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摘要:
黄河流域是中国重要的生态屏障和经济地带,上中下游面临着不同生态环境问题,水在生态环境问题的形成演化过程中起着重要作用。本文从黄河流域地下水动态特征、地下水资源的数量、质量及开发利用等方面,分析了黄河流域地下水资源及饮水安全状况。黄河流域年度地下水资源量393.55亿m3,银川平原、河套平原等7处主要平原(盆地)地下水资源量为81.91亿m3,占比超过20%;黄河流域地下水质量以Ⅰ~Ⅳ类为主,劣质地下水主要受总硬度、硫酸盐、铁、溶解性总固体等天然原生组分影响,砷、氟、硒、碘等原生组分超标是流域部分地区地下水饮水安全的主要威胁;2020年与2019年同期相比,黄河流域地下水位呈上游稳定、中游局部上升、下游下降的态势,主要地下水降落漏斗形态基本稳定。针对黄河源区、宁蒙河套平原等重点区段,分析了存在的主要生态环境问题,提出了全面开展流域水文地质与水资源调查评价,深入开展黄河流域及重点地区水平衡分析等工作建议。
Abstract:The Yellow River basin is an important ecological barrier and economic zone in China. The upper, middle and lower reaches of the Yellow River are faced with different ecological environmental problems. Water plays an important role in the formation and evolution of ecological environmental problems. Based on the quantities, qualities, settlements and dynamic characters of groundwater, the groundwater resources and the drinking water safety of the YRB were analyzed. The results show that total avenue groundwater resource of the YRB in 2019 is 3.93×1010 m3. Groundwater resources in seven key plain regions, such as Yinchuan plains and Hetao plains, is 8.19×109 m3, contributing more than 20% groundwater resources of the whole basin. The groundwater qualities in YRB dominated is mainly classified as Ⅰ-Ⅳ grade. The concentration of total hardness, sulfate, iron, TDS and Cl-exceed the groundwater standard at high rate. Excessive arsenic, fluoride, selenium, iodine and other primary components threaten the local drinking water safety. Compared with the same period in 2019, the groundwater table kept stable in the upper reach, local rising in the middle reach and decreasing in the lower reach in 2020. The morphological characters of main groundwater depression cone kept basically stable. Focusing on the key regions of the YRB, such as the sources area, Hetao Basin, etc., based on the analysis of the eco-environmental problems, it is proposed to carry out the whole basin resource survey and assessment, deeply develop water balance research in the whole basin and key regions.
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1. 引言
黄河是中国第二大河,流域位置介于95°54′~119°13′E,32°09′~41°50′N。黄河干流全长5464 km,水面落差4480 m,流域总面积79.45万km2(含内流区4.2万km2)(图 1)。黄河发源于青藏高原巴颜喀拉山北麓的约古宗列盆地,流经青海、四川、甘肃、宁夏、内蒙古、山西、陕西、河南、山东等九省(自治区),穿越黄土高原及华北平原,在山东垦利县注入渤海。黄河流域自北向南横跨干旱、半干旱、半湿润三个气候分区,大部分区域位于干旱半干旱区,流域多年平均气温为9.5 ℃,降水量为466.5 mm,蒸散量为653.6 mm(肖风劲等,2021)。
