張惠芳,劉 歡,蘇輝東,,靳甜甜,*,藺彬彬,,林俊強
1 西藏自治區(qū)環(huán)境監(jiān)測中心站,拉薩 850000 2 中國水利水電科學研究院,北京 100038 3 清華大學水利水電工程系,北京 100084
河流水環(huán)境是生態(tài)環(huán)境的重要組成,河流水環(huán)境安全影響著人民生命健康和社會經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展。由于人類活動強度的不斷增加以及自然環(huán)境的變化,河流水環(huán)境受到嚴重威脅,變化環(huán)境下的水環(huán)境污染問題研究已成為當今世界主要研究課題之一[1]。其中,分析探討河流水環(huán)境的變化特征及驅(qū)動力,對于水資源的合理開發(fā)利用具有重要的實踐意義。Singh等[2]采用多元統(tǒng)計分析方法,對Gomti River的24個水質(zhì)參數(shù)(pH、水溫等)進行分析,研究了河流水環(huán)境的時空變化特征。Chang[3]分析了Han River及其支流在1993—2002年中水環(huán)境時空變化,識別了主要影響因子。ener[4]等結合水質(zhì)指標法和GIS技術評估Aksu River的水環(huán)境狀況,認為化學需氧量COD是造成水環(huán)境惡化的主要參數(shù)。山鷹等[5]分析了上海11個區(qū)縣共19條河道的氮磷污染特征,認為人工水生態(tài)修復措施和生態(tài)型駁岸建設對改善河道水質(zhì)具有潛在價值。張汪壽等[6]利用多元統(tǒng)計法對北運河武清段水污染的時空變異特征進行了分析,王超[7]等基于海河流域人口規(guī)模、經(jīng)濟產(chǎn)值和土地利用變化過程,從流域廢污水排放和水資源利用等角度研究了社會經(jīng)濟對水環(huán)境的影響機制。
拉薩河是拉薩市、林周縣和當雄縣等縣(市)的重要水源地,對區(qū)域工農(nóng)業(yè)發(fā)展及生態(tài)環(huán)境保護起著重要作用[8]。近年來,經(jīng)濟發(fā)展和人口增長威脅著拉薩河的水環(huán)境安全,非點源污染嚴重,已引起政府和學者的關注[9]。拉薩河流域現(xiàn)有研究中,更多側重于其豐富的水能水資源利用以及氣候變化對其水量的影響[10],水環(huán)境研究方面主要有河流重金屬污染[11]、非點源污染[8]、水化學特征分析等[12]。然而,長時間尺度上開展水環(huán)境變化及驅(qū)動力的研究較少?;诖?本文收集拉薩河干流上達孜、卡林、才納3個水環(huán)境監(jiān)測中心站近20年(1995—2014)的水質(zhì)資料,以單因子指數(shù)法確定主要污染指標,以內(nèi)梅羅指數(shù)法綜合評估拉薩河水環(huán)境質(zhì)量,采用Mann-Kendall 檢驗法對河流水環(huán)境變化趨勢進行判別。同時,收集研究期內(nèi)拉薩河流域國民經(jīng)濟發(fā)展統(tǒng)計數(shù)據(jù),通過灰色關聯(lián)分析,從經(jīng)濟社會發(fā)展和自然環(huán)境演變兩個角度識別導致拉薩河水環(huán)境變化的關鍵驅(qū)動因子,以期為當?shù)厮Y源管理提供科學依據(jù)。
拉薩河發(fā)源于念青唐古拉山中段南麓,沿途有桑曲、拉曲、學絨藏布、墨竹馬曲、澎波河、堆龍曲等主要支流匯入,于曲水縣城東面河口匯入雅魯藏布江中游。河流比降0.29%,多年平均徑流量110億m3,雨雪補給為主。拉薩河流域(29°20′—31°15′N,90°05′—93°20′E)面積約3.25萬km2,屬高原溫帶半干旱季風氣候,年平均氣溫6.3—9.1℃,年降水量257—699 mm。流域內(nèi)植被與土壤具有明顯垂直分布規(guī)律,在海拔5200 m以上為高原寒漠土,4200 m以下為山地灌叢草原土,植被稀疏,以草原草甸為主。
