石家莊地區(qū)水資源開發(fā)與水環(huán)境變遷

石家莊地區(qū)水資源開發(fā)與水環(huán)境變遷

1區(qū)域水循環(huán)演變規(guī)律的應(yīng)用研究隨著世界變化研究的深入，人類活動對水和土壤環(huán)境的影響和影響越來越受到科學(xué)家的關(guān)注。區(qū)域的水文循環(huán)和變化已成為廣泛關(guān)注的重點問題,許多重大的國際研究計劃多與此有關(guān),如GCTE(GlobalChangeandTerrestrialEcosystem),BAHC(BiosphericAspectsofHydrologicaCycle)等。上世紀(jì)90年代以來,水文循環(huán)系統(tǒng)對全球氣候變化的響應(yīng)成為水文學(xué)研究的一個熱點,已有很多相關(guān)研究[1~6]。但隨著研究的深入,人們越來越認(rèn)識到人類活動在影響和改變水文循環(huán)與水文環(huán)境方面的作用遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過氣候變化的影響。2005年開始的全球水系統(tǒng)研究項目(GlobalWaterSystemProject,GWSP)將水文循環(huán)中的人類因素和人與水文系統(tǒng)的相互關(guān)系作為核心內(nèi)容。城市擴展與工農(nóng)業(yè)發(fā)展對區(qū)域水資源等進(jìn)行人為的重新分配使用,從而使這些地區(qū)成為陸地表層水系統(tǒng)中最為敏感的區(qū)域之一。城市和工農(nóng)業(yè)用水的發(fā)展不僅是區(qū)域水資源研究的重點,而且在全球水分循環(huán)與水資源評估方面占有重要的位置。因此,研究區(qū)域水循環(huán)的演變規(guī)律,分析區(qū)域水資源開發(fā)利用變化的時空分異特征、規(guī)律以及對環(huán)境的影響,能為區(qū)域水循環(huán)結(jié)構(gòu)改變對區(qū)域經(jīng)濟發(fā)展的影響研究提供科學(xué)依據(jù)。本文以石家莊市過去70年的發(fā)展為例,探討伴隨著社會經(jīng)濟發(fā)展的區(qū)域水文環(huán)境變化規(guī)律。2地質(zhì)背景及沉積特征研究區(qū)域以石家莊市為主,包括正定和欒城縣,位于114.0°~114.25°E,37.75°~38.50°N之間(圖1)。石家莊市在20世紀(jì)初僅是一個很普通的小村莊,人口從不足600余人增加到1950年的28.7×104人,到20世紀(jì)末(1999年)已增加到160.9×104人。1950年代之前人口規(guī)模小,增長緩慢,50年代之后隨著社會穩(wěn)定和經(jīng)濟的發(fā)展,城市人口增長迅速。區(qū)內(nèi)多年氣溫13℃,為溫帶半干旱半濕潤大陸性季風(fēng)氣候。多年平均降水量493mm,最大1182.7mm,最小226.1mm。多年平均可能蒸發(fā)量為1972mm。由于該區(qū)受到基巖地質(zhì)構(gòu)造控制,第四系沉積物由西北向東南逐漸增厚,按沉積次序及巖性共劃分為滹沱河沖、洪積扇(圖1區(qū)域a)與北沙河洪積扇(圖1區(qū)域b)兩個區(qū)。研究區(qū)地處太行山中段與河北平原的結(jié)合部,屬于華北地塊的太行山隆起與河北平原凹陷的過渡帶,是太行山山前滹沱河洪沖積平原的一部分,由滹沱河的洪積、沖積扇構(gòu)成。市域范圍內(nèi)地貌類型以平原為主,且呈自西北向東南傾斜的趨勢,地勢平坦,海拔在150~45m之間,地面平均坡降為1.5‰左右。滹沱河洪沖積扇區(qū)可分為4個含水層組。