南水北調(diào)中線工程受水區(qū)生態(tài)補(bǔ)水目標(biāo)及優(yōu)先級研究

張麗麗,殷峻暹

(1.河海大學(xué)水文水資源學(xué)院,江蘇南京 210098;2.中國水利水電科學(xué)研究院水資源研究所,北京 100038)

1 研究背景

南水北調(diào)中線工程的主要供水區(qū)域是黃淮海平原,屬于北方嚴(yán)重缺水地區(qū)之一。南水北調(diào)中線工程穿越長江、淮河、黃河、海河4個(gè)流域,影響北京、天津、河北、河南4省(直轄市)的 100多個(gè)城市,輸水總干渠全長1432km,受水區(qū)面積為15.5萬km2。中線工程從長江中游最大支流漢江的丹江口水庫引水,年均可調(diào)水95億m3。其主要供水目標(biāo)是城市生活和工業(yè)用水,兼顧農(nóng)業(yè)和生態(tài)用水。王政祥等[1]對漢江水源區(qū)與唐白河、淮河、海河南北系受水區(qū)豐枯遭遇分析表明,水源區(qū)與各受水區(qū)同豐、同枯概率較小,能發(fā)揮調(diào)水效益的豐枯遭遇概率在67%～82%;韓宇平[2]等對中線水源區(qū)與受水區(qū)豐枯遭遇分析表明,自南向北能發(fā)揮調(diào)水效益的頻率從61.0%增加到77.0%,而同豐、同枯遭遇幾率沿程逐漸減小。上述研究表明,在水源區(qū)水資源比較充沛時(shí),利用丹江口水庫富余水量可相機(jī)補(bǔ)充受水區(qū)生態(tài)用水,尤其在南水北調(diào)中線工程運(yùn)行初期,受水區(qū)配套工程未完全實(shí)施達(dá)效之前,北調(diào)水在滿足城市生活和工業(yè)用水后,有部分水量可用于改善受水區(qū)的生態(tài)環(huán)境,減少地下水超采,實(shí)現(xiàn)對地下水回補(bǔ)。因此,南水北調(diào)工程是緩解我國北方水資源嚴(yán)重短缺、優(yōu)化水資源配置、改善生態(tài)環(huán)境的戰(zhàn)略性基礎(chǔ)設(shè)施。

在南水北調(diào)中線工程受水區(qū)范圍內(nèi),長期的地下水超采使得局部地面沉降、地面塌陷、地裂縫等地質(zhì)災(zāi)害多有發(fā)生。據(jù)統(tǒng)計(jì),截止2006年,河南省淺層地下水超采面積區(qū)約1.75萬km2,河北省淺層地下水超采面積約3萬km2,北京市地下水超采區(qū)面積約5659km2,天津市地下水超采面積區(qū)8000余km2。河北省中線工程供水區(qū)沉降大于300mm的面積達(dá)15224 km2,海河流域已發(fā)現(xiàn)地裂縫200多條[3]。平原區(qū)河道干涸,湖泊洼淀面積萎縮,地表植被退化、風(fēng)沙加劇。20世紀(jì)50～60年代,華北平原分布著200多個(gè)湖泊洼淀,面積超過10000km2。而現(xiàn)今,除白洋淀和部分洼淀修建成水庫外,大部分洼淀都已退化或消失,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[4]。素有“華北明珠”之稱的白洋淀,自20世紀(jì)50年代以來,已發(fā)生干淀15次[5]。因此,南水北調(diào)中線工程受水區(qū)急需生態(tài)補(bǔ)水的目標(biāo)多、范圍廣,而在生態(tài)可調(diào)水量相對不足的情況下,如何科學(xué)識(shí)別出重點(diǎn)生態(tài)補(bǔ)水對象,對于使有限水量發(fā)揮最大的生態(tài)效益意義重大。

鑒于此,立足于南水北調(diào)中線工程相機(jī)生態(tài)補(bǔ)水的實(shí)際需要,筆者以水資源三級區(qū)為基本單元,建立評價(jià)指標(biāo)體系,通過ArcGIS自動(dòng)分級,分析南水北調(diào)中線工程受水區(qū)生態(tài)水文級別,結(jié)合中線工程生態(tài)補(bǔ)水方式與工程條件,確定南水北調(diào)中線工程生態(tài)補(bǔ)水目標(biāo)及優(yōu)先級別,為南水北調(diào)中線工程實(shí)施生態(tài)補(bǔ)水調(diào)度提供理論基礎(chǔ)和科學(xué)依據(jù)。

