南水北调对海河流域水生态环境影响分析(1)程

摘要：海河流域多年平均水资源总量为372亿m3，流域人均总水资源占有量仅有305m3，是全国缺水最为严重的流域，水资源的严重短缺大大制约了区域国民经济的发展。更为严重的是，长期以来海河流域水资源的开发利用片面强调了满足经济发展需求，忽略了生态环境的保护和改善，致使流域的生态环境出现整体退化。在南水北调工程总体规划中，工程供水目标以城市生活和工业用水为主，兼顾农业和生态。依据《黄淮海流域水资源合理配置与南水北调工程总体布局》的研究成果，推荐的基本调水量方案2010年和2030年向海河流域供水分别为60.6亿和95.7亿m3，高方案2010年和2030年向海河流域分别供水69.3亿和103.3亿m3。如此大量外调水的流入必将对海河流域的水循环和水生态环境产生巨大影响，本文就这个问题展开相关分析。

关键词：南水北调 海河流域水 生态环境

海河流域多年平均水资源总量为372亿m3，流域人均总水资源占有量仅有305m3，是全国缺水最为严重的流域，水资源的严重短缺大大制约了区域国民经济的发展。更为严重的是，长期以来海河流域水资源的开发利用片面强调了满足经济发展需求，忽略了生态环境的保护和改善，致使流域的生态环境出现整体退化。在南水北调工程总体规划中，工程供水目标以城市生活和工业用水为主，兼顾农业和生态。依据《黄淮海流域水资源合理配置与南水北调工程总体布局》的研究成果，推荐的基本调水量方案2010年和2030年向海河流域供水分别为60.6亿和95.7亿m3，高方案2010年和2030年向海河流域分别供水69.3亿和103.3亿m3。如此大量外调水的流入必将对海河流域的水循环和水生态环境产生巨大影响，本文就这个问题展开相关分析。

1 海河流域水生态环境现状

1.1 水污染严重

1998年，全流域废污水排放总量已达到55.6亿t，这些废物水中大部分末经处理就直接排入河流和水库，造成地面水的严重污染。流域现状地表水的污染河长比例高达75％，2／3站井的地下水达不到饮用水要求，水污染形势十分严峻。

1.2 河道干涸、功能退化

由于用水大量增加，造成河道干涸断流、河道功能退化等问题。现状流域各河大都成为季节性河流。据初步统计，在流域一、二、三级支流的近10000km河长中，已有约4000km河道长年干涸。一些河道虽然有水，但主要是由城市废污水和灌溉退水组成，基本没有天然径流，“有河皆干，有水皆污”已成为海河流域的一个突出问题。河道干涸还引发河道内杂草丛生、土地沙化、土壤盐分累积。山前平原与河道两岸附近的浅层地下水位持续下降地区，河流冲积沙地和砂质褐土、砂质潮土、砂质草甸土等耕地沙化趋势严重，沙土随风迁移造成覆盖沙地。近30年来，流域内“沙化”土壤面积不断扩大。由于缺少人海水量，山区进入平原的径流、引黄水量和降雨中带来的盐分不能排出，引起区域性的积盐。

1.3 入海水量锐减、河口生态环境退化

统计表明，90年代与50年代相比，流域年平均入海水量减少了72％。90年代年平均入海水量只有68.5亿m3，只相当于总水资源量的18％，而且40％集中在滦河及冀东沿海地区。由于入海径流减少，各河河口相继建闸拒咸蓄淡，引起闸下大量海相泥沙淤积。据统计，闸下总淤积量达9500万m3，致使海河流域骨干行洪河道泄洪能力衰减40％。另外陆源污染也给河口近海地区造成很大影响。渤海湾受纳天津、北京两大城市的污水，无机氮、无机磷、化学耗氧量等指标严重超标。由于入海径流减少和严重的污染，河口地区具有经济价值的鱼类基本上绝迹，渤海湾著名的大黄鱼等优良鱼种基本消失。近10年来，渤海赤潮频频发生，造成了严重的经济损失。

1.4 湿地大幅度减少、生物多样性消失

50年代海河流域有万亩以上的洼淀190多个，洼淀面积超过10000km2。现今，除白洋淀和部分洼淀修建成水库外，大部分的洼淀都已消失或退化，即使加上30多座大型水库和100多座中型水库，湿地面积仅剩2000多km2。在区域湖泊洼地演变过程中，人类活动干扰是其中最重要的驱动因素。以白洋淀为例，50年代以后，白洋淀上游兴建了总库容达36亿m3的水库，大大减少了入淀水量，1964～1981年，白洋淀因围垦造田减少了90％的湖面面积，导致1966～1995年出现5次干淀，1990～2000年又多次面临干淀的威胁，依靠定期补水才得以维持。

