生态水利是可持续发展的必然选择

——海河流域沧州区域生态环境修复设想
作者:王长明    文章来源:水利规划与设计    点击数:1616    更新时间:2010/10/15

  [摘要]过去对生态的保护重视不够, 造成水利工程修建的越多, 水资源开发程度越高, 生态问题就越突出的局面。随着经济发展、社会进步, 生态建设已成为时代发展的主题, 生态水利是可持续发展的必然选择。沧州市处在海河南系末梢, 地表水严重不足, 深层水高度开发, 是典型的生态环境恶化地区, 本文意在分析生态环境问题成因及危害, 提出生态环境修复设想。

  [关键词]生态水利 可持续发展 水资源 可持续利用 生态环境修复 流域与区域

  [中图分类号]X321  [文献标识码]B  [文章编号]1672-2469 (2010) 02-0011-04

  1  过度索取水资源及其伴生的生态环境问题

  1.1 气候变化对水资源的影响

  1.1.1 全球变暖降水减少

  全球变暖降水减少, 是当前全世界面临的重要自然资源危机。沧州市20世纪50~90年代年平均降水量在随年代减少。降水是地表自产水资源的决定因素, 随着降水量的减少, 地表水资源量亦减少, 60~70年代平均地表水资源量分别相当于多年平均值的166%、139% , 80 年代相当于多年平均值的57% , 90 年代相当于多年平均值的49% , 至21世纪前5 年, 平均地表水资源量减少到50 年来的最低值, 仅相当于多年平均值的32%。

  1.1.2 高温干旱加剧了水资源短缺

  据美国每日科学网站报道, 近年来, 全球气温在持续地激烈上升, 测得25个最热的年份里,有20个都属于最近25 年。沧州市20 世纪50 ~90年代年平均气温上升了1.1℃。往往是高温干旱同时出现, 80 年代后又连续发生干旱。气温对水资源的影响主要表现在高温使水体蒸发加大, 高温加剧了旱情, 使农田需水量增加, 高温也使城市生活用水增加, 加大了城市供水的压力, 高温干旱使水的供应雪上加霜, 加剧了水资源短缺。

  1.2 人类活动对生态环境的影响

  1.2.1 上游建水库使得下游径流发生不利变化

  我国水旱灾害频繁, 由于洪涝灾害、干旱缺水的矛盾突出, 长期以来水利建设的任务主要是防洪、供水和灌溉。海河流域20 世纪50 年代中期开始在上游建水库等拦蓄工程, 目前已建成了控制山区总面积85%的大型水库31 座, 总库容249亿m3 , 总库容达多年平均径流量的109%。山区径流绝大部分被水库拦截, 使春季流入丘陵和平原区的地表水流大量减少, 河道常年断流,湖泊和湿地失去了稳定的补给水源, 入海水量大幅度减少。沧州市地处九河下梢, 是径流蓄积与集中排泄区, 20 世纪50 ~60 年代在天然年径流充沛的状态下, 河道常年有水。80年代以后径流量逐步减少, 由60年代的20亿m3 到80年代的3亿m3 , 减少了85% , 入海水量由60年代的17亿m3 到80年代的1亿m3 , 减少了94%。河道开始出现干涸断流。

  1.2.2 强采地下水破坏了水循环规律

  沧州市地下水分布有大面积咸水、碱性水和高氟水, 处于比较脆弱的自然环境中。20世纪60年代中期前, 工农业生产及城镇生活用水全部靠地表水, 仅远离河流村庄的人畜饮水取用少量浅层水。随着经济发展加快, 70 年代浅机井建设也加快,到20世纪末已有浅机井7.3万眼, 开采量5.5亿m3 / a, 超采量0.45 亿m3 / a, 浅层水位逐步下降,水位埋深由60年代的2m降到90年代的6m, 并形成了肃宁、河间、献县西部和南皮、孟村、盐山交界处两个浅层水漏斗区; 70年代深井数量急剧增加, 也由此开始了深层水超采的历史, 到20世纪末已有深井2.1万眼, 开采量8.5亿m3 / a, 超采量5.6亿m3 / a, 1970 ~2007 年已累计超采73 亿m3 , 深层水位大幅度下降, 全市平均水位埋深由1970年的18.93m降至2007年的64.66m, 并形成了以沧州市区为中心, 沧州、青县、黄骅、任丘等多个漏斗组成的区域性深层水漏斗, 2007 年漏斗中心最大水位埋深达102.84m, 水位不断下降, 汇水补给面积不断扩展, 漏斗同时加深扩大, 大于- 60m封闭面积已达8530km2 , 占全市总面积的61%。

