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論環(huán)境變化對河北省可利用水資源的影響
論環(huán)境變化對河北省可利用水資源的影響 摘要:環(huán)境變化及其對可利用水資源的影響是復(fù)雜的,根據(jù)50年代以來的大量統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)分析表明,近30年來,由于自然環(huán)境的變化、人類活動(dòng)的增強(qiáng),河北省可利用水資源量處于減少的態(tài)勢。降水量減少、氣溫升高是造成水資源減少的根本原因。地下水超采所引起的地下水位持續(xù)下降,不僅造成地表產(chǎn)流減少,而且使降水對地下水的補(bǔ)給量減少。作物產(chǎn)量水平的提高,在直接消耗大量水資源和土壤水分的同時(shí),也使農(nóng)田蒸散加強(qiáng),從而造成地表徑流量和地下水補(bǔ)給量的減少。在新一輪水資源評價(jià)中,要充分考慮環(huán)境變化對水資源的影響,加強(qiáng)地下水位大埋深條件下,地表產(chǎn)流量,地下水補(bǔ)給量,以及作物產(chǎn)量水平提高對水資源影響的實(shí)驗(yàn)研究,以提高新一輪水資源評價(jià)成果的精度。
關(guān)鍵詞:可利用水資源 氣候變化 地表徑流 地下水補(bǔ)給 作物需水量
河北省是全國最嚴(yán)重缺水的省份之一,人均水資源占有量只有全國人均水平的1/6,水資源供需矛盾十分突出。水資源短缺已成為制約河北省經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展、人民生活水平提高的“瓶頸”�！傲濉�、“七五”期間國家投入大量資金對包括河北省在內(nèi)的華北地區(qū)水資源進(jìn)行了勘查、評價(jià)、實(shí)驗(yàn)、研究等方面的工作,取得了許多成果,為國家的經(jīng)濟(jì)建設(shè)作出了貢獻(xiàn)。但是,近幾十年來,特別是近30年來由于全球氣候的變化、人類經(jīng)濟(jì)活動(dòng)的大幅度增加,對水資源的可利用數(shù)量、水環(huán)境質(zhì)量的影響愈來愈大。因此,在新一輪水資源評價(jià)中應(yīng)充分考慮這些變化的影響,以便對水資源的數(shù)量作出準(zhǔn)確的、符合實(shí)際的評價(jià)。本文主要論述環(huán)境變化對河北省可利用水資源量的影響。
1 氣候變化對可利用水資源的影響
1.1 氣溫變化對可利用水資源的影響
氣候變化是引起河北省水資源危機(jī)的主要原因之一。據(jù)河北省42個(gè)氣象臺站的資料統(tǒng)計(jì)[1],20世紀(jì)50-60年代,全省年平均氣溫的增幅大部分臺站為0.1-0.6℃;60-70年代,年平均氣溫的增幅多為0.1-0.7℃;70-80年代,增幅多為0.1-0.6℃;80-90年代,全省各站年平均氣溫的增幅為0.2-1.2℃,其增幅最大。在近50年的時(shí)間里,從50年代到90年代,河北省各地年平均氣溫上升了0.2-2.1,全省平均上升了1.0℃。河北省大部分地區(qū)年平均氣溫50年代最低,90年代最高,其中80年代以來升高最快。統(tǒng)計(jì)資料表明年平均氣溫升高(變暖)主要是由于冬季平均氣溫升高及最低氣溫升高(夜間溫度升高)所致,而夏季平均氣溫和最高氣溫(白天溫度)變化較小。
若不考慮其它氣象因素的變化,氣溫變化對水資源的影響主要表現(xiàn)為溫度升高使水體的蒸發(fā)量加大,蒸發(fā)強(qiáng)度提高。無論水面蒸發(fā)、土面蒸發(fā)、葉面蒸發(fā),還是潛水的蒸發(fā),氣溫的升高都會使水的消耗量增加,造成人們可以利用的水資源數(shù)量的減少。水面蒸發(fā)主要受氣象因素的影響,土面蒸發(fā)、葉面蒸發(fā)、潛水蒸發(fā)除都受氣象因素影響外,還分別與土壤供水能力、作物生理狀況、地下水位埋深等因素有關(guān),在其它條件相同的情況下,氣溫升高對其產(chǎn)生的影響最為重要,是造成可利用水資源數(shù)量減少的主要原因之一,但,還需加強(qiáng)其定量關(guān)系方面的研究。50年代以來,河北省氣溫隨年代逐漸上升,80年代以來上升最快,往往是高溫干旱同時(shí)出現(xiàn)。高溫加劇了旱情,使農(nóng)田需水量增加;高溫也使城市生活用水量增加,加大了城市供水的負(fù)擔(dān)。高溫干旱使水資源的供需矛盾更加突出。
1.2 降水量變化對可利用水資源的影響
