桑干河流域水资源开发利用与生态环境矛盾的解决途径

桑干河流域水资源开发利用与生态环境矛盾的解决途径

近年来，随着人类对水资源的开发和利用，以及干旱和降雨的减少，干旱和降雨给干旱地区带来了一系列生态环境问题，如河流中断、湖泊干旱和地下水位持续下降，这对当地的社会和经济发展构成了严重威胁。不仅一些小河流,甚至一些大河流断流的数量越来越多,河道径流量越来越少,使河水的自净能力下降,加上大量污废水进入河道,使河道超出了自身水环境承载能力,变成了干河或臭水河。比如在山西省,由于河道层层拦蓄利用,山西省1000余条大小河流基本上成了季节性河流。河川径流的60%~90%集中在6月~9月,非汛期极少的一些水也被水库截蓄。有些河流汛期出现断流,桑干河固定桥水文站1999年6月、2001年6月、7月等出现断流。1河流生态环境需水量河流生态环境需水量是针对水资源开发利用中的生态环境保护以及科学地进行生态环境保护等问题而提出来的新概念,至今尚未有明确统一的定义。从生态环境的要求出发,河道生态环境需水量是指为改善河道生态环境质量或维护生态环境质量不至于进一步下降时河道生态系统所需要的最少水量和在这一水量下生态系统能够容纳的最差水质。根据河流的生态环境功能,可将河流生态环境需水量划分为:水土保持用水量、河流生态用水量、河流水面蒸发与河道渗漏用水量、输沙用水量、入海需水量以及河流景观和水上娱乐环境需水量等。但是,对于经常性断流的河流来说,其生态环境需水量还必须包括一个重要的内容,即:防止河道断流的最小生态环境需水量,此部分需水量是维持河道不断流,保护生态环境不可缺少的组成部分。对于某一河道而言,防止断流的需水量应包括该河段的水面蒸发量、下渗量和河道外取水量。即:W=W蒸+W渗+QW=W蒸+W渗+Q式中:Q为计算河段定额河道外取水量之和。本文主要考虑河流在断流情况下,探求防止河流断流所需的最小环境需水量的定量计算方法,以期为水资源合理配置、维护生态平衡提供科学的依据。1.1蒸发水面水通过调查测量河道水面面积、湖泊水面面积,分析研究典型年的逐日水面蒸发量,通过河道的水位计算其水面面积,由水面蒸发量和河道水面面积计算河湖的蒸发水量。河流的水面蒸发是河流水量消耗的重要方式之一,这需要一定的水量用于维持河流系统正常的环境功能。当水面蒸发量高于降水量时,通过水面蒸发量与降水量差值所计算的消耗于蒸发的净水量,称之为水面蒸发用水量,为维持河流系统的正常生态功能,必须从流域河道水面系统以外的水体来弥补。根据水面面积、降水量、水面蒸发量,可求得相应各月的蒸发生态需水量。计算公式为:WE=A(E−P)(当E>P时)WE=0(当E<P时)WE=A(E-Ρ)(当E>Ρ时)WE=0(当E<Ρ时)式中:WE为计算时段内水体的净蒸发损失量,m3;A为计算时段内水体平均水面面积,m2;E为计算时段内水体蒸发量,m;P为计算时段内水体降雨量,m。1.2地下水漏干形成地下水位下降水资源短缺造成了各地地下水的大规模开采,出现了严重的超采状况,地下水含水层大面积疏干,形成大面积区域性地下水位下降及城市附近地区地面下沉,许多地区出现了地下水漏斗,地下水位下降十分严重。对于河道来说,当河道水位高于两岸地下水位时,河道将通过渗漏补给地下水。1.3提取的河水量1.3.1农业用水(1)提取水文灌溉通常北方地区的农作物需水是由灌溉渠系来提供的,而对于一些经济作物,若水量得不到及时补充就会枯萎死亡,导致生态破坏。因此要维持作物生长需要,就必须通过水库或在河流上新建水泵提取河水灌溉。在桑干河流域有许多灌区,为保证经济作物的正常生长,河流内必须要预留一部分水量。(2)灌溉用水及补水林牧渔用水包括园林、牧草、饲料基地、草场灌溉用水以及鱼塘补水等。该项目用水细目较多,且水源不足时容易被其他水挤占,故调查统计难度大,统计精确度相对较差。1.3.2工业耗水量的概念工业用水指工、矿企业在生产过程中,用于制造、加工、冷却、空调、净化、洗涤等方面的用水和企业内部其它用水。