城市化对印度恒河流域水文水资源的影响

[印度]A.K.米斯拉

城市化对印度恒河流域水文水资源的影响

[印度]A.K.米斯拉

在城市化发展进程中,日渐严重的城市化问题受到了广泛关注。以印度恒河流域为例,介绍了城市化对恒河流域水文循环的干扰和影响,指出了这种影响所带来的洪涝和干旱频发、水质恶化、土壤盐碱化等不利后果。同时城市化使市区人口激增导致城市基础设施严重不足,水需求和水供给之间的矛盾日益尖锐,生活环境和生态环境日益恶化,流行病存在蔓延趋势。对恒河流域的可利用水资源进行了介绍,分析了流域内各邦的水资源现状。最后,在总结城市化导致的负面问题的基础上,提出了一系列缓解水资源供需矛盾的建议和措施。

城市化;人口增长;土壤盐碱化;水质;气候变化;城市基础设施;恒河流域

城市化与环境恶化之间存在诸多直接和间接联系,原因是人口数量不断增加,而人们所依赖的可用自然资源却是不变的。供水、卫生设施以及排水是城市化进程中的重要因素,这些因素不仅直接影响水资源,而且对城市水文循环也会产生影响。城市的不透水性不仅使下渗率降低,同时也增加了直接径流量,导致洪水频发,这种情况在恒河流域部分地区屡有发生。

恒河流域被认为是恒河、布拉马普特拉河和梅克纳河流域(大约 109万 km2位于中国、尼泊尔、印度和孟加拉)的组成部分。恒河流域在印度境内的流域面积大约为 862 769 km2,约占印度整个国土面积的26.2%(中央水务委员会(CWC),2009年)。恒河流域北连喜马拉雅山脉,西接印度河流域和阿拉瓦利(Aravalli)山脉,南连温迪亚(Vindhyas)平原和乔塔那格浦尔(Chhotanagpur)平原,东接布拉马普特拉山脉。恒河流域包括森林茂密的喜马拉雅丘陵、森林稀疏的什瓦里克(Shiwalik)丘陵、以及肥沃的恒河平原。中部的恒河平原位于喜马拉雅山脉南侧。喜马拉雅山脉由山脉、丘陵以及高原组成。流域内山谷与冲积平原交错分布。这些地区大部分为森林覆盖,流域内土壤类型包括沙、壤土、粘土及其组合,如砂质壤土、粉质粘土等。

恒河流域涵盖北方邦、中央邦、比哈尔邦、拉贾斯坦邦、西孟加拉邦、哈里亚纳邦、喜马偕尔邦以及德里区。流域地表年水资源蕴藏量估计为525.0 km3,其中可利用水资源量为250.0 km3。流域可耕种面积约为 5 800万 hm2,占全国可耕种总面积的29.5%(恒河流域防洪委员会(GFCC),2009年)。

在恒河流域,人口增长压力不断增加,在现有技术发展水平情况下,可利用水资源为当前人口提供足够用水的能力受到严重影响。结果是贫困加剧,社会经济环境进一步恶化。在研究了人口增长压力和水资源之间的关系之后,本文提出了应该采取的措施,指出了主要人口问题和水资源问题,并根据人口压力和用水之间的联系分析了现状。

1 对城市水文循环的干扰和影响

由于城市化干扰了蒸发、蒸腾以及下渗过程,因此不仅妨碍了水文循环,同时也是污染自然资源的重要因素。城市化导致城市大部分地表失去透水性,供水主要依赖城市外部水源,这些都是城市化进程中遇到的常见问题(林德(Lindh),1983年)。同时,城市化还导致地下水补给频率和补给量发生重大改变(福斯特 (Foster),1999年)。由于天气(温度、湿度以及风速)、蒸发 (蒸腾)和下渗特征,土地利用和土地覆盖、地下水特征、区域内物理和地理特征以及水质的变化,使恒河流域内的水文循环经历了量和质的变化。过度的城市化、工业化以及人口增长极大地改变了流域地貌,同时流域水文循环也发生了重大改变,例如,天然植被排水模式遭受大规模破坏,储存地表水的天然洼地减少,土壤吸收降水能力降低,不透水面积大量增加(道路、人行道、屋顶以及车道)等。

