海河流域水环境的历史演变及其主要影响因素研究

海河流域水环境的历史演变及其主要影响因素研究1海河流域水环境演变的简要回顾海河流域是近2000年变化最大的流域。从空间看，水系的变化愈向下游变动愈大；从时间上看，海河南系卫河、漳河、滹沱河下游河道自汉代（约公元1世纪）以来迁徙频繁；北系河道永定河、蓟运河等在明代中期即13世纪以后，由清水河流变为浑水河流。下游河道和湖泊洼淀愈到近代变化愈大。1.1河道的演变海河南北水系迁徙极限大致北系以诓水（又称易水，宋代至今称拒马河）为界。黄河北流时期，在黄河的压迫下南系诸水河道没有逾越过诓水。汉代诓水下游合易水经今天津入海，黄河此时经行诓水下游入海河道。北宋以拒马河等河为宋辽的界河，将拒马河水引入塘泺拒金兵入侵。这些水泊后来演变为今天的白洋淀、东淀、文安洼。在地质构造上白洋淀至文安洼属于带状的凹陷地带，这一地质构造带也成为海河南系诸水的北界。海河水系形成以南系干流卫河-南运河的形成为标志。而卫河和南运河的形成与黄河下游河道变迁和三国以来尤其是隋唐永济渠开凿运河和运河运用有直接的关系。隋大业四年（608年）循三国白沟河的旧迹开永济渠（宋元明称御河，今称卫河）。隋永济渠可北至涿州与永定河水系相通。永济渠上游以沁河和淇水为水源，这是海河流域西南界。宋代黄河向北泛滥，御河与黄河的北泛河道汇合。元开会通河，在山东临清与御河相接，北至今天津直沽，与潞水通。此后临清以北御河又称南运河。由于黄河主流南移，以及运河的开凿和运用，唐宋御河成为海河南系干流河道，海河作为独立的流域形成。海河南系有大清河、子牙河、南运河三大河流。由于北受永定河冲积扇限制，南受黄河、滹沱河（子牙河水系）淤积的限制，水系变化不大。明清时由于永定河侵入，主流从霸县、信安南移至今日河道。北宋时引水灌塘泺，大清河下游与这些水域连成一片。在历史时期子牙河水系中滹沱河与南运河水系中的漳河变动最大。黄河在1128年南决冲入淮河流域之前，逐渐退出海河流域的过程中，以及海河流域诸河决口改道，在华北平原上留下了众多的古河道，成为浅层地下水汇集带。地面沙垄、沙岗、槽形洼地，使平原微地貌复杂化。海河流域诸河较大的丰枯水量变差，以及古河道和地形地貌特点，给海河流域的洪涝、盐碱等灾害种下了祸根。1.2海河流域河性的演变海河在华北平原的各河主要特点可以概括为三点：多沙、善徙和悬河。这三个特点是辽金以来逐渐形成的。海河北系今有永定河和北运河两大水系。《水经注》称之“漯水”,永定河直到唐末一直是由地下清泉和地表水汇流的清水河，从北京西北至东南流在今天津东北独立入海。11世纪以后由于上游森林植被破坏，逐渐变成多沙河流，明清演变成善淤善徙的悬河。清康熙三十一年（1698年）永定河系统堤防形成，河道受堤防约束，此后河道稳定，尾闾经天津以西三角洲淀入海河。明清以前，大清河、御河上游有良好的植被，也一直是清水河流，明清以来含沙量才逐渐提高。明代拒马河为永定河所迫，归于大清河，其后永定河下游夺大清河，大清河尾闾成为高含沙河流！由于御河是南运河的主要水源，在国家不遗余力保证漕运的政策下，通过工程措施（河道疏浚和堤防建设）确保河道畅通。人为控制的结果使得御河没有成为悬河。1.3湖泊洼淀的演变海河流域的湖沼洼淀发育，主要分布于冀中凹陷和渤海凹陷西北部，即燕山以南、太行山以东的保定、邯郸、德州、天津、唐山，直达渤海沿岸。受海河各河流泥沙堆积作用，秦汉以来湖沼逐渐缩小。海河流域华北平原中南部湖泊受黄河变迁的影响，宋以前有众多的湖泊洼淀。如滹沱河流域的大陆泽---宁晋泊洼淀群，在汉代范围最大，直到唐宋时也只是略有缩小。明清时随着滹沱河高含沙水流入湖，湖区迅速淤高，至清末最后消失。白洋淀是河北平原中部、大清河中游许多淀泊的总称，地处永定河与滹沱河两个冲积扇间的低洼地带。在淀区内大小洼地星罗棋布，古河道纵横交织。北魏《水经注》所列的主要湖泊不下30处。《新唐书地理志》所记载的湖泊水域面积约10000km2,如督亢泽“径五十余里”,在今易县境内。