南水北调对海河流域水生态环境影响分析(3)
3 不同情景下海河流域水生态环境预测
通过以上水循环与水生态环境关联分析方法的介绍和现状生态环境评价案例分析可知，只要对水量平衡方程式两端的若干输入和输出变量进行界定和计算，并确定好状态约束条件，即可根据未来不同时段流域水循环收支项变化去预测同期的水生态环境的情景。
作为情景分析，本报告中拟定对两种类型的四种水资源配置方案下的水生态环境进行预测，简要分析如下：
（1）无南水北调条件下的水生态环境预测。包括两种情景，一是延续现状水资源开发利用方式，包括保持现状外调水水平、继续保持现状深层和浅层地下水超采水平以尽量满足经济社会耗水需求；二是以生态环境保护为中心的水资源开发利用方式，包括停止深层浅层地下水超采，恢复湖泊、湿地等水系生态面积；
（2）南水北调工程实施条件下的水生态环境预测。包括两种调水方案相对应的两种情景，其中基本方案2010和2030年调水总规模分别147.0亿m3和223.0亿m3，其中调入海河流域片分别为61.0亿m3和96.0亿m3；高方案2010和2030年调水总规模分别164.0亿m3和249.0亿m3，其中调入海河流域片分别为69.0亿m3和103.0亿m3.两种调水方案情况下均采用以生态环境保护为中心的水资源开发利用方式，包括停止深层浅层地下水超采、恢复湖泊、湿地等水系生态环境面积。
3.1 计算条件和输入变量
3.1.1 无南水北调情景
在无南水北调工程供水时，水量平衡方程式两端各项输入和约束条件如下：
（1）进入流域单元的总水量
水资源总量：为反映出海河流域现状水资源衰减的实际情况，水资源总量按1994～1999年6年平均值358.0亿m3考虑。
外调水量：目前海河流域实际平均引黄水量一般在54.3亿m3，但实际配水定额只有41.0亿m3，因此按41.0亿m3计算。
深层开采量：
情景一 仍保持目前深层开采水平，年均深层开采量为62.0亿m3.
情景二 考虑生态环境保护要求，停止深层地下水超采。目前海河流域深层地下水年均开采量为62.0亿m3，但对超采量的认识差别很大。《海河流域水资源规划》提出深层超采14.8亿m3，另外此规划认为承压水开采量为25.0亿m3；《海河流域环境用水研究》提出深层超采41.0亿m3；水文地质研究所海河流域地下水现状评价提出深层地下水补给量仅13.0亿m3，则按现状开采量计算超采49多亿m3；也有认为深层地下水全部属超采。根据本次研究成果，以超采量占41.0亿m3考虑，可以开采但要逐步替代的开采量按22.0亿m3考虑，因此计算中深层开采量以22.0亿m3计。
（2）流域的蓄变量
水库蓄变量：水库蓄变量取为零。
地下水蓄变量：
情景一 按近年年平均蓄变量一8.9亿m3计算。
情景二 考虑生态环境保护要求，停止浅层地下水超采。浅层地下水具有以丰补枯的能力，因此超采与否按多年平均的蓄变量来考虑。从流域平均概念出发，地下水蓄变量为零即可满足不超采。但由于海河流域超采主要集中在海河南系，而其他区域如滦河和徒骇马颊河地下水开采较少，流域片内各区来补平衡必需考虑这种来补地域不均衡现象。全流域实际年均蓄变量仅为－9.0亿m3，而实际局部地区多年平均超采量为20.0亿m3，因此只有全流域在蓄变量为11.0亿m3条件下，才能实现海河南系等严重超采区的采补平衡，实现全流域各片均不超采的生态环境目标，因此地下水蓄变量按11.0亿m3考虑。
（3）消耗水量
经济社会耗水量：本次研究当中，单元的经济社会耗水量是按流域片的供水量和耗水率相乘求得。今后供水增长主要用于工业和生活，二者目前的耗水率很低，通过节水耗水率会有提高；而农业用水由于节水措施的实施，耗水率也将有所提高。根据分项分析计算，2010年总耗水率比现状0.667提高至0.687，2030年提高到0.705.