北沙河洪積扇區(qū)位于研究區(qū)西南部,該洪積扇含水層組底板埋深40~80m,含水層厚22~24m。巖性以中粗砂及砂礫石為主。3資料和數(shù)據(jù)來源本研究通過對研究區(qū)過去70年的水文地質(zhì)資料、社會經(jīng)濟文獻(xiàn)和城市地圖等進(jìn)行綜合整理,并通過現(xiàn)場調(diào)查,對地下水采樣,分析水質(zhì)組成和氚同位素濃度,研究城市和農(nóng)業(yè)發(fā)展與水資源開發(fā)等人類活動對區(qū)域水資源系統(tǒng)和水循環(huán)結(jié)構(gòu)的影響。通過GIS方法對1934年至2001年間5幅地圖進(jìn)行空間分析,得出石家莊市70年來的城市化過程,研究結(jié)果已另文發(fā)表,本文直接利用結(jié)果。城市用水、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)及灌溉情況的資料來自石家莊市經(jīng)濟統(tǒng)計年鑒和石家莊志以及石家莊供水總公司。氣象資料來自河北省氣象臺站。為了查清研究區(qū)域地下水水循環(huán)特征,從2000年至2001年根據(jù)不同季節(jié)對地下水進(jìn)行了4次實地調(diào)查和采樣。現(xiàn)場觀測的項目包括地下水位、水溫、電導(dǎo)率、pH值等。地下水的氚同位素濃度則通過液體閃爍儀來分析。同時,通過用戶訪問了解實際地下水利用的情況。此外,研究區(qū)的地下水位和水質(zhì)的歷史資料通過查閱有關(guān)文獻(xiàn)來收集。并利用環(huán)境統(tǒng)計資料展現(xiàn)當(dāng)前水環(huán)境的污染狀況及其變化,分析石家莊地區(qū)土地利用/覆蓋變化對區(qū)域水文環(huán)境的影響及其反饋作用,探討兩者之間的相互關(guān)系。4區(qū)域內(nèi)的地下水位及其水質(zhì)變化特征4.1生長階段的分析圖2顯示了從1934年到2001年石家莊市市區(qū)面積擴展和地下水位埋深的變化狀況。根據(jù)肖捷穎等人的研究結(jié)果,過去近70多年來,石家莊市的城市化發(fā)展可以歸納為緩慢成長期、快速恢復(fù)期、迂回增長期和高速增長期4個發(fā)展階段。在這4個階段中水資源開發(fā)也有其不同的特點。(1)物資運輸和城市用水石家莊市因其地理位置優(yōu)越,在京漢和正太鐵路相繼建成后,而發(fā)展成為華北物資運輸?shù)募⒌厍胰遮叿比A,城市類型為小型商業(yè)城市和消費城市。城市用水主要為地表水和地下水。到1950年,石家莊市的供水機井只有2眼,年供水量39×104m3,主要用于生活用水,地下水埋深在3~5m左右。(2)建立互聯(lián)互通的城市建設(shè)場地規(guī)劃這一階段石家莊市城市用地發(fā)展很快,新中國的建設(shè)初期,百業(yè)待興,一些國家重點工程項目相繼落戶石家莊,如紡織聯(lián)合企業(yè)、華北制藥廠及熱電廠。僅這5年內(nèi)城市基本建設(shè)就占用耕地約2000hm2。這個時期是石家莊市城市用地的第一個高速擴展時期,除了利用地表水外,地下水的埋深大約下降了1m左右。這個時期滹沱河常年流水,地表水資源豐厚,地下水開采量仍很小,地下水機井只有5眼,年供水量為170×104m3,基本處于補排平衡。(3)地下水的自然狀況在這一時期中國經(jīng)歷了大躍進(jìn)、三年自然災(zāi)害和調(diào)整時期以及文化大革命。盡管石家莊市的城市用地擴展非常緩慢,但城市化和工業(yè)生產(chǎn)的發(fā)展加快了地下水的開采,地下水位下降速度為0.65m/a。從水資源開發(fā)角度來看,在這段時期內(nèi)上游水庫的建造,以及華北平原防洪排澇基本建設(shè)的完成,形成了水資源人為調(diào)控的基本格局。