2 水資源三級區(qū)生態(tài)水文分級

2.1 生態(tài)水文分級評價(jià)指標(biāo)體系

指標(biāo)體系是進(jìn)行生態(tài)水文分級的理論基礎(chǔ)和操作依據(jù),指標(biāo)體系的確定應(yīng)該盡可能地體現(xiàn)研究區(qū)域生態(tài)水文的分異規(guī)律。根據(jù)南水北調(diào)中線工程受水區(qū)的地勢、氣候、水文以及人類活動(dòng)影響等特征,通過對研究區(qū)域生態(tài)與水文相關(guān)因素分析,并參考構(gòu)建生態(tài)水文分區(qū)指標(biāo)體系相關(guān)研究成果[6-7],同時(shí)考慮指標(biāo)收集的難易程度和完整性,選取三類生態(tài)水文分級指標(biāo):生態(tài)條件、水文條件以及人類活動(dòng)影響。具體指標(biāo)體系見表1。

生態(tài)條件:自然條件下,生態(tài)系統(tǒng)主要由氣候、地勢、植被、土壤等因素決定。因此,選取森林覆蓋率、草地覆蓋率、年日照時(shí)數(shù)與年均溫度等指標(biāo)來反映生態(tài)系統(tǒng)狀況以及存在的生態(tài)問題。

水文條件:水文條件一直是影響生態(tài)系統(tǒng)健康的首要因素,水是一切生物生存必備的基本條件之一,體現(xiàn)在對植被(植物生態(tài)系統(tǒng)和動(dòng)物生境)的作用上,也就是植被由降水和蒸發(fā)等水分條件決定,并受地下水和徑流深度的影響。

人類活動(dòng)影響:眾多因水資源匱乏引起的生態(tài)環(huán)境問題大多是由于人類過度開發(fā)利用水資源、使得生態(tài)系統(tǒng)可用水量減少造成的。所以,人類活動(dòng)強(qiáng)度影響水資源開發(fā)利用強(qiáng)度是生態(tài)水文系統(tǒng)形成空間差異的一個(gè)重要原因。因此,可以采用人口密度、人均用水量等指標(biāo)來表征人類活動(dòng)對生態(tài)水文系統(tǒng)的影響。

表1 南水北調(diào)中線受水區(qū)水資源三級區(qū)生態(tài)水文分級指標(biāo)體系

2.2 生態(tài)水文分級數(shù)據(jù)處理

南水北調(diào)中線工程受水區(qū)涉及13個(gè)水資源三級區(qū),具體分布見圖1。森林覆蓋率和草地覆蓋率分別由1∶250萬土地利用電子地圖得到。年降水量、年蒸發(fā)量、徑流深度、年日照時(shí)數(shù)和年均溫度均采用研究區(qū)域內(nèi)氣象臺(tái)站1956～2000年的觀測數(shù)據(jù),在ArcGIS下利用Kringing球型函數(shù)插值成1∶250萬柵格圖,然后利用重分類功能進(jìn)行分類,并以水資源三級區(qū)為單元進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。人口密度和用水?dāng)?shù)據(jù)根據(jù)水資源綜合規(guī)劃統(tǒng)計(jì)資料經(jīng)計(jì)算得到。

2.3 評價(jià)結(jié)果

以生態(tài)條件和水文條件為第一分級指標(biāo),以人類活動(dòng)影響指標(biāo)為第二分級指標(biāo),利用ArcGIS均勻重分類功能進(jìn)行分級,綜合評價(jià)結(jié)果見圖2。由圖2可知,南水北調(diào)中線工程受水區(qū)水資源三級區(qū)的生態(tài)水文條件基本上呈現(xiàn)南低北高的態(tài)勢。南水北調(diào)中線工程受水區(qū)水資源三級區(qū)生態(tài)水文級別由高到低依次為:大清河淀東平原、子牙河平原、漳衛(wèi)河平原、徒駭馬頰河、大清河淀西平原、黑龍港及運(yùn)東平原、北四河下游平原、金堤河和天然文巖渠、小浪底至花園口干流區(qū)、花園口以下干流區(qū)、王家壩以上北岸、玉蚌河間北岸、唐白河,隨著生態(tài)水文等級的升高,生態(tài)水文條件越來越差,生態(tài)補(bǔ)水需求越來越迫切。

