基于人類活動(dòng)影響下衡水湖濕地生態(tài)用水安全分析

1、基于人類活動(dòng)影響下衡水湖濕地生態(tài)用水安全分析衡水湖來水主要有流域自產(chǎn)徑流量、過境洪瀝水、跨流域引水組成。地表水資源的過度開發(fā)和利用導(dǎo)致進(jìn)入下游平原河道的徑流量明顯減少，過境洪瀝明顯減少。在地表水嚴(yán)重不足情況下，不足部分只有依靠超采地下水來補(bǔ)足，地下水嚴(yán)重超采導(dǎo)致地下水位迅速下降，土壤非飽和帶增厚，降水更多地補(bǔ)充土壤水消耗，使地表產(chǎn)水能力下降。以上因素疊加造成自產(chǎn)水量更少，致使該濕地水源主要依靠外流域調(diào)水1。1 濕地水安全意義濕地生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性很大程度上取決于其水源的穩(wěn)定性。水文條件能直接改變濕地的物理化學(xué)性質(zhì)，進(jìn)而影響到物種組成和豐度、第一性生產(chǎn)力、有機(jī)物質(zhì)的積累和營(yíng)養(yǎng)循環(huán)。水導(dǎo)致獨(dú)特的植物

2、組成，但限制或增加物種的豐度。靜水濕地或連續(xù)深水濕地的生產(chǎn)力都很低。通常有高能量的水流，或有脈沖性水周期的濕地生產(chǎn)力最高2。在積水覆蓋的條件下，其基質(zhì)長(zhǎng)期處于還原狀態(tài)，限制了微生物的數(shù)量和活性，較高的生物量得不到充分的分解，有機(jī)物質(zhì)便以泥炭的形式積累儲(chǔ)存起來。土壤-水界面的交互作用，使?jié)竦赝寥酪赃€原性質(zhì)為主的同時(shí)，在其表層有一薄氧化層，承擔(dān)著濕地物質(zhì)的化學(xué)轉(zhuǎn)化和營(yíng)養(yǎng)循環(huán)，構(gòu)成濕地生態(tài)過程的重要一環(huán)?？梢姡瑵竦厣鷳B(tài)系統(tǒng)的一切生態(tài)過程都是以固定的水文為基礎(chǔ)的，正是由于其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)對(duì)水文條件的依賴性，濕地生態(tài)系統(tǒng)才如此脆弱，以致于一旦失去水，其系統(tǒng)面貌便會(huì)發(fā)生根本性的轉(zhuǎn)變。不同類型的濕地的脆弱性有所差

3、異，高水能濕地中由于有機(jī)質(zhì)積累很少，只要其水源被截?cái)?，其生態(tài)系統(tǒng)類型就迅速轉(zhuǎn)變;如果水源恢復(fù)，系統(tǒng)就會(huì)基本恢復(fù)到原來的狀態(tài)。如吉林省西部向海附近的蘆葦濕地，在干旱年份沒有水源的情況下，形成大片的堿蓬群落，而在豐水年份，地面被積水覆蓋后，蘆葦群落便得以迅速恢復(fù)。而低水能的濕地，由于具有保水性能的泥炭層的存在，可以對(duì)氣候的干濕變化在系統(tǒng)內(nèi)部進(jìn)行調(diào)節(jié)，其生態(tài)敏感性則相對(duì)較低;除此之外，泥炭沼澤對(duì)閾限內(nèi)的排水亦有較強(qiáng)的恢復(fù)能力。脆弱生態(tài)環(huán)境是在自然因素的基礎(chǔ)上疊加了人類不合理開發(fā)利用而形成的。自然因素是其脆弱性形成的基質(zhì)，人類活動(dòng)則是起加速或減速等動(dòng)力作用。不同地域由于自然條件的差異，脆弱生態(tài)環(huán)境的表

