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《海河流域水環境變化規律及風險評價》基於流域水資源短缺、水環境惡化和生態系統退化交互作用機理，揭示了海河流域特徵有機、無機以及新型污染物變化規律，提出了耦合水質-水量-水生態的流域水環境風險評價模型與方法體系，創建了在流域、子流域和生態單元不同尺度上流域水環境風險評價理論框架，並在海河流域、灤河流域和河口不同尺度下進行了案例研究；建立了流域濕地生態系統健康評價體系，並對城市水系和白洋淀水生態健康進行了評價；探討了海河流域地下水水質、水量變化、對生態環境的影響及對策，提出了海河流域水環境管理模式，對流域水資源持續利用具有重要意義。《海河流域水環境變化規律及風險評價》可供環境科學與工程、生態學、水資源管理和水利學等領域的研究人員以及高等院校相關專業的師生參考使用。·
名人/編輯推薦
《海河流域水環境變化規律及風險評價》可供環境科學與工程、生態學、水資源管理和水利學等領域的研究人員以及高等院校相關專業的師生參考使用。
目次
前言第1章 緒論1.1 研究背景與意義1.2 理論基礎1.3 研究框架第2章 海河流域水環境變化機制2.1 流域水環境特徵污染物篩選2.2 特徵污染物的環境行為2.3 流域水環境污染的時空變化規律及生態效應2.4 海河流域新型污染的變化特徵第3章 海河流域典型生態單元水環境變化3.1 子流域／水系3.2 湖泊3.3 水庫3.4 河口濕地3.5 城市——以北京市為例第4章 海河流域水環境承載力及城市水代謝系統動態仿真模型4.1 流域／區域水環境承載力量化模型4.2 海河流域典型城市水代謝系統動態仿真4.3 基於水代謝的海河流域典型城市環境承載力動態仿真第5章 海河流域水環境風險評估5.1 流域尺度綜合評價5.2 子流域尺度相對風險評價5.3 海河河口水環境風險評價5.4 水環境風險安全閾值5.5 水環境風險管理對策第6章 流域水環境問題診斷方法及管理模式6.1 流域水環境質量模型6.2 城市水系健康評價模式6.3 白洋澱濕地生態健康評價6.4 流域水環境管理模式第7章 海河流域地下水環境變化規律7.1 海河流域地下水水量變化7.2 海河流域地下水水質變化7.3 對生態環境的影響7.4 對策與建議第8章 結論與展望8.1 結論8.2 創新點8.3 展望主要參考文獻彩圖·
書摘/試閱
第1章 緒 論
1.1 研究背景與意義
高密度的人口分布及各種經濟社會活動對水循環的擾動強烈，使得流域水資源供需矛盾加大，水環境污染加重，生態退化，流域水環境風險劇增。
海河流域山區植被破壞、平原圍墾洼淀、修筑堤防和開挖新河，加速了地表徑流的循環過程，使地下徑流減少，形成了中國最大的地下水開采漏斗區；圍墾湖淀、開挖新河過度開發了流域水資源量，同時改變了土地利用類型；筑堤防、建水庫，改變了水資源分布，中斷了地表徑流循環。工農業快速發展，使得大量污水排入海河，造成了海河流域水環境復合污染嚴重。根據中國環境狀況公報，海河流域常規污染居七大流域之首，但對于流域內持久性難降解有機污染物（POPs）、重金屬污染及新型污染物的分布規律及污染程度仍不明確。因此，常規監測項目并不能完全揭示出海河流域實際污染狀況，而POPs、重金屬以及新型污染物等毒性大、危害強的污染物更應引起廣泛的關注。
1.1.1 海河流域概況
海河流域地處我國華北平原，位于東經112°～120°，北緯35°～43°，東臨渤海，西倚太行，南界黃河，北接內蒙古高原，地跨八省（自治區、直轄市），包括北京、天津、河北大部，山西的東部、東北部，山東、河南兩省北部以及內蒙古和遼寧的一小部。流域總面積31.82萬km2，占國土面積的3.3%（圖1.1）。
