海河流域污染分布治理

2017-03-15 08:52:51 8

  1 引言

  流域河流空间分布与交叉组合方式决定地表物质流动过程,对水系水文模式、河道中物质迁移转化过程以及内部生物信息交流具有重要影响,进而影响人类对河流水资源利用方式.河流及其组成的水网处于不断演化过程中,影响环境承载力及服务功能.水流是塑造河流地貌与河流过程直接驱动力,水流冲刷和侵蚀作用导致河道形态变化,进而改变河流网络结构.气候、地质、地貌、植被等因子作用影响河流水文、河道形态与化学属性.随着经济社会的迅速发展,人类活动是影响河流水系结构变化主要因素.高强度的人为干扰可使河流密度明显缩减,人为干扰和自然因素共同作用,形成河流的曲折程度及其变化.

  海河流域是人为高度干扰区域,具有重要的政治、经济和文化地位,也是国家重要粮食生产基地,在国家社会经济发展过程中具有重要战略地位.河流生态系统是流域内人类社会重要支持系统,但是随着流域社会经济不断发展,水资源利用率提高、排污加重,海河流域已经成为我国水污染最为严重的流域,水资源不足与水污染是流域内河流生态系统面临重要问题.同时,人类活动(种植、灌溉、森林砍伐、城市化、水利工程等)极大地影响流域水文节律及可用水量时空分布,河流生境质量退化,水生生物多样性减少,尤其平原段河流生态系统结构和功能退化问题突出.为保障河流生态系统的自我维持和流域经济的可持续发展,需要从机理方面诊断河流水污染问题,宏观方面进行河流生态治理和修复,研究流域河网结构及演化趋势是开展流域水环境研究和治理的基础.

  海河流域内河网分布格局及演变趋势尚缺乏系统性的研究,部分研究人员定性描述水系历史变迁,李红有将海河水系变迁分为3个时期(初步形成期,最终形成期和再次变迁期),探讨人类活动对水系变迁影响;谭徐明研究海河流域河道演变及下游湖泊洼淀面积变化.本文通过研究海河流域河流空间分布现状,探讨20世纪60年代至今演变趋势,为流域河流水环境研究、河流治理与修复工作提供技术支撑.

  2 材料与方法

  2.1 研究区概况

  海河流域位于东经112°~120°,北纬35°~43°,东临渤海,南界黄河,西靠云中、太岳山,北依蒙古高原.流域具有山地、高原、盆地、平原等地貌形态,西部为山西高原和太行山区,北部为内蒙古高原和燕山山区;东部和东南部为广阔平原,山地与平原近于直接交接,丘陵过渡区甚短.流域面积31.8万km2,其中山丘和高原面积18.9万km2,占60%;平原面积12.9万km2,占40%.流域气候属温带半干旱、半湿润季风气候区,年均气温0~14 ℃,多年平均降水量547 mm,75%~85%集中在6—8月.

  海河流域包括海河和滦河两大水系.滦河水系位于流域东北部,由滦河和冀东沿海诸河组成.海河水系位于滦河水系西南部,由北三河、永定河、大清河、子牙河、漳卫南运河、徒骇马颊河、黑龙港运东、海河干流水系组成,其中北三河和永定河称为海河北系,大清河、子牙河和漳卫南运河称为海河南系.海河流域水系从南到北,呈扇形分布,整体上具有次级水系分散、河系复杂、支流众多、过渡带短、源短流急的特点.

  2.2 数据分析方法

  流域数字高程栅格图由中国科学院遥感应用研究所提供,分辨率30 m.区域边界包括海河流域边界,流域范围内有地级市边界、区县边界,九大水系边界.

  利用GLOBAL MAPPER12.0对流域数字高程图形(Colarco,Toon et al.)进行等高线计算,得到等高线数据,并利用ARCGIS10处理得到九大水系等高线数据,获取上游山区、中部平原、下游滨海边界.

  闸坝位置通过《海河流域水利手册》中国水闸名称代码》、《海河志第一卷中相关资料确定,形成矢量文件.

