖发展很快,2002年北京市郊区全年出栏生猪417万头,肉鸡出栏7828万只,产蛋鸡860万只左右,肉鸭出栏3122万只,肉牛出栏1413万头,肉羊出栏188万只;庞大的饲养量产生巨量粪尿,全市郊县畜禽平均粪便负荷量现已达到27190t/hm2,以顺义区最高(57158t/hm2);畜禽污水总量223815万t/a,其BOD5总量达到14万t/a[14],对水资源造成严重隐患。据文化等(1997年)对窦店村承压水的定位分析,邻近小型猪场的水井中的NO3—含量在1996年高达63～68mg/kg,是1963年的515倍[15]。
另外由于化学氮肥的投入,农田N2O的排放量也随之增加。据IPCC1996年报告,全球农业(包括动物生产系统)的N2O排放量已达612TgN,从肥料生产和施用过程向大气迁移的NH3每年可达814TgN[16];与此同时,超量开采地下水同样意味着额外的CO2释放,每采1亿m3地下水,其蒸发消耗的结果相当于燃烧9000t煤所排放的CO2[17];北京还处在我国和全球大气CH4的源区(生物燃烧和化石燃料的开采与利用所致)[19]。这些温室气体产生的效应会对全球和区域水循环平衡产生重要影响,从而影响北京水资源量;对作物生产本身也会产生影响,据分析温度比其适宜温度每提高10C,作物收获量就减少10%。目前几乎没有关于北京地区农业氮肥制造和使用以及抽取地下水对温室效应影响的研究。3 气候条件、大气污染和北京水资源
北京属半湿润大陆性季风气候,近60年出现酷暑天气的年频率高达8l%[20],多年平均气温为11180C,年平均降水量为62215mm(1871—1998年)[21],城区年平均气温比郊区偏高111～1140C,6—9月的降雨量比郊区偏大7%～13%[22]。
从1871年到1998年127a中,北京大体经历了2个冷周期(1871—1918,1952—1980)和2个暖周期(1919—)[21,23]。全市平均气温自1940年以来增长率为010115～01020C/a,大于全国气温增1951,1981—
长率(010040C/a),也大于全球气温增长率(01003～010060C/a),是中国乃至世界上增温最显著的地区之一;1940年以来主要是冬季气温升高,1月份最低气温的线性增加率为0104080C/a,而7月份最高气温则
2004年第4期邱化蛟等:北京市水资源状况分析 7以-01002450C/a递减率线性降低[24-25]。ElNino/LaNina事件与北京气候具有显著性相关,前者造成降水减少,气温年较差增大;后者则造成降水增加,气温年较差减小[26]。温度每升高10C,相应蒸发量就要增加10%～15%。北京地区降雨量的60%～70%被蒸发散失;水面年平均蒸发量为1800～2000mm,陆地平均蒸发量450～500mm,其中作物田蒸散量为630mm左右,菜地1200mm左右,水稻田1100mm,全年仅7—8月份降水量能基本满足农田的蒸散消耗[3,21]。
降水是北京市水资源的主要补给来源,北京降雨量从20世纪50年代至80年代持续下降,平均每10年下降1212%;可分为两个多雨时段即19世纪90年代和20世纪50年代,和三个少雨期即19世纪60年代、20世纪40年代和80年代[24];北京丰枯水年交替出现与丰枯水年连续发生的机率大体各占1/3,连续出现的时间平均2～3年,近50年来,有两个较长时段的枯水年(1940—1945年、1980—1984年)[21]。1915—1997年83年间北京年平均相当暴雨日数5102d(的暴雨过程的总降水量除以50所得整数商,即为相当暴雨日数)[27];,北[28],目前官厅水库已淤积6146亿m3,11年以来,由气象灾害造成的直接经济损失每年约10染。C总量为121t,其中屋面径流和路面径流各占1/4和3/4,折合成COD为500L24万t;1981年美国曾预计城市径流带入水体的BOD量约相当于城市污水经处理后的BOD排放总量,而且129种重点污染物中有约50%会在城市径流中出现[30]。
北京市区大气污染物以可吸入颗粒物和二氧化硫为主,3级以上的概率分别为50%和20%。在石景山古城地区大气飘尘中发现40多种多环芳烃,其中很多具有致癌和怀疑有致癌作用,主要来源于煤的不完全燃烧和汽车尾气的排放;通风量值≤4000m2/s是造成地面污染物滞留的气象因素[32]。北京全年以偏北风为主,年平均风速为214m/s,不利于污染物扩散的稳定类型天气出现的频率为45%[33];特别是冬、春季节大气层结构总体稳定,大气污染相对严重[34]。这些大气污染物不但对人类健康产生严重危害,而且经降雨过程会造成对水体的污染。
北京每年春季会发生浮尘或沙尘暴天气,沙尘进入北京的通道为关沟、潮白河和永定河河谷,近年来北京出现的沙尘天气多为扬沙和浮沉,就地起沙的扬沙占74%,这和北京周围土地开垦、森林植被的破坏有直接关系[35-36]。随沙尘暴输送来大量的沙尘气溶胶,它能够促进硫酸盐气溶胶的形成;气溶胶会对所经地区的大气环境和地球生物化学循环过程产生重要影响,并通过辐射过程改变地气系统的能量平衡,从而对区域气候产生重要影响,例如导致干旱[37]。
4 北京水资源可持续利用措施
