遼河流域地下水系統脆弱性分析

雷書姍

(遼寧省昌圖縣水利事務服務中心，遼寧 昌圖 112599)

0 引 言

河流污染與治理為國內外水文水資源相關學者最為關注的研究課題，尤其是重大涉水工程和重要河流的地下水環境為當前研究的重要領域[1]。由于地下水具有隱蔽性和延遲性特征，通常情況下水系統是否被污染破壞不易被察覺，而一旦察覺則對其恢復和治理難度非常的大，在一定時期內甚至不可能完全得以恢復，尤其是地下水的污染進一步加劇了干旱半干旱地區的用水緊張狀況。通過評價區域地下水脆弱性識別高風險易污染區，對于地下水的科學管理、水環境保護及水資源合理開發利用，促進經濟社會與水資源的協調可持續等具有重要的現實意義[2-4]。

目前，國內外比較側重于半濕潤或濕潤地區的地下水系統研究，從水質的角度對地下水潛在的易污染性利用疊置指數法、統計分析法、模糊綜合法等研究。較濕潤地區的地下水結構功能和形成條件內陸干旱地區存在較大的差異，所以對地下水的易污染性未考慮水環境條件的研究是不科學、不全面的[5-7]。鑒于此，本文以遼河流域為例，通過分析地下水系統脆弱性及其內涵，將地下水系統脆弱性機理從生態環境因素、人為因素和自然因素3個方面探討，以期為地下水資源的合理開采和流域水環境保護提供科學依據。

1 地下水系統特征及其脆弱性內涵

由于特殊的地理環境和復雜的水文條件，遼河流域的蒸發量大、降水量小且自然條件比較惡劣，地下水系統存在可開發利用量少、開采難度大、邊際效益低和開采成本高等特征，加之局部地區地下水的過度開發和特殊的水循環系統，水資源脆弱性持續增大。另外，水循環系統與生態系統之間存在相互發展、互相依存的密切關系，這也是水循環系統的典型特征。近年來，地下水的循環條件和路徑受人類大規模的水資源開發利用影響產生較大的改變，并使得水生態系統產生相應的變化。水生態環境在合理有序的開發利用活動下產生積極的促進作用，而在盲目的無序開發利用下產生消極的負面作用。換而言之，良性健康的水生態系統具有保護和涵養水資源的功能，而惡化的水體環境將進一步加劇地下水的枯竭。所以，對遼河流域地下水脆弱性機理的研究不僅要考慮與地下水密切相關的生態系統，而且要分析人為因素和自然因素的影響作用，僅從單一的某個方面分析其脆弱性是不系統、不合理的。自然人工復合的遼河流域地下水系統，其核心與地表水、生態環境、人類活動間存在密切關系，而生態環境與地表水、人類活動又緊密相連，由此可對地下水產生影響。在地下水系統中，各要素緊密聯系、相互作用為遼河流域的典型特征[7]。

地下水脆弱性反映了水系統的自我防護能力，它是指由于人類活動破壞和自然條件變化引起的地下水環境變化的敏感性。一般地，地下水的易污染性和水環境脆弱性等效，又可進一步分為特殊和固有脆弱性兩類。其中，特殊脆弱性為地下水系統外部環境，如生態環境、人類活動等引起的脆弱性，而固有脆弱性為地下水自身條件產生的脆弱性。各影響因素與地下水脆弱性之間存在密切的聯系，所以將地下水系統絕對的劃分為特殊和固有脆弱性存在一定的局限性[8-11]。本文對遼河流域地下水脆弱性機理從生態環境、人為和自然因素3個方面分析，探討了水資源與土地資源不合理開發利用、水文地質構造、徑流量、降水量、氣溫和蒸發量等因素的影響特征。

2 地下水系統脆弱性影響因素

2.1 自然因素

遼河流域地下水脆弱性及其受自然因素的變化特征分析，相關數據有實測監測徑流量、降水、蒸發和氣溫等，各數據來源于遼寧省水利廳水文管理局。

2.1.1 氣候變化

遼河流域位于半干旱半濕潤季風氣候區，主要有老哈河、少冷河、渾河、西拉木倫河、太子河、秀水河、饒陽河、柴河等，各支流縱橫交錯、蜿蜒曲折。近50年來，在保持蒸發量和降水量基本不變的條件下，流域內出山徑流量逐漸減少而溫度持續升高，并進一步加劇了對自然條件的破壞，從而對生態環境和水資源系統造成嚴重的不利影響[12]。