根據(jù)河北省1112個(gè)測站的資料統(tǒng)計(jì)[1],全省平均降水量從50年代至80年代逐漸減少,減幅為79.7mm,平均每10年減少26.6mm其中山區(qū)比平原區(qū)減幅大;90年代后有所回升,但仍比50年代少62.1mm(表1)。資料統(tǒng)計(jì)表明,50-90年代,全省除個(gè)別站點(diǎn)年平均降水量有所增加外,絕大多數(shù)站點(diǎn)平均降水量隨年代增加而減少。冀東沿海、太行山北部、冀南平原大部及懷來、遵化等地減少100mm以上,其中邯鄲、青縣等站點(diǎn)減少150mm,其它地區(qū)一般減少幾至幾十毫米不等。
一般情況下,一個(gè)地區(qū)可利用水資源的數(shù)量主要是指可以恢復(fù)再生的地表水資源量、地下水資源量、以及土壤水資源量。由于土壤水資源不能被人們直接開發(fā)利用,主要為植物所吸收,對人類來講是一種間接資源,并且由于自然條件的復(fù)雜性對此進(jìn)行準(zhǔn)確評價(jià)是非常困難的,因此,在進(jìn)行區(qū)域水資源評價(jià)時(shí),主要考慮地表水資源和地下水資源。地表水資源量主要是指地表水多年平均徑流量,并按流域進(jìn)行計(jì)算;地下水資源量主要是指地下水多年平均補(bǔ)給的淡水(礦化度M<2g/L)資源量,并按地下水含水系統(tǒng)(或水文地質(zhì)單元)進(jìn)行評價(jià)。河川徑流量主要來自大氣降水量,其次為山區(qū)地下水的補(bǔ)給;地下水補(bǔ)給量主要來自大氣降水、地表水、以及其它含水層的越流補(bǔ)給,而地表水補(bǔ)給和越流補(bǔ)給歸根結(jié)底都來自大氣降水的補(bǔ)給。因此,一個(gè)地區(qū)水資源的豐富程度主要取決于大氣降水量的多少。無論是地表水,還是地下水,它們的最終補(bǔ)給源頭只有一個(gè)——大氣降水,因此,大氣降水量的減少是導(dǎo)致河北省可利用水資源緊缺的根本原因。
2 地下水超采對可利用水資源的影響
2.1 地下水開采狀況
河北省是一個(gè)開采利用地下水為主的省份,近年來,地下水開采量達(dá)160多億m3/a,地下水實(shí)際利用量占全省水資源利用量的75%-80%,地下水總量約有85%用于農(nóng)田灌溉,全省地下水開采井?dāng)?shù)量達(dá)70多萬眼,使河北省成為全國擁有開采井?dāng)?shù)量最多的省份,地下水開采量居全國之首。
回顧近半個(gè)世紀(jì)以來,河北省地下水開采量由小到大,開采深度由淺至深。據(jù)有關(guān)資料統(tǒng)計(jì)[2],50年代,全省地下水以開采孔隙潛水為主,開采深度為10-15m,地下水開采量約30多億m3/a,井灌面積約67×104hm2,地下水處于平衡狀態(tài)。60年代,地下水開采仍以孔隙潛水為主,開采深度20-40m,開采量約50億m3/a,井灌面積近133×104hm2,地下水仍處于平衡狀態(tài)。70年代,在山前平原出現(xiàn)潛水-承壓水混合開采,井深達(dá)到60-80m;在平原區(qū),開始大量開采深層承壓水,開采深度為200-250m。這一階段地下水開采量達(dá)到約110億m3/a,其中河北平原地下水開采量約100多億m3/a(其中深層地下水開采量約10多億m3/a),農(nóng)田抽水井達(dá)57萬眼,其中深井達(dá)8萬眼,井灌面積達(dá)到233×104hm2,這一時(shí)期地下水水位開始區(qū)域性下降,并出現(xiàn)若干水位下降漏斗。80年代,全省地下水開采總量達(dá)130億m3/a,其中河北平原地下水開采量達(dá)120億m3/a(其中深層地下水開采量約20億m3/a),配套機(jī)井約60萬眼,井灌面積達(dá)287×104hm2,開采深度為170-350m。90年代,全省地下水開采總量達(dá)160億m3/a,其中河北平原地下水開采量約135億m3/a(其中深層地下水開采量約30億m3/a),開采井達(dá)70多萬眼,井灌面積約280×104hm2,開采深度為250-380m(見表2)。
2.2 地下水超采對可利用水資源的影響
河北省從80年代以來,全省地下水開采量約140億-150億m3/a,其中河北平原開采量約120億-130億m3/a,深層地下水開采量20億-40億m3/a,一般每年超采達(dá)15億-23億m3/a,最高年超采約30億-40億m3/a。根據(jù)1985-1995地下水開采資料[2],淺層地下水超采面積17715km2,其中嚴(yán)重超采區(qū)域1780km2,超采量為15.6億m3/a;深層地下水超采面積4.3萬km2,其中嚴(yán)重超采面積3.1萬km2,超采量為8.9億m3/a,合計(jì)超采24.5億m3/a。因此,區(qū)域地下水位產(chǎn)生大幅度下降,其中河北平原淺層地下水普遍下降5-15m,深者達(dá)20-30m;深層地下水位普遍下降20-40m,深者達(dá)40-50m。淺層地下水超采區(qū)域主要分布在太行山山前平原的中南部地帶,而深層地下水超采區(qū)域較集中分布在京津以南的中部濱海平原.