黄河流域生态保护和高质量发展已成为国家重大战略,但黄河流域水资源条件先天不足,人均年水资源量仅为全国平均的1/5。黄河年均河川天然径流量约560亿m3,占全国河川径流的2 %,却担负着全国15 %的耕地面积和12 %人口的供水任务,此外,黄河每年还需向外流域大规模调水(马柱国等,2020)。黄河流域地表水资源开发利用率高达80%,水资源净消耗率达70%,远超黄河水资源承载能力,水资源短缺仍是黄河当前与未来的最大挑战(刘昌明等,2019)。地下水资源具有储量稳定、水质较好等特点,在调节水资源循环演化、维系生态系统健康、保障优质水源等方面起着重要作用。摸清黄河流域地下水资源状况及其生态环境问题对流域水资源可持续利用与经济社会高质量发展具有重要意义。
本文基于中国地质调查局组织实施的“黄河流域水文地质调查”工程,在流域地下水统测监测、重点区水文地质与水资源调查、年度地下水资源评价、综合研究等工作基础上,通过解析黄河流域近年来地下水位变化及降落漏斗分布状况、年度地下水资源分布及开发利用状况、地下水质量与饮水安全的主要影响因素,研判流域不同区段主要生态环境问题,给出黄河流域亟待解决的基础科学问题及相关工作建议,为黄河流域生态保护和高质量发展提供科学依据。
2. 研究区水文地质概况
2.1 水文地质条件
黄河流域由西向东横跨青藏高原、黄土高原、华北平原三个地理阶梯,流域三大阶梯对气候、自然景观以及水资源形成演化都起着决定性的作用。根据地下水的主要赋存介质,黄河流域地下水类型可划分为松散岩类孔隙水(包括松散岩类平原盆地孔隙水、黄土高原孔隙水)、碎屑岩类孔隙裂隙水、碳酸盐岩裂隙岩溶水、岩浆岩和变质岩类基岩裂隙水、冻结层水5类(图 2)。其中,松散岩类平原盆地孔隙水主要分布于干支流平原河谷区、鄂尔多斯盆地北部沙漠滩区,含水层以冲积、洪积、冲洪积砂砾卵石层为主,常具多层结构,是流域最富水的含水层;松散岩类黄土高原孔隙水广泛分布于流域中部陇东、陕北等地,富水性差且分布不均,局部黄土塬区具有一定的分散供水意义;碳酸盐岩裂隙岩溶水主要分布在吕梁山、中条山、西秦岭、太行山、泰山以及渭北岩溶区等地,含水层以寒武—奥陶系碳酸盐岩为主,富水性较好,分布有诸多城镇集中供水水源地;碎屑岩孔隙裂隙水主要分布于流域上游山地区和鄂尔多斯盆地,水量分布不均且水质较差;岩浆岩与变质岩类裂隙水广泛分布于丘陵山区,以大青山及秦岭地区最为集中,富水性一般较差;冻结层水主要分布于黄河源和祁连山,是黄河流域重要的水源涵养区,对流域水资源循环演化起重要的调节作用。
丘陵山区基岩裂隙水补给方式较为单一,以大气降水为主,由于地形切割强烈,地下水多以泉形式排泄,或通过河谷潜流转化成地表水。岩溶裂隙水除大气降水补给外,地表水渗漏也是重要补给源,地下水沿岩溶裂隙通道循环较深,常形成与地表不完全一致的地下水流域,多以大泉形式排泄,有时也以侧向径流或顶托形式补给地表水或其他含水层。
平原盆地区地下水主要接受降水入渗、地表水渗漏、基岩山区地下水侧向径流或顶托补给。地下水由山区向平原盆地径流过程中转化极为复杂,山前洪积扇为重要补给区,除接受降水入渗与山区地下水的侧向补给外,地表水常大量漏失补给地下水,在洪积扇前缘复溢出成泉或侧向补给平原盆地区地下水;进入平原盆地后,含水层中常隔有稳定的厚层粘土层,形成潜水与承压水上下叠置的多层含水系统结构,地下水向下游径流过程中,河水多构成地下水的最低排泄基准面,人工开采、垂向蒸发和侧向径流排泄是主要排泄方式。此外,灌区大量灌溉水回归补给,促使潜水位进一步抬高,蒸发排泄随之加剧。尽管局部地区存在潜水补给承压水、河水补给潜水,但总的趋势是由山前洪积扇至盆地下游依次形成补给区、径流区和排泄区。鄂尔多斯盆地北部沙漠滩区主要依靠大气降水及凝结水补给,除蒸发排泄外,潜水以泉和地下径流形式补给地表水。
2.2 地下水资源分区
地下水资源分区是地下水资源评价的基础,本次地下水资源区划分在黄河一级流域边界基础上,充分吸收《新一轮“中国地下水资源”》中水文地质单元划分成果,综合考虑不同层级水文地质单元的含水层介质、地下水赋存特征、地下水补径排条件等,在同一尺度及精度上重新构建了黄河流域地下水资源分区。本次划分对银川平原、河套平原、关中盆地、太原盆地等具有盆山结构特征的水文地质单元界线进行了精细刻画,参考近20年以来区域水文地质调查的相关成果,厘定了山西岩溶泉域(梁永平等,2010)、鄂尔多斯盆地北部闭流区(侯光才等,2008)、渭北隐伏岩溶区等水文地质单元的地下水分水岭。黄河流域共划分为地下水资源二级区4个,三级区11个,四级区31个,五级区109个(图 3、表 1)。
表 1 黄河流域地下水资源分区表Table 1. Groundwater resources division of The YRB2.3 区域地下水位动态特征
2.3.1 地下水位变化
