張鴻星，李魯?shù)?，趙偉華，喬強(qiáng)龍

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

華北是我國(guó)人均水資源量最少的地區(qū)，再加上降雨量少，水資源開(kāi)發(fā)利用超載嚴(yán)重。20世紀(jì)80年代以來(lái)，華北地區(qū)由于地下水持續(xù)嚴(yán)重超采，形成了18萬(wàn) km2的超采區(qū)面積[1]。長(zhǎng)期大規(guī)模地下水超采會(huì)導(dǎo)致地下水位持續(xù)大范圍下降，造成區(qū)域性地面沉降，形成地下水下降漏斗，部分地區(qū)含水層被疏干[2]；此外，地下水超采會(huì)導(dǎo)致土壤水劇烈變動(dòng)帶改變，研究表明河北省土壤水劇烈變動(dòng)帶由過(guò)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(dǎo)致了廣大平原區(qū)表層土壤出現(xiàn)干化甚至荒漠化[3]。

華北地區(qū)特別是京津冀地區(qū)的水資源問(wèn)題事關(guān)首都水安全、京津冀協(xié)同發(fā)展戰(zhàn)略實(shí)施及雄安新區(qū)建設(shè)，在政治上和戰(zhàn)略上具有十分重要的意義。黨中央、國(guó)務(wù)院高度重視華北地區(qū)地下水超采治理，習(xí)近平總書(shū)記多次強(qiáng)調(diào)，要加強(qiáng)華北地區(qū)地下水漏斗區(qū)治理，實(shí)施河湖生態(tài)保護(hù)修復(fù)[4]。2018年8月，水利部和河北省人民政府聯(lián)合制定了《華北地下水超采綜合治理河湖地下水回補(bǔ)試點(diǎn)方案》，選取河北省境內(nèi)滹沱河、滏陽(yáng)河、南拒馬河三條河作為試點(diǎn)河道實(shí)施河湖地下水回補(bǔ)，補(bǔ)水成效明顯，試點(diǎn)河段河流生態(tài)向好、河道水質(zhì)改善、地下水位回升[5]。因此，水利部、財(cái)政部、發(fā)展改革委和農(nóng)業(yè)農(nóng)村部共同印發(fā)《華北地區(qū)地下水超采綜合治理行動(dòng)方案》，系統(tǒng)推進(jìn)華北地區(qū)地下水超采治理。在試點(diǎn)工作的基礎(chǔ)上，2019 年5月開(kāi)始，水利部進(jìn)一步將生態(tài)補(bǔ)水范圍擴(kuò)大到了京津冀地區(qū)15條河流、7個(gè)湖泊，并確定對(duì)其中 8 條河流實(shí)施常態(tài)化補(bǔ)水[6]。

本研究分別對(duì)2019年6月、8月以及2020年6月補(bǔ)水期間，滏陽(yáng)河、滹沱河和南拒馬河三條河流水質(zhì)及水生生物狀況進(jìn)行調(diào)查，對(duì)多次補(bǔ)水對(duì)河流生態(tài)效果改善情況進(jìn)行評(píng)估，為地下水回補(bǔ)工作方案的制定提供理論依據(jù)。

1 研究方法

1.1 補(bǔ)水河段基本情況

滹沱河、滏陽(yáng)河和南拒馬河三條河流試點(diǎn)補(bǔ)水時(shí)間為2018年9月-2019年8月，滹沱河試點(diǎn)河段自南水北調(diào)中線(xiàn)總干渠滹沱河退水閘至獻(xiàn)縣樞紐，全長(zhǎng)170 km，補(bǔ)水總量為8.112億 m3；滏陽(yáng)河試點(diǎn)河段自南水北調(diào)中線(xiàn)總干渠滏陽(yáng)河退水閘至艾辛莊樞紐，全長(zhǎng)約242 km，補(bǔ)水總量為3.585億 m3；南拒馬河試點(diǎn)河段自南水北調(diào)中線(xiàn)總干渠北易水退水閘，經(jīng)中易水、南拒馬河至新蓋房樞紐，全長(zhǎng)65 km，補(bǔ)水總量為2.338億 m3。

2020年滹沱河補(bǔ)水河段自南水北調(diào)中線(xiàn)總干渠滹沱河退水閘至獻(xiàn)縣樞紐，全長(zhǎng)170 km，計(jì)劃補(bǔ)水總量4.40億 m3；滏陽(yáng)河補(bǔ)水河段自南水北調(diào)中線(xiàn)總干渠滏陽(yáng)河退水閘至獻(xiàn)縣樞紐，全長(zhǎng)412 km，計(jì)劃補(bǔ)水總量2.25億 m3；南拒馬河補(bǔ)水河段起始于南水北調(diào)中線(xiàn)總干渠北易水退水閘，全長(zhǎng)32 km，計(jì)劃補(bǔ)水總量1.02億 m3。

