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
|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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