从20世纪70年代开始,随着人口增长和城市化发展,强烈的人类活动和气候变化导致流域内主要平原盆地和干支流河谷区地下水位出现局部或区域性下降(林学钰等,2006),总体可以划分为快速下降—缓慢下降—稳定或水位回升3个阶段。尤其是随着城市规模的扩大、工业生产和农业灌溉用水量增加,城市水源地和农业井灌区地下水位均出现不同程度下降,比如汾渭盆地和下游干流区呈现区域性地下水位下降(石建省等,2000),西安城区承压水水源地与天然流场相比地下水位累计降幅超过120 m(陶虹等,2013)。21世纪初期以来,随着城市水源地和工业生产开采量的减少和用水结构的调整,地下水位下降的趋势得到明显改善,局部地区水位开始回升。尤其是2015年以后,沿黄各省大力推进地下水超采区治理、实施水源置换工程和地下水限采禁采措施,城市区地下水位总体呈现稳中有升态势,但部分农业井灌区仍然呈下降趋势。
银川平原:受地下水水源地开采影响,2014—2019年,银川平原银川市、石嘴山市水源地附近和贺兰山山前等出现小范围的水位明显下降区,面积约532 km2。近年来,由于引黄灌区渠系衬砌率的提高等因素,灌区入渗补给量减少,浅层地下水位呈稳中有降趋势。
河套平原:受城市生活、工业生产开采地下水影响,2010—2019年,河套平原呼和浩特市、包头市城区等区域均出现地下水位下降区,面积约249 km2。引黄灌区浅层地下水位总体稳定,但部分井灌区仍然存在水位下降。
鄂尔多斯盆地:2007—2020年,鄂尔多斯北部沙漠高原地下水位总体稳定,局部地区因煤矿开采破坏含水层结构和农业灌溉开采等,造成地下水位快速下降,引发地表植被枯萎、湖泊萎缩等生态环境问题。
汾河流域:2003—2019年,汾河流域太原、临汾和运城盆地地下水位总体稳定,临汾市西南部和介休宋古等地区存在小面积的下降区。近两年受地下水控采影响,中深层地下水位总体上升。
关中盆地:2013—2020年,受城镇供水和农业开采双重影响,关中盆地北山山前黄土台塬、兴平—咸阳一带渭河二级阶地水位下降区约1054 km2;东部大荔沙苑地区受农业开采影响,水位下降区面积约88 km2。
下游干流区:2010—2019年,下游干流区及影响带受农业灌溉及工业生产开采地下水影响,地下水位下降区面积约3044 km2,主要分布在温县—孟州—沁阳和原阳—封丘—长垣一带。近两年下游区域浅层地下水位降幅0~2 m,但郑州市、焦作市等部分城市由于水源置换减少了地下水开采量,市区地下水位均有所回升。
2019—2020年同期地下水统测结果表明,黄河流域主要平原盆地地下水位整体稳定,上游河谷盆地区、银川平原潜水平均地下水位下降分别约为0.11 m、0.5 m,河套平原和鄂尔多斯盆地浅层地下水位基本无变化;中游汾渭盆地潜水和承压水地下水位上升大于0.5 m的区域面积分别占61%和54.5%;下游干流区地下水位下降大于0.5 m区域面积占50.7%。大气降水、地下水开采及限采压采、水利工程设施建设等均会对区域地下水位变化产生较大影响。
2.3.2 地下水降落漏斗
结合主要平原盆地区地下水位埋深和地下水流场特征,对比历史流场数据,圈定黄河流域主要地下水降落漏斗21处,总面积3542 km2。其中,中型漏斗(大于1000 km2)1处,中小型漏斗(50~1000 km2)7处,其余为小型降落漏斗(表 2)。黄河流域降落漏斗多形成于20世纪80年代,总体呈面积减小、中心水位逐渐恢复态势,水源地集中开采为降落漏斗最主要的成因。
表 2 黄河流域2020年主要地下水降落漏斗基本信息Table 2. Basic information of groundwater depression cone in the YRB黄河上游地下水降落漏斗多分布于河谷平原水源地周边,漏斗剖面呈“圆锥”状,面积一般小于30 km2,受地表水入渗补给等影响,大部分漏斗处于相对稳定或恢复态势。上中游大型平原盆地区银川、西安、太原等城市集中供水水源地附近的降落漏斗主要以潜水-承压水含水层多层叠置型为主,剖面形状剖面由“圆锥”状逐渐演变为或“浅盘”状,面积一般30~200 km2,除汾河流域降落漏斗略微增大外,大部分漏斗区基本稳定,中心水位以稳中有升为主;农业井灌区降落漏斗多为“平底锅”状,面积一般大于150 km2。下游干流及影响带浅层地下水位普遍下降,形成跨流域的水位下降区,对比历史资料,清丰—南乐等长期存在的区域降落漏斗中心水位回升、漏斗面积略有增加。
以关中盆地地下水降落漏斗进行重点剖析。关中盆地主要分布4处降落漏斗,面积9.6~147.6 km2(图 4)。其中,西安和宝鸡城区降落漏斗受水源地长期开采影响,呈区域性椭圆形“平底锅状”、“浅盘状”;灞河水源地、大荔沙苑降落漏斗多为近“圆锥状”。与2019年相比,西安及宝鸡城区降落漏斗面积基本无变化,中心水位分别上升1.87 m、0.87 m;灞河水源地降落漏斗中心水位下降4.8 m;大荔沙苑漏斗面积减小47.76 km2,漏斗中心水位较去年同期下降5.86 m,达36.94 m。
关中盆地潜水和承压水年际水位平均变幅为+0.8 m、+0.53 m,强上升区主要分布在渭河河谷阶地和秦岭北部冲洪积扇区,强下降区主要分布在城市水源地和扶风—岐山井灌区、西安灞河水源地和东部大荔县沙地区。2020年关中盆地年降雨量同比增加18.6%,是区域地下水位上升的主要原因,地下水水源地持续强采是漏斗区水位下降的主要因素。
3. 地下水资源分布及开发利用状况
3.1 地下水资源量及其分布特征
依据自然资源部中国地质调查局《全国地下水资源评价技术要求(试行稿)》,采用水均衡法、补给量总和法、水文分割法等多种方法联合开展黄河流域2019—2020年度地下水资源评价,本次评价的地下水资源量为TDS≤2 g/L的地下水天然补给量。