除了人类活动改变了流域土地覆盖之外,人们对天然水量进行的调节也在很大程度上改变了流域水文循环。目前恒河流域就是这类变化的一个生动示例,在该流域,山区森林遭到大规模砍伐,土地利用和土地覆盖的变化改变了洪涝和干旱的规模和频率。特别是印度北方,由于人口急剧增长,森林砍伐导致水土流失,从而引发了越来越多的洪水灾害。就洪涝问题而言,恒河流域东部比西部严重,北部比南部严重。受洪水影响最严重的有比哈尔邦、北方邦和孟加拉邦。这些地区的河流径流量和洪峰流量都很大。

流域水文循环的改变越来越大,受到的人为控制也越来越多。由于流域内大规模地建设大坝、大堤等,使地表径流量(直接径流量)减少,蓄水量增加,这样就加大了蒸发量并抬升了某些地区的地下水位,而且该流域受灌溉的影响也很明显。利用人工河道进行地表水或地下水引水大幅度增加,从而增加了径流量并加大了蒸发,使自然水文过程发生改变。恒河流域土地利用的变化也对区域水文循环产生了重大影响。由于土地利用变化后果的显现需要一个过程,尽管目前人们还不清楚这些后果是什么,但是已经可以感受到它们所带来的气候变化。在流域内城市中,可以观察到对水文循环的干扰和影响。天然的土地覆盖被混凝土和不透水地面所取代,导致下渗以及蒸发(蒸腾)大幅度降低。这样就增加了市区的降水径流,导致积水和洪涝。

1.1 对水质的影响

除了水文和地貌发生变化以外,城市化还直接或间接影响着受纳水体的水质,主要表现为水温升高、污染物增多、地下水下渗速度发生巨大改变。恒河流域的人口为3.6亿左右,约占印度人口的 40%。居民生活用水、农业灌溉用水和工业用水水源既包括地表水,也包括地下水。由于市区和工业区污染程度日益严重,地表水和地下水水质急剧下降。与地下水相比,地表水污染情况更为严重,特别是恒河与亚穆纳河,河流以及支流沿岸大中城市未经处理的生活污水和工业废水被直接排入河道。恒河流域有很多大城市和大量的村镇,其产生以及排出的污水和废水数量惊人,而这些污水和废水的绝大部分最终经天然排水系统流入到了河流。恒河与亚穆纳河的大部分支流已经变成了排放城市生活污水以及工业废水的通道。

除了地表水,流域内众多市区地下水水质也在恶化。对该流域不同地区的水质进行的研究表明,氟化物、硝酸盐、盐等的浓度在增大。地下水氟化物浓度过高是恒河流域的主要问题,几乎所有水体中都存在氟化物,但是浓度差异很大,有些水体只含有微量氟化物,而有些水体中的浓度则很高(伽希瑞(Gaciri)和戴维斯(Davies),1993年)。天然水体中的氟化物浓度取决于诸多因素,如 pH值、温度、含氟矿物的溶解度、含水层物质阴离子交换能力(氢氧根离子交换氟离子)以及水与特殊建筑物的接触时间。当氟浓度超过1.5mg/L时,可能会导致牙齿及骨骼氟中毒。由于使用了氟污染水,大约有6 200万印度人患有慢性氟中毒,其中包括 600万儿童。