411 水资源管理制度和法制建设 对水资源的管理应该以流域或区域为单位进行系统统筹规划。协调流域上下游之间的蓄水、供水、排污关系,联合调度地上和地下水,水源地保护和改善人民生活同步进行,开源、节流和保护并重,人口、资源、环境协调发展。当前北京市人口已超过1300万,居民人均生态占用面积1999年达到1162hm2,是实际人均面积的22倍[38];应采取鼓励措施,积极促进北京周围小城镇、卫星城的发展,促进京、津、塘经济圈一体化,以区域整体发展来缓解北京水资源压力。加快法律、法规体系建设的步伐,谁耗费谁补偿,谁污染谁治理,减少经济的外部效应。同时应该改变对地下水利用的错觉,即认为超量开采就意味着水量不足,整个地区都不宜再扩大开采。其实超采和水资源大小没有直接关系,况且也是局部地区超采,只要正确管理、全面规划,在某个时段内适度超采地下水、动用部分储存量是可以接受的[39]。
412 开源、节流、保护水资源措施 开源措施:南水北调年可净引水12亿m3;工业清洁生产;人工增雨,成本只有0103美元/m3,大大低于净化方法的014美元/m3,据估算每年经过北京上空的水汽只有不到20%变为自然降水,因此增雨潜力很大[40];城市集水系统建设,一个直径3m,渗透系数为6×1023cm/s的渗井,可控制5000m2的屋顶,20年可回灌地下水516万m3[41];污水处理再用,2010年处理后的污水可达
8北 京 农 学 院 学 报第19卷到6145亿m3;利用河道、平原水库、深井、废弃砂石坑等进行回灌,北京市地下水超采已腾空了8100亿m3的地下库容,可以用来盛纳多余的雨洪;开发西山山前岩溶裂隙水可以为北京提供新的水源。节流措施,如在工业、农业、生活用水方面推广节水型工艺,据研究2010年工业节水可年增1137亿m3,农业年增2154亿m3,生活年增0123亿m3。调查表明,北京居民为5年内降低目前大气污染物质浓度的50%的平均支付意愿是143元/户・年(1999年元),收入和教育水平对支付意愿的影响最显著[44]。因此发展经济和教育,提高人民素质,是保护环境、持续发展的有效途径。
413 提高水价是可持续利用的经济保证 北京水价政策事实上是一种鼓励消费的“消费型水价”政策,应提高水价并超额累加。将水价提高到占农民总收入的10%～20%是可以接受的,0113～01847元/m3是节水灌溉的理论界限[7];北京供求平衡的自来水价大约为0160元/m3“,节水型”水价应该大于1元/m3(1989年价格水平);当水费提高到11341元/m3时,包括农业在内可以节水20161～亿m3[43]。21世纪初期首都水资源可持续利用规划中规定2005,其中自来水价为2194元,污水处理费1100元;0元,所筹资金可用于工程建设或补偿库区人民收入。
414 ,;改良施肥方法,,减少地表养分流失;保护性耕作可以减少75%～90%,年减少25%的径流量,并降低径流中养分含量,同时增加渗漏[46];在农田和河流之间的缓冲带能够阻止硝酸盐往地表水的移动[46];其他措施如精确农作,营养管理计划,保护耕作,等高种植等控制养分流失的方法正被提倡。控制畜牧养殖场的规模,并加强对畜禽粪尿的管理,世界卫生组织规定养殖场与水井、泉水或河流之间的水平距离应该大于地下水在50d内的流动距离[48]。北京万美元农业增加值用水15473m3,是澳大利亚(4393m3)的315倍,是美国(6930m3)的212倍,我国每生产1kg粮食,要补充灌溉1123m3,而加拿大、美国分别为0107m3和0109m3[39]。农业节水潜力很大。节水工艺的效益为喷灌>渗灌>滴灌>管灌[7];试验表明喷灌能增产37%,节水50%,省工58%,节电率为30kw・h/(hm2・a)[50];另外改革灌溉措施如交替隔沟灌溉技术可以明显提高作物水分利用效率[47]。415 研究方法定量化、精确化 对水资源的多目标要求使传统的经验方法力不从心。例如在农业用水比例上,不但要考虑经济效益,同时还要考虑其巨大的环境效益和社会效益;需要结合模型的定量化、精确化特点,来达到水资源管理和应用的科学化。第一个水模型由Deninger1970年建立,现在国际上水模型较多,从分类看:有地下水2地表水联合调度管理模型,地下水量2水质综合管理模型,地下水可持续开发利用管理模型,多目标地下水管理模型,非线形地下水管理模型等[39]。例如美国TexasA&MUniversity的TheErosionProductivityImpactCalculator(EPIC)模型可以用来模拟气候、水文、侵蚀、养分循环、农药残留、植物生长等[49]。而荷兰瓦赫宁根大学的LUPAS模型在农村水资源的合理分配以及区域发展方面考虑比较周全。其他分析模型如荷兰Utrecht大学GIS支持的LISEM模型,美国APEX模型和SWAT系列模型等[39],作物生产模型如农业生态带模型(AEI)、PS123模型等也可在水资源分配方面起到作用。我国邵景力、林学钰、焦雨1985首先开始水模型研究,林昭远也曾利用数值地形模型(DEM)探讨集水区农业非点源污染的控制。但总体来看我国目前在水分析管理模型的研究上尚处于探索阶段,需要加强研究,以利于水资源的可持续利用管理。
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