南水北调对长江中下游水环境的影响

南水北调对长江中下游水环境的影响

实施秋季工程将为进一步缓解北方水资源短缺问题，对中国北方和西北地区的经济发展具有重要意义。但调水工程巨大,涉及社会、经济、环境和技术等多方面的问题,此外,调水会改变流域间水资源的自然地理分布,受水区、输水干渠沿线和水源区水文情势将发生变化,从而可能带来一系列的生态环境问题。目前开展该工程对环境影响方面的研究主要集中在水资源与水源区生态环境、水质、受水区生态环境、对生物的影响以及对调水区地方经济和疾病传播的影响等方面。南水北调工程的生态问题主要是:西线实施对长江和黄河上游水生态环境产生重大影响,水库的形成会引起该地区气候的变化从而对其脆弱的生态系统产生影响;中线和东线向华北平原供水可能会造成土地盐碱化,输水沿线湖泊水文节律的改变也会影响其生态系统的结构和过程;同时,这3条由南向北的输水线路会形成物种迁徙的廊道,地区间物种和基因的交流频率将会增加,威胁西北和华北地区的生态安全。本文提出生物迁移、水环境及水生态安全、西部退化生态系统的恢复和重建和流域生态系统管理等优先研究领域;提出结合“中国生态系统研究网络”、“生态环境国家野外科学观测研究站”的建设和长期监测来保障工程生态安全的策略。1潜在影响和优先研究领域1.1生态安全影响的研究随着全球人口的急剧增加和人均对自然资源消费的上升,人类对地球生态系统的影响力持续不断地增长,导致了包括全球变化和生物物种迁移(最为典型的是生物入侵现象)在内的生态安全危机。证据表明,人类活动影响了生物迁移过程中的各个阶段,尤其是在物种迁移的途径上。自然的生物扩散是一个相当漫长的过程,通常是在百年或千年的时间尺度上。在过去几十年来,人为活动所引起的一些生物种类的扩散速度和范围是史无前例的,所造成的全球环境变化和对全球生态安全的影响已引起了广泛关注。目前的研究主要涉及跨国界的对生态环境影响较大的物种。南水北调工程将会打破物种原有的地理上的隔离,同时为生物类群提供一个新的迁移廊道,地区间的物种迁移和基因交流会变的更为频繁,从而可能影响输水沿线和受水区的生态过程和生态安全。当一个新的物种被观察到对生态安全造成重大影响时,这个物种已适应了当地的生境,对其控制就非常困难。因此,鉴定其传播途径,并通过对高风险途径的管理和隔断来阻止其种群的建立,是防御的第一道防线也是最为有效的途径。而针对南水北调这样大型的调水工程所可能引起的生物迁移现象及其对生态过程、生态安全和人类健康的影响,目前尚无案例可寻。研究应在比较工程所涉及的供水区、输水沿线和受水区3个区域的物种,尤其是生态系统的关键种的生物学/生态学特征基础上,结合遥感技术鉴定工程输水系统沿线和受水区对迁移物种的生态敏感区域及其生境脆弱度,评价由于物种迁移在这些区域可能引起的生态安全问题。在此基础上,为大型工程所可能引起的物种迁移及其生态安全的预警系统、监测体系和防御体系提供理论基础和生态安全的生态管理模式,来保障我国关键地区的生态过程的完整性和工程的生态安全。几个需要解决的关键问题如下:①水源区潜在的对受水区生境产生危害的物种分布及其生物学和生态学特征是什么?②这些物种是否会在输水系统沿线和受水区定居繁殖,并对当地生态系统产生危害?③潜在物种的危害机制及其对受水区生态安全潜在的影响是什么?④受水区有多少生境和何种生态系统类型会因此而受到影响及其影响的程度?1.2工程的实施对河流生态格局的影响南水北调工程将涉及长江、黄河、淮河和海河及其流域环境。工程将对长江和黄河及其中部的部分湖泊的水环境产生重大的影响。东线工程的实施将提高输水沿线湖泊的水位,例如洪泽湖、东平湖的水面将分别上升0.5m和2～3m。水位的升高将直接影响湖泊中水生维管束植物的生长和分布,其生物量下降2×105～2.5×105t,会影响食草生物群体,如鱼类,进而引起水生生态系统的组成和结构的变化。此外,在自然状况下,沿线湖的水面冬天低、夏天高,但工程实施后,水文节律将出现相反的情况,这种变化对生态系统的影响目前还很难预测。位于长江最大支流汉江上游的丹江口库区是工程中线的水源区。该地区总人口为1300万,其中80%的人从事农业生产活动,污水处理设施的缺乏和农业非点源污染及土地利用/覆盖将会影响河流水质。