拉薩河流域包括拉薩市城關區(qū)、林周縣、當雄縣、曲水縣、堆龍德慶區(qū)、達孜區(qū)、墨竹工卡縣、那曲縣和嘉黎縣6縣3區(qū),除源頭區(qū)嘉黎縣不屬于拉薩市外,其余均為拉薩市轄區(qū),而拉薩市轄區(qū)除尼木縣不在拉薩河流域外,其余均在流域內(nèi)。拉薩河流域范圍和拉薩市轄區(qū)范圍基本重合,因此對拉薩河流域經(jīng)濟社會發(fā)展狀況的描述,以拉薩市的國民經(jīng)濟發(fā)展統(tǒng)計數(shù)據(jù)為主。截止到2014年底,流域內(nèi)人口總數(shù)約為53萬人,國民生產(chǎn)總值達到347.45億元,城鎮(zhèn)化率42.3%。產(chǎn)業(yè)結構由1978年的24.6∶22.0∶52.4調(diào)整到3.7∶36.8∶59.5,實現(xiàn)了由第一產(chǎn)業(yè)為主體,向二、三產(chǎn)業(yè)并重發(fā)展的經(jīng)濟結構轉(zhuǎn)型。
拉薩河干流共有3個水環(huán)境監(jiān)測站,分別為達孜、卡林(2013年后撤銷)和才納。拉薩河流域主要城鎮(zhèn)和水環(huán)境監(jiān)測站如圖1所示。
圖1 拉薩河流域概況Fig.1 Overview of the Lhasa river basin
2.1.1 水環(huán)境指標
本研究時間尺度為1995—2014年,水環(huán)境參數(shù)數(shù)據(jù)來源于西藏自治區(qū)環(huán)境監(jiān)測中心站(達孜、卡林和才納站)對拉薩河流域的常規(guī)監(jiān)測,其中卡林站數(shù)據(jù)監(jiān)測時間序列為1995—2012年(因環(huán)保部“十二五”地表水國控監(jiān)測點位調(diào)整,卡林站2013年后被撤銷)。監(jiān)測項目為《地表水環(huán)境質(zhì)量標準》(GB3838—2002)中的pH、溶解氧(DO)、高錳酸鹽指數(shù)(CODMn)等24項,監(jiān)測時間為每年的1月、7月、8月和12月。考慮一些參數(shù)早期缺乏監(jiān)測,數(shù)據(jù)序列較短,予以剔除。最終,選取pH、DO、CODMn、COD、氨氮(NH3-N)、總磷(TP)、銅(Cu)、氟化物(F-)、砷(As)、汞(Hg)、六價鉻(Cr6+)、鉛(Pb)、揮發(fā)酚(VP)和石油類(TPH)14項水環(huán)境評價因子,利用其歷年均值分析拉薩河水環(huán)境的變化特征。
根據(jù)拉薩河干流水環(huán)境功能區(qū)劃,達孜斷面需滿足地表水II類水質(zhì)標準、卡林斷面滿足地表水III類水質(zhì)標準、才納斷面滿足地表水II類水質(zhì)標準。目前,卡林斷面取消,才納斷面按照III類進行考核。達孜、卡林和才納三個斷面分布在拉薩河流域的中下游,基本覆蓋拉薩市轄區(qū),可較好反映拉薩河流域的水環(huán)境狀況??紤]到拉薩河流域人類活動較小,以及生態(tài)環(huán)境的敏感性和脆弱性,為更好評估拉薩河流域水環(huán)境狀況及變化趨勢,本研究評價標準限值采用《地表水環(huán)境質(zhì)量標準》(GB3838-2002)II類。
2.1.2 驅(qū)動因子
導致河流水環(huán)境惡化的驅(qū)動因子可以分為自然因素和人類活動因素。從自然因素看,一般包括氣溫、水溫、降水量、徑流量等??紤]拉薩河流域內(nèi)氣溫、降水與徑流的變化趨勢基本一致[13],選擇降水量和水溫作為自然驅(qū)動因子;經(jīng)濟社會方面,流域人口數(shù)量和經(jīng)濟社會發(fā)展水平是主要的社會驅(qū)動因子,在此選擇人口數(shù)、國民生產(chǎn)總值、農(nóng)作物種植面積等13項,具體見表1。相關數(shù)據(jù)來自于拉薩市1995—2014年統(tǒng)計年鑒。
