汾河流域生態(tài)環(huán)境需水與水資源安全問題研究

任世芳 王尚義

（太原師范學(xué)院,山西太原 030012）

汾河流域生態(tài)環(huán)境需水與水資源安全問題研究

任世芳 王尚義

（太原師范學(xué)院,山西太原 030012）

根據(jù)所估算的汾河流域生態(tài)環(huán)境需水量提出了該河上、中、下游地表水的合理開發(fā)利用率,即對徑流量的利用應(yīng)限制在多年平均徑流量的18%、44%和34%以內(nèi).針對長期過度開發(fā)引起的水資源安全問題,探討解決汾河流域生態(tài)環(huán)境需水問題,維護(hù)流域水資源安全的方案和設(shè)想.

水資源安全;生態(tài)環(huán)境;汾河流域

0 引言

水資源不同于其他自然資源,它的開發(fā)利用方式和程度,往往直接影響所在流域或區(qū)域的生態(tài)環(huán)境狀況.例如,河流的過度開發(fā)會引起地下水補(bǔ)給來源的減少,降低河流的自凈能力,而污染了的河水又會對沿河兩岸的地下水造成間接污染.因此,劉昌明院士曾指出[1]:在進(jìn)行水資源需求預(yù)測時,必須充分考慮維持河流系統(tǒng)的生態(tài)和環(huán)境功能所必需的水量消耗,即預(yù)留必要的生態(tài)環(huán)境需水量,否則,社會經(jīng)濟(jì)需水最終也將無法保證.

國際上公認(rèn),地表水開發(fā)利用率存在為30%這樣一個合理閾值,極限開發(fā)利用率是40%[2,3].具體到每一個國家或區(qū)域,由于所處地理位置和自然條件不同,這一數(shù)字會有上下浮動.

在20世紀(jì)50～90年代,我國不少河流在規(guī)劃和實(shí)踐過程中,都忽視了預(yù)留必需的生態(tài)環(huán)境需水量,90年代對汾河流域所進(jìn)行的研究和規(guī)劃,也始終沒有涉及上述問題.例如,據(jù)該研究報(bào)告估算,汾河上中游到2000年如遇50%保證率的平年,在引黃入晉工程供水5.2×108m3后,還缺水0.8×108m3,而地表水開發(fā)利用率仍高達(dá)80%,是上述閾值的2.0～2.7倍.如此高的水資源開發(fā)利用率,勢必會給汾河流域的生態(tài)環(huán)境帶來惡劣的影響,進(jìn)而影響到當(dāng)?shù)氐乃Y源安全狀況.因此,本文要探討的問題是:1）評估汾河流域生態(tài)環(huán)境需水量,并估算其合理的地表水開發(fā)利用率;2）探討解決該流域生態(tài)環(huán)境需水問題,維護(hù)流域水資源安全的方案和設(shè)想.

1 流域概況

汾河是黃河最大的一級支流之一,流域面積39 471 km2,占山西省總面積的25.25%,多年平均年徑流量25.27×108m3.太原蘭村以上為上游,流域面積7 727 km2,年徑流量6.87×108m3;石灘（趙城）以上為中游,區(qū)間流域面積20 487 km2,區(qū)間年徑流量9.73×108m3;趙城～河口區(qū)間為下游,流域面積11 257 km2,區(qū)間年徑流量8.67×108m3.

汾河流域是山西省經(jīng)濟(jì)發(fā)展最集中、最發(fā)達(dá)的地區(qū).據(jù)1987年統(tǒng)計(jì),汾河流域人口979.2×104人,占山西省36.39%;而工業(yè)產(chǎn)值132.57×108元,占全省47.72%;農(nóng)業(yè)總產(chǎn)值17.06×108元,占全省34.75%.本流域能源工業(yè)在山西能源重化工基地中占有重要地位.山西8個國家統(tǒng)配的礦務(wù)局中,有西山、汾西、霍州等3個局位于本流域,其原煤年產(chǎn)量約占8局總產(chǎn)量的1/4.汾河上游的古交市是我國最大的主焦煤基地,而嵐縣在“十一五”期間將建成投資60億元的煤、焦、電聯(lián)合生產(chǎn)基地.

2 流域生態(tài)環(huán)境需水量的分析計(jì)算方法

任何一個流域的水資源不可吸干用盡,其開發(fā)利用率,必須受環(huán)境承受能力制約,否則必將產(chǎn)生嚴(yán)重的環(huán)境問題[4].參考劉昌明院士的主張:生態(tài)環(huán)境需水應(yīng)包括多沙河流汛期沖沙水量、枯季維持生態(tài)的基流量和湖泊生態(tài)水量等[1],結(jié)合現(xiàn)代水文學(xué)的計(jì)算方法對汾河流域上、中、下游的生態(tài)環(huán)境需水量分別從以上四個部分進(jìn)行估算,并與其他流域計(jì)算成果加以比較.