1969-2010年的平均氣溫數據來源于遼河干流石佛寺、沈陽和遼陽水文站，結果見表1。根據表1可知，福德店、開原、西豐水文站的氣溫變化呈現出顯著或特顯著的上升趨勢。

表1 觀音閣、大伙房、營口水文站1969-2010年氣溫變化

2.1.2 蒸發量變化

遼河流域1969-2010年各代表站的蒸發量變化見圖1。根據圖1可知，各站蒸發量在20世紀70-90年代均表現出小幅度的降低趨勢，其中遼陽和沈陽水文站的減少幅度較大，分別為12%和5%；90年代后各水文站的蒸發量的變化規律不明顯，監測數據有大有小。多年以來，石佛寺、沈陽水文站的年均蒸發量為1820.4、1558.9mm，當地十分有限的降水在如此高的蒸發量下未能夠及時入滲補給地下水或轉化為地表徑流水就被無效的蒸發，并對地下水的補給造成更大的應力。

圖1 遼河流域各代表站蒸發量變化特征

農作物需水量與氣候類型之間存在緊密的聯系，濕潤地區較干旱地區的作物需水量較小。遼河流域所轄的遼中、燈塔、遼陽均為農業縣，僅僅依靠降水量無法滿足作物需求，加之農業灌溉范圍的增大，在未廣泛普及節水灌溉技術的條件下，解決農業需求的有效方法為地下水的合理開采利用。

2.1.3 降水量變化

遼河流域1969-2010年各代表站的蒸發量變化如圖2。根據圖2可知，各站降水量在1970-1979年期間的變化幅度相對較大，隨后基本持平。遼陽、沈陽、石佛寺水文站的年均降水量分別為597.0、725.5、778.1mm，較低的降水量對遼河流域地下水的補給作用非常低。當地農作物和植被無法依靠降水量而生存，而地表徑流量的不斷減小使得對地下水的開發利用逐漸增加，這在一定程度上改變流域下墊面條件和地下水入滲補給路徑，從而進一步降低了降水的入滲補給[13]。

圖2 遼河流域各代表站降水量變化特征

2.1.4 徑流量變化

根據1970-2009年遼陽、沈陽、鐵嶺、福德店、昌圖、開原、六間房、觀音閣水庫、石佛寺水庫共9個水文站的實測徑流資料，采用Kendall法檢驗徑流量顯著性水平，檢驗值在顯著水平為0.05、95%置信度時為1.96，見表2。

表2 基于Kendall法的徑流量分析

根據表2可知，流域的徑流量在整個序列長度上呈現出不同程度的減小趨勢。其中，石佛寺水庫的減小程度最為顯著，其Kendall系數為-8.412。氣溫、降水、蒸發量等為影響遼河出山徑流的關鍵因子，換而言之蒸發少、降水多，則徑流量大。通過分析各氣候因子的變化特征可知，該流域近40年的降水量呈減小趨勢，而蒸發量和氣溫不斷增大，所以流域出山口徑流量為不斷降低的變化特征。石佛寺水庫入庫徑流量的減少不僅與上游大規模興建的水利工程相關，而且受氣候環境因素的影響。

在地表徑流不足和徑流量不斷減小的情況下，為滿足人類活動和經濟發展的用水需求不可避免的會大規模開發利用地下水。以沈陽地區為例，地下水的開發利用程度隨著石佛寺水庫入庫徑流量的減小而逐漸增大，地下水位的逐年下降將產生一系列的生態環境問題，這在一定程度上降低了地下水生態環境的維持支撐能力和地下水位作為一種儲量資源的功能。

2.1.5 流域特殊的水文地質構造

特殊的水文地質構造下形成獨具特色的河流-含水層系統，二者相互重復轉化。系統內水鹽動態均衡變化在人為因素干擾或天然條件作用下，均產生較為劇烈的影響作用；開采地下水和引用河水勢必會對整個河系及流域的水文效益產生影響作用，從而改變大范圍地下水排泄和徑流補給條件。所以，流域內的水文循環系統受地下水和地表水的大規模開采利用、徑流量減小的影響程度，在此水文地質條件下更加顯著。在地下水的排泄、補給和形成等方面，人類對水資源的不合理開發利用對地下水脆弱性產生負面影響，并促使這種水文循環產生惡性循環和功能的衰退[14]。