大坝的扩建将淹没超过500km2土地,并涉及约25万人口的重新安置,大部分将移往库区附近的边远山区,会进一步加剧该地区土地资源的利用。中线工程的输水系统穿越上百条河流和渠道,沟渠的泄漏将引起地下水位上升,在地势较低地区可能引起沼泽化和形成湿地带。调水将使丹江口水库坝址断面径流量减少约24%,汉江中下游河道多年平均水位下降0.49～1.00m,水环境的容量将会降低。近年来,汉江下游江段污染日趋严重,范围逐渐扩大,1992、1998、2000、2003年发生了4次大面积“水华”。如果不减少下游废水的排放,随着氮、磷在河流中的增加,会进一步增加“水华”现象的频率。下游水面的下降,在丰、平两个水期下泄水的水温将降低,对汉江中下游流域水生植物群落的组成结构和鱼类种类产生不利影响,如果水质得不到有效改善,水生物种种群将会大大减少。西线工程的实施会向黄河上游补充170亿m3水,增加其径流量80%以上,干旱季节的径流量增幅为274%,这将大大改变黄河上游的河岸带生态系统。除此之外,库区的兴建将引起地区降雨量上升0.4%～0.7%。仅从数字上看,这个变化微不足道,但夏天(7～9月)暴雨频率和强度的增加将破坏其脆弱的生态系统,引起的气候变化将恶化冻土环境。西线工程从长江三条支流——通天河、雅砻江、大渡河调水,调水水量分别占3个支流年径流量的14%、10.8%和5%,却分别占调水区年径流量的64.5%、70.7%和71.4%,引水地下游10km处的水面将下降0.7m,径流量的减少将引起水体自净能力的下降。东线工程的受水区包括北京、天津、胶东半岛、淮河和海河平原以及黄河流域的冲积地带,约151000km2。黄、淮和海河平原海拔低于100m,面积约为3×105km2。目前,已有2.7×106hm2属于盐浸地,4.7×106hm2属于严重盐浸地。一般来讲,盐浸化和漫灌、贮水设施泄漏、集中降雨有关。由于目前的灌溉方式,盐浸化正成为华北地区一个严重的问题。南水北调工程中相当数量的调水将从可灌溉地区及运河的地面以下通过,因而水的北调将会带来受水区盐浸地风险。总之,工程的实施将改变黄河和长江的径流量,在一定程度上影响整个流域尤其是其上游的水环境及河流的生态过程。工程区地表水和地下水、东部沿线湖泊、长江及黄河上游和汉江下游的水环境安全和由此而引起的流域生态系统生态过程的改变值得关注。此外,输水明渠易受污染,污染物可能长距离传播而影响受水区居民的健康。几个重要的研究内容:①长江和黄河上游的水环境及南水北调工程对水生态系统的影响;②东线沿线湖泊水环境节律的改变及湖泊生态系统的响应;③汉江流域丹江口库区上游水环境时空变化及其下游水环境的变化;④华北地区地下水环境变化及对地表过程的影响。1.3区域生态系统修复与重建研究西部地区生态环境问题十分突出,包括水土流失、荒漠化、高山冻融侵蚀和高寒草场退化、土壤盐渍化和水资源的短缺等,并日益呈现恶化趋势。同时,西北地区也是我国最为干旱的地区之一,森林覆盖率仅为4.22%,为全国平均水平的1/3,大部分生态系统已严重退化,对当地社会经济的可持续发展和地区生态环境安全构成严重威胁。西部地区的地理位置决定了该区域是国家重点的水源涵养区、生态环境保护与恢复的核心区和重点区域。几十年来,先后在此实施了三北防护林和防沙治沙林等大型林业工程,最近相继开展了“中国西部环境和生态科学研究计划”、“西部环境系统的演化及未来趋势”、“水循环过程与水资源可持续利用”等重大研究项目,对生态系统退化的总体状况和退化生态系统的干扰因素和驱动机理有所认识。但是,总体上区域生态环境没有得到根本的改善,针对地区退化生态系统重建模式的示范研究仍缺乏从流域整体或区域尺度上的优化模式探讨。而水被认为是西北地区生态系统恢复和重建的根本,从总体上增加该地区的水资源量,成为该区域社会经济发展的前提条件。南水北调西线工程的受水区包括黄河中上游的青海、甘肃、宁夏、内蒙古、陕西和山西6省区约68余万平方公里的面积,约占6省区总面积的28.3%,人口为5300万,约占6省区人口的46.4%。工程的实施将分别增加黄河上中游径流量的80%和50%以上的华北地区的水资源总量,并且1/3以上的调水将会用于生态环境的恢复,对西部干旱地区和生态脆弱的退化生态系统的恢复包括退化河流景观的恢复、土壤侵蚀和黄河沉积物的减少、植被恢复的新方法和新技术、土地利用/土地覆被变化环境效应的评估等,提供了一定的水源保证。