水系生态环境耗水量：
情景一 不考虑水系生态环境的改善，耗水量按目前年平均值2.7亿m3计算。
情景二 以实现生态环境目标所需的耗水量为标准。根据海河水利委员会的“海河流域环境用水研究”所提出的保护目标，流域片水系生态环境用水目标必需在2010年“保证南运河、清凉江等骨干输水河道用水，重点补充京津石等大城市周边和东部地区1900km河道用水，恢复水面面积445km2.湿地修复，重点做好白洋淀的保护，改善团泊洼、大浪淀、千顷洼三个湿地的生态环境，4处湿地面积471km2”。另外兼顾考虑北京、天津、石家庄及河北11个省辖市的河湖用水，水面面积100km2左右。根据以上水面面积、蒸发量、降雨量计算水系生态耗水量。2030年在2010年基础上增加滹沱河、滏阳河、唐河、子牙河干流、大清河干流等河道的水面使恢复水面的河道长度达到4100Km，面积达到1023Km2.湿地计划全面恢复，包括宁晋泊、东淀、青甸洼、西七里海；大黄铺洼、思县洼等6处湿地，面积559km2，加上2010年恢复的白洋淀等4处，共计1023km2.城市河湖补水面积达到373km2.三项总计水系面积达到2426km2.
3.1.2 有南水北调情景
在有南水北调供水时，水量平衡方程式两端各项输入和约束条件如下：
（1）进入流域单元的总水量
水资源总量：按近6年平均值358.0亿m3考虑。
外调水量：目前海河流域实际平均引黄水量一般在54.3亿m3，但实际配水定额只有41.0亿m3.按41.0亿m3计算。另外在高方案中需要扣除被置换出去的那部分引黄量。再加上南水北调进入海河流域的水量则外调水量是：
情景三 在2010年为99.4亿m3，2030年为1345亿m3.
情景四 在2010年为108.2亿m3，2030年为142.0亿m3.
深层开采量：同情景二，考虑生态环境保护要求，停止深层地下水超采，深层开采量以22.0亿m3计算。
（2）流域的蓄变量
水库蓄变量：水库蓄变量取为零。
地下水蓄变量：按情景二，考虑生态环境保护要求，停止浅层地下水超采，地下水蓄变量按11.0亿m3考虑
（3）消耗水量
经济社会耗水量：按流域片的供水量和耗水率相乘求得，2010年总耗水率比现状0.667提高至0.687，2030年提高到0.705.
水系生态环境耗水量：同情景二，以实现生态环境目标所需的耗水量为标准，2010年达到各类水面面积共1016km2，2030年达到各类水面面积2642km2，以此计算耗水量。
3.2 不同情景下的流域水生态环境预测分析
将以上各情景下的输入变量和总体约束条件代入模型进行计算，得到2010年和2030年有天南水北调条件下四种配置。
不同方案的水生态环境预测结果分述如下：
情景一：无南水北调工程且延续现有的水资源开发利用方式
在这种情景下，2010和2030年外调水量维持现有的41.0亿m3，深层地下水保持年超采41.0亿m3，即开采水平62.0亿m3，加上多年平均水资源量358.0亿m3，进入单元的总水量为461.0亿m3，全流域深层地下水超采22.0亿m3，水系生态耗水保持目前水平。在这种条件下，2010年和2030年经济社会耗水量分别为298.8亿m3和320.8亿m3，较1994～1999年的平均水平分别增加16.2亿m3和38.2亿m3，增长幅度为5.66％和13.52％。在经济社会耗水增长的同时，2010年和2030年非经济社会耗水较现状平均值分别衰减15.5亿m3和37.5亿m3，减幅为7.67％和18.56％。在非经济社会耗水子项目当中，水系生态耗水继续维持现有的极低水平，区域陆地生态耗水无明显变化。入海量较现状平均水平进一步下降，2010年和2030年分别衰减17.1亿m3和33.5亿m3.另外单元年平均水资源蓄变量为－8.9亿m3，为浅层地下水年均蓄变量，年均深层超采量为220亿m3.