2.1 河流輸沙需水量

以汛期用于輸沙的水量,作為河流生態(tài)環(huán)境需水量的第一個組成部分,河流汛期輸沙用水量的計(jì)算公式如下:

式中:W s為輸沙用水量,St為多年平均輸沙量,Cmax為歷年最大月平均含沙量的平均值,Cmax按下式計(jì)算:

式中:Cij表示第i年j月的月平均含沙量;n為統(tǒng)計(jì)年數(shù).文獻(xiàn)[2]認(rèn)為:就海灤河流域的河流系統(tǒng)而言,20世紀(jì)70年代以前受人類活動的影響較為微弱,故關(guān)于生態(tài)需水量的計(jì)算都取自20世紀(jì)70年代以前的水文資料,本節(jié)及下文也沿用這一方法.

2.2 枯季維持生態(tài)基流量

又稱河流基本生態(tài)環(huán)境需水量,主要用以維持水生生物的正常生長,以及滿足部分的排鹽、地下水入滲補(bǔ)給、污染自凈等方面的要求,其計(jì)算公式為

式中:W b為枯季維持生態(tài)基流量,Cij為第i年第j月的月平均流量,T為常數(shù),其值為31.536×106m3,n為統(tǒng)計(jì)年數(shù).

2.3 湖泊洼地生態(tài)環(huán)境需水量

主要為考慮維持湖泊洼地特定的水、鹽及水生生態(tài)條件所消耗的水量.汾河流域內(nèi)湖泊洼地?cái)?shù)量很少、面積極小,如上游寧武的天池等湖泊群,中游太原西海子等水域以及清徐東湖等,總計(jì)水面積不足10 km2;至于羅城洼等洼地則在60年代即已疏干改田,故此項(xiàng)耗水量可不予考慮.

3 生態(tài)環(huán)境需水量的計(jì)算成果Ⅰ（長系列）

綜上所述,汾河流域的生態(tài)環(huán)境需水量W e為W s與W b之和.利用20世紀(jì)70年代以前的水文資料分別計(jì)算了控制上游的蘭村站、控制中游的靈石/義棠站和石灘（趙城）站以及控制全河的河津站,其成果如表1及表2所示.

表2 汾河各河段枯季維持生態(tài)基流量Fig.2 Basic water needs of rivers in Fenhe River

綜合表1和表2的計(jì)算成果,可以得到汾河各河段需要的生態(tài)環(huán)境需水量:石灘（趙城）以上的中上游地區(qū)需水7.636×108m3,占多年平均年徑流量的46%;河津以上全流域需水14.183×108m3,占平均年徑流量的56.12%;而蘭村以上的上游地區(qū)生態(tài)環(huán)境需水4.086×108m3,占多年平均年徑流量的59.48%.

4 生態(tài)環(huán)境需水量的計(jì)算成果Ⅱ（短系列）

文獻(xiàn)[2]認(rèn)為海灤河流域在20世紀(jì)70年代以前人類活動的影響微弱,但作者以為汾河流域情形有所不同,人類活動對徑流和泥沙的重大影響在1959年以后就已充分顯示出來.從1958年起,汾河干支流上的大中型水庫相繼開工興建,1960年左右初步建成蓄水.據(jù)統(tǒng)計(jì),共有大中型水庫11處,總庫容11.8×108m3.因此,不計(jì)及小型水庫,汾河流域的總庫容系數(shù)β已達(dá)0.46以上,其調(diào)節(jié)和攔沙作用顯而易見.以汾河水庫為例,該工程1958年開工,1959年攔洪,1960年竣工蓄水.攔洪之前,下游蘭村站1951-1958年8年最小月平均流量均值7.30 m3/s;攔洪以后,1959-1970年12年均值下降為3.55 m3/s,不到過去的一半.相應(yīng)地最大月平均含沙量均值由115.5 kg/m3下降為46.5 kg/m3,是攔洪前的40%.

為此,視各河段受水庫影響時間先后不同,以1958-1960年為界,計(jì)算此前的生態(tài)環(huán)境需水量,計(jì)算成果見表3及表4.

表3 汾河各河段輸沙需水量（短系列）Fig.3 Water needs for transportion of sediments in Fenhe River（Sho rt serisd）

表4 汾河各河段枯季維持生態(tài)基流量（短系列）Fig.4 Basic water needs of revers in Fenhe River（long series）

綜合表3和表4可知,上游地區(qū)生態(tài)環(huán)境需水4.966×108m3,占多年平均年徑流量的72.29%;石灘（趙城）以上的中上游區(qū)需水8.446×108m3,占平均年徑流的50.88%;河津以上全流域需水13.741×108m3,占平均年徑流的54.38%.