全流域總的地勢是西北高東南低，大致分高原、山地及平原三種地貌類型。西部為山西高原和太行山區，北部為蒙古高原和燕山山區，面積18.94萬km2，占全流域面積的60%；東部和東南部為平原，面積12.84萬km2，占全流域面積的40%。流域內北有燕山，西北有軍都山，西有五臺山、太行山，海拔一般在1000m上下，最高的五臺山達3058m。這些山脈環抱著平原，形成一道高聳的屏障。山地與平原近于直接交接，丘陵過渡區甚短。山地高原內有張宣、陽蔚、涿懷延、大同、忻定、長治等盆地。
流域屬于溫帶東亞季風氣候區。冬季受西伯利亞大陸性氣團控制，寒冷少雪；春季受蒙古大陸性氣團影響，氣溫回升快，風速大，氣候干燥，蒸發量大，往往形成干旱天氣；夏季受海洋性氣團影響，比較濕潤，氣溫高，降雨量多，且多暴雨，但因歷年夏季太平洋副熱帶高壓的進退時間、強度、影響范圍等很不一致，致使降雨量的變差很大，旱澇時有發生；秋季為夏冬的過渡季節，一般年份秋高氣爽，降雨量較少。流域年平均氣溫在1.5～14℃，年平均相對濕度為50%～70%；1956～2005年海河流域多年平均降水量480mm，總水資源量248億m3/a，屬半濕潤半干旱地帶；年平均陸面蒸發量470mm，水面蒸發量1100mm，年平均無霜期150～220天，年平均日照數2500～3000小時。一年四季分明，寒冷適中，日照充足，適宜許多植物生長。
海河流域包括海河北系、海河南系、灤河和徒駭馬頰河四大水系、七大河系、10條骨干河流。其中，海河南系和海河北系是主要水系，由北部的薊運河、潮白河、北運河、永定河和南部的大清河、子牙河、漳衛河組成；灤河水系包括灤河及冀東沿海諸河；徒駭馬頰河水系位于流域最南部，為單獨入海的平原河道。
1.1.2 海河流域水環境與水資源現狀
1.水污染嚴重
1）污染物排放量大，復合污染加劇
進入20世紀80年代中期，隨著經濟體制改革的深入發展和工業體系的進一步完善，全流域工業得到了迅速的發展，同時，鄉鎮企業在新的形勢下如雨后春筍般發展起來，工業的發展帶來了非常大的環境壓力，特別是效益低、污染重、分布廣的鄉鎮企業更是對環境造成了極大的危害。海河流域的廢污水排放量逐年增加，水污染給生態環境造成了極大的危害，而且對人類產生了直接的傷害，所以受到公眾和政府越來越高的重視。隨著人們環保意識的提高，政府也加大了污水治理力度，20世紀90年代后水污染狀況有所好轉，但污染形勢仍不容樂觀。
從1980年起，海河流域的廢污水排放量逐年增加，呈直線上升趨勢（圖1.2）。1980年總排放量為27.7億m3，到2000年增加至56.3億m3，2001年以后由于工業廢水排放量的減少而降低，2005年為44.85億m3，2006年有所增長，為48.28億m3。其中，工業廢水排放量從1980年的20.4億m3增加到1995年的40.2億m3，之后由于企業環保意識的增強和治理措施的加強，2006年排放量下降到28.1億m3。生活污水排放量隨著流域人口的增加而不斷增加，1980～2003年從7.3億m3增加至21.6億m3，幾乎增長了3倍。進入20世紀90年代后，流域人口增長趨勢減緩，再加上人們節水意識的增強，2004年以后生活污水排放量開始有下降趨勢，但2006年又上升至20.2億m3（圖1.3）。
海河流域重污染行業主要為造紙業、醫藥制造業、化工制造業和電力業（表1.1）。4個重污染行業對海河的化學需氧量（COD）貢獻率為71.7%，氨氮貢獻率為61.6%，經濟貢獻率為21.6%。據2003年環境統計年報與上年相比，食品制造業對海河流域的COD貢獻率下降最快，由上年的6.3%降至本年的1.9%；而電力業的COD貢獻率則由上年的3.4%增至本年的5.7%。工業廢水排放達標率為95.1%，重污染行業廢水排放達標率為95.4%。2003年廢水排放量36.7億t，其中，工業廢水16.0億t，生活廢水20.7億t。
