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河流生态系统修复进展(董哲仁)
  2004-12-17 12:06  



董哲仁 李文奇 孙东亚
中国水利水电科学研究院

    摘 要:本文简要介绍了水利部在河流生态建设方面的对策和实施情况,重点介绍了塔里木河的综合治理方案及与应急调水行动,《海河流域生态环境恢复水资源保障规划》的编制工作,以及河流及水库的生态修复示范工程进展。

    从总体看生态环境恶化的趋势一直未得到遏制。主要表现在:森林覆盖率低,增长缓慢,部分地区覆盖率减少;草地生态破坏加重;水土流失严重;荒漠化面积扩大。

   
大江大河的生态状况同样令人担忧。表现为河流生态系统不同程度的退化,河流廊道水生和陆生动植物物种数量减少,生态系统功能下降,湖泊和湿地面积萎缩,华北等地区地下水位持续下降等。引起河流生态系统退化的主要原因,一是江河、湖泊和水库的污染问题,这对生态系统的健康和可持续性造成了重大威胁;二是北方干旱或半干旱地区,水资源的供需矛盾日趋尖锐,由于超量用水造成河流干涸和断流,引起河流生态系统退化。

   
2000年统计,河流水质在11.4km评价河长中,符合和优于Ⅲ类水的河长占评价河长的58.7%,比上年下降3.7%。关于湖泊水质,在评价的24个湖泊中,9个湖泊水质符合或优于Ⅲ类水,4个湖泊部分水体受到污染,11个湖泊水污染严重。在对93座水库进行营养化程度评价时,处于中营养化状态的水库65座,处于富营养化状态的水库14座。这些情况说明江河湖库水体污染状况严重,且有明显恶化趋势。

   
北方干旱和半干旱地区,水资源先天性匮乏,再加之近20多年的经济快速发展和人口增加,为工农业和生活的供水量大幅度增长。比如地处华北地区的海河流域,与20世纪50年代相比,生产和生活用水增长了4倍,水资源利用率已经达到98%,造成海河水系内平原河流68%的河段干涸,生态系统明显萎缩。

   
政府历来高度重视河流的环境保护和生态建设。特别是近年来,为贯彻落实《中华人民共和国环境保护法》、《中华人民共和国水土保持法》和《中华人民共和国水法》,制定规划,加大投资,取得了重大进展。在水污染治理方面,在继续应用传统治污技术的同时,积极探索生态工程治污技术的推广应用;在加大污水末端处理的同时,提倡清洁生产、生态产业和循环经济。特别是1998年长江大洪水以后,在长江流域和其他流域,在加强防洪工程体系建设的同时,实行退耕还林,退田还湖等一系列措施,继续推动水土保持工作,加强河流全流域的生态建设。这些重大举措必然对江河湖库水环境的改善产生深远的影响。

   
近几年来,水利部实施新的治水思路,坚持水资源可持续利用的方向,在继续加强水利工程建设和水资源综合管理的同时,高度重视河流生态建设。在水资源分配原则中,首次提出了保持河流最低生态需水量的要求;发布了加强河流生态建设的指导意见;组织了生态脆弱流域的紧急调水行动,初步扭转了黄河、塔里木河及黑河持续断流的局面,使这些河流趋于恶化的生态系统得到了一定程度的恢复(图1)。

   
本文仅就塔里木河的生态建设,《海河流域生态环境恢复水资源保障规划》的编制,河流生态修复试点三个专题问题,进行简要介绍。

一、塔里木河的综合治理方案与应急调水行动[1]

   
塔里木河位于新疆维吾尔自治区境内,是中国最大的内陆河。流域内多为山区和沙漠,干旱少雨,自然条件严酷,生态条件脆弱。由于经济发展和水土资源的不合理开发利用,造成干流下游长达363km的河道长期断流,引起河流生态系统的严重退化。自20004月开始,水利部组织了五次向塔里木河应急调水行动,初步遏制了生态劣变的趋势。20013月国务院通过了《塔里木河的综合治理方案》,河流生态系统有望在510年内得到一定程度的修复。

