2 海河流域水循環與水生態環境關聯分析
　　流域的水循環與水生態環境有著極為密切的天然聯系，千萬年來大自然所形成的自然水循環造就了一個地區特有的穩定水生態環境。而近幾十年來由于人類對水資源的大規模開發利用改變了水的自然循環，使一些地區穩定的水生態環境趨于不穩定，并出現流域水生態環境整體退化現象，海河流域就是這樣一個典型。南水北調工程直接對流域進行大規模補水，加大了流域水循環通量，雖然其直接主要供水目標不是流域生態環境，但也會對流域的水生態環境產生一定影響。為了定量研究評估這種影響，首先需要研究流域水循環與水生態環境之間的自然關聯。
　　2.1 流域水循環與水生態環境關聯分析方法
　　為了比較簡單清晰的描述流域總體水循環的狀態及其與水生生態環境的關系，本研究不著眼于流域內降雨、地表水、地下水和土壤水之間的轉換關系，而以整個流域為一個單元，以年為尺度，重點描述流域各種水量變化與各種耗水之間的關系，以揭示水循環過程、狀態與水生態環境演變的宏觀關聯。
　　研究的方法是在水平方向以流域邊界為界，在豎直方向以深層地下水上隔水層為下邊界，以地表及其附屬物、植被為上邊界形成一個封閉的單元。首先分析年度間進入單元的總水量，單元內的總蓄變量和總消耗量，摸清水循環過程中各種水量之間的轉化關系，然后分析各種水量對不同水生態環境子類的驅動關系，以此分析和判斷流域水生態環境的現狀和對未來的水生態環境進行分析和評估。水循環的過程可通過水量均衡方程式來表示。
　　Twe－△TWs＝TWc
　　式中：Twe——進入單元的總水量；
　　△tWs——單元的總蓄變量；
　　TWc——單元的總耗水量。
　　在水量均衡方程式中，進入這一單元的水量有降雨形成的當地水資源總量（包括地表水和地下水資源量并扣除二者的重復計算量）、從外流域調入的地表水水量和從深層開采的地下水量三項；平衡方程中的總蓄變量是當年在單元內增加（或減少）的水量，包括水庫蓄變量和淺層地下水蓄變量；總耗水量是指通過不同方式排出本單元的總水量，主要包括水平排出單元的入海水量和豎直排出的蒸發消耗量。總耗水量又可以根據其消耗性質分為經濟社會耗水量和非經濟社會耗水量。經濟社會耗水量是指由人工供給的用于國民經濟發展和人類生活所消耗的水量，包括農業用水、工業用水、城市生活和農村生活用水的消耗。而非經濟社會耗水可視為水生態環境消耗水量，包括維護河口生態環境的入海水量，水系生態環境耗水量和陸地生態環境耗水量。其中水系生態環境耗水量包括天然河道水面蒸發量、湖泊濕地水面蒸發量和城市河湖水面蒸發量。陸地生態環境耗水是指平原區和山區河谷盆地陸地上地下水的騰發量，但不計灌溉回歸地下水的騰發量。
　　應用以上方程式可以描述流域單元的整個水循環過程和狀態，同時由于水循環中的各項幾乎都與水生態環境有著極為密切的關系，因此通過水循環中各項的分析就可以反映出流域水生態環境的狀況。上述水量均衡方程式中的各收支項可以對三類水生態環境問題進行分析評價：第一類有關地下水超采問題，包括進入單元的總水量中的深層開采量以及淺層地下水蓄變量。從多年平均來看，如深層開采量過大形成深層超采或淺層地下水蓄變量小于零形成淺層地下水超采時，水生態環境就受到破壞，超采量越大，受破壞的程度就越深，直至出現地面沉降、地裂和塌陷以及引發海水入侵等各種環境問題；第二類是水系生態環境耗水量和陸地生態環境耗水量減少問題，如果二者特別是水系生態環境耗水量不能達到一定要求，則會出現河道干涸，湖泊萎縮，濕地消失、土壤沙化、生物多樣性消失等一系列生態環境問題；第三類是入海水量衰減問題，如果入海水量不能滿足河口生態環境要求，則河口海區會出現鹽度升高、升溫遲緩、松散的底質消退，進而影響魚類產卵、生長，導致近海漁業資源的衰退。此外，入海水量減少還造成泥沙淤積、河道萎縮、河道自然功能下降。