采用GPM全球卫星降水测量数据,估算黄河流域年度大气降水量为457.51 mm,折合降水资源量约3798亿m3。黄河流域年度地下水总补给量为444.90亿m3,地下水资源量为393.55亿m3,平均地下水资源模数为5.12万m3/km2·a。其中,平原区地下水资源量145.32亿m3,山丘区地下水资源量266.27亿m3,重复量18.04亿m3。龙门至三门峡区、龙羊峡以上区、龙羊峡至兰州区地下水资源量相对较丰富。地下水资源模数分布呈上、下游最高,中游及中上游偏低的特征,花园口以下干流区地下水资源模数最高,为15.23万m3/km2·a;闭流区(上游)地下水资源模数最低,为1.53万m3/km2·a(表 3)。
表 3 黄河流域三级分区地下水资源量Table 3. Groundwater resources quantities in the third level zone of the YRB黄河流域平原盆地地下水资源最为丰富,其中银川平原、河套平原、关中平原、太原盆地、运城盆地、临汾盆地、下游干流区等7处主要平原盆地的地下水资源量为81.91亿m3,地下水资源模数多大于9万m3/km2·a。7处平原盆地区面积约6.79万km2,仅占黄河流域的9.3%,但其地下水资源量占比超过20%(表 4,图 5)。
表 4 黄河流域主要平原盆地地下水资源量Table 4. Groundwater resources quantities of the main plains basin in the YRB3.2 主要平原盆地地下水储变量
已有研究表明,2003—2015年间黄河流域地下水储存量总体呈年均递减态势(Zhang et al., 2019)。地下水储量时间上主要受地下水开采、植被作物类型等人为因素控制,空间上受控于地理位置和城市化水平(Mi et al., 2020)。依据《全国地下水资源评价技术要求(试行稿)》,基于黄河流域2019—2020年同期地下水位数据,采用体积法计算了流域24处平原盆地(包括上游河谷区)年度地下水储变量,总体上呈上游稳定、中游增加、下游减少的态势。
流域上游湟水河主要河谷平原区地下水储量总体上基本稳定,年度地下水储量减少0.39亿m3,应为地下水自然波动;银川平原地下水储量减少2.82亿m3,初步分析为灌溉入渗补给量减少等影响;河套平原地下水储量与开采活动密切相关,地下水储量减少2.37亿m3;中游汾渭盆地主要受大气降水增多影响,地下水储量增加约13.96亿m3,其中潜水增加12.93亿m3;下游干流区主要受工农业生产开采地下水影响,地下水储量减少约1.90亿m3(表 5)。
表 5 黄河流域主要平原(盆地)地下水储变量及主要原因Table 5. Dynamic variables and cause analysis of the groundwater storage of the basin in the YRB3.3 地下水质量与饮水安全
3.3.1 地下水质量评价
依据《全国地下水资源评价技术要求(试行稿)》,基于国家地下水监测工程1639组地下水水质测试数据,采用35项常规单指标评价和多指标综合评价相结合的方法,开展黄河流域地下水质量评价,单项指标评价参照《地下水质量标准》(GB/T14848-2017)限值。
黄河流域潜水散点水化学类型以HCO3型为主,占比44.21%;HCO3·SO4型、SO4·Cl型次之,占比分别为18.87%、16.68%;承压水化学类型仍以HCO3、SO4·Cl、HCO3·SO4型为主,占比分别为31.92 %、16.97%、21.77%。黄河流域地下水质量以Ⅰ~Ⅳ类为主,占比73.95%,其中,Ⅰ~Ⅲ类水质点230个,Ⅳ类水质982个,分别占比14.03%、59.92%。从区域地下水水质特征看,丘陵山地区地下水水质优于平原盆地区。
黄河流域地下水中总硬度、硫酸盐、铁、溶解性总固体、氯化物等天然原生组分超标率较高,主要受原生沉积环境影响。在人类活动集中区,生活污染物排放等导致地下水质局部异常,总硬度、硫酸根、氯离子等指标呈升高态势。三氮污染多分布在城镇区、污染地表水体两侧,呈面状分布,主要为生活污染所致。局部地区存在重金属污染,多分布在工矿集中区和尾矿库周边,以Cr(Ⅵ)、Cd、Hg等为主,主要受矿产开发冶炼等影响。
3.3.2 饮水安全
地下水是黄河流域居民生活的重要水源,近45%的生活用水由地下水供给,饮水水质安全和健康风险极为重要。地下水原生环境污染中,砷、氟等组分超标可能引发砷中毒、氟中毒等饮水型地方病。黄河流域存在砷、氟、硒、碘等区域性原生地下水环境问题(张福存等,2010;Wen et al., 2013),依据《地下水质量标准》(GB/T14848-2017)等,选取地下水中与饮水型地方病关系比较紧密的砷、氟、硒、碘四种组分,按照从劣原则进行流域地下水质量区划(表 6)。
表 6 黄河流域地下水中砷氟硒碘质量区划分级Table 6. Quality division of arsenic, fluorine, selenium and iodine in groundwater of the Yellow River Basin黄河流域地下水砷氟硒碘质量区划覆盖了主要的平原盆地及人类活动区。评价结果表明,黄河流域大部分地下水中砷、氟、硒、碘处于适宜及较适宜区。不适宜区主要分布于银川平原东部、河套平原、鄂尔多斯盆地西部、关中盆地东部、太原盆地、临汾盆地、运城盆地及下游干流区局地分布,即该区域某一或多个含水层中存在一种或多种组分超标现象,作为饮用水源时应当注意健康风险。