 
    1.
流域生态系统严重退化状况

   
塔里木河流域是环塔里木盆地的阿克苏河、喀什噶尔河、叶尔羌河、和田河、开都河—孔雀河等九大水系144条河流的总称。塔里木河干流全长1321km,流域总面积102km²(国内流域面积99.6km²),其中山地占47%,平原区占20%,沙漠面积占33%。流域总人口825.7万人,国内生产总值350亿元。流域多年平均天然径流量398.3亿m³,主要以冰川融雪补给为主,不重复地下水资源量为30.7亿m³,流域水资源总量为429亿m³。
长期以来,由于气候变化,上游人口增加,经济发展以及对水土资源的不合理开发利用,塔里木河三源流阿克苏河、叶尔羌河、和田河进入干流的水量不断减少,干流下游恰拉站的年均径流量从60年代的12.4亿m³减少到90年代的2.7亿m³。1972年以来塔里木河下游大西海子以下363km的河道长期处于断流状态,近年来下游断流还有向上延伸趋势。导致河道断流、湖泊干涸、林木死亡、土地沙化,地下水位下降,干流两岸胡杨林大片死亡,上中游胡杨林面积由50年代的40ha减少到目前的24ha,下游由50年代的5.4ha减少到现在的0.73ha,下游绿色走廊濒临毁灭,塔克拉玛干沙漠和库姆塔格沙漠逐步合拢,生态系统恶化加剧,严重制约了流域经济社会的可持续发展,并威胁到西北地区生态系统。

   
另外,塔里木河流域径流量年内分配十分不均匀,大多数河流连续最大四个月(69)水量占全年径流量7080%,造成洪水灾害。源流地区洪水主要集中在天山、昆仑山的中低山地带,多突发性冰川洪水和局部暴雨洪水。春季是农作物生长的关键期,而此时河川径流处于最枯时期,由于缺乏调蓄工程,常常因干旱而大面积减产。

   
从管理角度来看,人口增长和社会经济发展导致了用水量剧增,且水资源开发利用粗放浪费严重。据统计,塔里木河上游人口和灌溉面积分别从1950年的156万人和34.8ha增加到1998年的392万人和97.3ha,灌区用水量从50年代的50多亿m³增加到现状约153亿m³,用水增长了两倍。现有灌区建设标准低,渠道防渗率仅21%,灌溉综合毛定额高达15000m³/ha

    2.
《塔里木河的综合治理方案》的制定

   
为解决塔里木河流域重的生态退化问题,20013月国务院批准了《塔里木河的综合治理方案》,这个方案以生态系统建设为根本,以水资源的合理配置为核心,加强流域水资源的统一管理和调度,实行严格的用水监督管理;压缩平原水库,减少蒸发;兴建山区控制性水库,提高流域水资源合理配置的调控能力;在源流区以农业节水为重点,新增各级防渗渠道,完成田间配套工程;在干流区以河道整治为重点,修筑干流两岸输水堤防,兴建护岸和控导工程,疏浚干流河道;积极稳妥地进行流域经济结构调整,实施退耕还林还草,完成荒漠林封育、草地改良。治理塔里木河一系列措施生效后,流域天然植被改善面积可达130ha,下游生态系统将得到初步恢复,每年会有3.5亿m³水输往台特玛湖。规划达到的目标是:通过源流灌区工程改造,节约用水,干流河道治理、退耕封育保护、流域水资源统一管理和调度等措施,增加各源流汇入塔里木河的水量,保证大西海子生态水量指标。即在多年平均来水条件下,到2005年,塔里木河干流阿拉尔来水量达到46.5亿m³(其中阿克苏河、叶尔羌河、和田河进入干流水量分别为34.23.39亿m³),开都­—孔雀河向干流输水4.5亿m³,大西海子断面下泄水量3.5亿m³,水流到达台特玛湖,使塔里木河干流上中游林草植被得到有效保护和恢复,下游生态环境得到初步改善。

