北京平原区浅层地下水演化的生态环境效应评价指标初探

徐庆勇 林健

摘 要：基于目前北京市平原区浅层地下水的生态环境效应及引起效应的浅层地下水状态和性质，遵循指标选取的原则，从成因和结果两方面构建了由7项指标组成的评价指标体系，其中成因指标分别是地下水位、地下水化学类型和地下水可采资源量3项;结果表现指标分别是地面沉降、湿地萎缩、泉眼干涸和水质超标4项。指标体系的构建为未来该地区地下水生态环境效应定量评价提供基础，并有利于促进该地区地下水资源的合理开发利用，维持城市生态系统的平衡、稳定，满足生态文明建设的要求。

关键词：浅层地下水;生态环境效应;评价指标体系

Abstract： Based on the eco-environmental effect， and state and nature of shallow groundwater causing eco-environmental effect in Beijing， according to the principle of index selection， this paper establishes the evaluation index system made up of seven indicators from two aspects of the causes and results. Indicators of causes are respectively the groundwater level， groundwater chemical types and quantity of groundwater recoverable resources; Indexes of results are land subsidence， wetland shrinkage， spring hole drying and water quality exceeding the standard. The evaluation index system provides a basis for the quantitative evaluation of the groundwater eco-environmental effect in this region in the future， and is conducive to promote the rational development and utilization of groundwater resources， to maintain the balance and stability of urban ecosystem， to meet the requirements of ecological civilization construction.

Keywords： shallow groundwater; eco-environmental effect; evaluation index system

当今我国社会正处于从工业文明过渡到生态文明的新阶段，水资源保障、水环境治理、水生态修复和保护等均是生态文明建设的重要内容。地下水作为一种宝贵的自然资源，不仅具有重大的社会功能和经济价值，而且具有突出的环境属性和重要的生态价值。人类对地下水不合理的开发利用会产生一系列生态环境效应，地面沉降（罗勇等，2020）、植被退化（郭占荣等，2005）、土壤盐渍化（宋长春等，2000）等均与地下水有关。地下水是生态环境变化的最重要控制因素之一（崔亚莉等，2001），其对生态环境的控制作用是生态水文地质学的重要研究内容。国内外许多学者对地下水的生态环境效应进行过研究，中国研究人员程凌鹏等（2018）和宋长春等（2000）、美国学者Horton等（2001）和澳大利亚学者Ali等人（2000）分别从地下水位与地面沉降、土壤盐渍化、植物生长等方面进行了研究，获得了许多有益的成果。然而，迄今为止，对地下水生态环境效应的研究，涉及到的生态系统类型主要有草原、农田等;研究内容多为地下水与各种具体生态环境问题之间的关系，侧重点多为地下水位，研究区域多为降水量少的、水作为限制性生态因子的干旱半干旱地区。而对于半干旱半湿润地区中的城市生态系统，对能够全面反映地下水对生态环境综合影响的地下水生态环境效应评价指标体系的研究，目前较少。

北京是我国首都，位于两个主要的地下水环境问题典型区之一（李平，2006）的华北平原的北端，属半干旱半湿润区，面积16410 km2，其中平原区面积6528 km2，占39.8%，工业、建筑、人口集中分布于此，是典型的城市生态系统。由于地表水资源的缺乏，北京地下水在保障经济社会发展、保证居民生活用水方面发挥着重要作用，目前地下水约占全市供水量的一半。然而，当前北京面临“河水断流、地下水超采、地面沉降”等生态系统退化问题，这些均是地下水對生态环境造成的不利影响。这里的浅层地下水生态环境效应即指北京平原区潜水及埋深小于50 m左右的浅层地下水状态或其物理、化学性质的改变对生态环境造成的不利影响，这种不利影响会使得具有先天脆弱性的城市生态系统更加脆弱。科学构建北京平原区浅层地下水生态环境效应评价指标体系，能够为未来该地区地下水生态环境效应定量评价提供基础，促进该地区地下水资源的合理开发利用，维持城市生态系统的平衡、稳定，满足生态文明建设的要求。

