非常規(guī)水源補(bǔ)給特性及其成因

　　1 引言

　　在自然狀態(tài)下，河流水補(bǔ)給主要來源于降雨徑流，也包括地下水、冰雪融水、湖泊沼澤水等多種形式.近幾十年來，隨著氣候變化和人類活動(dòng)對(duì)水文要素的影響，全球許多河流的天然徑流量都呈現(xiàn)出不同程度的減少趨勢(shì)，包括美國(guó)的密西西比河.我國(guó)的塔里木河流域、長(zhǎng)江流域、海河流域等.人類對(duì)水資源的開發(fā)利用改變了河流原有水循環(huán)過程，城市污廢水排放量逐年增加，許多缺水河流污廢水的補(bǔ)給占比逐漸升高，使得河流呈現(xiàn)明顯的非常規(guī)水源補(bǔ)給特點(diǎn).非常規(guī)水源是指區(qū)別于傳統(tǒng)意義上的地表水、地下水(常規(guī))的水資源，主要有雨水、再生水(經(jīng)過再生處理的污水和廢水)、海水、礦井水、苦咸水等等.河流的水源類型、屬性主導(dǎo)著河流補(bǔ)給的形式，隨著河流中污廢水的比例逐漸升高，非常規(guī)水源補(bǔ)給的屬性也明顯增強(qiáng).

　　海河流域地處我國(guó)北方半干旱地區(qū)，區(qū)域水資源稟賦不足.20世紀(jì)80年代以來，海河流域平原段出現(xiàn)了大范圍的干旱化趨勢(shì)，降水嚴(yán)重減少，河流斷流、地下水位下降;以城鎮(zhèn)和工農(nóng)業(yè)用水為目標(biāo)，大量修建水庫(kù)和灌渠網(wǎng)，對(duì)地表水資源形成層層截留作用;城鎮(zhèn)用水量和工業(yè)用水量急劇增加，導(dǎo)致大規(guī)模非常規(guī)水源排入河流，使河流的自然水循環(huán)過程受到?jīng)_擊.海河流域河流非常規(guī)水源補(bǔ)給集中表現(xiàn)在平原段，其中北三河、子牙河、漳衛(wèi)河及徒駭馬頰河水系污廢水排放量均較高.中部平原區(qū)河流水質(zhì)、水量和過程受城市群社會(huì)水系統(tǒng)的主導(dǎo)效應(yīng)十分突出，河流補(bǔ)給的水源屬性正發(fā)生深刻變化，非常規(guī)水源已逐步取代天然徑流，成為河流補(bǔ)給的主要來源.

　　面對(duì)日益凸顯的非常規(guī)水源補(bǔ)給特性，僅以傳統(tǒng)的開源節(jié)流模式已不能完全解決海河流域區(qū)域水資源短缺的問題.基于此，本文擬在全面分析流域水資源量、水資源利用程度、水系統(tǒng)格局以及污廢水排放量的基礎(chǔ)上，評(píng)估河流非常規(guī)水源補(bǔ)給的特性，認(rèn)識(shí)河流非常規(guī)水源補(bǔ)給的成因及形成規(guī)律，以期為海河流域水資源、水環(huán)境管理及缺水河流水污染治理提供借鑒和參考.

　　2 研究區(qū)域與數(shù)據(jù)

　　2.1 研究區(qū)域概況

　　海河流域東臨渤海，南界黃河，西靠云中、太岳山，北依蒙古高原.流域氣候?qū)贉貛О敫珊怠�半濕�?rùn)季風(fēng)氣候區(qū)，年平均氣溫0~14℃，多年平均降水量547 mm，水資源嚴(yán)重匱乏.海河水系從南到北呈扇形分布，具有水系分散、河系復(fù)雜、支流眾多、過渡帶短、源短流急的特點(diǎn).流域由灤河、北三河、永定河、大清河、海河干流、子牙河、黑龍港運(yùn)東、漳衛(wèi)河及徒駭馬頰河九大水系構(gòu)成，其中以北三河、永定河、大清河和海河干流為海河北系，以子牙河、黑龍港運(yùn)東、漳衛(wèi)河為海河南系.

