汾河流域生态环境需水与水资源安全问题研究

任世芳 王尚义

（太原师范学院,山西太原 030012）

汾河流域生态环境需水与水资源安全问题研究

任世芳 王尚义

（太原师范学院,山西太原 030012）

根据所估算的汾河流域生态环境需水量提出了该河上、中、下游地表水的合理开发利用率,即对径流量的利用应限制在多年平均径流量的18%、44%和34%以内.针对长期过度开发引起的水资源安全问题,探讨解决汾河流域生态环境需水问题,维护流域水资源安全的方案和设想.

水资源安全;生态环境;汾河流域

0 引言

水资源不同于其他自然资源,它的开发利用方式和程度,往往直接影响所在流域或区域的生态环境状况.例如,河流的过度开发会引起地下水补给来源的减少,降低河流的自净能力,而污染了的河水又会对沿河两岸的地下水造成间接污染.因此,刘昌明院士曾指出[1]:在进行水资源需求预测时,必须充分考虑维持河流系统的生态和环境功能所必需的水量消耗,即预留必要的生态环境需水量,否则,社会经济需水最终也将无法保证.

国际上公认,地表水开发利用率存在为30%这样一个合理阈值,极限开发利用率是40%[2,3].具体到每一个国家或区域,由于所处地理位置和自然条件不同,这一数字会有上下浮动.

在20世纪50～90年代,我国不少河流在规划和实践过程中,都忽视了预留必需的生态环境需水量,90年代对汾河流域所进行的研究和规划,也始终没有涉及上述问题.例如,据该研究报告估算,汾河上中游到2000年如遇50%保证率的平年,在引黄入晋工程供水5.2×108m3后,还缺水0.8×108m3,而地表水开发利用率仍高达80%,是上述阈值的2.0～2.7倍.如此高的水资源开发利用率,势必会给汾河流域的生态环境带来恶劣的影响,进而影响到当地的水资源安全状况.因此,本文要探讨的问题是:1）评估汾河流域生态环境需水量,并估算其合理的地表水开发利用率;2）探讨解决该流域生态环境需水问题,维护流域水资源安全的方案和设想.

1 流域概况

汾河是黄河最大的一级支流之一,流域面积39 471 km2,占山西省总面积的25.25%,多年平均年径流量25.27×108m3.太原兰村以上为上游,流域面积7 727 km2,年径流量6.87×108m3;石滩（赵城）以上为中游,区间流域面积20 487 km2,区间年径流量9.73×108m3;赵城～河口区间为下游,流域面积11 257 km2,区间年径流量8.67×108m3.

汾河流域是山西省经济发展最集中、最发达的地区.据1987年统计,汾河流域人口979.2×104人,占山西省36.39%;而工业产值132.57×108元,占全省47.72%;农业总产值17.06×108元,占全省34.75%.本流域能源工业在山西能源重化工基地中占有重要地位.山西8个国家统配的矿务局中,有西山、汾西、霍州等3个局位于本流域,其原煤年产量约占8局总产量的1/4.汾河上游的古交市是我国最大的主焦煤基地,而岚县在“十一五”期间将建成投资60亿元的煤、焦、电联合生产基地.

2 流域生态环境需水量的分析计算方法

任何一个流域的水资源不可吸干用尽,其开发利用率,必须受环境承受能力制约,否则必将产生严重的环境问题[4].参考刘昌明院士的主张:生态环境需水应包括多沙河流汛期冲沙水量、枯季维持生态的基流量和湖泊生态水量等[1],结合现代水文学的计算方法对汾河流域上、中、下游的生态环境需水量分别从以上四个部分进行估算,并与其他流域计算成果加以比较.

2.1 河流输沙需水量

以汛期用于输沙的水量,作为河流生态环境需水量的第一个组成部分,河流汛期输沙用水量的计算公式如下:

式中:W s为输沙用水量,St为多年平均输沙量,Cmax为历年最大月平均含沙量的平均值,Cmax按下式计算:

式中:Cij表示第i年j月的月平均含沙量;n为统计年数.文献[2]认为:就海滦河流域的河流系统而言,20世纪70年代以前受人类活动的影响较为微弱,故关于生态需水量的计算都取自20世纪70年代以前的水文资料,本节及下文也沿用这一方法.

2.2 枯季维持生态基流量

又称河流基本生态环境需水量,主要用以维持水生生物的正常生长,以及满足部分的排盐、地下水入渗补给、污染自净等方面的要求,其计算公式为

式中:W b为枯季维持生态基流量,Cij为第i年第j月的月平均流量,T为常数,其值为31.536×106m3,n为统计年数.

