新興城市城區(qū)建設(shè)對(duì)周邊水系生態(tài)基流的影響
——以楊凌農(nóng)業(yè)高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)示范區(qū)為例

張昊晨, 高建恩,, 康有財(cái), 林廷武, 李文證, 高 哲

(1.西北農(nóng)林科技大學(xué) 水土保持研究所, 陜西 楊凌 712100; 2.中國(guó)科學(xué)院 水利部 水土保持研究所水利部水土保持生態(tài)工程技術(shù)研究中心, 陜西 楊凌 712100; 3.西北農(nóng)林科技大學(xué) 水利與建筑工程學(xué)院, 陜西 楊凌 712100)

缺水重污染高含沙河流生態(tài)基流的保障是一個(gè)世界性科技難題，城市水土保持工程的建設(shè)對(duì)保障該類河流生態(tài)基流的影響，不但是研究熱點(diǎn)而且對(duì)人民生活質(zhì)量的提升和城市生態(tài)建設(shè)的可持續(xù)發(fā)展具有重要的意義。自1998年Gleick[1]提出了基本生態(tài)需水量的概念以來(lái)，河流生態(tài)基流受到越來(lái)越多的關(guān)注并取得了一定的研究進(jìn)展[2]；Stalnaker[3]等運(yùn)用基于水生生物生境的IFIM法計(jì)算生態(tài)基流量；高建恩[4]、王紅[5]、王宏杰[6]、李娟[7]等針對(duì)水資源短缺、含沙量高、農(nóng)業(yè)用水量大的渭河提出了確保渭河生態(tài)基流首先要考慮農(nóng)業(yè)節(jié)水的觀點(diǎn)并進(jìn)一步研究了地下水補(bǔ)給、河道排沙和降雨徑流對(duì)保障渭河生態(tài)基流的影響；何兵等[8]針對(duì)葉爾羌河這一典型干旱區(qū)內(nèi)陸河采用多種水文學(xué)方法重構(gòu)了其生態(tài)基流。在保障生態(tài)基流的前提下充分利用河流水資源可以更好地保持河流生態(tài)健康發(fā)展，生態(tài)基流的研究不僅受到廣大學(xué)者的關(guān)注，也受到了政府部門(mén)的重視[9]。城市化的快速發(fā)展對(duì)城邊河流生態(tài)系統(tǒng)造成劇烈影響，這一現(xiàn)狀下城邊河流生態(tài)基流難以保障的問(wèn)題尚待進(jìn)一步研究。城市建設(shè)通過(guò)改變區(qū)域下墊面結(jié)構(gòu)使匯流速度加快、產(chǎn)流量增加、侵占河湖水系，同時(shí)城市發(fā)展顯著增加了用水需求量和生產(chǎn)、生活排污量，甚至超過(guò)河湖水系環(huán)境的承載能力，不斷擴(kuò)張的城市建設(shè)用地直接對(duì)保障城邊河流生態(tài)基流造成了嚴(yán)重的威脅[10]。楊凌農(nóng)業(yè)高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)示范區(qū)(以下簡(jiǎn)稱“楊凌示范區(qū)”)作為首個(gè)國(guó)家級(jí)農(nóng)業(yè)高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)示范區(qū)、國(guó)家食品安全示范城市，近年來(lái)城市建設(shè)發(fā)展迅速，是陜西省乃至西北地區(qū)新興城市的典型代表，以楊凌示范區(qū)及城邊復(fù)雜水系為對(duì)象，以河流生態(tài)安全和城市發(fā)展共贏為目標(biāo)，多角度統(tǒng)籌分析城市建設(shè)對(duì)于城邊河流水文情勢(shì)的影響，對(duì)新興城市的生態(tài)建設(shè)發(fā)展具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 研究區(qū)概況