高砷地下水主要分布于河套平原的后套平原以及呼包平原,佘太盆地、三湖河平原和黄河南岸分布相对较少;银川平原北部平罗县、大武口区、惠农县等地、鄂尔多斯盆地中部吴旗县头道川等地、黄河下游新乡一带零星分布。区域富含有机质的冲-湖积含水层、地下水径流滞缓、弱碱性及强还原的水环境等均有利于地下水中的砷富集。
高氟地下水分布较为广泛,上游西宁一带的湟水河河谷区、白银等黄河河谷区、银川平原、卫宁平原、河套平原、鄂尔多斯盆地西部、关中盆地中东部、太原盆地、临汾盆地、运城盆地等均有分布。平原盆地排泄区相对滞留的地下水径流条件和干旱—半干旱的气候环境有利于高氟地下水的形成,蒸发浓缩作用会造成地下水中氟的进一步富集。
高碘地下水主要分布于河套平原、太原盆地、关中盆地东部以及下游干流区的部分地区。冲湖积沉积物中粘土和腐殖质等易于积聚,导致有机质含量增多、吸附碘的能力增强,易在还原环境下随同有机质分解而解析出碘。此外,下游地区海侵沉积环境也会对碘富集产生一定影响。
黄河流域地下水中硒含量较低,尚未发现高硒地下水分布。
3.4 地下水开发利用状况及历史变化
依据《黄河水资源公报》,黄河流域水资源多年平均开采量(2003—2019年)为503.0亿m3,其中地表水开采量(含跨流域调出水量)374.8亿m3,地下水开采量128.2亿m3,分别占总开采量的74.5%、25.5%。地下水资源行业用水结构中,农田灌溉开采量始终占比最大,多年平均为59.3亿m3,占比46.8%,工业、居民生活和林牧渔畜用水次之,城镇公共和生态环境用水占比最小。
随着黄河流域人口增长、生态保护和经济社会的全面发展,流域地下水的开采量和用水结构发生了明显的变化(Liu et al., 2012; Xie et al., 2020)。20世纪80年代至90年代初,流域地下水开采量约为97.0亿m3,至20世纪末,地下水开采量显著增大,年均开采量达130亿m3左右;进入21世纪后,地下水开采量呈缓慢下降态势,至2019年减少为114.35亿m3。地下水资源开采减少的同时,用水结构也发生了较大改变,农田灌溉和工业取水量占比不断减小,所节约的地下水资源转向居民生活、林牧渔畜与公共生态方面,较大缓解了黄河流域水资源的供需矛盾。
沿黄各省节水农业的推广也极大提高了地下水资源的用水效率,大水漫灌方式比例不断下降,微灌、滴灌、根灌等节水灌溉方式占比不断上升。1998年以来,黄河流域地下水灌溉耗水率(地下水灌溉耗水量与地下水灌溉取水量比值)呈减小趋势,2019年灌溉耗水率已降至47%,地下水入渗补给量和回归河道的水量所占比例增大,土壤与植物蒸散发等消耗的地下水损失量减少(图 6)。
4. 不同区段主要生态环境问题
4.1 黄河源区
4.1.1 冰川退缩
本文黄河源区是指黄河唐乃亥水文站以上的流域范围。进入21世纪,黄河源区气候暖湿化加快,降水量显著增加(Wang et al., 2015;Jiang et al., 2019;杨昭明等,2019;刘彩红等,2021;肖风劲等,2021)。1960—2019年,黄河源区平均气温增温率为0.37 ℃/10a,2000—2019年升温速率达0.61 ℃/10a(刘彩红等,2021)。1961—2019年,流域降水量总体呈减少趋势,但黄河源区显著增加,2001—2019年平均降水量为578.6 mm,相比1961—2000年增加29.8 mm(保广裕等, 2021)。
黄河源区气候暖湿化加速了冰川退缩的过程。黄河源区阿尼玛卿山一带发育冰川74条,面积102.68 km2,分别占黄河流域的45.12%和81.03%(刘时银等,2015;Guo et al., 2015)。对比中国冰川第一次(20世纪60至80年代)和第二次编目(2014年)数据,阿尼玛卿山发育冰川数量由61条增加到74条,但面积由124.03 km2减少到102. 68 km2(Guo et al., 2015),主要冰川均显著退缩,退缩幅度在8%~13%(肖风劲等,2021)。
气候暖湿化效应引发了冰川退缩,多分支复合型冰川演变为独立的小冰川,导致冰川数量增加,但冰川整体面积减少。尽管黄河源区冰川面积较小,冰川退缩对流域地表径流及下游湖泊的影响程度相对较轻(杨建平等,2003),但仍应加强对冰川的长期动态监测,以防冰川短期内迅速退缩,冰川融水增加,进而导致冰湖溃决、洪水等一系列次生灾害。
4.1.2 冻土退化
黄河源分布有黄河流域近80%的冻土,不连续多年冻土、岛状冻土和季节冻土交错分布(Luo et al., 2018),冻土对流域的水资源循环演化具有重要的调节作用。受气候变暖的影响,黄河源区冻土呈区域性退化状态(杨建平等,2013),一是多年冻土分布范围缩小,多年冻土区由片状分布逐渐变为岛状、斑状分布,季节冻土和融区范围扩大。20世纪70年代至90年代,玛多县城附近多年冻土分布界线向西扩延约15 km,黄河沿多年冻土界线向北推移2 km(王绍令等,1991;金会军等,2010)。2003—2019年,黄河源区冻土面积减少了4.82%(Cao et al., 2021);二是多年冻土层变薄,冻土下界抬升,季节性融化层厚度增大。与90年代初相比,星星海湖岸、黑河桥南滩地、野牛沟沟口段等地多年冻土层已消融,巴颜喀拉山北坡融区范围扩大,冻土下界由海拔4320 m上升到4370 m,巴颜喀拉山南坡多年冻土下界由4490 m上升到4560 m(张森琦等,2004)。1961—2019年,黄河源区季节性冻土年退化速率为3.2 cm/10 a(肖风劲等,2021)。
