南水北調(diào)對海河流域水生態(tài)環(huán)境影響分析

1、南水北調(diào)對海河流域水生態(tài)環(huán)境影響分析    摘要：海河流域多年平均水資源總量為372億m3，流域人均總水資源占有量僅有305m3，是全國缺水最為嚴重的流域，水資源的嚴重短缺大大制約了區(qū)域國經(jīng)濟的發(fā)展。更為嚴重的是，長期以來海河流域水資源的開發(fā)利用片面強調(diào)了滿足經(jīng)濟發(fā)展需求，忽略了生態(tài)環(huán)境的保護和改善，致使流域的生態(tài)環(huán)境出現(xiàn)整體退化。在南水北工程總體規(guī)劃中，工程供水目標以城市生活工業(yè)用水為主，兼顧農(nóng)業(yè)和生態(tài)。依據(jù)黃淮海流域水資源合理配置與南水北調(diào)工程總體布局的研究成果，推薦的基本調(diào)水量方案2010年和2030年向海河流域供水分別為60.6億和95.7億m3

2、，高方案2010年和2030年向海河流域分別供水69.3億和103.3億m3。如此大量外調(diào)水的流入必將對海河流域的水循環(huán)和水生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生巨大影響，本文就這個問題展開相關分析。 關鍵詞：南水北調(diào) 海河流域水 生態(tài)環(huán)境  海河流域多年平均水資源總量為372億m3，流域人均總水資源占有量僅有305m3，是全國缺水最為嚴重的流域，水資源的嚴重短缺大大制約了區(qū)域國民經(jīng)濟的發(fā)展。更為嚴重的是，長期以來海河流域水資源的開發(fā)利用片面強調(diào)了滿足經(jīng)濟發(fā)展需求，忽略了生態(tài)環(huán)境的保護和改善，致使流域的生態(tài)環(huán)境出現(xiàn)整體退化。在南水北調(diào)工程總體規(guī)劃中，工程供水目標以城市生活和工業(yè)用水為主，兼顧農(nóng)業(yè)和生態(tài)。依據(jù)黃

3、淮海流域水資源合理配置與南水北調(diào)工程總體布局的研究成果，推薦的基本調(diào)水量方案2010年和2030年向海河流域供水分別為60.6億和95.7億m3，高方案2010年和2030年向海河流域分別供水69.3億和103.3億m3。如此大量外調(diào)水的流入必將對海河流域的水循環(huán)和水生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生巨大影響，本文就這個問題展開相關分析。1 海河流域水生態(tài)環(huán)境現(xiàn)狀1.1 水污染嚴重1998年，全流域廢污水排放總量已達到55.6億t，這些廢物水中大部分末經(jīng)處理就直接排入河流和水庫，造成地面水的嚴重污染。流域現(xiàn)狀地表水的污染河長比例高達75，23站井的地下水達不到飲用水要求，水污染形勢十分嚴峻。1.2 河道干涸、功能退

4、化由于用水大量增加，造成河道干涸斷流、河道功能退化等問題。現(xiàn)狀流域各河大都成為季節(jié)性河流。據(jù)初步統(tǒng)計，在流域一、二、三級支流的近10000km河長中，已有約4000km河道長年干涸。一些河道雖然有水，但主要是由城市廢污水和灌溉退水組成，基本沒有天然徑流，“有河皆干，有水皆污”已成為海河流域的一個突出問題。河道干涸還引發(fā)河道內(nèi)雜草叢生、土地沙化、土壤鹽分累積。山前平原與河道兩岸附近的淺層地下水位持續(xù)下降地區(qū)，河流沖積沙地和砂質(zhì)褐土、砂質(zhì)潮土、砂質(zhì)草甸土等耕地沙化趨勢嚴重，沙土隨風遷移造成覆蓋沙地。近30年來，流域內(nèi)“沙化”土壤面積不斷擴大。由于缺少人海水量，山區(qū)進入平原的徑流、引黃水量和降雨中帶

5、來的鹽分不能排出，引起區(qū)域性的積鹽。1.3 入海水量銳減、河口生態(tài)環(huán)境退化統(tǒng)計表明，90年代與50年代相比，流域年平均入海水量減少了72。90年代年平均入海水量只有68.5億m3，只相當于總水資源量的18，而且40集中在灤河及冀東沿海地區(qū)。由于入海徑流減少，各河河口相繼建閘拒咸蓄淡，引起閘下大量海相泥沙淤積。據(jù)統(tǒng)計，閘下總淤積量達9500萬m3，致使海河流域骨干行洪河道泄洪能力衰減40。另外陸源污染也給河口近海地區(qū)造成很大影響。渤海灣受納天津、北京兩大城市的污水，無機氮、無機磷、化學耗氧量等指標嚴重超標。由于入海徑流減少和嚴重的污染，河口地區(qū)具有經(jīng)濟價值的魚類基本上絕跡，渤海灣著名的大黃魚等優(yōu)

