滹沱河天然年徑流變異及開發(fā)利用對(duì)河流水環(huán)境的影響

王海寧，劉 佳，彭 鵬

（1.河北省水文水資源勘測局，河北 石家莊 050031；2.中國水利科學(xué)研究院 流域水循環(huán)模擬與調(diào)控國家實(shí)驗(yàn)室，北京 100038）

滹沱河是海河流域子牙河上游的主要支流，發(fā)源于山西省繁峙縣東北的泰戲山，至獻(xiàn)縣樞紐與滏陽河及滏陽新河匯流入子牙河，干流總長588km，流域面積24774km2。河北省省會(huì)城市石家莊傍河而建，滹沱河成為石家莊市唯一的地表水來源，河流水資源與水環(huán)境狀況與石家莊市區(qū)社會(huì)經(jīng)濟(jì)和人們生活息息相關(guān)。滹沱河上水利工程眾多，灌溉歷史悠久，崗南、黃壁莊水庫建成更是為農(nóng)田灌溉和城市供水發(fā)揮了巨大作用。但在氣候變化和大規(guī)模人類活動(dòng)的共同影響下，流域下墊面條件發(fā)生了變化，同量級(jí)降水條件下，流域產(chǎn)水量減少，天然年徑流衰減加上上游水資源過度開發(fā)，造成崗南、黃壁莊水庫來水量減少，而水庫的來水又多用于灌溉和城市供水，致使下游河道斷流天數(shù)逐年增多，尤其是平原河道逐漸成為納污河道，水環(huán)境已徹底改變。隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和人民生活質(zhì)量的提高，對(duì)恢復(fù)河流生態(tài)，改善河流水環(huán)境的呼聲越來越高。文中以黃壁莊站為流域代表站，探討滹沱河天然年徑流演變及水資源開發(fā)利用對(duì)河流水環(huán)境的影響，對(duì)流域河流徑流量及水資源開發(fā)利用情況進(jìn)行全面認(rèn)識(shí)，并對(duì)枯季徑流和下游河道水環(huán)境狀況進(jìn)行分析，這對(duì)河流水環(huán)境的恢復(fù)與重建意義重大。

1 流域天然年徑流量的變化

黃壁莊水庫運(yùn)行后實(shí)測年徑流量為水庫出庫量，1950～2012年平均實(shí)測年徑流量為14.1億m3，而天然年徑流量為20.3億m3。黃壁莊站為滹沱河山區(qū)出山口徑流控制站，1918年6月開始有監(jiān)測資料，1950年開始有連續(xù)的系列，通過分析黃壁莊站1950年以來天然年徑流的變化[1]，來反映氣候變化和人類活動(dòng)對(duì)滹沱河天然年徑流的影響。

圖1 黃壁莊站天然年徑流量變化過程

1.1 趨勢分析

趨勢分析作為水文時(shí)間序列分析的重要工具，可以用來了解天然年徑流演變的過程。圖1為黃壁莊站天然年徑流量變化過程。由圖1可以看出，黃壁莊站天然年徑流量雖然在不同年份間存在波動(dòng)，但總體上減少趨勢明顯。20世紀(jì)50年代平均年徑流量為33.9億m3，60年代為27.8億m3，70年代后不足20億m3，進(jìn)入21世紀(jì)以來更少，僅11.1億m3。趨勢線方程為y＝-0.3886x＋790.03，其斜率為負(fù)值，反映出下降趨勢。天然年徑流衰減反應(yīng)了流域產(chǎn)水能力的降低，是造成河流來水量減少直接原因。

1.2 氣候變化和人類活動(dòng)對(duì)天然年徑流的影響

河川徑流源于降水，是氣候條件及下墊面綜合作用的產(chǎn)物，河川徑流量變化也是氣候變化和人類活動(dòng)多因素影響的綜合結(jié)果[2]，[3]。通過對(duì)黃壁莊站1950年以來年降水與天然年徑流關(guān)系分析，可以了解流域氣候變化和人類活動(dòng)對(duì)滹沱河天然年徑流的影響程度。

