桑干河流域水資源開發(fā)利用與生態(tài)環(huán)境矛盾的解決途徑

近年來(lái)，隨著人類對(duì)水資源的開發(fā)和利用，以及干旱和降雨的減少，干旱和降雨給干旱地區(qū)帶來(lái)了一系列生態(tài)環(huán)境問(wèn)題，如河流中斷、湖泊干旱和地下水位持續(xù)下降，這對(duì)當(dāng)?shù)氐纳鐣?huì)和經(jīng)濟(jì)發(fā)展構(gòu)成了嚴(yán)重威脅。不僅一些小河流,甚至一些大河流斷流的數(shù)量越來(lái)越多,河道徑流量越來(lái)越少,使河水的自凈能力下降,加上大量污廢水進(jìn)入河道,使河道超出了自身水環(huán)境承載能力,變成了干河或臭水河。比如在山西省,由于河道層層攔蓄利用,山西省1000余條大小河流基本上成了季節(jié)性河流。河川徑流的60%~90%集中在6月~9月,非汛期極少的一些水也被水庫(kù)截蓄。有些河流汛期出現(xiàn)斷流,桑干河固定橋水文站1999年6月、2001年6月、7月等出現(xiàn)斷流。1河流生態(tài)環(huán)境需水量河流生態(tài)環(huán)境需水量是針對(duì)水資源開發(fā)利用中的生態(tài)環(huán)境保護(hù)以及科學(xué)地進(jìn)行生態(tài)環(huán)境保護(hù)等問(wèn)題而提出來(lái)的新概念,至今尚未有明確統(tǒng)一的定義。從生態(tài)環(huán)境的要求出發(fā),河道生態(tài)環(huán)境需水量是指為改善河道生態(tài)環(huán)境質(zhì)量或維護(hù)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量不至于進(jìn)一步下降時(shí)河道生態(tài)系統(tǒng)所需要的最少水量和在這一水量下生態(tài)系統(tǒng)能夠容納的最差水質(zhì)。根據(jù)河流的生態(tài)環(huán)境功能,可將河流生態(tài)環(huán)境需水量劃分為:水土保持用水量、河流生態(tài)用水量、河流水面蒸發(fā)與河道滲漏用水量、輸沙用水量、入海需水量以及河流景觀和水上娛樂(lè)環(huán)境需水量等。但是,對(duì)于經(jīng)常性斷流的河流來(lái)說(shuō),其生態(tài)環(huán)境需水量還必須包括一個(gè)重要的內(nèi)容,即:防止河道斷流的最小生態(tài)環(huán)境需水量,此部分需水量是維持河道不斷流,保護(hù)生態(tài)環(huán)境不可缺少的組成部分。對(duì)于某一河道而言,防止斷流的需水量應(yīng)包括該河段的水面蒸發(fā)量、下滲量和河道外取水量。即:W=W蒸+W滲+QW=W蒸+W滲+Q式中:Q為計(jì)算河段定額河道外取水量之和。本文主要考慮河流在斷流情況下,探求防止河流斷流所需的最小環(huán)境需水量的定量計(jì)算方法,以期為水資源合理配置、維護(hù)生態(tài)平衡提供科學(xué)的依據(jù)。1.1蒸發(fā)水面水通過(guò)調(diào)查測(cè)量河道水面面積、湖泊水面面積,分析研究典型年的逐日水面蒸發(fā)量,通過(guò)河道的水位計(jì)算其水面面積,由水面蒸發(fā)量和河道水面面積計(jì)算河湖的蒸發(fā)水量。河流的水面蒸發(fā)是河流水量消耗的重要方式之一,這需要一定的水量用于維持河流系統(tǒng)正常的環(huán)境功能。當(dāng)水面蒸發(fā)量高于降水量時(shí),通過(guò)水面蒸發(fā)量與降水量差值所計(jì)算的消耗于蒸發(fā)的凈水量,稱之為水面蒸發(fā)用水量,為維持河流系統(tǒng)的正常生態(tài)功能,必須從流域河道水面系統(tǒng)以外的水體來(lái)彌補(bǔ)。