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旁观者2018
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[转帖]超采问题大到甚至可以从卫星上监测到
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旁观者2018 于 2018/5/16 19:42:37 发布在 凯迪社区 > 猫眼看人
    华北平原地下水超采问题大到甚至可以从卫星上监测到     金士博

    食物主权按:华北平原水资源极度短缺。但是在中国农业布局中,华北平原承担粮食安全的重任!而水资源丰富的东南地区却放开工业化,成为粮食主销区。代价是,华北平原地下水的长期超采已经引起的地面沉降,使得华北平原成为全世界面积最大的地下复合漏斗区,使未来的粮食生产难以为继。

    编辑|水滴  候雷

    作者|金士博(Wolfgang Kinzelbach),地下水专家,瑞士苏黎世联邦理工学院教授。自2014年起,主持并领导中瑞合作项目“应对气候变化地下水含水层超采治理与管理战略”。致力于水流与溶质运移过程的基础研究及在水资源管理、污染控制修复与核废料隔离方面的应用研究。

    大家好,我是金士博,我研究的领域是地下水。我最近20年在瑞士苏黎世联邦理工学院工作,大部分工作内容就是地下水。

    假如一个国家或者地区每年的人均(可再生)水资源量少于1700立方米,我们就说这个地区的水资源紧张。假如少于1000立方米,我们说这个地区水资源短缺。

    我们怎么会需要那么多水呢?就算我们每天喝2到3升的水,一年也才一个立方米,加上家用的洗澡、洗碗的水,每人每天按160升算,一年也才60个立方米。如果我们再把所有工业用水分到每个人的头上,每人100立方米,加起来也就161立方米,那么1700立方米的标准是哪来的?

    

    我跟学生解释这件事情的时候,我就给他们看这个照片。这是南非的一个酒庄的车,它上面写着:节约用水,多喝葡萄酒。学生跟你们一样就笑了,没意识到这句话完全错了。因为仅生产一升的葡萄酒,就需要900升的水来养葡萄。

    

    那么我们可以理解了,在每人每年的1700立方米的水里面,大部分是为了生产我们的食物而消耗的水。比如生产1公斤的小麦需要1到2个立方米的水去养它,所以可以说粮食就是浓缩的水。

    假如我们用粮食去喂养牲畜,那就是第二次浓缩水。一公斤的牛肉在生产过程中大概会消耗10到15立方米的水,总共加起来,我们每年吃的食物里面耗费的水就有1200到1500立方米,这就是为什么会消耗1700立方米那么多的水。

    

    再回到开始的问题,中国缺水吗?在2016年,中国每人每年的水资源量是2355立方米,正好是一个奥林匹克标准的游泳池的容量。我们瑞士比你们多,我们每人每年有接近5000立方米的水资源量。但是,像非洲的尼日尔每人每年只有不到200立方米,很可怜。

    

    所以中国的水资源量虽然低于世界平均值,但它还是高于1700立方米水紧张的红线,而且远高于1000立方米短缺的线。那中国到底缺水吗?

    这个其实有点像年轻人开玩笑说的,我们的收入被平均了,其实那2000多立方米的数字是全国一年的平均值。假如我们某个地区春天有旱灾夏天有水灾,那这个平均值看起来还是很舒服。

    所以不能平均,而且在空间内也不能平均。中国每人每年平均有2355立方米的水资源,贵州就比平均数高多了,我们再看华北平原,它每人每年的水资源少于300立方米,算是极度短缺水。

    

    但问题是,尽管如此短缺水,华北平原还是中国的大粮仓,生产超过中国1/4的粮食,用这么少的水怎么可能呢?答案可能就是,我们在不可持续地利用水资源。这样我们能暂时缓解缺水问题,但是不能长期继续下去。

    很多国家都出现了不可持续地用水的问题,两个问题比较突出,一个是超采地下水,另一个是挪用生态环境需要的水。

    我先普及一下地下水的概念,含水层分为饱和层和非饱和层,在饱和层,水能填满所有的沙子中的空隙,在非饱和层还有空隙在里面。饱和层和非饱和层的分界就是地下水位。

    

    地下水可以通过降雨或者河流补给,然后随着重力的作用流到低处。假如我们在一个地区长时间抽出来的水量大于补给的水量,那就是超采,超采的表现就是地下水位在下降。

    在全球都出现了超采的问题,特别是在干旱地区。每年抽出来的1万亿立方米的水里面,1/4是超采。最早出现超采情况的是在美国的奥加拉拉。在西班牙、南非等地方,多多少少都有一些超采的情况。