1.2 調(diào)查樣點(diǎn)設(shè)置

滹沱河2019年與2020年補(bǔ)水河段相同，因此采樣點(diǎn)數(shù)量及位置均相同；滏陽(yáng)河2020年補(bǔ)水河段加長(zhǎng)，因此2020年調(diào)查時(shí)除2019年的4個(gè)調(diào)查樣點(diǎn)外，另外添加了2個(gè)樣點(diǎn)；南拒馬河2020年調(diào)查時(shí)中間河段斷流，因此僅調(diào)查2個(gè)樣點(diǎn)。

表1 補(bǔ)水試點(diǎn)河段水生生物調(diào)查樣點(diǎn)設(shè)置

1.3 樣品采集及分析方法

1.3.1 水質(zhì)樣品采集及分析方法

本研究中常規(guī)水質(zhì)監(jiān)測(cè)指標(biāo)為總磷、總氮、氨氮等3項(xiàng)，總氮、總磷、氨氮的測(cè)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(dòng)物、底棲動(dòng)物和魚(yú)類(lèi)：

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(wǎng)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(biāo)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(qū)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(jīng)過(guò)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(jì)數(shù)框內(nèi)，蓋上蓋玻片，在顯微鏡下計(jì)數(shù)100個(gè)視野，每一樣品計(jì)數(shù)2次，每次結(jié)果與2次平均值差不大于±15%。

2)浮游動(dòng)物

(1)定性樣品采集：定性樣品用13#浮游生物網(wǎng)，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(biāo)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(wǎng)過(guò)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(dòng)物計(jì)數(shù)，用計(jì)數(shù)框進(jìn)行。原生動(dòng)物和輪蟲(chóng)計(jì)數(shù)時(shí)，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(jì)數(shù)框內(nèi)全片計(jì)數(shù)。枝角類(lèi)和橈足類(lèi)是將濃縮后水樣在顯微鏡下全部計(jì)數(shù)。

3)底棲動(dòng)物

定性樣品采集采用D形網(wǎng)；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(wǎng)篩洗，并去除較大的枯枝落葉等，然后放入白瓷盤(pán)中進(jìn)行挑揀，并用8%的福爾馬林固定，帶回實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行鑒定、計(jì)數(shù)。

4)魚(yú)類(lèi)

本研究中魚(yú)類(lèi)采集包括兩種方法，(1)自主采集，在河流中采用抄網(wǎng)、粘網(wǎng)、地籠、餌釣鉤等進(jìn)行采樣，在水流較快水域，利用流刺網(wǎng)進(jìn)行采樣；(2)走訪(fǎng)調(diào)查，訪(fǎng)問(wèn)河流周邊居民、魚(yú)市、垂釣人員等，收集魚(yú)類(lèi)樣本，補(bǔ)充采樣。采集標(biāo)本后，鑒定種類(lèi)，并對(duì)其體長(zhǎng)、體重等參數(shù)進(jìn)行測(cè)量。

生物多樣性指數(shù)采用香農(nóng)-威納指數(shù)(Shannon-Wiener Index)，計(jì)算公式為：

(1)

式中：S為物種數(shù)目，Pi為樣品中屬于第i種的個(gè)體的比例，如樣品總個(gè)體數(shù)為N，第i種個(gè)體數(shù)為n，則Pi=n/N。

1.4 數(shù)據(jù)分析

使用origin 9.1作圖，SPSS 18.0進(jìn)行單因素方差分析。

2 結(jié)果與討論

2.1 水質(zhì)

2.1.1 總磷

補(bǔ)水前后滏陽(yáng)河、滹沱河、南拒馬河三條河流總磷濃度變化如圖1所示，結(jié)果表明補(bǔ)水后的2019年與2020年三條河流總磷濃度均明顯低于補(bǔ)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(xiàn)一定的降低趨勢(shì)。

圖1 補(bǔ)水前后三條河流總磷濃度變化

2.1.2 氨氮

補(bǔ)水前后滏陽(yáng)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(bǔ)水前的2017年相比，補(bǔ)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(yáng)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(bǔ)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(diào)查河段補(bǔ)水前總氮相關(guān)數(shù)據(jù)，總氮僅以補(bǔ)水后2019年與2020年兩年數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比(圖3)，2020年滏陽(yáng)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(bǔ)水前后三條河流總氮濃度變化