4、現(xiàn)特征不同。因此，在進(jìn)行生態(tài)環(huán)境脆弱性評(píng)價(jià)時(shí)應(yīng)遵循地域性、主導(dǎo)性、科學(xué)性和可操作性的原則。影響濕地脆弱性的因子很多，就衡水湖而言，濕地的脆弱性主要表現(xiàn)在水源供給保障脆弱性、水質(zhì)污染脆弱性和人類活動(dòng)綜合影響干擾脆弱性。2 半干旱地區(qū)退化濕地生態(tài)補(bǔ)水的原則濕地生態(tài)補(bǔ)水是指恢復(fù)濕地自然水文情勢(shì)的過程。根據(jù)濕地退化特征和影響因素，確定了濕地恢復(fù)原則3?；謴?fù)濕地自然過程原則：自然濕地是生物與環(huán)境長(zhǎng)期協(xié)調(diào)發(fā)展而形成的具有自我調(diào)節(jié)、相對(duì)穩(wěn)定的自然綜合體，當(dāng)生態(tài)系統(tǒng)達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡的穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，能夠自我調(diào)節(jié)和維持自身的正常功能，并能在很大程度上克服和消除外來的干擾，保護(hù)自身的穩(wěn)定性。可操作性原則：在全面了解濕地生

5、態(tài)系統(tǒng)的基底上，找出濕地退化原因與可恢復(fù)性，以及需要采取的措施。優(yōu)先性原則：針對(duì)濕地退化的主要原因以及濕地保護(hù)的主要目標(biāo)，必須要從當(dāng)前最緊迫的任務(wù)出發(fā)，優(yōu)先保護(hù)珍稀、瀕危動(dòng)物及其棲息地，逐步恢復(fù)濕地功能。最小風(fēng)險(xiǎn)原則和最大效益原則：在考慮成本同時(shí)，必須考慮恢復(fù)措施對(duì)濕地負(fù)面影響最小和恢復(fù)效益最大化。生物配置多樣性原則：環(huán)境條件的多樣性決定了生物配置的多樣性，具有生物多樣性的生態(tài)系統(tǒng)才是穩(wěn)定的生態(tài)系統(tǒng)。3 衡水湖供水水源分析衡水市是河北省人均水資源最少的地區(qū)之一。全市人均148 m3，低于全省人均386 m3的水平，僅為全國人均水平的5.5%。衡水市平均用水量1 600 m3/hm2，均遠(yuǎn)低于全

6、省和全國平均水平。由此可見，衡水市水資源已達(dá)相當(dāng)匱乏的程度。由于缺水，工業(yè)及居民用水全部要依靠深層地下水。據(jù)資料分析，每年深層地下水允許開采量2.43億 m3，而實(shí)際全市每年開采量都在8.20億 m3以上，年超采量在6億m3左右。深層地下水埋深大幅下降，2003年漏斗中心埋深100.02 m(冀州市劉豐備、7月11日)，漏斗面積(0 m等水位線)為8 442 km2，同時(shí)還引發(fā)了一系列的環(huán)境地質(zhì)問題4。衡水湖水源主要有當(dāng)?shù)貐R水、崗南黃壁莊水庫來水、岳城水庫來水、引黃河水衛(wèi)運(yùn)河水等。當(dāng)?shù)貐R水主要有滏東排河2 500 km2流域的澇水，滏陽河14 420 km2流域的來水和利用衛(wèi)?D千引水工程引蓄

7、衛(wèi)運(yùn)河水(見表1)。崗南、黃壁莊水庫來水主要是利用兩水庫在每年汛前騰庫下泄水，經(jīng)石津渠、軍齊干渠引水到滏陽河，再由冀碼渠從冀州南關(guān)閘入衡水湖。岳城水庫來水，通過衛(wèi)運(yùn)河到衛(wèi)?D千渠，經(jīng)王口閘入衡水湖5。水主要通過降水量多少、降水穩(wěn)定性、蒸發(fā)與降水關(guān)系對(duì)利用的影響、徑流變率及地下水礦化度等影響脆弱生態(tài)環(huán)境的形成6。影響衡水湖濕地的水分條件是年降水量和河流徑流量，由于上游水利工程的攔截和水資源開發(fā)程度高，衡水湖上游來水保證率很低。衡水市地處嚴(yán)重干旱缺水的華北平原中心地帶，多年平均降雨量518.9 mm，水面蒸發(fā)量卻高達(dá)1 300 mm，由于地表水資源的嚴(yán)重缺乏，衡水市的工農(nóng)業(yè)用水和生活用水主要靠開采