    两个最突出的典型案例,一个是印度的干河谷,另外一个就是华北平原。

    

    我1979年第一次来中国工作的时候,因为地下水位很高,离地面很近,华北平原就有土地内涝和盐碱化的问题。(注:水位离地面近到一定距离会引起毛细上升作用,使水位上升到地面上被蒸发,盐分就残留在土壤里。长期下去盐分容易堆积,造成盐碱化。)

    80年代中国有超过10亿的人口,粮食紧张。农民最开始用地表水灌溉,后来因为生产需求大,地表水不够就开始抽地下水。由此开始,地下水就以每年0.5到1米的速度在下降。图中可以看到,水位线从1964年到1993年一直在下降。

    

    现在超采的量甚至大到可以从卫星上监测到它。GRACE是观测地球重力场变化的卫星。这个图就是从GRACE卫星得到的。它告诉我们,在2002年到2012年之间,哪里的重力发生了变化。重力变少了就是蓝色的,表示质量变少了。

    

    我们可以理解喜马拉雅山出现的蓝色,是因为冰川的退化,质量减少了。但在华北平原没有冰川,所以在华北平原出现的蓝色就是因为地下水的存储量减少了,而且可以由此推算出来这几年每年的净抽水量大概是83亿立方米。

    超采带来的短期好处会给人一种粮食保障的错觉。假如我们什么都不做,那地下水位就会一直下降。这就是粮食泡沫,这个泡沫早晚会破裂。在华北平原至少 15% 的小麦生产依靠的是不可持续的超采地下水。

    地下水位下降有两个问题。一个是抽水的成本会越来越高,因为从水位很低的地方抽水上来需要更多的电能,另一个是井的抽水量会越来越少。很容易理解,如果地下水比井底还深的话,那什么水都抽不上来,最后农民只好不抽水或者少抽地下水,靠天吃饭,就难以维持现在的粮食产量。

    但在缺粮之前,超采就会出现很多比较严重的后果,包括湿地变干,河流枯竭,地面沉降,还有海水入侵,这些问题会导致地下水的水质持续恶化。这些现象在河北省就已经非常普遍了,甚至有的地方地面沉降有两米多。

    

    也许你们会想,这跟我有什么关系呢?这对基础设施很不好,它会破坏水管,而且地面下沉后车轨会偏离原先的设计,动车车轨歪了,动车就会从车轨跳出来。(注:所以国内很多铁路线附近都会专门设置水位监测站,提前预警地面沉降的风险。)

    上面图中这种裂缝在河北有1000多个,其中400个长度超过1公里,就是那个地沉下去了。

    对于超采引起的海水入侵,有的地方海水已经侵入陆地50公里,那么这50公里以内的井就都报废了,变成咸水,无法用于灌溉或饮用。所以我们必须采取措施停止超采,而且越快越好。

    为什么我们应该保持现在或者过去的水位呢?还有另外一个主要的原因。就像有时候我们生大病去医院需要花很多钱,那个时候假如我们的存款很多的话就没什么问题。

    地下水也是一样,就是一种存款。干旱的时候,就可以用地下水灌溉,而且地下水是比地表水库容量还大的一个地下水库。所以我们要好好地管理它,它可以帮我们的忙,去应对气候变化带来的风险。

    怎么管理它呢?在丰水年和平水年我们应该少抽地下水,然后枯水年就可以抽多一些。当然如果要管理好,还需要制定一些法律,也需要每一个使用者的合作。

    我想讲一下我最近四年在中国参加的两个地下水项目,这两个地下水项目由瑞士的发展与合作署资助,然后与中国水利部和中国科学院合作。这两个项目,一个位于甘肃的黑河中游张掖地区,另外一个是在河北省邯郸的馆陶县。

    黑河中游是一个半沙漠地区,虽然如此,经过河水的灌溉,它变成一个绿洲,农业生产非常丰富。但是它用的灌溉水越来越多,到后来几乎没有剩下什么水给下游。

    在2000年,为了保证东居延海有水、保护胡杨林生态系统,国务院规定要把中游一半的水传送到下游。农民可用的地表水少了,于是很自然地就钻井取地下水补上缺乏的灌溉用水。有两个灌区超采,其中一个是骆驼城,他们的超采能从两个地下水位的漏斗看出来。

    

    控制地表水很容易,只要一个人开关水闸就可以了。但是地下水不一样,那些机井成千上万,怎么去控制是一个很大的挑战。你们可能会想,我们跟在家里一样安装一个水表,然后按照用量计算水费不就行了。但事实不是那么简单。

