人类活动对水文生态系统的影响

人类活动对水文生态系统的影响

（以热电站和采矿为例）

А.Б·里森科夫^[1]

（俄罗斯国立地质勘探大学水文地质系教授）

※本文根据作者多媒体讲座整理，未经作者审阅。

【摘　要】水文生态系统是由水文系统和生态系统复合而成的复杂巨系统。水文生态学是一门多学科交叉的新兴学科，其理论正在逐步完善中。本文简要地阐述了人类活动对水文生态系统的影响，并以热电站、人为采矿为例，介绍了不合理的开采地下水，不注重生态环境保护，给水文生态系统带来的负面效应。

【关键词】水文生态系统，热电站，采矿，负面效应

The effects of human activity on hydroecology system

（The cases studies of heat and power station and mining）

A.B.Lisenkov（ЛисёнковА.Б.）

（Russia　State University of Geosciences）

【Abstract】Hydroecology system is a complex huge system，composed of hydrology system and ecology system.It is amultidisciplinary new science，so its theories will be improving gradually.The composition of hydroecology system，the hydrological concept model and the hydroecology system transformation under the influence of anthropogenic load were introduced in this paper.We took catchmentarea，heat and power station and municipal landfillas examples to introduce the negative effects of hydroecology system because of unreasonable groundwater exploitation and ignoring eco－environmental protection.The necessary information for hydroecology simulation was introduced in the last part of the paper.

【Key words】hydroecology system，heat and power station，mining，negative effect

水文生态系统是一种开放式的动态系统，它主要由4个子系统组成:水文地质子系统、地貌气候子系统、生态子系统和人类活动子系统。在各种人类活动综合作用下，水文生态系统的状态和系统结构改变，发生转化并产生响应，对生态、社会进而对经济产生影响。

1.热电站对水文生态系统的影响

动力装备，是任何一个国家发展的重要指标之一，由此，研究能源课题的数量迅速增加。

在生态系统中，一个重要的部分是依靠天然气和核电站运营的热电站。污染最严重的是采用煤炭燃烧的热能中心。20世纪80年代末，俄罗斯人普遍认为上世纪挖掘石炭是不经济的，于是开始封闭煤井（80年代末～90年代初）。然而事实证明，世界各国为将煤作为热能，很早就对煤储量进行了探查。目前西伯利亚、波兰、德国、挪威、中国和其他国家的煤的储量足够用几十年甚至更长，而煤的焦化产品也是最有效的燃料之一。

总的来说，热能中心占能源输出的80%，在中国为90%（其中热能中心主要依靠天然气和石油）。由此可见，热能中心对全球十分重要，但也会对全球生态环境带来非常大的负面影响。

水文生态－热能中心的概念模型

从生态系统层面看，热能中心与水文生态系统有以下的相互作用的关系（图1）。该框图表明，热能中心的废弃物主要通过以下两种形式排出:

（1）排放到大气；

（2）储存于灰转储容器（储存灰渣的大容器，储藏着热电站的排放物，对水文生态系统会造成影响）。

图1　热能中心与水文生态系统相互作用的关系图

Fig.1　The interaction between heat energy centre and hydroecology system

在图2中，灰场面积达到200～500hm²，烟囱高度50m。

全球灰场总面积约2000km²，热能中心灰和炉渣的总排量约5亿t。在俄罗斯，热能中心的灰和炉渣总排量约6千万t；在美国，热能中心的灰和炉渣总排量约6500～7000万t。

灰场的负面影响主要表现在:

（1）水文方面，导致全球气候异变，使地下水位上涨2～3m，引发洪涝灾害。

（2）水热方面，在距离堆渣场800～900m处，水的温度与背景值相比，上升7～10℃。这带来了如下三种情况:

1－锅炉　　　　　2－烟道　　　3－烟筒　　　4－集灰器　　　5－清灰道
6－喷嘴　7－粉碎机8－泵　9－集渣槽　10－格栅
11－炉渣粉碎机　12－喷灰口（输送粉状燃料）　　13－增压管　14－泥浆流
15－表土层斜坡　16－沉淀池　17－排水池　18－供水泵站　19－堆渣坝
20－净水管21－回收管
1－boiler　2－flue　3－chimney　4－cinder trap　5－ash－cleaning passage
6－nozzle　7－disintegrator　8－pump　9－material debris chute　10－grid11－cindermi
ll　12－ash sprayer（deliver powdery fuel）　13－booster tube
14－mud flow　15－topsoil slope　16－sedimentation tank　17－drain tank
18－water supply pumping station　19－slag heap dam　20－water purification pipe21－recovery circuit

