南水北調中線工程受水區生態補水目標及優先級研究

張麗麗,殷峻暹

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

1 研究背景

南水北調中線工程的主要供水區域是黃淮海平原,屬于北方嚴重缺水地區之一。南水北調中線工程穿越長江、淮河、黃河、海河4個流域,影響北京、天津、河北、河南4省(直轄市)的 100多個城市,輸水總干渠全長1432km,受水區面積為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,年均可調水95億m3。其主要供水目標是城市生活和工業用水,兼顧農業和生態用水。王政祥等[1]對漢江水源區與唐白河、淮河、海河南北系受水區豐枯遭遇分析表明,水源區與各受水區同豐、同枯概率較小,能發揮調水效益的豐枯遭遇概率在67%～82%;韓宇平[2]等對中線水源區與受水區豐枯遭遇分析表明,自南向北能發揮調水效益的頻率從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,在水源區水資源比較充沛時,利用丹江口水庫富余水量可相機補充受水區生態用水,尤其在南水北調中線工程運行初期,受水區配套工程未完全實施達效之前,北調水在滿足城市生活和工業用水后,有部分水量可用于改善受水區的生態環境,減少地下水超采,實現對地下水回補。因此,南水北調工程是緩解我國北方水資源嚴重短缺、優化水資源配置、改善生態環境的戰略性基礎設施。

在南水北調中線工程受水區范圍內,長期的地下水超采使得局部地面沉降、地面塌陷、地裂縫等地質災害多有發生。據統計,截止2006年,河南省淺層地下水超采面積區約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面積約5659km2,天津市地下水超采面積區8000余km2。河北省中線工程供水區沉降大于300mm的面積達15224 km2,海河流域已發現地裂縫200多條[3]。平原區河道干涸,湖泊洼淀面積萎縮,地表植被退化、風沙加劇。20世紀50～60年代,華北平原分布著200多個湖泊洼淀,面積超過10000km2。而現今,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50年代以來,已發生干淀15次[5]。因此,南水北調中線工程受水區急需生態補水的目標多、范圍廣,而在生態可調水量相對不足的情況下,如何科學識別出重點生態補水對象,對于使有限水量發揮最大的生態效益意義重大。

鑒于此,立足于南水北調中線工程相機生態補水的實際需要,筆者以水資源三級區為基本單元,建立評價指標體系,通過ArcGIS自動分級,分析南水北調中線工程受水區生態水文級別,結合中線工程生態補水方式與工程條件,確定南水北調中線工程生態補水目標及優先級別,為南水北調中線工程實施生態補水調度提供理論基礎和科學依據。

2 水資源三級區生態水文分級

2.1 生態水文分級評價指標體系

指標體系是進行生態水文分級的理論基礎和操作依據,指標體系的確定應該盡可能地體現研究區域生態水文的分異規律。根據南水北調中線工程受水區的地勢、氣候、水文以及人類活動影響等特征,通過對研究區域生態與水文相關因素分析,并參考構建生態水文分區指標體系相關研究成果[6-7],同時考慮指標收集的難易程度和完整性,選取三類生態水文分級指標:生態條件、水文條件以及人類活動影響。具體指標體系見表1。

生態條件:自然條件下,生態系統主要由氣候、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、年日照時數與年均溫度等指標來反映生態系統狀況以及存在的生態問題。

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

人類活動影響:眾多因水資源匱乏引起的生態環境問題大多是由于人類過度開發利用水資源、使得生態系統可用水量減少造成的。所以,人類活動強度影響水資源開發利用強度是生態水文系統形成空間差異的一個重要原因。因此,可以采用人口密度、人均用水量等指標來表征人類活動對生態水文系統的影響。

表1 南水北調中線受水區水資源三級區生態水文分級指標體系

2.2 生態水文分級數據處理

南水北調中線工程受水區涉及13個水資源三級區,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、年蒸發量、徑流深度、年日照時數和年均溫度均采用研究區域內氣象臺站1956～2000年的觀測數據,在ArcGIS下利用Kringing球型函數插值成1∶250萬柵格圖,然后利用重分類功能進行分類,并以水資源三級區為單元進行統計。人口密度和用水數據根據水資源綜合規劃統計資料經計算得到。

2.3 評價結果

以生態條件和水文條件為第一分級指標,以人類活動影響指標為第二分級指標,利用ArcGIS均勻重分類功能進行分級,綜合評價結果見圖2。由圖2可知,南水北調中線工程受水區水資源三級區的生態水文條件基本上呈現南低北高的態勢。南水北調中線工程受水區水資源三級區生態水文級別由高到低依次為:大清河淀東平原、子牙河平原、漳衛河平原、徒駭馬頰河、大清河淀西平原、黑龍港及運東平原、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、花園口以下干流區、王家壩以上北岸、玉蚌河間北岸、唐白河,隨著生態水文等級的升高,生態水文條件越來越差,生態補水需求越來越迫切。