參照以往研究成果，以1980年作為天然年徑流系列發(fā)生變異的突變點(diǎn)[3]，[4]，將 1950～2012年的降水量和天然徑流量系列分成兩個(gè)系列點(diǎn)繪年降水量與天然年徑流量關(guān)系圖（見圖2）。將1980年以前系列看作是不受大規(guī)模人類活動(dòng)影響或徑流過程仍然以自然特征為主的系列，稱為“基準(zhǔn)期”，1980年以后系列為人類活動(dòng)影響下墊面及降水等氣候因素綜合作用狀況下的“現(xiàn)狀期”。其中1950～1979年平均年降水量552.5mm、平均年徑流量116.5mm，1980～2012年平均年降水量515.8mm、平均年徑流量59.4mm。由此可見，“現(xiàn)狀期”比“基準(zhǔn)期”年降水量偏少6.6%，年徑流偏少49.0%。從圖2也可以看到，突變點(diǎn)年份前后系列年降水量與天然年徑流量之間的相關(guān)關(guān)系顯著不同，“基準(zhǔn)期”點(diǎn)據(jù)呈帶狀集中在右側(cè)，而“現(xiàn)狀期”的點(diǎn)據(jù)則集中在左側(cè)?？梢娡攘考?jí)年降水條件下，天然年徑流有明顯的差異[5]。兩者徑流量變化的差值可看作氣候變化和人類活動(dòng)對(duì)徑流的綜合影響量。以流域多年平均年降水量539.2mm查兩條關(guān)系線，分別為103.9mm和58.7mm，“現(xiàn)狀期”比“基準(zhǔn)期”徑流減少43.5%。

在氣候變化和大規(guī)模人類活動(dòng)的綜合作用下，尤其是人類活動(dòng)影響使流域下墊面條件發(fā)生了很大變化，同量級(jí)的降水量，天然徑流量減少四成多。天然徑流這種劇烈的衰減，直接導(dǎo)致河川徑流量的減少，這是河流水環(huán)境惡化的主要原因之一。

圖2 黃壁莊站年降水與天然年徑流相關(guān)關(guān)系

2 水資源開發(fā)利用程度分析

2.1 黃壁莊水庫上游用水量分析

崗南、黃壁莊水庫上游農(nóng)田灌溉工程眾多，有冶河灌區(qū)、綿河灌區(qū)、山西忻州滹沱河灌區(qū)，等等。灌區(qū)興建、擴(kuò)建不斷增加對(duì)河流的引提水量，一定程度上也存在農(nóng)業(yè)灌溉過量引水現(xiàn)象，在保障了糧食增產(chǎn)的同時(shí)，使河流下游水量減少，影響了河道天然水環(huán)境[6]。

黃壁莊上游用水量以農(nóng)業(yè)用水為主，工業(yè)和生活用水占比例很小，尤其是1980年以前基本無工業(yè)和生活用水。統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明（見表1），水庫上游用水量呈增加態(tài)勢[7]，20世紀(jì)80年代達(dá)到最高峰，年均用水量達(dá)到了7.7億m3。與此同時(shí)，天然年徑流卻呈減少態(tài)勢。一增一減，使得用水量占天然年徑流的百分比迅速增大，這個(gè)比值反映了水資源開發(fā)利用程度。20世紀(jì)50年代以前，水資源開發(fā)利用程度僅為7.5%，以后逐步增加，1980年后進(jìn)入高峰，均超過了40%的國際公認(rèn)警戒線；年代平均最高出現(xiàn)在2000年以后，達(dá)到了56.6%，其中個(gè)別年份超過80%。20世紀(jì)90年代水資源開發(fā)利用程度較低是由于有1991年、1995年和1996年幾個(gè)豐水年所致。

表1 黃壁莊站以上流域水資源開發(fā)利用情況

2.2 黃壁莊水庫下游用水分析

黃壁莊水庫下游農(nóng)業(yè)用水主要是通過石津渠、靈正渠和計(jì)三渠引水（見表2）。石津渠和靈正渠分別從1952年、1960年開始有用水量實(shí)測資料。計(jì)三渠從1976年開始從黃壁莊水庫引水灌溉。

表2 黃壁莊站下游分年代用水量統(tǒng)計(jì)分析

由表2可看出黃壁莊站下游灌區(qū)1950年以來的用水量變化，其清晰的反映出灌區(qū)的發(fā)展、興盛、衰落過程。灌區(qū)用水量從20世紀(jì)六七十年代為鼎盛期，60年代平均用水量為12.1億m3，期間最大用水量為1961年的16.0億m3；70年代年平均用水量為12.9億m3，期間最大用水量為1977年的19.3億m3；進(jìn)入80年代開始衰減，年代平均用水量為5.7億m3，2000年以來更小，年平均用水為3.4億m3。