   
具体措施是:新增节水灌溉面积4.7ha,占现状灌溉面积的51%,节水量15.65亿m³,投资55.11亿元。近期在叶尔羌河流域废弃平原水库16座。对12座平原水库进行节水改造。在干流上中游现有耕地中实施退耕封育保护2.2ha。建设荒漠林恢复、封育工程18.7ha,建设草地改良和保护面积7ha,林草建设工程总面积25.6ha。为加强水文和生态监测,新建流域水量调度控制站11处,改建水量调度控制站26处,新建干流地下水监测剖面6处,新建、改建流域综合生态站5处;新建流域水资源调度指挥中心1处。

    3
.五次应急调水行动

   
塔里木河治理是一项复杂的系统工程,需要一个长期的过程。依据目前塔里木河生态恶化趋势严重的现状,需要采取应急措施,遏制生态劣变的趋势。从20004月开始至200310月,水利部组织五次向塔里木河应急输水。输水线路主要自博斯腾湖调水,通过孔雀河分水枢纽等设施进入塔里木河,输入大西海子水库,最后经大西海子水库泄洪闸,将水输入其文阔尔河和老塔里木河,进入尾闾台特玛湖。输水路线共计927.59km。五次从大西海子水库泄洪闸向塔里木河下游河道下泄水量分别为0.98亿m³,2.25亿m³,3.81亿m³,3.31亿m³,3.4亿m³。五年下泄生态水总水量为13.8亿m³,其中河道耗水总量为13.35亿m³,进入台特玛湖水量共计0.45亿m³。河道耗水中,补给地下水9.02亿m³;补给包气带4.04亿m³;河道水面蒸发0.29亿m³。补给地下水的水量中,植被和土壤腾发的水量为3.33亿m³;地下水蓄存量为5.69亿m³。

   
通过五次应急输水使大西海子水库至台特玛湖沿河两岸的24km范围内的地下水水位普遍提高了4m。从植被群落回应看,在距离河岸50150m、地下水埋深<4m区域,胡杨群落开始以萌蘖更新形式有所恢复;在离河300m范围,地下水埋深<5m区域,两岸荒漠植被的种类有了明显增加,且胡杨、柽柳等乔灌木植被重新恢复了开花结实的生殖能力,并存在沿河横向范围的开花时间梯度,表明植被生态系统已重新趋于活跃。总体看,目前的输水还没有达到植被群落整体恢复的效果。

   
二、《海河流域生态环境恢复水资源保障规划》的编制[1]

   
海河流域地处华北地区,在政治、经济和文化领域占有十分重要的地位,同时也是水旱灾害十分严重的地区。50年来在根治水灾方面,已经初步建成了防洪除涝的工程体系,使洪涝灾害和盐碱化大为减轻。但是随着流域的经济发展及人口增加,生产和生活用水增长了4倍。由于水资源过度开发,引发了一系列生态环境问题,引起了社会各界的广泛关注。在水利部的领导下,由水利部海河水利委员会负责会同科研单位、大学等单位正在编制一份综合的《海河流域生态环境恢复水资源保障规划》,这将是第一部河流生态恢复规划,具有示范性。

    1
.概况

   
海河流域涉及6省区及北京市和天津市,流域总面积31.8km²。流域内人口1.26亿,平均人口密度395/km²。2000年流域GDP1.16万亿元,高于全国平均值31%。山区和高原面积占60%,平原占40%。流域多年平均降雨量535mm。多年平均水资源总量370亿m³,其中地表水水资源量216亿m³,地下水资源量235亿m³,地表水与地下水重复计算量81亿m³。人均水资源占有量193 m³,不足全国平均数的1/7,远远低于国际公认的人均1000 m³的水资源紧缺标准,水资源供需矛盾十分尖锐。

    2000
年统计,流域内各类工程供水量403亿m³,其中地下水97亿m³,调引黄河水37亿m³,微咸水处理、海水淡化及污水回用5亿m³。分析表明,海河流域水资源已经过度开发,按照20年资料统计,水资源开发利用率高达98%,远远超过国家公认的40%的合理开发界限。

