海河流域水循环特征及人类活动的影响

张进旗

(河北省水文水资源勘测局,河北 石家庄 050031)

1 海河流域特点

海河流域东临渤海,西倚太行,南界黄河,北接蒙古高原,流域总面积 31.82万 km2,占全国总面积的3.3%。海河流域包括海河、滦河和徒骇马颊河3大水系、7大河系、10条骨干河流。其中,海河水系是主要水系,由北部的蓟运河、潮白河、北运河、永定河和南部的大清河、子牙河、漳卫河组成;滦河水系包括滦河及冀东沿海诸河;徒骇马颊河水系位于流域最南部,为单独入海的平原河道[1]。

全流域总的地势是西北高东南低,大致分高原、山地及平原3种地貌类型。西部为山西高原和太行山区,北部为蒙古高原和燕山山区,面积 18.94万 km2,占 60%;东部和东南部为平原,面积 12.84万 km2,占 40%。

该流域属于温带东亚季风气候区,冬季寒冷少雪,春季风大、干燥,夏季湿润多雨、气温高,秋季天高气爽、雨量少[2]。但因历年夏季太平洋副热带高压的进退时间、强度、影响范围等很不一致,致使降雨量的变差很大,旱涝时有发生。流域年平均气温为1.5～14℃,年平均相对湿度50%～70%,年平均降水量535 mm,属半湿润半干旱地带;年平均陆面蒸发量470 mm,水面蒸发量1100 mm。

2 海河流域水资源分布特征

2.1 降水量分布特征

海河流域多年平均 (1956～2000年)降水量 535 mm,其中山区 523 mm,平原 552 mm[2];最大为 1964年的731 mm;最小为 1965年的 357 mm,次小为 1997年的 368 mm。从分区降水量来看,各水资源分区降水量系列的Cv值介于 0.16～0.24之间,降水量系列 Ka值大多介于 2.0～3.5之间[3]。

受气候的影响,海河流域降水量年内分配极不均匀,全年降水量主要集中在汛期(6～9月份),其降水量占全年降水量的68.4%～84.1%,平均为78.2%[4]。汛期降水量主要集中在7月、8月,其降水量占全年降水量的45.0%～63.0%,平均为 56.4%。最小 4个月(11月至次年2月或12月至次年3月)降水量占全年降水量的2.6%～7.5%,平均4.1%。最小1个月降水量仅占全年降水量的0.5%。有些年份,全年降水量集中在1～2次大暴雨中,如 1963年河北省邢台獐雨量站,最大7日雨量占全年的80%。

2.2 地表水资源量

海河流域 1956～2000年平均地表水资源量 216亿 m3,合径流深 67.5 mm。其中山区 164亿 m3,占76%;平原52亿m3,占24%[5]。全流域多年平均径流系数为0.13。海河流域地表水资源量特征值见表1。

表1 海河流域地表水资源量特征值统计

2.3 地表水可利用量

地表水资源量中包括不可以被利用的水量和不可能被利用的水量[6],用多年平均地表水资源量减去不可以被利用量(河道内最小生态环境需水量)和不可能被利用水量中的汛期难以控制的下泄洪水量的多年平均值,即为地表水资源可利用量。计算公式为：

式中,Wk为地表水资源可利用量,亿 m3;Wz为地表水资源量,亿 m3;Ws为河道内最小生态环境需水量,亿m3;Wh为下泄洪水量 ,亿 m3。

河道内最小生态环境需水量包括维持河道基本功能的需水量、通河湖泊湿地需水量、河口生态环境需水量[7]。汛期难以控制的下泄洪水量为流域控制站的天然径流量减去流域调蓄和耗用的最大水量,计算公式为：

式中,Wh为汛期难以控制的下泄洪水量,亿m3;Wti为第i年汛期天然径流量,亿m3;Wm为流域汛期最大调蓄及耗用水量,亿m3;n为资料系列年数。

经计算,海河流域多年平均(1956～2000年)地表水资源可利用量 110.2亿 m3,与地表水资源量比较,可利用率为51%。海河流域多年平均地表水可利用量计算结果见表2。

表2 海河流域多年平均地表水资源可利用量

2.4 入海水量

根据1956～2000年资料统计,海河流域平均入海水量为101.3亿m3,占地表水资源的46.9%。从各流域分区入海量分析,海河南系的入海水量最大,徒骇马颊河的入海水量最小。海河流域各分区入海量见表3。

表3 海河流域入海水量统计表

入海水量的多年变化除受河川径流的影响外,还与水资源开发利用程度密切相关[8]。在全流域 1956～2000年入海水量系列中,最大值为1964年的 424亿 m3,最小值为1981年的3.23亿m3,极值比为131。与全流域地表水资源量同步系列相比,极值出现年份基本一致,但入海水量的年际变幅明显增大(1956～2000年地表水资源量系列的极值比为 5.9)。

20世纪50年代海河流域水资源开发利用程度较低,年径流入海率约70%。从50年代后期开始,流域内进行了大规模的水利工程建设,用水量增大,到70年代年径流量入海率约为50%,而到80年代降低至15%左右。

入海水量的年内分配同样具有不均匀性,约 80%的入海水量集中在汛期(6～9月份),只有 20%的入海水量分布在非汛期。

2.5 海河流域水量平衡要素分析

海河流域1956～2000年平均年降水量535 mm,只有12.6%形成河川径流;在河川径流量中,由地下水补给形成的河川基流量占36.1%,地表径流量占63.9%。全流域有78.3%的降水消耗于地表蒸散发,只有21.7%形成水资源量[9]。

