非常规水源补给特性及其成因

2017-03-15 08:05:53 0

  1 引言

  在自然状态下,河流水补给主要来源于降雨径流,也包括地下水、冰雪融水、湖泊沼泽水等多种形式.近几十年来,随着气候变化和人类活动对水文要素的影响,全球许多河流的天然径流量都呈现出不同程度的减少趋势,包括美国的密西西比河.我国的塔里木河流域、长江流域、海河流域等.人类对水资源的开发利用改变了河流原有水循环过程,城市污废水排放量逐年增加,许多缺水河流污废水的补给占比逐渐升高,使得河流呈现明显的非常规水源补给特点.非常规水源是指区别于传统意义上的地表水、地下水(常规)的水资源,主要有雨水、再生水(经过再生处理的污水和废水)、海水、矿井水、苦咸水等等.河流的水源类型、属性主导着河流补给的形式,随着河流中污废水的比例逐渐升高,非常规水源补给的属性也明显增强.

  海河流域地处我国北方半干旱地区,区域水资源禀赋不足.20世纪80年代以来,海河流域平原段出现了大范围的干旱化趋势,降水严重减少,河流断流、地下水位下降;以城镇和工农业用水为目标,大量修建水库和灌渠网,对地表水资源形成层层截留作用;城镇用水量和工业用水量急剧增加,导致大规模非常规水源排入河流,使河流的自然水循环过程受到冲击.海河流域河流非常规水源补给集中表现在平原段,其中北三河、子牙河、漳卫河及徒骇马颊河水系污废水排放量均较高.中部平原区河流水质、水量和过程受城市群社会水系统的主导效应十分突出,河流补给的水源属性正发生深刻变化,非常规水源已逐步取代天然径流,成为河流补给的主要来源.

  面对日益凸显的非常规水源补给特性,仅以传统的开源节流模式已不能完全解决海河流域区域水资源短缺的问题.基于此,本文拟在全面分析流域水资源量、水资源利用程度、水系统格局以及污废水排放量的基础上,评估河流非常规水源补给的特性,认识河流非常规水源补给的成因及形成规律,以期为海河流域水资源、水环境管理及缺水河流水污染治理提供借鉴和参考.

  2 研究区域与数据

  2.1 研究区域概况

  海河流域东临渤海,南界黄河,西靠云中、太岳山,北依蒙古高原.流域气候属温带半干旱、半湿润季风气候区,年平均气温0~14℃,多年平均降水量547 mm,水资源严重匮乏.海河水系从南到北呈扇形分布,具有水系分散、河系复杂、支流众多、过渡带短、源短流急的特点.流域由滦河、北三河、永定河、大清河、海河干流、子牙河、黑龙港运东、漳卫河及徒骇马颊河九大水系构成,其中以北三河、永定河、大清河和海河干流为海河北系,以子牙河、黑龙港运东、漳卫河为海河南系.

  海河流域从西到东依次为山区,内陆平原和滨海平原地貌,在空间上呈三段式分布特点,可将水系划分为上游山区段、中部平原段和下游滨海段。中部平原段覆盖的流域二级区包括北三河水系下游平原、大清河水系淀西平原和淀东平原、子牙河水系平原、漳卫河水系平原段、黑龙港运东水系平原、徒骇马颊河水系、海河平原及冀东沿海诸河.中部平原段覆盖京津冀经济圈,有首都北京、天津、石家庄等在内的10多座大中型城市;人口密集,平原区人口约占流域总人口的70%,是我国的主要人口集聚区;城镇化进程快,城镇建设用地面积由80年代的4166 km2增长到2005年的7687 km2,增长近1倍;工农业发达,每km2工业产值最高达到14亿元;工业废水和生活污水排放规模大,2007年废污水排放量对全流域贡献比高达58%.海河流域各种水污染与水生态问题集中体现在平原地区.

  2.2 数据与方法

  2.2.1 数据类型和来源

  本研究所指非常规水源主要为经过处理的污废水.地表水资源量是指河流、湖泊等地表水体的动态水量,用天然河川径流量表示.水资源量特征值为年统计参数,数据按水资源分区统计,分别为滦河及冀东沿海诸河、海河北系、海河南系、徒骇马颊河水系,时间序列为1980—2012年.污废水排放量及入河量包括生活污水排放量和工业废水排放量,合计入河量.污废水排放量数据的时间范围为1980—2012年,污废水入河量的时间范围为2001—2012年,数据类型为年统计均值.以上数据由海河流域水资源保护局提供.

  社会经济和人口统计数据涉及海河流域范围内的北京和天津两个直辖市以及石家庄、唐山、秦皇岛等25座大中城市,时间范围为1980—2012年,均为年统计均值;天然径流量数据时间范围为2001—2012年.以上数据摘自中国统计年鉴数据库.