圖1 南水北調(diào)中線工程受水區(qū)水資源三級區(qū)簡圖

圖2 南水北調(diào)中線工程水資源三級區(qū)生態(tài)水文評價(jià)結(jié)果

3 生態(tài)補(bǔ)水目標(biāo)及優(yōu)先序

3.1 生態(tài)補(bǔ)水目標(biāo)確定原則

a.可操作性原則:南水北調(diào)中線工程生態(tài)補(bǔ)水具有來水規(guī)律性差、水量流量不穩(wěn)定等特點(diǎn),生態(tài)補(bǔ)水調(diào)度要適應(yīng)中線工程來水的相機(jī)性,要求其配套工程投入不能太高。因而南水北調(diào)中線工程生態(tài)補(bǔ)水設(shè)施主要應(yīng)以現(xiàn)有河道和農(nóng)灌渠道為主,簡單整修后即可投入使用。具體包括通過中線工程退水閘退水、利用平原水網(wǎng)與灌溉渠道補(bǔ)充濕地、地下水、河流的生態(tài)環(huán)境用水。此外,中國地勢西高東低的特點(diǎn)決定生態(tài)補(bǔ)水對象只能位于南水北調(diào)中線東側(cè),這樣就可以通過退水閘自流補(bǔ)水,不需要修建提水站等設(shè)施,減少工程投資,降低成本。

b.效益最大化原則:南水北調(diào)中線工程所穿越的淮河流域、海河南系、海河北系均是水資源極度匱乏、水資源開發(fā)利用程度極高的區(qū)域,城市工業(yè)用水大量擠占農(nóng)業(yè)和生態(tài)環(huán)境用水。因此,相對于整個(gè)中線工程受水區(qū)生態(tài)環(huán)境需水量來說,南水北調(diào)中線工程水源地丹江口水庫的生態(tài)可調(diào)水量是微不足道的。因此,必須有選擇的對重點(diǎn)對象進(jìn)行生態(tài)補(bǔ)水,才能使這部分有限的水量發(fā)揮更大的生態(tài)環(huán)境效益。

c.公平性原則:南水北調(diào)中線工程受水區(qū)涉及北京、天津、河北、河南4個(gè)省市的100多個(gè)城市,在水資源極度緊缺的狀況下,生態(tài)補(bǔ)水調(diào)度應(yīng)在保證生態(tài)環(huán)境效益最大化的同時(shí),又要兼顧生態(tài)補(bǔ)水調(diào)度的公平性,具體包括省際公平性、不同種類補(bǔ)水對象之間的公平性(如濕地、地下水與河流)等。

3.2 生態(tài)補(bǔ)水目標(biāo)

針對南水北調(diào)中線工程受水區(qū)的特點(diǎn)與實(shí)際狀況,初步界定南水北調(diào)中線工程生態(tài)補(bǔ)水對象主要有三類:濕地、地下水、河流。南水北調(diào)中線工程受水區(qū)濕地主要有:白洋淀、千頃洼、大浪淀。地下水回補(bǔ)區(qū)必須具備補(bǔ)給條件好、入滲能力強(qiáng)、庫容大、富水性強(qiáng)、提水方便、水文邊界清楚等條件,綜合考慮上述條件后,確定南水北調(diào)中線工程受水區(qū)地下水回補(bǔ)區(qū)包括七里河地下水回補(bǔ)區(qū)、白馬河地下水回補(bǔ)區(qū)、滹沱河地下水回補(bǔ)區(qū)、沙河故道地下水回補(bǔ)區(qū)、一畝泉地下水回補(bǔ)區(qū)以及湯陰縣地下水回補(bǔ)區(qū)。南水北調(diào)中線工程受水區(qū)所涉及的海河北系、海河南系、淮河流域等大部分河流流量低,部分河流甚至出現(xiàn)季節(jié)性或常年性斷流。據(jù)統(tǒng)計(jì),在海河流域,長期的干旱造成大量河道干枯,在一、二、三級支流近1萬km的河長中,已有約4000km河道常年干枯[8]?？梢哉f,在南水北調(diào)中線工程受水區(qū)區(qū)域內(nèi),幾乎每條河流的水量都不能滿足河流適宜生態(tài)需水量,均需要進(jìn)行生態(tài)補(bǔ)水?？紤]到南水北調(diào)中線工程生態(tài)可調(diào)水量相對有限的特點(diǎn),本次研究生態(tài)補(bǔ)水目標(biāo)時(shí),不單獨(dú)考慮河流的生態(tài)需水特性,只分析與濕地、地下水回補(bǔ)區(qū)有水力聯(lián)系的河流。綜上所述,南水北調(diào)中線工程受水區(qū)生態(tài)補(bǔ)水目標(biāo)(表2)主要有白洋淀濕地、千頃洼濕地、大浪淀濕地、七里河地下水回補(bǔ)區(qū)、白馬河地下水回補(bǔ)區(qū)、滹沱河地下水回補(bǔ)區(qū)、沙河故道地下水回補(bǔ)區(qū)、一畝泉地下水回補(bǔ)區(qū)、湯陰縣地下水回補(bǔ)區(qū)以及與之相應(yīng)的退水河流。