5 合理開發(fā)利用率的確定

綜合計(jì)算成果Ⅰ和Ⅱ（長系列和短系列）,可得出相應(yīng)的水資源合理開發(fā)利用率,如表5所示.

表5 合理開發(fā)利用率計(jì)算成果Fig.5 Calculation of reasonable development and utilization of results

對上述成果的討論:

1）成果Ⅰ和成果Ⅱ的比較:蘭村站兩者相差較大,其余3站則兩者相差很少,約1～5個百分點(diǎn).鑒于汾河上游是全河的水源地,工業(yè)又很發(fā)達(dá),故建議其開發(fā)利用率按27%考慮.

2）尹國康估算黃河用于排沙的環(huán)境需水量為455×108～460×108m3左右（平年）,占平均年徑流量的78.44%～79.31%[4].而在汾河該值約為20%～35%,原因是汾河含沙量較小,1934-1960年27年實(shí)測平均年輸沙量為5 510×104t,侵蝕模數(shù)僅為1 398 t/km2·a;而黃河的平均侵蝕模數(shù)達(dá)2 000 t/km2·a以上（1919-1959）.

3）李麗娟、鄭紅星對海、灤河流域生態(tài)環(huán)境需水量的估算結(jié)果為平均年徑流的47%[2].汾河流域估算結(jié)果為44%～46%,與其十分相近.考慮到應(yīng)預(yù)留一定的裕余度,汾河流域預(yù)留10%,則上、中、下游的開發(fā)利用率最低將分別降為18%、44%和34%.對于人口密集、水資源短缺和重化工業(yè)發(fā)達(dá)的地區(qū)而言,這個比例是比較安全的.

6 水資源規(guī)劃、預(yù)測與實(shí)際供需情況的比較

6.1 原規(guī)劃需水缺水量

據(jù)水利部《華北地區(qū)及山西能源基地水資源研究》專題報(bào)告（1990年）規(guī)劃,汾河流域到2000年引黃入晉工程完成并通水后,如遇50%保證率（平年）,其上中游區(qū)仍缺水6.0×108m3,下游區(qū)仍缺水3.61×108m3,而河川徑流開發(fā)利用率分別高達(dá)79.1%及81.4%,具體數(shù)據(jù)如表6所示.

由表6可知,按規(guī)劃計(jì)算,即便是引黃入晉工程全部竣工輸水,汾河全流域仍缺水近10×108m3,且河川徑流開發(fā)利用率將高達(dá)80%左右.

表6 汾河流域平年水資源供需分析（原預(yù)計(jì)2000年）Fig.6 The analysis of water supp ly and demand in Fenhe River（o riginaly expected in 2000） 108 m 3

6.2 2000年度的實(shí)際用水及其影響

1990年水利部規(guī)劃及預(yù)測到2000年汾河流域供水32.6×108m3.據(jù)《山西省2000年水資源公報(bào)》統(tǒng)計(jì),2000年該流域用水量為24.94×108m3（用水量指分配給用戶的包括輸水損失在內(nèi)的毛用水量,在數(shù)量上與供水量中地表水和地下水相一致）,比原規(guī)劃數(shù)值少23.5%.

雖然實(shí)際用水量少于預(yù)計(jì)值,但當(dāng)年地下水用水量達(dá)17.02×108m3,較原規(guī)劃2000年目標(biāo)值13.42×108m3增大26.83%.與此同時,地表水用水量僅為7.93×108m3,是原規(guī)劃預(yù)測徑流量的31.38%.由于2000年汾河川徑流偏枯,來水量只有8.11×108m3,占多年平均徑流量25.27×108m3的32.09%,故當(dāng)年河川徑流開發(fā)利用率已高達(dá)97.78%.

2000年汾河流域的廢水、污水排放量也居山西全省諸河之首,總量為3.47×108m3,占全省廢污水排放量的41.1%,其中工業(yè)占73.7%.全流域污水處理回用量僅0.46×108m3,故有3×108m3排入黃河干流.形象地講,當(dāng)年汾河干流入黃水量中,有3/8是廢水和污水.重點(diǎn)河段水質(zhì)狀況見表7,由表7可知,汾河干流自寨上以下到柴莊的397 km河段,已經(jīng)成為一條名符其實(shí)的排污渠.

2005年度水環(huán)境進(jìn)一步惡化,汾河流域監(jiān)測的21個斷面中,只有河源雷鳴寺1個斷面符合Ⅰ～Ⅲ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn),符合Ⅳ～Ⅴ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)的斷面也只有6個,其余14個斷面如義榮、石灘、臨汾、平遙鐵橋等均劣于Ⅴ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn).[5]

綜上所述,水環(huán)境的惡化固然與治污治廢力度不足,污水廢水?dāng)?shù)量增長有關(guān),但河川徑流大幅度減少甚至斷流,也是造成水環(huán)境急劇變壞的重要因素.例如位于上、中游分界處的蘭村水文站,多年來大多數(shù)時段處于河干狀態(tài),其下游河水已缺乏最起碼的自凈能力.