綜上分析，地下水的固有脆弱性、特殊脆弱性在特殊的水文地質構造和流域惡劣的氣候條件下進一步加劇，遼河流域的出山徑流量受惡劣的氣候條件及其變化不斷減少，極高的蒸發量、較低的降水量使得地表水對地下水入滲的減少和作物需水量的增大[15]。地下水作為一種儲量資源功能在量上由于地表水對地下水極低的補給而顯著衰減，人類對水資源的需求由于作物需水量的增大和徑流量的減小無法僅僅依靠地表水得以滿足，為滿足生產需求勢必會增大對地下水的開發，而地下水系統功能在開發演變為無序開發時不斷衰減。所以，在地下水入滲方面，惡劣的氣候條件將對地下水固有脆弱性產生直接的影響，通過對農業、徑流的影響促使人們對地下水的開發，并對地下水特殊脆弱性產生間接的影響作用。

2.2 人為因素

社會發展和人類生存的必備條件為資源與環境，為滿足生存發展需要通過開發利用資源獲取能量與物質，并采取有效的防護措施改善生態環境；另外，人類社會又受環境和資源的分布特征、數量、質量的制約。在長期的歷史進程中兩者處于一種動態的平衡，始終保持相互聯系、彼此共生的關系。占據主導地位的人類活動，若能夠協調好其與環境、資源之間的關系，則周邊的自然環境與地下水系統將達到良性循環狀態；否則，將向逆向發展，進一步加劇地下水脆弱性[16]。

2.2.1 土地資源的不合理開發利用

干旱或半干旱區域的水資源極為匱乏，地下水位作為最佳的供水選擇和最重要的水源，為維持生態系統環境和人類發展的關鍵要素，地下水資源為促進當地發展的重要條件。在解決干旱缺水問題時地下水資源發揮著不可替代的作用，所以科學的論證和有效的管理，為實現地下水合理開采的基本條件，其中制定區域地下水利用規劃的關鍵是對人類活動影響的準確評估。針對人為因素與地下水影響的分析，以往研究通常未考慮土地利用變化的影響，僅僅考慮地下水利用的合理性和開采強度的研究。實踐表明，地下水系統受下墊面覆被和流域土地利用改變的影響較為顯著[17]。近15年來，遼河流域的下墊面覆被和土地利用發生了巨大的改變，主要體現在原有河道廢棄、人工綠洲擴張、灌溉耕地增大、天然草地減少等方面，人工綠洲逐漸替代天然綠洲，該這種變化趨勢將對地下水的排泄、徑流、補給等產生顯著的影響，從根本上改變水資源的時空分布特征。

近年來，農業耕地面積在沿兩岸的河谷地帶與流域沖洪積扇的中下部進一步增大，原分布于沖洪積扇下游和山前沖積扇上游的河道逐漸演變為耕地或者裸露的土地。灌溉綠洲的空間發展變化和此特征的土地利用改變，對地下水的入滲補給主要通過改變土地利用面積產生影響，在改變地表水空間分布和水系統循環的同時對地下水產生影響。

地下水排水系統受土地利用的影響主要體現在潛水蒸發方面，水位埋深較小的地帶為潛水蒸發的主要區域，而固定和半固定沙丘以及原有覆蓋度較低的草地的減少，將加劇潛水蒸散發的作用。

另外，水資源利用強度和方式還受土地利用方式的改變而改變，如不合理的增大農業灌溉面積，農作物灌溉依賴度地下水的過度抽取，從而形成降落漏斗和地下水位的下降，同時對地表水與地下水之間的水量交換速度起到加速的作用。流域的連續性受水利工程建設的影響遭到破壞，從而導致生態格局的紊亂和生態系統的隔離，植被可對徑流、入滲、降水和蒸發等從多個層面上產生影響，有地對水資源的重新分配產生一定程度的影響。同時，未經嚴格科學處理的城市工業污水自行排放、隨意亂倒的垃圾和生活污水、農業過度使用的農藥與化肥、城鎮污水處理能力不足等，間接或直接的排入河道對水體環境造成污染。被污染的水在地下水與地表水的水量交換過程中進入地下水系統，從而對地下水質產生污染。