楊凌示范區(qū)位于陜西關(guān)中平原中部，總面積約135 km2，城市規(guī)劃區(qū)約35 km2，東與武功縣大莊鎮(zhèn)以漆水河為界，南與周至縣啞柏鎮(zhèn)隔渭河相望，西與扶風(fēng)縣絳帳鎮(zhèn)接壤，北依小韋河與武功縣武功鎮(zhèn)、扶風(fēng)縣杏林鎮(zhèn)相鄰(圖1)。渭河是黃河的最大支流，位于陜西省中部，全長(zhǎng)818 km，流域面積1.34×105km2，7—10月汛期降雨量和年內(nèi)流量約占全年的60%～70%[11]；漆水河是渭河的一級(jí)支流，至武功縣匯入渭河，全長(zhǎng)151 km，流域面積3 824 km2，在永壽縣境和乾縣境內(nèi)，年平均流量1.8 m3/s，年均含沙量13.9 kg/m3；小韋河是漆水河的最大支流，至武功縣匯入漆水河，全長(zhǎng)111.6 km，流域面積約2 043 km2，流域面積和年徑流量均占漆水河的60%左右，汛期平均流量0.85 m3/s，汛期徑流量約占多年平均徑流量的80%。

圖1 楊凌示范區(qū)和3條河流水系位置示意圖

2 數(shù)據(jù)與方法

本研究從陜西省水利廳全省水情公報(bào)獲得了距離楊凌示范區(qū)城區(qū)最近的渭河魏家堡站(34.290°N，107.726°E)和漆水河安頭站(34.595°N，108.060°E)的2012—2018年徑流量資料；因公報(bào)中小韋河扶風(fēng)站資料不全，結(jié)合小韋河嶺后段典型斷面(34.321°N，107.991°E)定點(diǎn)定期監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)以及河道水力參數(shù)測(cè)量與計(jì)算匯總得到小韋河嶺后段2012—2018年徑流量資料；為分析河流流量的變化情況，從中國(guó)氣象科學(xué)數(shù)據(jù)網(wǎng)獲得了2012—2018年陜西省鳳翔站、永壽站和楊凌站的年累積降雨量數(shù)據(jù)；為分析楊凌示范區(qū)城市建設(shè)情況，借助Google Earth的多年衛(wèi)星影像，獲取了楊凌示范區(qū)1984—2018年城市建設(shè)用地面積數(shù)據(jù)。上述站點(diǎn)位置均如圖1所示。

計(jì)算河流生態(tài)基流量采用的方法為最枯月平均流量法，該方法是以河流最枯月月均流量的多年平均值作為河流的生態(tài)基流，計(jì)算較為簡(jiǎn)便且數(shù)據(jù)要求不高[12]，對(duì)這3條河流都較為合適，計(jì)算公式為：

(1)

式中：Qb——河流生態(tài)基流量；n——統(tǒng)計(jì)年數(shù)；Qi,min——第i年最枯月月均流量(m3/s)。

為了分析小韋河嶺后段河流輸沙納污功能現(xiàn)狀，每月中旬在該選定的典型斷面中部分別采集沿垂向自水面向下0～0.3 m，0.3～0.6 m，0.6～0.9 m處河流水體各1 L，每層水樣混合均勻后取100 ml分別裝入聚乙烯瓶中，用硫酸酸化保存并帶回實(shí)驗(yàn)室完成分析；水體中總氮濃度測(cè)量采用堿性過(guò)硫酸鉀消解—紫外分光光度法，總磷濃度測(cè)量采用鉬酸銨分光光度法，含沙量測(cè)量采用烘干法。

