华北地下水超采区河湖地下水回补水生态效果评估

2021-05-13张鸿星李鲁丹赵伟华乔强龙

地下水 2021年2期

张鸿星，李鲁丹，赵伟华，乔强龙

(1.水利部水资源管理中心，北京，100038；2.长江科学院流域水环境研究所，湖北武汉 430010)

华北是我国人均水资源量最少的地区，再加上降雨量少，水资源开发利用超载严重。20世纪80年代以来，华北地区由于地下水持续严重超采，形成了18万 km2的超采区面积[1]。长期大规模地下水超采会导致地下水位持续大范围下降，造成区域性地面沉降，形成地下水下降漏斗，部分地区含水层被疏干[2]；此外，地下水超采会导致土壤水剧烈变动带改变，研究表明河北省土壤水剧烈变动带由过去的表层以下1m，增加到3m，致使土壤最大缺水量增加50%以上，导致了广大平原区表层土壤出现干化甚至荒漠化[3]。

华北地区特别是京津冀地区的水资源问题事关首都水安全、京津冀协同发展战略实施及雄安新区建设，在政治上和战略上具有十分重要的意义。党中央、国务院高度重视华北地区地下水超采治理，习近平总书记多次强调，要加强华北地区地下水漏斗区治理，实施河湖生态保护修复[4]。2018年8月，水利部和河北省人民政府联合制定了《华北地下水超采综合治理河湖地下水回补试点方案》，选取河北省境内滹沱河、滏阳河、南拒马河三条河作为试点河道实施河湖地下水回补，补水成效明显，试点河段河流生态向好、河道水质改善、地下水位回升[5]。因此，水利部、财政部、发展改革委和农业农村部共同印发《华北地区地下水超采综合治理行动方案》，系统推进华北地区地下水超采治理。在试点工作的基础上，2019 年5月开始，水利部进一步将生态补水范围扩大到了京津冀地区15条河流、7个湖泊，并确定对其中 8 条河流实施常态化补水[6]。

本研究分别对2019年6月、8月以及2020年6月补水期间，滏阳河、滹沱河和南拒马河三条河流水质及水生生物状况进行调查，对多次补水对河流生态效果改善情况进行评估，为地下水回补工作方案的制定提供理论依据。

1 研究方法

1.1 补水河段基本情况

滹沱河、滏阳河和南拒马河三条河流试点补水时间为2018年9月-2019年8月，滹沱河试点河段自南水北调中线总干渠滹沱河退水闸至献县枢纽，全长170 km，补水总量为8.112亿 m3；滏阳河试点河段自南水北调中线总干渠滏阳河退水闸至艾辛庄枢纽，全长约242 km，补水总量为3.585亿 m3；南拒马河试点河段自南水北调中线总干渠北易水退水闸，经中易水、南拒马河至新盖房枢纽，全长65 km，补水总量为2.338亿 m3。

2020年滹沱河补水河段自南水北调中线总干渠滹沱河退水闸至献县枢纽，全长170 km，计划补水总量4.40亿 m3；滏阳河补水河段自南水北调中线总干渠滏阳河退水闸至献县枢纽，全长412 km，计划补水总量2.25亿 m3；南拒马河补水河段起始于南水北调中线总干渠北易水退水闸，全长32 km，计划补水总量1.02亿 m3。

1.2 调查样点设置

滹沱河2019年与2020年补水河段相同，因此采样点数量及位置均相同；滏阳河2020年补水河段加长，因此2020年调查时除2019年的4个调查样点外，另外添加了2个样点；南拒马河2020年调查时中间河段断流，因此仅调查2个样点。

表1 补水试点河段水生生物调查样点设置

1.3 样品采集及分析方法

1.3.1 水质样品采集及分析方法

本研究中常规水质监测指标为总磷、总氮、氨氮等3项，总氮、总磷、氨氮的测定采用分光光度法。

1.3.2 水生生物样品采集及分析方法

本研究中水生生物样品包括浮游植物、浮游动物、底栖动物和鱼类：

1)浮游植物

(1)定性样品使用25#(孔径0.064 mm)浮游生物采集网在水面以下约0.5 m位置做“∞”字形缓慢拖拽捞取，将采集浓缩的样品放入标本瓶中，按100∶3的比例在样品中加入市售甲醛溶液。