黄河源区冻土退化进一步引发了一系列次生生态环境问题:一是高原草甸土壤层以冻土上界面为滑床,向下滑移,引起高原草甸破坏;二是引起冻结层上水水位下降,水资源调蓄能力下降,沼泽湿地退化、“黑土滩”扩大、荒漠化加剧(图 7)(张森琦等,2004;Wang et al., 2020)。
4.2 宁蒙河套平原
宁蒙河套平原由宁夏境内的西套平原(即银川平原),内蒙古境内的河套平原(包括后套平原和土默川平原)组成。银川平原及河套平原具有相似的地质、气候和水文条件,一是两者均位于黄河“几”字湾,为环鄂尔多斯地块分布的断陷盆地,积累了巨厚的新生代沉积地层;二是均处于温带干旱区,降雨量稀少,但区内农业开发历史悠久,渠系灌溉系统发达;三是黄河贯穿盆地,且由于历史上河流的不断改道,形成了众多的洪泛平原湿地。
4.2.1 湿地生态退化
宁蒙河套平原湖泊湿地众多,其形成演化主要受控于黄河河道摆动及引黄灌溉(何彤慧,2016)。以河套平原乌梁素海为例,原为1850年黄河改道形成的河迹湖,现已成为河套灌区灌概排水系统的重要组成部分。长期以来,上游生活污水、工业废水的无序排放以及农田退水的大量输入,氮磷等营养元素不断进入乌梁素海,水面蒸发强烈,水中矿物质不断累积,水质咸化、富营养化等导致乌梁素海湿地生态功能退化严重。2011—2016年,乌梁素海湿地水质一直为Ⅳ类~Ⅴ类;水体氮磷元素超标、富营养化严重;湖底生物淤积,沼泽化加剧;鱼群种群减少,鸟类栖息地遭到破坏等(田伟东,2016)。2008—2010年,乌梁素海黄苔年平均覆盖度分别达到了14. 43%,14. 06%,12. 56%(鲁飞飞等,2019)。近年来,地方政府对乌梁素海等湖泊湿地进行了生态补水、污染源治理等综合整治工作,取得了一定的成效,但湿地生态系统退化问题仍然严峻。
银川平原湿地遥感监测结果表明,1987-2010年,湿地面积由766.8 km2减少至667.13 km2,其中,自然湿地面积减少了215.34km2,人工湿地面积增加了34.72 km2(闫军,2018)。强烈的人类活动导致自然湿地的面积萎缩,同时人工湿地面积的不断扩大也导致了无效蒸发量的增加,需要依靠人工补水维持湖泊的生态功能。
4.2.2 土地盐碱化
宁蒙河套平原是我国土地盐碱化较为严重的区域之一,宁夏平原盐碱化耕地总面积约18.33万hm2,约占引黄灌区面积的33%;内蒙古河套灌区盐碱化耕地面积达32.3万hm2,约占引黄灌区面积的45%(Wang et al., 2016;陈怡平,2021)。内蒙古后套平原2006—2014年监测数据表明,非盐碱耕地和轻度盐碱耕地、重度盐碱耕地面积呈现减少的趋势,减少幅度分别为6.23%、7.68%;中度盐碱耕地面积呈先降后增的趋势,增加幅度为22.40%(王俊枝等,2019)。
宁蒙河套平原地降雨量少、蒸发强烈、地下水位埋深浅(多小于5 m)、不合理的灌溉方式等都是土地盐碱化的主要因素,尽管近年来部分地区盐碱化有减轻趋势,但区域上来看,盐碱耕地仍然分布较广,合理利用水资源,科学防治土地盐碱化是维护宁蒙河套地区粮食安全的重要保障。
4.2.3 天然劣质水广泛分布
受古沉积环境等地质背景影响,宁夏银川平原北部、内蒙古河套平原高砷高氟等天然劣质地下水广泛分布。银川平原天然劣质地下水主要表现为潜水TDS、总硬度、砷、氟等含量超标,承压水水质较好。潜水砷含量最高值达0.3 mg/L,砷超标区主要分布在黄河以西、银川市以北地区,呈散点状分布。潜水氟超标区在黄河以东呈区域分布,黄河以西零散点状分布。
河套平原潜水水质普遍较差,高砷地下水、高氟地下水和高碘地下水广泛分布。砷超标区主要分布于后套地区的黄河冲湖积平原北部和狼山山前冲洪积平原东部,土默特右旗以南的黄河冲湖积平原以及土默特左旗以南、托克托县以北的大黑河冲湖积平原中部。氟超标区主要分布于后套平原、佘太盆地以及呼包平原西南部。碘超标区分布于后套平原的北部、中东部,三湖河平原和呼包平原的大部分地区。
4.3 黄河中游
4.3.1 黄土高原水土流失
黄土高原主要位于黄河流域中部,水土流失面积达46.5万km2,是中国水土流失最为严重的区域,也是黄河泥沙的源头区(王浩等,2020;肖风劲等,2021)。自20世纪50年代开始,黄土高原开展了一系列的综合治理工作,区域生态系统服务整体向健康方向发展(金钊,2019;Geng et al., 2020)。1999—2018年,黄土高原植被覆盖率由32%增加到63%;潼关水文站年平均径流量和输沙量从1919—1959年的426.4亿m3/a、16.0亿t/a减少到2000—2018年的236.4亿m3/a、2.5亿t/a,分别减少45%和85%(胡春宏等,2018)。黄土高原植被覆盖率提高在改善水土流失状况的同时,也造成了区域水循环要素的改变(Han et al., 2020)。尽管近年来黄土高原区域生态环境在向好的趋势发展,局部地区水土流失得到控制,但水土流失问题仍然存在,且面临区域治理不平衡、治理程度区域差异大、水沙关系不协调、水资源配置格局不合理等问题,整体区域生态环境依然脆弱(Fu et al., 2017;胡春宏等,2019)。
4.3.2 汾渭盆地岩溶大泉衰减