8、深層地下水，并因超采形成了以衡水市為中心的地下漏斗區(qū)。水資源短缺已是衡水湖面臨的巨大威脅。目前，衡水湖水源主要來自于黃河水和上游各大水庫的汛期棄水7-9。由于集水區(qū)降水年際變異大，衡水湖蓄水量也有很大的年際變動(dòng)，見表3。目前設(shè)計(jì)蓄水位21 m，最大蓄水能力為1.88億 m3，其中東湖蓄水面積42.50 km2、可蓄水1.23億 m3;西湖蓄水面積32.50 km2、可蓄水0.65億 m3。1994年-2008年實(shí)際累計(jì)蓄黃河水6.27億 m3，年均0.52億 m3。4 衡水湖補(bǔ)水水質(zhì)影響因素分析由于自然和人為因素的雙重影響，黃河水資源日漸短缺，水土流失嚴(yán)重，荒漠化現(xiàn)象突出，生態(tài)環(huán)境日趨退化，致

9、使黃河水質(zhì)局部河段已達(dá)不到相應(yīng)水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。多年來雖采取了一系列的措施來保護(hù)衡水湖，但湖體自身的保護(hù)很難保證在整個(gè)大環(huán)境高營(yíng)養(yǎng)水平的態(tài)勢(shì)下，水質(zhì)不受影響。湖周圍的匯水富營(yíng)養(yǎng)化程度已經(jīng)處于一個(gè)較高的水平，大多數(shù)水質(zhì)狀況總氮在10 mg/L以上，將大大增加湖水的保護(hù)難度10。引水線沿途進(jìn)入衡水市(油故閘)以前，清涼江上游清河縣城生活及工業(yè)污水的排入(主要有清河縣造紙廠)和衛(wèi)-千渠，自油故閘至入湖口(王口閘)段，棗強(qiáng)縣境內(nèi)部分城鎮(zhèn)污水及工業(yè)污水的排入(主要有棗強(qiáng)的皮革、皮毛、染料等廢水)。衡水湖周邊污染源影響，主要是冀州市部分工業(yè)和城市污水通過西線引水渠經(jīng)冀州市南關(guān)進(jìn)水閘排入東湖。另有部分污水直接排入冀

10、州小湖。湖內(nèi)網(wǎng)箱養(yǎng)魚，追求水產(chǎn)品的經(jīng)濟(jì)效益，高放餌料增加了湖水中的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，以及湖內(nèi)養(yǎng)鴨、養(yǎng)鵝等，動(dòng)物的排泄物也增加了湖水中的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，污染水體。在衡水湖流域內(nèi)，上游河道水質(zhì)不同程度受到污染，水質(zhì)為類或劣類，汛期來水進(jìn)入衡水湖，對(duì)衡水湖水質(zhì)構(gòu)成威脅。另外，衡水湖上游流域主要以農(nóng)業(yè)種植為主，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中使用大量的農(nóng)藥、化肥，在汛期，隨地表水流進(jìn)入水體，也對(duì)衡水湖水質(zhì)構(gòu)成威脅。由于旅游業(yè)的開發(fā)產(chǎn)生的生活污水和生活垃圾，對(duì)水體造成污染。由于衡水湖主要靠引黃河水補(bǔ)充，因此，所引黃河水質(zhì)的好壞，引水渠道沿途污染源的排污狀況及衡水湖周邊的排污情況決定了衡水湖水質(zhì)的狀況。5 泥沙對(duì)水質(zhì)的影響黃河是世界上罕見的