    我跟中国的水表有接触最早是在80年代。我们在沂蒙山工作,去给那些贫困县提供自来水。那个时候因为要维持系统的工作,就要求老乡们必须付一点水费,否则就不能修理水泵之类的。

    要按照用量收水费,就需要一个水表。那个时候的水表摩擦力很大,必须把水龙头开得大一些它才开始转。农民们就想出来一个办法,他们晚上放一个大水盆在水龙头下面,然后把水龙头打开到水表刚好不转的位置,用这种方法来偷水。

    我们发现后,就安排一个人晚上在村里监督,去听哪里有水在流,就罚哪些人。没想到农民们就在水龙头上系一个毛巾,这样水流下去就没有声音了。他们有各种各样的方法破坏水表,停水的时候有个人还用打气筒往里打气,让水表向后转。我们怎么发现的呢,因为每次读表他的用水量都是负的,过头了。

    所以如果真的要去保护那个水表,似乎应该在每一个农民后面放一个警察盯着他。但是几十年后,现在通过高科技,我们是有办法去代替警察的。

    用什么代替?就是用这种智能水表。馆陶县的水务局在每一个井上安装了一个智能表。那些农民在开始灌溉之前按照他的水权去水务局买水,然后得到一个IC卡,他就用刷卡的方式去操作井。每次抽水的量都会从卡上扣出来,卡上没水就必须停止,不能继续再抽水。

    他们还通过制定水费这样的经济措施,使农民重视节水。但这很不容易,因为那些农民不要付水费,他们反抗,示威游行,然后破坏一些智能表。水务所的干部就一直跟他们讨论,去说服他们,跟他们解释情况。他们还同意把表调得慢一点,也介绍了一些法律的惩罚措施。

    

    最后农民接受了,他们也知道不能这样子继续下去。现在那个系统正在工作,而且已经能看出初步的效果,水位下降的速度变小了,由每年下降0.4米变为0.2米。

    我们问了一些农民,你们现在用水有没有什么变化。他说以前我是两个礼拜浇一次地,现在是三个礼拜浇一次地,因为我看着那个钱从我那个IC卡里流出去。很多农民现在还去申请了补贴搞节水灌溉,他们节水灌溉的最好方法就是膜下滴灌,现在很多人去申请了。

    这样基本上可以解决黑河中游超采的问题,那为什么我们不直接把这个方法拿过来在华北平原推广呢?不行。有两个原因。在黑河还是有水量大的河流,有地表水。假如我们把地表水分配安排得好,多一点地表水给骆驼城,0.2米每年就能变成0米每年,最后就不再下降。

    所以优化地下水和地表水的安排,完全可以解决黑河中游的问题,但在华北平原不行,因为华北平原地表水少到根本补不上超采的量。另外一个原因是,黑河的那些井抽水量很大,每一个井灌溉的面积很大,所以收上来的水费足够维持系统正常的运行。

    在华北平原,一个人才一亩三分地,井很小,面积小,买智能表就不合算。当然在华北平原还是有一些很好的井,适合安装智能表,但是大部分井就是这种乱七八糟的小东西,没有办法安装智能表。

    

    但是不管一个井多么简单,它抽水还是需要用电,所以都有一个电表。如果我们知道一度电相当于抽了多少立方米的水,其实你就可以用电表来监测用水量。

    因此我们跟河北工程大学,还有馆陶县的美丽乡村大学合作,跟他们的学生一起做了很多次抽水试验,确定电量和水量之间的关系。以后还会更简单,现在电力公司在每一个井安装一个电表,电表数据是自动传输到总部的,他们不出门就可以看到每个井用了多少电,然后乘上那些学生确定的水电转换系数就知道抽了多少水。

    

    而且我们以后电费和水费可以一起来收,就不需要建立第二个收水费的系统,就比较省钱。但是这样做是不是就足够解决超采问题呢?要回答这个问题,我们就要分析一下华北平原缺水的根本原因到底是什么。

    在华北平原,降雨量足够种一季的粮食。像种夏天的玉米是足够的,几乎不需要灌溉。但是因为80年代人口增加,生产粮食的压力很大,政府就让农民种两季粮食,一个是夏天的玉米,一个就是冬小麦。