從20世紀(jì)90年代開始，水庫供水增加了工業(yè)、生活、環(huán)境等城市用水。工業(yè)用水為西柏坡電廠用水量，自1993年開始年平均用水量為0.19億m3；生活用水為向石家莊市水廠的供水量，自1996年開始年平均用水量為0.24億m3，環(huán)境用水為石家莊市民心河的補(bǔ)水量，后增加了太平河、滹沱河環(huán)境補(bǔ)水量，2012年還曾為衡水湖補(bǔ)水，另外還有2008年以來向北京供水，自1998年開始年平均用水為0.09億m3。

從水庫用水量占入庫水量的百分比可以看到，20世紀(jì)七八十年代，占比為80%以上，2000年以來更是超過90%，而且水庫供水從單一目標(biāo)的農(nóng)業(yè)供水，逐漸向多目標(biāo)供水轉(zhuǎn)變，并且城市用水呈增加趨勢。這也反映出該區(qū)域水資源供需矛盾更加突出，水庫的來水幾乎全部用于農(nóng)業(yè)灌溉和城市用水。水庫供水作用突出，很少給河道放水，加速了區(qū)域水環(huán)境變化。

3 河流水環(huán)境變化

3.1 枯季徑流變化

滹沱河山區(qū)河流的汛期（6～9月）水量可占全年水量的60%左右，枯季時(shí)間長，徑流量少，對(duì)河道水環(huán)境影響更顯著?，F(xiàn)選取滹沱河干流上的南莊、小覺站及主要支流冶河上的地都、平山站，通過20世紀(jì)50年代以來（建站以來）至2012年實(shí)測徑流系列，對(duì)枯季徑流變化趨勢進(jìn)行分析，見表3。

表3 山區(qū)代表站不同年代河川枯季徑流

各站分年代枯季月平均、連續(xù)最枯三個(gè)月平均及最枯月平均流量的變化，可用來反映枯季河道水環(huán)境狀況[7]（見表3）。分析表明：枯季徑流遞減趨勢顯著，各站的枯季月平均流量從20世紀(jì)60年代開始減少，南莊、小覺、平山遞減率分別為15.0%，14.1%，5.0%；70年代減少更劇烈，遞減率分別為33.6%，34.5%，32.5%；1980年之前年代之間遞減趨勢明顯，1980年之后仍呈現(xiàn)減少趨勢，但速率變??；各代表站總衰減率在50%～75%之間。

地都站1959年建站，20世紀(jì)50年代的代表性不強(qiáng)，其余年代間變化規(guī)律與其他站一致?？菁緩搅鞯臏p少，不僅造成水資源供需矛盾，還會(huì)引發(fā)河流斷流、水質(zhì)污染等一系列河流生態(tài)環(huán)境問題。

3.2 水庫下游河流水環(huán)境變化

以黃壁莊站和下游平原站北中山站過水情況來說明下游河道水環(huán)境變化。黃壁莊站從1918年6月開始到1959年（部分年份缺測）河道只有1958年底斷流9天。1959年6月水庫建成運(yùn)行后，主要通過黃壁莊溢洪道放水。1960～1969年10年間1966年全年未放水，其余年份都有放水；1970～1979年未放水天數(shù)明顯增多，其中1974～1976連續(xù)3年未放水；進(jìn)入1980年以后河道成為泄洪河道，1980年以來較大泄洪僅4次，1988年8月份21天，1991年的6月、7月共29天，1995年9月21天，1996年8月、9月共54天。另外1997年4月、5月份為水庫防汛調(diào)度棄水19天；2000年以后由于防汛需要，放水3次，其中2000年2天，2001年3天、2004年9天。

