華北地下水超采區河湖地下水回補水生態效果評估

張鴻星，李魯丹，趙偉華，喬強龍

(1.水利部水資源管理中心，北京，100038；2.長江科學院流域水環境研究所，湖北 武漢 430010)

華北是我國人均水資源量最少的地區，再加上降雨量少，水資源開發利用超載嚴重。20世紀80年代以來，華北地區由于地下水持續嚴重超采，形成了18萬 km2的超采區面積[1]。長期大規模地下水超采會導致地下水位持續大范圍下降，造成區域性地面沉降，形成地下水下降漏斗，部分地區含水層被疏干[2]；此外，地下水超采會導致土壤水劇烈變動帶改變，研究表明河北省土壤水劇烈變動帶由過去的表層以下1m，增加到3m，致使土壤最大缺水量增加50%以上，導致了廣大平原區表層土壤出現干化甚至荒漠化[3]。

華北地區特別是京津冀地區的水資源問題事關首都水安全、京津冀協同發展戰略實施及雄安新區建設，在政治上和戰略上具有十分重要的意義。黨中央、國務院高度重視華北地區地下水超采治理，習近平總書記多次強調，要加強華北地區地下水漏斗區治理，實施河湖生態保護修復[4]。2018年8月，水利部和河北省人民政府聯合制定了《華北地下水超采綜合治理河湖地下水回補試點方案》，選取河北省境內滹沱河、滏陽河、南拒馬河三條河作為試點河道實施河湖地下水回補，補水成效明顯，試點河段河流生態向好、河道水質改善、地下水位回升[5]。因此，水利部、財政部、發展改革委和農業農村部共同印發《華北地區地下水超采綜合治理行動方案》，系統推進華北地區地下水超采治理。在試點工作的基礎上，2019 年5月開始，水利部進一步將生態補水范圍擴大到了京津冀地區15條河流、7個湖泊，并確定對其中 8 條河流實施常態化補水[6]。

本研究分別對2019年6月、8月以及2020年6月補水期間，滏陽河、滹沱河和南拒馬河三條河流水質及水生生物狀況進行調查，對多次補水對河流生態效果改善情況進行評估，為地下水回補工作方案的制定提供理論依據。

1 研究方法

1.1 補水河段基本情況

滹沱河、滏陽河和南拒馬河三條河流試點補水時間為2018年9月-2019年8月，滹沱河試點河段自南水北調中線總干渠滹沱河退水閘至獻縣樞紐，全長170 km，補水總量為8.112億 m3；滏陽河試點河段自南水北調中線總干渠滏陽河退水閘至艾辛莊樞紐，全長約242 km，補水總量為3.585億 m3；南拒馬河試點河段自南水北調中線總干渠北易水退水閘，經中易水、南拒馬河至新蓋房樞紐，全長65 km，補水總量為2.338億 m3。

2020年滹沱河補水河段自南水北調中線總干渠滹沱河退水閘至獻縣樞紐，全長170 km，計劃補水總量4.40億 m3；滏陽河補水河段自南水北調中線總干渠滏陽河退水閘至獻縣樞紐，全長412 km，計劃補水總量2.25億 m3；南拒馬河補水河段起始于南水北調中線總干渠北易水退水閘，全長32 km，計劃補水總量1.02億 m3。

1.2 調查樣點設置

滹沱河2019年與2020年補水河段相同，因此采樣點數量及位置均相同；滏陽河2020年補水河段加長，因此2020年調查時除2019年的4個調查樣點外，另外添加了2個樣點；南拒馬河2020年調查時中間河段斷流，因此僅調查2個樣點。

表1 補水試點河段水生生物調查樣點設置

1.3 樣品采集及分析方法

1.3.1 水質樣品采集及分析方法

本研究中常規水質監測指標為總磷、總氮、氨氮等3項，總氮、總磷、氨氮的測定采用分光光度法。

1.3.2 水生生物樣品采集及分析方法

本研究中水生生物樣品包括浮游植物、浮游動物、底棲動物和魚類：

1)浮游植物

(1)定性樣品使用25#(孔徑0.064 mm)浮游生物采集網在水面以下約0.5 m位置做“∞”字形緩慢拖拽撈取，將采集濃縮的樣品放入標本瓶中，按100∶3的比例在樣品中加入市售甲醛溶液。

(2)定量樣品使用容量1 L的采水器，在水面0.5～1 m的區域采集1 L水樣置于樣品瓶中，按100∶1.5的比例加入配制好的魯哥氏液，經過48 h靜置沉淀，濃縮至50 ml。取均勻樣品0.1 ml，注入0.1 ml計數框內，蓋上蓋玻片，在顯微鏡下計數100個視野，每一樣品計數2次，每次結果與2次平均值差不大于±15%。