6、良魚種基本消失。近10年來，渤海赤潮頻頻發(fā)生，造成了嚴重的經(jīng)濟損失。1.4 濕地大幅度減少、生物多樣性消失50年代海河流域有萬畝以上的洼淀190多個，洼淀面積超過10000km2?，F(xiàn)今，除白洋淀和部分洼淀修建成水庫外，大部分的洼淀都已消失或退化，即使加上30多座大型水庫和100多座中型水庫，濕地面積僅剩2000多km2。在區(qū)域湖泊洼地演變過程中，人類活動干擾是其中最重要的驅動因素。以白洋淀為例，50年代以后，白洋淀上游興建了總庫容達36億m3的水庫，大大減少了入淀水量，19641981年，白洋淀因圍墾造田減少了90的湖面面積，導致19661995年出現(xiàn)5次干淀，19902000年又多次面臨干淀

7、的威脅，依靠定期補水才得以維持。1.5 地下水嚴重超采海河流域地下水大規(guī)模開采始于70年代。到1998年，扣除補給量后，全流域已累計消耗地下水儲量896億m3，其中淺層地下水471億m3，深層水425億m3。地下水過度開采造成了地面沉降、地裂和塌陷等一系列環(huán)境地質(zhì)問題。天津和流域中東部平原已發(fā)生區(qū)域性地面沉降。至1998年，河北平原累計沉降量大于300mm的面積達1.82萬km2，天津市累計沉降量大于1500mm的面積133km2。平原區(qū)已經(jīng)發(fā)現(xiàn)地裂縫近200多條。地下水位下降還引發(fā)海水入侵和咸水入侵等問題，使得成淡水邊界向淡水區(qū)移動。1.6 水土流失嚴重水土流失是海河流域主要自然災害之一。海

8、河流域年降雨量雖然不大，但多以暴雨形式出現(xiàn)，而另一方面流域內(nèi)山區(qū)地面坡度較大，且土質(zhì)疏松，植被覆蓋率低，加人口密度大，生產(chǎn)落后，廣種薄收，陡坡開荒等人為因素，導致流域內(nèi)山丘區(qū)存在嚴重的水土流失問題。1.7 污灌造成環(huán)境污染和健康危害由于水資源短缺，海河流域排放的廢污水很大一部分被用于農(nóng)業(yè)灌溉，絕大部分灌溉污水未經(jīng)任何處理，給周邊環(huán)境和人體健康帶來危害。2 海河流域水循環(huán)與水生態(tài)環(huán)境關聯(lián)分析流域的水循環(huán)與水生態(tài)環(huán)境有著極為密切的天然聯(lián)系，千萬年來大自然所形成的自然水循環(huán)造就了一個地區(qū)特有的穩(wěn)定水生態(tài)環(huán)境。而近幾十年來由于人類對水資源的大規(guī)模開發(fā)利用改變了水的自然循環(huán)，使一些地區(qū)穩(wěn)定的水生態(tài)環(huán)境趨

9、于不穩(wěn)定，并出現(xiàn)流域水生態(tài)環(huán)境整體退化現(xiàn)象，海河流域就是這樣一個典型。南水北調(diào)工程直接對流域進行大規(guī)模補水，加大了流域水循環(huán)通量，雖然其直接主要供水目標不是流域生態(tài)環(huán)境，但也會對流域的水生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生一定影響。為了定量研究評估這種影響，首先需要研究流域水循環(huán)與水生態(tài)環(huán)境之間的自然關聯(lián)。2.1 流域水循環(huán)與水生態(tài)環(huán)境關聯(lián)分析方法為了比較簡單清晰的描述流域總體水循環(huán)的狀態(tài)及其與水生生態(tài)環(huán)境的關系，本研究不著眼于流域內(nèi)降雨、地表水、地下水和土壤水之間的轉換關系，而以整個流域為一個單元，以年為尺度，重點描述流域各種水量變化與各種耗水之間的關系，以揭示水循環(huán)過程、狀態(tài)與水生態(tài)環(huán)境演變的宏觀關聯(lián)。研究的方法