流域内的北方邦、比哈尔邦、中央邦以及西孟加拉邦受氟污染的情况最为严重。表 1和表 2列出了不同研究人员的研究成果,其中表 2的数据为恒河流域各邦氟中毒地方病居民区的数量。过度的城市化进程导致的严重生活污染和工业污染(萨根卡尔(Sargaonkar)等,2008年),可以用各种水质指标表示 ,包括 Cl、电导率 、TDS、硬度、Na、Mg、以及SO4。流域中上游部分地区的地下水甚至还受到了砷污染(沙哈(Saha),2009年)。

表1 流域各邦地下水氟化物浓度 mg/L

表2 流域各邦氟中毒地方病居民区数量(迪奈什,2001年) 个

研究表明,氟化物主要来源于风化作用,同时土壤尘埃大气沉降、工业排放也是相当重要的原因。达斯(Das)等(1981年)在其报告中说,印度中部博帕尔(Bhopal)市季风降水的氟含量曾经达到0.1 mg/L。北方邦(萨特圣吉(Satsangi)等,1998年)和中央邦(辛格(Singh)等,2001年)曾经发生过氟含量高达0.3mg/L的降水。研究人员认为,所研究案例雨水中的大部分溶解物质,包括氟离子,可能来源于当地的土壤尘埃。

1.2 对城市基础设施的影响

根据联合国报告,2005年城市化水平估计超过50%,到 2025年,全球人口的 3/5将生活在城区(联合国,1993年)。人口增长、高失业率等是导致城市化进程加快的主要因素,表 3列出了恒河流域某些邦的城市增长率。该流域大部分城区的发达程度和工业化水平都要高于乡村,这就吸引了大批农民从农村走向城市,而城市的基础设施,如交通、住房、供水、卫生以及排水设施的压力随之剧增。此外需要生产更多的产品满足更多人的生活,这样就导致大量的污水和污染物。流域内许多城市的基础设施本来就不足,人口拥挤以及农村移民非法定居使面临的困境变得更为窘迫。植被覆盖减少了流域内的水土流失,有利于水资源管理,但是城市的发展降低了植被覆盖率。

城市化对恒河流域的水资源产生了严重影响。大规模的建设导致地表不透水化,降低了强降水的下渗,增加了地表径流。为了满足用水需要,地下水大量超采且无任何补给措施,造成流域内许多地区的地下水位以 20m/a的速度急剧下降。许多城市没有下水管道,其废水和污水直接排入河道。由于地表下渗能力下降,储水能力降低,导致城市频繁积水(特别是雨季)以及水生疾病的发生,同时也使地表水和地下水水源受到污染。在小城镇中,大部分地区没有铺设污水干管系统。无下水管道的卫生设施,如化粪池、粪坑、公共厕所等,而由此所产生的渗漏可能是影响范围最广、扩散最严重的污染源。对于地下水而言,由此带来的最大风险是致病菌与病毒直接进入潜在含水层以及临近地下水水源(刘易斯(Lewis)等,1982年)。因此恒河流域快速城市化对地下水补给产生了重大影响且已明显影响地下水水质。

表3 流域若干邦的城市增长率(1991,2001年印度人口普查) %

2 流域的土壤盐渍化

土壤盐渍化对环境的危害非常严重。土壤盐分是指土壤和水中富集的各种可电解矿物溶质,这些物质对许多农作物都是有害的(希勒尔(Hillel),2000年)。盐渍土的形成是一种动态现象,需进行定期监测才能获得其范围、空间分布、性质以及量级等相关数据(加塞米(Ghassemi)等,1995年)。根据波斯特尔(Postel,1999年)提供的资料,全球 1/5的灌溉地受到盐渍化侵袭,中国、印度、巴基斯坦、中亚以及美国的大量土地因盐渍化而减产。据预测,温室气体浓度增加导致的全球气候变化将使气温上升2℃～6℃,降水量可能会减少 16%,这样地下水补给量也将减少 50%(密亚德(Mizyed),2009年)。如果出现这种情况,土壤中的盐分含量将增加 20%～25%,农作物产量将降低 10%～15%。