1965年以前,石家莊市的地下水還處在天然狀態(tài),隨著水利工程的建成,上游水庫的攔蓄,河道流量的減少,而使地下水的補給量逐漸減少,同時隨開采量的逐年增加,從1965年開始出現(xiàn)地下水漏斗,地下水位逐年下降。在1973年出現(xiàn)封閉等水位線,面積為1.0km2,地下漏斗中心水位埋深為15.74m。據(jù)統(tǒng)計,1973年的機井達(dá)到44眼,此后每年都有新的機井投入生產(chǎn),并陸續(xù)有機井因地下水位的下降而報廢。到1980年機井?dāng)?shù)達(dá)到77眼,累計報廢的機井有9眼。1970年代以來工業(yè)用水增長顯著(圖3),占到總用水量的32%,而生活用水達(dá)到總開采量的55%。(4)地下水開采量逐年增加在這一時期,石家莊市城市化出現(xiàn)前所未有的快速發(fā)展趨勢。除了舊城改造以外,更多的是向外擴張,如1995年石家莊城市建設(shè)占用耕地126.67hm2。這一時期流經(jīng)石家莊的幾條河流陸續(xù)斷流,河道干涸,只在汛期過水。城市用水水源主要以地下水為主,到1994年投產(chǎn)的地下水井已猛增到164眼,地下水年開采量達(dá)到1.89×108m3。地下水位下降迅速,地下水漏斗中心水位埋深從1985年的31.32m下降到1995年的43.47m,年平均下降速度為1.1m/a。隨著淺層地下水資源量的銳減,1990年代后期,石家莊市建設(shè)引水入市工程,開始將黃壁莊水庫的蓄水用于生活用途,并開始開采深層地下水。2000年的統(tǒng)計資料顯示,市區(qū)總供水量達(dá)到3.97×108m3,其中地表水和深層地下水各占14.4%和3.1%。4.2地下水灌溉農(nóng)田地下水位的變化農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和灌溉的發(fā)展是導(dǎo)致區(qū)域地下水位下降的另一個主要原因。在石家莊城市形成發(fā)展之后,郊區(qū)為農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng),種植冬小麥、玉米、大豆及棉花、蔬菜、梨果等經(jīng)濟作物。作物生長主要依靠地下水灌溉。圖4顯示了欒城縣建國以來全縣平均糧食單產(chǎn)和機井?dāng)?shù)量的變化關(guān)系。盡管糧食單產(chǎn)的增長受很多因素的影響,如施肥、栽培技術(shù)等,但從圖4可以明顯看出,全縣尺度的糧食增產(chǎn)在很大程度上決定于機井?dāng)?shù)量的增加,即耕地灌溉率的提高。圖5顯示了欒城縣地下水灌區(qū)和污水灌區(qū)地下水位多年變化的對比。在以地下水進(jìn)行農(nóng)業(yè)灌溉的地區(qū),該區(qū)淺層地下水位與多年的氣候變化及灌溉密切相關(guān)。地下水位年內(nèi)變化特點是,3—6月份,受冬小麥各生育期階段的灌水影響,地下水得不到及時補給,水位持續(xù)下降,最低水位出現(xiàn)在5月底到6月初(圖5)。7月份進(jìn)入雨季后,地下水開采量減少,加上受太行山前側(cè)向徑流的補給,地下水位又開始緩慢回升,并持續(xù)到來年的1,2月份,年內(nèi)水位達(dá)到峰值。盡管受冬灌的影響,地下水位在11月份下旬會出現(xiàn)暫時的下降,總的趨勢仍是回升。由于長期以來地下水的開采大于補給,2月份的地下水位峰值往往比上一年的要低,地下水位呈波動下降的變化趨勢。大量抽取地下水已經(jīng)成為區(qū)域地下水排泄的一個重要組成部分。而大部分的灌溉用水以蒸發(fā)、蒸騰的形式消散于大氣,無法回補地下水,從而造成區(qū)域地下水位的持續(xù)下降。