华北地区水循环与水资源安全：问题与挑战

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1、第八届海峡两岸水利科技交流研讨会，2004 年 12 月 华北地区水循环与水资源安全：问题与挑战 夏 军 中国科学院地理科学与资源研究所 武汉大学水利水电学院 摘要 华北缺水及其日趋严重的生态环境变化是中国首要解决的问题之一。 目前， 由于山区与平原径流明显减少和过量开发水资源， 业已造成了地下水漏斗、 平原区河道干涸、 湖泊湿地萎缩、地表和地下水污染等生态环境恶化问题， 严重影响到华北地区水资源安全， 业已引起党和国家的高度重视。本文以海河流域为重点对象，通过国内外学科前沿进展综述，指出华北地区缺水及其导致的生态环境恶化问题背后的自然和人文因素作用与发展演化的背景， 强调高强度人类活动作用下

2、的水循环基础研究的重要性， 提出华北地区水资源安全的水循环基础与应用问题研究的若干建议与思考。 研究自然和人类活动双重作用下的华北地区水循环过程， 水体运动与污染物质输移及其与生态环境演变耦合机制，阐明华北地区“河道断流，水体污染，湿地消失，地下水枯竭”的成因规律，特别是人类活动的驱动分量，提出生态环境修复的理论基础，不仅对变化环境下流域水环境演变的地学基础科学前沿研究有重大的学术价值， 而且对中国可持续发展和社会进步具有重要的战略意义。 一、 华北地区严重的水问题 华北地区是我国政治、经济和文化的中心。华北平原 2000 年人口 4.37 亿，占全国 34.8%；GDP3.13 万亿元，占全

3、国 32.3%；农业灌溉面积 3.46 亿亩，占全国42%1。但是，它也是我国水资源供需矛盾十分突出的地区1-3。海河流域多年平均水资源总量约为 419 亿 m3，人均水资源占有量仅为 335 m3，不足全国 1/6，世界的1/24。 从自然背景看，华北地区十年九旱，尤其 1972、1999、2000 年华北大旱，出现了严峻的缺水局面，不得不采取“弃农 、压工、保生活”的供水措施。从人文背景看，华北地区尤其是海河流域，人类 活动强度之大、水资源开发利用程度之高为举世瞩目。20 世纪 60 年代，大力开展水利工程建设，开发利用地表水资源；70 年代后尤其 1972 年大旱，流域地表水不足，开始争

4、夺地下水。90 年代，随着社会经济发展人口的增加，水资源严重不 足导致超采地下水、争夺雨水。按照国际标准，合理的水资源开发利用程度一般为 40%左右。然而，目前海河流域的水资源开发利用程度已经超过了 90%。 高强度的水资源开发利用导致该地区水资源供需严重失衡。目前，海河流域河川径流衰减十分严重。地下水亏空接近 900 亿 m3。现状年缺水 80 多亿 m3，主要靠超采地下水和利用不合标准的废污水来解决。 水资源的短缺不仅影响国民经济发展，而且还导致华北地区尤其是海河流域严重的生态环境问题3。突出表现在： 1. 山区来水大量减少，水资源量衰减严重 以首都北京市供水水源地的密云、官厅水库为例，官

5、厅水库 1955-1984 年期间平均来水量 11.3 亿 m3，但到 1985-1995 年期间平均来水量已衰减到 2.7 亿 m3，仅为前者 1/4。两个时期的流域平均降水量却相当（407.5mm）。密云水库来水减少的趋势也十分严重，相比 1960-1979 年段，1980-1997 年的平均来水量已减少了 4亿m3。山区水源地来水量的大量减少，给城市和中下游地区的生态环境和社会经济发展带来极大的危害。 2. 地下水过量开采，部分地区已经枯竭 到目前，华北城市化地区地下水超采严重，范围已 近9万km2，占平原面积的70%。已分别形成了以北京、石家庄、保定、邢台、邯郸、唐山为中心，总面积达4

