蘭州 -西寧區域水環境及影響因素分析

劉 輝,段漢明

(1.西北大學城市與資源學院,陜西 西安 710127;2.長安大學建筑學院,陜西西安 710061)

水不僅是城市居民生活、生產和生態用水,具有生命、資源和景觀價值,而且具有水流交換和自凈修復的環境價值等1。城市的發展不但要保證居民日常生活用水,還要為城市的商業活動、旅游、休息娛樂活動及環境美化提供水源。特別是良好的水環境對城市的旅游開發、吸引外資方面具有不可估量的價值,水是城市形成、發展的基礎,是左右城市發展的主要限制因素。因此,研究城市經濟發展與水環境之間耦合與脅迫關系成為很多學者城市化過程的熱點 2、3。當今在水環境容量下進行城市建設、產業轉移、工業布局等考慮的首要問題。

蘭州 -西寧區域是甘肅、青海兩省人口、經濟、城鎮密度最高的區域 4,蘭州、西寧等城市的發展不僅對區域經濟發展起到帶動和主導作用,而且通過產業關聯、信息流動進行資源配置,因此,如何保障蘭州 -西寧區域城市快速持續發展,協調城市化與水環境協調關系,研究區域水環境演化機制成為重要問題。

1 研究區概況

區域包括甘肅省的蘭州市(5區 3縣)、白銀市(2區 3縣)、定西市(1區 4縣)、臨夏回族自治州(1市 7縣);青海省的西寧市(4區 3縣)、海東區(6縣),一共 31個大中小城市,包括 5市 26縣,其中蘭州市跨入特大城市行列,西寧屬于大城市。2009年末 31城市生產總值、第二產業產值、總人口分別為 2 024.98億元、931.92億元和 1 289.58萬人,占甘肅省和青海省合計生產總值(4 516.28億元)、第二產業產值(2 219.13億元 )、總人 口 (3 192.76萬人)的 44.8%、41.9%、40.3%。該區域主要水系為黃河干流及支流湟水、大通河。其中大通河流經互助土族自治縣、民和回族土族自治縣;湟水主要流經西寧市、平安縣、樂都縣、民和回族土族自治縣;黃河流經臨夏回族自治州、蘭州市、白銀市。其它還有河流多條。但是由于河流可利用水資源比較少,該地區仍然是缺水區域。湟水流域是海東地區人口稠密、經濟相對發達地區,但由于湟水河水量有限,總水量無法滿足兩岸工農業生產生活用水的需求,目前湟水河水資源開發利用程度已達 60%以上。

2 水環境演變特點

2.1 城市供水與經濟發展關系惡化加劇

城市經濟規模大小一方面影響著城市與城市之間的引力、建設用地,同時城市經濟通過工業生產和居民生活用水,影響著城市用水量的需求,同時又通過城市代謝加大對環境的脅迫(城市的供水緊張和城市中廢水增加)。

2001～2008年,根據《甘肅省水資源統計公報》統計,龍羊峽—蘭州干流區范圍內的水資源存量和總用水量差距特別大,并且隨著時間和城市化發展,差距越來越大。2001年龍羊峽—蘭州干流區間范圍內總用水量 13.707億 m3,水資源總量僅僅 11.478億 m3,差額為 2.228億 m3,而到了 2008年水資源擁有量為 3.391億 m3,用水量達到了 11.796億 m3,用水量是水資源總量的 3.47倍。從徑流量變化來看,隨著城市化進程,黃河徑流量呈現減小趨勢,具體體現在以下兩個方面。

(1)地表水隨著城市人口規模的增加(圖 1)和建設用的擴張(圖 2),蘭州段黃河年徑流量呈現減小趨勢。其中 1964～2004年,黃河徑流量蘭州段最大徑流量為 1967年的517.95億 m3,最小徑流量為 1997年的 203.2億 m3,并且出現最大徑流量的時間間隔縮短,最大徑流量減小(圖 2)。

圖1 1990～2006年蘭州非農業人口規模

圖2 1964～2004年黃河徑流量(蘭州站)變化值

從年內最大徑流量和最小徑流量出現的頻率來看,年內1～12月最大徑流量集中在 7-9月份。最大徑流量和最小徑流量峰值,在 1964～2004年之間每月的最小徑流量在 8次出現在 1961～1980之間,且同期出現最大徑流量 8次,而1981～2004年之間緊緊四次,并且峰值在減小。1967年和1981年 9月徑流量超過了 109億 m3,而 1990年之后月徑流量的最大值還沒有超過 50億 m3。地表徑流量大小由降水量決定,而與城市建設用地和城市地表硬化也有一定關系。

