崇明岛地下水资源的利用现状及保护措施

Tammo S. Steenhuis 桑文静

(1.康奈尔大学生物与环境学院，伊萨卡 14853；2.同济大学现代农业科学与工程研究院，上海 200092)

崇明岛地下水资源的利用现状及保护措施

Tammo S. Steenhuis1桑文静2

(1.康奈尔大学生物与环境学院，伊萨卡 14853；2.同济大学现代农业科学与工程研究院，上海 200092)

未来地下水资源短缺，特别是由于地面沉降、地表退化、海平面上升等引起的地下水位下降，将对沿海地区的地质环境及人类的生存发展产生极大的影响。通过对崇明地区地下水资源利用现状以及影响地下水位下降的影响因素分析，提出了改善传统的灌溉系统来减少地下水资源的使用、海岸沿线修建人工湖泊防止海水入侵、鼓励农民大面积种植水稻、制定管理措施严格控制地下水的开采总量、进一步加强崇明岛地面沉降动态监测与研究等相应的防范措施。强调控制地下水位的下降，以减轻淡水资源短缺所造成的危害，具有特殊而重要的意义。

地下水；海水入侵；灌溉

随着崇明地区经济发展，环境的地质问题（开采地下水引起的地面沉降）和地下水资源有效管理日显迫切，因此有必要对崇明地区的地下水系统/水资源特征和保护措施进行进一步研究[1]。保护崇明岛地下水水资源的方法措施很多，如保护水源地、改善供水管理模式、提高水资源利用率、中水回用（处理生物污水等）。

1．崇明地区地理地质基本概况

1.1 自然地理概况

崇明县，隶属上海市，位于长江入海口，全县地势平坦，由崇明、长兴、横沙三岛组成，总面积1411平方公里，其中崇明岛是世界上最大的河口冲积岛，也是继台湾岛、海南岛之后的中国第三大岛。崇明岛

素有“长江门户”、“东海瀛洲”之美誉，陆域总面积1267平方公里。崇明环江靠海，雨水充沛，年平均降雨量1025毫升。

1.2 地下水位现状

目前崇明岛地区的地下水主要开采层次为第二、三、四、五承压含水层，各含水层经几十年的开采和回灌，各自形成一套地下水流场。近几年上海市对开采量进行了合理调整，崇明岛各承压水层水位变化总趋势是最高水位在冬灌期末呈下降趋势，年最低水位在夏用期末呈回升迹象[2]。

2．地下水超采引发的环境地质问题

过量开采地下水会引起地下水位下降，土层的有效应力增大，致使土层受压，最终引起环境地质问题——地面沉降，这是目前崇明地区影响范围最广、时间最久、破坏力最强、损失最大的环境问题。

地面沉降是一种缓变型的城市地质灾害，具有累进性和不可逆性等特点，因沉降而损失的地面标高不可恢复，因而沉降影响将长期发生作用。崇明所处的地理位置，容易遭受台风、暴雨、天文大潮和长江流域洪水侵袭，再加上日渐明显的海平面上升，因而沉降灾害将长期威胁崇明的生存发展环境，直接影响崇明经济与社会的可持续发展。相关研究结果表明，至2020年，崇明累积沉降量少者5～10cm，多者20～25cm，因而地面沉降仍继续发展，由其引发的灾害现象如潮水上岸、暴雨、洪灾地面积水、桥下通航受阻、码头受淹等应引起足够重视。

经预测(以1998年采灌量为基准，预测至2020年) ，上海市区及近效区各含水层原漏斗水位第二含水层下降到-12m；第三含水层下降到-14m；第四含水层下降到-76m；第五含水层下降到-107m。第二至第四含水层，西部低水位排泄漏斗区持续下降并扩大影响至市区。因此受上海地区及临省开采地下水的共同影响，崇明各含水层水位漏斗均呈持续下降和扩大趋势。第二、三含水层下降较缓慢；第四、五含水层尤其是第五含水层水位下降较快[2]。

3．防范措施

目前采灌条件下存在许多问题，如采灌格局的不尽合理、地下水位的加速下降、可开采量的减少、地面沉降速度加大等不良现象。针对现存的这些问题，下面将提出一些相应防范措施。

3.1 传统灌溉系统的发展和改善

地下水位在崇明岛水资源管理中起着非常重要的作用，其中关键参数即地下水位海拔高度，这决定了水的流动方向和地下淡水资源的深度（高于咸水水面的部分）。研究发现，随着地下水位高度的增加，淡水的深度也在逐渐增加中。因此，崇明地下水资源管理的核心问题就是如何保持充足地下水位高度。PengfeiXue等人（2008）[3]对崇明岛沿海岸的水资源盐浓度进行了模拟研究（见图1），研究发现崇明岛北海岸沿线流域容易被海水侵蚀，盐浓度会越来越高，而南海岸沿线的水域盐浓度很低，趋近于0。因此我们需要考虑北部沿海的咸水对于岛内的淡水资源的影响。

