黄河三角洲生态保护的地下水管理方案研究

束龙仓，范晓梅，王茂枚河海大学水文水资源与水利工程科学国家重点实验室，南京（210098）E-mail：[e-mail]摘要：地下水作为生态环境的重要组成部分，具有不可忽视的生态效应。理解和掌握地下水的动态变化规律是在一个地区实行水资源管理和土地利用管理的先决条件。在提出基于保护黄河三角洲生态环境的地下水管理方案基楚上，用MODFLOW对实施方案后地下水水位、地下水流动方向、补给和排泄条件的变化进行了预测。根据模型预测结果，故道输水、减灌排碱、湿地恢复方案的实施可以改善地下水水质、增加淡水补给、降低盐碱化程度，能有效地改善生态环境、提高生物多样性水平。关键词：黄河三角洲，生态效应，生态保护，地下水管理1.引言黄河三角洲作为东北亚内陆和环西太平洋鸟类迁徙的重要越冬地和繁殖地，其特有的原生湿地生态系统和湿地生物资源，在世界生物多样性保护中具有重要地位。近年来河口地区城市发展、油田开发、农业生产和生态保护所产生的尖锐用水矛盾问题，黄河河口生态需水难以得到充分保证，河口三角洲大片淡水湿地因缺水发生萎缩，土壤盐碱化、河口海水入侵和湿地生态功能退化状况依然严重，河口典型和珍稀生境难以得到有效保护。如何科学配置黄河下游地下水资源，修复受损的河流生态系统，促进黄河三角洲生态的良性循环，已成为黄河流域管理机构面临的重要工作。2.地下水管理方案的提出抓住地下水这个关键，实施黄河三角洲生态环境综合整治，是实现区域生态环境彻底改变的昀有效的措施。为了保护黄河三角洲的生态环境，应当根据补给区和排泄区不同的生态特征，确定生态保护目标，实施地下水管理方案。这些方案的确定不仅要求了解黄河三角洲现行的生态保护政策，还要借助于地下水模型以及遥感影像对实施管理措施后有可能出现的生态效应做出预测。从地下水的角度来看，黄河三角洲面临的生态问题主要表现在：(1)地下水补给区缺乏淡水补充。这一问题集中体现在黄河故道的生态亚区。1976年黄河改道截断了该地区的淡水补给来源，海水的上溯加速了该地区的地下水咸化的速度。黄河故道以刺槐林为主体的生态系统的生存和健康受到严重挑战。刺槐林大面积死亡，有的退化为柽柳和芦苇群落，严重的退化为光板地。(2)过渡区土壤次生盐渍化现象严重。过渡区面积广大，其中有11%～58%的面积被开发为农田，地下水埋深小于2m，是土壤盐渍化易发生的地区。随着农业的开发，由于不合理的灌溉加上排灌系统尚不发达，农灌区局部地下水水位过高引起土壤盐渍化。各生态亚区盐碱地所占比例约为5%～8%。盐渍化使得过渡区剩余的天然植被发生退化。(3)地下水排泄区受到海水侵蚀退化为滩涂。地下水的排泄区一般沿海分布，且地势低洼，极易受到海水的侵蚀作用而退化为滩涂。黄河的断流加上河道的渠系化，使得岸线由原1本课题得到水文水资源与水利工程科学国家重点实验室开放基金项目，水利部科技创新项目（SCX2003-05）、河海大学院士基金的资助。来的淤进和蚀退交互变为单一的蚀退。在黄河故道入海口和黄河河口，海岸的侵蚀作用强烈，风暴潮灾害频繁，海水入侵加剧，淡水湿地生态环境退化。综合来看，要解决黄河三角洲的生态环境问题，即要重视在补给区补充淡水、在过渡区减少灌溉和降低地下水水位、在排泄区进行淡水湿地的人工恢复。配合黄河水利委员会拟定的黄河三角洲生态配水计划，本文提出了基于保护黄河三角洲生态的地下水管理方案：方案一：黄河故道生态输水方案；方案二：农业区的减灌和盐渍化重灾区的排碱方案；方案三：河口的淡水湿地恢复方案。2.1黄河故道的生态输水方案2.1.1背景为确保黄河下游河道不断流，黄河水利委员会根据国家授权于1999年起实施了黄河水量的统一调度，在一定程度上缓解了河口地区的水资源危机，初步遏制了河口重要区域的生态失衡局面。如何科学配置黄河水资源，修复受损的河流生态系统，促进黄河三角洲生态的良性循环，已成为黄河流域管理机构面临的重要工作。