  1.3 生态环境问题成因及危害

  1.3.1 河道断流引发的生态环境问题

  随着上游建水库控制, 下游的水量越来越少, 20世纪80 年代以后, 断流已成为沧州境内河道的主要特征, 经调查南运河等6条主要河道断流情况, 60 年代年均断流80 天, 到90 年代年均断流达347天, 并引发了河流的生态与环境改变等一系列问题。一是历史上大片洼淀湖泊几乎消失殆尽, 导致明显的气候干旱化; 二是径流量锐减, 自净能力下降, 水体污染加剧, 水功能区绝大多数水体因污染而失去了使用功能; 三是水沙失衡, 引起河道和河口淤积, 大大降低了行洪和排涝能力, 主要行洪河道过水能力已较设计标准降低了30% ~50% , 防洪安全受到严重威胁; 四是切断了为河道多种生物输送养分的供给线, 阻断了洄游通道, 特有的珍贵水产资源都已绝迹, 生物多样性退化; 五是入海的淡水量减少, 近岸海域的盐度相应增加, 加上大量污染物的排入, 使近岸海域赤潮频发等。2001 年以来河北省海域已发生赤潮18 次, 对海洋生态环境和养殖业造成了很大危害。

  1.3.2 湿地破坏引发的生态环境问题

  湿地是地球上具有多种独特功能的生态系统, 它不仅为人类提供大量食物、原料和水资源, 而且在维持生态平衡、保持生物多样性、调节稳定气候等方面都有十分重要的作用。但长期以来, 人们缺乏对湿地重要性的认识, 保护湿地的意识淡薄, 使湿地遭到了严重破坏。20 世纪50年代沧州市南大港湿地面积200km2 , 70 年代以来湿地面积不断缩小, 目前湿地面积仅有61km2 。白洋淀干淀历史上并不多见, 自明清有记载的400 多年间只发生过四五次, 但1983 ~1988年发生了连续6年的彻底干淀, 此后为防止干淀, 从周边以及跨流域调水, 先后18 次给白洋淀补水, 即便是这样, 也已数次干淀, 由于多次干淀或持续低水位运行, 造成淀内生物种类锐减, 有的甚至绝迹。据调查, 1965年白洋淀内有鱼类17 科54 种, 到20 世纪末鱼类下降到仅有11科18种。湿地的破坏对生态环境产生了重要影响。

  1.3.3 深层地下水超采引发的生态环境问题

  长期在负均衡条件下开采深层水, 水位大幅度下降, 形成漏斗。在漏斗区, 大量泵井失效, 泵井更新, 经济损失巨大。漏斗区内同时产生地面沉降, 据相关分析, 超采量越大, 水位下降越快, 地面沉降越严重。沧州市从1970年开始地面沉降到21世纪初, 沉降中心累积沉降量已达2236mm, 已成为我国最典型, 沉降量最严重的区域之一。地面沉降造成行洪排涝防御标准降低, 地下管网破坏,铁路运输安全受威胁, 国家高程控制标志点失效,风暴潮频发, 浅层地下水位抬高等, 其危害十分严重。大量集中开采深层淡水, 也为咸水入侵、地下水质污染提供了水动力条件。沧州市大部分区域深层水为有咸水区, 由于在有咸水区集中开采淡水,咸水未开采, 使咸水水位高于淡水水位, 两含水组间水头差导致咸淡水界面向淡水移动, 沧县和河间市咸淡水界面下移10m的面积已达1959km2。沧州市地下高氟水的形成既由海陆交替相富氟环境地质特点所决定, 又受开采深层水人为因素影响, 大量开采深层水时, 会使含水层水头下降, 当含水层与黏性土间水头克服水与土颗粒间的结合力时, 黏性土层中的水被挤出, 其中呈吸附状态的氟离子同时被释放出来, 使得深层水中氟离子增高, 据调查典型井来看, 1975 ~1985年第Ⅲ含水组含氟量年均升高0.1~0.4mg/L。目前沧州市有1 /3的人饮用深层高氟水。