    而冬天春天降雨量很少,冬小麦就是那个时候长的,这样降雨量不够又没有多少地表水,所以就必须把水从地底下抽出来。

    收水费是不是足够呢?那些农民现在抽水已经是要花电费了,所以他一般不是故意地浪费水,他还是尽可能地少用水灌溉。涨水费是不是有潜力再多节约一些水呢?我怀疑这个潜力不大。

    想象一下,如果农民的农作物要死了,他肯定是不管水费多高,都要继续去浇水的。要根本解决超采问题,我觉得要找别的方法。我们收水费是为了控制种植面积,提高节水意识,而不是要把那些已经很穷苦的农民弄得更穷。

    再看一下华北平原的情况,河北、河南、山东三个省,它们生产中国56%的小麦和25%的玉米,但水资源量跟这个比就少得可怜,仅占国家的2.36%,你们看那个差别多大。

    

    我到乡村很喜欢跟那些农民聊天,每次可以从他们身上学到一点东西。那些农民基本上都是老头子,他们很辛苦,一年从一亩地,光种小麦得到的收入是一百块钱,非常少。就是因为这样,我们可以吃那么便宜的饭,我们还是占那些农民的便宜。

    我问他们,你们怎么为了这么一点钱那么辛苦呢?他们说我们祖祖辈辈都是种地,我没有学其他的本事,必须种地,他们是这样想的。但是他们退休了,他们的孩子都不要在田里工作,都选择到城里打工,谁会给你们饭吃呢?

    

    我在馆陶县碰到的唯一的年轻的农民就是这位先生的儿子,他们种植玉米。他是经过土地流转,租了一千亩的土地。他用无人飞机喷杀虫药,他还用喷灌的节水灌溉方式去灌溉他的田地,全部都是机械化。

    

    这个人是少数的主动愿意跟我们合作的农民,因为他一千亩地减少用水量就可以省电,这对他是一个很大的好处,他的儿子就继承他。他们通过机械化的生产方式,现代化的管理,经营一个大规模的农场。这就是中国农场的未来。这样也可以比较有效地节省水,比小规模的种植节省水。

    我问过那个租地给年轻人的农民,为什么租给他,他哪里做得比你好呢?他说他们规模大,都是机械化,他们的效率高多了,可以赚的钱更多。

    可能现在中国的农业发展已经是在往大规模农场经营的方向走,但是还是有一些小的障碍,比方说长期的租赁问题还没有完全解决,租金可能还是太高。这种东西需要调整,但发展的方向就是往大的农场发展。

    我们还发明了一个地下水游戏,跟农民一起玩。那个游戏有一点像《大富翁》,可以四个人玩。他们可以选择种什么农作物,用什么灌溉方式。然后他们还可以买拖拉机,可以买灌溉设备等等,他们的目的是赚更多的钱。

    

    但是还有一个条件,假如地下水给抽干了,大家都输,所以他们非常关心地下水位。地下水位用棋子表示,可以看得到。他们灌溉就拿出来一些棋子,补给的时候就加一些棋子。我们发现地下水很低的时候,他们就会很小心地选择农作物。

    

    但在现实中,地下水问题是看不到的,像环境污染、空气污染,我们马上能感觉到,但是地下水在哪里?地不是透明的,我们看不到。

    所以我们在想是不是要在那些村庄安装一种表达水位的显示器,然后看水位到底离那个红线多远。我们的游戏也有一个电子版,假如你们有时间可以玩一玩。我们正在测试程序,你们可以提出意见。

    

    ▲ 游戏网址https://savethewater-game.com/game

    最后在馆陶县这个地方的问题,总的来讲可以解决,但是大的华北平原的问题还是没有得到解决。要解决那么大面积的问题,还是要减少粮食的生产,中国必须改变它的粮食政策才行。

    我们自己可以做些什么呢?当然我们可以节约用水,也许也可以少吃一些肉,因为华北平原的玉米大部分都是喂鸡喂猪用的,而且绝对不要浪费食物,因为食物就是浓缩的水。但是你们口渴可以随便喝水,这个完全无所谓。

    最后我想感谢瑞士发展与合作署,中国的水利部还有中科院,感谢他们大力地支持我们这个项目,我还要感谢我们的合作单位和合作伙伴的支持,谢谢你们。

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    回帖人: | 只看此人 | 不看此人 | 2018/5/16 19:54:12    跟帖回复:
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    等有流量了,再看
    回帖人: | 只看此人 | 不看此人 | 2018/5/16 20:58:56    跟帖回复:
       第 3
    人均水源少,养不了那么多人。查查北京地区历年降水,1950年到1965年是丰水季,现在的降水比那时少得多。
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