(2)定量样品使用容量1 L的采水器，在水面0.5～1 m的区域采集1 L水样置于样品瓶中，按100∶1.5的比例加入配制好的鲁哥氏液，经过48 h静置沉淀，浓缩至50 ml。取均匀样品0.1 ml，注入0.1 ml计数框内，盖上盖玻片，在显微镜下计数100个视野，每一样品计数2次，每次结果与2次平均值差不大于±15%。

2)浮游动物

(1)定性样品采集：定性样品用13#浮游生物网，在表层水面下0.5 m深处做“∞”字形缓慢拖拽捞取，将采集浓缩的样品放入标本瓶中，100 ml样品中加入4～5 ml福尔马林溶液固定。

(2)定量样品采集则采用5 L采水器在水面下0.5处采集20 L水样，用25#浮游生物网过滤后放入样品瓶中，100 ml样品中加入4～5 ml福尔马林溶液固定。浮游动物计数，用计数框进行。原生动物和轮虫计数时，先将浓缩水样充分摇匀后，用吸管吸出0.1 ml样品，置于0.1 ml计数框内全片计数。枝角类和桡足类是将浓缩后水样在显微镜下全部计数。

3)底栖动物

定性样品采集采用D形网；定量样品采集使用彼得逊采泥器采集，样品采集后使用40目筛网筛洗，并去除较大的枯枝落叶等，然后放入白瓷盘中进行挑拣，并用8%的福尔马林固定，带回实验室进行鉴定、计数。

4)鱼类

本研究中鱼类采集包括两种方法，(1)自主采集，在河流中采用抄网、粘网、地笼、饵钓钩等进行采样，在水流较快水域，利用流刺网进行采样；(2)走访调查，访问河流周边居民、鱼市、垂钓人员等，收集鱼类样本，补充采样。采集标本后，鉴定种类，并对其体长、体重等参数进行测量。

生物多样性指数采用香农-威纳指数(Shannon-Wiener Index)，计算公式为：

(1)

式中：S为物种数目，Pi为样品中属于第i种的个体的比例，如样品总个体数为N，第i种个体数为n，则Pi=n/N。

1.4 数据分析

使用origin 9.1作图，SPSS 18.0进行单因素方差分析。

2 结果与讨论

2.1 水质

2.1.1 总磷

补水前后滏阳河、滹沱河、南拒马河三条河流总磷浓度变化如图1所示，结果表明补水后的2019年与2020年三条河流总磷浓度均明显低于补水前的2017年，2020年与2019年相比虽然变化率降低，但总体也呈现一定的降低趋势。

图1 补水前后三条河流总磷浓度变化

2.1.2 氨氮

补水前后滏阳河、滹沱河、南拒马河三条河流氨氮浓度变化如图2所示，与补水前的2017年相比，补水后的2019年与2020年三条河流氨氮浓度均明显降低；2020年滏阳河氨氮浓度与2019年相比基本不变，滹沱河略低于2019年，南拒马河略高于2019年。

图2 补水前后三条河流氨氮浓度变化

2.1.3 总氮

由于未能收集到调查河段补水前总氮相关数据，总氮仅以补水后2019年与2020年两年数据进行对比(图3)，2020年滏阳河和南拒马河总氮浓度均明显低于2019年，滹沱河2020年与2019年相差不大。

图3 补水前后三条河流总氮浓度变化

由上述结果可知，与补水前相比，补水后滏阳河、滹沱河和南拒马河三条河流水质情况均有所改善。

于洋[4]等人对华北地区地下水超采综合治理试点的调查结果表明，2018年滏阳河、滹沱河和南拒马河三条河流试点补水后河道水量明显增加，水面面积比补水前增加约1.1倍。超采区试点河段地下水回补水源均为南水北调水或上游水库来水，水质较好，大量水质较好的水源补给对河流污染物具有一定的稀释作用，因此，补水使得河流氮磷营养盐浓度明显降低；此外，为保证回补区地下水水质受到污染，补水河段在补水前均需经过清理整治，非法排污口均需进行封堵[5]，在一定程度上减少了河流污染物来源，改善了河流水质。

2.2 浮游植物

由于缺乏历史数据，浮游植物以2019年调查期间同一河流未补水河段作为参照，与未补水河段相比补水河段浮游植物丰度明显偏低，生物多样性明显偏高(图4和图5)，且2020年补水河段浮游植物丰度明显低于2019年补水河段，2020生物多样性与2019年相比，除滹沱河无明显差别外，滏阳河和南拒马河均明显升高。