表1 拉薩河流域水環(huán)境變化的自然和人文驅(qū)動因子
2.2.1 單因子指數(shù)法
單因子指數(shù)法是將每個評價因子的實測濃度與該評價因子的評價標準限值進行比較,確定各評價因子的水質(zhì)類別[14]。當評價因子的標準指數(shù)≤1時,表明該因子濃度符合水域功能及水環(huán)境標準要求,指數(shù)值越大,水環(huán)境質(zhì)量越差。公式如下。
對于一般因子:
Sij=Cij/Csi
(1)
式中,Sij為標準指數(shù);Cij為評價因子i在j站點的實測統(tǒng)計值,mg/L;Csi為評價因子i的評價標準限值,mg/L。
對于特殊因子:
1)DO
(2)
式中,SDO,j為溶解氧的標準指數(shù),DOf為某水溫、氣壓條件下的飽和溶解氧濃度,mg/L,計算公式常采用DOf=468/(31.6+T),T為水溫(℃);DOj為j站點的溶解氧實測統(tǒng)計值,mg/L;DOs為溶解氧的評價標準限值,mg/L。
2)pH
(3)
式中,SpH,j為pH的標準指數(shù);pHj為pH實測統(tǒng)計代表值;pHsu和pHsd分別為評價標準中pH的上下限值。
2.2.2 內(nèi)梅羅指數(shù)法
內(nèi)梅羅指數(shù)法是當前最常用的綜合污染指數(shù)評價方法[15],由美國敘拉古大學內(nèi)梅羅提出,是一種兼顧極值和平均值的計權型多因子評價指數(shù),可以綜合反映河流水環(huán)境狀況,值越大,水環(huán)境質(zhì)量越差。公式如下:
(4)
式中,P為內(nèi)梅羅指數(shù);Fmax為所有單項污染指數(shù)的最大值;Fave為所有單項污染指數(shù)的平均值。
2.2.3 Mann-Kendall檢驗法
Mann-Kendall檢驗是一種非參數(shù)統(tǒng)計檢驗方法[16],無需樣本遵從特定的分布,也不受少數(shù)異常值的干擾,在分析水文、氣象等非正態(tài)分布的數(shù)據(jù)時有較好效果。對于具有n個樣本的時間序列x,統(tǒng)計量Z的計算公式如下:
(5)
Z>0表示增加趨勢,Z<0表示減小趨勢。當|Z|≥1.65、1.96和2.58時,分別表示通過了置信水平為90%、95%和99%的顯著性檢驗。
2.2.4 灰色關聯(lián)分析法
目前常用的驅(qū)動力量化方法有主成分分析法、多元回歸法、灰色關聯(lián)分析法等[17],其中,主成分分析法和多元回歸法對樣本量和變量數(shù)量有較高要求,且數(shù)學假設嚴格,一般水質(zhì)分析數(shù)據(jù)很難滿足要求。灰色關聯(lián)分析法根據(jù)因素之間發(fā)展趨勢的相似或相依程度衡量兩者的關聯(lián)程度,適用于動態(tài)歷程分析。計算過程如下[16]:
1)確定參考序列與比較序列。因變量構成參考序列x0,自變量構成比較序列xi。
x0(k)={x0(1),x0(2),...,x0(n)} (k=1,2,...,n)
xi(k)={xi(1),xi(2),...,xi(n)} (i=1,2,...,m)
2)對數(shù)據(jù)序列無量綱化,得到序列x0′和xi′,常用方法有均值法、初值法等,在此采用均值法。
3)計算灰色關聯(lián)系數(shù)r(x0,xi)。
Δ0i(k)=|x0′(k)-xi′(k)|
(6)
(7)
式中:△0i(k)為差序列,ζ為分辨系數(shù),取值范圍為(0,1),常取0.5。
4)求解灰色關聯(lián)度r0i,并按其大小排序。
(8)