由于地下水的大量開采和超采,不僅造成區(qū)域地下水位大幅度持續(xù)下降,同時(shí)在開采強(qiáng)度較大、用水集中的城市地區(qū)出現(xiàn)了規(guī)模不等的地下水位降落漏斗。河北平原從70年代初期形成地下水位下降漏斗,并且逐漸轉(zhuǎn)化為常年性漏斗,到1995年為止20多年時(shí)間里,形成發(fā)展為20多個(gè)地下水位降落漏斗。其中淺層地下水位降落漏斗主要分布在河北平原山前平原及其與中部平原交接地帶的城市附近,至1995年共有常年性漏斗10個(gè);深層地下水位下降漏斗主要分布在河北平原中部至濱海地區(qū),有常年性漏斗12個(gè)。據(jù)觀測資料,規(guī)模較大的是石家莊漏斗,冀棗衡漏斗和滄州漏斗[3]。
石家莊漏斗是淺層潛水疏干漏斗,中心位于石家莊市,自1965年到1990年,漏斗中心水位埋深由7.57m下降到37.22m,漏斗中心水位累計(jì)下降29.65m,平均每年下降1.2m,1990年漏斗面積達(dá)338km2。冀棗衡漏斗主要是深層承壓水漏斗,中心位于衡水市,該漏斗形成于70年代初期,自1972年至1990年,漏斗中心水位埋深由20.98m下降到56.84m,漏斗中心水位累計(jì)下降35.86m,平均每年下降2.24m,漏斗涉及面積達(dá)4032km2。滄州漏斗是深層承壓水漏斗,中心位于滄州市,從開發(fā)初期的1965年到1990年,中心水位下降總量為82.08m,平均每年下降3.28m,漏斗面積達(dá)1415.2km2(詳見表3)。
河北平原地下水的補(bǔ)給來源以大氣降水為主,大氣降水入滲補(bǔ)給占地下水總補(bǔ)給量的,近70%。70年代以來,由于地下水的大量開采,河北平原大范圍內(nèi)地下水位持續(xù)下降,地下水位埋深大幅度增加,包氣帶大幅變厚。我們知道,包氣帶是連接大氣降水與地下水的中間紐帶,包氣帶對大氣降水具有一定的攔蓄作用。因此,進(jìn)入包氣帶的降水并沒有全部補(bǔ)給地下水,而是大部分被包氣帶吸收轉(zhuǎn)化為土壤水,并以土面蒸發(fā)和葉面蒸騰的形式向大氣排泄,進(jìn)行水循環(huán)。據(jù)有關(guān)資料,河北平原總降水量約有70%以上都轉(zhuǎn)化為土壤水,另一小部分向深層滲入含水層,轉(zhuǎn)化為地下水。大氣降水補(bǔ)給地下水的數(shù)量除與大氣降水的多少、包氣帶巖性、植被覆蓋生長情況、前期土壤含水量等因素有關(guān)外,還與包氣帶厚度有關(guān)。在相同條件下,包氣帶厚度愈大,則包氣帶攔蓄滯留的大氣降水就愈多,大氣降水通過包氣帶補(bǔ)給地下水的數(shù)量就愈少。因此,區(qū)域地下水位的下降,特別是太行山山前傾斜平原的補(bǔ)給區(qū),包氣帶厚度的增加,是造成地下水補(bǔ)給量減少的主要因素之一。另一方面,包氣帶厚度的增加,會使更多的大氣降水被包氣帶所吸收,導(dǎo)致地表產(chǎn)水量減少,從而導(dǎo)致地表水資源的減少。從而,造成可利用水資源數(shù)量的減少。
3 地表徑流變化對可利用水資源的影響
3.1 地表徑流的變化
河北省的河流,分屬于海河、灤河、遼河和內(nèi)陸河四個(gè)水系。海河流域面積最大為12.46萬km2,灤河流域面積為4.64萬km2,遼河支流流經(jīng)承德地區(qū)東部,流域面積0.49萬km2;內(nèi)陸河流域在張家口的壩上地區(qū),河道以內(nèi)陸湖泊為歸宿,面積1.18萬km2。據(jù)河北省水利廳資料,50年代,全省徑流總量為199億m3/a,入海水量為86.4億m3/a;80年代,全省徑流總量為81.3億m3/a,入海水量為13.2億m3 論環(huán)境變化對河北省可利用水資源的影響/a。與50年代相比,目前全省河川徑流總量、入海水量大幅度減少(詳見表4)。
在水利工程方面,建國后,河北省開展了大規(guī)模的水利工程建設(shè)。目前,山區(qū)已建成由河北省管理的大型水庫18座,中型水庫38座,小型水庫1086座,總庫容112.9億m3。由于北京、天津鑲嵌在河北省境內(nèi),另外還有海河水利委員會管轄的潘家口、大黑汀、岳城3座大型水庫,北京市管轄的官廳水庫、密云水庫,以及天津市管轄的于橋水庫。這些水庫控制山區(qū)面積達(dá)85%,控制山區(qū)來水的90%。這些水利工程大都建成于60年代初以前,70年代中期以后趨于正常運(yùn)行,80-90年代全省地表水利用率達(dá)70%,部分地區(qū)達(dá)90%以上,地表水開發(fā)利用程度較高,已超出常規(guī),并造成嚴(yán)重的生態(tài)環(huán)境問題。