2)浮游動物

(1)定性樣品采集：定性樣品用13#浮游生物網，在表層水面下0.5 m深處做“∞”字形緩慢拖拽撈取，將采集濃縮的樣品放入標本瓶中，100 ml樣品中加入4～5 ml福爾馬林溶液固定。

(2)定量樣品采集則采用5 L采水器在水面下0.5處采集20 L水樣，用25#浮游生物網過濾后放入樣品瓶中，100 ml樣品中加入4～5 ml福爾馬林溶液固定。浮游動物計數，用計數框進行。原生動物和輪蟲計數時，先將濃縮水樣充分搖勻后，用吸管吸出0.1 ml樣品，置于0.1 ml計數框內全片計數。枝角類和橈足類是將濃縮后水樣在顯微鏡下全部計數。

3)底棲動物

定性樣品采集采用D形網；定量樣品采集使用彼得遜采泥器采集，樣品采集后使用40目篩網篩洗，并去除較大的枯枝落葉等，然后放入白瓷盤中進行挑揀，并用8%的福爾馬林固定，帶回實驗室進行鑒定、計數。

4)魚類

本研究中魚類采集包括兩種方法，(1)自主采集，在河流中采用抄網、粘網、地籠、餌釣鉤等進行采樣，在水流較快水域，利用流刺網進行采樣；(2)走訪調查，訪問河流周邊居民、魚市、垂釣人員等，收集魚類樣本，補充采樣。采集標本后，鑒定種類，并對其體長、體重等參數進行測量。

生物多樣性指數采用香農-威納指數(Shannon-Wiener Index)，計算公式為：

(1)

式中：S為物種數目，Pi為樣品中屬于第i種的個體的比例，如樣品總個體數為N，第i種個體數為n，則Pi=n/N。

1.4 數據分析

使用origin 9.1作圖，SPSS 18.0進行單因素方差分析。

2 結果與討論

2.1 水質

2.1.1 總磷

補水前后滏陽河、滹沱河、南拒馬河三條河流總磷濃度變化如圖1所示，結果表明補水后的2019年與2020年三條河流總磷濃度均明顯低于補水前的2017年，2020年與2019年相比雖然變化率降低，但總體也呈現一定的降低趨勢。

圖1 補水前后三條河流總磷濃度變化

2.1.2 氨氮

補水前后滏陽河、滹沱河、南拒馬河三條河流氨氮濃度變化如圖2所示，與補水前的2017年相比，補水后的2019年與2020年三條河流氨氮濃度均明顯降低；2020年滏陽河氨氮濃度與2019年相比基本不變，滹沱河略低于2019年，南拒馬河略高于2019年。

圖2 補水前后三條河流氨氮濃度變化

2.1.3 總氮

由于未能收集到調查河段補水前總氮相關數據，總氮僅以補水后2019年與2020年兩年數據進行對比(圖3)，2020年滏陽河和南拒馬河總氮濃度均明顯低于2019年，滹沱河2020年與2019年相差不大。

圖3 補水前后三條河流總氮濃度變化

由上述結果可知，與補水前相比，補水后滏陽河、滹沱河和南拒馬河三條河流水質情況均有所改善。

于洋[4]等人對華北地區地下水超采綜合治理試點的調查結果表明，2018年滏陽河、滹沱河和南拒馬河三條河流試點補水后河道水量明顯增加，水面面積比補水前增加約1.1倍。超采區試點河段地下水回補水源均為南水北調水或上游水庫來水，水質較好，大量水質較好的水源補給對河流污染物具有一定的稀釋作用，因此，補水使得河流氮磷營養鹽濃度明顯降低；此外，為保證回補區地下水水質受到污染，補水河段在補水前均需經過清理整治，非法排污口均需進行封堵[5]，在一定程度上減少了河流污染物來源，改善了河流水質。

2.2 浮游植物

由于缺乏歷史數據，浮游植物以2019年調查期間同一河流未補水河段作為參照，與未補水河段相比補水河段浮游植物豐度明顯偏低，生物多樣性明顯偏高(圖4和圖5)，且2020年補水河段浮游植物豐度明顯低于2019年補水河段，2020生物多樣性與2019年相比，除滹沱河無明顯差別外，滏陽河和南拒馬河均明顯升高。