  (1)河流污径比

  污径比是指污(废)水排入河流量与河流径流量之比.污径比是表征河流水质的一项重要参数,一般认为污径比小于10%,方可保证河流的自净能力.污径比计算公式如式(1)所示:

  式中,r为污径比,Q1为污(废)水入河量,Q0为河流径流量.污径比可以作为表征该水域水质的宏观性指标,一般河流的污径比越小,河流稀释能力越强,稀释容量越大,水质不易被污染;反之水质易受污染.

  (2)水资源开发利用率

  在一定时空尺度上能够直接改变或影响人类生存环境的具有一定规模的人类活动,也是产生水资源变化的一个重要因素.本研究采用水资源开发利用程度来表征人类活动对海河流域水资源的影响,用水资源利用率反映流域对供应的水资源量的利用程度.水资源开发利用率是指流域或区域用水量占水资源总量的比率,计算公式如式(2)所示.

  3 结果与分析

  3.1 河流非常规水源补给的特性分析

  非常规水源补给的河流具有污径比高的特性.2001—2012年海河流域河流污径比介于18.2%~71.6%之间,平均污径比为35.7%,河流污径比较高(图 2).2001—2012年海河流域河流污径比整体呈降低的趋势,2002年污径比最高,为71.6%,2012年污径比最低,为18.2%;2003—2011年各年份之间污径比存在小幅度的波动,基本处于20%~40%之间.2001—2012年海河流域污废水入河量变化不大,平均值为50.4亿m3;天然径流量介于63.2~235.5亿m3之间,多年平均径流量为125.3亿m3,波动性较强,呈现出较显著的增长趋势,在2012年达到峰值.海河流域河流的天然河川径流量少,城镇污废水排放量大,污废水排水成为河流的重要补给来源,导致河流污径比较高.在海河流域污废水入河量变化不大、天然径流量逐渐增加的趋势下,河流污径比逐渐降低,但仍然超过10%的阈值,河流稀释能力和自净能力基本丧失.

  

                          图2 中文名海河流域河流污废水入河量、天然径流量和污径比年际变化

 

       海河流域各水系污径比介于25.6%~90.5%,河流污径比均较高,但各水系间的差异明显(图 3).海河北系污径比最高,达到90.5%,徒骇马颊河水系污径比次之,为49.9%,海河南系、滦河及冀东沿海污径比相对较低,分别为30.7%与25.6%.造成各水系间污径比差异明显的原因主要是河流天然径流量与污废水入河量的差异.海河北系污废水入河量最高,为20.09亿t,而天然径流量仅为22.19亿t,导致其污径比最高,河流径流量基本由非常规水源保障;徒骇马颊河水系污废水入河量最低,为3.99亿t,天然径流量为8.00亿t,其50%的河流径流量由非常规水源保障,污径比较高;海河南系污废水入河量也较高,为16.28亿t,但其天然径流量在各水系间最高,为53.01亿t,导致其污径比相对较低;滦河及冀东沿海污废水入河量为4.76亿t,但天然径 流量较高,为18.59亿t,污径比最低.除海河南系外,其他各水系天然径流量相对贫乏,无足够的清洁河水对污废水进行稀释净化.

  

图3 海河流域各水系河流污废水入河量、天然径流量和污径比(2007年)(a. 滦河及冀东沿海;b.海河北系;c. 海河南系;c. 徒骇马颊河) 

  3.2 河流非常规水源补给的成因分析

  降水量的持续减少、山前水库带对水资源的截留以及平原区水资源开发利用率的增加导致河道内径流量减少,是海河流域河流非常规水源补给形成的一个主要原因.海河流域地处季风气候区的边缘,降水量持续减少导致河流径流量减少.分析1956—2012年海河流域年降水量情况(图 4),1956—1980年海河流域平均降水量为559 mm,1980—2000年全流域平均降水量大幅度降低至504 mm,至2012年变化不大,平均降水量为502 mm.最近10年的降水量比20世纪五六十年代的降水量减少了近100 mm.海河流域水资源量禀赋不足,降水量的持续减少加剧了水资源的匮乏,使得河流非常规水源补给的特性更为突出.

  

图4 海河流域1956—2012年降水量变化

       山前水库带对水资源的截留造成平原区河流径流量减少.海河流域上游山区以及山区-平原过渡地带修建了大量水库,形成了明显的山前水库带(图 5a).截至2000年底,海河流域已建大型水库34座,其中山区31座,平原3座,总库容265.5亿m3;中型水库114座,总库容为33亿m3(表 1),此外还

  <表1 海河流域水库情况调查统计

二级区工程规模 滦河及冀东沿海 海河北系 海河南系 徒骇马颊河 流域合计
大型 中型 大型 中型 大型 中型 大型 中型 大型 中型
数量/处 6 11 9 35 19 68 0 0 34 114
总库容/(亿m3) 53.13 2.82 113.61 10.97 98.78 19.22 0 0 265.52 33.00
兴利库容/(亿m3) 30.55 1.58 46.43 5.91 44.98 10.75 0 0 121.95 18.24
现状供水能力/(亿m3) 23.10 0.51 19.18 2.88 24.08 6.36 0 0 66.35 9.75
设计供水能力/(万m3) 38.81 0.94 34.90 7.26 40.75 12.36 0 0 114.46 20.56