在溶液浓度平衡条件下，咸水的比重要比淡水高很多，所以淡水会悬浮于咸水之上，形成一个平衡过程。图2反映了淡水深度在海平面之上以及海平面之下的淡水深度的关系[4]，这是淡水、盐

水的一个平衡显示。也就是说海平面之上的每一米淡水都意味着海平面之下有42m的淡水，地表上每减少1m的淡水就意味着海平面之下要减少42m的淡水，所以如果崇明岛上使用大量使用地表淡水资源，不仅会使地表淡水资源减少，也会导致大量地下淡水资源流失。

与中国北部平原地下水位迅速降低不同，崇明岛的地下水很浅，接近地表，全年雨水丰富。通过计算崇明岛的全年水平衡，我们发现崇明岛年平均降雨量约为115cm，而年平均蒸发量约85cm，降雨量高出蒸发量约30cm，可以说崇明岛是一个水资源非常丰富的地区。多余雨水一方面渗入土壤中；另一方面随着地表径流流入水渠运河中，因此改善灌溉系统也可以有效地减少地下水资源的流失。

3.2 防止海水侵蚀

海平面变化实质上是全球周期性气候变化导致的海水进退活动与地壳升降运动相互作用的结果，即海平面升级与陆地升降的综合反映，应属于自然界一种正常的地质现象。但近百年来，工业化产生的“温室气候”导致全球气温的显著升高，加上日益加剧的人类其他经济、工程活动，使海平面变化呈加速上升的趋势。沿海地区是自然灾害（海岸侵蚀、风暴潮、洪涝等）频繁发生和人为灾害（地面沉降、海水入侵等）不断活动的区域，海平面上升无疑会加剧灾害发生的频率和程度。同时沿海地区也是全球经济发展速度最快、人口密度最大的地区，即使海平面仅有数十厘米的微小变化，沿海地区脆弱的地质环境都会产生十分敏感的反映。而高速发展的经济使沿海地区的城市化进程和自然资源开发的速度加快，因此脆弱的沿海地环境对沿海区域的未来发展带来了严峻的挑战[5]。

崇明及其所在的长江三角洲地势低平，完全依靠标准不高的海岸防护工程保护；加之地面沉降等因素引起的相对海平面上升速率较大，使崇明地区成为受海平面上升影响最为严重的地区之一[5]。地面沉降控制的研究和实践中总结出压缩开采地下水、调整地下水开采层次、地下水人工回灌等一套行之有效的治理方案。

同时，海平面的上升和陆地的后退，如果在崇明岛上大量钻井抽取地下水也会引发海水侵蚀，最终污染地下淡水资源（图3）。如何有效地防止海水侵蚀？以荷兰为例，荷兰与崇明岛有非常相似的地貌特征。早在20世纪50年代的时候，在荷兰沿海岸大量抽取饮用水不仅降低了地下水位，而且还引发了海水入侵，甚至渗透到运河[6]。解决办法很简单：靠近崇明沿海区域修建湖泊，特别受海水入侵影响严重北部沿海区域，形成一个淡水屏障，保持海水深度。一方面海水可以先渗透进入湖泊，屏蔽海水；另一方面也能增加淡水储备量。这些人工修建的湖泊随着水位的升高，在屏蔽海水的同时不仅能形成非常美的景观，而且可以作为一个休闲度假区。灌溉水渠里的水也可以经过一些预处理来补给这些湖泊，根据不同地质形成的这些湖泊也可以大量补给地下水，经过渗滤的这些淡水也可以作为优质饮用水。

3.3 种植水稻

此外，在崇明岛大面积种植水稻也可以提高地下水位。当地村民不仅能在种植水稻的过程中致富，也可以帮他们构建一个美丽的乡村，而且农业生产收益也能让他保护自己的土地。这是一个比其他景观建设便宜多的方法，大多数其他的防范措施或多或少都会降低地下水位。

3.4 严格控制地下水的开采总量，合理使用有限而宝贵的地下水资源

由于地下水资源有限，必须加以进一步控制，以最小的沉降量获得最大的地下水开采量方面取得了巨大的成绩[7]。

（1）保证饮用所需地下水量的供给

考虑到崇明岛地表水无法直接饮用，而地下水是无污染的优质水，且多数为天然饮用矿泉水。因此，必须确保作为饮用所需的地下水开采量，实行优质引用，鼓励采用多种形式的分质供水，逐步改善饮用水质。