根據(jù)水面面積、降水量、水面蒸發(fā)量,可求得相應(yīng)各月的蒸發(fā)生態(tài)需水量。計(jì)算公式為:WE=A(E?P)(當(dāng)E>P時(shí))WE=0(當(dāng)E<P時(shí))WE=A(E-Ρ)(當(dāng)E>Ρ時(shí))WE=0(當(dāng)E<Ρ時(shí))式中:WE為計(jì)算時(shí)段內(nèi)水體的凈蒸發(fā)損失量,m3;A為計(jì)算時(shí)段內(nèi)水體平均水面面積,m2;E為計(jì)算時(shí)段內(nèi)水體蒸發(fā)量,m;P為計(jì)算時(shí)段內(nèi)水體降雨量,m。1.2地下水漏干形成地下水位下降水資源短缺造成了各地地下水的大規(guī)模開采,出現(xiàn)了嚴(yán)重的超采狀況,地下水含水層大面積疏干,形成大面積區(qū)域性地下水位下降及城市附近地區(qū)地面下沉,許多地區(qū)出現(xiàn)了地下水漏斗,地下水位下降十分嚴(yán)重。對(duì)于河道來(lái)說(shuō),當(dāng)河道水位高于兩岸地下水位時(shí),河道將通過(guò)滲漏補(bǔ)給地下水。1.3提取的河水量1.3.1農(nóng)業(yè)用水(1)提取水文灌溉通常北方地區(qū)的農(nóng)作物需水是由灌溉渠系來(lái)提供的,而對(duì)于一些經(jīng)濟(jì)作物,若水量得不到及時(shí)補(bǔ)充就會(huì)枯萎死亡,導(dǎo)致生態(tài)破壞。因此要維持作物生長(zhǎng)需要,就必須通過(guò)水庫(kù)或在河流上新建水泵提取河水灌溉。在桑干河流域有許多灌區(qū),為保證經(jīng)濟(jì)作物的正常生長(zhǎng),河流內(nèi)必須要預(yù)留一部分水量。(2)灌溉用水及補(bǔ)水林牧漁用水包括園林、牧草、飼料基地、草場(chǎng)灌溉用水以及魚塘補(bǔ)水等。該項(xiàng)目用水細(xì)目較多,且水源不足時(shí)容易被其他水?dāng)D占,故調(diào)查統(tǒng)計(jì)難度大,統(tǒng)計(jì)精確度相對(duì)較差。1.3.2工業(yè)耗水量的概念工業(yè)用水指工、礦企業(yè)在生產(chǎn)過(guò)程中,用于制造、加工、冷卻、空調(diào)、凈化、洗滌等方面的用水和企業(yè)內(nèi)部其它用水。對(duì)工業(yè)用水而言,耗水量是一定時(shí)期內(nèi)某工業(yè)用水系統(tǒng)在生產(chǎn)過(guò)程中,由蒸發(fā)、吹散、直接進(jìn)入產(chǎn)品污泥等帶走所消耗的水量。工業(yè)生產(chǎn)耗水量受工藝水平、技術(shù)先進(jìn)程度等的影響較大,在一個(gè)較長(zhǎng)時(shí)期內(nèi),可以近似認(rèn)為工業(yè)耗水量是基本保持不變的。如果忽略工業(yè)用水系統(tǒng)回用水量和漏失水量等,則工業(yè)耗水量的大小近似等于取水量。1.3.3生活用水(1)從城市生活的河流中收集資金隨著我國(guó)城市化率的提高,城鎮(zhèn)人口逐步增加,加之人民生活水平的不斷改善,生活用水量(含居民用水和公共設(shè)施用水)增長(zhǎng)很快。(2)農(nóng)村生活是必要的農(nóng)村生活取水量包括農(nóng)村居民取水和牲畜用水。由于桑干河流域內(nèi)城鎮(zhèn)化率比較低,農(nóng)村人口占大多數(shù),故其用水量比城鎮(zhèn)生活用水高。2計(jì)算河流中斷所需的最小生態(tài)環(huán)境所需的水量的例子通過(guò)實(shí)例,來(lái)具體說(shuō)明防止河流斷流所需維持的最小生態(tài)環(huán)境需水量的計(jì)算方法(以桑干河為例)。2.1蒸發(fā)量計(jì)算結(jié)果見表1。蒸發(fā)器年蒸發(fā)折算系數(shù)見附表。