　　在流域水循環中，水量平衡方程兩側收支各項是遵循流域水循環的規律相互關聯的，即來水。蓄存和消耗量之間存在此消彼漲的關系，比如經濟社會耗水增加，非經濟社會耗水必然減少；河道、湖泊濕地耗水增加，入海水量也會減少。因此區域水循環的狀態可能會因為人類不合理的開發利用而被改變，從而引發嚴重水生態環境問題；但另一方面通過區域水資源合理的開發利用與優化配置，甚至采用跨流域調水，可以重新調節水循環狀態而使區域水生態環境得以改善。
　　從以上分析可以看出，流域水循環的收支平衡關系直接影響流域水生態環境狀況，因此既可以利用水循環的狀態來評價水生態環境情況，還可以通過分析預測不同水資源開發利用方案情況下的流域水循環狀態去預測流域水生態環境未來情景，進而從流域水生態環境的角度去調整水資源的開發利用方案，以實現區域水資源開發利用與生態環境的相互協調，這就是水循環與水生態環境關聯的分析方法和思路。
　　在此需要特別補充說明的是，由于本單元將深層地下水上隔水層作為單元的下邊界，對深層地下水的開采作為系統的輸入處理，因此關于地下水超采問題并不放在循環過程當中進行研究，而是利用深層地下水補給相對穩定的特點，通過直接比較單元該部分輸入和深層地下水補給量的大小來進行判斷。
　　2.2 海河流域現狀水循環與水生態環境關聯分析與評價
　　根據以上水循環與水生態環境關聯物理模型的分析，建立了相應的流域水循環與水生態環境關聯的數學模型。應用1994～1999年水資源公報和海河流域水資源規劃的相應數據，對單元水量平衡方程各項進行了計算，得到相關的水生態環境現狀評價結果。
　　進入單元總水量欄可以看出，進入單元的總水量主要受降雨影響。如降雨最小的1997年和1999年，年降雨量分別為366mm和385mm，進入單元的總水量分別為329.6億m3和317.6億m3；降雨量最大的1995年和1996年，年降雨量分別為609.0mm和599mm，進入單元的總水量分別為556.5億m3和635.1億m3.進一步考察表1數據總體構架和變化，由于流域降雨年際變化大，因此不同年份進入流域的總水量變化很大，變幅可高達300億m3，導致相應的蓄變量和總耗水量變化也很大。當流域單元在輸入減少條件下，總耗水量也減小，同時蓄變量也呈現為負值，說明枯水年份會消耗地表水和地下水的蓄存量以支撐國民經濟的發展。
　　另外從表1輸入欄和蓄變量欄間的數據波動關系看出，總水量加外調水量與深層開采量加淺層超采量之間有非常明顯的負相關關系，前者越小，后者就越大，說明在當地水資源與外調水量不足的情況下，對深層地下水的開采量和淺層地下水的開采量成為滿足區域用水需求的主要途徑，從而發生超采并引發相關生態環境問題。
　　考察枯水年份的各分項耗水，可以發現盡管總耗水量大幅度減少，但在一定國民經濟發展水平下經濟耗水量的變化不大，變幅大多在10億m3以內，而非經濟社會耗水會大幅度減少，與總耗水量呈明顯的正相關關系。這進一步說明了即使在降雨小、水資源量少的情況下，經濟社會用水并未因此受到較大幅度的影響，仍然通過超采深淺層地下水、擠占非經濟社會耗水等手段來維持，總耗水的減少幾乎完全轉嫁為非經濟社會耗水量的減少。在非經濟社會耗水項各欄中，水系生態耗水目前所占比例很小，非經濟社會耗水的大量衰減主要是減少了入海水量，從而對河道內和入海口的生態環境造成破壞。
　　比較非經濟社會耗水和入海水量，可以發現二者之間存在良好的正相關關系。對非經濟社會耗水量和入海水量進行回歸得到方程：
　　式中：x——流域非經濟社會耗水量
　　y——入海水量
　　該關系式相關系數R2＝0.9381，相關關系極為顯著。因此在得知非經濟社會耗水的情況下可由此式推求入海水量，反之亦然。
　　以上探討了海河流域近年的水循環狀態，從它與生態環境的關聯中可知，目前海河流域地下水超采嚴重，雖然全流域淺層地下水蓄變量6年平均衰減8.9億m3，但由于超采區比較集中，因此超采區生態環境破壞嚴重；另一方面流域水系生態環境耗水量很小，說明流域內河道干涸、湖泊濕地萎縮現象由來已久，水系生態系統長期處于破壞狀態，給今后流域的河流、湖泊、濕地生態系統的恢復帶來很大困難：現狀入海水量在偏旱年份僅有十幾億m3，在一般年份也只有幾十億m3，河口生態環境堪憂。