黄河流域水源亏损分项计算——《制度性干旱》附文一

一、浅层地下水

  (一)水位变化

  1、80年代中期以前浅层地下水位确定

  80年代中期以前黄河流域的浅层地下水位平均埋深的数据,未见准确数据。但根据一般的生活经历、取水机具使用情况、特殊历史事件推算,黄河流域的浅层地下水位平均埋深当在2.0~4.0米间,取平均数为3.0米。

  说2.0米,是因为经常“掘墓见水”。

  说4.0米,其一是因为平原农村生活取水多用“钩担”“摆”水,“钩担”担长1.5米,两链钩每个长0.4米,加人体手臂下探0.5米,总计2.80米。其二是因为农业最常见的井用灌溉设备是6-8吋“离心泵”;“离心泵”的理论吸程为10.30米,扣除地面以上轴高和因密封、摩擦带来的减程,实际吸程不超过9.0米。6-8吋泵出水量大,抽水机连续工作后井内还将产生3-4米的“井壁水位降”,若浅层水的静埋深超过5米,6-8吋离心式水泵就不能连续工作。

  1974年3月,临潼西杨村社员抗旱掘井时发现了秦始皇兵马俑。人力临时开挖无壁水井,深度不超过5米。

  以下资料也可佐证此观点。

  “新乡市人大常委会”的调研报告[01]说 :“据新乡县部分乡村的调查,上世纪末,井水离地面仅3—4米,用离心泵就行了,浇1亩地一次4元钱的电费,而现在水泵扬程需要20米,要改用深井泵,浇1亩地一次需要电费10多元。”

  笔者对“上世纪末”的时限是持怀疑态度的,但至少可以说明直到90年代,在一些海拔较低的平原盆地,仍保持着3~4米的水位。

  姜文来等人对内流域区水位的研究[02]认为:民勤盆地的地下水埋深由1979年的0.5—8米左右,下降到2000年的12.8 ~20.3米左右,地下水位下降了4~17m。

  2、2005年流域浅层地下水位确定

  2005年流域浅层地下水平均深埋,根据下统计表计算得出。

2005年黄河流域主要平原(盆地)区浅层地下水动态统计表[03]

 

  设统计表“合计”项内18个平原区片的面积分别为S1、S2……S18;年末平均地下水埋深分别为H1、H2……H18;加权平均为:

  H平均=(H1×S1+H2×S2……+H18×S18)÷(S1+S2……+S18)≈17.0(米)

  3、水位变化值

  由3.0米到17.0米,也就是说,水位平均下降了14米。

  2005年关中平原的平均水位是27米,下降了22米以上。

  (二)黄河流域平原平均重力释水系数的计算
  
  设统计表中13个“上升区”、13个“下降区”、18个“相对稳区”,共计44个监测单元的储量变量分别为Q1、Q2……Q44;水位平均变幅的绝对值分别为H1、H2……H44;各单元的面积分别为S1、S2……S44;加权平均得“黄河流域平原平均重力释水系数”:

  η=(Q1+Q2……+Q44)÷[(S1×H1)+(S2×H2)……(S44×H44)]≈0.063

  “η=0.063”的含义为“水位每下降1米可释放63mm深的重力水”。

  (三)黄河流域含浅层地下水的平原面积

  据2002~2004年全国水资源综合规划的调查成果[04]:在黄河79.5万平方公里流域面积中,含矿化度≤2克/公升优良淡水的平原(包括沿河谷地、山间盆地、沙地、台塬)面积1985年为16.70万平方公里,2004年减少为15.25万平方公里。

  (四)1985-2004黄河流域平原浅层优良淡水储量亏损

  根据以上水位变化数值、计算面积、平均重力释水系数:

  Q=η×S×H=0.063×16.7万平方公里×14米≈1470亿m3

二、深层地下水储量透支计算

  根据“水规总院水利规划与战略研究中心”援引的1994~1998年水资源公报资料,“黄河流域深层地下水的年均开采量为47亿m3[05]”推算,1986–2007年21年间,黄河流域的深层地下水开采总量为1030亿立方米。

  关于深层地下水的再生性问题,目前存在着两种不同的观点。传统的观点认为:深层地下水的补给量极小,在以千年计的周期中才具有意义,因此深层地下水的开采即为超采;即补给率接近于0。但张光辉等人认为[06]:在海河流域每年开采的深层地下水中,有13亿立方米可以获得补给。再根据“1998-2005海河水资源公报”计算,海河流域深层地下水年均(1998-2005)开采量为70亿m3,补给13亿m3,补给率为18.6%。移植到黄河流域,本文采取“折中偏保守”态度将黄河流域深层地下水的补给率取为10%,以此计算20多年来的超采总量:

  Q=1030×90%≈930亿立方米

三、土壤水亏损计算

  土壤水是指存于包气带孔隙中的吸湿水、薄膜水、悬着水、毛管水等。

包气带水分示意图

 

  在包气带里,“耕作带”的水分变化是最为活跃的;但以较长的周期观察,它的平均含水量又是基本不变的。耕作带的平均含水量取决于作物的水属性,通过大气降水、灌溉和排涝得到保持。

  “毛管水带”因下垫潜水浸润将一直保持恒定的含水量。

  土壤水分的损失主要是“过渡带”水分的损失。在过渡带形成之初或补足时,含水量相当于“田间持水量”。由于壤中空气与地表大气存在着微弱的交换,壤中水分会向地表缓慢蒸发;树木等深根系植被的吸取,同样导致过渡带含水量的下降。树木的根系长度和树高大体相当,根系体积10倍以上于树冠体积。

  过渡带补充水分的主要方式是耕作带的水分下渗,但只有耕作带含水量超过“田间持水量”才会下渗。以黄河流域最普遍的重壤土为例,以重壤土的田间持水量为24%,土壤容重为1.3计,假如在土壤含水量14%(田间含水量的60-65%)时进行灌溉,需水130mm才能渗透1米的土层,超过了100mm/日的大暴雨标准;130mm水深,相当于87m3/亩,也超出了50m3/亩的灌溉常量。

  黄河流域的年均降水量不足450mm,即使用灌溉补足全年作物需水量也只有980mm[07],这些水要分十几次补给耕作带,用于地表蒸发和作物腾发,下渗超过1米的机会不多。就算偶尔在局部地区发生超过250mm/日的特大暴雨,也因土壤的渗透能力不足,大部分只能形成地表径流泛滥、冲毁农田。

  因此,在缺乏地表稳定水体的情况下,过渡带是很难得到充分渗补的。

  中国水利水电科学研究院杨贵羽等人的研究表明:黄河流域土壤水分的亏损总量为1370亿m3[08]

  对于这1370亿立方米的土壤水亏损,本文虽不敢放言都是近20年造成的,但土壤水分可能亏损的只能是过渡带水分。在前面的计算中,80年代以前黄河流域平原的过渡带平均厚度为0米(潜水位3米),除了水位大埋深的黄土峁外,不存在土壤水的亏损问题;2005年过渡带增厚为14米(潜水位17米),这应是土壤水亏损的主要部分。

  本文保守地采取1000亿m3,作为近20年来黄河流域平原土壤过渡带水分损失。

附文一注释:

[01]“新乡市人大常委会”调研报告《关于我市统筹利用水资源情况的调查报告》,参见http://www.xxrd.gov.cn/ArticleShow.asp?ArticleID=1271

[02]《民勤盆地水资源可持续利用多方案研究》,中国农业科学院农业资源与农业区划研究所,姜文来、唐曲、陶陶、罗其友,参见http://www.jwater.cn/luenw/minqin.htm

[03]水利部黄河水利委员会《2005年黄河水资源公报》,参见http://www.yellowriver.gov.cn/other/hhgb/

[04]《黄河流域平原区地下水可开采量分析》,《人民黄河》2005年09期,黄委会水文局研究所潘启民等

[05]《黄河水资源情势分析》,水规总院水利规划与战略研究中心《中国水情分析研究报告》2000年第7期,中国水利水电科学研究院水资源所贺伟程教授,参见http://www.hwcc.com.cn/tech/static/zhongguoshuiqingfenxibaogao/200007.htm

[06]《海河流域中东部平原区深层地下水补给与释水机制探讨—兼谈深层地下水资源可利用性》,《水文》2002年22卷3期,国土资源部水文地质工程地质研究所张光辉等,参见http://www.cqvip.com/content/citation.dll?id=6396726&SUID=29A9FD2423E8801FC440CA6B0166F924

[07]《21世纪我国粮食安全保障与灌溉需水预测》,《中国水利》2004年1期,36-38页,廖永松(中国水利水电科学研究院水利所助理研究员)、黄季煜(*国科学院中国农业政策研究中心研究员),http://www.cqvip.com/qk/90820X/200401/9008776.html

[08]《土壤水资源评价原理及其在黄河流域的应用》,中国水利水电科学研究院,杨贵羽、王浩、贾仰文、秦大庸、王建华,参见http://www.iwhr.com/special/05jlh/thesis/w2.doc

  

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