1976年黄河改道后，刁口流路附近地下水环境恶化。地表淡水补给减少、地下水水位下降、海水倒灌、咸水入侵，故道附近的刺槐林大片死亡，地表植被退化为盐生草甸或光板地。有专家提出建设清水沟和刁口河两条流路轮换使用工程，保持黄河河口的长治久安。基本思路是：在现代黄河三角洲的摆动顶点——西河口建设控制工程；以清水沟流路和刁口河流路作为该工程的主动脉，配套建设黄河昀下游的输水渠系；并在北、东两条流路终端的咸淡水交汇海域建设生物多样性繁育区。2.1.2输水线路及惠及区域设计输水线路为自西河口沿刁口流路向北入海，并且在入海口附近打造围堰，利用黄河引水对退化的湿地进行人工恢复。输水线路全长54000m，设计水位不低于2m，河宽为500m。河底沉积物厚度设为0.5m。沉积物的渗透系数参考在清水沟流路所做渗透实验结果，取为0.0167m/d。2.1.3预计输水后的地下水的响应将以上参数输入MODFLOW，用RIVER模块对输水后河道附近水位变化情况进行模拟。选择河道周围5km范围内的缓冲区，对比输水前后河道附近地下水水位的变化情况。输水前地下水水位等值线分布垂直于河流的方向，水流方向为自南向北缓慢流动。输水后水位等值线在河流附近变化剧烈，河流对地下水的补给作用强烈。从输水前后水位变化等值线图(图1)可以看出：输水后河道附近1km范围内地下水水位有1～3米的抬升。水位抬升的幅度受到河道曲折率的影响，河道越曲折，单位面积内的补给面积越大，补给的量越多。沿河1～5公里的区域内地下水水位普遍上升0～1m，而五公里以外的地下水水位几乎不受影响。沿河5km范围内的地区是以地下水的补给为主的区域。根据MODFLOW水均衡计算的结果，地下水的补给区每年将得到4487万m3淡水的补充。这一部分的淡水可以被用来供给植物生长，改善地下水水质，降低土壤含盐量。实行故道输水方案有助于改善生态亚区的生境条件，提高森林的覆盖率，增加生态多样性程度。如果在入海口附近打造围堰，进行湿地的人工恢复。那么不仅可以改善当地的生态环境，而且可以在海陆交界处设立一道天然的屏障，有效地防止海水入侵和缓解风暴潮带来的灾难。（a）输水前地下水水位分布（b）输水后水位变幅等值线图图1输水前地下水水位和输水后水位变化（沿河五公里范围内）2.2农业区的减灌和盐渍化重灾区的排碱方案2.2.1背景黄河三角洲的土地盐渍化问题，严重制约着区域农业的发展，成为区域经济发展和生态建设的瓶颈。区内主要的农业利用土地由于不合理的农业耕作措施，以及缺少植被覆盖等，正以惊人的速度返盐退化[1]。同时排灌系统重灌轻排的设计和运行方式，也使得灌区地下水水位迅速上升，次生盐碱化面积不断加大[2]。受到地理条件的限制，黄河三角洲的农田基本上都分布在地下水的补给区和过渡区。过渡区由于地下水埋藏浅，因此是土壤盐碱化昀为严重的区域。要治理黄河三角洲土壤盐渍化问题，首先是要解决由于过度灌溉造成的地下水水位不断上升的问题[3]。对于土壤盐渍化严重的地区要采取积极的排盐、排碱和植被恢复等措施。减少农灌区的灌溉水量，降低地下水水位农灌区可以通过提高灌溉水利用效率，节约灌溉，减少地下水的补给量，降低地下水水位。以成陆年龄昀长、农业昀发达的生态亚区作为实验区，用MODFLOW模拟在减少灌溉用水的条件下，地下水水位的变化情况。假设通过节水灌溉使得地下水的补给量减少20%，则一年后生态亚区的地下水水位普遍降低，见图2。在沿河两岸的地下水补给区由于得到河流的稳定补给，地下水水位降幅较小约为0.1m。滨海的地洼地为地下水的天然排泄区，在减灌条件下地下水水位没有明显变化，但地下水的排泄速率可能会减小。盐碱化昀为严重的过渡区，水位降低昀为明显，达到0.4m。由此可见，减少灌溉有助于降低过渡区的地下水水位，减轻土壤盐渍化的情况，而且并不会影响到补给区和排泄区的地下水水位，对这两个区的生态造成影响。