11、多泥沙河流，衡水湖目前主要水源是引黃河水，泥沙與水系相互作用對(duì)水質(zhì)影響顯著。5.1 黃河泥沙對(duì)重金屬的吸持特征由于泥沙具有巨大的比表面積，含有大量活性基團(tuán)，是水體中重金屬污染物最主要的載體，決定著重金屬在水體中的化學(xué)行為和生物效應(yīng)。早在20世紀(jì)80年代初，金向燦研究了黃河中游干流龍門、潼關(guān)、三門峽斷面和支流渭河華縣與汾河河津斷面的懸浮泥沙對(duì)銅、鉛和鋅離子的吸持行為，發(fā)現(xiàn)黃河懸浮泥沙對(duì)鉛的吸持量特別高，鉛的吸附量在豐水期達(dá)550.2910-3 meq/g;在枯水期達(dá)318.5310-3 meq/g。他從泥沙中鐵錳氧化物含量較高和在較高pH條件下鉛離子易生成羥基化合物兩個(gè)方面對(duì)此現(xiàn)象進(jìn)行解釋。李麗

12、娟、徐云麟等研究了黃河三門峽庫區(qū)的懸浮泥沙對(duì)銅、鋅、鉛離子的吸持能力，發(fā)現(xiàn)被吸持的銅、鋅和鉛離子中有50%70%與泥沙中的碳酸鹽物質(zhì)結(jié)合，有15%33%與鐵錳氧化物結(jié)合，認(rèn)為這與黃河泥沙的優(yōu)勢(shì)地球化學(xué)相有關(guān)11。20世紀(jì)90年代，高宏和暴維英等對(duì)黃河泥沙吸持重金屬的行為進(jìn)行了較為全面的研究，除銅、鉛、鋅以外，還研究了鎘、錳和汞等。研究了不同吸附質(zhì)的差別，還研究了吸附劑濃度對(duì)吸持量的影響;并對(duì)吸持作用和泥沙中重金屬的溶出作用進(jìn)行了深入研究。研究發(fā)現(xiàn)，在個(gè)別河段(如洛河漫水橋斷面)，當(dāng)泥沙-水的比例達(dá)10 g/L時(shí)，從泥沙中溶出的銅離子可達(dá)0.049 mg/L，超過漁業(yè)水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，少數(shù)斷面由于泥沙中

13、汞的溶出，使河水中的汞達(dá)類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)12。2000年以后，趙蓉等人研究了在泥沙吸持重金屬過程中碳酸鹽物質(zhì)所起的作用。他們用含3.91%碳酸鹽的黃土樣品與洗除掉碳酸鹽(含量?jī)H0.83%)的樣品分別進(jìn)行對(duì)銅離子的吸持實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)去除掉碳酸鹽的泥沙樣品對(duì)銅離子的吸持量大大低于未洗除碳酸鹽的樣品對(duì)銅離子的吸持量。研究發(fā)現(xiàn)，含3.91%碳酸鹽的黃土樣品所吸持的銅離子90%以上與碳酸鹽形成沉淀。同期，張嵐等研究了不同化合態(tài)的銅離子(Cu(NO3)2與CuSO4)對(duì)泥沙吸持銅離子的影響，發(fā)現(xiàn)當(dāng)水中銅離子濃度達(dá)到500 mg/L以上時(shí)，Cu(NO3)2中的銅離子不能被吸持，而CuSO4中的銅離子仍能被泥沙繼續(xù)吸持

14、13。5.2 黃河泥沙對(duì)微量有毒有機(jī)物的吸持特征關(guān)于黃河泥沙對(duì)微量有毒有機(jī)物的吸持作用，嚴(yán)舜鈞于20世紀(jì)80年代研究黃河干流蘭州、包頭和龍門3個(gè)斷面的懸浮泥沙對(duì)有機(jī)農(nóng)藥殺蟲瞇和殺草快的吸持作用，發(fā)現(xiàn)蘭州斷面懸浮泥沙對(duì)殺蟲瞇和殺草快的吸持量均顯著低于包頭和龍門懸浮泥沙的吸持量，對(duì)離子型化合物殺草快尤為顯著。研究認(rèn)為原因是蘭州懸浮物中蒙脫石與陽離子交換量大大低于包頭、龍門的懸浮物與陽離子交換量。實(shí)驗(yàn)觀測(cè)到，殺蟲瞇與殺草快兩種農(nóng)藥之間存在著競(jìng)爭(zhēng)吸持，殺草快有相對(duì)強(qiáng)的競(jìng)爭(zhēng)力，表現(xiàn)為隨著殺蟲瞇濃度的增加，殺草快的吸持量下降，而殺蟲瞇的濃度對(duì)殺草快的吸持量無影響14。5.3 黃河泥沙對(duì)氨氮的吸附作用及對(duì)氮