   
水利开发建设改变了河流的自然面貌,平原河道呈人工渠化特征。上世纪五十至六十年代,相继建成了密云、官厅、岗南、黄壁庄等25座大型水库,改变了河流的自然流势。其后,为宣泄洪水,进行了扩大和新辟人工减河的大规模平原河道治理,扩建河新辟子牙新河、滏阳新河、独流减河、永定新河、潮白新河、漳卫新河等人工泄洪减河,对干支流进行扩挖治理。这些工程改变了原来河流汇集海河的自然流势,形成中东部平原区以人工减河为主的河道体系,中西部为天然河道。到七十年代中期,平原河道完成了人工化的改造。从七十年代中到九十年代末,进入城市供水工程建设和地下水开发时期,建设了潘家口、大黑汀等为城市供水的大型水库,兴建了一批引水工程。

   
由于水资源的过度开发,造成海河流域生态环境的严重恶化。平原区20条主要河流3336km河段中,干涸长度由20世纪60年代的683km增加到2000年的2026km,占河长的61%,干涸天数达197天。平原12个主要湿地面积由60年代的2178km²减少到538km²。入海水量由50年代的241亿m²,减少到2000年的8亿m³。19702000年,平原浅水地下水482亿m³,深层地下水累积开采量450亿m³。地下水位持续下降。另外,2000年统计山区水土流失面积为10.4km²。

   
素有“华北明珠”的白洋淀,总面积362 km²。白洋淀由143个大小淀泊组成。上世纪50年代水源丰沛,但是到80年代因来水减少,连续干涸5年,90年代有5年部分干涸。水面面积严重萎缩,到2000年减少到100 km²由于向白洋淀排放工业、生活污水和垃圾,水体受到严重污染,主要是总磷和氨氮。在13个监测断面中,有9个断面评价为Ⅴ类和超Ⅴ类。50年代的白洋淀是珍稀鸟类的理想栖息地,有3种国家一级保护鸟类3种。鱼类资源丰富,经济鱼类占64%,以鲤科鱼类为多。水生植物以芦苇为主,是当地主要物产。由于来水减少,水体污染,造成生态系统严重退化。2000年因为工业废水污染,造成鱼类大量死亡。

   
河口生态系统退化,由于海河河口建闸,阻断了一些鱼类的洄游通道。加之天津市区雨污水排向海河,污染物在海河口集聚,水质劣于Ⅴ类,鱼类、贝类群落日趋减少。

    2.
生态恢复的目标和生态需水量

   
国务院和水利部高度重视海河流域的生态恢复问题,水利部责成水利部海河水利委员会负责编制《海河流域生态环境恢复水资源保障规划》,经两年的调查、研究和讨论,20048月已经提出了征求意见稿,计划在修改基础上上报。

   
该报告提出生态恢复的总体目标是,到2030年海河流域的生态环境恢复到20世纪70年代初的水平。具体目标是:20条规划河道有水长度达到3336km12个规划湿地面积达到769 km²,城市河湖水面达到146 km²,治理水土流失面积10km²。2050年将浅层地下水资源恢复到上世纪80年代的水平,基本禁采深层承压水。
河道生态基流量由中心河道生态基流量、河流水面蒸发量、河道渗漏量及河漫滩植物耗水量等部分组成。中心河道生态基流量采用Tennant法和槽蓄法计算。城市河湖生态环境,包括市区河流、湖泊及公园水体等,其标准高于河道生态基流量。地下水生态恢复需水量包括浅层地下水超采替代量、浅层地下水现状亏损量、深层承压水开采替代水量三部分组成。

   
实现生态恢复目标的生态需水量为181亿m³(2003年)。其中,规划河道、湿地、河口的河道内的生态需水量56.7亿m³,水土保持治理增加消耗量16.7亿m³,地下水恢复需水量94.4亿m³。