流域各邦正面临土壤盐分含量持续增加的问题,城市化是导致这一问题的原因之一。土壤盐渍化是因自然过程的长期影响而产生的;人类活动导致土壤盐分含量增加称为次生盐渍化,运河网及其延伸、洪水、灌溉、积水等各种因素使土壤水分过大,同时气温升高导致蒸发量加大,从而导致盐分在土壤中富集。印度大约有700万 hm2农田受盐渍化影响,其中 250万 hm2农田含有钠盐(德希亚(Dahiya)和安劳夫(Anlauf),1990年 ;切布拉 (Chhabra),1995年 )。而1979年,印度碱化土地面积仅有60万 hm2(埃尔 -斯威费(El-Swaify)等 ,1983年)。

从地质学角度看,恒河流域大部分区域为第四纪沉积物分化的老冲积层和新近冲积层。流域土壤为云母质并含有伊利石,深层黑土含有蒙脱石。含有伊利石土壤的 pH值很高,表层的 pH值常常接近10,随着深度增加,pH值逐渐降低。表层土壤的钠饱和度几乎为百分之百,随着深度增加,钠饱和度逐渐降低。整个土壤层为钙质土,碳酸钙结核土层厚度大约为 1 m。在北方邦、中央邦以及拉贾斯坦邦,钙质土壤的面积很大。除了土壤钙化之外,流域内灌溉用水中含有可溶性 NaCl也是土壤盐渍化速度不断加快的主要原因之一。同时降水少、蒸发量大使得土壤盐渍化问题进一步恶化。印度的碱性/钠质土壤总面积为536.37万 hm2,其中409.92万 hm2位于印度河 -恒河冲积平原,126.45万 hm2位于深黑土壤区或变性土壤区。

由于积水导致的土壤盐碱化已经成为哈里亚纳邦面临的一个主要问题,耕地面积的 60%正面临土壤退化(达特(Datta),2000年;辛格,2000年),大约200万 hm2的耕地处于退化之中。乌玛尔(Umar)和萨米艾哈迈德(SamiAhmad),2000年)对北方邦恒河下游运河灌区的研究表明,其地下水中含有残留碱(Ca2+＜HCO-3),且 50%水样的 pH值超过8.2。杰克斯 (Jacks,2005年)等、贾格伦 (Jaglan,1996年)以及库马尔(Kumar,1996年)的研究表明,拉贾斯坦邦的土壤 pH值和盐碱度都有所上升。此外因地拉甘地(Indira Gandhi)灌区的地下水位迅速上升,低洼地区由于积水导致 pH值上升。研究同时表明,过度灌溉以及排水不畅或者缺少排水设施,也会导致土壤盐碱度增加(米娜(Meena),2001年)。在拉贾斯坦邦的土壤中含有结核,它们对地下水补给以及植物根系渗透会产生妨碍。确定不透水区域的影响非常重要,因为这些区域会导致径流量增加,加大水流速度,且洪峰流量也随之增大。关于恒河流域的不透水区域,目前尚无准确资料。不透水面积增加所产生的影响取决于其在流域中的位置以及该不透水区域与河道的“连通性”。需要对恒河流域开展这方面的研究。

3 可利用的水资源

在恒河流域,由于时间和地点不同,其可利用水资源量也不同。流域水的主要来源为冰川和降水,降水主要集中在一个较短的时期内,一般为 3～4个月。由于降水分布不对称,因此印度每年都会出现局部洪涝和干旱。流域内潜在地表水和地下水的水资源量分别为525.02 km3和170.00 km3。而流域内人口约占全国总人口的 42%。