1.5 地下水严重超采

海河流域地下水大规模开采始于70年代。到1998年，扣除补给量后，全流域已累计消耗地下水储量896亿m3，其中浅层地下水471亿m3，深层水425亿m3。地下水过度开采造成了地面沉降、地裂和塌陷等一系列环境地质问题。天津和流域中东部平原已发生区域性地面沉降。至1998年，河北平原累计沉降量大于300mm的面积达1.82万km2，天津市累计沉降量大于1500mm的面积133km2。平原区已经发现地裂缝近200多条。地下水位下降还引发海水入侵和咸水入侵等问题，使得成淡水边界向淡水区移动。

1.6 水土流失严重

水土流失是海河流域主要自然灾害之一。海河流域年降雨量虽然不大，但多以暴雨形式出现，而另一方面流域内山区地面坡度较大，且土质疏松，植被覆盖率低，加之人口密度大，生产落后，广种薄收，陡坡开荒等人为因素，导致流域内山丘区存在严重的水土流失问题。

1.7 污灌造成环境污染和健康危害

由于水资源短缺，海河流域排放的废污水很大一部分被用于农业灌溉，绝大部分灌溉污水未经任何处理，给周边环境和人体健康带来危害。

2 海河流域水循环与水生态环境关联分析

流域的水循环与水生态环境有着极为密切的天然联系，千万年来大自然所形成的自然水循环造就了一个地区特有的稳定水生态环境。而近几十年来由于人类对水资源的大规模开发利用改变了水的自然循环，使一些地区稳定的水生态环境趋于不稳定，并出现流域水生态环境整体退化现象，海河流域就是这样一个典型。南水北调工程直接对流域进行大规模补水，加大了流域水循环通量，虽然其直接主要供水目标不是流域生态环境，但也会对流域的水生态环境产生一定影响。为了定量研究评估这种影响，首先需要研究流域水循环与水生态环境之间的自然关联。

2.1 流域水循环与水生态环境关联分析方法

为了比较简单清晰的描述流域总体水循环的状态及其与水生生态环境的关系，本研究不着眼于流域内降雨、地表水、地下水和土壤水之间的转换关系，而以整个流域为一个单元，以年为尺度，重点描述流域各种水量变化与各种耗水之间的关系，以揭示水循环过程、状态与水生态环境演变的宏观关联。

研究的方法是在水平方向以流域边界为界，在竖直方向以深层地下水上隔水层为下边界，以地表及其附属物、植被为上边界形成一个封闭的单元。首先分析年度间进入单元的总水量，单元内的总蓄变量和总消耗量，摸清水循环过程中各种水量之间的转化关系，然后分析各种水量对不同水生态环境子类的驱动关系，以此分析和判断流域水生态环境的现状和对未来的水生态环境进行分析和评估。水循环的过程可通过水量均衡方程式来表示。

twe－△tws＝twc

式中：twe——进入单元的总水量；

△tws——单元的总蓄变量；

twc——单元的总耗水量。

在水量均衡方程式中，进入这一单元的水量有降雨形成的当地水资源总量（包括地表水和地下水资源量并扣除二者的重复计算量）、从外流域调入的地表水水量和从深层开采的地下水量三项；平衡方程中的总蓄变量是当年在单元内增加（或减少）的水量，包括水库蓄变量和浅层地下水蓄变量；总耗水量是指通过不同方式排出本单元的总水量，主要包括水平排出单元的入海水量和竖直排出的蒸发消耗量。总耗水量又可以根据其消耗性质分为经济社会耗水量和非经济社会耗水量。经济社会耗水量是指由人工供给的用于国民经济发展和人类生活所消耗的水量，包括农业用水、工业用水、城市生活和农村生活用水的消耗。而非经济社会耗水可视为水生态环境消耗水量，包括维护河口生态环境的入海水量，水系生态环境耗水量和陆地生态环境耗水量。其中水系生态环境耗水量包括天然河道水面蒸发量、湖泊湿地水面蒸发量和城市河湖水面蒸发量。陆地生态环境耗水是指平原区和山区河谷盆地陆地上地下水的腾发量，但不计灌溉回归地下水的腾发量。

应用以上方程式可以描述流域单元的整个水循环过程和状态，同时由于水循环中的各项几乎都与水生态环境有着极为密切的关系，因此通过水循环中各项的分析就可以反映出流域水生态环境的状况。上述水量均衡方程式中的各收支项可以对三类水生态环境问题进行分析评价：第一类有关地下水超采问题，包括进入单元的总水量中的深层开采量以及浅层地下水蓄变量。从多年平均来看，如深层开采量过大形成深层超采或浅层地下水蓄变量小于零形成浅层地下水超采时，水生态环境就受到破坏，超采量越大，受破坏的程度就越深，直至出现地面沉降、地裂和塌陷以及引发海水入侵等各种环境问题；第二类是水系生态环境耗水量和陆地生态环境耗水量减少问题，如果二者特别是水系生态环境耗水量不能达到一定要求，则会出现河道干涸，湖泊萎缩，湿地消失、土壤沙化、生物多样性消失等一系列生态环境问题；第三类是入海水量衰减问题，如果入海水量不能满足河口生态环境要求，则河口海区会出现盐度升高、升温迟缓、松散的底质消退，进而影响鱼类产卵、生长，导致近海渔业资源的衰退。此外，入海水量减少还造成泥沙淤积、河道萎缩、河道自然功能下降。