对工业用水而言,耗水量是一定时期内某工业用水系统在生产过程中,由蒸发、吹散、直接进入产品污泥等带走所消耗的水量。工业生产耗水量受工艺水平、技术先进程度等的影响较大,在一个较长时期内,可以近似认为工业耗水量是基本保持不变的。如果忽略工业用水系统回用水量和漏失水量等,则工业耗水量的大小近似等于取水量。1.3.3生活用水(1)从城市生活的河流中收集资金随着我国城市化率的提高,城镇人口逐步增加,加之人民生活水平的不断改善,生活用水量(含居民用水和公共设施用水)增长很快。(2)农村生活是必要的农村生活取水量包括农村居民取水和牲畜用水。由于桑干河流域内城镇化率比较低,农村人口占大多数,故其用水量比城镇生活用水高。2计算河流中断所需的最小生态环境所需的水量的例子通过实例,来具体说明防止河流断流所需维持的最小生态环境需水量的计算方法(以桑干河为例)。2.1蒸发量计算结果见表1。蒸发器年蒸发折算系数见附表。2.2城市河道渗漏补给量确定桑干河地下水水源地的补给水量属于生态需水量的一部分,这部分的计算采用河道渗漏补给系数法。河道渗漏补给系数的计算主要引用38-05-07课题即“大同市御河平原段河道渗漏模型”中线性模型的成果。它假定:河道渗漏段内损失均匀,沿程流量按等比级数递减,即有如下公式:Q下=Q上(1−φ)Lφ=1−(Q下/Q上)1/LM河=r[1−(1−φ)L]r=1−E+E0Q损Q下=Q上(1-φ)Lφ=1-(Q下/Q上)1/LΜ河=r[1-(1-φ)L]r=1-E+E0Q损式中:φ为每公里损失率;Q上、Q下为上、下游断面流量;L为河道渗漏段长;M河为河道渗漏补给系数;r为补给修正系数;E为浸润带陆面蒸发量;E0为河水水面蒸发量;Q损为河段损失量。通过不同流量的放水试验,即可由上式计算出河道对应各流量的渗漏补给系数(见表2)。河道渗漏补给量的公式为:Q河=Q来水⋅M河Q河=Q来水⋅Μ河河道渗漏补给量计算结果及其分析见表3、表4、表5。综上各水文频率下河道渗漏量计算结果知,在P=25%、50%、75%时,河道渗漏量分别为1.120亿m3/a、0.902亿m3/a、0.680亿m3/a,符合实际要求。2.3提取的河水量2.3.1农业用水(1)市、朔州市计算按面积定额法计算经济、大田作物生态需水量,对历年的实测灌溉面积按实际灌溉面积计算。桑干河流域灌溉面积分为大同市、朔州市两片,其中,大同市包括南郊区、新荣区、浑源县、左云县的3/4、大同县,朔州市包括朔城区的4/5、平鲁区的3/5、山阴县、应县、怀仁县。其计算结果见表6。从图1中可以看出,从1994年~2003年农田灌溉用水量逐步递减,这一方面是由于采取节水措施,取得了明显的成效,另一方面受制于农业供水不足,灌溉次数减少,存在缺水现象。(2)计算计算结果桑干河流域林牧渔用水主要分为大同市和朔州市两片,计算结果见表7。在农田灌溉用水减少的同时,流域农业用水中的林牧渔业园林发展较快而用水呈增长趋势。2.3.2工业水桑干河流域工业河道取水量见表8。2.3.3生活用水(1)从城市生活的河流中收集资金随着我国城市化率的提高,城镇人口逐步增加,加之人民生活水平的不断改善,生活用水量(含居民用水和公共设施用水)增长很快。(2)农村生活是必要的农村生活取水量包括农村居民取水和牲畜用水。由于桑干河流域内城镇化率比较低,农村人口占大多数,故其用水量比城镇生活用水高。3主要生态特性通过以上各分项需水量计算可知,桑干河流域在断流时最小生态环境需水量为:25%频率下W=W蒸+W渗+Q=3.757亿m3;50%频率下,W=3.539亿m3;75%频率下,W=3.317亿m3。而25%频率下,桑干河年径流量为4.663亿m3;50%频率下,桑干河年径流量为3.128亿m3;75%频率下,桑干河年径流量为2.078亿m3。由此知道河道因年径流量不足而干涸比较严重,同时