生态环境对水库的制约及策略

作者：郭家林 王永波 姬菊枝 景学义 单位：哈尔滨市气象局

磨盘山水库是拉林河上一座大型控制性水利枢纽工程,不仅是哈尔滨城市人民生活饮用水的主要源地,也担负着下游用水和防洪调度任务。因此确保水库水量、水质的长期稳定、可靠、安全具有十分重要的意义。磨盘山水库处在张广才岭西北坡下的环型低山区,修建磨盘山水库是全市人民瞩目的大型工程,它位于拉林河干流上游五常市沙河子镇沈家营村上游1.8km处,控制面积为1151km2。水库上游高山峻岭、森林茂密,生态环境优良,具有充足的雨量和一流的水质。因此磨盘山水库作为哈尔滨市的水源地是绝无仅有的选择。

1磨盘山水库区域降水条件分析

由于磨盘山水库1000多km2的集雨区内无国家基本气象观测站,所以无法得到准确的、代表性强的降水资料。因此只有用周边的行业气象站和靠近水库的水文站资料代替进行分析。

1.1降水背景分析按我国的气候带划分,哈尔滨市气候属于中温带大陆性季风气候。降水量的分配极不均匀,夏季雨量充沛,冬季干燥少雨,秋雨多于春雨,春季多发生干旱。月、季、年降水变率最大,易旱易涝。黑龙江省多年降水区域分布表明,伊春、尚志和五常南部是我省3个降雨中心和暴雨中心。用五常市靠近磨盘山水库的几个气象、水文站的降水资料分析如下:五常是我省降水变率最大、暴雨集中的地区之一,平均年降水变率在20%以上,降水最多和最少年雨量相差1倍多;五常市年平均降水量为619.7mm;历史最大降水量为852.2mm,最少降水量为345.8mm;近3a中,2001年降水量为386.9mm,2002年为711.2mm,2003年为573.8mm。而靠近磨盘山水库的龙凤山水库从1992年到2003年的12年间平均年降水量为643.3mm,其中5-9月的雨量占全年雨量的78%;沙河子林业气象站年雨量是670mm;三人班年雨量是644.4mm;沈家营子年雨量是755.9mm。由此可见,五常降雨量的分布是越向西南越靠近张广才岭西北坡雨量越大,估计磨盘山水库集雨区年降水量在750-800mm左右(图略)。

1.2地理环境对降水的影响由于磨盘山水库地处张广才岭西北坡,流坡及水库内地势东南高,向西北逐渐降低,最高处海拔为1682m,整个水库处于山区河谷之中,因此集雨区正处在山区迎风坡处,由于山坡对气流的抬升作用造成该地的多雨形势。另外由于该处森林植被原始状态较好,湿度和蒸腾作用都有利于该地降雨的增多。再者由于磨盘山水库地处我市的最南端,受南来气旋和台风降雨系统影响较多,因此降水明显多于我市北部地区。如2004年7月23日,受北来冷空气与南来气旋影响,五常本站降0.0mm、龙凤山降3.0mm。而磨盘山集雨区普降大雨到大暴雨。其中:南岔为43.2mm,东风工段、白石砬子、凤凰山脚、红旗林场均为100~110mm,曙光林场、亮甸子、大新屯、李小房、铁山、王家街、二愣为67~93mm,沈家营、沙河子、长安、大崴子、向阳山为22~47mm。由此可见,磨盘山水库集雨区与水库下游降水差异还是很大的。

1.3降水量与水库储水量关系的分析磨盘山水库另一个突出的特点在于不像一般水库建在一个江河流域的中间,而是建在流域的源头,由此将会产生一般水库没有的特殊问题。建在流域源头的水库特点是:降水形成的径流快且多;降水形成径流后冲刷、包含的泥沙和有机物没有经过漫长的流域沉淀而直接进入水库,如果上游植被不好,易引起过多的泥沙沉淀物;暴雨引发的洪水和泥石流造成的水库水位的上涨速度快且猛烈。但由于磨盘山水库区域有良好的森林植被,因此进入磨盘山水库的水是非常清澈的。据水文部门测验,磨盘山水库上游水的浊度是1.55度,比松花江(哈尔滨市段)水清近100倍,比国家规定的饮用水标准≤3度还清很多。因此,保护好磨盘山水库的自然环境是至关重要的。由于磨盘山水库的水不是靠外地流来和泉水喷涌形成的,而是靠本地降水形成的,所以磨盘山水库的水量、水质是比较容易测算和控制的。按目前磨盘山水库集雨区面积1151km2,年降水量770mm计算,总集水量为8.86亿m3,若按总雨量的40%形成径流进入水库,则进入水库的水可达3.5亿m3;若按总雨量的60%形成径流,则进入水库的水可达5.3亿m3。如按供应哈市每天90万m3水计算,一年需3.3亿m3,可基本满足供应,但若考虑下游农田灌溉还需0.5亿m3水,拉林河流也需要一定的水量供应、蒸发或遇上干旱年等因素水量将会略显不足。当然这只是从雨量和形成径流的百分比计算估计的结果是这样的,真正准确的数据还要靠实测的河水净流量多少来推算。