   
水源问题,主要靠南水北调工程解决。在满足规划水平年城市农村需水量的前提下,南水北调工程实施后,向生态系统提供的水量有较大幅度的增加,但是尚不能满足生态恢复的需求。到2030年可以满足河道内生态需水量的74%,20条规划河道有水长度恢复85%,12块主要湿地恢复面积100%,城市河湖面积达标100%,水土保持需水可满足95%。但是,对于地下水的补给问题,缺口仍然很大,为85亿m³。可否在西线调水中解决,仍需论证。

    3.
工程规划和非工程规划

   
为实现生态恢复目标,全流域规划各项工程措施共74项,包括河流恢复工程,湿地恢复,地下水恢复,城市河湖建设,山区水土保持等,还规划建设生态监测系统。另外,与这项规划平行进行的还有已经批准的《海河流域水污染防治规划》,计划到2010年完成水污染防治项目610项,保证生态系统的水质良好。

   
非工程措施是河流生态恢复的保障。特别是控制城市需水量的过快增长势头,建立节水型社会,建立符合市场经济的水价政策。严格控制地下水开采。加强流域生态修复的科学研究。

   
《海河流域生态环境恢复水资源保障规划》的编制,将为其他流域的生态修复规划的编制提供宝贵的经验。

    三、河流及水库的生态修复示范工程

    直到最近几年,水利水电工程对于河流生态系统的负面影响才在科技界引起注意,并且展开了讨论。由于筑坝、筑堤造成河流非连续化,由于裁弯取直以及混凝土衬砌造成的自然河流的渠道化问题,被认为是对于河流生态系统胁迫的主要因素[4]。借鉴国外生态工程的经验,大陆学者提出研究和发展《生态水利工程学》的框架[3],力图重新考虑在水利工程建设中如何处理好人与自然的关系问题。核心的问题是在权衡社会经济需求与生态系统健康需求这二者关系方面,改变水利工程建设仅仅是为开发利用水资源这种单一目标。强调水利工程在满足人类社会需求的同时,应兼顾水域生态系统的健康和可持续性。《生态水利工程学》主张吸收生态学理论和方法,促进水利工程学与生态学的结合,改善水利工程的工程理念。我国的水利建设形势与西方国家不同,西方国家生态恢复的重点是放在力图补偿已建工程对于河流生态系统的损害,而我国的水利水电建设正处于高潮时期,不仅需要对已建工程造成生态系统的严重损害进行补偿,对于新建工程从规划设计开始,就要避免走西方国家的老路,兼顾生态系统健康和可持续性的需求。这就需要我们改进传统的水利水电工程的规划设计方法。近年来,东部沿海经济相对发达地区,在城市防洪和河流整治建设中,结合生态恢复和景观建设,在实践中摸索中小型河流的生态恢复技术方法。水利部科技创新项目支持的《生态水利工程学研究与示范》项目,在河北、北京、浙江、山东、湖北和广东等省分建立了河流生态恢复的示范工程。研究项目包括,生态水利工程的规划设计原则;河流生态恢复的评估方法;河流生态恢复模型的研究;河流廊道栖息地建设的技术方法;水体修复的生态工程等。以下仅就河北省正在开展的洋河水库生态恢复示范工程作一简要介绍。

    1. 
洋河水库概况

   
洋河水库建于195910月,19618月投入使用,位于河北省秦皇岛市抚宁县,控制流域面积755 km²,多年平均入库径流量1.86亿m³,总库容3.6亿m³。正常蓄水位57.0m,汛限水位5355.5m,设计洪水位62.4m,死水位44.3m。洋河水库以防洪为主,兼顾城市供水、周边农业灌溉、发电等功能。从1989年开始,通过引青济秦西线工程,将桃林口水库的水引入洋河水库,通过引青济秦东线工程向秦皇岛市供水,供水量超过秦皇岛市城市总供水量的50%以上,是秦皇岛市的主要水源地。目前,洋河水库年供城市水量近6000m³,年供农业灌溉用水7000m³左右,供水量一部分来自水库控制流域的自产水,另一部分来自跨流域的桃林口水库的调水。水库对于秦皇岛市和北戴河区以及库区周边经济的可持续发展及社会的稳定,具有举足轻重的作用。