COD總量113.4萬t，其中，工業COD50.2萬t，生活COD63.2萬t；氨氮總量10.8萬t，其中，工業氨氮4.4萬t，生活氨氮6.4萬t。海河流域接納廢水中工業COD濃度高于生活COD濃度，因此流域污染治理重心應繼續放在對工業企業的治理和監控上。工業COD比率12.4%，廢水治理投資比率18.1%。海河投資比重相對高一些，這與國家對重點流域的治理力度較大有一定關系。
2000年海河流域非點源污染物產生量COD737.75萬t，氨氮76.07萬t，總氮216.65萬t，總磷68.66萬t。COD和氨氮主要來自畜禽養殖污水，占76%，氨氮占73.5%。總氮、總磷是湖泊富營養化的重要因子，主要來自畜禽養殖和化肥使用。
2）污染范圍廣，程度重
20世紀80年代以后，隨著工農業迅速發展，工礦企業廢水和城鎮生活污水大量增加。20多年來，海河流域水污染已由局部發展到全流域，由下游蔓延到上游，由城市擴散到農村，由地表延伸到地下。在全流域全年評價的河長中，1980～1998年，受污染河長比例從28.0%升高至75.0%，1998～2006年，受污染河長比例有所降低，但都保持在60%以上，呈現“有河皆污”的惡劣局面，其中永定河、漳衛南運河、徒駭馬頰河水系幾乎全河系都受到污染。相對來說，灤河、北三河、大清河水系水質較好，還各有約40%的河流未受污染，主要是位于上游山區的河流。各水系平原河道均污染嚴重，海河干流也受到嚴重污染，需要定期引入灤水維持環境。
1998年海河流域評價河長中受到污染的河長（水質劣于Ⅲ類）達75%，其中嚴重污染（劣Ⅴ類）的河長高達到65%。以后有減少趨勢，但不明顯，污染仍然嚴重，2006年嚴重污染的河長約占60%。這是因為在流域中下游河道基本沒有基流，城市廢污水得不到稀釋，河道污染非常嚴重，有的河段COD濃度超過100mg/L，水體呈醬油色。水體以有機污染為主，主要污染物為COD、氨氮、揮發酚。豐、枯水期水質相比，枯水期污染河長比例比豐水期略高（圖1.4）。
2006年海河流域水質狀況整體較差，依然有將近70%的評價河長受到不同程度的污染。與2005年度評價結果相比，未受污染的河長比例減少了9.7%，嚴重受污染的河長所占比例增加了1.0%。各主要河流水質受耗氧有機項目污染較普遍而且嚴重，主要的超標項目有氨氮、化學需氧量、高錳酸鹽指數、揮發酚、五日生化需氧量、氟化物、總磷和硫化物，部分河段溶解氧、鎘、汞、鉛、砷、鉻（六價）、石油類等有超標現象（圖1.5）。
灤河及冀東沿海諸河、北三河和大清河水質狀況較好，未受污染的河長比例超過40%，其中以大清河水系水質狀況最好，有49.7%的河長未受污染。子牙河、漳衛南運河和徒駭馬頰河嚴重污染的河長均超過60%，其中徒駭馬頰河全年處于嚴重污染狀態（圖1.6）。
3）水體自凈能力差，環境容量小
由于水存量較少，基本上沒有徑流及流動性差等原因，自凈能力弱；又由于污染物進入后，無法通過自然途徑排除，沉積在河道底部，造成水體的第二次污染。
2.水量極度匱乏
1）水資源量少
海河流域總體上屬于資源型缺水地區。1956～2005年水文系列總水資源量248億m3。
人均總水資源占有量305m3，僅為全國平均的1/7，世界平均的1/27，遠低于人均1000m3的國際水資源緊缺標準；畝均水資源量225m3，為全國的1/8。在全國各大流域中，海河流域的人均、畝均水資源量最低。