(2)年內徑流量變化幅度隨著時間變化在降低

1964～2004年黃河徑流量(蘭州段)年內分配隨著時間變化,越來越均勻,7～9月份之間力量比重越來越小(圖 3),年內 1～12月之間徑流量的標準差減小(圖 4)。1964和1966年 7～9月份徑流量占全年徑流量比重分別是 50.33%和 53.98%,而到了 2002年和 2004年徑流量占全年徑流量比重減小到 27.42%和 26.92%;年內徑流量的標準差在1989年之前絕大多數年份都在 10以上,而 1990年之后標準差在 10以下,其中 2004年的標準差僅僅為 5.8,而 1967年的標準差達到了 34.2。因此從徑流量的變化來看黃河蘭州段年內徑流量,變化幅度區域緩和,出現洪水澇災可能性變小。但是由 2010年降水及其各大河流徑流量變化趨勢來看,2010年至 2020年之間,黃河蘭州段徑流量年內變化幅度將增大,7～9月份之間防洪意識需要加強。

圖3 1964～2004年 7～9月份徑流量比重

圖4 1964-2004年 1～12月份徑流量標準差

(3)隨著城市化進程加快,供水量在降低

蘭州市供水總量和城市化關系如圖 5,其中供水總量由1990年的 58 304.58萬噸,降至到 2009年的 27 461.59萬 t,20年期間平均每年降幅達 3.69%。而城市化水平由 1990年的 50.50%增加到 2009年的 61.04%,20年期間平均每年漲幅為 0.97%。城市化水平每增加 1%,供水總量降低 2 925.27萬 t。

圖 5 1990～2009年蘭州市總供水量與城市化水平變化

通過模擬蘭州市城市化水平與供水總量的變化規律得到蘭州市城市供水和城市化水平之間函數關系模型,見圖 6。

圖 6 城市化水平與供水量之間關系

Y=-1277ln(X)+64050,R2=0.930

式中：Y為標示蘭州市的供水量;X表示城市化水平(非農化率%)。城市化水平與總供水量呈自然對數關系。

2.2 耗水結構不合理

蘭州—西寧區域屬于黃河流域,考慮到資料的獲取性,根據區域自然生態環境背景一致,經濟基礎、產業結構、城市結構趨同 5、6,本研究用 2009年甘肅省水資源公報數據分析黃河干流蘭州段用水結構來反映整個蘭州 -西寧區域用水狀況。

(1)蘭州—西寧區域范圍內用水主要采用地表水,所用地下水很少。從農林牧漁牧用水、工業用水、城鎮公共用水、居民生活用水、生態環境用水來看,水源主要是地表水,地下水僅僅占到 11.7%。其中生態環境用水,幾乎全部使用地表水,地下水占生態環境用水的僅僅為 0.1%,另外,城鎮公共用水 99.6%來源于地表水,地下水占到 0.4%。

(2)蘭州—西寧區域用水結構比較低級,以農林牧漁畜用水為主。通過2009年甘肅省水資源統計公報,蘭州—西寧區域甘肅段,2009年農林牧漁畜用水占到年用水量的 61.7%,為 20.582億m3,工業用水 8.241億 m3,占年總用水量 24.7%,而城鎮公共用水和居民生活用水分別占到 2.9%和 7.9%。

(3)蘭州—西寧區域甘肅段集中了甘肅省主要的工業用水、城鎮公共用水及綠化用水。根據表 發現 雖然蘭州—西寧區域甘肅段用水結構主要以農林牧漁畜用水為主,工業用水占本區域用水很少,但是占到 2009年甘肅省工業用水 13.601億 m3的 63.1%,城鎮公共用水占到甘肅省城鎮總用水1.981億m3的 48.0%,居民生活用水占到甘肅省居民生活用水 6.999億 m3的 37.7%,生態環境用水占到甘肅省生態環境用水總量 2.992億 m3的 31.9%。