  有小型水库1711座.流域内山区大型水库控制流域面积已达15.82万km2,占流域山区总面积的83.7%.上游山区水库带大中型水库多年平均蓄水量为68亿m3,山区河流流量的73%被水库截留,山区径流几乎不排入平原河道,导致平原河流产水得不到保障,绝大部分平原河流已经成为季节性河流或者常年干涸;中部平原河流上修筑了大量闸坝(图 5b),导致河流流动性下降、连通性破坏、河流片段化.水库、闸坝的建设深刻影响着海河流域水系格局,对流域水系结构和水系基本自然属性产生明显干扰,导致河流天然径流量大幅减少,河流的生态基流得不到保障.

  中部平原区城市化发展对水资源的需求急剧增加,侵占河道天然径流,进一步导致平原区径流量的减少.1980—2012年海河流域地表水平均开发利用率达63%,水资源总量平均开发利用率高达102%.各水系1980—2012年地表水平均开发利用率44%~84%(图 6),其中海河北系地表水开发利用率最高,达84%;徒骇马颊河地表水开发利用率最低,为44%.国际上通常认为,地表水资源利用率超过30%即会对生态环境造成影响,超过40%则对生态环境有严重影响,水资源开发利用不可持续.海河流域在我国七大流域中水资源开发利用率最高,河道生态用水最为短缺.工业产值及城镇人口数量与水资源开发利用率有显著的相关性(图 7),复相关系数均超过50%(p<0.01),表明海河流域经济发展和城市人口规模的扩大导致水资源开发利用率提高.海河流域对水资源的需求已远远超过流域水资源的承载能力,导致水资源量持续短缺.海河流域人口和社会经济快速发展,对水资源的需求也急剧增加,产生了大量的污废水,是海河流域河流非常规水源补给形成的另一个主要原因.中部平原地区城市密集(图 5c ),流域经济产值和人口数量都有明显增长,总人口由1980年的9721万人增加至2012年的1.56亿,城镇人口由1980年的2289万人增加至2012年的7693万人,流域经济总产值由1980年的1592亿元增加至2012年的49600亿元.对1980—2012年流域用水量、污废水排放量与城镇人口、工业产值做线性回归,结果表明,工业产值及人口数量与用水量具有显著的相关性(图 8);生活污水排放量与城镇人口数量之间具有显著相关性(p<0.01),二者复相关系数达58.5%;工业废水排放量与工业产值之间的线性回归方程更加显著(p<0.01),复相关系数高达95.4%.综合以上分析,海河流域工业产业规模的扩大和城市人口数量的增加直接导致了污废水排放量的增加.

  4 讨论

  健康的河流水循环模式应以“自然水循环”为主.随着人类改造自然能力的加强,通过修建水库取水、开采地下水、跨流域调水等措施,改变了原有的自然水循环模式,产生了“社会水循环”模式.社会水循环通过取用水、排水与自然水循环相联系,构成了矛盾着的统一体,即“二元水循环系统”.海河流域是我国乃至世界上受人类活动干扰最强烈的区域,水库、闸坝、灌渠等水利设施的建设是水循环系统演化的主要推动力,强烈地影响了河流的自然循环过程,导致自然水循环系统逐渐弱化,社会水循环系统逐渐增强.海河流域“社会”水循环已成为河流水循环的主导过程,中部平原区河流以非常规水源作为环境流量用水将长期存在;水循环系统“二元”演化带来的水资源短缺和水污染加剧是当前水资源形势恶化的核心问题,考虑非常规水源水质水量的协同保障,对满足缺水河流最低的生态需水量,改善缺水河流生态环境,促进河流生态系统健康发展,遏制河流生态环境退化等具有积极的作用.

  5 结论

  1)非常规水源补给的河流具有污径比高的特性.海河流域河流污径比在18.2%~71.6%之间,平均污径比为35.7%;各水系污径比差异明显,其中海河北系污径比最高,达到90.5%,滦河及冀东沿海污径比最低,为25.6%.

  2)降水量的持续减少、山前水库带对水资源的截留以及平原区水资源开发利用率的增加导致河道内径流量减少,是海河流域平原河流非常规水源补给的一个主要原因.流域降水量持,1980年以来平均降水量比20世纪五六十年代减少了近60 mm,导致河流径流量补给不足;山区流量的73%被水库截留,造成中部平原区径流量得不到保障;中部平原区平均地表水资源开发利用率高达63%,进一步导致平原区径流量短缺.具体参见 污水处理技术资料或污水技术资料更多相关技术文档。

  3)人口和社会经济快速发展下污废水排放量的增加,是海河流域平原河流非常规水源补给的另一个主要原因.工业产值、城镇人口数量与污废水排放量显著正相关,对流域非常规水源补给有显著的影响.

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