1.4未来降水趋势估计虽然气候变化存在许多不确定性,但对全球和中国气候变化未来50~100a的预测表明,全球变暖将会持续下去,而且增暖的速率比过去的100a更快。哈尔滨市20世纪90年代比60年代平均温度上升了1.99℃,增暖主要在冬季。未来30a哈尔滨市将继续保持增暖势头,气候将相当于现在长春—公主岭一带的气候。全球变暖对降水量影响的总趋势是高纬度和热带降水增加,中纬度在冬季降水增加。分析历史上哈尔滨地区的降水基本呈周期性变化,周期基本在12~13a左右。1995年我市进入建国以来第二个“干周期”,目前仍处在少雨期,预计2007年左右降水会有所增加。研究表明,区域降水量如减少10%,河川径流量则会减少25%~35%。另外由于变暖的原因,即使是同样的降水量,由于变暖促使蒸发量加大,因此径流量同样会减少。

2磨盘山水库区域生态环境对水库影响的分析

磨盘山水库所以有如此充沛的雨量和清澈优良的水质,是和水库处于良好的生态环境分不开的。而良好的生态环境主要是靠茂密的森林资源作为生态系统的主要支柱。如果森林环境遭到破坏,那么优良的水库资源也将不复存在。

2.1森林的生态作用森林是陆地生态系统的主体,是地球生物圈的支柱,其生物量占地球全部生物量的90%左右,森林维持着陆地生态系统的平衡。森林对维护全球碳平衡,保护生物多样性,保持水土,涵养水源,防风固沙和提供优良的生态环境起着重要作用。青山保绿水,山青水绿才能风调雨顺,生活安定。人类若没有森林作为保护伞,人类生活水平将会急剧下降,人类文明也会逐渐消失。森林重要的生态功能主要有:(1)大气成分的调节陆地生态系统既可以是大气中主要温室气体的源,也可以是这些气体的汇,因而在调节大气成份组成中起着十分重要的作用。如:林木在光合作用下每吸收CO2计44g,可以释放O2计32g。100m2阔叶林在生长季节,每天能吸收CO2计1000kg。如果森林减少一半就会使大气中的CO2成倍增加。所以森林是生物圈的支柱,亦是主要有效碳库之一[4]。(2)蓄水保水、缓解旱涝等极端水情生态系统的蓄水保水功能是由地上植被和土壤共同作用而决定的。在各类生态系统中,森林的这种功能最强。资料表明,年降雨量1200mm时,有林地区的水分耗失量仅50mm,而无林地区可达600mm,一亩林地比无林地至少多蓄水20m3。如四川曾是我国主要林区之一,而川西森林覆盖率从40%下降到14%后,降雨减少15%~20%,使干旱加剧。(3)防风固沙,保护土地,防止水土流失一般疏透结构的防风林带可使风速减低40%~50%;密集林带可降低风速70%~80%。高大植物的冠盖拦截雨,消弱雨水对土地的直接侵蚀力,减少径流冲刷,植物根系有机械固土作用;根系分泌的有机物胶结土地,使其坚固耐冲刷。(4)保护和维持生物的多样化(5)净化空气、优化水质森林和绿色植物对保持空气清洁和净化大气污染有独特作用(抑尘滞尘、吸收有毒气体、释放有益健康的空气负离子和杀菌剂等)。

2.2森林对气候的影响国内外的许多研究表明:森林不仅能增加降水量,而且还能调节雨水,涵养水源,缓和雨量的高度集中,减少林区水库的洪涝灾害。因此,保护和培育森林,扩大森林面积,是保持良好森林气候和水库水源、水质的重要手段。森林是最高的植被,是一种特殊的下垫面。在成片的森林地区以及林冠层的下部能形成一种特殊的小气候,森林影响气候的主要原因有以下几方面:(1)辽阔的森林面积通过阔叶的大量蒸腾,使森林上空产生大量的水汽,水汽遇冷空气后易凝结产生降水。因此林内的降水一般会比无林地降水多20%~30%。(2)山区经常有雾,当雾很浓的时候,大水滴就会凝聚在树枝、树干、树叶上形成雾雨或树雨,当风力加大时,林内降水就会增多,一般由雾雨造成降水量的增加大于树冠截留的降水量。这种情况使森林内比林外降水多11%~12%(在4~5级风的情况下),平均增长率为6%。(3)连绵不断、高低不等的树冠,阻碍着太阳辐射,使林内气温、地温升温延缓,并降低风速,减少蒸发。另外树林、树叶使降水着地缓慢,减低径流,使降水能充分渗入土中。由于风小林内的蒸发量远远低于林外,因此林内湿度一般比林外高15%~25%。所以森林越好越易于涵养更多的水分。森林是绿色水库之称正是由此而来。对于一般地区(半湿润以下地区)而言,径流=降水量-蒸发量,即:这些地区降水渗透到地下的很少。而对山区林地(湿润地)而言,径流=降水量-蒸发量-地表渗透量。森林越密,蒸发量越小,渗入地下的水越多,森林的贮水功能越强。据有关研究对四川高山森林的测定认为,树冠可截留降水总量的20%~30%,再加上森林下层贮水,每hm2可达240t,渗入地下的水量可占总降水量的50%~70%。(4)森林不断发展根系,穿插交织着土壤,牢固地团聚土块,每年增加的枯枝败叶,厚厚盖着林地,呈现最好的水土保持,形成林地内有大量的蓄水。