  2 生态环境修复设想

  2.1 转变治水思路, 发展生态水利

  水是有限的重要自然资源, 从多年的实践中,人们已逐步认识到水是生态与环境的控制性要素,水不仅关系到经济社会的可持续发展, 而且关系到生态可持续发展。生态水利是按照生态平衡的要求, 把人和水体作为整个生态系统的要素来考虑,照顾到人和自然的共同需求, 通过建立有利于促进生态水利工程规划设计和调度管理的运行机制, 达到生态系统改善优化、人与自然和谐、水资源可持续利用、经济社会可持续发展的目的。生态水利是人与自然和谐的发展理念, 是对传统治水模式的革命, 因此, 须转变治水思路, 把水利发展方向定位在生态水利上。

  2.2 改变水库调度方式, 建立生态调度模式

  现行的水库调度没有考虑其对下游生态环境的影响, 进而引发了一系列生态环境问题。应改变水库调度方式, 建立基于河流流域生态健康的水库调度模式。生态调度是一个新概念, 目前有专家提出的生态调度内容包括: 生态需水调度,以满足河流生态需水为目的, 保持河流一定自净能力的需水量, 防止河流断流的需水量, 维持河流水生物繁衍生存的需水量, 维持与河流连接的湖泊、湿地的需水量, 维持河口生态以及防止咸潮入侵的需水量; 生态洪水调度, 水库的调节使得河流水文过程均一化, 失去了自然的水文情势, 须模拟自然水文情势的水库泄流方式; 泥沙调度, 水库可通过调整出库水流的含沙量和流量过程, 尽量降低下游河道冲刷强度; 水质调度,可利用水库调度蓄丰泄枯, 增加枯水期水库泄放量, 提高下游河道环境容量, 改善水质; 生态因子调度, 如可根据水库水温垂直分布结构, 通过下泄方式的调整, 提高下泄水的水温, 满足下游水生动物产卵、繁殖的需求。《中华人民共和国水法》明确了水资源实行流域与区域相结合的管理体制, 应充分发挥流域机构的职能作用, 加强水资源流域统一管理, 实施水库生态调度。

  2.3 以实现地下水良性循环为目标, 合理开发利用水资源

  2.3.1 水资源开发利用思路

  沧州全市范围为深层水严重超采区, 超采区要逐步压缩超采, 达到采补平衡。实现上述目标, 首先要合理调控当地水资源, 以开发浅层水(包括咸水) 为基础, 建设以土壤及潜水含水层的地层空间, 作为调节大气降水、土壤水、地下水、地表水的地下水库, 科学调控地下水埋深, 最大限度地把时空分布不均的天然降水和地表径流转化为可持续利用的水资源。在大量压缩深层水开采量远不能满足供需要求的情况下, 通过外调水(引黄、引江、引王快水库水) 和非常规水资源(海水、咸水、污水) 增加供水量, 建设节水型社会、减少需水量, 达到供需平衡。

  2.3.2 地下水开采量与埋深控制指标

  (1) 地下水开采量控制指标。浅层水可开采量是指在经济上合理、技术上可能、环境条件允许的情况下, 能够获取的最大补给资源量。经计算,沧州市浅层水多年平均可开采量为5.0亿m3 , 溶解性总固体2~3g/L微咸水、3~5g/L弱咸水和大于5g/L咸水的可开采量分别为4.0亿m3、1.8亿m3 和1.6亿m3。深层承压水, 不具有持续开发意义, 需要开发深层水, 应确定出限定水头下降值条件下的允许开采量。采用年降深为0m时的允许开采量作为限采量, 经计算, 沧州市深层水限采量为2.9亿m3。

  (2) 地下水埋深控制指标。研究表明: 沧州市旱季防治盐碱化的浅层水临界深度2 ~3m,雨季前防涝蓄雨浅层水临界深度4 ~6m。沧州市地面沉降速率与深层水埋深有关, 埋深超过60m是20 ~60m速率的8.5 倍。深层水埋深必须控制在60m之内, 防止地面沉降量大幅度增加。

  2.3.3 深层地下水压采目标与水源替换措施

  (1) 深层水压采目标。近期, 南水北调通水前, 控制全市深层水超采量不再增加, 至2010年深层水减少现状年开采量的25% , 减少开采量1.8亿m3 , 其中沧州市等4个引黄市、县的城区关停自备井, 压采量0.2 亿m3 , 农村压采量1.6亿m3 , 遏制了地下水环境恶化趋势; 中期, 南水北调初步配套工程建成通水后, 至2015年深层水减少现状年开采量的35% , 减少开采量2.5 亿m3 , 其中实现通水的任丘等6县(市) 城区关停自备井, 压采量0.5 亿m3 , 农村压采量2.0 亿m3 , 使地下水超采得到有效控制; 远期, 南水北调工程全部建成通水后, 至2020年深层水减少现状年开采量的40% , 减少开采量2.9亿m3 , 其中所有县(市) 城区全部用引江水, 城区自备井全部关停, 压采量0.8 亿m3 , 农村压采量2.1 亿m3。使地下水逐步达到采补平衡, 向地下水良性循环方向发展。