計算達孜和才納斷面1995—2014年、卡林斷面1995—2012年14個水環(huán)境指標的單因子污染指數(shù),取各因子指數(shù)的三站平均值確定流域水環(huán)境主要污染指標,平均值多年變化結果如圖2所示??梢钥闯觯航?0年來,拉薩河流域水環(huán)境指標基本符合II類地表水質(zhì),滿足水功能區(qū)要求,說明拉薩河水環(huán)境質(zhì)量良好,近20年來未發(fā)生較大污染事件。pH值近年來有所增加,多在8.2以上,最高達到8.5;DO污染指數(shù)小幅增大,由2001年的0.71增長到2014年的0.88,可能對水體自凈能力造成影響;水體中CODMn和NH3-N的濃度值減小,呈良性發(fā)展態(tài)勢; COD和TP污染指數(shù)近年來有所增大,雖幅度不大,但需注意水體可能遭受到有機物或還原性物質(zhì)污染; Cu、As、Hg、Cr6+、Pb等5種重金屬濃度多年來均未超過國家地表水II類水環(huán)境質(zhì)量標準規(guī)定的限值。F-濃度多年來變化不大,在0.1—0.53 mg/L之間波動;VP和TPH大多數(shù)年份均未被檢出,一些年份雖被檢出但濃度值并未超標。
對比來看,雖然拉薩河水環(huán)境質(zhì)量良好,監(jiān)測斷面滿足水功能區(qū)要求,但近年來水體中pH、DO、COD、TP等指標指數(shù)較高,未來要重點關注。
圖2 單因子指數(shù)1995—2014年變化(部分指標某些年份存在缺測)Fig.2 Change of single index from 1995 to 2014(Some indexes weren′t monitored in some years)pH:氫離子濃度指數(shù) Hydrogen ion concentration;DO:溶解氧 Dissolved oxygen;CODmn:高錳酸鹽指數(shù) Chemical oxygen demand of permanganate;COD:化學需氧量 Chemical oxygen demand;NH3-N:氨氮 Ammonia nitrogen;TP:總磷 Total phosphorus;Cu:銅 Copper;F-:氟化物 Fluoride;As:砷 Arsenic;Hg:汞 Mercury;Cr6+:六價鉻 Hexavalent chromium;Pb:鉛 Plumbum;VP:揮發(fā)酚 Volatile phenol;TPH:石油類 Total petroleum hydrocarbon
目前,拉薩河流域水環(huán)境狀況良好,未超過地表水III類水水質(zhì)標準,監(jiān)測斷面均滿足水功能區(qū)水質(zhì)要求,但有微弱下降的趨勢。從各指標看,pH值近年來多高于8,拉薩河流域水體呈微堿性,屬軟水水質(zhì)。F-、VP含量較低,TPH稍高,其主要來源于羊八井地熱廢水,可能對灌溉和畜牧業(yè)有一定的影響。此外,斷面水質(zhì)出現(xiàn)DO含量下降, COD、TP等略微升高的趨勢。究其原因,拉薩河流域是西藏的主要耕作區(qū),城市化率低,工業(yè)相對不發(fā)達,有污染排放的企業(yè)較少,工業(yè)廢水排放量較小,污水主要來自于農(nóng)牧業(yè)生產(chǎn)和生活。另外,拉薩市民飲用水和生活用水主要來源于地下水,對拉薩河河水的干擾強度較低。
1995—2014年拉薩河流域水環(huán)境質(zhì)量在波動中呈微弱下降的趨勢,在2012年前后波動較大。一方面,拉薩河流域年降水量近20年來有所下降,由雨水補給帶來的稀釋作用下降。同時河流水溫有些許上升,水生物生長活力增強,有機質(zhì)分解加速,耗氧量增大,水體易出現(xiàn)富營養(yǎng)化。另一方面,拉薩市社會經(jīng)濟得到較大發(fā)展,國民經(jīng)濟生產(chǎn)總值由1995年的21.3億元增長到2014年的347.5億元,總人口由38.5萬增加到52.7萬,人類活動對拉薩河流域水環(huán)境的影響也在逐步加大。隨著西部大開發(fā)計劃的深入實施,青藏高原地區(qū)的工農(nóng)業(yè)、交通和能源等行業(yè)會加速發(fā)展,相應的污染源及污染物逐年增多,這需要引起有關部門的注意。
