華北地下水超采亟待控制
當前，我國華北平原地下水超采問題引發各方關注，亟待解決。中國和瑞士兩國在這方面開展了相關合作，特別是在河北省館陶縣開展了合作項目，取得了一定的進展。本報記者特采訪項目參與專家金士博，對地下水超采問題進行深入探討。
對話人：中瑞合作項目“應對氣候變化地下水含水層超采治理與管理戰略”主持者金士博
金士博（WolfgangKinzelbach）教授，獲得德國卡爾斯魯厄大學環境工程博士學位。曾在德國卡塞爾大學和海德堡大學分別擔任水力學與水文學教授和環境物理學教授，在瑞士蘇黎世聯邦理工學院擔任流體力學學與地下水專業教授。自2014年起，主持并領導中瑞合作項目“應對氣候變化地下水含水層超采治理與管理戰略”。致力于水流與溶質運移過程的基礎研究及在水資源管理、污染控制修復與核廢料隔離方面的應用研究，已出版學術著作5部。
采訪人：本報記者劉蔚
對解決華北平原地下水超采問題有什么建議？
■減少小麥種植面積，采取滴灌節水措施等。
中國環境報：當前，我國華北平原的地下水超采問題亟待解決。您是這方面的專家，對此有何建議？
金士博：中國華北平原地下水超采問題是由于20世紀70年代實行的集約化農業生產造成的。在此之前，這個地區主要種植一年一季作物，年降雨量約600毫米，足夠滿足一季糧食作物的生長需求。由于中國人口不斷增長，為了保證糧食安全，當地開始采用冬小麥和夏玉米的兩季種植。自然降雨量不能滿足兩季作物的用水需求。同時，灌溉季節期間大部分的地表水被上游抽取，河流來水少。為了滿足灌溉需求，當地的農業唯有訴諸于地下水灌溉。地下水雖然可以通過部分降雨的入滲而得到自然補給，但是在開采量持續增加的情況下補給量無法跟上開采量，這就造成了地下水過度開采，即所謂的超采。
要解決地下水超采問題，只有通過縮小補給量與開采量的差值，即減少超采量來尋求解決方案。對于華北平原地區，我認為可以采取如下4種方法來實現這個目標：
第一，減少冬小麥種植面積，讓耕地在冬天休耕。這是最有效的措施，因為冬小麥的種植期降雨稀少，這就不可避免的需要使用地下水來灌溉，而休耕可以有效杜絕地下水的開采。
第二，可以通過滴灌節水措施減少灌溉用水。過去50年以來，華北平原的農民在灌溉節水方面成就可觀，但還存在節水潛力。通過運用一些經濟刺激，如合理地征收水費，我們可以進一步地強化農民的節水意識。
第三，引入更多的地表水。比如利用南水北調工程或從黃河引水。
第四，進行地下水人工補給。在非灌溉期，河流的上游來水可以引至入滲坑塘和溝渠，讓其滲入地下水體。總而言之，解決地下水超采問題沒有萬靈藥，需要聯合運用各種措施。解決地下水的超采問題將是一個需要持續十余年的痛苦過程。
更加復雜的情況是地下水含水層有兩層，即深層和淺層。深層地下水的補給極少且很難恢復，必須立即停止用于灌溉的開采。深層地下水的水質很好，可以允許用做飲用水的水源。相對的，淺層地下水則不適合飲用。一些地方淺層水的含鹽量過高以至于無法用于灌溉，導致這些地方的農民目前不得不使用深層水稀釋過咸的淺層水。這些群體應該獲得地表水的優先使用權。
近年來，降雨量的增加有助于減緩地下水水位的下降。2016年降雨量非常大，水位甚至會因此升高。但我們不能因為2016年的好形勢而盲目樂觀。未來還會經歷下一次的干旱期，那時地下水水位會再次下降。
實際上，地下水資源使用的最優方案是使地下水水位的上下波動保持在某個可接受的范圍內。地下水資源相當于一個地下水庫，它應該在枯水年發揮作用，而在平水年和豐水年休養恢復。如此一來，地下水資源可以作為一個保障機制來防止干旱期的糧食減產，就好像銀行賬戶里的存款可以讓我們應對日常生活中的意外。
館陶縣地下水超采研究采用了哪些方法？
■用模型分析超采情況，監測開采量，建立地下水觀測點。
中國環境報：中國和瑞士兩國在位于華北平原的館陶縣開展了地下水超采相關研究項目，請您談談項目具體開展了哪些工作？發現了哪些問題？
金士博：我們的項目是中國水利部和瑞士發展合作署的合作項目。在這個項目中，研究位于華北平原的館陶縣地下水超采問題，并提出了控制超采的方法。