海河流域多年平均降水量539mm，其中，山區527mm，平原566mm。從5年滑動平均降水量分析，1956～1965年年均降水量在585～587mm，屬豐水段；1966～1980年年均降水量在529～557mm，屬平水段；1981～1985年年均降水量486mm，屬枯水段；1986～1994年年均降水量在522～526mm，屬平水段；1998～2005年年均降水量478～485mm，屬枯水段。1999年降水量僅385毫米，比多年平均降水量少30%，屬特枯年份，全流域旱情嚴重（圖1.7）。
《海河流域水資源公報2005年》的統計資料表明，2005年全流域天然年徑流量為121.86億m3，山丘區地下水資源量為103.94億m3，山丘區河川基流量為57.53億m3，平原區降雨入滲補給量為99.31億m3，平原區降雨入滲補給形成的河道排泄量為0.12億m3，地下水資源與地表水資源不重復量為133.43億m3，全流域水資源總量為267.47億m3，水資源量呈現下降趨勢。1998～2006年海河流域各水系地表水資源量、地下水資源量以及全流域水資源量變化情況分別如圖1.8、圖1.9和圖1.10所示。
2）水資源開發利用程度高
據統計，目前海河流域的總供水量為402億m3，流域水資源開發利用率達98%，是全國10個水資源一級區中最高的，開發利用率遠遠超出國際公認的40%的上限。
1.1 研究背景與意義
高密度的人口分布及各種經濟社會活動對水循環的擾動強烈，使得流域水資源供需矛盾加大，水環境污染加重，生態退化，流域水環境風險劇增。
海河流域山區植被破壞、平原圍墾洼淀、修筑堤防和開挖新河，加速了地表徑流的循環過程，使地下徑流減少，形成了中國最大的地下水開采漏斗區；圍墾湖淀、開挖新河過度開發了流域水資源量，同時改變了土地利用類型；筑堤防、建水庫，改變了水資源分布，中斷了地表徑流循環。工農業快速發展，使得大量污水排入海河，造成了海河流域水環境復合污染嚴重。根據中國環境狀況公報，海河流域常規污染居七大流域之首，但對于流域內持久性難降解有機污染物（POPs）、重金屬污染及新型污染物的分布規律及污染程度仍不明確。因此，常規監測項目并不能完全揭示出海河流域實際污染狀況，而POPs、重金屬以及新型污染物等毒性大、危害強的污染物更應引起廣泛的關注。
1.1.1 海河流域概況
海河流域地處我國華北平原，位于東經112°～120°，北緯35°～43°，東臨渤海，西倚太行，南界黃河，北接內蒙古高原，地跨八省（自治區、直轄市），包括北京、天津、河北大部，山西的東部、東北部，山東、河南兩省北部以及內蒙古和遼寧的一小部。流域總面積31.82萬km2，占國土面積的3.3%（圖1.1）。
全流域總的地勢是西北高東南低，大致分高原、山地及平原三種地貌類型。西部為山西高原和太行山區，北部為蒙古高原和燕山山區，面積18.94萬km2，占全流域面積的60%；東部和東南部為平原，面積12.84萬km2，占全流域面積的40%。流域內北有燕山，西北有軍都山，西有五臺山、太行山，海拔一般在1000m上下，最高的五臺山達3058m。這些山脈環抱著平原，形成一道高聳的屏障。山地與平原近于直接交接，丘陵過渡區甚短。山地高原內有張宣、陽蔚、涿懷延、大同、忻定、長治等盆地。
流域屬于溫帶東亞季風氣候區。冬季受西伯利亞大陸性氣團控制，寒冷少雪；春季受蒙古大陸性氣團影響，氣溫回升快，風速大，氣候干燥，蒸發量大，往往形成干旱天氣；夏季受海洋性氣團影響，比較濕潤，氣溫高，降雨量多，且多暴雨，但因歷年夏季太平洋副熱帶高壓的進退時間、強度、影響范圍等很不一致，致使降雨量的變差很大，旱澇時有發生；秋季為夏冬的過渡季節，一般年份秋高氣爽，降雨量較少。流域年平均氣溫在1.5～14℃，年平均相對濕度為50%～70%；1956～2005年海河流域多年平均降水量480mm，總水資源量248億m3/a，屬半濕潤半干旱地帶；年平均陸面蒸發量470mm，水面蒸發量1100mm，年平均無霜期150～220天，年平均日照數2500～3000小時。一年四季分明，寒冷適中，日照充足，適宜許多植物生長。