3 結(jié)果與分析

3.1 楊凌城市周邊3條河流生態(tài)基流的計(jì)算與分析

通過(guò)對(duì)上述數(shù)據(jù)的整理與分析，得到距離楊凌示范區(qū)最近的渭河魏家堡站、漆水河安頭站和小韋河嶺后段流量年變化如圖2所示，根據(jù)公式(1)可由枯水流量出發(fā)計(jì)算得到3條河流在該段的生態(tài)基流量。隨著河流向下游延伸河長(zhǎng)的增加和流域面積的增大，為了保證其在楊凌示范區(qū)段的生態(tài)功能健康，本段河流生態(tài)基流量應(yīng)至少維持在上述計(jì)算河段的生態(tài)基流量以上，故建議3條河流在楊凌示范區(qū)段的生態(tài)基流量分別約為6.0，0.2，0.1 m3/s。計(jì)算的3條河流楊凌示范區(qū)段生態(tài)基流保障推薦值可以為其城邊河流生態(tài)保護(hù)以及水資源合理配置提供一定參考。以保障3條河流的生態(tài)基流為基礎(chǔ)，合理規(guī)劃附近湖泊、濕地、河道、水庫(kù)、渠道、地下水等的引水量和排污量，實(shí)施錯(cuò)峰用水、農(nóng)業(yè)節(jié)水和污水回用等措施減輕河流的供給壓力，實(shí)現(xiàn)用水區(qū)域協(xié)調(diào)、產(chǎn)業(yè)協(xié)調(diào)，在城市發(fā)展的背景下更好地保護(hù)與治理河流生態(tài)環(huán)境。

進(jìn)一步收集3條河流附近的鳳翔站、永壽站和楊凌站3個(gè)站點(diǎn)2012—2018年的年累計(jì)降雨量，可知3條河流所在區(qū)域年降雨量在2016年達(dá)到最低值而2017—2018年緩慢回升，流量變化與降雨量變化基本相符。2014年7月底至8月上旬關(guān)中部分地區(qū)干旱，渭河表現(xiàn)出枯水期流量偏低難以保障其生態(tài)基流的情況；漆水河、小韋河在2015年以來(lái)枯水期流量減少，用水問(wèn)題也更加嚴(yán)重。結(jié)合文獻(xiàn)[13]可知2000—2014年關(guān)中地區(qū)年平均降水量呈增加趨勢(shì)，總體降雨量變化不大但大雨以上降水發(fā)生頻次逐漸增多，枯水期降雨量明顯偏少，在這一現(xiàn)狀下城市建設(shè)用地對(duì)河流生態(tài)健康的不利影響更為突出。

圖2 楊凌示范區(qū)段3條河流流量年變化

3.2 城市建設(shè)用地面積對(duì)河流最枯月月均流量的影響

由Google Earth的衛(wèi)星影像歷史數(shù)據(jù)獲取的不同年份楊凌示范區(qū)城市建設(shè)用地面積如圖3所示，運(yùn)用SPSS軟件分析其與城市周邊3條河流最枯月月均流量相關(guān)性詳見(jiàn)表1。由表1可知楊凌示范區(qū)城市建設(shè)用地面積與小韋河最枯月月均流量存在顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系，而與漆水河和渭河的最枯月月均流量關(guān)系不明顯，這與小韋河流經(jīng)境內(nèi)河長(zhǎng)為24.6 km且超過(guò)其全長(zhǎng)的22%相符。盡管渭河、漆水河的水文測(cè)站不在楊凌示范區(qū)，楊凌示范區(qū)城市面積變化與河流徑流量的關(guān)系在這兩個(gè)站點(diǎn)的相關(guān)關(guān)系也不夠顯著，但依然顯示出一致的負(fù)相關(guān)關(guān)系，表現(xiàn)出楊凌城區(qū)建設(shè)與渭河、漆水河河流上游的城區(qū)建設(shè)具有一定的共時(shí)性，楊凌示范區(qū)發(fā)展的用水需求與上游城區(qū)用水存在矛盾是必然的，枯水期生態(tài)基流的保障更加需要受到重點(diǎn)關(guān)注。

楊凌示范區(qū)城市建設(shè)用地不僅對(duì)小韋河流域蒸發(fā)、入滲和匯流產(chǎn)生了直接影響，而且對(duì)小韋河匯入的漆水河和渭河產(chǎn)生了間接影響，但楊凌示范區(qū)相對(duì)于漆水河流域和渭河流域來(lái)說(shuō)面積更小且距離更遠(yuǎn)，對(duì)渭河和漆水河在當(dāng)?shù)氐膹搅饔绊懴鄬?duì)很小。而渭河魏家堡站徑流主要受到寶雞市城市發(fā)展的影響，漆水河安頭站徑流主要受到麟游縣和永壽縣城鎮(zhèn)發(fā)展的影響，二者受到的影響與小韋河受到楊凌示范區(qū)城市建設(shè)的影響具有一定的一致性。