汾渭盆地为黄河流域主要岩溶分布区,发育多处岩溶大泉。汾河流域雷鸣寺泉、晋祠泉、兰村泉、洪山泉、郭庄泉、霍泉、龙子祠泉和古堆泉8处岩溶大泉,20世纪60年代总流量达27.09 m3/s,2017年总流量已衰减至8.56 m3/s,兰村泉、晋祠泉、古堆泉、洪山泉等岩溶大泉断流。汾河流域岩溶泉水流量衰减或断流主要是岩溶地下水过量开采、泉域内矿产开发疏干排水等人类活动的影响,此外,大气降水量减少、河水渗漏补给量减少也具有一定的影响。
渭河流域渭北岩溶区分布有筛珠洞泉、袁家坡泉、温汤泉群、处女泉群等多处岩溶大泉,20世纪80年代以来,渭北岩溶区开始修建大量岩溶地下水水源地,受水源地强采影响,区域“380岩溶水”水位已降至360 m左右;岩溶泉水流量明显衰减,筛珠洞泉、袁家坡泉已断流;温汤泉群流量由1986年的3700 m3/h降至2019年400 m3/h,流量减少约9倍;处女泉群中流量最大的瀵泉,由1990年的2592 m3/h衰减为2019年130 m3/h,流量减少约20倍。
4.3.3 汾河流域水环境污染
汾河流域由于地表径流量减少、煤矿开采、三废排放等原因,水质恶化非常严重。汾河干流河水水质的主要污染物为氨氮、COD、挥发酚等。兰村断面以下河段氨氮几乎全部超标,其中太原市控制断面小店桥氨氮超标最大达70.1倍;挥发酚超标河段8处,临汾断面挥发酚超标最大为43.2倍(郝琳茹,2016)。
区内岩溶地下水也存在一定污染风险,尤其是地下水中硫酸盐、多环芳烃等指标含量近年来上升趋势明显(Wu et al., 2021)。晋祠泉岩溶地下水2017年测试结果,硫酸根含量为458 mg/L,超过饮用水标准(250 mg/L)1.8倍,地下水中TDS、硫酸根含量整体上呈升高趋势;龙子祠泉水20世纪80年代泉水的硫酸根含量为320mg/L,2013年泉水的硫酸根含量已达443 mg/L。地层中石膏溶解是岩溶地下水中硫酸根原生含量超标的主要原因,煤矿“老窑水”是造成近年来岩溶地下水主要水化学组分含量快速增加,硫酸根含量升高的主要原因(梁永平等,2021)。
4.4 黄河下游
4.4.1 悬河稳定性及滩地安全
黄河下游悬河段河床及漫滩高于河流两侧堤外地面3~5m,最大10 m以上(刘桂仪等,1998;张连胜等,2001),悬河稳定性及洪水风险仍是下游最主要的威胁。黄河下游活动断裂较为发育(杨询昌等,2010),可能诱发堤基地裂下沉变形、堤坝滑塌等破坏,危及河道安全;另一方面,黄河携带而来的泥沙在下游宽阔平坦的河道不断淤积,年均淤积量达2.5×108t(刘桂仪等,1998),河床抬高,在高水位下极易引发溃决险情。此外,黄河下游还存在大量串沟、临河洼地、半自然堤、生产堤等微地貌和不良土体(杨询昌等,2010),也是影响河道稳定性的因素。
黄河下游滩地总面积约为3828 km2,主要分布于主河槽与大堤之间,滩区既是黄河行洪、滞洪、沉沙的重要区域,也是百万群众赖以生存的场所(谢羽倩等,2019)。滩区河段的河道游荡性强,水利设施完善程度较低,河滩变化和漫滩的威胁频繁,滩区受到“悬河”问题的影响严重。1955年以来,黄河滩区遭受水患灾害14次(鲁详磊等,2011)。自小浪底水库运行以来,进入黄河下游的泥沙含量大幅减少,导致下游河床发生剧烈冲刷,河道频繁变迁,威胁滩地安全。近20年来花园口至柳园口段河道变迁累计导致约32 km2耕地被侵蚀(陈怡平,2021)。同时,受黄河来水减少、滩区生产生活污染负荷重等因素影响,滩区水资源短缺、农业面源污染、水污染、水生态环境恶化等问题日益凸显(鲁详磊等,2011;王尧等,2021)。
4.4.2 三角洲生态系统退化
自20世纪80年代以来,黄河上游用水量剧增,下游多次断流,作为尾闾的三角洲地区来水量不断减少,引发了湿地退化、土壤次生盐渍化、生物多样性受损等一系列生态环境问题,三角洲地区生态系统结构功能面临严峻挑战和威胁(杨薇等,2018)。黄河三角洲湿地资源丰富,总面积约43万hm2,其中天然湿地占湿地总面积的52%,人工湿地占48%,1985—2012年,自然湿地面积减少了3.4万km2。
此外,黄河流域还存在上游黄河源、甘南和祁连山等水源涵养区草地沙化、湿地草甸缩小(王尧等,2021),鄂尔多斯盆地能源基地开发破坏含水层结构、引发地面塌陷及地下水污染,内流区天然湖泊湿地萎缩,中下游平原盆地地面沉降,三角洲地区水土环境污染及岸线蚀退等一系列生态环境问题。
5. 讨论与建议
(1)黄河流域地表水-地下水转化关系极为复杂,地下水资源在流域水资源量中占有极其重要的地位,花园口断面河川基流量大约占河川径流总量的44%,其中兰州以上区域是黄河干流基流的主要来源区(林学钰等,2006)。近年来,受气候变化和人类活动双重影响,黄河流域水资源循环条件发生了显著改变。因此,全面系统开展黄河流域水资源调查监测评价,尤其是地下水资源调查监测评价,揭示“大气降水-地表水-地下水”三水转化关系,合理评价流域地表水-地下水重复量,加强地表水与地下水资源的统一规划、联合开发,统筹考虑流域生产、生活、生态用水需求,是缓解流域水资源矛盾、提高水资源利用效率的重要手段。