河北平原上大小密集的洼淀群到宋代联成一片。北宋初年（约公元1000年前后），为了抵御辽兵进犯，引诸水入淀，使平原大小淀泊串通一体，形成了水域连片的白洋淀，即历史上着名的塘泺防线。这时白洋淀范围达到历史时期的最大，北至容城晾马台，西至保定东安村，南抵蠡县灵山，东至千里堤。从遥感合成图像看，唐宋时白洋淀古洼地范围达11002.5km2.依据《宋史河渠志》、《续资志通鉴长编》等资料统计分析，北宋水域至少有25000km2,总容量接近210亿m3,北宋通过水利措施使河北平原的塘泊洼淀达到历史时期最大范围。宋以后失去水利措施维护的水域迅速恢复了天然状态。明清各洼淀逐渐缩小，至清光绪十七年（1881年）水域面积较宋代缩小了十分之七（见表1）。（表1注：据1:50万遥感分析图量测。）20世纪60年代，流域上游水库陆续修建。60年代时上游水库的水量与北宋人工塘泊相差不远。60年代到80年代几次航空像片和卫星像片进行分析表明，水面面积急剧缩小（见表2），耕地面积不断扩大，居民点占地面积显着上升的情况主要发生在平原地区。20世纪80年代以来，白洋淀连续出现干淀，人们才意识到“华北明珠”白洋淀已经面临消亡的危险。1.4地下水环境的蜕化海河流域地下水工业化的开采始于20世纪20年代。1923年，天津开始凿深井作为城市水源。北京1937年在宣武门大街开凿深131m的水井，到1942年城市自来水完全利用深层地下水。40年代石家庄市地下水供水水井仅2眼，保定只有1眼供官方使用的机井。20世纪50年代初河北全省有机井1800眼左右。主要是对浅层地下水的干扰。地下水位有升有降，处于自然状态，地下水资源仍保持采补平衡。工业污染也很轻微，只对局部水环境产生影响。20世纪70年代，为解决南粮北调，实现粮食自给有余，海河流域掀起了打井热潮，地下水开始成为灌溉水源，这一状况延续了20年。地下水年均开采量从50年代的28亿m3,增至90年代的155.91亿m3,是50年代的5.6倍，开采最多的1999年达173.21亿m3.至2000年底，浅层地下水累计超采457亿m3,深层地下水累计超采538亿m3,深、浅层地下水累积超采量996亿m3.90年代，河北省全省地下水年均开采量占年均总用水量的72.1%,河北近20年的发展用水主要是靠加大地下水超采来维持的。地下水超采问题越来越严重，引发了一系列环境问题。1.4.1地下水下降漏斗范围逐年扩大20世纪50年代时，河北平原区浅层地下水埋深平均约1-3m.60年代中期，京广铁路沿线地区还有等多处泉水出露自溢，20年后全部干涸。至1999年底，平原区浅层地下水平均埋深下降到12.34m,比60年代中期下降了约10m.地下水位下降严重的地区，地下水埋深一般在30m左右，有的超过了40m.目前河北省平原区共有浅层地下水位降落漏斗11个，1997年漏斗区总面积达8598km2.20世纪90年代以来，河北平原中东部深层地下水每年1-2m的速度下降。深层地下水位漏斗总面积达3.09万km2,2000年沧州漏斗中心水位埋深达95.17m,冀枣衡漏斗中心水位埋深85.77m.河北东部深层地下水已连成一片！经过近半个世纪的大规模开采，使海河流域部分地区含水层疏干。1993年北京地下水埋深大于30m的面积约140km2,大于20m的面积有750km2天津由于地下水超采已形成7000km2的地下水降落漏斗，中心水位较边缘深60多m.1.4.2造成地面沉降北京的地面沉降主要出现在东郊地区，20世纪80年代以来，沉降面积扩大到800km2,累计最大沉降量850mm.天津到1998年累积沉降量大于1.5m的面积达133km2,形成了市区、塘沽和汉沽三个地面沉降区。河北平原地面沉降区已发展到8个，至1998年沉降量大于300mm的面积达15253km2,大于500mm的面积约有4000km2,大于1000mm的面积约421km2.1.4.3海水入侵和咸水下移1992年，秦皇岛市海港区和抚宁县海水入侵面积已达55.4km2,海水入侵深入内地最远达6.5km2.