表2 濕地、地下水回補(bǔ)區(qū)及相應(yīng)退水河流一覽

3.3 生態(tài)補(bǔ)水目標(biāo)優(yōu)先序

依據(jù)南水北調(diào)中線工程受水區(qū)水資源三級區(qū)生態(tài)水文分級結(jié)果,結(jié)合中線工程生態(tài)補(bǔ)水目標(biāo),確定南水北調(diào)中線工程受水區(qū)生態(tài)補(bǔ)水目標(biāo)優(yōu)先順序,結(jié)果見表3。

表3 南水北調(diào)中線工程受水區(qū)生態(tài)補(bǔ)給目標(biāo)級別

白洋淀位于大清河淀西平原,千頃洼與大浪淀位于黑龍港及運(yùn)東平原,因此,白洋淀濕地的優(yōu)先級高于千頃洼和大浪淀。滹沱河、沙河故道、七里河、白馬河地下水回補(bǔ)區(qū)位于子牙河平原,一畝泉地下水回補(bǔ)區(qū)位于大清河淀西平原,湯陰縣地下水回補(bǔ)區(qū)位于漳衛(wèi)河平原,因此,滹沱河、沙河故道、七里河、白馬河地下水回補(bǔ)區(qū)屬于同一級別,高于湯陰縣地下水回補(bǔ)區(qū),湯陰縣地下水回補(bǔ)區(qū)級別高于一畝泉地下水回補(bǔ)區(qū)。滹沱河、沙河、午河、氵氐河、北氵豐河、河 、滏陽河 、沁河 、牛南支、白馬河、七里河位于子牙河平原,安陽河、湯河位于漳衛(wèi)河平原,蒲陽河、大沙河、漕河位于大清河淀西平原,因此,位于子牙河平原的滹沱河等河流優(yōu)先級別高于位于漳衛(wèi)河平原的安陽河與湯河,而位于漳衛(wèi)河平原的安陽河與湯河高于位于大清河淀西平原的蒲陽河等河流。

4 存在的問題

針對南水北調(diào)中線工程受水區(qū)的實(shí)際狀況與相機(jī)生態(tài)補(bǔ)水方式,初步界定中線工程受水區(qū)三類生態(tài)補(bǔ)水對象:濕地、地下水、河流。在此基礎(chǔ)上,依據(jù)南水北調(diào)中線工程受水區(qū)水資源三級區(qū)生態(tài)水文分級結(jié)果,確定生態(tài)補(bǔ)水的優(yōu)先級別。濕地生態(tài)補(bǔ)水對象的優(yōu)先序由高到低為:白洋淀、千頃洼、大浪淀;地下水回補(bǔ)區(qū)生態(tài)補(bǔ)水對象的優(yōu)先序?yàn)?第一等級包括滹沱河地下水回補(bǔ)區(qū)、沙河故道地下水回補(bǔ)區(qū)、七里河地下水回補(bǔ)區(qū)、白馬河地下水回補(bǔ)區(qū);第二等級包括湯陰縣地下水回補(bǔ)區(qū)、一畝泉地下水回補(bǔ)區(qū);河流生態(tài)補(bǔ)水對象的優(yōu)先序?yàn)?第一等級包括滹沱河 、沙河 、午河 、氵氐河 、北氵豐河 、氵名河 、滏陽河 、沁河 、牛南支;第二等級包括安陽河、湯河;第三等級包括蒲陽河、大沙河、漕河。

指標(biāo)體系的建立是進(jìn)行生態(tài)水文分級的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。生態(tài)水文分級涉及生態(tài)系統(tǒng)、水文系統(tǒng)以及生態(tài)水文系統(tǒng),因此,指標(biāo)體系應(yīng)盡可能反映研究區(qū)域的生態(tài)與水文特性,本文所建立的指標(biāo)體系只是將部分生態(tài)指標(biāo)和水文指標(biāo)簡單組合在一起,并不能完全準(zhǔn)確的反映生態(tài)水文特征。另外,在確定生態(tài)補(bǔ)水對象優(yōu)先級別時(shí),沒有考慮生態(tài)補(bǔ)水對象的生態(tài)需補(bǔ)水量,可能會(huì)對計(jì)算結(jié)果產(chǎn)生一定的影響。此外,本文只分析了同類生態(tài)補(bǔ)水對象之間優(yōu)先順序,對于不同類生態(tài)補(bǔ)水對象之間的優(yōu)先級別,需要建立相應(yīng)的評價(jià)指標(biāo)體系進(jìn)行專門研究,這也是后續(xù)研究工作的主要內(nèi)容。

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