在水资源总量中,年际变化较大的地表径流量占37.3%,比较稳定的降水入渗补给量占62.7%。在各分区的水资源总量组成中,滦河及冀东沿海地表径流所占比例高于降水入渗补给量所占比例,而海河北系、海河南系和徒骇马颊河则相反。海河流域水量平衡要素分析见表4。

表4 海河流域水量平衡要素分析 mm

3 人类活动对水循环的影响分析

自然水循环是动态的,当没有人类活动影响时,在太阳能的作用下周而复始运动。随着社会经济的发展,人类活动逐渐影响自然水循环过程,并不断加剧。

3.1 山区蓄水工程

在山区,降水量丰富,植被覆盖率高,水资源在山区主要以降水和地表径流的形式运动。同时,山涧裂隙也存在地下水运动。该区主要为产流和汇流区[10]。

蓄水工程是指调蓄地表水的水库和塘坝,以大型水库为主。到 2000年底,海河流域已建成大型水库 34座,总库容 259亿m3,中型水库 114座,小型水库 1711座,总库容 48.5亿m3。此外,有蓄水塘坝 17505座,蓄水能力1.4亿m3。蓄水工程设计供水能力148.1亿m3,现状供水能力80.7亿m3。蓄水工程蓄水增大了水面面积,增加了水面蒸发量,减小了径流量。

3.2 平原引水工程和地下水开发工程

径流从山区以地表径流形式进入平原区。由于山前平原有较厚的冲积层,透水性好,所以这一区域存在着较强烈的地表水向地下水的转化。由《海河流域水资源评价》分析结果可知,1980年至2000年平均山前侧向补给量为 23.7亿 m3,其中海河平原 17.3亿 m3,山间盆地 6.35亿 m3。

在平原灌区,地表水被人工以渠系引水的方式引入农业生产区域。由于地表水远远不能满足工农业生产需求,则大量开采地下水,补充灌溉和生活用水,使地下水转为地表水,然后通过作物蒸腾散失到大气中。所以,平原区水资源转化过程比较复杂,耗水量也最大[11]。

在平原区,水资源利用主要以开采地下水源为主。流域内现有地下水井 136万眼,其中井深小于 120 m的浅层地下水井122万眼,井深大于120 m的深层水井14万眼。按近年来实际供水量分析,浅层地下水年供水能力 225.1亿 m3,深层水供水能力 59.8亿 m3。

海河流域现有跨流域调水工程均为引黄工程,现有大中型引黄调水工程 27处,设计供水能力 64.5亿m3,现状供水能力 58.0亿 m3。

3.3 工农业用水

在工业、农业和生活用水方面,农业用水量最大。根据海河流域 2005年调查资料,总用水量为383.2亿m3,其中生活用水 50亿 m3,占总用水量的 13.1%;工业用水量为 58.0亿m3,占 15.1%;农业用水量 271.5亿m3,占 70.8%;生态用水 3.85亿 m3,占 1.0%。

用于农业灌溉的水量,一部分消耗于蒸散发,一部分补充地下水,在整个流域水循环过程中,增大水量消耗。根据《海河流域水资源评价》结果,全流域平原及山间盆地1980～2000年井灌回归补给地下水量13.4亿m3,其中海河平原12.3亿m3,山间盆地1.1亿m3。农作物生长过程中,蒸腾量消耗于大气中,其他部分消耗于流域蒸散发[12]。

4 结论

在水循环过程中,海河流域多年平均降水量535.0 mm,入海水量 31.7 mm,用水与蒸散发消耗的水量503.3 mm,占总降水量的 94.1%。在开发利用水资源的过程中,人类活动增大了流域蒸散发量。

在海河流域水循环过程中,山区是产流区,兴建了大量的水利工程,成为了工农业用水的水源地。平原是水资源消耗区。因此,海河流域水资源平衡问题主要是农业水资源的合理开发利用问题,农业节水是该流域生态系统稳定和平衡的基本保证。

[1]刘善健.对海河流域水资源利用的几点看法 [J].海河水利,1994,(4)：3-6.

[2]张克俭.浅谈海河流域水资源开发利用的一些特点 [J].海河水利,1991,(4)：25-27.

[3]任宪韶,卢作亮,曹寅白,何杉.海河流域水资源评价[M].北京：中国水利水电出版社,2007.

[4]郝立生,姚学祥,只德国.气候变化与海河流域地表水资源量的关系 [J].海河水利,2009,(5)：1-4,10.

[5]王庆平,季志恒,王喜诚.环境变化下海河流域水循环及时空演变规律分析 [J].南水北调与水利科技,2010,(3)：92-96.

[6]郭周亭.水资源可利用量估算初步分析 [J].水文,2001,21(5)：23-26.

[7]朱玉伟,拾兵,黄勇,等.黄河口最小生态环境需水量研究综述[J].人民黄河,2005,27(1),42-46.

[8]胡伯谦,刘慧霞.河北省入出境及入海水量计算方法与成果分析 [J].河北水利水电技术 ,2003,(s1)：101-103.

[9]张士锋,贾绍风.海河流域水量平衡与水资源安全问题研究 [J].自然资源学报,2003,18(6)：684-692.

[10]王志民.面向21世纪的海河水利 [M].天津：天津科学技术出版社,2000.

[11]郭宏宇.海河流域水资源规划 [R].天津：水利部海河水利委员会,2001.

[12]张光辉,陈树峨,费玉红,等.海河流域水资源紧缺属性与对策 [J].水利学报,2003,(10)：113-119.