圖1 南水北調中線工程受水區水資源三級區簡圖

圖2 南水北調中線工程水資源三級區生態水文評價結果

3 生態補水目標及優先序

3.1 生態補水目標確定原則

a.可操作性原則:南水北調中線工程生態補水具有來水規律性差、水量流量不穩定等特點,生態補水調度要適應中線工程來水的相機性,要求其配套工程投入不能太高。因而南水北調中線工程生態補水設施主要應以現有河道和農灌渠道為主,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、利用平原水網與灌溉渠道補充濕地、地下水、河流的生態環境用水。此外,中國地勢西高東低的特點決定生態補水對象只能位于南水北調中線東側,這樣就可以通過退水閘自流補水,不需要修建提水站等設施,減少工程投資,降低成本。

b.效益最大化原則:南水北調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、水資源開發利用程度極高的區域,城市工業用水大量擠占農業和生態環境用水。因此,相對于整個中線工程受水區生態環境需水量來說,南水北調中線工程水源地丹江口水庫的生態可調水量是微不足道的。因此,必須有選擇的對重點對象進行生態補水,才能使這部分有限的水量發揮更大的生態環境效益。

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

3.2 生態補水目標

針對南水北調中線工程受水區的特點與實際狀況,初步界定南水北調中線工程生態補水對象主要有三類:濕地、地下水、河流。南水北調中線工程受水區濕地主要有:白洋淀、千頃洼、大浪淀。地下水回補區必須具備補給條件好、入滲能力強、庫容大、富水性強、提水方便、水文邊界清楚等條件,綜合考慮上述條件后,確定南水北調中線工程受水區地下水回補區包括七里河地下水回補區、白馬河地下水回補區、滹沱河地下水回補區、沙河故道地下水回補區、一畝泉地下水回補區以及湯陰縣地下水回補區。南水北調中線工程受水區所涉及的海河北系、海河南系、淮河流域等大部分河流流量低,部分河流甚至出現季節性或常年性斷流。據統計,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]。可以說,在南水北調中線工程受水區區域內,幾乎每條河流的水量都不能滿足河流適宜生態需水量,均需要進行生態補水。考慮到南水北調中線工程生態可調水量相對有限的特點,本次研究生態補水目標時,不單獨考慮河流的生態需水特性,只分析與濕地、地下水回補區有水力聯系的河流。綜上所述,南水北調中線工程受水區生態補水目標(表2)主要有白洋淀濕地、千頃洼濕地、大浪淀濕地、七里河地下水回補區、白馬河地下水回補區、滹沱河地下水回補區、沙河故道地下水回補區、一畝泉地下水回補區、湯陰縣地下水回補區以及與之相應的退水河流。

表2 濕地、地下水回補區及相應退水河流一覽

3.3 生態補水目標優先序

依據南水北調中線工程受水區水資源三級區生態水文分級結果,結合中線工程生態補水目標,確定南水北調中線工程受水區生態補水目標優先順序,結果見表3。

表3 南水北調中線工程受水區生態補給目標級別

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東平原,因此,白洋淀濕地的優先級高于千頃洼和大浪淀。滹沱河、沙河故道、七里河、白馬河地下水回補區位于子牙河平原,一畝泉地下水回補區位于大清河淀西平原,湯陰縣地下水回補區位于漳衛河平原,因此,滹沱河、沙河故道、七里河、白馬河地下水回補區屬于同一級別,高于湯陰縣地下水回補區,湯陰縣地下水回補區級別高于一畝泉地下水回補區。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先級別高于位于漳衛河平原的安陽河與湯河,而位于漳衛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

針對南水北調中線工程受水區的實際狀況與相機生態補水方式,初步界定中線工程受水區三類生態補水對象:濕地、地下水、河流。在此基礎上,依據南水北調中線工程受水區水資源三級區生態水文分級結果,確定生態補水的優先級別。濕地生態補水對象的優先序由高到低為:白洋淀、千頃洼、大浪淀;地下水回補區生態補水對象的優先序為:第一等級包括滹沱河地下水回補區、沙河故道地下水回補區、七里河地下水回補區、白馬河地下水回補區;第二等級包括湯陰縣地下水回補區、一畝泉地下水回補區;河流生態補水對象的優先序為: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。

指標體系的建立是進行生態水文分級的關鍵環節。生態水文分級涉及生態系統、水文系統以及生態水文系統,因此,指標體系應盡可能反映研究區域的生態與水文特性,本文所建立的指標體系只是將部分生態指標和水文指標簡單組合在一起,并不能完全準確的反映生態水文特征。另外,在確定生態補水對象優先級別時,沒有考慮生態補水對象的生態需補水量,可能會對計算結果產生一定的影響。此外,本文只分析了同類生態補水對象之間優先順序,對于不同類生態補水對象之間的優先級別,需要建立相應的評價指標體系進行專門研究,這也是后續研究工作的主要內容。

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