10、是在水平方向以流域邊界為界，在豎直方向以深層地下水上隔水層為下邊界，以地表及其附屬物、植被為上邊界形成一個封閉的單元。首先分析年度間進入單元的總水量，單元內(nèi)的總蓄變量和總消耗量，摸清水循環(huán)過程中各種水量之間的轉化關系，然后分析各種水量對不同水生態(tài)環(huán)境子類的驅動關系，以此分析和判斷流域水生態(tài)環(huán)境的現(xiàn)狀和對未來的水生態(tài)環(huán)境進行分析和評估。水循環(huán)的過程可通過水量均衡方程式來表示。TweTWsTWc式中：Twe進入單元的總水量；tWs單元的總蓄變量；TWc單元的總耗水量。在水量均衡方程式中，進入這一單元的水量有降雨形成的當?shù)厮Y源總量（包括地表水和地下水資源量并扣除二者的重復計算量）、從外流域調(diào)入的地

11、表水水量和從深層開采的地下水量三項；平衡方程中的總蓄變量是當年在單元內(nèi)增加（或減少）的水量，包括水庫蓄變量和淺層地下水蓄變量；總耗水量是指通過不同方式排出本單元的總水量，主要包括水平排出單元的入海水量和豎直排出的蒸發(fā)消耗量。總耗水量又可以根據(jù)其消耗性質(zhì)分為經(jīng)社會耗水量和非經(jīng)濟社會耗水量。經(jīng)濟社會耗水量是指由人工供給的用于國民經(jīng)濟發(fā)展和人類生活所消耗的水量，包括農(nóng)業(yè)用水、工業(yè)用水、城市生活農(nóng)村生活用水的消耗。而非經(jīng)濟社會耗水可視為水生態(tài)環(huán)境消耗水量，包括維護河口生態(tài)環(huán)境的入海水量，水系生態(tài)環(huán)境耗水量和陸地生態(tài)環(huán)境耗水量。其中水系生態(tài)環(huán)境耗水量包括天然河道水面蒸發(fā)量、湖泊濕地水面蒸發(fā)量和城市河湖水

12、面蒸發(fā)量。陸地生態(tài)環(huán)境耗水是指平原區(qū)和山區(qū)河谷盆地陸地上地下水的騰發(fā)量，但不計灌溉回歸地下水的騰發(fā)量。應用以上方程式可以描述流域單元的整個水循環(huán)過程和狀態(tài)，同時由于水循環(huán)中的各項幾乎都與水生態(tài)環(huán)境有著極為密切的關系，因此通過水循環(huán)中各項的分析就可以反映出流域水生態(tài)環(huán)境的狀況。上述水量均衡方程式中的各收支項可以對三類水生態(tài)環(huán)境問題進行分析評價：第一類有關地下水超采問題，包括進入單元的總水量中的深層開采量以及淺層地下水蓄變量。從多年平均來看，如深層開采量過大形成深層超采或淺層地下水蓄變量小于零形成淺層地下水超采時，水生態(tài)環(huán)境就受到破壞，超采量越大，受破壞的程度就越深，直至出現(xiàn)地面沉降、地裂和塌陷以

13、及引發(fā)海水入侵等各種環(huán)境問題；第二類是水系生態(tài)環(huán)境耗水量和陸地生態(tài)環(huán)境耗水量減少問題，如果二者特別是水系生態(tài)環(huán)境耗水量不能達到一定要求，則會出現(xiàn)河道干涸，湖泊萎縮，濕地消失、土壤沙化、生物多樣性消失等一系列生態(tài)環(huán)境問題；第三類是入海水量衰減問題，如果入海水量不能滿足河口生態(tài)環(huán)境要求，則河口海區(qū)會出現(xiàn)鹽度升高、升溫遲緩、松散的底質(zhì)消退，進而影響魚類產(chǎn)卵、生長，導致近海漁業(yè)資源的衰退。此外，入海水量減少還造成泥沙淤積、河道萎縮、河道自然功能下降。在流域水循環(huán)中，水量平衡方程兩側收支各項是遵循流域水循環(huán)的規(guī)律相互關聯(lián)的，即來水。蓄存和消耗量之間存在此消彼漲的關系，比如經(jīng)濟社會耗水增加，非經(jīng)濟社會耗水