海河流域包括海河北系、海河南系、灤河和徒駭馬頰河四大水系、七大河系、10條骨干河流。其中，海河南系和海河北系是主要水系，由北部的薊運河、潮白河、北運河、永定河和南部的大清河、子牙河、漳衛河組成；灤河水系包括灤河及冀東沿海諸河；徒駭馬頰河水系位于流域最南部，為單獨入海的平原河道。
1.1.2 海河流域水環境與水資源現狀
1.水污染嚴重
1）污染物排放量大，復合污染加劇
進入20世紀80年代中期，隨著經濟體制改革的深入發展和工業體系的進一步完善，全流域工業得到了迅速的發展，同時，鄉鎮企業在新的形勢下如雨后春筍般發展起來，工業的發展帶來了非常大的環境壓力，特別是效益低、污染重、分布廣的鄉鎮企業更是對環境造成了極大的危害。海河流域的廢污水排放量逐年增加，水污染給生態環境造成了極大的危害，而且對人類產生了直接的傷害，所以受到公眾和政府越來越高的重視。隨著人們環保意識的提高，政府也加大了污水治理力度，20世紀90年代后水污染狀況有所好轉，但污染形勢仍不容樂觀。
從1980年起，海河流域的廢污水排放量逐年增加，呈直線上升趨勢（圖1.2）。1980年總排放量為27.7億m3，到2000年增加至56.3億m3，2001年以后由于工業廢水排放量的減少而降低，2005年為44.85億m3，2006年有所增長，為48.28億m3。其中，工業廢水排放量從1980年的20.4億m3增加到1995年的40.2億m3，之后由于企業環保意識的增強和治理措施的加強，2006年排放量下降到28.1億m3。生活污水排放量隨著流域人口的增加而不斷增加，1980～2003年從7.3億m3增加至21.6億m3，幾乎增長了3倍。進入20世紀90年代后，流域人口增長趨勢減緩，再加上人們節水意識的增強，2004年以后生活污水排放量開始有下降趨勢，但2006年又上升至20.2億m3（圖1.3）。
海河流域重污染行業主要為造紙業、醫藥制造業、化工制造業和電力業（表1.1）。4個重污染行業對海河的化學需氧量（COD）貢獻率為71.7%，氨氮貢獻率為61.6%，經濟貢獻率為21.6%。據2003年環境統計年報與上年相比，食品制造業對海河流域的COD貢獻率下降最快，由上年的6.3%降至本年的1.9%；而電力業的COD貢獻率則由上年的3.4%增至本年的5.7%。工業廢水排放達標率為95.1%，重污染行業廢水排放達標率為95.4%。2003年廢水排放量36.7億t，其中，工業廢水16.0億t，生活廢水20.7億t。
COD總量113.4萬t，其中，工業COD50.2萬t，生活COD63.2萬t；氨氮總量10.8萬t，其中，工業氨氮4.4萬t，生活氨氮6.4萬t。海河流域接納廢水中工業COD濃度高于生活COD濃度，因此流域污染治理重心應繼續放在對工業企業的治理和監控上。工業COD比率12.4%，廢水治理投資比率18.1%。海河投資比重相對高一些，這與國家對重點流域的治理力度較大有一定關系。
2000年海河流域非點源污染物產生量COD737.75萬t，氨氮76.07萬t，總氮216.65萬t，總磷68.66萬t。COD和氨氮主要來自畜禽養殖污水，占76%，氨氮占73.5%。總氮、總磷是湖泊富營養化的重要因子，主要來自畜禽養殖和化肥使用。
2）污染范圍廣，程度重
20世紀80年代以后，隨著工農業迅速發展，工礦企業廢水和城鎮生活污水大量增加。20多年來，海河流域水污染已由局部發展到全流域，由下游蔓延到上游，由城市擴散到農村，由地表延伸到地下。在全流域全年評價的河長中，1980～1998年，受污染河長比例從28.0%升高至75.0%，1998～2006年，受污染河長比例有所降低，但都保持在60%以上，呈現“有河皆污”的惡劣局面，其中永定河、漳衛南運河、徒駭馬頰河水系幾乎全河系都受到污染。相對來說，灤河、北三河、大清河水系水質較好，還各有約40%的河流未受污染，主要是位于上游山區的河流。各水系平原河道均污染嚴重，海河干流也受到嚴重污染，需要定期引入灤水維持環境。