　　海河流域從西到東依次為山區(qū)，內(nèi)陸平原和濱海平原地貌，在空間上呈三段式分布特點(diǎn)，可將水系劃分為上游山區(qū)段、中部平原段和下游濱海段。中部平原段覆蓋的流域二級(jí)區(qū)包括北三河水系下游平原、大清河水系淀西平原和淀東平原、子牙河水系平原、漳衛(wèi)河水系平原段、黑龍港運(yùn)東水系平原、徒駭馬頰河水系、海河平原及冀東沿海諸河.中部平原段覆蓋京津冀經(jīng)濟(jì)圈，有首都北京、天津、石家莊等在內(nèi)的10多座大中型城市;人口密集，平原區(qū)人口約占流域總?cè)丝诘?0%，是我國(guó)的主要人口集聚區(qū);城鎮(zhèn)化進(jìn)程快，城鎮(zhèn)建設(shè)用地面積由80年代的4166 km2增長(zhǎng)到2005年的7687 km2，增長(zhǎng)近1倍;工農(nóng)業(yè)發(fā)達(dá)，每km2工業(yè)產(chǎn)值最高達(dá)到14億元;工業(yè)廢水和生活污水排放規(guī)模大，2007年廢污水排放量對(duì)全流域貢獻(xiàn)比高達(dá)58%.海河流域各種水污染與水生態(tài)問題集中體現(xiàn)在平原地區(qū).

　　2.2 數(shù)據(jù)與方法

　　2.2.1 數(shù)據(jù)類型和來源

　　本研究所指非常規(guī)水源主要為經(jīng)過處理的污廢水.地表水資源量是指河流、湖泊等地表水體的動(dòng)態(tài)水量，用天然河川徑流量表示.水資源量特征值為年統(tǒng)計(jì)參數(shù)，數(shù)據(jù)按水資源分區(qū)統(tǒng)計(jì)，分別為灤河及冀東沿海諸河、海河北系、海河南系、徒駭馬頰河水系，時(shí)間序列為1980—2012年.污廢水排放量及入河量包括生活污水排放量和工業(yè)廢水排放量，合計(jì)入河量.污廢水排放量數(shù)據(jù)的時(shí)間范圍為1980—2012年，污廢水入河量的時(shí)間范圍為2001—2012年，數(shù)據(jù)類型為年統(tǒng)計(jì)均值.以上數(shù)據(jù)由海河流域水資源保護(hù)局提供.

　　社會(huì)經(jīng)濟(jì)和人口統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)涉及海河流域范圍內(nèi)的北京和天津兩個(gè)直轄市以及石家莊、唐山、秦皇島等25座大中城市，時(shí)間范圍為1980—2012年，均為年統(tǒng)計(jì)均值;天然徑流量數(shù)據(jù)時(shí)間范圍為2001—2012年.以上數(shù)據(jù)摘自中國(guó)統(tǒng)計(jì)年鑒數(shù)據(jù)庫(kù).

　　(1)河流污徑比

　　污徑比是指污(廢)水排入河流量與河流徑流量之比.污徑比是表征河流水質(zhì)的一項(xiàng)重要參數(shù)，一般認(rèn)為污徑比小于10%，方可保證河流的自凈能力.污徑比計(jì)算公式如式(1)所示：

　　式中，r為污徑比，Q1為污(廢)水入河量，Q0為河流徑流量.污徑比可以作為表征該水域水質(zhì)的宏觀性指標(biāo)，一般河流的污徑比越小，河流稀釋能力越強(qiáng)，稀釋容量越大，水質(zhì)不易被污染;反之水質(zhì)易受污染.

　　(2)水資源開發(fā)利用率

　　在一定時(shí)空尺度上能夠直接改變或影響人類生存環(huán)境的具有一定規(guī)模的人類活動(dòng)，也是產(chǎn)生水資源變化的一個(gè)重要因素.本研究采用水資源開發(fā)利用程度來表征人類活動(dòng)對(duì)海河流域水資源的影響，用水資源利用率反映流域?qū)�供�?yīng)的水資源量的利用程度.水資源開發(fā)利用率是指流域或區(qū)域用水量占水資源總量的比率，計(jì)算公式如式(2)所示.