1 研究区概况

北京市平原区由两部分组成，一部分位于延庆区腹地，另一部分由除延庆区以外的其他15个区（县）的平原地区组成。多年来，北京地下水开采以第四系孔隙水为主，第四系含水层百米以内富水性较好，多为松散的砂卵砾石层，百米以下富水性一般较差，含水层为砂砾石及砂层，有些地区为砾石夹黏性土，有的呈半胶结状态，砾石有风化现象，结构也较密实，透水性差。平原区地下水补给方式主要是大气降水入渗，其次是山区侧向补给、地表河渠渗漏及农田灌溉水的回渗补给等。排泄主要以人工开采为主，其次是地下水侧向径流。

南水进京前，地下水占北京市总供水量的2/3，有效保障了北京经济社会的发展，支撑北京渡过多次供水危机，但同时由于地下水过量开采，引起了一系列环境地质问题，如地下水位下降、水质恶化、地面沉降、河道断流等。2014年年底，南水进京，截至2019年9月上旬，北京累计接收南水北调工程丹江口水库来水约50亿m3（贺勇，2019），有效缓解了北京水资源紧张局面，提高了城市供水保障率，增加了水资源战略储备，由超采引起的地质环境问题亦有所改善。

2 生态环境效应评价指标体系的构建

2.1 构建原则

（1）主导性和独立性原则

影响地下水生态环境效应的因素很多，而只有主导性因素才对生态环境效应的发生、发展起到关键性和控制性作用，因而在评价中对主导性因素的辨别和甄选至关重要。同时，各指标应内涵清晰、相对独立，避免指标间相互重叠，每一指标都应能代表引发生态环境效应的某种因素或效应的某种表现。

（2）系统性原则

地下水和生态环境均是复杂的系统，构建地下水生态环境效应评价指标体系应遵循系统相关性、层次性、整体性和综合性等原则。各指标间虽具有独立性，但亦不应是简单罗列，而应是有机组合的指标系统。

（3）敏感性和预警性原则

敏感性主要指所选取的指标对由与地下水有关的因素可能引发的生态环境问题能迅速做出反应。对于复杂的生态环境和地下水系统而言，所选的指标应具备一定的预警能力，以便采取科学的地下水开发利用措施，保护生态环境。

（4）可获取性和可操作性原则

所选指标应易得易测。有些指标主导性、独立性、敏感性和预警性可能都很强，但在现有的技术条件下无法获得，或者即使可以获得但不便于统计和计算，这样的指标均不能选取。

2.2 评价指标体系的构建

基于北京市平原区已由浅层地下水引发的生态环境效应及引发效应的地下水的状态和性质，遵循指标体系构建的原则，以避免生态环境效应发生、保护生态环境为目标，从成因和结果表现两方面来构建指标体系。

2.2.1 成因指标

（1）地下水位

地下水位是引发生态环境效应最重要、最关键、最核心的指标，它从多个方面影响生态环境效应的发生、发展状态及程度。对于北京市平原区，地下水位主要影响地面沉降是否发生及其发展状态和发展程度。

1970年以前，北京市平原区地下水位处于相对稳定状态，浅层地下水埋深一般不超过5 m，70年代以后由于超量开采地下水，南水进京前，地下水位总体上持续下降（北京市水文地质工程地质大队，2019a）。截至2014年底，地下水平均埋深达25.66 m，当年底南水进京后，自2016年开始，地下水位止降回升，3年累计回升2.72 m，截至2019年7月末，全市平原区地下水埋深平均为23.44 m，与上年同期相比，地下水位回升1.08 m（贺勇，2019）。

北京市平原区地面沉降与地下水位具有高度相关性（姜媛等，2015）。从北京地面沉降发展的4个阶段与地下水位变化之间的关系看，北京市地面沉降的发展阶段与地下水位变化的阶段较为一致（杨艳等，2012），地面沉降量、沉降速率对地下水位下降量、下降速率做出了积极响应。同时，地下水超采、地下水位下降是北京地区泉水衰减的重要原因之一（王小娜等，2010）。故地下水位指标是生态环境效应的重要成因指标，该指标在一定水位区间（即生态水位）才会对生态环境产生有利影响，低于区间下限或高于区间上限，均对生态环境产生不利影响。以北京平原区各浅层监测井地下水位监测数据通过插值获得的地下水位分布作为具体表征指标。

