滹沱河天然年径流变异及开发利用对河流水环境的影响

王海宁，刘 佳，彭 鹏

（1.河北省水文水资源勘测局，河北 石家庄 050031；2.中国水利科学研究院 流域水循环模拟与调控国家实验室，北京 100038）

滹沱河是海河流域子牙河上游的主要支流，发源于山西省繁峙县东北的泰戏山，至献县枢纽与滏阳河及滏阳新河汇流入子牙河，干流总长588km，流域面积24774km2。河北省省会城市石家庄傍河而建，滹沱河成为石家庄市唯一的地表水来源，河流水资源与水环境状况与石家庄市区社会经济和人们生活息息相关。滹沱河上水利工程众多，灌溉历史悠久，岗南、黄壁庄水库建成更是为农田灌溉和城市供水发挥了巨大作用。但在气候变化和大规模人类活动的共同影响下，流域下垫面条件发生了变化，同量级降水条件下，流域产水量减少，天然年径流衰减加上上游水资源过度开发，造成岗南、黄壁庄水库来水量减少，而水库的来水又多用于灌溉和城市供水，致使下游河道断流天数逐年增多，尤其是平原河道逐渐成为纳污河道，水环境已彻底改变。随着社会经济的发展和人民生活质量的提高，对恢复河流生态，改善河流水环境的呼声越来越高。文中以黄壁庄站为流域代表站，探讨滹沱河天然年径流演变及水资源开发利用对河流水环境的影响，对流域河流径流量及水资源开发利用情况进行全面认识，并对枯季径流和下游河道水环境状况进行分析，这对河流水环境的恢复与重建意义重大。

1 流域天然年径流量的变化

黄壁庄水库运行后实测年径流量为水库出库量，1950～2012年平均实测年径流量为14.1亿m3，而天然年径流量为20.3亿m3。黄壁庄站为滹沱河山区出山口径流控制站，1918年6月开始有监测资料，1950年开始有连续的系列，通过分析黄壁庄站1950年以来天然年径流的变化[1]，来反映气候变化和人类活动对滹沱河天然年径流的影响。

图1 黄壁庄站天然年径流量变化过程

1.1 趋势分析

趋势分析作为水文时间序列分析的重要工具，可以用来了解天然年径流演变的过程。图1为黄壁庄站天然年径流量变化过程。由图1可以看出，黄壁庄站天然年径流量虽然在不同年份间存在波动，但总体上减少趋势明显。20世纪50年代平均年径流量为33.9亿m3，60年代为27.8亿m3，70年代后不足20亿m3，进入21世纪以来更少，仅11.1亿m3。趋势线方程为y＝-0.3886x＋790.03，其斜率为负值，反映出下降趋势。天然年径流衰减反应了流域产水能力的降低，是造成河流来水量减少直接原因。

1.2 气候变化和人类活动对天然年径流的影响

河川径流源于降水，是气候条件及下垫面综合作用的产物，河川径流量变化也是气候变化和人类活动多因素影响的综合结果[2]，[3]。通过对黄壁庄站1950年以来年降水与天然年径流关系分析，可以了解流域气候变化和人类活动对滹沱河天然年径流的影响程度。

参照以往研究成果，以1980年作为天然年径流系列发生变异的突变点[3]，[4]，将 1950～2012年的降水量和天然径流量系列分成两个系列点绘年降水量与天然年径流量关系图（见图2）。将1980年以前系列看作是不受大规模人类活动影响或径流过程仍然以自然特征为主的系列，称为“基准期”，1980年以后系列为人类活动影响下垫面及降水等气候因素综合作用状况下的“现状期”。其中1950～1979年平均年降水量552.5mm、平均年径流量116.5mm，1980～2012年平均年降水量515.8mm、平均年径流量59.4mm。由此可见，“现状期”比“基准期”年降水量偏少6.6%，年径流偏少49.0%。从图2也可以看到，突变点年份前后系列年降水量与天然年径流量之间的相关关系显著不同，“基准期”点据呈带状集中在右侧，而“现状期”的点据则集中在左侧。可见同等量级年降水条件下，天然年径流有明显的差异[5]。两者径流量变化的差值可看作气候变化和人类活动对径流的综合影响量。以流域多年平均年降水量539.2mm查两条关系线，分别为103.9mm和58.7mm，“现状期”比“基准期”径流减少43.5%。