(2)地下水含有较丰富的矿物质,大部分地区分布有优质矿泉水,在“让黄河成为造福人民的幸福河”这一历史进程中,应让更多的人饮用上水质更为稳定的优质地下水。除饮用水外,含有矿物质的天然温泉也广泛分布(黄光寿等,2020),合理开发温泉有利于当地经济发展和人民身体健康。根据近两年的地下水统测监测数据,黄河流域区域地下水位总体稳定,区域主要地下水降落漏斗分布面积相对较小,且大部分降落漏斗区范围、地下水位均无明显扩大及下降趋势。2019年,黄河流域地下水取水总量为114.35亿m3,居民生活用水21.42亿m3,仅占地下水取水总量的18.73 %,占比较低,且包含了饮水和生活用水两个方面。在诸多地区,长久来看,如果相应的管理措施到位,采用优质地下水供应居民饮用是可以实现的,而不应一刀切式禁采、限采地下水。建议采取傍河取水、山前洪积扇地下水人工补给等手段,合理利用地下含水层调蓄能力和战略储备能力,充分发挥地下水含水层自净能力,以提供水量稳定的优质地下水供水水源;在宁夏中南部、陕北黄土高原等缺水地区,地表水资源相对匮乏且难以利用地表水大规模集中供水,开展地下水饮用水源地勘察并采用分散式供水模式,将可解决绝大部分地区的饮水困难。在地下水资源管理中,应注意水源地论证中地下水可开采量评估的准确性,地下水源地开采井布设及地下水位下降阈值设置的合理性。
(3)黄河流域水资源行业用水结构中,农田灌溉用水量始终最高,2019年占比为63.8%。流域内农田灌溉水有效利用系数一般低于0.6,远低于世界先进水平。宁蒙河套灌区为黄河流域主要的引黄灌区,用水方式比较粗放,大水漫灌仍是最主要的灌溉方式,灌溉定额偏高(杜森,2020)。黄河流域宁夏、甘肃、内蒙古、山西四省(区)的农业可节水比例都超过了40%,节水潜力巨大(崔永正等,2021)。宁蒙河套灌区应充分考虑粮食-水-生态互馈关系,推行井渠联合的灌溉方式,合理配置地表水与地下水资源,加大灌区地下水资源的开发利用,有序推进喷灌、滴灌、管灌、微喷灌等高效灌溉技术的应用。宁蒙河套灌区地下水位埋深极浅(一般小于5 m),加大灌区地下水的开采,一方面可以减少潜水的无效蒸发量,本次地下水资源评价宁蒙河套平原潜水蒸发量达28亿m3/a;另一方面还可以有效降低地下水位,有利于盐碱地的防治。
(4)黄河流域上中下游面临的主要生态环境问题各有不同,应以问题为导向聚焦水循环关键过程,系统全面开展黄河流域及重点地区的水平衡分析工作动态评估黄河流域生态系统承载能力(王尧等,2020)。围绕保护黄河水源涵养区的生态功能与水源涵养能力,促进宁蒙河套灌区、汾渭盆地等粮食主产区水资源高效利用与河湖湿地健康,鄂尔多斯盆地等能源基地开发、水资源利用与生态环境的协调发展,满足兰州—西宁、呼包鄂榆、关中城市群等城市群经济社会发展供水需求,保障六盘山区、秦巴山区、吕梁山区、少数民族地区、贫困地区饮水安全等方面展开,提出水源涵养、水土保持、水资源集约节约利用等生态保护修复和高质量发展建议。
6. 结论
(1)黄河流域年度地下水资源总补给量444.90亿m3,地下水资源量(TDS≤2 g/L)393.55亿m3,龙门至三门峡区、龙羊峡以上区、龙羊峡至兰州区地下水资源量相对较丰富,银川平原、河套平原等7处主要平原(盆地)的地下水资源量占比超过20%。总体上,流域地下水资源模数分布呈上、下游最高,中游及中上游偏低的特征,花园口以下干流区地下水资源模数最高,平原盆地区地下水资源模数多高于丘陵山地区。
(2)黄河流域地下水质量以Ⅰ~Ⅳ类为主,丘陵山地区水质优于平原盆地区。地下水中总硬度、硫酸盐、铁、溶解性总固体、氯化物等组分超标率高,主要受原生地质环境影响。流域还存在砷、氟、硒、碘等区域性原生地下水环境问题。
(3)黄河流域平原盆地和干支流河谷等局部地区形成不同程度的地下水位下降区(降落漏斗)。与去年同期相比,流域地下水位总体上呈上游稳定、中游局部上升、下游普遍下降的态势,主要的地下水降落漏斗形态基本稳定。
(4)黄河流域不同区段存在不同的水、生态、环境问题。兰州以上河段,是黄河流域主要的产流区,人类活动强度低,受气候变暖影响,黄河源区冰川消融、冻土退化;宁蒙河套平原为重要的引黄灌区,存在湿地生态退化、土地盐渍化等问题;河口镇至花园口段,水土流失、岩溶大泉衰减、水环境污染等问题较为突出;下游来水量减少造成黄河三角洲生态退化。
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表 1 黄河流域地下水资源分区表
Table 1 Groundwater resources division of The YRB
表 2 黄河流域2020年主要地下水降落漏斗基本信息
Table 2 Basic information of groundwater depression cone in the YRB
表 3 黄河流域三级分区地下水资源量
Table 3 Groundwater resources quantities in the third level zone of the YRB
表 4 黄河流域主要平原盆地地下水资源量
Table 4 Groundwater resources quantities of the main plains basin in the YRB
表 5 黄河流域主要平原(盆地)地下水储变量及主要原因
Table 5 Dynamic variables and cause analysis of the groundwater storage of the basin in the YRB
表 6 黄河流域地下水中砷氟硒碘质量区划分级
Table 6 Quality division of arsenic, fluorine, selenium and iodine in groundwater of the Yellow River Basin
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