14、必然減少；河道、湖泊濕地耗水增加，入海水量也會減少。因此區(qū)域水循環(huán)的狀態(tài)可能會因為人類不合理的開發(fā)利用而被改變，從而引發(fā)嚴重水生態(tài)環(huán)境問題；但另一方面通過區(qū)域水資源合理的開發(fā)利用與優(yōu)化配置，甚至采用跨流域調(diào)水，可以重新調(diào)節(jié)水循環(huán)狀態(tài)而使區(qū)域水生態(tài)環(huán)境得以改善。從以上分析可以看出，流域水循環(huán)的收支平衡關系直接影響流域水生態(tài)環(huán)境狀況，因此既可以利用水循環(huán)的狀態(tài)來評價水生態(tài)環(huán)境情況，還可以通過分析預測不同水資源開發(fā)利用方案情況下的流域水循環(huán)狀態(tài)去預測流域水生態(tài)環(huán)境未來情景，進而從流域水生態(tài)環(huán)境的角度去調(diào)整水資源的開發(fā)利用方案，以實現(xiàn)區(qū)域水資源開發(fā)利用與生態(tài)環(huán)境的相互協(xié)調(diào)，這就是水循環(huán)與水生態(tài)環(huán)境關聯(lián)

15、的分析方法和思路。在此需要特別補充說明的是，由于本單元將深層地下水上隔水層作為單元的下邊界，對深層地下水的開采作為系統(tǒng)的輸入處理，因此關于地下水超采問題并不放在循環(huán)過程當中進行研究，而是利用深層地下水補給相對穩(wěn)定的特點，通過直接比較單元該部分輸入和深層地下水補給量的大小來進行判斷。2.2 海河流域現(xiàn)狀水循環(huán)與水生態(tài)環(huán)境關聯(lián)分析與評價根據(jù)以上水循環(huán)與水生態(tài)環(huán)境關聯(lián)物理模型的分析，建立了相應的流域水循環(huán)與水生態(tài)環(huán)境關聯(lián)的數(shù)學模型。應用19941999年水資源公報和海河流域水資源規(guī)劃的相應數(shù)據(jù)，對單元水量平衡方程各項進行了計算，得到相關的水生態(tài)環(huán)境現(xiàn)狀評價結果，見表1。表1 海河流域19941999

16、年流域水循環(huán)相關數(shù)據(jù)與計算結果（單位：億m3）數(shù)據(jù)來源：19941999年水資源公報和海河流域水資源規(guī)劃。從表1中進入單元總水量欄可以看出，進入單元的總水量主要受降雨影響。如降雨最小的1997年和1999年，年降雨量分別為366mm和385mm，進入單元的總水量分別為329.6億m3和317.6億m3；降雨量最大的1995年和1996年，年降雨量分別為609.0mm和599mm，進入單元的總水量分別為556.5億m3和635.1億m3。進一步考察表1數(shù)據(jù)總體構架和變化，由于流域降雨年際變化大，因此不同年份進入流域的總水量變化很大，變幅可高達300億m3，導致相應的蓄變量和總耗水量變化也很大。當

17、流域單元在輸入減少條件下，總耗水量也減小，同時蓄變量也呈現(xiàn)為負值，說明枯水年份會消耗地表水和地下水的蓄存量以支撐國民經(jīng)濟的發(fā)展。另外從表1輸入欄和蓄變量欄間的數(shù)據(jù)波動關系看出，總水量加外調(diào)水量與深層開采量加淺層超采量之間有非常明顯的負相關關系，前者越小，后者就越大，說明在當?shù)厮Y源與外調(diào)水量不足的情況下，對深層地下水的開采量和淺層地下水的開采量成為滿足區(qū)域用水需求的主要途徑，從而發(fā)生超采并引發(fā)相關生態(tài)環(huán)境問題。考察枯水年份的各分項耗水，可以發(fā)現(xiàn)盡管總耗水量大幅度減少，但在一定國民經(jīng)濟發(fā)展水平下經(jīng)濟耗水量的變化不大，變幅大多在10億m3以內(nèi)，而非經(jīng)濟社會耗水會大幅度減少，與總耗水量呈明顯的正相關關系。這進一步說明了即使在降雨小、水資源量少的情況下，經(jīng)濟社會用水并未因此受到較大幅度的影響，仍然通過超采深淺層地下水、擠占非經(jīng)濟社會耗水等手段來維持，總耗水的減少幾乎完全轉嫁為非經(jīng)濟社會耗水量的減少。在非經(jīng)濟社會耗水項各欄中，水系生態(tài)耗水目前所占比例很小，非經(jīng)濟社會耗水的大量衰減主要是減少了入海水量，從而對河道內(nèi)和入海口的生態(tài)環(huán)境造成破壞。比較非經(jīng)濟社會耗水和入海水量，可以發(fā)現(xiàn)二者之間存在良好的正相關關系（圖1）。對非經(jīng)濟社會耗水量和入海水量進行回歸得到方程：式中：x流域非經(jīng)濟社會耗水量y入海水量該關系式相關系數(shù)R20.9381，相