图4 补水前后三条河流浮游植物丰度变化

图5 补水前后三条河流浮游植物生物多样性变化

浮游植物作为水体物质代谢和能量流动的初级生产者，在水生态系统中起着十分重要的作用，是水生态系统食物链及能量传递的一个重要环节[7]，浮游植物也是重要的环境污染指示物，其结构特征和变化趋势是分析和预警水体富营养化程度的科学根据之一，一定程度地反映了水体的生态环境状况[8-9]。浮游植物多样性指数也是水质评价常用检测指标，多样性指数越高，浮游植物群落结构越复杂，稳定性越大，水质越好[10]。补水显著改善了水质，水体中氮磷营养盐含量降低，受氮磷营养盐浓度等环境因子影响三条河流补水河段浮游植物丰度均低于未补水河段，生物多样性指数均高于未补水河段。

2.3 浮游动物

浮游动物同样以2019年调查期间同一河流未补水河段作为参照，与未补水河段相比，补水河段浮游动物丰度明显降低，2020年与2019年相比，滏阳河和滹沱河浮游动物密度均明显降低，南拒马河略有升高；滏阳河与南拒马河补水后浮游动物多样性均有所升高，2020年与2019年相比，生物多样性也有明显升高，滹沱河补水河段生物多样性略低于未补水河段(见图6和图7)。

图6 补水前后三条河流浮游动物丰度变化

图7 补水前后三条河流浮游动物生物多样性变化

浮游动物是水生态系统的次级生产力，在水生态系统中也起着重要的作用[11]，水体中浮游动物的数量消长与水质污染的程度密切相关，利用浮游动物群落结构的综合指标可以评价水质及其变化趋势[12]。相关研究结果表明浮游动物总丰度与各项反应水体营养状况的重要指标基本成正相关，尤其与叶绿素 a、高锰酸盐指数、总磷的正相关系数较高[13]，本研究中浮游动物总丰度与总磷的关系也呈一定的正相关关系，浮游动物总丰度变化趋势与总磷浓度变化趋势相同，均为补水河段显著低于未补水河段。生物多样性指数受其他因素影响，与总丰度和总磷含量相关性不高。

2.4 底栖动物

底栖动物同样以2019年调查期间同一河流未补水河段作为参照，与未补水河段相比，滏阳河与南拒马河补水河段底栖动物多样性指数均有一定的升高，滹沱河2020年略有降低(图8)。

图8 补水前后三条河流浮游动物生物多样性变化

大型底栖动物作为鱼类等捕食者的重要食物来源以及浮游植物等初级生产力的捕食者，是食物链的中间环节和水生态系统的重要组成部分，在水生态系统的物质循环和能量流动过程中起到承上启下的作用[14]。大型底栖动物对环境变化敏感，迁移能力有限，其生长、繁殖、群落演替以及群落结构的变化易受水质、水深、水温和底质等环境因子影响[15]，补水显著改善了河流水质、水深及水面面积，因此三条河流补水河段的底栖生物多样性指数均较未补水河段均有一定程度的升高，2020年现场调查期间发现滹沱河大部分河段存在河道采砂和河道整修情况，河流底质遭受到一定的破坏，因此2020年滹沱河底栖生物多样性指数较未补水河段略有下降。

2.5 鱼类

鱼类同样以2019年调查期间同一河流未补水河段作为参照，与未补水河段相比，补水河段鱼类多样性指数均有一定上升(图9)，滏阳河和南拒马河2020年鱼类多样性指数均高于2019年，而滹沱河2020年鱼类多样性指数较2019年略有降低。

图9 补水前后三条河流鱼类生物多样性变化

鱼类是河流生态系统中的高级消费者，具有较长的生活史，受到某种污染物的干扰后能够直观地表现在生理指标、外观、活动情况上[16]，鱼类个体相对较大，易于观测和鉴别，因此将其作为水环境状况的重要指示物种之一[17]。随着补水的进行，河流受污染程度减轻，河流水质显著改善，因此鱼类多样性指数也呈现上升趋势；底栖动物作为鱼类的重要食物来源，对鱼类也具有一定程度的影响，滹沱河鱼类受底栖动物影响，2020年与2019年鱼类多样性指数变化趋势与底栖动物基本一致。