北中山站，1919年開始設(shè)水位觀測，1955年設(shè)流量觀測站[10]。從1955年開始分析，1955～1959年5年間斷流217天，水庫運(yùn)行后1960～1969年，河道斷流356天（水量部分來自石津渠、靈正渠退水），1970年以后斷流天數(shù)明顯增多，1970～1979年斷流2395天，1980～1989年斷流3615天（見表4），其中1980至1988年8月完全河干；1990～1999年斷流3382天，只有豐水年水庫放水河道才過水，從1998年開始平原河道逐漸成為納污河道，即便水庫放水，水量小也到不了北中山站，出現(xiàn)了河道沙化、垃圾遍布、污水橫流等現(xiàn)象，河道水環(huán)境明顯惡化。

表4 河道斷流天數(shù)

4 結(jié)論

（1）流域天然年徑流變化分析表明，受氣候變化和人類活動(dòng)的共同影響，天然年徑流序列發(fā)生了顯著變化，與20世紀(jì)50～70年代相比，現(xiàn)狀條件下同量級(jí)年降水，天然年徑流減少超過4成。大規(guī)模人類活動(dòng)使流域下墊面情況發(fā)生了變化，是導(dǎo)致天然年徑流產(chǎn)生變異的主要?jiǎng)右?。流域天然年徑流的減少是造成河流水環(huán)境惡化的主要因素之一。

（2）黃壁莊以上流域水資源開發(fā)利用歷史較長，開發(fā)利用程度也較高。資料分析表明，上游工農(nóng)業(yè)年平均用水量從20世紀(jì)50年代的不足2億m3，增長到80年代的7.7億m3，達(dá)到頂峰，以后均維持在6億m3以上的高位。80年代以來，年均用水量占天然年徑流的百分比都超過了40%的國際公認(rèn)警戒線，水資源開發(fā)利用過高必導(dǎo)致河流水環(huán)境危機(jī)。

（3）崗黃兩庫的建成運(yùn)行，加劇了該流域水資源開發(fā)利用程度，尤其是20世紀(jì)80年代以后，由于上游來水量驟減，引水量和下游灌區(qū)也出現(xiàn)了明顯萎縮，但用水量占來水量的比例卻在增加。由于水資源供需矛盾突出，水庫一般不再向河道供水，僅洪水期才偶爾泄洪，致使水庫下游河流水環(huán)境更加惡化。

（4）對(duì)上游代表站河道枯季實(shí)測徑流分析可以看到，河道枯季月平均、連續(xù)最枯三個(gè)月及最枯月平均流量遞減趨勢十分明顯，從20世紀(jì)50年代到21世紀(jì)初，河道枯季徑流量減少了6成左右。上游枯季徑流劇減會(huì)引發(fā)河流斷流、水質(zhì)污染等一系列河流生態(tài)環(huán)境問題。由于水庫對(duì)水量的控制，下游平原區(qū)河流從20世紀(jì)70年代開始出現(xiàn)連續(xù)斷流，80年代開始干涸沙化，90年代成為納污河道，河道水環(huán)境明顯惡化。

[1]任憲韶，戶作亮，曹寅白，等.海河流域水資源評(píng)價(jià)[M].北京：中國水利水電出版社，2007.

[2]Bronstert A，Niehoff D，Bueerger G.Effects of climate and land-use change on storm runoff generation：Present knowledge and modeling capabilities[J].Hydrological Processes，2002（16）：509-529.

[3]李麗娟，姜德娟，李九一，等.土地利用／覆被變化的水文效應(yīng)研究進(jìn)展[J].自然資源學(xué)報(bào)，2007，22（2）：211-224.

[4]河北省水文水資源勘測局.海河南系洪水一致性修正研究技術(shù)報(bào)告[R].石家莊：河北省水文水資源勘測局，2011.

[5]劉克巖，張櫓，張光輝，等.人類活動(dòng)對(duì)華北白洋淀流域徑流影響的識(shí)別研究[J].水文，2006，27（6）：6-10.

[6]王秀燕，詹黔花，劉長禮，等.水壩建設(shè)對(duì)滹沱河流域石家莊段生態(tài)環(huán)境的影響[J].水利水電科技進(jìn)展，2006，26（6）：6-12.

[7]顧穎，汪向蘭，林錦.近60年來我國主要江河枯季徑流變化及趨勢分析[J].水利水電技術(shù)，2011，42（4）：6-8.

[8]費(fèi)宇紅，陳樹娥，劉克巖，等.滹沱河斷流區(qū)水環(huán)境裂變特征與地下調(diào)蓄潛力[J].水利學(xué)報(bào)，2001，32（11）：41-45.