表7 汾河干流各重點(diǎn)河段水質(zhì)狀況（2000年）Fig.7 Key section water quality of Fenhe River in 2000

7 考慮生態(tài)環(huán)境需水量后的水量平衡

在水利部1990年的規(guī)劃中,2000年如遇平年,其水量平衡如表8所示.

由表8可見,在上中游引黃入晉、下游提黃河水高灌的基礎(chǔ)上,全流域缺水為1.35×108m3.考慮預(yù)留生態(tài)環(huán)境需水量后,水量平衡情況如下:

1）從上面的計(jì)算可知,上中游和下游的W e分別占正常年徑流的56%和66%,即9.296×108m3和5.722×108m3,合計(jì)W e=15.018×108m3.

2）規(guī)劃認(rèn)為,2000年預(yù)計(jì)全流域棄水5.08×108m3,這一水量可沖減部分W e,尚缺9.938×108m3.

3）引黃、提黃共8.26×108m3,故W e尚缺1.678×108m3,因此應(yīng)從可供水量32.6×108m3中扣除此數(shù),即實(shí)際可供水量為30.922×108m3.

4）原規(guī)劃預(yù)測需水分配量為42.21×108m3,現(xiàn)在計(jì)算所得的可供水量僅有30.922×108m3,故應(yīng)采取各種節(jié)水措施,壓縮11.288×108m3用水量,即壓減26%以上.

8 結(jié)論和建議

1）汾河上、中、下游水資源允許的開發(fā)利用率分別為18%、44%和34%.

2）根據(jù)計(jì)算結(jié)果,2000年地表水高強(qiáng)度開發(fā),地下水嚴(yán)重超采的形勢下,即便有引黃水源補(bǔ)給,汾河流域仍然缺水,更談不上保持必要的生態(tài)環(huán)境需水.因此,有必要將引黃水量作為生態(tài)環(huán)境用水,估計(jì)每年至少需引黃5×108m3～6×108m3.

3）目前正在實(shí)施的加強(qiáng)水資源管理、節(jié)水、治污、處理三廢以及調(diào)整產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)和布局等治本措施,仍需努力進(jìn)行并加大實(shí)施的力度.特別是在汾河上游地區(qū),作為太原、晉中兩市的天然生態(tài)屏障,也是兩市主要的地面水水源地,河川徑流允許開發(fā)利用率不足30%,其生態(tài)環(huán)境相當(dāng)脆弱,不宜再新建大型高耗水高產(chǎn)污的工礦業(yè)項(xiàng)目.擬議中的一些大型企業(yè)在決策時需十分慎重,最好不建或少建.

[1] 劉昌明.中國21世紀(jì)水資源供需趨勢與重點(diǎn)問題的探討[A].見:劉昌明主編.21世紀(jì)中國水文科學(xué)研究的新問題新技術(shù)和新方法[C].北京:科學(xué)出版社,2001:3-10

[2] 李麗娟,鄭紅星.河流系統(tǒng)生態(tài)環(huán)境需水量初步研究[A].見:劉昌明主編.21世紀(jì)中國水文科學(xué)研究的新問題新技術(shù)和新方法[C].北京:科學(xué)出版社,2001:74-80

[3] 趙淑貞.關(guān)于淡水資源的可持續(xù)開發(fā)模式[J].山西大學(xué)師范學(xué)院學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版）,1997（1）:36-38

[4] 尹國康.黃河流域環(huán)境對水資源開發(fā)承受力的思考[J].地理學(xué)報(bào),2002,57（2）:224-230

[5] 孫利榮,王 良,賈榮榮,等.藍(lán)天碧水工程本月開始實(shí)施[N].山西青年報(bào),2006-06-05（1）

Research on the Fenhe River Valley Environment Water Demandsand Water Resoures Safety

Ren Shifang Wang Shangyi
（Taiyuan No rmal University,Taiyuan 030012,China）

Based on the estimation of the Fenhe River valley environment water demands,the water utilization rate of the upper,the middle and the lower reachers of the river should belim itied whith 18%,44%and 34%.To the water safety question coursed by long-term excessive development,some suggestions are given to help solve the water safety and the envirmental water demand p roblem.

water resourse safty;ernvirment;the Fenhe river valley

【責(zé)任編輯:王映苗】

1672-2027（2010）02-0099-06

X143

A

2010-03-19

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（40471033）;山西省軟科學(xué)研究資助項(xiàng)目（2006041035-03）.

任世芳（1974-）,女,湖南湘陰人,碩士,太原師范學(xué)院副教授,主要從事水文水資源學(xué)與環(huán)境變遷的教學(xué)和研究.