滹沱河冲洪积扇生态环境及其演化_刘冰.pdf

：滹滹沱沱河河冲冲洪洪积积扇扇生生态态环环境境及及其其演演化化刘冰，温雪茹，杨柳，（中国地质科学院水文地质环境地质研究所，河北 石家庄；自然资源部地下水科学与工程重点实验室，河北 石家庄）摘要滹沱河冲洪积扇目前生态环境问题较为严重。文中以影响全区生态系统的主要因素 地下水为主线，将地表水和地下水作为一有机的整体，综合研究和分析滹沱河冲洪积扇生态环境演化的特征及其背景。调查研究表明，由于上游水库截流，导致滹沱河常年断流，河床干枯逐渐，沿岸生态环境恶化；平原区地下水的入渗补给被截，水位下降，使浅层地下水遭受工业废水和农业面源污染。水质检测分析表明，影响扇区地下水的常规无机组分是总硬度、铁、锰、硝酸盐氮等。扇区生态环境恶化的关键因素，除人们环保意识较差造成的污染外，主要源于扇区地表水断流，水位下降改变了地下水循环的路径，破坏了其补、迳、排固有的天然平衡，从根本上改变包气带水和土壤水的背景值，增加了地下水遭受污染的风险。据此提出要保证滹沱河有足够的生态用水，逐步修补和恢复扇区生态环境的建议。关键词滹沱河冲洪积扇；水库截流；地下水超采；水污染；生态环境恶化中图分类号 文献标识码文章编号 （）收稿日期 基金项目水文地质及环境地质调查数据集成与应用（）作者简介刘冰（），女，河北巨鹿人，工程师，主要从事水文地质、环境地质及信息系统应用研究工作。通讯作者杨柳（），女，河北定州人，高级工程师，主要从事水文地质研究工作。，（o ooo o oo o oo，；oo o o o o，）：o o oo o o o，o o o o o，o o o，o o oo o oo o o o o o o o o o o o oo o oo o o o o ，o o o o o o o oo o oo o oo o o，o，o，o o o oo o oo o o oo，o o oo o oo o o o o o o o o o ，o，o，o o o o o o o oo o o，o o o o oo o oo o o ：o ；o o；o ooo；oo；oo o oo o岗南和黄壁庄水库截流，导致扇区河道地表水和浅层地下水的生态环境问题，从源头研究该区生态环境演化极其诱因很有必要。综合已有研究成果，主要涉及扇区水质量的内容较多，关于研究地表水断流、地下水位下降引发该区生态环境的内容较少。本文将地表水和地下水作为一有机的整体，以扇区地表水环境演化为线索，并以水文地质和水化学理论为基础，研究、探讨扇区生态环境演化的相关背景、过程及机理，并就修补和恢复生态环境提出建议。滹沱河冲洪积扇区的自然地理和地质环境 自然地理概况滹沱河源于山西，东穿太行山进入河北，在出山口处形 年 月第 卷 第 期 地下水o ，o.成冲洪积扇。扇域行政区划包括石家庄市及鹿泉、正定、栾城、藁城、无极、晋州和辛集等区县。扇区西部山前地貌为中低山和丘陵区，中、东部为冲洪积、冲湖积和河湖积平原，属华北平原的一部分。该区属暖温带大陆性季风气候区，四季分明；年均降水量 ，多集中 月；年均蒸发量 ；年均气温 ；全年盛行西北风，冬季多西北风，夏季多偏东南风。区域地质及水文地质概况滹沱河冲洪积扇位于华北断拗带、冀中拗陷的西南端。中生代伴随燕山运动初步形成山西台背斜和华北断陷盆地构造轮廓；喜马拉雅运动以来，在太行山麓地带相继发育了一系列冲洪积扇，该扇是其中地质年代最古老、最典型、规模最大，且与华北平原相伴叠加而形成。此后在阶梯状断裂的影响下，轴点不断东移，形成新老扇体的交错和迭加。扇区西部山前丘陵、倾斜平原多为砾卵石，粗中砂层的冲洪积相；中、东部平原区地层底部为第三系上新统地层，上覆第四系更新统冲洪积、冲湖积相地层岩性以粗砂、中细砂和细粉砂夹粘土互层，顶部全新统地层主要以河流相为主。更新统地层由扇端往扇缘过渡，岩性逐渐由粗变细，多为中细砂、细粉砂；及至扇缘粉细砂和黏土层逐渐增多，渐变为冲湖积和河湖积相地层。