然而，人類的不合理利用現象總是貫穿于水資源開采利用的過程，其中土地過度墾殖的負面效應主要體現在生態環境的脆弱性方面。

綜上分析，對地下水的水質和補給水量的影響為人類對土地資源不合理利用的表現形式，從而導致地下水質量的惡化、水系統循環的改變以及生態環境的改變，進一步降低了地下水系統功能。

2.2.2 水資源的不合理開發利用

1)地下水與地表水條件的改變。誰系統之間的頻繁轉化為遼河流域水循環系統的基本特征，這種頻繁的轉化關系增加了地下水系統的脆弱性及其受人類活動的干擾程度，降低了地下水的入滲補給量。但是，這些水資源為促進當地農業發展提供了重要的物資基礎。

干旱或半干旱地區的生態環境和經濟發展的重要特征為灌溉農業、綠洲經濟，為保證工農業經濟的持續發展，人們加強了對地下水循環條件的干預和水資源開發利用程度，從而增大了地下水系統受外部環境的影響程度。河道渠網化和水庫的修建，在減少河道滲漏補給量的同時也改變了出山徑流的時程分配；地下水的大量開采及其補給量的急劇減小，降低了平原區水庫的徑流量。兩水之間的轉化條件在人為因素影響下發生變化，并對自然環境的水鹽均衡發生改變。

2)地下水開采量過大、地下水與地表水補給減小。水土資源開發利用活動的加強使得原有地表水出口處的下滲轉化遭到破壞，在出山口處的地表水來不及下滲就被引入中游灌區或各出山口水庫，同時灌區渠系襯砌阻礙了地下水與地表水的轉化關系，降低了地下水的補給量并增大了非回歸性用水。中游泉水溢出量在地下水不斷減少的情況下降低，甚至部分泉水出現枯竭，純凈灌區逐漸替代原有的井泉灌區，為滿足灌區用水需求勢必會大規模開發已無補給來源的地下水。

3)地下水污染及鹽化。遼河流域各支流出口以上的水質較高、水體受污染程度地，人類活動較弱。自各支流出口至下游徑流，水體受污染程度逐漸增大，城鎮生活污水和工農業廢水的排放對地表水產生嚴重的污染，在入滲補給作用下對地下水產生污染。另外，有機肥料隨著農業面積的增加被大范圍的使用，硝酸鹽濃度在地下水體中急劇增大；地下水的大量開采及其污染加劇，礦化度快速增大并導致水體環境進一步惡化。結合相關研究成果和文獻資料，遼河流域地下水礦化度和地下水位下降幅度之間具有正相關性，隨著地下水下降幅度的增大礦化度變化量呈增大趨勢。

流域內農田灌溉水源以鹽化的地下水為主，加之棄耕后蒸發作用的加強，沿著毛細管鹽分逐漸達到土壤表面，并造成次生鹽漬化和土壤表面積鹽。

綜上所述，人類活動通過對地下水的開發和土地的不合理利用對地下水造成污染，地下水位下降和水量的銳減導致一系列的生態環境，使得地下水支撐生態環境和調蓄、傳輸、儲存地下水量的功能不斷衰退，從而增大了地下水的脆弱性。

2.3 生態環境因素

遼河流域的生態系統脆弱性明顯，其抗干擾能力非常的低，主要體現在自然要素數量少、種群結構單一、種屬聯系性差、植被稀少等方面，自然環境的修復能力低。流域生態系統對地下水具有較強的依賴性，地下水的開采強度、利用方式、時空分布、質量與數量等均可對生態系統的演化方向、物種分布范圍及生物種群數量產生影響。例如，土地沙化、沙丘活化等在生態植被遭受破壞的情況下活動頻繁，由此降低了地下水支撐生態系統的能力。

3 結 論

自然人工復合的遼河流域地下水系統，其核心與地表水、生態環境、人類活動間存在密切關系，而生態環境與地表水、人類活動又緊密相連，由此可對地下水產生影響。據此，將地下水系統脆弱性從生態環境、人為因素和自然因素3個方面分析，探討了不合理的水資源、土地資源利用以及水文地質構造、降水量、蒸發量、徑流量、氣溫等因素的影響機理。總體而言，在生態環境、人為因素和自然因素的綜合影響下遼河流域地下水系統比較脆弱性。其中，生態環境與地下水在人類活動影響下存在惡性循環的因果關系，在加劇地下水系統功能衰退的同時可對水質與水量產生變化。