综上所述，本情景分析中模拟的水资源开发利用方式，对于区域水循环过程来说无异于杀鸡取卵。为了经济发展进一步破坏了自然水循环状态，既不能满足国民经济发展和人民生活提高对水的需求，又将直接导致生态环境的全面退化，直至区域生态系统的崩溃，从而造成社会经济发展的不可持续性。
情景二：无南水北调工程但以生态环境保护为中心
在这种情景下，2010和2030年外调水量继续维持现有的41.0亿m3，停止深层地下水的开采41.0亿m3，加上多年平均水资源量358.0亿m3，进入单元的总水量为449.0亿m3，较现状平均水平减少25.2亿m3.另一方面，为保证浅层地下水不超采，浅层地下水蓄变量必需维持在11.0亿m3.根据流域生态环境保护目标，2010年和2030年水系生态耗水量分别达到6.4亿m3和13.2亿m3，较现状耗水量增加1.37倍和3.89倍，水系生态系统有很大程度的恢复，到2030年基本上可以实现流域提出的水系生态环境保护目标。陆地生态耗水主要受区域气候背景影响，无明显变化。本方案下2010年和2030年入海水量分别为47.1亿m3和32.5亿m3，较1994～1999年的平均水平低39.9％和58.5％，介于1998年和1999年之间。可以看出，本方案下的入海水量不仅没有改善，反而有较大幅度地衰减，入海口生态环境将进一步恶化。
本方案中2010年和2030年的经济社会耗水量分别为256.9亿m3和277.8亿m3，较1994～1999年的平均水平低25.7亿m3和4.8亿m3，这表明在今后的二三十年当中，经济社会耗水不但没有上升，而是在现状水资源短缺的基础上进一步下降，从而转化为经济损失量。以上数据和分析表明，在实施本方案情景下，区域社会经济发展将受到极大制约，甚至出现倒退。
综上所述，本情景中模拟的水资源开发利用方式，虽然对于地下水超采、水系生态环境等问题有较大的改善，基本能够实现既定环境保护目标，但入海水量仍将进一步减少，河口生态环境得不到改善。更为突出的是，将大大限制区域社会经济发展的规模和速度，如果不依靠调整产业结构，社会经济甚至有可能倒退，人们生活水平将会降低。但如果打破原有产业结构，势必要放弃原有的一些优势，如土地资源等。可以看出，本情景是一种典型的以经济换生态的方案，与区域社会经济发展阶段不符合。
情景三：实施南水北调工程基本调水方案
本情景2010年和2030年南水北调工程调水规模分别为147.0亿m3和233.0亿m3，其中调入海河流域单元的水量分别为61.0亿m3和96.0亿m3.在有外调水条件下，水资源开发利用过程中，将停止深层和浅层地下水超采。在满足上述前提条件下，2010和2030年进入流域单元的水资源总量分别为479.0亿m3和515.0亿m3，较现状平均水平高出8.8％和13.5％。
在这种调水规模下，2010年和2030年水系生态耗水量分别为6.4亿m3和13.2亿m3，水系生态系统有很大程度的恢复，到2030年基本上可以实现流域提出的水系生态环境保护目标。同时，2010年和2030年入海水量分别为55.8亿m3和51.5亿m3，比1994～1999年平均入海量要低22.8亿m3和26.9亿m3，可以看出这一规模的调水对于入海水量的增加没有明显效果，河口生态环境状况仍然较差。陆地生态耗水与与无南水北调工程时没有明显差别。
本情景中2010年和2030年的经济社会耗水量分别为291.0亿m3和332.0亿m3，较1994～1999年的平均水平要高出7.0亿m3和50.0亿m3，比情景一高出0.3亿m3和11.0亿m3，比情景二高出33.0亿m3和54.0亿m3.可以看出，南水北调工程在很大程度上缓解了区域经济社会耗水增长需求与区域水资源形势的矛盾。
综上所述，本情景中模拟的外调水方案，对于深层和浅层地下水超采、水系生态环境等问题都有较大改善，2030年基本能够实现既定环境保护目标，但对于入海水量的增加无明显效果，河口生态环境不会因为南水北调工程而出现明显改善。另一方面，本方案经济社会耗水量较现状水平有了明显提高，对于区域社会经济发展有巨大的促进作用。
情景四：实施东中线调水高方案
本情景2010年和2030年南水北调工程调水规模分别为164.0亿m3和249.0亿m3，其中调入本流域单元的水量分别为69.0亿m3和103.0亿m3.在该调水规模，水资源开发利用过程中将完全停止深层和浅层地下水超采，另外仍需利用引江水置换出相关引黄水退还给黄河流域。基于上述前提条件，2010和2030年进入流域单元的水资源总量分别为488.0亿m3和522.0亿m3，比现状平均水平高出14.0亿m3和47亿m3.