　　3 結(jié)果與分析

　　3.1 河流非常規(guī)水源補(bǔ)給的特性分析

　　非常規(guī)水源補(bǔ)給的河流具有污徑比高的特性.2001—2012年海河流域河流污徑比介于18.2%~71.6%之間，平均污徑比為35.7%，河流污徑比較高(圖 2).2001—2012年海河流域河流污徑比整體呈降低的趨勢(shì)，2002年污徑比最高，為71.6%，2012年污徑比最低，為18.2%;2003—2011年各年份之間污徑比存在小幅度的波動(dòng)，基本處于20%~40%之間.2001—2012年海河流域污廢水入河量變化不大，平均值為50.4億m3;天然徑流量介于63.2~235.5億m3之間，多年平均徑流量為125.3億m3，波動(dòng)性較強(qiáng)，呈現(xiàn)出較顯著的增長(zhǎng)趨勢(shì)，在2012年達(dá)到峰值.海河流域河流的天然河川徑流量少，城鎮(zhèn)污廢水排放量大，污廢水排水成為河流的重要補(bǔ)給來源，導(dǎo)致河流污徑比較高.在海河流域污廢水入河量變化不大、天然徑流量逐漸增加的趨勢(shì)下，河流污徑比逐漸降低，但仍然超過10%的閾值，河流稀釋能力和自凈能力基本喪失.

       海河流域各水系污徑比介于25.6%～90.5%，河流污徑比均較高，但各水系間的差異明顯(圖 3).海河北系污徑比最高，達(dá)到90.5%，徒駭馬頰河水系污徑比次之，為49.9%，海河南系、灤河及冀東沿海污徑比相對(duì)較低，分別為30.7%與25.6%.造成各水系間污徑比差異明顯的原因主要是河流天然徑流量與污廢水入河量的差異.海河北系污廢水入河量最高，為20.09億t，而天然徑流量?jī)H為22.19億t，導(dǎo)致其污徑比最高，河流徑流量基本由非常規(guī)水源保障;徒駭馬頰河水系污廢水入河量最低，為3.99億t，天然徑流量為8.00億t，其50%的河流徑流量由非常規(guī)水源保障，污徑比較高;海河南系污廢水入河量也較高，為16.28億t，但其天然徑流量在各水系間最高，為53.01億t，導(dǎo)致其污徑比相對(duì)較低;灤河及冀東沿海污廢水入河量為4.76億t，但天然徑 流量較高，為18.59億t，污徑比最低.除海河南系外，其他各水系天然徑流量相對(duì)貧乏，無(wú)足夠的清潔河水對(duì)污廢水進(jìn)行稀釋凈化.

　　3.2 河流非常規(guī)水源補(bǔ)給的成因分析

　　降水量的持續(xù)減少、山前水庫(kù)帶對(duì)水資源的截留以及平原區(qū)水資源開發(fā)利用率的增加導(dǎo)致河道內(nèi)徑流量減少，是海河流域河流非常規(guī)水源補(bǔ)給形成的一個(gè)主要原因.海河流域地處季風(fēng)氣候區(qū)的邊緣，降水量持續(xù)減少導(dǎo)致河流徑流量減少.分析1956—2012年海河流域年降水量情況(圖 4)，1956—1980年海河流域平均降水量為559 mm，1980—2000年全流域平均降水量大幅度降低至504 mm，至2012年變化不大，平均降水量為502 mm.最近10年的降水量比20世紀(jì)五六十年代的降水量減少了近100 mm.海河流域水資源量稟賦不足，降水量的持續(xù)減少加劇了水資源的匱乏，使得河流非常規(guī)水源補(bǔ)給的特性更為突出.