由上述結(jié)果可知，與補(bǔ)水前相比，補(bǔ)水后滏陽(yáng)河、滹沱河和南拒馬河三條河流水質(zhì)情況均有所改善。

于洋[4]等人對(duì)華北地區(qū)地下水超采綜合治理試點(diǎn)的調(diào)查結(jié)果表明，2018年滏陽(yáng)河、滹沱河和南拒馬河三條河流試點(diǎn)補(bǔ)水后河道水量明顯增加，水面面積比補(bǔ)水前增加約1.1倍。超采區(qū)試點(diǎn)河段地下水回補(bǔ)水源均為南水北調(diào)水或上游水庫(kù)來(lái)水，水質(zhì)較好，大量水質(zhì)較好的水源補(bǔ)給對(duì)河流污染物具有一定的稀釋作用，因此，補(bǔ)水使得河流氮磷營(yíng)養(yǎng)鹽濃度明顯降低；此外，為保證回補(bǔ)區(qū)地下水水質(zhì)受到污染，補(bǔ)水河段在補(bǔ)水前均需經(jīng)過(guò)清理整治，非法排污口均需進(jìn)行封堵[5]，在一定程度上減少了河流污染物來(lái)源，改善了河流水質(zhì)。

2.2 浮游植物

由于缺乏歷史數(shù)據(jù)，浮游植物以2019年調(diào)查期間同一河流未補(bǔ)水河段作為參照，與未補(bǔ)水河段相比補(bǔ)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(bǔ)水河段浮游植物豐度明顯低于2019年補(bǔ)水河段，2020生物多樣性與2019年相比，除滹沱河無(wú)明顯差別外，滏陽(yáng)河和南拒馬河均明顯升高。

圖4 補(bǔ)水前后三條河流浮游植物豐度變化

圖5 補(bǔ)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(zhì)代謝和能量流動(dòng)的初級(jí)生產(chǎn)者，在水生態(tài)系統(tǒng)中起著十分重要的作用，是水生態(tài)系統(tǒng)食物鏈及能量傳遞的一個(gè)重要環(huán)節(jié)[7]，浮游植物也是重要的環(huán)境污染指示物，其結(jié)構(gòu)特征和變化趨勢(shì)是分析和預(yù)警水體富營(yíng)養(yǎng)化程度的科學(xué)根據(jù)之一，一定程度地反映了水體的生態(tài)環(huán)境狀況[8-9]。浮游植物多樣性指數(shù)也是水質(zhì)評(píng)價(jià)常用檢測(cè)指標(biāo)，多樣性指數(shù)越高，浮游植物群落結(jié)構(gòu)越復(fù)雜，穩(wěn)定性越大，水質(zhì)越好[10]。補(bǔ)水顯著改善了水質(zhì)，水體中氮磷營(yíng)養(yǎng)鹽含量降低，受氮磷營(yíng)養(yǎng)鹽濃度等環(huán)境因子影響三條河流補(bǔ)水河段浮游植物豐度均低于未補(bǔ)水河段，生物多樣性指數(shù)均高于未補(bǔ)水河段。

2.3 浮游動(dòng)物

浮游動(dòng)物同樣以2019年調(diào)查期間同一河流未補(bǔ)水河段作為參照，與未補(bǔ)水河段相比，補(bǔ)水河段浮游動(dòng)物豐度明顯降低，2020年與2019年相比，滏陽(yáng)河和滹沱河浮游動(dòng)物密度均明顯降低，南拒馬河略有升高；滏陽(yáng)河與南拒馬河補(bǔ)水后浮游動(dòng)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(bǔ)水河段生物多樣性略低于未補(bǔ)水河段(見(jiàn)圖6和圖7)。