1998年海河流域評價河長中受到污染的河長（水質劣于Ⅲ類）達75%，其中嚴重污染（劣Ⅴ類）的河長高達到65%。以后有減少趨勢，但不明顯，污染仍然嚴重，2006年嚴重污染的河長約占60%。這是因為在流域中下游河道基本沒有基流，城市廢污水得不到稀釋，河道污染非常嚴重，有的河段COD濃度超過100mg/L，水體呈醬油色。水體以有機污染為主，主要污染物為COD、氨氮、揮發酚。豐、枯水期水質相比，枯水期污染河長比例比豐水期略高（圖1.4）。
2006年海河流域水質狀況整體較差，依然有將近70%的評價河長受到不同程度的污染。與2005年度評價結果相比，未受污染的河長比例減少了9.7%，嚴重受污染的河長所占比例增加了1.0%。各主要河流水質受耗氧有機項目污染較普遍而且嚴重，主要的超標項目有氨氮、化學需氧量、高錳酸鹽指數、揮發酚、五日生化需氧量、氟化物、總磷和硫化物，部分河段溶解氧、鎘、汞、鉛、砷、鉻（六價）、石油類等有超標現象（圖1.5）。
灤河及冀東沿海諸河、北三河和大清河水質狀況較好，未受污染的河長比例超過40%，其中以大清河水系水質狀況最好，有49.7%的河長未受污染。子牙河、漳衛南運河和徒駭馬頰河嚴重污染的河長均超過60%，其中徒駭馬頰河全年處于嚴重污染狀態（圖1.6）。
3）水體自凈能力差，環境容量小
由于水存量較少，基本上沒有徑流及流動性差等原因，自凈能力弱；又由于污染物進入后，無法通過自然途徑排除，沉積在河道底部，造成水體的第二次污染。
2.水量極度匱乏
1）水資源量少
海河流域總體上屬于資源型缺水地區。1956～2005年水文系列總水資源量248億m3。
人均總水資源占有量305m3，僅為全國平均的1/7，世界平均的1/27，遠低于人均1000m3的國際水資源緊缺標準；畝均水資源量225m3，為全國的1/8。在全國各大流域中，海河流域的人均、畝均水資源量最低。
海河流域多年平均降水量539mm，其中，山區527mm，平原566mm。從5年滑動平均降水量分析，1956～1965年年均降水量在585～587mm，屬豐水段；1966～1980年年均降水量在529～557mm，屬平水段；1981～1985年年均降水量486mm，屬枯水段；1986～1994年年均降水量在522～526mm，屬平水段；1998～2005年年均降水量478～485mm，屬枯水段。1999年降水量僅385毫米，比多年平均降水量少30%，屬特枯年份，全流域旱情嚴重（圖1.7）。
《海河流域水資源公報2005年》的統計資料表明，2005年全流域天然年徑流量為121.86億m3，山丘區地下水資源量為103.94億m3，山丘區河川基流量為57.53億m3，平原區降雨入滲補給量為99.31億m3，平原區降雨入滲補給形成的河道排泄量為0.12億m3，地下水資源與地表水資源不重復量為133.43億m3，全流域水資源總量為267.47億m3，水資源量呈現下降趨勢。1998～2006年海河流域各水系地表水資源量、地下水資源量以及全流域水資源量變化情況分別如圖1.8、圖1.9和圖1.10所示。
2）水資源開發利用程度高
據統計，目前海河流域的總供水量為402億m3，流域水資源開發利用率達98%，是全國10個水資源一級區中最高的，開發利用率遠遠超出國際公認的40%的上限。
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