  3 结果

  3.1 河流空间分布特征

  3.1.1 河流地貌

  地貌与气候作为自然基底环境,对水生态系统及物质过程具有重要影响.流域西起山西省,东至山东省,南起河南省,北至辽宁、内蒙古,地形地貌复杂,差异性大,覆盖华北山地区和平原区,以及内蒙古高原部分.基于河流比降对海河河流进行区段划分,流域河流可划分为上游山区段、中部平原段和下游滨海段.前两者界线:山海关抚宁滦县丰润玉田蓟县密云昌平房山易县满城曲阳获鹿赞皇内丘邯郸安阳鹤壁新乡焦作一线;后两段界线:唐海县唐山宝坻香河廊坊红桥大城泊头东光京津惠民一线.流域内2~5级主要河流河流比降分析表明,山区和高原区河流比降属于陡峭(>20‰)、偏陡峭(10‰~20‰)、偏平缓(1‰~10‰)3级;平原区河流比降为平缓(1‰~10‰)到平坦(<0.1‰)逐渐过渡,下游滨海段河流比降仅含平缓(0.1‰~1‰)、平坦(<0.1‰)2级(表 1).上游山区段地形多为山地,中部平原段为山前冲击洪积平原、湖积平原,下游滨海段为滨海冲击海积平原.

表1 海河流域河流区段划分

   上游山区段面积约18.78万km2,占据流域面积60%,地形多为山地、丘陵,少有高原,海拔高于100 m,包括滦河、北三河、永定河、大清河、子牙河与漳卫河等6个水系部分区域.覆盖河北省和山西省的163个市、区、县,主要城市包括河北省的承德、张家口,山西省的大同、朔州、忻州、阳泉和长治;土地利用类型以山地乔灌木植被和草地植被为主.区段河流多处于源头或上游段,发源于西北部燕山山脉和太行山山脉迎风坡,或北部内蒙古高原及西部黄土高原,源短流急,含沙量较大,冲刷频繁,河岸带窄.中部平原段面积约10万km2,约占流域面积31%,地形地貌为山前冲击洪积平原、湖积平原,海拔介于10~100 m之间,坡降减小.中部平原段涵盖了北京、河北、山东、河南等区域的260个市、区、县,主要城市包括北京,河北省的唐山、廊坊、保定、石家庄、衡水、邢台、邯郸,河南省的安阳、新乡、焦作和山东省的德州和聊城,土地开发利用类型主要为农田,占80%以上,其次为城镇及居住用地、建筑用地等.河流水资源利用强度极高,河流污水排放量大.河流断流、干涸现象普遍.下游滨海段面积约3万km2,约占流域面积10%,地形地貌为滨海冲击海积平原.滨海段海拔普遍低于10 m,坡降进一步减小.下游滨海段覆盖75个市,主要城市包括天津,以及河北省沧州市和山东省滨州市.土地开发利用程度较大,但农田面积比例有所减少,湿地面积增加,大陆泽宁晋泊、白洋淀文安洼和黄庄洼三大洼淀群是海河流域重要湿地群.滨海段河流受到内陆和源自潮汐作用的海洋的双重影响,具有独特的生态系统结构和物质过程.

  3.1.2 水系结构

  海河水系类型复杂,包括树枝状、亚树枝状、编织状、平行状、羽状、格子状、向心状、钩状等.受地形地貌和人类活动影响,水系结构类型在次级水系中分布区域和面积有所差异.不同区中,上游山区段一般为紧密型和中等型的水系,下游滨海段多为稀疏状水系,中部平原段水系结构为紧密型、中等型或稀疏型.

  次级水系中主要水系结构类型有所差异,反映人为干扰程度的大小.滦河水系和北三河水系山区段均为树枝状水系,且为中等型和紧密型,反映较弱人为干扰.永定河与大清河水系山区段为紧密型羽状水系,人为干扰弱.子牙河山区段为紧密型格子状水系,漳卫河山区段为紧密型钩状水系,均体现较弱人为干扰.滨海段多为人为干扰强烈的水系结构类型,包括滦河、徒骇马颊河、黑龙港运东水系的稀疏型编织状水系结构.中部平原段水系结构包括受人为干扰较强和较弱的类型,如大清河、徒骇马颊河、黑龙港运东水系的平行状水系,受人为干扰较弱;滦河、徒骇马颊河、黑龙港运东水系的稀疏型编织状水系结构体系较强的人为干扰.