（2）水化学类型

水化学类型是以水体中的优势盐类定名和分类的一个与水化学组成相联系的水化学概念，地下水的化学组成是地下水与环境及人类活动长期相互作用的产物。随着工农业的发展和城市化的进程，人类活动对地下水化学组成的影响已不可忽视。

北京平原区浅层地下水以HCO3-Ca·Mg型水为主，局部地区分布有HCO3-Ca·Na、HCO3-Ca·Na·Mg、HCO3-Mg·Na·Ca和HCO3·SO4-Na·Mg型水，特别是城近郊区分布有较大面积的HCO3·Cl-Ca·Mg型水，表明浅层地下水已受到人类活动的影响。按照舒卡列夫水化学分类法，将北京平原区各浅层监测井地下水质监测数据通过计算进行分类、插值，以获得的水化学类型分布作为具体表征指标。

（3）地下水资源可采量

地下水资源可采量是指在一定技术、经济条件下，开采过程中不发生水质恶化或其他不良地质现象，不会对生态环境造成不利影响，可以持续开采利用的地下水量。可采资源量表征了地下水资源的丰富程度。

在不同的社会发展阶段，北京平原區地下水可采资源量不尽相同。1961—1980年地下水可采资源量为24.55×108 m3，1980—2000年为22.22×108 m3，1991—2014年为20.97×108 m3（北京市水文地质工程地质大队，2017），由此可见，地下水可采资源量呈逐期减少的状态，即地下水资源的丰富程度逐期降低。由于地下水和地表水之间存在着密切的水力联系和频繁的转化关系，地表水可能直接向地下水排泄同时又接受地下水补给，尤其在河流低水位时期，大多数河流流量来自地下水（杨泽元等，2006）。因而，地下水资源的丰富程度会影响到地表河流流量，而据1991年北京市地质研究所调查，由于河流干涸造成部分土地沙化严重（北京市地方志编纂委员会，2001）。

同时，地下水资源的丰富程度是湿地发育的重要条件之一，地下水对湿地具有补给旱季水量和顶托补给的作用。北京市湿地面积与地下水资源量变化趋势非常一致，湿地最大/最小面积与地下水资源量最高/最低点相重合，二者具有很强的正相关关系，且相关系数达 0.90（柳敏等，2011）。

因此，地下水量的减少可影响地表水资源，产生泉及河流流量衰减、湖泊萎缩、湿地退化、土地沙化等生态环境问题。该指标生态环境效应突出，故为又一重要成因指标。

2.2.2 结果表现指标

（1）地面沉降

北京是我国地面沉降发育较为严重的地区之一。自20世纪50年代初发现至今， 经历了形成、发展、扩展及快速发展4个阶段，目前仍处于快速发展阶段（罗勇等，2014;田芳等，2017）。地面沉降是地下水位大幅下降产生的最重要的生态环境效应，有关研究人员（叶超等，2019）将北京市平原区（不含延庆区）地面沉降发育程度分为强、中等和弱3个等级，其中强区和中等区面积占平原区面积的一半以上。以地面沉降发育程度作为具体表征指标。

（2）湿地萎缩

按照《湿地公约》（2001）中对湿地类型的划分标准，北京仅分布着“河流湿地”和“库塘湿地”2个类型。20世纪 60 年代，全市有湿地 1200 km2，1993年、2003年和2013年湿地面积分别约为519 km2、408 km2和394 km2（张树苗等，2018）。近些年，由于北京市加大了湿地保护修复力度，至2019年湿地面积有所增加，达514 km2（魏梦佳，2019）。但在之前约半个世纪的时期内，湿地面积均呈持续下降状态，且与60 年代北京市城市化的初期相比，湿地面积不及当时的1/2。湿地萎缩是地下水资源可采资源量变少产生重要的生态环境效应，以湿地萎缩率作为具体表征指标。