在气候变化和大规模人类活动的综合作用下，尤其是人类活动影响使流域下垫面条件发生了很大变化，同量级的降水量，天然径流量减少四成多。天然径流这种剧烈的衰减，直接导致河川径流量的减少，这是河流水环境恶化的主要原因之一。

图2 黄壁庄站年降水与天然年径流相关关系

2 水资源开发利用程度分析

2.1 黄壁庄水库上游用水量分析

岗南、黄壁庄水库上游农田灌溉工程众多，有冶河灌区、绵河灌区、山西忻州滹沱河灌区，等等。灌区兴建、扩建不断增加对河流的引提水量，一定程度上也存在农业灌溉过量引水现象，在保障了粮食增产的同时，使河流下游水量减少，影响了河道天然水环境[6]。

黄壁庄上游用水量以农业用水为主，工业和生活用水占比例很小，尤其是1980年以前基本无工业和生活用水。统计结果表明（见表1），水库上游用水量呈增加态势[7]，20世纪80年代达到最高峰，年均用水量达到了7.7亿m3。与此同时，天然年径流却呈减少态势。一增一减，使得用水量占天然年径流的百分比迅速增大，这个比值反映了水资源开发利用程度。20世纪50年代以前，水资源开发利用程度仅为7.5%，以后逐步增加，1980年后进入高峰，均超过了40%的国际公认警戒线；年代平均最高出现在2000年以后，达到了56.6%，其中个别年份超过80%。20世纪90年代水资源开发利用程度较低是由于有1991年、1995年和1996年几个丰水年所致。

表1 黄壁庄站以上流域水资源开发利用情况

2.2 黄壁庄水库下游用水分析

黄壁庄水库下游农业用水主要是通过石津渠、灵正渠和计三渠引水（见表2）。石津渠和灵正渠分别从1952年、1960年开始有用水量实测资料。计三渠从1976年开始从黄壁庄水库引水灌溉。

表2 黄壁庄站下游分年代用水量统计分析

由表2可看出黄壁庄站下游灌区1950年以来的用水量变化，其清晰的反映出灌区的发展、兴盛、衰落过程。灌区用水量从20世纪六七十年代为鼎盛期，60年代平均用水量为12.1亿m3，期间最大用水量为1961年的16.0亿m3；70年代年平均用水量为12.9亿m3，期间最大用水量为1977年的19.3亿m3；进入80年代开始衰减，年代平均用水量为5.7亿m3，2000年以来更小，年平均用水为3.4亿m3。

从20世纪90年代开始，水库供水增加了工业、生活、环境等城市用水。工业用水为西柏坡电厂用水量，自1993年开始年平均用水量为0.19亿m3；生活用水为向石家庄市水厂的供水量，自1996年开始年平均用水量为0.24亿m3，环境用水为石家庄市民心河的补水量，后增加了太平河、滹沱河环境补水量，2012年还曾为衡水湖补水，另外还有2008年以来向北京供水，自1998年开始年平均用水为0.09亿m3。

从水库用水量占入库水量的百分比可以看到，20世纪七八十年代，占比为80%以上，2000年以来更是超过90%，而且水库供水从单一目标的农业供水，逐渐向多目标供水转变，并且城市用水呈增加趋势。这也反映出该区域水资源供需矛盾更加突出，水库的来水几乎全部用于农业灌溉和城市用水。水库供水作用突出，很少给河道放水，加速了区域水环境变化。

3 河流水环境变化

3.1 枯季径流变化

滹沱河山区河流的汛期（6～9月）水量可占全年水量的60%左右，枯季时间长，径流量少，对河道水环境影响更显著。现选取滹沱河干流上的南庄、小觉站及主要支流冶河上的地都、平山站，通过20世纪50年代以来（建站以来）至2012年实测径流系列，对枯季径流变化趋势进行分析，见表3。