此外,石家莊市的污水通過東明渠輸送到污水灌溉區(qū)。污水灌溉農(nóng)田主要分布在渠道兩側(cè)1~2km以內(nèi)。和1992年7月相比較,1999年7月地下水位在地下水灌溉區(qū)和污灌區(qū)分別下降了5m和0.5m(圖5)。由此可見,地下水灌溉區(qū)的地下水位變化特征顯示地下水沒有得到充分的補給,而污灌區(qū)的地下水位變化不大則表明地下水補排基本達(dá)到了平衡。就目前的灌溉定額來說,和地下水灌溉區(qū)相比較,污水灌溉確實對地下水進(jìn)行了有效的補給,并使灌溉區(qū)的地下水基本處于補排平衡狀態(tài),但是也引起了地下水的污染。4.3水文氣象環(huán)境中的亞硝酸鹽污染空間分布隨著城市發(fā)展,疏干性開采改變了地下水的化學(xué)場分布,加之城市經(jīng)濟活動的影響,促進(jìn)了地下水化學(xué)特征的變化。到2000年,地下水的礦化度達(dá)到了0.58g/l,西北部也在0.75g/l左右。氯離子濃度的變化也十分明顯(圖6)。石家莊市在1960年代只有在東明渠兩側(cè)存在部分重碳酸氯化物型水,而現(xiàn)在石家莊市南半部分基本上為重碳酸氯化物型水,分布面積較原來增加近一倍。統(tǒng)計資料表明,石家莊市地下水質(zhì)從1988年到1994年間所監(jiān)測的污染物指標(biāo)含量大部分有上升趨勢,尤其亞硝酸鹽氮含量從1988年的平均0.003mg/l上升到1994年的0.024mg/l,增長了8倍。只有總氰化物略有下降,從1988年的平均0.004mg/l降到1994年的0.002mg/l,水質(zhì)狀況不容樂觀。5地下水超強度大,資源量少區(qū)域的水文循環(huán)結(jié)構(gòu)很大程度上受地質(zhì)地貌和氣候條件如降水的影響,特別是在半干旱半濕潤地區(qū)。然而,劇烈的人類活動正在以更大的強度改變著整個水資源系統(tǒng)和水循環(huán)的結(jié)構(gòu)。前述可知,由于城市和工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的發(fā)展以及水利工程的建設(shè),研究區(qū)內(nèi)的河川完全斷流,平原區(qū)的地表水資源幾乎枯竭,地下水資源也在超強度的開采下急速減少。另外,河流的干涸使得平原地區(qū)地下水失去了一個主要的補給源,從而加速了水位的下降。下面將分述幾個主要水循環(huán)要素的變遷,從中討論人類活動對區(qū)域水資源補排狀態(tài)的影響。5.1我國氣候、灌溉和強度、濕度變化對水面蒸發(fā)的影響降水是受氣候變動影響較大的一個因子,由于氣候的自然振蕩和人類活動所帶來的全球增暖的影響,華北地區(qū)在1965年前后發(fā)生了一次較大的氣候變化之后,年降水量連續(xù)減少。分析石家莊市近30年來的降水序列資料發(fā)現(xiàn),1971—1980年年平均降水為481.2mm,1981—1990年為468.7mm,1991—2001年降為407.2mm,呈現(xiàn)了逐漸減少的趨勢(圖7)。盡管許多研究都曾指出我國北方地區(qū)氣候存在30~40年的旱澇周期[14~16],但是在近幾十年來史無前例的人類活動影響下,氣候系統(tǒng)的內(nèi)在節(jié)律很有可能會被破壞,因此很難預(yù)測未來10~20年氣候的變化趨勢。根據(jù)欒城的多年實際蒸(散)發(fā)實驗分析,研究區(qū)農(nóng)田的實際年蒸發(fā)量約為800mm,每年超過300mm需要靠開采地下水來補充。而這一地區(qū)地下水的年灌溉回補量小于100mm,長期的采補失衡造成了地下水位的持續(xù)下降。水面蒸發(fā)是反映大氣蒸發(fā)能力的一個綜合指標(biāo),受太陽輻射、氣溫、風(fēng)速、相對濕度等因子的影響。