在这种调水规模下，2010年和2030年水系生态耗水量按水系生态环境保护目标要求，分别达到6.4亿m3和13.2亿m3，大大改善了水体生态系统状况，到2030年基本上可以实现流域水系生态环境保护目标。另外，2010年和2030年入海水量分别为57.9亿m3和53.1亿m3，虽然较情景二和情景三略有增加，但由于经济用水的挤占，与1994～1999年平均入海量相比仍低20.5亿m3和25.3亿m3，可以看出这一规模的调水对于入海水量的增加依旧没有明显效果。陆地生态耗水与与无南水北调工程时没有明显差别。
本情景中2010年和2030年的经济社会耗水量分别为297.0亿m3和337.0亿m3，较1994～1999年的平均水平要高出14.0亿m3和55.0亿m3，2030年较比情景一高出17.0亿m3，比情景二高出40.0亿m3和60.0亿m.依据前面研究结果显示，在这一规模的调水情况下，海河流域2010年和2030年缺水率为6.8％和3.4％。可以看出，南水北调工程基本上能够满足区域经济社会耗水增长需求。
综上所述，在高方案调水规模情景下，海河流域单元内深层和浅层地下水超采问题基本得到解决，水系生态环境问题也有较大程度的改善，2030年基本能够实现既定环境保护目标，但对于入海水量的增加仍然没有太大效果，河口生态环境不会因为南水北调规模的加大而出现明显改善。另一方面，本情景经济社会耗水量较现状水平有了很大程度的提高，基本能够满足经济社会耗水增长的需求，从而保障了区域社会经济可持续发展，但与基本调水规模方案相比无大的差别。
4 结论
海河流域水资源短缺，由于经济发展对水的需求的压力造成水资源开发利用过度。人类大规模的水资源开发利用使得流域天然水循环过程和状态发生了很大变化，与之有关的水生态环境也发生了巨大改变。目前海河流域已经出现了地面沉降、地裂、海水入侵、河道干涸、湖泊湿地萎缩消失、土地干燥沙化、河口生态环境退化、水质污染等一系列与水有关的生态环境问题。如果继续延续现有的水资源开发利用方式，按照情景一的预测结果，海河流域的生态系统将遭受无法逆转的损害，从而并发区域经济发展将不可持续问题。换一个角度来说，如果采取以生态环境保护为中心的水资源开发利用方式，在没有外来水源的条件下，其结果必将如情景二所描述那样，区域社会经济发展因此受到极大制约，甚至有可能产生经济倒退现象，其前景也是不足取的。从情景一、二预测结果分析表明，如果没有外来水源，海河流域今后的发展势必陷入在经济和生态间进行两难选择的困境。
南水北调是构筑我国黄淮海流域乃至整个北方地区社会可持续发展的水资源保障体系的有效途径。工程在给城市供水的同时，由于大量地表水体进入流域以及人为的调控，将会使流域水循环过程发生了较大变化，从而改善与之使相关联的水生态环境。情景三和情景四模拟了基本规模调水方案的情景，结果表明在实施南水北调工程条件下，区域内一些比较突出的生态环境问题，如地面沉降、海水入侵等问题基本能够得以控制，在一般情况下可保持大多数河道的最小基流和湖泊湿地水面面积，生物多样性逐渐得到恢复。然而由于南水北调工程规模和目标限制，入海量仅能维持现状水平，河口生态环境退化的趋势难于抑制。由于入海流量无明显变化，即河流的水环境容量没有因为南水北调工程而有明显增加，因此河流严重污染的现状在本报告规划规模下难以得到有效遏制。此外海河流域水土流失问题主要集中在山区，与南水北调工程无直接联系，因此流域水土流失在南水北调工程实施后仍沿现有趋势发展。还需要指出的是，情景三和情景四在保障了一部分生态耗水需求条件下，经济社会耗水供需间仍存在一定缺口，总体缺水率都在10％以下，虽然情景四较情景三略好，但无明显差别，社会经济可持续发展既定目标的实现基本上都有相应的保障。
从本次情景分析的模拟结果可以看出，南水北调工程整体上遏制了海河流域水生态环境恶化的趋势，使现状较为突出的地下水位、河道、湖泊湿地等生态环境问题上有所改善，但水体污染、水土流失等问题基本没有改善，海河流域的生态环境整体状况仍不容乐观。
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