在流域水循环中，水量平衡方程两侧收支各项是遵循流域水循环的规律相互关联的，即来水。蓄存和消耗量之间存在此消彼涨的关系，比如经济社会耗水增加，非经济社会耗水必然减少；河道、湖泊湿地耗水增加，入海水量也会减少。因此区域水循环的状态可能会因为人类不合理的开发利用而被改变，从而引发严重水生态环境问题；但另一方面通过区域水资源合理的开发利用与优化配置，甚至采用跨流域调水，可以重新调节水循环状态而使区域水生态环境得以改善。

从以上分析可以看出，流域水循环的收支平衡关系直接影响流域水生态环境状况，因此既可以利用水循环的状态来评价水生态环境情况，还可以通过分析预测不同水资源开发利用方案情况下的流域水循环状态去预测流域水生态环境未来情景，进而从流域水生态环境的角度去调整水资源的开发利用方案，以实现区域水资源开发利用与生态环境的相互协调，这就是水循环与水生态环境关联的分析方法和思路。

在此需要特别补充说明的是，由于本单元将深层地下水上隔水层作为单元的下边界，对深层地下水的开采作为系统的输入处理，因此关于地下水超采问题并不放在循环过程当中进行研究，而是利用深层地下水补给相对稳定的特点，通过直接比较单元该部分输入和深层地下水补给量的大小来进行判断。

2.2 海河流域现状水循环与水生态环境关联分析与评价

根据以上水循环与水生态环境关联物理模型的分析，建立了相应的流域水循环与水生态环境关联的数学模型。应用1994～1999年水资源公报和海河流域水资源规划的相应数据，对单元水量平衡方程各项进行了计算，得到相关的水生态环境现状评价结果，见表1。

表1 海河流域1994～1999年流域水循环相关数据与计算结果（单位：亿m3）

数据来源：1994～1999年《水资源公报》和《海河流域水资源规划》。

从表1中进入单元总水量栏可以看出，进入单元的总水量主要受降雨影响。如降雨最小的1997年和1999年，年降雨量分别为366mm和385mm，进入单元的总水量分别为329.6亿m3和317.6亿m3；降雨量最大的1995年和1996年，年降雨量分别为609.0mm和599mm，进入单元的总水量分别为556.5亿m3和635.1亿m3。进一步考察表1数据总体构架和变化，由于流域降雨年际变化大，因此不同年份进入流域的总水量变化很大，变幅可高达300亿m3，导致相应的蓄变量和总耗水量变化也很大。当流域单元在输入减少条件下，总耗水量也减小，同时蓄变量也呈现为负值，说明枯水年份会消耗地表水和地下水的蓄存量以支撑国民经济的发展。

另外从表1输入栏和蓄变量栏间的数据波动关系看出，总水量加外调水量与深层开采量加浅层超采量之间有非常明显的负相关关系，前者越小，后者就越大，说明在当地水资源与外调水量不足的情况下，对深层地下水的开采量和浅层地下水的开采量成为满足区域用水需求的主要途径，从而发生超采并引发相关生态环境问题。

考察枯水年份的各分项耗水，可以发现尽管总耗水量大幅度减少，但在一定国民经济发展水平下经济耗水量的变化不大，变幅大多在10亿m3以内，而非经济社会耗水会大幅度减少，与总耗水量呈明显的正相关关系。这进一步说明了即使在降雨小、水资源量少的情况下，经济社会用水并未因此受到较大幅度的影响，仍然通过超采深浅层地下水、挤占非经济社会耗水等手段来维持，总耗水的减少几乎完全转嫁为非经济社会耗水量的减少。在非经济社会耗水项各栏中，水系生态耗水目前所占比例很小，非经济社会耗水的大量衰减主要是减少了入海水量，从而对河道内和入海口的生态环境造成破坏。

比较非经济社会耗水和入海水量，可以发现二者之间存在良好的正相关关系（图1）。对非经济社会耗水量和入海水量进行回归得到方程：

式中：x——流域非经济社会耗水量

y——入海水量

该关系式相关系数r2＝0.9381，相关关系极为显著。因此在得知非经济社会耗水的情况下可由此式推求入海水量，反之亦然。

图1 入海水量与非经济社会耗水量关系图

以上探讨了海河流域近年的水循环状态，从它与生态环境的关联中可知，目前海河流域地下水超采严重，虽然全流域浅层地下水蓄变量6年平均衰减8.9亿m3，但由于超采区比较集中，因此超采区生态环境破坏严重；另一方面流域水系生态环境耗水量很小，说明流域内河道干涸、湖泊湿地萎缩现象由来已久，水系生态系统长期处于破坏状态，给今后流域的河流、湖泊、湿地生态系统的恢复带来很大困难：现状入海水量在偏旱年份仅有十几亿m3，在一般年份也只有几十亿m3，河口生态环境堪忧。

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