2.3毁林对气候的影响森林砍伐可能对降水量产生影响,主要原因包括:一是与草地或的土地相比,森林通过树叶的蒸腾,使其上空的水汽更多;二是森林对太阳辐射的反射率低;三是森林有利于产生降水的动力作用,使降水增加。有资料说,如果亚马逊河流域的森林被砍伐殆尽,南美洲的温度将大大增加,降水将减少20%。

2.4森林资源破坏对环境的影响森林的破坏不仅影响气候,还对整个生态系统造成极大的威胁。森林面积的锐减,使复杂的生态结构遭到破坏,原有的功能消弱,导致生态平衡失调,环境质量退化,引起水土流失,土质沙化,且造成野生动物减少。另外森林的减少也将使泥石流、滑坡等灾害加重,入水库的泥沙增多,调蓄能力降低。2.5水库对气候的影响水库的建设除在水面上空形成水域小气候外,还会影响周边地区的气候,影响的范围和程度与水库的面积有关。一般来说,水库对气候的影响范围较小,主要影响沿岸地区,如造成初霜推迟,终霜提前,无霜期延长,雾日增多,且温度低于远离水库的地区。

3对策建议

综上分析,磨盘山水库有如此好的降水资源,主要是由3个方面组成的。第一磨盘山区域有比较充沛的雨量;第二水库上游有茂密的森林形成的巨大绿色地下水库;第三茂密的森林使水库地区形成降水量多、蒸发量小、风沙小的良好气候条件。要保障磨盘山水库水量、水质的稳定,最重要的是首先保护好磨盘山水库地区的生态环境,采用科学的态度和系统工程方法,做好水库和各项配套工程建设,要着眼于长远利益和社会生态效益,不被眼前一时的利益和好处所迷惑,使磨盘山水库真正成为具有一流的工程质量、一流的生态环境、一流的水质、一流的调控手段的饮水用水库。为此提出如下建议:(1)未来全球变暖,哈尔滨市增温显著,预计未来30a增温幅度在1.5~2.0℃,因此在降雨量不变的前提下,将导致蒸发量加大,河流径流减少已是必然。据预测未来哈尔滨市降水仍呈周期性变化,平均年雨量不会有趋势性增长,但极端多水年和极端少水年及暴雨将会增多,因此防御极端事件发生的措施要增强。(2)磨盘山水库集水区要建成自然保护区。停止一切砍伐森林现象和破坏植被活动,保持森林的自然、原始状态。因为磨盘山水库的良好水质是在现有生态环境下的产物,因此任何改变原始自然现态的做法都是不可取的。同时水库集水区以外的生态环境也应给予相应保护,尤其是水库上游及周边区域。(3)对保证水库的年、月供水量进行科学的周密分析。因为处在不同的降水周期,累计降水量的差异很大,尤其是出现少水时如何满足供水,要有预案,以防措手不及。国内许多缺水的大型水库采用人工增雨解决少水年份水库缺水问题值得参考。另外对气候变暖、中纬度变干,降水和径流的未来发展趋势如何都要有一个科学的预测和评估。(4)由于磨盘山的特殊地理位置,属于源头水库类型。因此在处理清泥沙方面、防泥石流方面、防集中暴雨方面在水库建设期间要给予充分考虑,做到有备无患。(5)要建立水库气象保障服务系统。磨盘山水库是拉林河上一座大型控制性水利枢纽工程。承担着下游防洪调度和对松花江洪峰的消峰作用;解决全市人民的吃水问题和下游农田灌溉三大任务。水库之水天上来,气象与水利历来有着密不可分的关系。如每年雨水的多少,暴雨天气的多少,局地强对流天气出现的频率,这些不仅决定水库的容量,而且对水库蓄水和泄洪调度,水库大坝和下游安全都有着十分重大的影响。为此建立一套水库气象保障服务系统是必不可少的。气象保障服务系统的建立既可为水库施工建设提供适时、可靠、科学的气象资料和预报产品,更可为水库运行后提供日常必须的气象预报服务,为防洪、蓄水、调水、抗灾提供科学信息,并积累长久的气象资料,这些是水库不可缺少的重要建设部分。(6)建立水库生态气候监测网,监视森林、降水、径流和生态等多种变化,为预防水库的各种状况提供预警信号和决策依据。(7)减少人事活动,特别控制旅游人员过多进入磨盘山水库区域。