2.2城市河道滲漏補(bǔ)給量確定桑干河地下水水源地的補(bǔ)給水量屬于生態(tài)需水量的一部分,這部分的計(jì)算采用河道滲漏補(bǔ)給系數(shù)法。河道滲漏補(bǔ)給系數(shù)的計(jì)算主要引用38-05-07課題即“大同市御河平原段河道滲漏模型”中線性模型的成果。它假定:河道滲漏段內(nèi)損失均勻,沿程流量按等比級(jí)數(shù)遞減,即有如下公式:Q下=Q上(1?φ)Lφ=1?(Q下/Q上)1/LM河=r[1?(1?φ)L]r=1?E+E0Q損Q下=Q上(1-φ)Lφ=1-(Q下/Q上)1/LΜ河=r[1-(1-φ)L]r=1-E+E0Q損式中:φ為每公里損失率;Q上、Q下為上、下游斷面流量;L為河道滲漏段長(zhǎng);M河為河道滲漏補(bǔ)給系數(shù);r為補(bǔ)給修正系數(shù);E為浸潤(rùn)帶陸面蒸發(fā)量;E0為河水水面蒸發(fā)量;Q損為河段損失量。通過(guò)不同流量的放水試驗(yàn),即可由上式計(jì)算出河道對(duì)應(yīng)各流量的滲漏補(bǔ)給系數(shù)(見表2)。河道滲漏補(bǔ)給量的公式為:Q河=Q來(lái)水?M河Q河=Q來(lái)水?Μ河河道滲漏補(bǔ)給量計(jì)算結(jié)果及其分析見表3、表4、表5。綜上各水文頻率下河道滲漏量計(jì)算結(jié)果知,在P=25%、50%、75%時(shí),河道滲漏量分別為1.120億m3/a、0.902億m3/a、0.680億m3/a,符合實(shí)際要求。2.3提取的河水量2.3.1農(nóng)業(yè)用水(1)市、朔州市計(jì)算按面積定額法計(jì)算經(jīng)濟(jì)、大田作物生態(tài)需水量,對(duì)歷年的實(shí)測(cè)灌溉面積按實(shí)際灌溉面積計(jì)算。桑干河流域灌溉面積分為大同市、朔州市兩片,其中,大同市包括南郊區(qū)、新榮區(qū)、渾源縣、左云縣的3/4、大同縣,朔州市包括朔城區(qū)的4/5、平魯區(qū)的3/5、山陰縣、應(yīng)縣、懷仁縣。其計(jì)算結(jié)果見表6。從圖1中可以看出,從1994年~2003年農(nóng)田灌溉用水量逐步遞減,這一方面是由于采取節(jié)水措施,取得了明顯的成效,另一方面受制于農(nóng)業(yè)供水不足,灌溉次數(shù)減少,存在缺水現(xiàn)象。(2)計(jì)算計(jì)算結(jié)果桑干河流域林牧漁用水主要分為大同市和朔州市兩片,計(jì)算結(jié)果見表7。在農(nóng)田灌溉用水減少的同時(shí),流域農(nóng)業(yè)用水中的林牧漁業(yè)園林發(fā)展較快而用水呈增長(zhǎng)趨勢(shì)。2.3.2工業(yè)水桑干河流域工業(yè)河道取水量見表8。2.3.3生活用水(1)從城市生活的河流中收集資金隨著我國(guó)城市化率的提高,城鎮(zhèn)人口逐步增加,加之人民生活水平的不斷改善,生活用水量(含居民用水和公共設(shè)施用水)增長(zhǎng)很快。(2)農(nóng)村生活是必要的農(nóng)村生活取水量包括農(nóng)村居民取水和牲畜用水。由于桑干河流域內(nèi)城鎮(zhèn)化率比較低,農(nóng)村人口占大多數(shù),故其用水量比城鎮(zhèn)生活用水高。3主要生態(tài)特性通過(guò)以上各分項(xiàng)需水量計(jì)算可知,桑干河流域在斷流時(shí)最小生態(tài)環(huán)境需水量為:25%頻率下W=W蒸+W滲+Q=3.757億m3;50%頻率下,W=3.539億m3;75%頻率下,W=3.317億m3。而25%頻率下,桑干河年徑流量為4.663億m3;50%頻率下,桑干河年徑流量為3.128億m3;75%頻率下,桑干河年徑流量為2.078億m3。由此知道河道因年徑流量不足而干涸比較嚴(yán)重,同時(shí)