首先,計算拉薩河達孜、卡林和才納斷面逐年的內(nèi)梅羅指數(shù),同時利用Mann-Kendall檢驗法計算1995—2014年拉薩河流域內(nèi)梅羅指數(shù)的變化趨勢檢驗值,綜合評估流域水環(huán)境狀況及年際變化趨勢,結果見圖3和表2。
圖3 內(nèi)梅羅指數(shù)1995—2014年變化Fig.3 Change of Nemerow pollution index from 1995 to 2014
研究結果表明:(1)相對其它年份,達孜斷面2012年內(nèi)梅羅指數(shù)增加明顯。其余年份內(nèi)梅羅指數(shù)均小于1,滿足地表水II類水質(zhì)標準,水環(huán)境質(zhì)量良好,其中在2008年最低,為0.37。從1995到2014年,達孜斷面的內(nèi)梅羅指數(shù)呈上升趨勢,統(tǒng)計Z值為2.24。(2)卡林斷面的內(nèi)梅羅指數(shù)多年來變化很小,其中最小值為0.372,出現(xiàn)在2000年,最大值0.878,出現(xiàn)在2005年,水環(huán)境狀況整體維持在良好狀態(tài),滿足水功能區(qū)要求;(3)才納斷面的內(nèi)梅羅指數(shù)有所上升,從1995年的0.684增加到2014年的0.765,統(tǒng)計Z值為1.07,上升趨勢不顯著,水環(huán)境狀況整體良好。
拉薩河流域整體尺度上,2012年河流水環(huán)境狀況較其它年份有所下降。2008年內(nèi)梅羅指數(shù)最小,為0.386,其余年份均在1以下,水環(huán)境質(zhì)量較好。從1995年到2014年,內(nèi)梅羅指數(shù)有所增長,統(tǒng)計Z值為1.52,水環(huán)境質(zhì)量下降趨勢并不明顯。
達孜斷面位于拉薩市區(qū)的上游,近年來面臨的污染風險有所增加,主要體現(xiàn)在水體中DO含量的下降和TP濃度的上升。拉薩市的上游區(qū)主要以放牧和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)為主,農(nóng)業(yè)灌溉和牲畜用水大多來源于拉薩河,產(chǎn)生的污廢水常隨雨水入河。同時受降水下降和水溫升高的影響,河水遭受有機污染的風險加重;卡林斷面和才納斷面位于拉薩市區(qū)的下游,兩斷面的水環(huán)境質(zhì)量下降趨勢不明顯,但波動性強。其中卡林斷面離拉薩市區(qū)較近,受當?shù)厝祟惢顒拥挠绊懜鼜?水環(huán)境狀況年際變化更為劇烈。
表2 內(nèi)梅羅指數(shù)Mann-Kendall趨勢檢驗結果
注:** 表示在α = 0.05水平上顯著相關
對比達孜、卡林和才納斷面水環(huán)境質(zhì)量變化,拉薩市區(qū)上游的達孜斷面早期面臨的水污染壓力較小,多數(shù)年份低于下游的卡林和才納斷面。然而近年來,達孜斷面水環(huán)境質(zhì)量則基本持平甚至低于下游兩個斷面,因此當?shù)厮h(huán)境保護應多關注上游人類活動的影響,主要是牧區(qū)養(yǎng)殖和農(nóng)業(yè)耕作。
計算拉薩河流域?qū)用鎯?nèi)梅羅綜合污染指數(shù)與15項驅(qū)動因子的灰色關聯(lián)度,結果見表3??梢钥闯?驅(qū)動因子與內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)之間有較強相關性,均達到中等以上相關程度(0.2—0.4弱相關,0.4—0.6中等相關,0.6—0.8強相關)[16],拉薩河流域水環(huán)境變化與自然環(huán)境演變和經(jīng)濟社會發(fā)展存在較為密切的聯(lián)系。在15項驅(qū)動因子中,對拉薩河水環(huán)境變化的貢獻大小為I2>I15> I3>I10> I4>I12> I11> I8>I6> I13>I8> I1>I5> I14>I7。其中,降水量、牲畜存欄數(shù)、人口數(shù)、農(nóng)村人口數(shù)和國民經(jīng)濟生產(chǎn)總值5項因子與內(nèi)梅羅指數(shù)的關聯(lián)度大于0.6,呈現(xiàn)強相關關系,是拉薩河流域水環(huán)境變化的關鍵性驅(qū)動因子。