2.3 湖泊洼地生态环境需水量

主要为考虑维持湖泊洼地特定的水、盐及水生生态条件所消耗的水量.汾河流域内湖泊洼地数量很少、面积极小,如上游宁武的天池等湖泊群,中游太原西海子等水域以及清徐东湖等,总计水面积不足10 km2;至于罗城洼等洼地则在60年代即已疏干改田,故此项耗水量可不予考虑.

3 生态环境需水量的计算成果Ⅰ（长系列）

综上所述,汾河流域的生态环境需水量W e为W s与W b之和.利用20世纪70年代以前的水文资料分别计算了控制上游的兰村站、控制中游的灵石/义棠站和石滩（赵城）站以及控制全河的河津站,其成果如表1及表2所示.

表2 汾河各河段枯季维持生态基流量Fig.2 Basic water needs of rivers in Fenhe River

综合表1和表2的计算成果,可以得到汾河各河段需要的生态环境需水量:石滩（赵城）以上的中上游地区需水7.636×108m3,占多年平均年径流量的46%;河津以上全流域需水14.183×108m3,占平均年径流量的56.12%;而兰村以上的上游地区生态环境需水4.086×108m3,占多年平均年径流量的59.48%.

4 生态环境需水量的计算成果Ⅱ（短系列）

文献[2]认为海滦河流域在20世纪70年代以前人类活动的影响微弱,但作者以为汾河流域情形有所不同,人类活动对径流和泥沙的重大影响在1959年以后就已充分显示出来.从1958年起,汾河干支流上的大中型水库相继开工兴建,1960年左右初步建成蓄水.据统计,共有大中型水库11处,总库容11.8×108m3.因此,不计及小型水库,汾河流域的总库容系数β已达0.46以上,其调节和拦沙作用显而易见.以汾河水库为例,该工程1958年开工,1959年拦洪,1960年竣工蓄水.拦洪之前,下游兰村站1951-1958年8年最小月平均流量均值7.30 m3/s;拦洪以后,1959-1970年12年均值下降为3.55 m3/s,不到过去的一半.相应地最大月平均含沙量均值由115.5 kg/m3下降为46.5 kg/m3,是拦洪前的40%.

为此,视各河段受水库影响时间先后不同,以1958-1960年为界,计算此前的生态环境需水量,计算成果见表3及表4.

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

表4 汾河各河段枯季维持生态基流量（短系列）Fig.4 Basic water needs of revers in Fenhe River（long series）

综合表3和表4可知,上游地区生态环境需水4.966×108m3,占多年平均年径流量的72.29%;石滩（赵城）以上的中上游区需水8.446×108m3,占平均年径流的50.88%;河津以上全流域需水13.741×108m3,占平均年径流的54.38%.

5 合理开发利用率的确定

综合计算成果Ⅰ和Ⅱ（长系列和短系列）,可得出相应的水资源合理开发利用率,如表5所示.

表5 合理开发利用率计算成果Fig.5 Calculation of reasonable development and utilization of results

对上述成果的讨论:

1）成果Ⅰ和成果Ⅱ的比较:兰村站两者相差较大,其余3站则两者相差很少,约1～5个百分点.鉴于汾河上游是全河的水源地,工业又很发达,故建议其开发利用率按27%考虑.

2）尹国康估算黄河用于排沙的环境需水量为455×108～460×108m3左右（平年）,占平均年径流量的78.44%～79.31%[4].而在汾河该值约为20%～35%,原因是汾河含沙量较小,1934-1960年27年实测平均年输沙量为5 510×104t,侵蚀模数仅为1 398 t/km2·a;而黄河的平均侵蚀模数达2 000 t/km2·a以上（1919-1959）.

3）李丽娟、郑红星对海、滦河流域生态环境需水量的估算结果为平均年径流的47%[2].汾河流域估算结果为44%～46%,与其十分相近.考虑到应预留一定的裕余度,汾河流域预留10%,则上、中、下游的开发利用率最低将分别降为18%、44%和34%.对于人口密集、水资源短缺和重化工业发达的地区而言,这个比例是比较安全的.

6 水资源规划、预测与实际供需情况的比较

6.1 原规划需水缺水量

据水利部《华北地区及山西能源基地水资源研究》专题报告（1990年）规划,汾河流域到2000年引黄入晋工程完成并通水后,如遇50%保证率（平年）,其上中游区仍缺水6.0×108m3,下游区仍缺水3.61×108m3,而河川径流开发利用率分别高达79.1%及81.4%,具体数据如表6所示.

由表6可知,按规划计算,即便是引黄入晋工程全部竣工输水,汾河全流域仍缺水近10×108m3,且河川径流开发利用率将高达80%左右.

表6 汾河流域平年水资源供需分析（原预计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年度的实际用水及其影响

1990年水利部规划及预测到2000年汾河流域供水32.6×108m3.据《山西省2000年水资源公报》统计,2000年该流域用水量为24.94×108m3（用水量指分配给用户的包括输水损失在内的毛用水量,在数量上与供水量中地表水和地下水相一致）,比原规划数值少23.5%.