按成因和形态可分为西部山前低山丘陵、中部冲洪积扇、中东部倾斜平原和东部河湖积平原四大地貌单元。依据地貌类型和水文地质特征可分为山前丘陵、山前倾斜平原、中东部冲湖积平原和东部滨海平原 个水文地质分区。西部山前丘陵、倾斜平原冲洪积含水层厚度较薄，为浅层地下水；中、东部冲湖积、滨海平原含水层厚度大，有多个沉积旋回。该区地下水主要接受大气降水和地表水系的渗漏补给，西部太行山前地带亦接受山区地下水的侧向补给。地下水迳流方向主要受地形地貌和地表水系的控制，西部山前局部地带地下水由山区往东部平原流动；在中、东部广大平原区地下水由西南往东北方向运移；平原区地下水埋深较大，蒸发作用微弱，主要以迳流和人工开采为主排泄。该区地下水补给来源充沛，水资源丰富，水质良好，中、东部冲湖积平原区不同程度分布有高矿化度咸水。近年滹沱河和灌渠长期断流，使地表水的入渗补给有限，水位强烈下降，形成地下水降落漏斗，漏斗周边的地下水迳流方向和状态发生局部改变，特别是漏斗东部形成一地下水分水岭，使邻区的地下水产生反向迳流补给本区。滹沱河冲洪积扇区域水环境的恶化 扇区地表水环境的演化从分析滹沱河黄壁庄水文站 年以来的天然径流量，总体上呈现逐年减少趋势（见图）。从 年代初至 年代末入库水量为 亿，年代初至 年代末为 亿，本世纪以来基本为 亿 左右，这种趋势是气候变化和人类活动等多因素综合作用的结果。从黄壁庄水文站天然年径流量变化过程曲线显示，年成为径流量突变节点年份 ，节点前是以自然径流特征为主的系列，以后为人类活动影响下的现状径流系列。扣除降水对径流的影响，人类活动是该流域径流量衰减的主要动因，且直接导致扇区河流水环境和沿岸生态环境的恶化。图 黄壁庄水文站年径流量多年变化过程曲线图上游水库运行以来，几乎拦截了流域近 的地表水。自 年代开始下游河床出现连续断流；年代河流开始干涸沙化，至 年 月之前的四十年间，河道基本上成为泄洪通道，只有丰水年水库泄洪河道才有过水，且水量很小，据下游北中山水文站流量观测记录显示，仅有 年的泄洪水流前锋抵达过北中山站。扇区内其它大部分河流如汶河、磁河等因受上游水库截流影响也常年干涸，仅在汛期有短时间过流或泄洪，石津灌渠和灵正灌渠也常年无水。河道水环境的彻底改变，使其基本成为一条纳污河道，河床沙化严重，垃圾遍布、污水横流。区内多数河流成为城镇及工矿企业的纳污渠道，沿线的大部分工业废水都就近排入排污渠，城市生活污水则由下水道进人排污渠。据水质监测数据显示，有 的地表水样达到了 类标准，占类地表水仅占 。河水中除常规离子浓度偏高，毒性重金属部分存在超标现象以外，多数地表水样品均检测出苯、乙苯、甲苯、二甲苯、二氯甲烷、三氯甲烷等有机污染组分，甚至存在超标现象。污染的河水和地下水有密切的水力联系，其对浅层地下水水质亦将构成直接威胁。扇区地下水环境的演化自上世纪 年代以来，地下水的开采量逐年加大。水库在拦截流域大量地表水的同时，也截断了其对下游平原地下水的入渗补给，特别是黄壁庄水库大坝防渗处理后，完全切断了地表水渗漏的补给通道。使地下水天然流场固有的补、排平衡严重失调，加之地下水持续超采，使平原区地下水位逐年加大，形成以石家庄市为中心、范围波及周边各县的地下水降落漏斗。年代水库运行初期，扇面地下水位普遍埋深 ，到 年代大都降到 ，初步形成约 的地下水降落漏斗，最大水位埋深达 ；到本世纪初，漏斗面积扩大到 ，水位增加到 。如正定县南牛村地下水动态观测资料显示，从 年至本世纪初近 ，地下水位由不足 降到 左右（见图）。图 正定县南牛村地下水动态曲线图漏斗的形成固然与大量开采地下水有很大关系，但索本求源，地表水断流、补给源被截断是最根本、最主要和最直接的原因。近年来随着南水北调中线工程的开通和运转，该区第 卷第 期地下水 年 月地下水超采得以缓解，水位有明显回升。扇区浅层地下水质量的持续恶化地下水位不断下降引发大量的环境地质问题中，尤以水质变差、地面沉降等问题较为严重。