图2节水灌溉条件下地下水水位降幅2.2.3盐渍化重灾区的排碱实行节水灌溉是解决黄河三角洲盐渍化问题的根本方法。对于某些盐渍化非常严重的地区，或者一些自然植被受到盐渍化破坏的地区，要采取迅速的措施来降低地下水水位，减轻盐渍化程度。这些措施主要包括深沟排碱、暗管排碱或抽取地下水等[４]。不论哪种方法其原理都是快速降低地下水水位，同时补充地表淡水，使土壤中的盐分随着地下水流动被排泄出去。黄河三角洲现有的排灌系统是根据地形，着眼于排泄地表水和灌溉水而设计的，没有根据地下水的分布埋藏条件和补给、径流排泄特征和规律进行设计。突出的问题是排水渠系走向平行于地下水的流向，在灌溉条件下势必引起地下水水位的上升。掌握区域地下水的运动规律有助于排碱工程的设计。从地下水水位分布图（图3）可以看出黄河三角洲地下水水流主要有三股方向，分别是：北、东和东南。设计排水渠系的走向垂直于地下水流向将有助于提高排水效率，达到事半功倍的效果。图3地下水水位等值线及水流方向图假设通过高效的排水系统使得黄河三角洲的地下水水位普降1m，根据MODFLOW模拟的结果，潜水蒸散量将减少20%左右。如果土壤中的盐份完全是通过潜水的蒸散将地下水中的盐分带入土壤的。那么降低地下水水位后，土壤的盐份累积速率也将减少20%。降低地下水的同时，可以通过制造人工洪水等方式来补充地表淡水，对土壤中的盐分进行淋滤，可以达到事半功倍的效果。2.3河口淡水湿地恢复计划2.3.1背景在黄河三角洲生态系统的平衡和演变中，淡水湿地是河口地区陆域、淡水水域和海洋生态单元的交互缓冲地区，是维持河口系统平衡和生物多样性保护的生态关键要素，也是河口生态保护的核心区域和重点保护对象，淡水湿地对维持河口地区水盐平衡，提供鸟类迁徙、繁殖和栖息生境，维持三角洲生态发育平衡等，具有十分重要和不可替代的生态价值与功能。保持河口湿地尤其是淡水湿地植被结构演替和生态发育的稳定，已成为实现黄河河口三角洲生态平衡的重要标志。黄河河口淡水湿地处于湿地发展的初级阶段，土壤潜育化程度低，生态环境较为脆弱。一方面，它受到黄河断流的威胁。20世纪90年代以来，黄河断流河长及断流时间均迅速增加。黄河断流对黄河下游河道湿地危害极大，使河道湿地不断萎缩甚至大片消亡。另一方面，它受到海水侵蚀的严重影响。海水的侵蚀作用不仅使沿岸的淡水湿地面积减少，而且湿地受海水地下入侵而加剧盐碱化[５]。为了保护脆弱的新生湿地生态系统，使它免受人为的和自然的灾害。2002年～2004年大汶流自然保护区完成了淡水湿地人工恢复的Ⅰ期工程，面积约为五万亩。整个工程主要是通过引灌黄河水、沿海修筑围堤、增加湿地淡水存储量等措施，来强化湿地生态系统自生的调节能力和平衡作用，改善鸟类的生存环境。2006年初，湿地恢复Ⅱ期工程开建，计划在五万亩湿地恢复建成区以南，进一步恢复湿地面积10万亩。该工程完成后自然保护区内的淡水湿地面积将大幅度增加，可以有效地抵制海水侵蚀所造成的陆地植被退化生态环境下降的趋势。湿地恢复区位置和形状见图4。图4大汶流自然保护区湿地恢复区域2.3.2湿地恢复条件下地下水流模拟MODFLOW的RIVER模块提供了一种将地表水体作为边界条件加入地下水模型的方法。这种方法假设地表水体和地下水通过一层弱透水的沉积物相互交换，地表水与地下水之间的补排关系取决于两者之间的水头差。黄河三角洲的人工湿地满足以上的假设条件，因此可以用这种方法来模拟地表水和地下水的交换。黄河三角洲自然保护区管理局设计恢复后的人工湿地水深不低于1.5m。根据DEM提取湿地的地表高程，以其平均值加上1.5m作为输入模型的地表水水位条件。湿地底层沉积物的渗透系数参考在黄河河道内进行的渗透试验的结果，取为0.0167m/d。将湿地的范围、水位和沉积物渗透系数等参数输入MODFLOW进行模拟