在降水普遍下降的同時,水面蒸發(fā)量也顯示出明顯的下降趨勢(圖7)。徐富安等曾分析了封丘地區(qū)50年的氣象記錄,認(rèn)為水面蒸發(fā)的下降與區(qū)域性的防護林網(wǎng)建設(shè)(消減風(fēng)速)和大氣塵埃及氣溶膠的增加(到達(dá)地表的太陽輻射減少)關(guān)系密切。另外,美國能源部和中國氣象局的合作研究也顯示1954—1998年間華北地區(qū)的日照和云量呈明顯的下降趨勢,而最高和最低氣溫卻呈現(xiàn)顯著的上升趨勢。此外,灌溉面積和強度的增加導(dǎo)致近地層大氣濕度增加對于水面蒸發(fā)的減少也有一定的貢獻(xiàn)。Yang等最近利用傅抱璞模型對全國不同氣候區(qū)域的水面蒸發(fā)資料進(jìn)行分析,獲得了很有意義的結(jié)果。因此有必要對人類活動引起的區(qū)域土地利用/覆蓋變化、水文循環(huán)系統(tǒng)的改變和區(qū)域氣候要素的耦合關(guān)系進(jìn)行深入研究。5.2水土流失現(xiàn)況地表水和地下水之間的相互聯(lián)系是理解半干旱半濕潤地區(qū)水資源補排狀態(tài)的一個關(guān)鍵。研究區(qū)的地表水主要是河流,石家莊市市區(qū)內(nèi)部無大的河流通過,滹沱河在市郊北部及正定縣流過,后匯入子牙河水系,屬海河流域,但因上游黃壁莊水庫的建成以及工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、生活用水需求的增加,滹沱河中下游自1970年代后期開始干涸,僅有少數(shù)年份在汛期過水。此外,洨河源于獲鹿,穿過欒城,是石家莊市的一條排污河,對區(qū)內(nèi)地表水、地下水均有很大程度的影響。1956—1984年間石家莊市區(qū)、正定縣和欒城縣的年徑流深均值分別為64.5、41.4和32.3mm。而近年來,由于降水的減少和地下水位的下降,研究區(qū)的自產(chǎn)徑流普遍減小,只有城市部分由于硬化地面的擴大而有所增加。Shen等的分析表明,石家莊市的城市化引起的土地利用/覆蓋變化改變了城市范圍的水量平衡,由于地面入滲能力的降低,地面產(chǎn)流效率提高,相對于1987年,2001年的城市化地面增加27.4%,在年降水量下降7.4%的情況下,產(chǎn)流量由于土地利用的變化而增加17.9%。因此,在集中降雨的情況下發(fā)生城市型洪水的風(fēng)險增大。另外,前文提到的城市排污成為研究區(qū)內(nèi)僅有的地表徑流,而在污水灌溉的地區(qū),通過灌溉入滲對地下水有一定的補給作用。5.3地下水的補給和徑流在區(qū)域水循環(huán)系統(tǒng)的研究中,氚是利用最早、最廣泛的同位素,其半衰期為12.43年。自然產(chǎn)生的氚主要以HTO形式在自然界循環(huán),其濃度通常大約為10TU。受上世紀(jì)50年代前期到60年代中期核試驗的影響,降水中氚的濃度急劇增長,并在1963年達(dá)到峰值,是氚天然濃度的100~1000倍。隨著大氣層中核實驗的禁止,降水的氚濃度逐漸變小,到90年代基本恢復(fù)到了自然狀態(tài)。地下水的氚來源于大氣降水或地表水的補給,其濃度變化與補給來源密切相關(guān),在同一地下水系統(tǒng),氚濃度一般隨水在含水層中的滯留時間而減少。據(jù)氚衰變的這一特點,可以計算含水層中地下水的年齡。利用這一理論,可以判斷地下水的補給來源、地下水體與其他水體之間的關(guān)系,從而了解并掌握地下水運動速度、水循環(huán)過程和水文地質(zhì)特征。