北方邦的地表水主要来源是河流,包括恒河、亚穆纳河、卡格拉河(Ghagra)、戈姆蒂河(Gom ti)、根德格河(Gandak)、索纳河(Sone)、萨尔达河(Sarda),河流为东南 -西北走向。雨季时,这些河流可能产生大的、区域性洪水,特别是在北方邦东部,洪水常常造成巨大的生命财产损失。北方邦年均降水量大约为 1 279mm,从水文地质角度可以将其分为 5个单元:伯赫巴尔(Bahbar)、德赖(Tarai)、中央冲积平原、玛吉纳尔(Marginal)冲积平原以及南方半岛区(中央地下水管理局(CGWB),2009年)。北方邦水资源丰富,但是由于地下水水质问题(盐分、氟、氯、铁、硝酸盐和砷的浓度超过允许限值)以及地表水污染,因此导致水资源不能满足日益增长的需求。

中央邦的地形、地质以及水文地质条件复杂,大部分陆地为高原,众多河流发源于此。中央邦大约有 188 824 km2的面积属于恒河流域,年均降水量大约 917mm,降水量低且年际变化大导致该邦经常面临严重的缺水问题。拉贾斯坦邦东北大部以及东南部属于恒河流域,水资源贫乏,是印度最为干旱的邦,其地表及和地下水资源分别占全国地表水和地下水的1.16%和1.70%。该邦的人口增长率居印度各邦之首,而其水源主要是稀少且不稳定的降水,每年的降水主要集中在两个月,年均降水量大约 504 mm。全邦大约 2/3的地区面临严重缺水和水质问题。

哈里亚纳邦 34 341 km2的面积属于恒河流域(东北部和东南部地区),有 1 553 km2为森林覆盖,根据地理特征可将其分为 4个部分,即希沃利克(Shivalik)山区、克格尔(Ghaggar)-亚穆纳平原、半沙漠平原以及阿拉瓦利山区。希沃利克山区最为湿润,阿拉瓦利山区最为干旱。该邦年均降水量为615mm,水源主要为河流和降水。亚穆纳河沿哈里亚纳邦东部边界延伸,是地表水的主要来源。克格尔河与马尔坎达(Markanda)河为季节性河流。由于城市化速度过快,因此几乎整个哈里亚纳邦都面临水资源缺乏和水质问题。旁遮普邦位于哈里亚纳邦上游,地层主要为厚度可观的第四纪冲积层,年均降水大约 780mm,该邦河湖众多,被称为河湖之邦。境内有比亚斯(Beas)河、萨特莱杰(Sutlej)河、拉维(Ravi)河、杰纳布(Chenab)河和杰赫勒姆(Jhelum)河。旁遮普邦尽管可利用水资源丰富,但如果季风降水减少,则日益增长的用水需求就得不到满足。

比哈尔邦位于肥沃的冲积平原,是印度水资源最丰富的邦。恒河及其支流(萨育(Saryu)河、根德格河、布迪根德格河、巴格马蒂河、卡姆拉布勒仑河、默哈嫩达河、索纳河、乌德里科亚(Uttari Koyal)河、蓬蓬(Punpun)河、班贾内(Panchane)河、卡尔姆纳沙(Karmnasha)河)是比哈尔邦灌溉用水、工业用水和生活用水的主要来源。西孟加拉邦水资源很丰富,其年均降水量大约 2 074mm,居流域各邦之首。从水文地质角度,该邦可分为恒河与布拉马普特拉河沉积的孔隙冲积地层单元和裂隙坚硬岩石单元,然而该邦某些地区的水质不适合于生活使用,其中有几个地区的居民饮用水为地下水,其砷含量超过允许限值。砷污染可能是地质原因所导致。

恒河流域大部分地区为半干旱气候条件,季节性降水集中在 6～9月,冬季为 11～次年 2月;冬季气温为 5℃～30℃,而 3～5月气温急剧上升,高达30℃～45℃。流域内各地均有地下水分布,但是由于地下岩性的非均质性,在不同的水文地质单元内,水井的出水量差别很大。