       山前水庫(kù)帶對(duì)水資源的截留造成平原區(qū)河流徑流量減少.海河流域上游山區(qū)以及山區(qū)-平原過渡地帶修建了大量水庫(kù)，形成了明顯的山前水庫(kù)帶(圖 5a).截至2000年底，海河流域已建大型水庫(kù)34座，其中山區(qū)31座，平原3座，總庫(kù)容265.5億m3;中型水庫(kù)114座，總庫(kù)容為33億m3(表 1)，此外還

　 <表1 海河流域水庫(kù)情況調(diào)查統(tǒng)計(jì)

　　有小型水庫(kù)1711座.流域內(nèi)山區(qū)大型水庫(kù)控制流域面積已達(dá)15.82萬(wàn)km2，占流域山區(qū)總面積的83.7%.上游山區(qū)水庫(kù)帶大中型水庫(kù)多年平均蓄水量為68億m3，山區(qū)河流流量的73%被水庫(kù)截留，山區(qū)徑流幾乎不排入平原河道，導(dǎo)致平原河流產(chǎn)水得不到保障，絕大部分平原河流已經(jīng)成為季節(jié)性河流或者常年干涸;中部平原河流上修筑了大量閘壩(圖 5b)，導(dǎo)致河流流動(dòng)性下降、連通性破壞、河流片段化.水庫(kù)、閘壩的建設(shè)深刻影響著海河流域水系格局，對(duì)流域水系結(jié)構(gòu)和水系基本自然屬性產(chǎn)生明顯干擾，導(dǎo)致河流天然徑流量大幅減少，河流的生態(tài)基流得不到保障.

　　中部平原區(qū)城市化發(fā)展對(duì)水資源的需求急劇增加，侵占河道天然徑流，進(jìn)一步導(dǎo)致平原區(qū)徑流量的減少.1980—2012年海河流域地表水平均開發(fā)利用率達(dá)63%，水資源總量平均開發(fā)利用率高達(dá)102%.各水系1980—2012年地表水平均開發(fā)利用率44%~84%(圖 6)，其中海河北系地表水開發(fā)利用率最高，達(dá)84%;徒駭馬頰河地表水開發(fā)利用率最低，為44%.國(guó)際上通常認(rèn)為，地表水資源利用率超過30%即會(huì)對(duì)生態(tài)環(huán)境造成影響，超過40%則對(duì)生態(tài)環(huán)境有嚴(yán)重影響，水資源開發(fā)利用不可持續(xù).海河流域在我國(guó)七大流域中水資源開發(fā)利用率最高，河道生態(tài)用水最為短缺.工業(yè)產(chǎn)值及城鎮(zhèn)人口數(shù)量與水資源開發(fā)利用率有顯著的相關(guān)性(圖 7)，復(fù)相關(guān)系數(shù)均超過50%(p<0.01)，表明海河流域經(jīng)濟(jì)發(fā)展和城市人口規(guī)模的擴(kuò)大導(dǎo)致水資源開發(fā)利用率提高.海河流域?qū)λ�資源的需求已遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過流域水資源的承載能力，導(dǎo)致水資源量持續(xù)短缺.海河流域人口和社會(huì)經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，對(duì)水資源的需求也急劇增加，產(chǎn)生了大量的污廢水，是海河流域河流非常規(guī)水源補(bǔ)給形成的另一個(gè)主要原因.中部平原地區(qū)城市密集(圖 5c )，流域經(jīng)濟(jì)產(chǎn)值和人口數(shù)量都有明顯增長(zhǎng)，總?cè)丝谟?980年的9721萬(wàn)人增加至2012年的1.56億，城鎮(zhèn)人口由1980年的2289萬(wàn)人增加至2012年的7693萬(wàn)人，流域經(jīng)濟(jì)總產(chǎn)值由1980年的1592億元增加至2012年的49600億元.對(duì)1980—2012年流域用水量、污廢水排放量與城鎮(zhèn)人口、工業(yè)產(chǎn)值做線性回歸，結(jié)果表明，工業(yè)產(chǎn)值及人口數(shù)量與用水量具有顯著的相關(guān)性(圖 8);生活污水排放量與城鎮(zhèn)人口數(shù)量之間具有顯著相關(guān)性(p<0.01)，二者復(fù)相關(guān)系數(shù)達(dá)58.5%;工業(yè)廢水排放量與工業(yè)產(chǎn)值之間的線性回歸方程更加顯著(p<0.01)，復(fù)相關(guān)系數(shù)高達(dá)95.4%.綜合以上分析，海河流域工業(yè)產(chǎn)業(yè)規(guī)模的擴(kuò)大和城市人口數(shù)量的增加直接導(dǎo)致了污廢水排放量的增加.