虽然实际用水量少于预计值,但当年地下水用水量达17.02×108m3,较原规划2000年目标值13.42×108m3增大26.83%.与此同时,地表水用水量仅为7.93×108m3,是原规划预测径流量的31.38%.由于2000年汾河川径流偏枯,来水量只有8.11×108m3,占多年平均径流量25.27×108m3的32.09%,故当年河川径流开发利用率已高达97.78%.

2000年汾河流域的废水、污水排放量也居山西全省诸河之首,总量为3.47×108m3,占全省废污水排放量的41.1%,其中工业占73.7%.全流域污水处理回用量仅0.46×108m3,故有3×108m3排入黄河干流.形象地讲,当年汾河干流入黄水量中,有3/8是废水和污水.重点河段水质状况见表7,由表7可知,汾河干流自寨上以下到柴庄的397 km河段,已经成为一条名符其实的排污渠.

2005年度水环境进一步恶化,汾河流域监测的21个断面中,只有河源雷鸣寺1个断面符合Ⅰ～Ⅲ类水质标准,符合Ⅳ～Ⅴ类水质标准的断面也只有6个,其余14个断面如义荣、石滩、临汾、平遥铁桥等均劣于Ⅴ类水质标准.[5]

综上所述,水环境的恶化固然与治污治废力度不足,污水废水数量增长有关,但河川径流大幅度减少甚至断流,也是造成水环境急剧变坏的重要因素.例如位于上、中游分界处的兰村水文站,多年来大多数时段处于河干状态,其下游河水已缺乏最起码的自净能力.

表7 汾河干流各重点河段水质状况（2000年）Fig.7 Key section water quality of Fenhe River in 2000

7 考虑生态环境需水量后的水量平衡

在水利部1990年的规划中,2000年如遇平年,其水量平衡如表8所示.

由表8可见,在上中游引黄入晋、下游提黄河水高灌的基础上,全流域缺水为1.35×108m3.考虑预留生态环境需水量后,水量平衡情况如下:

1）从上面的计算可知,上中游和下游的W e分别占正常年径流的56%和66%,即9.296×108m3和5.722×108m3,合计W e=15.018×108m3.

2）规划认为,2000年预计全流域弃水5.08×108m3,这一水量可冲减部分W e,尚缺9.938×108m3.

3）引黄、提黄共8.26×108m3,故W e尚缺1.678×108m3,因此应从可供水量32.6×108m3中扣除此数,即实际可供水量为30.922×108m3.

4）原规划预测需水分配量为42.21×108m3,现在计算所得的可供水量仅有30.922×108m3,故应采取各种节水措施,压缩11.288×108m3用水量,即压减26%以上.

8 结论和建议

1）汾河上、中、下游水资源允许的开发利用率分别为18%、44%和34%.

2）根据计算结果,2000年地表水高强度开发,地下水严重超采的形势下,即便有引黄水源补给,汾河流域仍然缺水,更谈不上保持必要的生态环境需水.因此,有必要将引黄水量作为生态环境用水,估计每年至少需引黄5×108m3～6×108m3.

3）目前正在实施的加强水资源管理、节水、治污、处理三废以及调整产业结构和布局等治本措施,仍需努力进行并加大实施的力度.特别是在汾河上游地区,作为太原、晋中两市的天然生态屏障,也是两市主要的地面水水源地,河川径流允许开发利用率不足30%,其生态环境相当脆弱,不宜再新建大型高耗水高产污的工矿业项目.拟议中的一些大型企业在决策时需十分慎重,最好不建或少建.

[1] 刘昌明.中国21世纪水资源供需趋势与重点问题的探讨[A].见:刘昌明主编.21世纪中国水文科学研究的新问题新技术和新方法[C].北京:科学出版社,2001:3-10

[2] 李丽娟,郑红星.河流系统生态环境需水量初步研究[A].见:刘昌明主编.21世纪中国水文科学研究的新问题新技术和新方法[C].北京:科学出版社,2001:74-80

[3] 赵淑贞.关于淡水资源的可持续开发模式[J].山西大学师范学院学报（自然科学版）,1997（1）:36-38

[4] 尹国康.黄河流域环境对水资源开发承受力的思考[J].地理学报,2002,57（2）:224-230

[5] 孙利荣,王 良,贾荣荣,等.蓝天碧水工程本月开始实施[N].山西青年报,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

【责任编辑:王映苗】

1672-2027（2010）02-0099-06

X143

A

2010-03-19

国家自然科学基金资助项目（40471033）;山西省软科学研究资助项目（2006041035-03）.

任世芳（1974-）,女,湖南湘阴人,硕士,太原师范学院副教授,主要从事水文水资源学与环境变迁的教学和研究.