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华北平原地下水超采问题大到甚至可以从卫星上监测到

2018-5-13 11:56

原作者: 金士博 来自: 一席
食物主权按:

我们都是地球的儿女。今天是母亲节,让我们关注给我们吃喝穿住行一切原料的大地母亲。我们是否长久以来对她只是索取,令她失去生机、千疮百孔?

今日推送请大家一起直面华北地下水危机。众所周知,中国缺水,2016年,中国每人每年的水资源量是2355立方米,低于国际人均水平,然而华北平原每年人均水资源更是少于300立方米,属于极度缺水。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。

瑞士苏黎世联邦理工学院金士博教授长期研究中国地下水问题,他在本文中用详实的数据分析了超采的原因,以及为什么其后果会关乎我们每一个人,不仅是农民,不仅是华北人。值得一提的是,在金世博提出的多项良好建议中,通过土地流转形成私人大农场的规模经营却并不是好的建议,更不是捷径。私有农场经营并没有解决美国农业主产区加州水资源严重告缺的问题。水资源治理需要整体性的政策视野,包括反思全国农业布局,推动向节水的生态农业转型等。也需要农民重新组织化。

借着母亲节这样一个特别的节日,衷心希望我们大家怀着对大地母亲的敬爱,去好好思考我们如何能更好地保护她,不要再去毁灭她,毁灭我们自己。

污染使你的面容憔悴
你嬴弱的体态倾诉着无尽的哀怨
你流淌着伤心的泪
淹没了我最真的记忆
 
衰老的目光
难以传递动人的情愫
站在你的面前
我有一种深深的内疚和欠意[1]


作者简介: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。

南非酒庄的车

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。

三个城市地下水情况

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。


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。

参考来源:

[1] “母亲河的诗歌”,编者未能找到该诗文的作者信息,全诗见这里:
鲜花
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鸡蛋
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