城市发展模式变化对地下水补给的影响——以北京市大兴区为例
世界上最贵的轿车Vo1.16  No.01  March, 2021
第16卷 第1期  2021年3
月
城市发展模式变化对地下水补给的影响
——以北京市大兴区为例
崔一娇，杜 旋，孙赵爽，尚子琦，王树芳
（北京市水文地质工程地质大队（北京市地质环境监测总站），北京 100195）
摘 要：近年来，城市发展模式由资源消耗型转变为智慧生态型。人类活动对地下水环境不再仅带来“负效应”，更通过管网渗漏、人工补给、节水压采等途径逐渐突显出对地下水资源的“正效应”，因此，需要从“正负效应”综合分析城市化对地下水资源的影响。北京市大兴区具有城市发展模式转变的典型特征，以1996年、2006年、2016年为时间节点，分析该地区浅层水在城市发展过程中的时空变化特征。分析
表明大兴区城市化扩张明显，建设用地的面积占比由1996年的19.80%增长至2016年的53.61%，而水位变幅小于0.3 m 的区域面积从1996年的5.17 km 2增长至2016年507.99 km 2，与建设用地的范围高度重合。不透水面空间的连续性和集中性，更易阻碍雨季降水对地下水的补给，致使水位变幅减弱。随降水量的增加和再生水的推广利用，浅层水位得到控制并回升，局部范围甚至改变了原有的地下水流场状态。2006—2016年浅层地下水储量增加约0.72亿m 3，灌溉区和永定河沿岸的增加量占其中的83.33%。人工补给已经是除自然降水外不可忽视的地下水补给方式，并使人为活动产生的“正效应”在对地下水资源的影响中发挥主导作用。
关键词：城市发展模式；地下水补给；土地利用；再生水灌溉；地下水动态特征
Impact of urban development model changes on groundwater
recharge in Daxing District, Beijing —Taking Daxing as an example
CUI  Y ijiao, DU Xuan, SUN Zhaoshuang, SHANG Ziqi, WANG Shufang
(Beijing Institute of Hydrogeology and Engineering Geology (Beijing Institute of Geo-Environment Monitoring), Beijing 100195)Abstract: In the recent 20 years, the urban development model has changed from that of resources consumption to intelligent ecology. Human activities no longer only b
牛排几分熟ring “negative effects” to the groundwater environment, but also “positive effects” through pipeline systems leakage, artificial recharge, water saving measures, groundwater exploitation control and so on. Therefore, it is necessary to comprehensively analyze the impact of urbanization on groundwater resources balancing the “positive and negative effects”. Daxing District in Beijing has experienced the typical transformations of urban development models. This
基金项目：国家自然科学基金重点项目（41831283）；北京市科技计划课题（Z141100003614060）；国家地下水监测工程（发改投资[2014]1660号）
第一作者简介：崔一娇（1988-），女，硕士，工程师，主要从事信息水文地质工作。E-mail:*****************
引用格式：崔一娇，杜旋，孙赵爽，尚子琦，王树芳，2021. 城市发展模式变化对地下水补给的影响：以北京大兴区为例[J].城市地质,16(1):9-17
doi:10.3969/j.issn.1007-1903.2021.01.002
2021年3月  第16卷 第1期
paper analyzes the temporal and spatial variation characteristics of shallow water in the process of u
rban development in Daxing District, based on the data in 1996, 2006 and 2016. The analysis shows that the urbanization of Daxing District is obviously expanding, the area proportion of construction land increased from 19.80% in 1996 to 53.61% in 2016, while the area with water level variation of less than 0.3 m increased from 5.17 km2 in 1996 to 507.99 km2 in 2016, which is highly coincident with the scope of construction land. The continuity and concentration of the impervious space are more likely to hinder the recharge of groundwater by precipitation in the rainy season, resulting in the weakening of water level variation. With the increase of precipitation and the popularization of reclaimed water in more towns, the shallow water level is under-control and rises again and in some areas,  and changes even occur to the original state of groundwater flow fields. Shallow water storage increased about 72 million m3 from 2006 to 2016, in which 83.33% was contributed by the increase in irrigation zones and along the Yongding River. In addition to natural precipitation, the groundwater recharge through human activities is a way that cannot be ignored, and the “positive effect” produced by human activities plays a leading role in the impact on groundwater resources.