（3）泉眼干涸

北京市在历史上曾以泉多著称，且泉水甘洌，水质较好。而近年调查发现，由于区域地下水位的下降使得大量泉消失（孙静，2007）。2019年北京市在流泉共有855处，主要分布在山区，山前地带仅有少量分布，且流量甚微，大大低于历史流量，平原区泉基本消失殆尽。目前北京泉水利用类型主要以景观为主，一些流经村域的泉水通常辅建以亭台楼阁，山区人居环境得到改善。除众多已有的泉水风景名胜、历史古迹外，这些年来，依托泉水资源打造的旅游景区也不在少数，如房山区百瑞谷景区的百花泉等（北京市水文地质工程地质大队，2019b）。由此可知，平原区泉眼的干涸势必影响平原区生态环境质量，产生生态环境问题。目前泉眼干涸是地下水位下降产生的重要的生态环境效应之一，以泉眼干涸率作为具体表征指标。

（4）水质超标

“山水林田湖草是生命共同体”，水质较差的地下水必然对山水林田湖草等其它环境要素产生不利影响。可使土壤质量变差，肥力下降，农作物减产;使地表水受到污染，造成植被生长不良、动物和微生物呈现病态，甚至死亡，最终导致生物多样性下降，环境恶化。特别是在城市生态系统中，人是生命成分的主体，北京市很多村镇以地下水为饮用水源，水质超标势必对人的生命健康构成威胁。

按照GB/T 14848-2017《地下水质量标准》中的“综合质量评价方法”及“地下水质量分类”，将北京市平原区地下水质分为I—V 5类，并将Ⅲ类水作为判定地下水是否超标的标准。根据北京市水文地质工程地质大队多年的监测结果，平原区浅层地下水水质超标面积占监测面积的一半多，超标指标主要为总硬度、溶解性总固体、硝酸盐氮和氨氮。水质超标是地下水质恶化的重要表现，以水质超标率作为具体表征指标。

3 讨论

评价指标具有空间差异性和时间动态变化性，不同地区、不同生态系统类型及同一地区社会发展的不同阶段，生态环境效应评价的指标体系不尽相同。

目前有些指标在其他地区可能是主要指标，但在北京市平原区这一城市生态系统中，却不是主要的或基本不存在的，亦或主要不是由地下水状态和性质的变化引起的，如土地沙化和土壤盐渍化（故不选取）。同时，指标体系也会根据地下水资源环境保护和管理科学举措的实施而发生变化。在南水北调一期工程全面通水前，水利部于2005年即启动了受水区地下水压采方案的编制工作，规划了近期和远期压采替代水量。北京市受水区面积6400 km2，受水区域包括城六区及郊区平原区，根据南水来水量及当前地下水资源量、水源地分布、水质污染等状况，规划了地下水回补区和压采区，水资源条件和配置格局均发生了变化，地下水生态环境效应亦会随之发生变化。如在当前，地面沉降是研究区主要的生态环境效应，但在将来可能变为次要的或已经消失，不再被选取作为评价指标。

随着社会、经济和科技的发展，特别是生态文明建设的推进而带来的地下水状态和性质的改变以及生态环境效应的变化指标体系随之调整。可以预见，随着生态文明建设的进程，地下水的生态环境效应目前所表现出来的不利影响未来可能转变为有利影响。

4 结论

浅层地下水与表生生态环境的关系较为密切，对其影响较为强烈。由于过去北京市平原区地下水的超量开采及保护意识的淡薄，目前存在着多种由浅层地下水引发的生态环境效应，基于这些效应及引起效应的浅层地下水状态和性质，遵循指标选取的原则，以避免生态环境效应发生、保护生态环境为目标，从成因和结果表现两方面构建了由7项指标组成的评价指标体系。其中成因指标3项，分别是地下水位、地下水化学类型和地下水资源可采量;结果表现指标4项，分别是地面沉降、湿地萎缩、泉眼干涸和水质超标。

但由于评价指标具有空间差异性和时间动态变化性，需根据不同地区、不同生态系统类型及同一地区、同一生态系统类型在社会发展的不同阶段生态环境效应的具体表现及浅层地下水状态和性质的实际情况，来构建适宜的评价指标体系。为未来该地区地下水生态环境效应定量评价提供基础，促进地下水资源的合理开发利用，维持城市生态系统的平衡和稳定。

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