图2　热能中心主要污染物的循环图

Fig.2　The main contaminant cycle in heat energy centre

①使水中的溶解氧含量减少；

②水文生态系统中的水平衡被破坏；

③水中产生了大量微生物群和微动物群（水发绿）。

（3）水文化学:地下水质量指标变坏（总硬度，pH，SO₄²－，Cl^－；F，AS，V，Ti，B，Mo，Fe，Cr等元素；重金属Mn，Pb，Cd，Hg等，均超过最高允许含量）。

评价产生污染的水文地质条件和污染的特点时必须考虑:

①固体燃料和灰渣废物的特征；

②灰转储的设计特点。

在20世纪70～80年代，从水文技术的角度提出了灰转储对环境的影响问题，主要评价:

（1）水文生态环境的稳定性；

（2）灰转储对环境影响的可能性。

保护措施为:

（1）为了防止地表水体和地表径流的污染，应调试回收水和用水的系统；

（2）通过构筑水井降低地下水位；修筑堤岸防止渗漏和淹没，以加强保护。

因此，建议在保护措施中，对灰转储应建立防渗屏障。这虽然增加了成本，但灰转场沉淀后，其澄清液不会对周边造成影响。澄清液的矿化度通常就是几个g/L，工业废水中矿化度值一般为10～100g/L。

初步研究表明，在灰转场的澄清水中，所检测到的矿化度、总硬度、SO₄²－、Cl^－超过最高允许含量，但是超标不多，仍属于“基本清洁”。在这种情况下，可以说避免了灰场的影响，从而降低了建设防护工程的施工成本。评价灰场内潜水的污染情况时，首先要考虑到稀释作用。

20世纪80年代，俄罗斯比较注意详细地研究灰转场地下水的矿化度成分。研究发现，高浓度的元素有:F，Mn，As，V，Cd，Hg，Pb，Sr，B，Ba，Zn，Ti。在美国，这个问题被单独列出。研究表明，热电站棕色煤的灰渣影响地下水的化学组成（首先是硫酸＞500mg/L），重金属中的老三样（Cd，Hg，Pb）也有可能会造成地下水的污染。

地下水污染的指标:

地下水污染后，以下指标会发生变化:

（1）地下水的矿化度增加；

（2）地下水的总硬度增加（对于富含Ca^2＋的煤）；

（3）地下水的SO₄²－，Cl^－浓度增加。

如果没有Ca^2＋的煤，那么在其成分中会有很多的Al－Sb，灰渣不会硬化。当F^－污染时，由于包气带对F^－的运移没有阻滞作用（因为包气带中Ca不会影响水中F^－的浓度），因此F^－污染带达到1.0～1.5km以上。

2.在采矿活动影响下，自然地貌与水文生态系统的相互转化

现代采矿业是开发强度很大的产业。采矿不仅要精选开采的矿藏，而且要采取措施保护环境，修复采矿过程中破坏的地貌。

图3　在自然和采矿活动影响下，地貌和水文生态环境的相互转化

Fig.3　Themutual transformation between geomorphology and hydroecology

图4　地貌子系统中各因子间的相互联系

Fig.4　The interrelations between the factors in subsystem of geomorphology

地貌是总体环境中生态系统的重要组成部分，根据现代的观点，地貌也是土地的一部分。按照各自的成因和发展史，地貌和土地具有共同性:根据地区特征和泛区域特征，地貌特征是地区特征不可分割的一部分；两者具有同一地质基础，同一类型的地貌，同样的气候，同样的热动力条件；同样的土壤，生物群落，最终集于简单的地质综合体内（具有相同的环境要素）。

由于人为采矿，形成硫酸盐类岩溶地貌。图4中，即反映了在人为子系统（采矿）的影响下，地貌子系统中各因子间的相互联系。

别里曼按照地下水的水文地球化学的特点，划分了自然环境和人为环境（由地下水、人为地貌等组成），由此构成了总的地球化学环境（硫酸，酸，碱，潜水层，含钙层等）。

综上所述，生态问题和地质问题存在着相互联系。

硫酸盐类岩溶地貌发生于水岩圈，在这里进行着自然的亚硫酸氧化过程，或者说人为的亚硫酸氧化过程，形成了硫酸性风化地壳和硫酸含水层。

在硫酸盐类岩溶地貌形成过程中，硫酸型地貌富含金属（Fe，Zn，Ag，Pb，Cu），土壤、植物、动物均为低pH值。

类似的地貌发生在一些硫酸盐矿的氧化地区；硫铁矿产地以及人为活动活跃的地区（化肥生产地，重金属加工地，硫矿硫酸盐生产地，采掘区和富含硫酸盐区等）。

（俄译中:李军媛，中译英:王金凤）

【注释】

[1]作者简介:А.Б·里森科夫，俄罗斯自然科学院通讯院士，俄罗斯国立地质大学水文地质系教授。