圖6 補(bǔ)水前后三條河流浮游動(dòng)物豐度變化

圖7 補(bǔ)水前后三條河流浮游動(dòng)物生物多樣性變化

浮游動(dòng)物是水生態(tài)系統(tǒng)的次級(jí)生產(chǎn)力，在水生態(tài)系統(tǒng)中也起著重要的作用[11]，水體中浮游動(dòng)物的數(shù)量消長(zhǎng)與水質(zhì)污染的程度密切相關(guān)，利用浮游動(dòng)物群落結(jié)構(gòu)的綜合指標(biāo)可以評(píng)價(jià)水質(zhì)及其變化趨勢(shì)[12]。相關(guān)研究結(jié)果表明浮游動(dòng)物總豐度與各項(xiàng)反應(yīng)水體營(yíng)養(yǎng)狀況的重要指標(biāo)基本成正相關(guān)，尤其與葉綠素 a、高錳酸鹽指數(shù)、總磷的正相關(guān)系數(shù)較高[13]，本研究中浮游動(dòng)物總豐度與總磷的關(guān)系也呈一定的正相關(guān)關(guān)系，浮游動(dòng)物總豐度變化趨勢(shì)與總磷濃度變化趨勢(shì)相同，均為補(bǔ)水河段顯著低于未補(bǔ)水河段。生物多樣性指數(shù)受其他因素影響，與總豐度和總磷含量相關(guān)性不高。

2.4 底棲動(dòng)物

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

圖8 補(bǔ)水前后三條河流浮游動(dòng)物生物多樣性變化

大型底棲動(dòng)物作為魚(yú)類(lèi)等捕食者的重要食物來(lái)源以及浮游植物等初級(jí)生產(chǎn)力的捕食者，是食物鏈的中間環(huán)節(jié)和水生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，在水生態(tài)系統(tǒng)的物質(zhì)循環(huán)和能量流動(dòng)過(guò)程中起到承上啟下的作用[14]。大型底棲動(dòng)物對(duì)環(huán)境變化敏感，遷移能力有限，其生長(zhǎng)、繁殖、群落演替以及群落結(jié)構(gòu)的變化易受水質(zhì)、水深、水溫和底質(zhì)等環(huán)境因子影響[15]，補(bǔ)水顯著改善了河流水質(zhì)、水深及水面面積，因此三條河流補(bǔ)水河段的底棲生物多樣性指數(shù)均較未補(bǔ)水河段均有一定程度的升高，2020年現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查期間發(fā)現(xiàn)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(zhì)遭受到一定的破壞，因此2020年滹沱河底棲生物多樣性指數(shù)較未補(bǔ)水河段略有下降。

2.5 魚(yú)類(lèi)

魚(yú)類(lèi)同樣以2019年調(diào)查期間同一河流未補(bǔ)水河段作為參照，與未補(bǔ)水河段相比，補(bǔ)水河段魚(yú)類(lèi)多樣性指數(shù)均有一定上升(圖9)，滏陽(yáng)河和南拒馬河2020年魚(yú)類(lèi)多樣性指數(shù)均高于2019年，而滹沱河2020年魚(yú)類(lèi)多樣性指數(shù)較2019年略有降低。

圖9 補(bǔ)水前后三條河流魚(yú)類(lèi)生物多樣性變化

魚(yú)類(lèi)是河流生態(tài)系統(tǒng)中的高級(jí)消費(fèi)者，具有較長(zhǎng)的生活史，受到某種污染物的干擾后能夠直觀(guān)地表現(xiàn)在生理指標(biāo)、外觀(guān)、活動(dòng)情況上[16]，魚(yú)類(lèi)個(gè)體相對(duì)較大，易于觀(guān)測(cè)和鑒別，因此將其作為水環(huán)境狀況的重要指示物種之一[17]。隨著補(bǔ)水的進(jìn)行，河流受污染程度減輕，河流水質(zhì)顯著改善，因此魚(yú)類(lèi)多樣性指數(shù)也呈現(xiàn)上升趨勢(shì)；底棲動(dòng)物作為魚(yú)類(lèi)的重要食物來(lái)源，對(duì)魚(yú)類(lèi)也具有一定程度的影響，滹沱河魚(yú)類(lèi)受底棲動(dòng)物影響，2020年與2019年魚(yú)類(lèi)多樣性指數(shù)變化趨勢(shì)與底棲動(dòng)物基本一致。

3 結(jié)語(yǔ)

地下水回補(bǔ)顯著改善了補(bǔ)水河段河流水質(zhì)和水生生物狀況，使得水體中氮磷營(yíng)養(yǎng)鹽含量降低；受水體營(yíng)養(yǎng)鹽等環(huán)境因子影響，水中浮游植物和浮游動(dòng)物密度均顯著降低，水體營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)從富營(yíng)養(yǎng)型向中富營(yíng)養(yǎng)型/中營(yíng)養(yǎng)型轉(zhuǎn)化；底棲動(dòng)物和魚(yú)類(lèi)多樣性也有一定程度的升高；隨著補(bǔ)水持續(xù)進(jìn)行，補(bǔ)水河段河流水質(zhì)和水生生物狀況持續(xù)向好。