3.2 地表徑流的變化對可利用水資源的影響
地表水資源的數(shù)量是以地表徑流量來表征的,由于70年代以來地表徑流量的減少,直接導(dǎo)致地表水資源量的減少。另外河北省由于地表水利用率的提高,50年代以來入海水量一直處于逐年減少的趨勢,造成平原區(qū)地表水補(bǔ)給地下水的數(shù)量愈來愈少,地表水環(huán)境愈來愈惡化。70年代以來,隨著一大批水利工程的正常運(yùn)行,極大地改變了地表徑流的時(shí)空分布特征。目前,河北平原河流幾乎全部斷流,有河皆干,有些僅在豐水年的汛期短時(shí)間有水通過,使得原來沿河常年接收地表水補(bǔ)給的地下水,現(xiàn)在無地表水補(bǔ)給,或僅在汛期短時(shí)間內(nèi)有補(bǔ)給,造成沿河地下水補(bǔ)給量的極大減少。
由于地表水資源的嚴(yán)重不足,不得不大量開采利用地下水,目前地下水利用量占總用水量的70%。70年代以來,由于地下水的超采,地下水位持續(xù)下降,包氣帶厚度增加,造成地表產(chǎn)水量減少,地下水補(bǔ)給量下降,農(nóng)田蒸散量加大,水資源危機(jī)進(jìn)一步加重,形成惡性循環(huán),產(chǎn)生的生態(tài)環(huán)境問題日趨嚴(yán)重。
4 糧食產(chǎn)量變化對可利用水資源的影響
4.1 糧食產(chǎn)量變化
河北省是農(nóng)業(yè)大省,到1998年底,全省有耕地648.46×104hm2[4]。建國50年來,全省不斷加大農(nóng)業(yè)投入,興修水利,農(nóng)業(yè)生產(chǎn)條件得到明顯改善,水澆地面積不斷擴(kuò)大,糧食總產(chǎn)量和單產(chǎn)逐步提高。到1998年底,建成萬畝以上灌區(qū)163處,有效灌溉面積達(dá)到438.8×104hm2。70年代以來河北省糧食產(chǎn)量總體來看一直處于上升趨勢,糧食總產(chǎn)1970年為1272.5×104t,1980年為1522.4×104t,1998年達(dá)2917.5×104t(單產(chǎn)6170kg/hm2),為1970年的2.3倍。從圖1可見,隨著糧食產(chǎn)量的增加,果園面積自80年帶中后期以來也有了較大的增長。
4.2 糧食產(chǎn)量的變化對可利用水資源的影響
作物產(chǎn)量的提高除了與作物品種、土壤水肥管理措施有關(guān)外,還與農(nóng)田騰發(fā)量(作物需水量)有著密切的關(guān)系。一般情況下,作物產(chǎn)量水平愈高,作物需水量就愈大,消耗的土壤水分就愈多,作物產(chǎn)量的提高是以消耗更多土壤水為前提的。研究表明[5],華北地區(qū)主要糧食作物冬小麥、夏玉米的需水量ET與作物產(chǎn)量Y之間的關(guān)系如下:
在相同降雨條件下,作物產(chǎn)量水平愈高,產(chǎn)生的地表徑流以及對地下水的補(bǔ)給就愈少,因此,作物產(chǎn)量水平的提高也是河北省可利用水資源減少的原因之一。
另外,改革開放以來,隨著城市面積的擴(kuò)大,建筑物、道路的修筑、綠化程度等也會對地表產(chǎn)流、地下水的補(bǔ)給產(chǎn)生一定的影響。
5 結(jié)論
(1)環(huán)境變化及其對可利用水資源的影響是復(fù)雜的,其中氣候因素:降水量減少、氣候變暖(氣溫升高)等,導(dǎo)致地表產(chǎn)流下降、地下水補(bǔ)給減少、農(nóng)田蒸散加強(qiáng),是造成河北省可利用水資源減少的根本原因。地下水超采所引起的地下水位持續(xù)下降,直接影響地表產(chǎn)流及對地下水的補(bǔ)給,是造成河北省可利用水資源減少的主要人為因素。
(2)在我國水資源利用中,農(nóng)業(yè)是用水大戶,占用水量的70.4%(1997年)[6],河北省地下水利用量中約有85%用于農(nóng)田灌溉。隨著河北省糧食產(chǎn)量的提高,特別是河北平原糧食產(chǎn)量水平的提高,必然造成作物需水量增加,蒸散加強(qiáng)。糧食產(chǎn)量水平的提高不但直接消耗大量的水資源和土壤水分,而且造成地表產(chǎn)流下降和地下水補(bǔ)給減少,是造成河北省可利用水資源減少的主要原因之一。