  3.1.3 河道连续性

  海河流域人为修建水库是影响河流纵向连续性重要因素.流域山区建成大中小型水库1967座,总库容264亿m3;其中大型水库29座,总库容220亿m3,控制山区面积81%;中型水库98座,总库容30亿m3;小型水库1840座,总库容约13亿m3.平原大中型水库22座,总库容13亿m3(其中北大港、团泊两座大型水库,库容6.21亿m3),此外还有一批小型水库.山区水库已经控制山区面积83%,其中漳河、滹沱河、永定河等山区流域面积控制98%以上.

  山区与平原区过渡地带水库分布尤为集中,形成明显山前水库带.山前水库带对上游水资源大量截留,严重减弱中下游河段水流动力,并造成平原河段地表水资源匮乏.1998年至2010年,流域大中型水库平均蓄水量68亿m3,而水系年均地表水资源量118亿m3,河流流量73%被水库截留.在水库截流作用下,加之中部平原段和下游滨海段水闸大量建设,导致中部平原段河流水动力和水资源缺失,部分河道流动缓慢甚至断流,河道连续性受阻.河流连续性用连续性指数来表征,反映水利工程障碍物控制河道长度,指数值越小,河道连续性越差.结果表明,海河流域水系连续性指数范围介于2.08~16.56,最小值出现在永定河水系,其次是大清河、北三河、子牙河、滦河、漳卫河水系,表明上述水系河流连续性较差.其他水系连续性指数值均在10以上的水系只有徒骇马颊河水系和黑龙港运东水系(表 2).(需要分析连续性指数空间分布的因素)

表2 海河流域河流连续性

   3.2 河流演变趋势

  海河流域河流水系在时间尺度和空间尺度上均存在变化过程,河流曲率和河网密度具有一定时空变化趋势,且在不同次级水系中有所差异.从20世纪60年代—80年代—2000年,流域平原段河流平均曲率逐渐减小,这与平原区人口密度增大,人类活动对河流的干扰逐渐增强有关.山区段河流平均曲率从60年代的1.18减小到80年代的1.14后维持稳定(表 4),说明80年代后人类活动对山区河道的影响较小.不同时期平原段河流曲率均低于山区段(表 4),体现了平原区更强的人为干扰.从60年代—80年代,中部平原段河网密度从0.20下降到0.15,之后保持稳定(表 4);下游滨海段河网密度从0.17下降到0.12,到2000年又上升到0.15(表 4),推测由滨海区人为开挖的渠网增加所致.

  不同次级水系河流曲率和河网密度变化趋势存在差异.从60年代—80年代—2000年不同时期内,大清河、永定河、徒骇马颊河和黑龙港运东水系中平原段河流评价曲率均低于山区段,其余水系河流曲率呈现不规则变化.与60年代相比,80年代和2000年河流平均曲率均减小.不同时期内,北三河和大清河水系下游滨海段河网密度均低于中部平原段,其他水系河网密度呈不规则变化.从60年代到80年代,平原段和滨海段河网密度均有所减小;从80年代到2000年,中部平原段河网密度减小的水系有滦河、大清河、永定河水系,其余水系河网密度增大,下游滨海段河网密度增大的水系包括滦河、北三河、大清河、子牙河、黑龙港运东以及永定河水系,其余水系河网密度减小(表 3).

表3 海河流域各水系河网曲率和密度

 