（2）逐步压缩非饮用性地下水资源的开发

据初步统计分析，目前开采的地下水量中，真正作为饮用生活水的所占比例不大（30%—40%）。因此，

凡自来水网到达地区的企业，其工业用水及一般生活用水应停用地下水，逐步实现压缩非饮用水的目标。

（3）制定合理的地下水价格政策

实行“优质优价”，利用经济杠杆的调节作用，使有限而宝贵的地下水资源既能发挥应有的作用又不至于加重地面沉降危害。

（4）进一步鼓励和确保地下水人工回灌

地下水人工回灌既能够补充地下水资源量，又可有效地维持或抬高地下水位，达到控制地面沉降的目的。

3.5 进一步加强地面沉降动态监测与研究，尽快出台《上海市地面沉降管理办法》

地面沉降监测，是控制地面沉降研究的基础，完善的地面沉降监测网络设施，可以为控制地面沉降研究提供丰富的、可靠的信息来源。地面沉降动态监测与研究为上海市地面沉降控制与地下水资源开发利用提供了科学依据，今后上海地面沉降动态监测与研究不仅不能放松，而且还应进一步加强。

上海市自20世纪60年代以来就陆续颁布了有关防治地面沉降的一系列法规，这些法规和规章都在不同时期、不同方面、不同程度地为防治地面沉降灾害和控制地面沉降量起到了重要作用。但是进入90年代以来，上海市地面沉降及相关问题变得更为复杂，地面沉降已不再是地下水开采的单因素所引起的问题，地面沉降量出现增大趋势，地面沉降已发展到远郊区及郊县，地下水回灌面临严峻的困难。长期下去，这一系列问题必然会影响到上海控制地面沉降的效果。因此，十分必要出台一部“上海市控制地面沉降”方面的法规，例如地下水采灌方案等，来规范控制崇明地面沉降管理与监测工作，确保崇明地面沉降的管理、控制和研究。

4．结论与探讨

对地下水开发利用过程中存在的问题，文中相应地提出了可行的调整措施及控制措施，如传统灌溉系统的发展和改善、修建淡水湖泊来防止海水侵蚀、鼓励当地农民大面积种植水稻、严格控制地下水的开采总量、进一步加强地面沉降动态监测与研究等。北方雨水少，农作物种植所需的灌溉用水主要来自于地下水，必然会导致地下水逐年减少，而在崇明岛上降水量比蒸发量大，多余的水可以通过渗透和水渠流入地下。另外还要注意的是地表上的淡水量决定了海平面以下的淡水量，崇明岛通过一些水利方面的设计也可以有效防范地下水资源衰减现象的发生，例如在岛中部要使用下水道的系统把淡水连接起来，未来还有许多行之有效的防范措施需要进一步探讨。

[1] 张卫, 覃小群, 易连兴等.上海地区地下水系统及地下水资源特征[J].中国岩溶，1999，（04）:59-67.

[2] 俞俊英, 李勤奋, 乔坚强.上海市地下水超采现状及防范措施[J].地下水，2000，（04）:143-146.

[3] Xue P, Chen C, Ding P, Beardsley RC et al.Saltwater intrusion into the Changjiang River: A model-guided mechanism study[J].Journal of Geophysical Research-Oceans，2009，114.

[4] www.groundwatergovernance.org/fileadmin/user_upload/ groundwater.

[5] 魏子昕, 龚士良.上海地区未来海平面上升及产生的可能影响[J].上海地质,1998，（01）:14-20.

[6] Dost BaHWH, 2006. Seismicity. In: Wong, Th.E., D.A.J. Batjes，J. de Jager (eds) .Geology of The Netherlands.

[7] 俞俊英, 李勤奋, 严学新等.上海市地下水开发利用现状及控制措施探讨[J].上海地质,2001，（01）:22-26.

Utilization status and prevention measures of groundwater resources in Chongming Island

Tammo S. Steenhuis1Wenjing Sang2
（1.Department of Biological and Environmental Engineering, Cornell University, Ithaca, New York 14853, United States；2.Institute of Modern Agricultural Science and Engineering, Tongji University, Shanghai 200092, China）

Future groundwater resources shortage, especially the underground water level decreasingcaused by land subsidence, surface degradation and sea levels rising, will have a great impact on coastal environment and human survival and development. Based on the analysis of the current groundwater resources in Chongming area and the influenced factors of groundwater level decline, the corresponding prevention measures were put forward, such as improve traditional irrigation system,construct lakes close to the coastto avoid seawater instrusion, growing rice, strict control of groundwater exploitation amount, strengthen the dynamic monitoring of land subsidence and the corresponding prevention measures. So how to control the decline in groundwater level and alleviate the impact of water resourceshortagehas a special and important signifcance.

groundwater；seawater intrusion；irrigation

X523

A

1674-6252（2014）06-0015-04

国家自然科学基金，土壤中生物炭的运动迁移机理及其模型研究，编号28702340005.

Tammo S. Steenhuis (1945－)，男，美国康奈尔大学生物与环境学院教授，博导，主要研究方向：流域水力学模型研究；桑文静（1984－），女，安徽合肥人，博士，主要研究方向：土壤修复.