   
1998年以来,由于上游农业及库区周边村镇将大量的污染物排向水库,加之连续干旱导致入库水量减少,洋河水库水质不断恶化、富营养化问题突出。水质污染期主要集中在7月至10月,主要污染因子包括化学需氧量、总磷、总氮、非离子氨等,水库水质类别达IVV类,甚至劣V类。每年夏季水库均发生全流域性藻类爆发。大量爆发的藻类破坏了水体的正常生态系统和水库的景观,特别是给城市供水造成了极大困难,在城市引水口处不得不使用大量硫酸铜杀灭藻类,严重威胁水源地的供水安全。

    2.
用生态方法治理洋河水库污染水体示范研究

   
为了解决洋河水库的水污染问题,水利部于200210月正式启动了“应用生态方法治理洋河水库污染水体示范研究”的课题。课题主要内容包括:

 
水库背景信息调查,包括水库流域的污染源及水库水质现状。

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生物廊道及人工湿地研究示范工程。实施“生物廊道”及“人工湿地”研究示范工程,拦截处理上游淀粉废水及生活污水。研究高效“生物廊道”及“人工湿地”建设、运行和管理技术。

 
村镇污水沟、塘处理系统研究与示范。通过对沿河村镇沟塘系统改造,将径流污水引入稳定塘系统进行处理,以控制排向水库的污染物量。本项研究的重点是建设高效稳定塘系统,确定最佳运行参数。

 
库边带植被恢复。 引植适于库内、库边生长的植物,恢复库内大型水生植物、库边植物带示范区,以增加水体净化功能及强化库区水体保护屏障。筛选、优化植物群落配置,研究植物恢复技术,通过基底、节律设计,实现大型植物、库边植物带得以恢复。

    3
.课题主要进展

   
目前,示范项目已经完成了水库流域的经济发展、污染源发生状况的调查,建成了中试规模的复合人工湿地。

   
“人工湿地生态工程中试系统”是西洋河流域淀粉废水污染治理研究项目的重要组成部分。它利用“填料-植物-微生物”三者共同组成的生态系统,相互作用,协同降解水中的污染物。其中,填料通过物理作用,吸附水中的污染物,植物通过自身的生理代谢作用,吸收污水中的氮磷等营养物质;同时,附着在填料和植物根际的大量微生物对水中碳素的转化起到关键作用。

   
填料部分采用沸石和当地叶岩,进行对比试验,旨在确定一种经济性和实用性兼备的填料,以备正式工程采用;植物部分,遵循“优胜劣汰”的原则,筛选了两种本地的先锋植物:菖蒲和巴天酸模,与芦苇进行对比试验,旨在确定一种去除能力强且适应当地气候的湿地植物。

    示范项目还完成了“库边带植被恢复示范工程”。“岸边带植被恢复”是根据洋河水库岸边基质为裸露的岩石、沙丘状况、湖岸特点,利用中国水科院开发的系列E型植被恢复生态产品,经科学施工,成功移植了白洋淀芦苇、蒲草、李氏禾等挺水植物、菹草沈水植物、菱角浮叶植物及多种抗旱耐耐寒的陆上多年生植物,使得岩石、沙滩裸露的岸边植被群落得到恢复,形成连续的岸边植物群落系统,对于水库水体水质的保护、形成健康水体生态系统将发挥重要的作用。

   
洋河水库生态恢复示范工程目前正在进行中,预计2006年将全面建成发挥生态效益。

参考文献

    1.新疆维吾尔族自治区水利厅等, 塔里木河下游应急输水与生态改善监测评估研究报告,20044
    2
.海河水利委员会,海河流域生态环境恢复水资源保障规划(征求意见稿),20048
    3.
董哲仁,生态水工学的理论框架。水利学报,2003年第1
    4
.董哲仁,河流生态恢复的目标,中国水利,2004年第10

 


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