6、.1万km2的浅层地下水漏斗区，其 中1万km2范围的含水层已疏干；形成了以天津、衡水、沧州、廊坊等多个城市为中心、面积达 5.6 万 km2整体连片的深层地下水漏斗区。地下水枯竭直接威胁华北城市平原地区的安全用水储备，同时引起严重的地面沉降、海水入侵，情况十分危急。 3 .河道断流，功能丧失 目前华北地区多数中下游河道枯竭断流，失去了地下水补给、输沙、排盐等作用。土地退化、湿地萎缩等生态问题十分严重。海河流域内 194 个万亩以上天然湖泊、洼淀现在大多已经干涸。入海水量由 20 世纪 50 年代的年均 240 亿 m3锐减为 2001 年的 10 多亿 m3。海河流域的生态系统已由开放型向封

7、闭型和内陆型方向转化，造成河口泥沙淤积和盐分积累，河口自然生态遭到破坏，河口海洋生物大量灭绝。 4. 水污染严重 目前，水污染已由 20 年前的局部河段发展到现在的全流域，由下游蔓延到中上游，由城市扩散到农村，由地表侵入地下。据统计，近年来海河流域的废污水排放量每年高达 60 亿吨。官厅水库因水质恶化，被迫于 1997 年开始退出生活供水。流域内每年还引用 20 多亿 m3污水进行灌溉，对浅层地下水、土壤和农作物造成污染。 产生华北地区水生态环境变化有多方面原因，但核心问题是“水”，即在自然和人类活动作用下的华北地区水循环系统 发生了“不健全”的问题。例如，华北地区持续干旱引起降水 （广义水资

8、源量） 的减少； 土地利用/覆被变化正在改变 “陆-气水循环”的响应关系；城市化过程加速了深层地下水的消耗和水污染问题；流域中众多的水库、排洪工程建设改变了河 流自然系统水循环的流路，减少了中下游地下水的补水与蓄水功能；社会经济活 动的各种用水行为加剧了人工侧支水循环中的“耗水”强度，人类活动大量超采 地下水大大降低了区域水资源的可再生性。 为了缓解华北缺水问题，人们通过各种资源转化技术和管理措施节水、通过跨流域调水增加本地的来水。与自然水循环 系统相比较，现代水文水资源学科面对的高强度人类活动作用下的“人工”侧支 水循环作用也愈来愈突出。因此，开展变化环境中的华北地区水循环机理研究， 认识“

9、不健全”的水循环过程导致华北地区缺水、水生态环境退化的成因，提出可持续发展理念下解决华北水资源安全、改善生态环境的科学对策，是 21 世纪国家资源环境领域急待解决的重大国家需求中的水科学基础问题4-6。 二、 国际水科学研究发展前沿 水文循环是联系地球系统地圈 生物圈 大气圈的纽带，是全球变化碳循环、水循环和食物纤维中的核心问题之一，它与 自然变化和人类活动有关，决定地球水资源形成和环境的演变规律；水资源安全 是国际水资源研究的热点问题，它不仅与水循环有直接的联系，而且关系到人类 及其生存环境对水资源的基本需求、生态环境需水要求、国家粮食安全、水的价值以及水的科学管理问题。 因此，人类活动开发

10、和影响剧烈地区的水循环与水资源安全研究，是 21 世纪国际国内资源环境学科领域一个十分重要的方向性问题。 在国际上，特别是 90 年代以后国际有关组织实施了一系列国际水科学计划，如国际水文计划（IHP）、世界气候研究计划（WCRP）、国际地圈生物圈计划（IGBP）等。目的是从全球、区域和流域不同尺度 和交叉学科途径，探讨环境变化下的水循环及其联系的资源与环境问题4、7-9。 国际地圈生物圈计划（IGBP）代表国际地球科学发展前沿，水文循环的生物圈方面 (Biosphere Aspects of Hydrological Cycle，简称 BAHC)是 IGBP 的核心之一。进入 90 年代末，

11、变化环境（即全球变化与人类活动影响）中的水文循环与水资源的脆弱性研究成为热点。前沿问题突 出反映在：水文循环的生物圈方面，人类活动影响下的水资源演变规律，水与土地利用/覆被变化、社会经济发展之间的相互作用影响，水资源可持续利用与水安 全等。变化环境下的水文循环及其生态环境演化过程、人-地关系的影响研究，是国际地球科学积极鼓励的创新前沿领域4。 国际知名的英国水文研究所在 80 年代末开始了生态水文学方面的科学研究。A.J.Baird 等针对水循环与生态环境退化问题，出版了“生态水文学：陆生环境、水生环境与水分的关系”专著10。90 年代末，英国水文研究所正式改名为“生态水文学研究中心”。 20