圖3 楊凌示范區(qū)多年城市建設(shè)面積變化

表1楊凌示范區(qū)城市建設(shè)用地面積與3條河流最枯月月均流量相關(guān)性分析(皮爾森相關(guān)分析)

項(xiàng) 目最枯月月均流量小韋河漆水河渭河城市建設(shè)用地面積-0.706*-0.494 -0.380 0.0340.2140.353

注：*為相關(guān)性在0.05級(jí)別顯著；N=7。

進(jìn)一步分析可知，楊凌示范區(qū)城市建設(shè)用地面積與小韋河最枯月月均流量的關(guān)系如圖4所示，符合指數(shù)函數(shù)的規(guī)律，關(guān)系式為：

(2)

式中：Qmin——小韋河最枯月月均流量(m3/s)；A——楊凌示范區(qū)城市建設(shè)用地面積(km2)。

由圖4可知，在氣候條件相對(duì)穩(wěn)定的條件下，當(dāng)楊凌示范區(qū)城市建設(shè)用地面積為《楊凌城鄉(xiāng)總體規(guī)劃修編(2017—2035年)》(草案)2035年規(guī)劃的56.27 km2時(shí)，小韋河最枯月月均流量接近生態(tài)基流量推薦值0.1 m3/s，枯水期生態(tài)基流保障問(wèn)題較為嚴(yán)峻；經(jīng)計(jì)算，當(dāng)楊凌示范區(qū)城市建設(shè)用地面積大于60 km2時(shí)，小韋河最枯月月均流量小于生態(tài)基流量推薦值，若不及時(shí)采取保護(hù)措施，枯水期生態(tài)基流將得不到保障，故以60 km2作為保障小韋河生態(tài)基流的楊凌示范區(qū)城市建設(shè)用地面積警戒值。

圖4 楊凌示范區(qū)城市建設(shè)用地面積與小韋河最枯月月均流量關(guān)系

3.3 總氮、總磷消污對(duì)小韋河生態(tài)基流的影響

河流生態(tài)基流除了維持水面蒸發(fā)、河道滲漏、行洪調(diào)蓄、生物多樣性以及景觀休閑等功能，還應(yīng)該保證輸沙納污功能的正常運(yùn)行以避免河流生態(tài)功能受到水體污染的直接破壞，保證水體的輸沙納污功能需要一定水量與之匹配，其中維持河道沖刷與侵蝕的動(dòng)態(tài)平衡以及運(yùn)移消解污染物所需要的水量不是簡(jiǎn)單相加而是相互包含[14]。新興城市城區(qū)面積擴(kuò)張導(dǎo)致的城市整體用水和排污增加使得城邊河流的承載壓力大增，需要分析其水體輸沙納污功能的保證情況。經(jīng)過(guò)對(duì)小韋河嶺后斷面為期一年的定點(diǎn)定期采樣與分析，得到總氮和總磷平均濃度月變化如圖5所示，含沙量月變化如圖6所示。

根據(jù)《國(guó)家地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)(GB/T38382002)》規(guī)定的Ⅴ類水標(biāo)準(zhǔn)，總氮和總磷濃度的最小允許值為2.0和0.4 mg/L。由圖5可知，監(jiān)測(cè)期間小韋河嶺后斷面總氮污染相對(duì)嚴(yán)重，總氮月均濃度為10.80～17.25 mg/L，均超過(guò)Ⅴ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)要求，年平均濃度為14.37 mg/L，是Ⅴ類水最小允許值的718.5%；監(jiān)測(cè)期間小韋河嶺后斷面總磷污染相對(duì)較輕，總磷月均濃度為0.19～0.53 mg/L，部分超過(guò)Ⅴ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)要求，年平均濃度為0.31 mg/L，是Ⅴ類水最小允許值的77.5%，基本符合Ⅴ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)要求，但仍超過(guò)國(guó)際上廣泛認(rèn)可的發(fā)生水體富營(yíng)養(yǎng)化的臨界濃度0.02 mg/L[15]。