  4 讨论

  研究流域河流空间分布及变化是一项很有意义的基础性工作,目前的研究手段主要包括:① 通过历史资料的收集与分析,探究一定区域内河网的演变过程及其与人类活动的关系,如李红友运用历史分析方法,分为3个时期(初步形成期、最终形成期和再次变迁期),探讨了人类活动对海河水系变迁的影响;韩春鲜结合历史资料和实地调研,研究了18世纪以来塔里木河河道变化与人类活动的互动关系.程江等利用文献和历史资料,分析了上海中心城区河流水系1860—2003年变化情况.由于历史资料的局限性,该方法通常得以对河流水网的整体变化趋势加以分析,而精确性相对较低.② 通过遥感图像和资料分析,分析河流水网形态及数学参数的变化.如孟飞等运用遥感图像分析方法,详细研究了浦东新区人类活动对河网结构的影响.张树文等利用L and sat7 ETM+影像、地形图、数字高程数据,研究了黑龙江上中游河道曲率及其稳定性.该方法在基础遥感数据资料的基础上进行分析,直观且准确度较高.将以上两种方法结合运用效果更好,如韩龙飞等运用遥感分析手段,结合历史资料,研究了秦淮河中、下游城市化对水系结构及其连通性的影响.由于海河流域缺乏详尽的水系历史资料,本文使用地理信息分析手段,研究了海河流域河流水网的具体参数变化,结果较为准确而可靠.

  海河流域河流水系的重要变化之一是连续性的破坏.河流连续性破坏使得其自然属性非常微弱,河道连续性降低导致河流水体自净能力不足,引起水体富营养化,生物多样性减小等水环境和水生态退化等问题.目前,已有一些河流水网连续性方面的研究,如茹彪等分析了传统网络连通性评价方法在水网中的适用性基础上,提出了基于河道自然、社会双重属性的水系结构连通性评价方法,并通过对吴江市骨干水系结构连通性进行计算,验证了该方法的可行性研究表明,秦淮河中、下游,连通性参数连接率由1979年的1.28下降到2006年的0.79,河流的连通性呈下降趋势;孟慧芳等从水文学角度,探索建立了基于水流阻力与水文过程的平原河网河流连通性评价方法,并在鄞东南平原河网区进行了应用.海河流域修建的大量水库和闸坝是阻断河流连续性的主要因素.水坝对河流天然连续性阻断,不仅改变地理空间和水流过程,而且引起水环境变迁.流域中的五大水系(滦河、北三河、永定河、大清河、子牙河)连续性指标值低于5,可见连续性破坏严重.

  流域水系河流曲率和河网密度变化反映了人为干扰趋势.总体来讲,山区和平原区水系河流曲率均不断减小,体现人为干扰强度不断加剧.从河网密度来看,海河流域水系河网密度变异性较大,从60年代到80年代,中部平原段河网密度从0.20减小到0.15,推测这与该时期河流水资源开发利用强度大,河道因断流而废弃,以及人为改道有关.下游滨海段河网密度从0.17下降到0.12,而到2000年又上升到0.15,这可能由于随着滨海区经济发展,人为开挖的大量渠网增加了水网密度.从河流曲率来看,20世纪60年代—80年代—2000年,流域平原段河流平均曲率逐渐减小,推测其主要原因是平原区城市化进程加快和人类活动加强.山区段河流平均曲率从60年代的1.18减小到80年代的1.14后维持稳定,即人类活动对山区河道形态的影响相对较小.

  海河流域河流水系的天然属性已经极大地受到人类活动的负面影响,存在水生态水环境退化的潜在风险.今后应在保持经济发展的基础上,减少对平原区河流水系自然演变的干扰,加强对山区河流的保护;在进行河流生态治理与修复时,应综合考虑河流地貌、水系结构、河流曲率和河网密度等因素.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。

  5 结论

  从河流地貌、河流纵向连续性,河网形态以及河网曲率和密度等方面,对海河流域河流空间分布特征及演变趋势进行研究,主要结论如下:

  1)海河流域河流地貌可划分为上游山区段、中部平原段、和下游滨海段.上游山区段河流水系形状为受干扰程度较低类型,下游滨海段水系形状多易受干扰,中部平原段居中.

  2)海河流域修建大量水库和水闸,使得河流纵向连续性遭到严重破坏,引发水环境问题.山前水库带截留作用使得平原区水资源量不足,而平原区水闸进一步导致河流流动缓慢.

  3)时间尺度上,河流曲率减小,河网密度呈不规则波动,揭示流域强烈人为干扰.从20世纪60年代—80年代—2000年,流域河流平均曲率减小,河网密度不定向波动,表明人为调控对河道天然形态改变影响程度大.

  今后应在保持经济发展的基础上,减少对河流天然属性的改变.在河流生态治理与修复过程中,应综合考虑河流地貌、水系结构、河流曲率和河网密度等因素.

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