Keyword: urban development model; groundwater recharge; land use/land cover; reclaimed water irrigation; dynamic characteristics of groundwater
在缺水性城市，地下水资源对城市发展具有战略性意义，“极速城市化”和“空间蔓延式”的大扩张与资源
承载能力的矛盾也更为突出（陈明星，2015）。在城市发展的过程中，人类活动通过地下水开采、土地利用方式的改变、管网系统的渗漏、灌溉等多种途径，在地下水补径排方式上已经极大地改变了自然的水循环模式，造成区域地下水失衡（王浩等，2016；王超等，2018）。
有研究表明，土地利用及其变化能够高度敏感的影响水文过程，甚至在短期尺度上，比气候变化的作用更明显（张成凤等，2019）。城市的扩张过程中，增加的不透水面会对降雨入渗补给能力产生干扰（宋全香等，2014；Chithra et al.，2015；Jacobson et al.，2011；夏军等，2017a；夏军等，2017b）。朱琳等（2013）利用WetSpass模型估算出北京平原区1982—2007年城镇用地扩张了517 km2，而降水入渗补给量减少约3000万m3。王新娟等（2017）通过入渗系数估算北京平原区降水补给量，2000—2013年多年平均值比1961—1980 年多年平均值减少3.2亿m3。实际上人类活动对地下水资源量的影响并不只存在“负效应”。由于管网的自然损失以及主观的人为回补也会增加地下水的补给量，即城市化进程带来的“正效应”（黄婉彬等，2020）。但由于这些非自然补给在一些地区补给量较小同时又较难准确进行估算，所以在研究中往往被省略不计（于开宁等，2004；Hibbs et al.，2012）。于开宁（2001）在针对石家庄市的研究中发现，供排水系统的管（渠）道渗漏、绿地的过量灌溉、地下水回灌、再生水回灌等已经成为城市地下水补给的重要组成部分，在城市中心地区单位面积的地下水补给量甚至大于市区周边。
如今，城市地下水的开采逐步得到有效的控制管理，越来越多的城市重视自然生态的可持续发展，这
种城市发展模式的转变给地下水补给带来的“正效应”越来越不应被忽视。因此，考量城市化与地下水资源相互作用的影响亟需从人类活动“正负效应”的双向作用综合分析，才能更准确的评估和管理地下水资源。北京大兴区在研究城市化与地下水补给关系上具有典型示范性，本次研究以该地区为研究对象，对应大兴区的发展阶段和区域规划，以1996年、2006年、2016年为分析节点，分析大兴区浅层地下水的动态时空演变，以及城市发展模式变化过程中对地下水资源“正负效应”的影响作用。研究成果以期为首都的规划发展以及北方缺水城市的生态建设提供一定的参考，助力于处理好城市建设与水资源可持续发展之间的关系。
崔一娇等  城市发展模式变化对地下水补给的影响——以北京市大兴区为例
为浅层地下水，其补给来源主要依靠大气降水、地下水侧向径流、灌溉水回归和河渠入渗。多年平均降水量为518 mm（1996—2016年），主要集中在夏季。
1.2 土地利用类型的变化
大兴区因其地理位置的优势成为了北京城市空间结构战略转型的支撑地。北京的城市化现象表现为中心区旧城改造，近郊区通过农用耕地转化到建设用地来不断扩张城市空间 （刘芳，2010）。北部建设发展了黄村、亦庄两个新兴卫星城，成为高技术制造业和战略性新兴产业的聚集区，南部建有北京大兴国际机场，成为了京津冀的空间枢纽。在临近北京市中心的北部呈现完全城市化的趋势，农村地区
小城镇建设用地面积也大幅度增加。
1 研究区及数据概况
1.1 地理环境条件
北京大兴区位于北京南郊，总面积1030 km 2，是距离城市中心区最近的郊区。北临丰台区、朝阳区，东临通州区，西与房山区隔永定河相望，南与河北省接壤。该地区由永定河冲、洪积作用而成，地势平坦，自西北向东南缓倾。区内有6条主要河道，分别为永定河、凉水河、天堂河、大龙河、小龙河和新凤河。由西北向东南，地下水含水层由单一的潜水到多层的承压水，岩性由以砂卵石为主逐渐过渡为中砂、细砂，富水性由强到弱（图1）。垂向100 m 左右深度普遍分布一层30～40 m 的粉质黏土，100 m 以浅的第四系含水层基本连续。以此为界，100 m 以浅的潜水和微承压水可划
图1  研究区位置及富水性分区
Fig.1  Location and watery zones of the study area