圖5 小韋河嶺后斷面總氮和總磷濃度月變化

圖6 小韋河嶺后斷面含沙量月變化

小韋河嶺后斷面水體總氮的四季平均濃度分別為13.83，12.75，13.45和16.66 mg/L，總磷的四季平均濃度分別為0.39，0.22，0.27和0.34 mg/L，總氮和總磷的四季濃度均具有明顯差異且都為春冬季大于夏秋季，即在河流最枯月時(shí)其消污壓力也更大。在冬春兩季，由于降雨量較少導(dǎo)致河流本身流量不足以負(fù)荷這些污染物，而溫度較低又導(dǎo)致氮磷消解能力的降低，從運(yùn)移污染物和水體自凈方面需要更多的水量以維持河流的健康，表明了小韋河沿岸水環(huán)境的保護(hù)與治理目前仍然不足。經(jīng)調(diào)查后發(fā)現(xiàn)小韋河總氮和總磷污染物的主要來(lái)源為測(cè)點(diǎn)周圍的村莊生活污水、生活垃圾、農(nóng)場(chǎng)動(dòng)物糞便的不當(dāng)處理以及農(nóng)田面源污染；河流總氮嚴(yán)重超標(biāo)是楊凌示范區(qū)的最大潛在危害，而且河流中水草較為茂密，需針對(duì)性預(yù)防以避免河流水體出現(xiàn)富營(yíng)養(yǎng)化現(xiàn)象，建議加強(qiáng)耕作化肥用量的控制、農(nóng)村養(yǎng)殖業(yè)糞便的集中再利用處理以及沿河生態(tài)莊園的科學(xué)管理。

由圖6可知，小韋河嶺后斷面月均含沙量為0.37～1.60 kg/m3，年平均含沙量為0.86 kg/m3，枯水期平均含沙量為0.44 kg/m3。小韋河含沙量總體不高，枯水期更低，河流水沙平衡方面對(duì)生態(tài)基流量無(wú)更高需求。

針對(duì)新興城市建設(shè)引發(fā)的河流生態(tài)需水問(wèn)題，尤其是小韋河這類由于氮磷重污染的河流，在對(duì)水體水質(zhì)加強(qiáng)治理、保護(hù)與監(jiān)管等原有措施的基礎(chǔ)上還應(yīng)該推進(jìn)海綿城市的建設(shè)，綜合采取“滲、滯、蓄、凈、用、排”等措施實(shí)現(xiàn)城市對(duì)水資源的高效安全利用[16]，降低新興城市城市化進(jìn)程對(duì)周邊環(huán)境的不良影響；同時(shí)，在河道建設(shè)中也可以借鑒海綿城市的理念，應(yīng)用生態(tài)混凝土、植被緩沖帶、人工濕地等技術(shù)改善河流生態(tài)納污消污的壓力[17]，促進(jìn)城市和流域水環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展。

4 結(jié) 論

(1) 本研究給出的渭河、漆水河和小韋河在楊凌示范區(qū)段的生態(tài)基流量推薦值分別約為6.0，0.2和0.1 m3/s，可以為楊凌示范區(qū)城邊河流生態(tài)保護(hù)以及水資源統(tǒng)籌配置提供一定的參考；小韋河最枯月月均流量受到土地利用的變化隨楊凌示范區(qū)城市建設(shè)用地面積增加而減少，兩者符合指數(shù)函數(shù)關(guān)系，保障小韋河生態(tài)基流的楊凌示范區(qū)城市建設(shè)用地面積警戒值約為60 km2，建議加強(qiáng)海綿城市建設(shè)。

(2) 小韋河水體總氮和總磷月均濃度為10.80～17.25 mg/L和0.19～0.53 mg/L，總體超過(guò)Ⅴ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)要求，從運(yùn)移污染物和水體自凈功能的角度來(lái)說(shuō)小韋河生態(tài)基流保障壓力較大，建議進(jìn)行針對(duì)性治理。

(3) 由于小型河流水文資料年限較短、測(cè)站較少，多級(jí)河流的生態(tài)基流關(guān)系以及與城市建設(shè)用地面積間的關(guān)系的研究還有待完善。