12、 世纪末，不满足可持续水资源 利用的模式和环境问题导致严重的水资源安全问题，业已引起国际各国政府的高度重视。90 年代后，日本十分重视称之为“健全的水循环系统”研究，即“以流域为整 体，以自然变化加健全方式的人类调控的水循环方式，将用水、防洪、治污目标 统一协调，使的水能够达到最佳利用的水循环系统” ，例如，日本东京等都市化变化过程中 所谓 “健全的水循环系统”被定义为：需要统一考虑“洪水发生时” 、 “平时水需求利用” 、 “自然环境保护的生态用水” 、 “发生地震火灾紧急用水”和“水 道的旅游利用”的水循环最佳的途径，包括修建必要水工程措施对水循环的调控。 2000年3月， 在荷兰海牙(H

13、ague)召开了“第二届世界水论坛及部长级会议” 。会议主题是：水的安全：从洞察到行动。全世界 140 多个国家首脑或部长，3000名科学家出席会议。21 世纪水安全面临 7 个主要挑战：满足基本需求（meeting basic needs） ， 保护生态 （protecting ecosystems） ， 食品安全 （securing the food supply） ，水资源共享（ sharing water resources） ，处理灾害（ dealing with hazards） ，水的价值(valuing water)，科学管水(governing water wisely)。因

14、此，水资源安全已经成为水资源研究的国家前沿热点，受到世界范围的注目。 2001 年 7 月在荷兰举办了两个大型国际会议11。一个是由 IGBP、WCRP 和国际人文计划（IHDP）联合举办的“全球变化科学大会”。两大主专题是：（1）一个不断变化的地球的挑战：对全球变化的科学理解；（2）展望未来：地球系统科学与全球可持续性。另一个是第 6 届国际水文科学大会。主题是：一个干旱地球新的水文学。热点问题有：（1）环境变化与水文循环问题。例如，环境变化作用下的水循环规律是什么？如何认识气圈-水 圈-生物圈的相互作用关系？生态环境退化的主要驱动力是什么？（2）人类活动对水循环水资源演变的影响。它需要研究

15、：人类经济活动产生的各种“用（耗）水” 和“调水”行为是如何作用和影响水循环的自然规律？它们的作用对水资源产生 那些主要影响？有什么地区、区域特征规律？如何量化人类活动对水文水资源变化的影响？ 2002年7月 11-18 日， 在瑞典的斯德哥尔莫召开了每年一度的世界水周 （World Water Week）。主题是：平衡竞争的水资源使 用。它是可持续发展基本的需求。大会举办了涉及流域中水竞争的优先原则 、工业水污染、水价、水与能源的综合公里、都市动力学、可居住城市与水的 7 个研讨会。 我国对华北缺水的水资源问题十分重视。在“六五”期间设立了“华北地区水资源评价”项目；在“七五”期间，设立 了

16、“华北地区及山西能源基地水资源研究”项目；在“八五”期间，设立了 “黄河治理与水资源研究“项目。在“九五”期间，设立了“西北地区水资源合理开发 利用与生态环境保护研究”和“黄河中下游水资源开发利用及河道清淤关键技术 研究”项目，进一步将水资源开发利用与区域经济发展和生态环境保护结合起来 。国家重大基础科学研究计划也设立了“黄河流域水资源演化与可再生性维持机理”项目12-15。 在中国科学院系统，自 60 年代以来，不断加强以禹城综合农业实验站、栾城农业生态实验站等为代表的华北水 资源农业生态实验基地建设14。在“九五”期间开展了中国科学院重大项目“中国华北水资源变化与调配” 。2001 年，在中国科学院知识创新方向性项目中，支持了“华北水循环与水资源安全”研究。 国家“十五”计划建议中强调了水的问题和水利在国民经济发展的地位和作用。为了缓解北方缺水的严重问题， 在“水利建设”方面，指出要加紧南水北调工程的前期工作，适时建设跨流域调水 工程，采取多种方式缓解北方地区缺水矛盾。同时，