针对目前西北地区退化生态系统的现状,并结合西线工程实施方案,开展退化生态系统的恢复与重建工作十分必要。在生态学理论和可持续性原则的指导下,考虑恢复过程中的优势种或关键种和优化群落模式的构建,同时开展生态适区人工生态系统最大可持续生产力模式组建技术,提出调控机理及对策和典型地区退化生态系统恢复与重建的途径,同时探讨不同耕作制度与水土保持之间的关系,寻找优化的土地耕作方式。研究领域包括:①西北地区生态系统的敏感区域及其退化生态系统的恢复;②黄河上游退化河流景观的生态修复技术研究;③不同环境条件下退化生态系统恢复的优化模式的构建;④南水北调工程的实施对水土流失的影响。1.4流域尺度的生态调控和对流域水资源保护的技术研究一个流域可被看作一个在横向、纵向和垂直方向上由水循环过程联接起来的开放的生态系统。河流中主要营养物质、沉淀物和有机质的输入主要是来自上游的径流。因此流域内人为活动、土地利用格局的变化以及生态系统过程会对河流的生态系统和水化学特性产生很大的影响。因此,在研究流域内水环境的时空变化格局的同时,必须开展流域尺度退化生态系统的恢复和重建及其与水资源调控的研究,从而在强调流域生态系统整体功能的基础上对流域水资源进行有效管理。在一个流域内,河岸带位于陆生生态系统和河道的交错地带,其生态过程控制着流域内物质从山地向河流的流动。然而人类干扰尤其是农业活动已经对我国绝大部分河岸生态系统的完整性产生了严重破坏。了解河岸带生物种群和群落及生态过程的时空格局、河流水节律和人类活动对河岸带生态系统的影响、河岸带生态系统功能的生态过程都是必须的。流域内土地利用和地表覆盖物的变化不仅影响生境和景观的多样性,而且也已影响到河流水质。研究应强调利用遥感技术开展流域尺度土地利用变化的研究,并基于GIS、地统计学分析和模型模拟来寻找流域内生物多样性保护和水资源保护的“热点”地区。同时,结合有代表性的小流域向溪流的输出量研究,揭示不同生态系统管理措施下如退耕还林对河流中养分动态变化的影响。针对流域水资源保护的生态重建不仅需要解决生态退化过程的逆转的生态环境问题,同时还必须面对区域社会进步与经济发展相关联的政策与管理,即在流域尺度上,把生态学过程和人类活动联系起来。南水北调工程研究领域包括:①长江、黄河和汉江上游典型生态系统类型对水资源和水环境调控机理研究;②人类活动所引起的土地利用和土地覆盖的变化对流域水资源环境的影响;③生态系统的恢复与重建与流域水资源保护;④流域尺度上空间数据集成与水资源保护关键区域的鉴定。2建立地下水生态系统监测网络建立南水北调工程的资源与环境基础数据平台和长期监测网络来分析未预见或突发性生态事件是必要的,即收集和分析工程区、工程沿线和工程受水区的物理、生物及人类系统有关的空间数据;确定工程实施后所引起的水环境变化的敏感区域监测区域内地区间物种和基因的交流、关键种生态位的动态变化及其生理学特性对水环境的适应性变化、土壤理化性质及营养元素的生物地球化学循环等方面。中国生态系统研究网络(ChineseEcosystemResearchNetwork,CERN)已经拥有36个台站监测我国各地典型生态系统及其变化过程。南水北调工程的实施有必要加强工程区CERN台站与水环境变化相关的研究,并结合正在建设的生态环境国家野外科学观测研究站实时监测该工程的实施所引起的环境变化及其社会和生态效应。例如,实施可能导致华北平原地下水位的上升从而造成盐渍化,栾城、封丘和禹城等CERN台站研究盐渍化的中国生态研究网络站应加强反映水文情势变化的研究,监测工程实施后如何影响农业产量、土壤水分蒸发蒸腾损失以及地下水。新增的水量将提高华北地区农田的灌溉能力,并用于恢复退化了的生态系统。中国生态研究网络目前有东湖和太湖两个淡水生态系统监测站,南水北调的实施将对黄河、长江上游及汉江下游的水环境和东线工程沿线湖泊的水生态系统产生重大影响。建议在甘肃的刘家峡水库及山东省的东四湖建立长期水生态系统观测站。同时建立一个流域管理信息系统,以监测江汉流域上游(中线工程供水区)的土地利用/土地覆盖变化及其对水资源的影响。此外,南水北调工程涉及我国近1/3的国土面积,尤其是西线工程区地形复杂,实地监测困难,传统的监测方法必须与现代技术尤其是空间监测技术相结合,如多影像和多分