一是利用地下水模型分析館陶地下水的過度開采情況。我們發現，過去10年的開采量較上世紀80年代相對減少，每年灌溉用水需求量約為7000萬立方米。而補給量與開采量之差，即超采量的多年平均值約為每年1000萬立方米。我們認為，這個差距可以在10年內消除。可以想象，地表水的水庫很容易控制，一個人就可以打開或關閉閘門，而地下水這個水庫則受制于成千上萬的農用開采井。如果要停止過度開采，就必須采取有效的措施控制這些井的使用。
為此，我們為農民提供節約用水的經濟刺激。我們建議通過機電井的用電量配額來控制灌溉水的使用。農民的灌溉水權被轉換成一定量的用電定額，如果用電量超過了這個定額，那超出部分的用水將收取水費，并與電費一起支付。最近館陶縣提出每立方米超額用水收取0.1元水費，這個標準還比較低，但它仍可以起到增強節水意識的作用。今后在適當的時間還可以提高這個標準，進一步鼓勵農民節水，實現減少開采的目標。
二是用經濟有效的方法監測開采量。常用的方法是為每一眼井安裝流量計，但在實踐中發現這種方法成本高且不易維護。我們提出的方法是在提供灌溉用電的變壓器上安裝智能電表，通過跟蹤用電量的方式間接監測開采量。這既降低了安裝和維護成本，又能夠了解農民的實時用水情況。目前我們已經在100臺變壓器上安裝了智能電表。另一方面，我們與河北工程大學的學生一起進行了上百次的抽水試驗，定量地建立起各個開采井的用水量與用電量的關系。
此外，還建立了地下水觀測點來自動記錄水位的變化。進行了入滲試驗，確定了地表水在入滲坑塘的下滲能力，并評估了用非灌溉期的地表水人工補給地下水的效果。最終獲得的所有信息都將被輸入到地下水模型，預測未來地下水水位的實時變化。通過各種措施的聯合運用，我們提出最有效的方案來減少地下水補給量與開采量的差距。方案的最終成效將首先體現在監測的變壓器供電量的減少，然后反映在地下水水位的變化上。我們還設計了一個地下水用水游戲，幫助農民提高對水資源短缺的認識，培養水資源可持續利用的觀念。
當然，項目中也遇到一些問題，大部分出現在監測設備的實際運行中。比如，2016年7月的大雨導致河道水位大幅度抬升，地下水水位監測也受到了影響，有些河道附近的監測設備無法正常運行。當然還有一些人為因素導致的問題，比如在抽水井上試驗性地安裝計量設備時，農民由于用水時的操作難度增加或者擔心首先從自己家收取水費而不愿意合作。
從積極的角度來看，這些問題為今后管理措施的推行提供了經驗和教訓，就是我們的措施需要做到公平公正并易于操作才能得到農民的支持。此外，還存在數據共享方面的問題。與中國不同，瑞士的數據共享渠道比較完善，我們也因此希望中國的數據共享工作可以進一步改善。但是在中方合作伙伴的幫助下，我們解決了大部分出現的問題，并且對項目的前景充滿信心。
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瑞士地下水保護有哪些經驗借鑒？
瑞士地下水資源豐富。與地表水不同的是，地下水通常被厚厚的土壤層保護，并且受土壤層過濾，這使地下水成為理想的飲用水源。瑞士80％的飲用水來自地下水，且地下水資源量遠遠超過飲用水的需求量。盡管地下水的水質通常能達到飲用水標準，但這并不意味著可以高枕無憂，反而必須認真地采取行動來保護地下水。
按照瑞士有關法律規定，地下水飲用水源需要設定保護區來預防細菌污染等衛生問題：在水源井的周邊區域內，禁止所有可能導致致病細菌污染水源的活動。盡管如此，依然需要面對其它可能的污染問題，比如農業地區的硝酸鹽污染和城市工業區的有機物污染。為了預防或解決這些問題，需要采取進一步的管理和修復措施。
在應對農業污染方面，農民如果采取減少化肥使用等綠色的生產方式，就可以獲得補貼；水廠會在取水井的集水區內購買農業用地，并將其作為自然草地管理，以避免化肥的使用。
在工業污染方面，嚴格遵守“污染者自付”的原則。比如位于瑞士北部的克利肯鎮，原來埋在地下的有害化工廢料造成了地下水污染。在隨后的地下水修復工程中，受污染的土壤被挖出后以安全的方式將污染物去除，整個治理工程耗費污染者約5000萬瑞郎。
瑞士的地下水資源由監測網絡密切監測，監測內容不僅有地下水水位和泉流量，還包括大量潛在污染物。同時，密切跟蹤新的可疑污染物，包括醫療產品和農藥。這些污染物目前以非常小的濃度出現，但可能在將來對地下水造成污染。這可以保證及早對相關問題作出反應，例如禁止使用某些具有潛在危害的產品等。
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