15、化合物形態(tài)轉(zhuǎn)化的影響由于氨氮是黃河最主要的污染物，氨轉(zhuǎn)化為亞硝酸再轉(zhuǎn)化為硝酸的過程對(duì)水生態(tài)系統(tǒng)極為重要，研究泥沙對(duì)氨氮的吸附作用和氮化合物形態(tài)轉(zhuǎn)化的影響尤為重要。20世紀(jì)90年代末，高宏等人的研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)泥沙濃度為10 g/L時(shí)，水中10 mg/L的氨氮有16%為泥沙所吸附;當(dāng)泥沙濃度大于10 g/L時(shí)，水中10 mg/L的氨氮有60%為泥沙所吸附。研究查明，泥沙的存在可大大促進(jìn)黃河水中的氨轉(zhuǎn)化為硝酸，在不含黃河泥沙的水中注入10 mg/L氨氮，其全部消化需要30天以上時(shí)間，當(dāng)水中含有5 g/L黃河泥沙，其全部消化時(shí)間縮短到10天以下。研究認(rèn)為這與黃河泥沙中含有消化細(xì)菌有關(guān)15。湖底沉積的泥沙

16、是有機(jī)體的重要來源。微生物能被吸附在顆粒的表面上，隨水體進(jìn)入湖泊。國外對(duì)廢水或水體中吸附在顆粒上的病毒數(shù)實(shí)驗(yàn)：有顆粒物的水體中病毒和經(jīng)過過濾后水體中病毒數(shù)的關(guān)系為：r=3N(1)式中：r-顆粒物中病毒的濃度;N-水體中的病毒濃度。2004年，余暉、張學(xué)青和夏星輝等從化學(xué)和微生物兩個(gè)方面對(duì)這一問題做了較細(xì)致的研究，得到了以下主要結(jié)論：在其他條件一致的情況下，泥沙含量的增加使固相載體上吸附的氨氮總量增加，但就單位質(zhì)量顆粒物所吸附的量而言，低含量條件下吸附的氨氮量較高;在溫度、培養(yǎng)時(shí)間和充氧等條件一致的情況下，泥沙含量高低對(duì)氨氮消化速率存在顯著影響，泥沙含量越高，消化速率越快。泥沙含量分別為0、18

17、4 g/L和5.0 g/L時(shí)，其平均消化速率分別為1.15 mg/(Ld)、1.63 mg/(Ld)與2.45 mg/(Ld);水中泥沙含量的高低對(duì)氨化細(xì)菌、亞硝化細(xì)菌和硝化細(xì)菌的數(shù)量均有顯著影響，泥沙含量越高，這3種細(xì)菌的數(shù)量越多(在泥沙含量為184 g/L的水中硝化細(xì)菌的峰值為30萬個(gè)，在泥沙含量為5.0 g/L的水中硝化細(xì)菌的峰值增加至95萬個(gè))，且細(xì)菌主要生長(zhǎng)于泥沙-水的界面附近，固相載體上的細(xì)菌數(shù)明顯高于液相中的細(xì)菌數(shù)16。排入水體的細(xì)菌和病毒可能吸附在顆粒物表面，然后被顆粒物帶入湖泊和懸浮污染顆粒上。比起水體中，微生物能夠在底泥沉積中生存更長(zhǎng)時(shí)間。如果底泥中吸附高濃度的微生物，底泥沙子再懸浮和解吸就成為湖泊污染的重要來源。6 結(jié)論隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)活動(dòng)的發(fā)展，人類活動(dòng)的各種影響迅速滲透到衡