  (2) 水源替换措施。①引黄引江水替换深层水。1996年大浪淀水库建成后每年引黄河水0.6亿m3 , 保证了市区生活和部分工业用水, 关闭了市自来水厂深井水源地。到2007 年已关停了市区全部自备深井。2009 年建成滨港供水工程后, 东部渤海新区城市和工业用水全部由深层水改为黄河水。南水北调通水后, 引江水替换深层水作为城市、生态和部分农业用水。②利用海水和地下咸水替换深层水。2006 年, 国内规模最大, 日产淡水2万t的海水淡化设备, 在沧东电厂制水成功。2010 年沿海区域需冷却用海水12亿m3 (相当0.5 亿m3 淡水循环利用) , 冷却用水中97%可用海水替代。近年来, 采用咸水淡化技术解决了工业用水和农村饮水问题, 最近又研究提出除饮用、洗漱外的城市生活利用地下咸水。今后沧州市每年可利用咸水1.2 亿m3 替换深层水。③利用污水替换深层水。目前沧州市已建成运东等5 座污水处理厂, 到2010 年, 全市各县(市) 均建成污水处理厂。2010 年、2015年、2020 年的污水利用量分别为0.56 亿m3 、0.66亿m3 、0.93 亿m3 。经处理后的污水可替换深层水作为农业灌溉、工业、生活市政杂用等用水。

  2.3.4 地下水保护管理措施

  (1) 调整深井布局。沧州市现有深井18811眼, 密度大, 分布不合理。南水北调通水转换水源后, 合理调整机井数量和布局, 机井数量控制在6720眼。井距控制在运西800~1000m, 运东1000~1500m。

  (2) 限制地下水开采量。有效限制地下水开采量须有法制保障。国家应制定《地下水法》或修改完善《中华人民共和国水法》, 地方制定配套的地方性法规, 对地下水禁采、限采、开采数量、开采层位、开采深度、机井管截面积等做出硬性规定。

  (3) 关停深井。2007年沧州市区的自备井全部关停后, 漏斗中心水位已回升近10m, 漏斗面积缩小了341km2 , 年均地面沉降量从88mm减少到50mm以下, 生态环境效益非常显著。南水北调通水后, 将最终停止所有县(市) 城区开采深层水,涵养地下水资源。

  (4) 人工回灌。近期人工回灌可利用地下水库水源, 地下水库主要通过拦蓄的地表入渗水进行补给。汛期利用现有机井, 在深浅井水位差的作用下进行自流回灌。远期利用引江水和经过处理后的中水, 采用回灌设备系统回灌。

  (5) 完善水价形成机制。一是要适当提高水资源费征收标准, 实行地下水保护价, 城市地下水资源费达到自来水价格。要制定鼓励开发利用咸水、使用再生水的价格政策, 咸水按水资源费标准减半或更低标准征收, 再生水价格与自来水价格拉开一定的差距; 二是改革水价计价方式。对限制类、淘汰类及高污染工业企业用水实行差别水价,城市居民生活用水全部实行阶梯式水价, 农业用水推行到农户的终端水价。

  3 结语

  长期以来, 由于对水资源的无节制开发, 导致了河道断流、湿地破坏、地下水超采, 这些都是人类向大自然无节制索取的结果。社会发展到今天, 必须转变对水的认识, 正确处理水资源开发利用与生态保护的关系, 高度重视水利建设中的生态问题, 推进生态建设。沧州市因缺水超采深层水引发的生态环境问题十分突出, 治理深层水超采需大量压采, 通过合理调控当地水, 充分利用非常规水资源, 积极引调地表水, 替换深层水。实践证明, 减少深层水开采量, 采取人工回灌等综合措施, 可使地下水位得到回升, 有效地控制或减缓地面沉降,修复与改善生态环境。

  参考文献

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  6 王长明, 等.沧州市地下水开发利用与保护[ J ] .水资源保护, 2007 (增) : 77-80.

  作者简介: 王长明(1948年—) , 男, 高级工程师。

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