河北平原不咸水区，因深层地下水位急剧下降，与上覆咸水形成了40-80m的水位差，加之开采深层水，使上层咸水与下层淡水局部连通，造成咸水接口下移，并入侵深层淡水，使深层淡水局部遭到水质破坏。据沧县和阜城县两个典型观测，咸水接口下移量超过10m的面积分别占观测区面积的73.6%和90.2%,超过20m的面积分别占31%和51.4%.1.4.4流域生态环境趋于干燥浅层地下水位普遍降低，加速了地表河流、水体干涸进程，造成湿地面积减少。土壤水剧烈变动带由过去的表层以下1m,增加到3m,土壤最大缺水量增加了50%以上，导致广大平原区表层土壤出现干化甚至荒漠化。部分地区植被枯死，“沙尘暴”天气增多，气温升高等等，都与此不无关系。1.4.5地下水质量下降地下水位下降，增大了地表污水对地下水体的入渗。据1995-1997年地下水质检测资料分析，北京、天津以及河北南部平原地区的地下水有将近70%达不到直接饮用标准。地下水中出现了新的、有毒害的化学物质，如酚、氰、汞、砷等。广大农业区由于大量使用农药、化肥，地下水出现农业污染，平原区地下水“三氮”和有机氯普遍检出。硝酸盐污染在沧州市浅层地下水检出率由1986年的77.27%增至1990年的85.71%,超标率由2.94%增至12.5%.地表水污染逐渐向地下蔓延，在一些地方发生了不可逆转的地下水污染问题，严重影响子孙后代的饮水安全，这是水环境危机的重要信号。2海河流域水环境的主要影响因素近1000年海河流域的各河流迁徙频繁，湖泊洼淀逐渐缩小但并不明显，近一二百年这种趋势有所加快，显着的变化是在20世纪60年代以后才出现的。造成海河流域水环境的萎缩是多种因素综合作用的结果。2.1历史时期影响海河流域水环境的自然因素2.1.1降水对水环境演变的影响决定水环境演变的自然因素有降水强度、气温变化、海平面升降与地质构造和地貌形态等。海河流域湖泊洼淀的盈缩与气候变化存在内在联系。从更新世最后一个寒冷期结束并进入全新世以后（约为12000年前），气温上升，雨量增多，海河平原开始出现湖泊洼淀。到全新世中期（约5000年前）气候温暖湿润，雨量充沛，海河平原湖泊众多。但到全新世晚期和历史时期，气候逐渐干燥，湖泊洼淀又开始消亡。通过遥感图像分析，在黄淮海平原上，唐宋时代湖泊洼淀11000多km2,而如今只剩6000km2.不过湖泊的演变并不完全决定于气候变化，从历史时期来说，大量文献记载表明，降水的年际变化虽然显着，但从多年平均值来看，3000年来它们都围绕一个均值上下波动，并不是一味显着地向干燥化发展。因而只从自然气候演变来解释湖泊洼淀的盈缩是不够的。例如被广泛引用的一个成果（王，1987年）表明了这个趋势。研究者搜集了2000多年二十四史和地方志中有关气候的资料，绘制了多年平均滑动曲线，得出了定性和粗略定量的近3000年的降水量变化曲线[如图1所示，资料来源为：王，《中国科学》（B辑），1987年],其中所显示的“最湿润多雨期为公元630年至800年的唐朝时期”.而位于中原地区的黄河在此期间却处于显着的平稳时期，黄河决溢频繁的五代和北宋年间，中原地区降水却有时低于平均值或只处于降水偏丰的年景。唐代河北中部的九十九淀当然也不及北宋塘泊那样的广大。与此类似，东汉末年至魏晋时代也有一个丰水时期，在此期间也未见有河流泛滥严重的记载。类似的研究成果还有汤仲鑫（1990年）和郑斯中（1977年）等。汤仲鑫等采用海河流域1038年间旱涝等级资料做50年滑动平均曲线，得出海河流域旱涝阶段划分曲线。研究结果表明：（1）雨涝阶段平均76年，干旱阶段平均105年，一般旱期比涝期时间长；（2）最长的涝期在13世纪后期至17世纪前期约150年，最长的旱期是16世纪后期至18世纪中期约160年。表明无论是旱或涝的大趋势，最长能持续一个多世纪。这些成果都是从长历时气候资料和水旱灾害资料统计得出，表示出一个粗略定量的结果，我们也只能从这些已有的气候研究成果，结合相应时段水环境的文献记载和遥感