　　4 討論

　　健康的河流水循環(huán)模式應(yīng)以“自然水循環(huán)”為主.隨著人類改造自然能力的加強(qiáng)，通過修建水庫(kù)取水、開采地下水、跨流域調(diào)水等措施，改變了原有的自然水循環(huán)模式，產(chǎn)生了“社會(huì)水循環(huán)”模式.社會(huì)水循環(huán)通過取用水、排水與自然水循環(huán)相聯(lián)系，構(gòu)成了矛盾著的統(tǒng)一體，即“二元水循環(huán)系統(tǒng)”.海河流域是我國(guó)乃至世界上受人類活動(dòng)干擾最強(qiáng)烈的區(qū)域，水庫(kù)、閘壩、灌渠等水利設(shè)施的建設(shè)是水循環(huán)系統(tǒng)演化的主要推動(dòng)力，強(qiáng)烈地影響了河流的自然循環(huán)過程，導(dǎo)致自然水循環(huán)系統(tǒng)逐漸弱化，社會(huì)水循環(huán)系統(tǒng)逐漸增強(qiáng).海河流域“社會(huì)”水循環(huán)已成為河流水循環(huán)的主導(dǎo)過程，中部平原區(qū)河流以非常規(guī)水源作為環(huán)境流量用水將長(zhǎng)期存在;水循環(huán)系統(tǒng)“二元”演化帶來的水資源短缺和水污染加劇是當(dāng)前水資源形勢(shì)惡化的核心問題，考慮非常規(guī)水源水質(zhì)水量的協(xié)同保障，對(duì)滿足缺水河流最低的生態(tài)需水量，改善缺水河流生態(tài)環(huán)境，促進(jìn)河流生態(tài)系統(tǒng)健康發(fā)展，遏制河流生態(tài)環(huán)境退化等具有積極的作用.

　　5 結(jié)論

　　1)非常規(guī)水源補(bǔ)給的河流具有污徑比高的特性.海河流域河流污徑比在18.2%~71.6%之間，平均污徑比為35.7%;各水系污徑比差異明顯，其中海河北系污徑比最高，達(dá)到90.5%，灤河及冀東沿海污徑比最低，為25.6%.

　　2)降水量的持續(xù)減少、山前水庫(kù)帶對(duì)水資源的截留以及平原區(qū)水資源開發(fā)利用率的增加導(dǎo)致河道內(nèi)徑流量減少，是海河流域平原河流非常規(guī)水源補(bǔ)給的一個(gè)主要原因.流域降水量持，1980年以來平均降水量比20世紀(jì)五六十年代減少了近60 mm，導(dǎo)致河流徑流量補(bǔ)給不足;山區(qū)流量的73%被水庫(kù)截留，造成中部平原區(qū)徑流量得不到保障;中部平原區(qū)平均地表水資源開發(fā)利用率高達(dá)63%，進(jìn)一步導(dǎo)致平原區(qū)徑流量短缺.具體參見污水寶商城資料或http://www.yiban123.com更多相關(guān)技術(shù)文檔。

　　3)人口和社會(huì)經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展下污廢水排放量的增加，是海河流域平原河流非常規(guī)水源補(bǔ)給的另一個(gè)主要原因.工業(yè)產(chǎn)值、城鎮(zhèn)人口數(shù)量與污廢水排放量顯著正相關(guān)，對(duì)流域非常規(guī)水源補(bǔ)給有顯著的影響.