通過以上分析流域內用水以農林牧漁畜用水為主,集中甘肅省主要的工業用水、城鎮公共用水及綠化用水。呈現這種狀況主要原因是該區域是甘肅省城鎮密集區,集中了全省的主要工業和城鎮人口,城鎮建設用地比重相對高,因此城鎮公共用水主要集中在該區域;同時該區域屬于黃土高原干旱區,農業生產技術相對落后,節水灌溉和用水相對粗放,加上黃土垂直節理保水差,蒸發快,因此農業用水所占比重較大。

3 河流水質空間差異較大

蘭州 -西寧區域屬于黃河流域水源重點保護區,其水質情況不僅影響到蘭州 -西寧區域范圍內城市居民生活和工農業發展用水,而且對下游用水也形成很大影響。依據地表水水域環境功能和保護目標,按功能高低依次劃分為五類。Ⅰ類：主要適用于源頭水、國家自然保護區;Ⅱ類：主要適用于集中式生活飲用水地表水源地一級保護區、珍稀水生生物棲息地、魚蝦類產卵場、仔稚幼魚的索餌場等;Ⅲ類：主要適用于集中式生活飲用水地表水源地二級保護區、魚蝦類越冬場、洄游通道、水產養殖區等漁業水域及游泳區;Ⅳ類：主要適用于一般工業用水區及人體非直接接觸的娛樂用水區;Ⅴ類：主要適用于農業用水區及一般景觀要求水域(圖 7)。其中該東部甘肅境內的大通河、湟水河、洮河、祖厲河水質分別是：黃河Ⅱ類水質長度 23 km,占到 38.98%,Ⅴ類占到61.02%;大通河、廣通河和槐樹關河屬于Ⅱ類水質,而宛川河、祖厲河屬于劣Ⅴ類,湟水屬于Ⅳ類;大夏河Ⅱ類、Ⅲ類、Ⅳ類分別占到河流長度的 57.61%、12.58%、29.8%;洮河評價長 97 km,Ⅱ類占 9.2%,Ⅲ類占到 90.8%(表 1)。

圖 7 蘭州 -西寧區域主要河流水質圖

從空間格局來看,蘭州 -西寧區域水質在空間上表現西部水質優于東部區域,山地丘陵區高于黃土溝壑區,另外,支流水質劣于干流。時間上,汛期水質略優于非汛期,流域水質污染仍以點源為主 2009年汛期黃河流域滿足Ⅰ～Ⅲ類水的河長占 46.0%,劣于Ⅴ類水的河長占 31.5%;非汛期滿足Ⅰ ～Ⅲ類水河長占 44.0%,劣于Ⅴ類水河長占 32.9%,汛期水質略優于非汛期,表明目前全流域水質污染仍以點源污染為主。

表1 蘭州 -西寧區域甘肅境內流域水質分類一覽表 km

從整個流域來看,影響到黃河流域水質的主要因素包括：①生活廢水,即區域居民排放的生活污水,攜帶氨氮等污染物;②工業廢水,未經處理的工礦廢水、含有大量的多種污染物,是目前黃河污染的主要來源;③電力廢水,即電廠排放的污水 pH值很高,重金屬污染嚴重;④農業廢水,大量的農業灌用水歸還河流時高含氨氮、農藥和有機污染物。另外,蘭州 -西寧區域分布在黃河干流及其多條支流,區域及城鎮之間多屬于上下游之間關系,同時蘭州、西寧、白銀等城鎮的產業快速集聚和建設用地擴展,使得人類生產生活對區域生態環境干擾加大,局部發生環境污染和生態破壞,特別是在區際交叉污染相互擴散導致環境污染加劇。因為,區域工業廢水、農業廢水和電力廢水的排放源泉和排放量都與區域內產業結構直接相關,即與工農業比重、工業集聚區空間分布、電廠位置、礦廠類型及空間分布相關。以礦業、化工機械、建材等第二產業為主的城市有大通、互助、平安、化隆、民和、永靖、白銀、榆中、靖遠等。這些產業布局對下游水質,特別是附近干流水質影響較大。大通和化隆工業布局,由于地形地勢影響,對本縣水質環境影響較小,而對下游湟水河和洮河水質影響較大。以農業種植業、畜牧業為主的縣域,水質污染主要是農業種植過程中使用的化肥和有機肥對下游水質影響,程度較輕(氨氮為主),以Ⅱ級和Ⅲ級水質為主。

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