4 结 论

恒河流域的快速城市化对环境、水资源及水质、土壤盐分和城市基础设施都产生了潜在影响。水资源现状正在持续恶化,并可能对环境造成危害,城市化对含水层结构的影响差异很大。第四纪含水层超采在流域内各城市中已成为一种普遍现象,地下水水位因此也随之急剧下降。由于径流量增加,洪水强度增大,使流域中部的恒河平原极端水文事件发生几率增大;干旱程度越来越严重,且时间延长。这些变化表明,恒河流域的水体已经受到了影响,高浓度污染物排入河流、湿地以及水库,破坏并削弱了生态系统的稳定性。研究结果表明:①水需求与水供给之间的不平衡正在加剧;②城市化导致地表水水质和地下水水质恶化;③城市化导致许多城市因引水而使河湖水位下降,对地表环境产生较大影响;④城市排水系统落后或缺乏,使内涝频发并导致病毒和传染病蔓延;⑤地下径流减少,下渗率下降,补给减少,储水量大幅下降;⑥地下水超采导致流域农作物产量降低;⑦地表径流增加的几率加大;⑧流域人口密度很高,出生率居高不下,导致对水的需求量巨大。

综上所述,提出以下建议和措施:

(1)规划城区用水管理。大部分城区面临严重缺水,对可利用地下水的开采既无规划又无监督,导致生态环境恶化。因此需要实施水资源保护/管理规划,例如,在人工补给结构完成后实施雨水收集使用计划。在现有建筑和在建建筑上安装屋顶雨水收集设施,强化流域管理和开发规划工作。研究表明,实施水资源管理可降低用水量并减少对配水系统以及污水处理系统的压力。

(2)防治水土流失。流域的水土流失状况日益严重,需要立即采取防治措施。水土流失导致土壤失去水分和养分,最终导致农作物减产。因此应研制水土流失的控制措施。

(3)规划城市用地。许多城市最大的问题之一是城市增长和土地利用缺少规划,从而引发城区和郊区的利益冲突。应制定城市发展和用地规划,加强利用公共土地和废弃土地开展植被种植及地下水补给,以保持地下水水位,改善水质。

(4)改进排水和排污管网。需对城市的排水和排污管网进行升级改造,有些居民区的排水口和排水量完全不匹配,没有为雨水和生活污水设计出水口,导致雨水积滞和排水及排污系统堵塞,特别是在雨季情况更为严重,从而成为潜在的健康危害。目前迫切需要对现有的排水和排污系统进行升级改造,同时兴建新的污水处理设施,未经初步处理的污水不得排入河流。

(5)推进污水再利用。城市化发展速度给自然水循环带来了巨大压力,推进污水再利用可以降低这种压力,减少淡水消耗,将污水转化为农业用水和非饮用水。同时应兴建污水再利用设施,以降低对地下水源的依赖程度。

(6)提高对水资源可持续发展的认识。水是人类生存的最基本要素,应加大公众对水资源认识的宣传力度,提高公众的节水意识,强化公众保护水资源的责任感,制定并执行水资源保护措施。同时应发挥媒体和非政府组织的宣传作用,制定新的水资源可持续发展政策,在水资源保护过程中发挥水价的调节作用。水知识教育、污染防治、有效的信息管理有助于缓解水供给与水需求之间的矛盾。

(7)防止农村人口向城市迁徙。目前,农村地区教育设施落后,卫生设施缺乏,就业机会少,大批农村人员正在向城市迁徙。如果能够改善农村地区的教育设施(学历教育和职业教育),增加农村人员就业机会,可以防止其大规模向城市迁徙。

(8)有效控制人口,提高福利待遇。城市化问题与人口增长存在直接和间接的关系,因此应采取有效措施降低人口增长率。几乎所有的人口普查报告都显示农村地区人口增长率居高不下,其主要原因是缺少人口控制教育和计划以及相应的福利待遇。应在农村宣传少生优生的重要性,并为他们提供更多的就业机会以及相关的福利。

朱庆云 编译自荷刊《水资源管理》2011年第 1期

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