圖4 補水前后三條河流浮游植物豐度變化

圖5 補水前后三條河流浮游植物生物多樣性變化

浮游植物作為水體物質代謝和能量流動的初級生產者，在水生態系統中起著十分重要的作用，是水生態系統食物鏈及能量傳遞的一個重要環節[7]，浮游植物也是重要的環境污染指示物，其結構特征和變化趨勢是分析和預警水體富營養化程度的科學根據之一，一定程度地反映了水體的生態環境狀況[8-9]。浮游植物多樣性指數也是水質評價常用檢測指標，多樣性指數越高，浮游植物群落結構越復雜，穩定性越大，水質越好[10]。補水顯著改善了水質，水體中氮磷營養鹽含量降低，受氮磷營養鹽濃度等環境因子影響三條河流補水河段浮游植物豐度均低于未補水河段，生物多樣性指數均高于未補水河段。

2.3 浮游動物

浮游動物同樣以2019年調查期間同一河流未補水河段作為參照，與未補水河段相比，補水河段浮游動物豐度明顯降低，2020年與2019年相比，滏陽河和滹沱河浮游動物密度均明顯降低，南拒馬河略有升高；滏陽河與南拒馬河補水后浮游動物多樣性均有所升高，2020年與2019年相比，生物多樣性也有明顯升高，滹沱河補水河段生物多樣性略低于未補水河段(見圖6和圖7)。

圖6 補水前后三條河流浮游動物豐度變化

圖7 補水前后三條河流浮游動物生物多樣性變化

浮游動物是水生態系統的次級生產力，在水生態系統中也起著重要的作用[11]，水體中浮游動物的數量消長與水質污染的程度密切相關，利用浮游動物群落結構的綜合指標可以評價水質及其變化趨勢[12]。相關研究結果表明浮游動物總豐度與各項反應水體營養狀況的重要指標基本成正相關，尤其與葉綠素 a、高錳酸鹽指數、總磷的正相關系數較高[13]，本研究中浮游動物總豐度與總磷的關系也呈一定的正相關關系，浮游動物總豐度變化趨勢與總磷濃度變化趨勢相同，均為補水河段顯著低于未補水河段。生物多樣性指數受其他因素影響，與總豐度和總磷含量相關性不高。

2.4 底棲動物

底棲動物同樣以2019年調查期間同一河流未補水河段作為參照，與未補水河段相比，滏陽河與南拒馬河補水河段底棲動物多樣性指數均有一定的升高，滹沱河2020年略有降低(圖8)。

圖8 補水前后三條河流浮游動物生物多樣性變化

大型底棲動物作為魚類等捕食者的重要食物來源以及浮游植物等初級生產力的捕食者，是食物鏈的中間環節和水生態系統的重要組成部分，在水生態系統的物質循環和能量流動過程中起到承上啟下的作用[14]。大型底棲動物對環境變化敏感，遷移能力有限，其生長、繁殖、群落演替以及群落結構的變化易受水質、水深、水溫和底質等環境因子影響[15]，補水顯著改善了河流水質、水深及水面面積，因此三條河流補水河段的底棲生物多樣性指數均較未補水河段均有一定程度的升高，2020年現場調查期間發現滹沱河大部分河段存在河道采砂和河道整修情況，河流底質遭受到一定的破壞，因此2020年滹沱河底棲生物多樣性指數較未補水河段略有下降。

2.5 魚類

魚類同樣以2019年調查期間同一河流未補水河段作為參照，與未補水河段相比，補水河段魚類多樣性指數均有一定上升(圖9)，滏陽河和南拒馬河2020年魚類多樣性指數均高于2019年，而滹沱河2020年魚類多樣性指數較2019年略有降低。

圖9 補水前后三條河流魚類生物多樣性變化

魚類是河流生態系統中的高級消費者，具有較長的生活史，受到某種污染物的干擾后能夠直觀地表現在生理指標、外觀、活動情況上[16]，魚類個體相對較大，易于觀測和鑒別，因此將其作為水環境狀況的重要指示物種之一[17]。隨著補水的進行，河流受污染程度減輕，河流水質顯著改善，因此魚類多樣性指數也呈現上升趨勢；底棲動物作為魚類的重要食物來源，對魚類也具有一定程度的影響，滹沱河魚類受底棲動物影響，2020年與2019年魚類多樣性指數變化趨勢與底棲動物基本一致。

3 結語

地下水回補顯著改善了補水河段河流水質和水生生物狀況，使得水體中氮磷營養鹽含量降低；受水體營養鹽等環境因子影響，水中浮游植物和浮游動物密度均顯著降低，水體營養狀態從富營養型向中富營養型/中營養型轉化；底棲動物和魚類多樣性也有一定程度的升高；隨著補水持續進行，補水河段河流水質和水生生物狀況持續向好。