2021年3月  第16卷 第1期
图2  大兴区多年土地利用类型面积变化
Fig.2  The area change of land use types in Daxing District
2009—2016年期间，建设用地面积由35809.79 hm 2
上涨到39743.85 hm 2，农用地面积由58635.74 hm 2缩减至54793.42 hm 2，未利用地面积基本持平（图2）。这证实了大兴区的城市化扩张主要是依靠减少农用地面积来实现的。
1.3 用水结构的调整
地下水是大兴区的主要供水来源之一，在北京城市化发展加速时期，水资源刚性需求的增加使该地区地下水一直处于超采状态，开发利用率一度可达146.7%（杨广庆等，2014），并导致地面沉降、地下水漏斗问题突出（周超凡等，2017）。面对水资源短缺的严峻形势，在“十一五”规划后，大兴区用水政策从一味的过度开采消耗转变为重视地下水的涵养恢复。通过高效节水措施，提高灌溉水利用系数，实现
用水定额管理，精确计量，有效控制了用水总量，并
（a）
（b）
五一过路费免费几天图3  大兴区用水量和再生水使用量
Fig.3  Water consumption and reclaimed water consumption in Daxing District
着力构建了“一廊、两线、三网、四带、五园”的水系格局（赵双，2015）。
其中，挖掘再生水利用潜能、代替地下水开采是大兴区重要的用水结构调整。2002年南红门灌区开始投入使用再生水，灌区地下水位下降速度明显缓解（张鹏卿等，2013）。2006年再生水灌溉经验在多个乡镇得到进一步推广（图3a），利用量得到大幅提高，从0.2亿m 3使用量增长维持在1.1亿m 3左右（王勇等，2012；温先高，2012），使地下水的开采量从3亿m 3缩减并稳定在了2亿m 3左右。地下水的减采有利于地下水的涵养恢复，而再生水的灌溉能够补给影响浅层地下水。2005—2014年大兴区的用水量统计结果显示，再生水已经成为大兴区主要的供水来源之一，主要用于环境，其余用于工业、农业和市政用水，在全区总用水量的占比达31%～33%（图
8023红包是什么意思啊3b）。
图4  三处典型点1992—2018年地下水位趋势
Fig.4  Trend of groundwater level in typical location during 1992-2018
1.4 数据资料
由于地表补给环境的变化直接作用于浅层地下水，故搜集了54组80 m 以浅的潜水或微承压水地下水监测井历史数据（大兴区内38组），范围覆盖大兴区及周边，用于分析区域地下水位变化（图1）。
在此基础上，结合地理位置、水文地质条件、城市发展特点选取了3处典型点进行深入的对比分析，3处典型点分别处于不同富水性分区内。海子角位于大兴北部，属于城区中心，建设用地集中，降水入渗受地表不透水面影响较多。青云店位于大兴东部，属于再生水灌溉重点地区。小店位于大兴南部，近些年受大兴机场建设和永定河治理影响，受城市化扩张影响最晚。时间节点对应大兴区发展，以10年为间隔便于对比城市建设的变化，选择1996年、2006年和2016年，年降水量分别为695.4 mm、447.1 mm、722.4 mm。1996年地下水开采现象仍十分严重，随后逐渐得到控制。2006
年
降水量偏少，但再生水灌溉量开始大幅提升，补给方式产生明显变化。2016年降水量与1996年相近，
便于对比。
2 结果与分析
2.1 地下水位变化趋势
图4为海子角、青云店、小店3处典型点1992—2018年的地下水位变化趋势，2006年是再生水大范围投入使用的时间，1999年后降水量出现由枯转丰的趋势。结合该情况，拟合了再生水使用前、再生水使用后以及降水枯丰转化期（2000—2018年）3个时间段的地下水位趋势线。
1999年后，北京进入连续枯水年，在此期间大兴区地下水开采量维持在3亿m 3～3.5亿m 3之间，2000年后降水量逐渐增加，2007年后降水量基本达到或超过多年平均水平。2006
传统文化
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崔一娇等  城市发展模式变化对地下水补给的影响——以北京市大兴区为例

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