從內(nèi)梅羅指數(shù)來看,降水量、牲畜存欄數(shù)、人口數(shù)、農(nóng)村人口數(shù)和國民經(jīng)濟生產(chǎn)總值5項因子對水環(huán)境的驅(qū)動力最大。其中降水量是氣候自然變異、氣候變化體現(xiàn)的驅(qū)動力,降水量的多寡對拉薩河水動力條件和水體自凈能力有重要影響,對拉薩河水質(zhì)的影響起到很重要的作用。牲畜存欄數(shù)、人口數(shù)、農(nóng)村人口數(shù)和國民經(jīng)濟生產(chǎn)總值屬于人類活動方面的因子。相比較而言,工業(yè)、第二產(chǎn)業(yè)、第三產(chǎn)業(yè)等因子的驅(qū)動力較弱,這說明拉薩河流域的工業(yè)發(fā)展水平較弱,不是水環(huán)境惡化的主要驅(qū)動力。人口增長和國民經(jīng)濟生產(chǎn)總值的提高直接導致人類活動對拉薩河流域水環(huán)境干擾的加深。隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展,拉薩河流域水環(huán)境狀況可能會進一步惡化,協(xié)調(diào)好經(jīng)濟社會發(fā)展和水環(huán)境保護的關系是政府今后需要考慮的重點。具體而言,拉薩地區(qū)經(jīng)濟發(fā)展相對落后,城鎮(zhèn)化率較低,工業(yè)基礎較為薄弱, 農(nóng)牧非點源污染是流域水環(huán)境惡化的主要因素。發(fā)達的農(nóng)牧業(yè)會產(chǎn)生大量廢棄物,加之農(nóng)村居民生活污廢水排放,非點源污染的輸出風險易進一步加劇。需著重識別種植業(yè)源、牲畜飼養(yǎng)源和農(nóng)村生活源的重點控制區(qū)域,采取針對性管控措施應對可能出現(xiàn)的非點源污染問題。
流域水環(huán)境系統(tǒng)是一個自然-人文雙重驅(qū)動下的復合大系統(tǒng),驅(qū)動機理和影響因素均十分復雜,未來研究中需進一步細化深入,一方面細化時間尺度,開展基于月或日的水環(huán)境變化趨勢判斷,探討流域水環(huán)境的日或季節(jié)性的變化特征;另一方面細化對象尺度,立足于每種水環(huán)境指標,分析其在受到自然環(huán)境和人類活動影響時的變化,為當?shù)匚廴驹醋R別和水環(huán)境保護提供更有針對性的建議。
表3 內(nèi)梅羅指數(shù)與驅(qū)動因子的灰色關聯(lián)度
本研究從較長時間尺度上(1995—2014年)分析了拉薩河流域水環(huán)境狀況及年際變化,從自然環(huán)境和社會經(jīng)濟發(fā)展兩個方面識別了影響拉薩河流域水環(huán)境的關鍵驅(qū)動因子,并結合流域?qū)嶋H進行了分析探討。拉薩河流域水環(huán)境狀況總體良好,基本滿足水功能區(qū)要求,適宜生活和工農(nóng)業(yè)用水。然而,由于人類活動和氣候變化的影響,拉薩河水環(huán)境狀況有所下降,不過趨勢并不明顯,要充分重視社會經(jīng)濟發(fā)展和水環(huán)境保護間的協(xié)調(diào),保障拉薩健康生態(tài)環(huán)境。從識別得到的關鍵驅(qū)動因子看,拉薩河流域水環(huán)境變化主要受到降水量、牲畜存欄數(shù)、人口數(shù)、農(nóng)村人口數(shù)和國民經(jīng)濟生產(chǎn)總值等因素的影響,農(nóng)村農(nóng)業(yè)非點源污染是拉薩河流域的主要污染源,要重點關注和管控。相關結果與拉薩河流域?qū)嶋H較為吻合,可為流域水資源管理和水環(huán)境保護提供借鑒。