石家莊市的地下水資源主要賦存于東部山前平原,主要含水層分布在第四紀(jì)沖積洪積層中,以滹沱河現(xiàn)代河床及滹沱河洪沖積扇的軸部為極富水區(qū),主要補給方式有:(1)通過大氣降水入滲補給,滹沱河河槽地帶入滲條件較好;(2)通過河渠滲漏補給,石津渠、東明渠等大小干渠入滲補給;(3)通過農(nóng)田灌溉回滲補給,農(nóng)田多存在于城區(qū)地下漏斗的外圍,市區(qū)西北部依地勢(西北高東南地)進(jìn)行補給,而東南側(cè)則存在反向補給的情況。圖8顯示了石家莊附近滹沱河流域地下水氚同位素濃度變化?？梢钥闯鲣镢觾砂兜牡叵滤碾巴凰貪舛仍?1~28TU之間變化,沿程沒有明顯的變化。從水的年齡來看,基本在30~40年之間。由此可以看出兩個事實:第一,地下水的年齡相差不大,說明滹沱河沿線的地下水主要接受了垂向補給;第二,地下水的年齡都在30年以上,說明在過去30年中,河水補給地下水的方式受到了很大的限制。也就是說,除了洪水季節(jié)以外,研究區(qū)域的地下水沒有得到河水的有效補給;成為地下水持續(xù)下降的主要原因之一。圖9是石家莊附近北沙河流域地下水中氚同位素濃度從上游到下游的變化。北沙河是山區(qū)小河流,流向由西向東,到東經(jīng)114.32°后消失。而洨河在東經(jīng)114.45°~114.5°之間從北向南橫穿北沙河流域。從圖9可知,北沙河流域的地下水的氚同位素濃度有兩個峰值。東經(jīng)114.45°~114.5°之間的區(qū)域為污灌區(qū),地下水得到垂向的補給。和僅僅利用地下水進(jìn)行灌溉的區(qū)域相比較,地下水的氚同位素濃度峰值說明過去20~40年的污灌在區(qū)域地下水的補給上起到了很大的作用。這和Tang等的研究結(jié)果是一致的。如果將污灌區(qū)去掉的話,從整體來說,北沙河流域從上游到下游地下水的氚同位素濃度逐漸減少,尤其在114.5°以后的下游地區(qū),氚同位素濃度迅速下降。由此可以推測,北沙河流域的地下水除了上游地區(qū)以外,主要接受側(cè)向補給,垂向補給較少。由于補給方式不一樣,補給量和補給時間也各有不同。在研究區(qū)域中,得到垂向補給的水的年齡往往比側(cè)向補給的新。經(jīng)推算,北沙河流域上游地區(qū)地下水的平均滯留時間大約為50年左右0而遠(yuǎn)離太行山的滹沱河沿河區(qū)域地下水的年齡也大約在30~40年左右。由此而知,半干旱半濕潤區(qū)沖積扇的河流是地下水的重要補給源。重碳酸、硫酸鈣(鈣鎂)型水沿滹沱河,石津灌渠呈帶狀分布,也充分說明了地表水對區(qū)域水資源補給的天然特征。在自然條件下,沖積扇的規(guī)模、河流的大小、流向、流量及其氣候帶的影響,都決定了流域水循環(huán)結(jié)構(gòu),尤其是地下水補給的特點。另一方面,自然條件下地下水排泄主要由含水層的地下水力坡度來決定。平原的地下水力坡度一般較小,地下水的流動也比較緩慢。1970年代中期以后,隨著區(qū)域水資源人為調(diào)控局面的形成和經(jīng)濟發(fā)展,大量抽取地下水已經(jīng)成為區(qū)域地下水排泄的一個重要組成部分。由此,區(qū)域的水資源開發(fā)利用不僅改變了水的時空分布,同時還改變了區(qū)域尺度的水循環(huán)結(jié)構(gòu)。目前華北平原河流的斷流產(chǎn)生的一系列生態(tài)環(huán)境問題,和過去幾十年來人類活動形成的新的水循環(huán)結(jié)構(gòu)是息息相關(guān)的。6區(qū)域地下水資源開發(fā)的意義通過以上的討論可以得出如下結(jié)論:(1)過去半個多世紀(jì)研究區(qū)域的社會和經(jīng)濟發(fā)展從水資源開發(fā)利用角度,可以總結(jié)為4個階段:緩慢成長期(地下水基本處于自然狀態(tài));快速發(fā)展期(地表水資源豐厚,地下水開采量小,基本處于補排平衡);迂回增長期(華北平原防洪排澇基本建設(shè)完成,基本形成了水資