表3 山区代表站不同年代河川枯季径流

各站分年代枯季月平均、连续最枯三个月平均及最枯月平均流量的变化，可用来反映枯季河道水环境状况[7]（见表3）。分析表明：枯季径流递减趋势显著，各站的枯季月平均流量从20世纪60年代开始减少，南庄、小觉、平山递减率分别为15.0%，14.1%，5.0%；70年代减少更剧烈，递减率分别为33.6%，34.5%，32.5%；1980年之前年代之间递减趋势明显，1980年之后仍呈现减少趋势，但速率变小；各代表站总衰减率在50%～75%之间。

地都站1959年建站，20世纪50年代的代表性不强，其余年代间变化规律与其他站一致。枯季径流的减少，不仅造成水资源供需矛盾，还会引发河流断流、水质污染等一系列河流生态环境问题。

3.2 水库下游河流水环境变化

以黄壁庄站和下游平原站北中山站过水情况来说明下游河道水环境变化。黄壁庄站从1918年6月开始到1959年（部分年份缺测）河道只有1958年底断流9天。1959年6月水库建成运行后，主要通过黄壁庄溢洪道放水。1960～1969年10年间1966年全年未放水，其余年份都有放水；1970～1979年未放水天数明显增多，其中1974～1976连续3年未放水；进入1980年以后河道成为泄洪河道，1980年以来较大泄洪仅4次，1988年8月份21天，1991年的6月、7月共29天，1995年9月21天，1996年8月、9月共54天。另外1997年4月、5月份为水库防汛调度弃水19天；2000年以后由于防汛需要，放水3次，其中2000年2天，2001年3天、2004年9天。

北中山站，1919年开始设水位观测，1955年设流量观测站[10]。从1955年开始分析，1955～1959年5年间断流217天，水库运行后1960～1969年，河道断流356天（水量部分来自石津渠、灵正渠退水），1970年以后断流天数明显增多，1970～1979年断流2395天，1980～1989年断流3615天（见表4），其中1980至1988年8月完全河干；1990～1999年断流3382天，只有丰水年水库放水河道才过水，从1998年开始平原河道逐渐成为纳污河道，即便水库放水，水量小也到不了北中山站，出现了河道沙化、垃圾遍布、污水横流等现象，河道水环境明显恶化。

表4 河道断流天数

4 结论

（1）流域天然年径流变化分析表明，受气候变化和人类活动的共同影响，天然年径流序列发生了显著变化，与20世纪50～70年代相比，现状条件下同量级年降水，天然年径流减少超过4成。大规模人类活动使流域下垫面情况发生了变化，是导致天然年径流产生变异的主要动因。流域天然年径流的减少是造成河流水环境恶化的主要因素之一。

（2）黄壁庄以上流域水资源开发利用历史较长，开发利用程度也较高。资料分析表明，上游工农业年平均用水量从20世纪50年代的不足2亿m3，增长到80年代的7.7亿m3，达到顶峰，以后均维持在6亿m3以上的高位。80年代以来，年均用水量占天然年径流的百分比都超过了40%的国际公认警戒线，水资源开发利用过高必导致河流水环境危机。

（3）岗黄两库的建成运行，加剧了该流域水资源开发利用程度，尤其是20世纪80年代以后，由于上游来水量骤减，引水量和下游灌区也出现了明显萎缩，但用水量占来水量的比例却在增加。由于水资源供需矛盾突出，水库一般不再向河道供水，仅洪水期才偶尔泄洪，致使水库下游河流水环境更加恶化。

（4）对上游代表站河道枯季实测径流分析可以看到，河道枯季月平均、连续最枯三个月及最枯月平均流量递减趋势十分明显，从20世纪50年代到21世纪初，河道枯季径流量减少了6成左右。上游枯季径流剧减会引发河流断流、水质污染等一系列河流生态环境问题。由于水库对水量的控制，下游平原区河流从20世纪70年代开始出现连续断流，80年代开始干涸沙化，90年代成为纳污河道，河道水环境明显恶化。

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