(3)水資源是一種可恢復(fù)再生的資源,環(huán)境變化對其恢復(fù)再生量產(chǎn)生直接的影響。隨著環(huán)境的變化,水資源在數(shù)量上也是動(dòng)態(tài)變化的,特別是70年代以來,由于自然環(huán)境的變化,人類活動(dòng)的加強(qiáng)等因素,河北省可利用水資源量處于減少的態(tài)勢。在新一輪水資源評價(jià)中要充分考慮這種變化,特別要加強(qiáng)“四水(大氣水、地表水、土壤水、地下水)”之間相互轉(zhuǎn)化關(guān)系的定量研究。重點(diǎn)加強(qiáng)地下水位大埋深(大于10m)條件下,地表產(chǎn)流、降水入滲系數(shù)、以及作物產(chǎn)量水平提高對水資源量影響方面的實(shí)驗(yàn)研究,以提高新一輪水資源評價(jià)成果的精度,使之更符合實(shí)際情況。
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Influences of Environmental Variations on Available Water Resources in Hebei Province
Abstract: Environmental variations and the influences on available water resources are complicated. According to a great number of statistical and survey data since the 1950s, the data that were analyzed indicated that the available water resources in Hebei Province trended towards decreasing during the last 30 years as the variations of natural environment and human activities increasing. Precipitation reducing and air temperature rising are the basic cause of leading to the water resources decreasing. The continual lowering of groundwater level, which was created by the excess development of groundwater, not only caused surface runoff decreasing but also made groundwater recharge lessening. The level increase of crop output directly consumed a great lot of water resources and soil water, simultaneously had farmland evapotranspiration strengthened, and also brought about surface runoff and groundwater recharge decrease. In the new turn of water resources evaluation, the influences of environmental variations on the water resources will be fully considered. The experimental researches of surface runoff, groundwater recharge, and impact of crop output increase on water resources under the condition of large groundwater depth will be reinforced, in order to enhance the fruit precision of the water resources evaluation of the new turn.
Key words: Available water resources, Climate change, Surface runoff, Groundwater recharge, Crop water requirement
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