在扇区前端和两翼洼地及工业、城镇居民集中区域，大量工业及生活废水排入无防渗沟渠、干枯河床和洼地，使污染物特别是有机氯农药残留物随水渗漏，直接或间接进入地下水含水层，造成浅层地下水严重污染，对供水安全带来威胁。其中工业污染源以化学原料及化学制品制造业、医药制造业数量最多，其次为造纸和皮革、毛皮等制造业，还有纺织和有色金属冶炼加工业等，污水年平均排放量为 ；农业污染源主要来自过量使用农药、化肥，地膜、污水灌溉和畜禽养殖。浅层地下水样品中污染组分检出率为 ，其中轻度污染、中度污染、较重污染、严重污染和极严重污染的占比分别为 、和 ，污染组分主要为，其次为、和 及微量有机污染。通过对采集的样品统计分析发现，扇区地下水硝酸盐的污染程度亦让人堪忧，其中 最小值为 ，最大值为 ，均 值 为 ，变 异 系 数 高 达 。整个研究区地下水采样中有 的样品硝酸盐浓度超出国外（）和我国（）地下水的质量标准，表明扇区地下水已经受到了 比较严重的污染，其污染程度尤以农村居民点更为严重。影响地下水质量的主要为常规无机组分，如总硬度、铁、锰、碘化物，溶解性总固体、硫酸根离子和硝酸盐等，有机组分也有少量检出，检出率较高的组分为三氯甲烷、四氯化碳、四氯乙烯和邻二氯苯等。滹沱河冲洪积扇区生态环境恶化的思考和启迪 扇区地表水环境演化产生的负面效应地表水断流造成扇区水环境和沿岸生态环境持续恶化。据统计，石家庄段自上世纪八十年代以来河道沙化面积较七十年代初增加约。曾经是保护省城防止沙尘污染屏障的滹沱河，如今河床流沙竟然成为省城沙尘污染的重要源头。扇区滹沱河沿岸大面积的淀洼湿地因地表水断流，淀洼湿地中的积水同时被疏干。经遥感卫星解译及野外实地调查对比，正定县的曲阳桥至藁城市的南洼、饶阳县至献县间的滞洪区等，原来是大面积芦苇和繁茂水草的湿地，因缺少必要的生态补水，湿地萎缩、功能退化，如今都基本消失并演化为寸草不生的沙滩荒地。很多水生植物大量灭绝，大量的水鸟迁徙，造成湿地物种种群锐减和绝迹，导致生态环境逐渐蜕变并恶化。扇区地下水环境演化诱因的浅析经对地下水化学指标检出和超标因素分析表明，其浓度除一定程度受其自身物理化学性质的影响和控制，地下水中部分无机组分如总硬度和溶解性总固体则主要与人类活动影响有极大关系。由于上游水库截断扇区地下水的入渗补给，改变了该区地下水原有的补、迳、排路径，降低了原有地下水动力的场强，破坏了地下水原有的水动力平衡。过度的开采使地下水位大幅度下降，不得不开采地下水静储量，致使浅层含水层几乎处于被疏干状态，极大地增加了包气带的厚度，使包气带水和土壤水原有相互关联密切的背景值发生了根本性改变。地下水环境剧烈变化引起水化学环境的相应改变，进而引发一系列物理化学反应，使水化学平衡有利于碳酸盐矿物（方解石、白云石）溶解，促使、和 离子浓度异常升高，导致地下水总硬度相应升高。主要来源于生活污水和农用化肥，污染物通过灌溉和雨水驱动进人地下水而导致其严重污染。而 与总硬度又有较好的相关性，说明地下水超采极大地影响着 的浓度。水位下降也使增厚的包气带由还原环境演变为氧化环境，从而拓展了硝化作用的更大空间，导致更多的硝酸盐渗入地下水中。该区农田所占比重较大，且污染程度相对严重。硝酸盐污染物进入地下过程中，首当其冲被污染的是包气带中的土壤，在水的淋滤下污染物先通过土壤再继续下渗进人地下水。扇面含水层岩性粒度相对较粗，渗透性能极强，污水极易通过包气带土层渗入地下水中，故土壤的包气带厚度越大，遭受硝酸盐污染的风险也越大。且这些污染物将直接由土壤进入到农作物的根系和株体内，进而威胁人们的饮食安全，极易诱发人类消化系统方面的疾病。扇区生态环境演化带来的启迪综上分析表明，扇区生态环境恶化主要源自于上游水库拦截地表水，下游河流地表水断流、地下水补给源切断，水位大幅度下降，引发扇区生态环境的演化并衍生负面效应。目前，如何在发挥水库最大效益的基础上，最大限度地克服水库运行中的负面影响，以笔者之拙见：首先，岗南和黄壁庄水库的运行在供水、防洪和滞沥的基础上，科学统筹规划，上、下游联合调度，妥善解决用水矛盾，兼顾生态用水，并建议常年不间断地往