新興城市城區建設對周邊水系生態基流的影響
——以楊凌農業高新技術產業示范區為例

張昊晨, 高建恩,, 康有財, 林廷武, 李文證, 高 哲

(1.西北農林科技大學 水土保持研究所, 陜西 楊凌 712100; 2.中國科學院 水利部 水土保持研究所水利部水土保持生態工程技術研究中心, 陜西 楊凌 712100; 3.西北農林科技大學 水利與建筑工程學院, 陜西 楊凌 712100)

缺水重污染高含沙河流生態基流的保障是一個世界性科技難題，城市水土保持工程的建設對保障該類河流生態基流的影響，不但是研究熱點而且對人民生活質量的提升和城市生態建設的可持續發展具有重要的意義。自1998年Gleick[1]提出了基本生態需水量的概念以來，河流生態基流受到越來越多的關注并取得了一定的研究進展[2]；Stalnaker[3]等運用基于水生生物生境的IFIM法計算生態基流量；高建恩[4]、王紅[5]、王宏杰[6]、李娟[7]等針對水資源短缺、含沙量高、農業用水量大的渭河提出了確保渭河生態基流首先要考慮農業節水的觀點并進一步研究了地下水補給、河道排沙和降雨徑流對保障渭河生態基流的影響；何兵等[8]針對葉爾羌河這一典型干旱區內陸河采用多種水文學方法重構了其生態基流。在保障生態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健康發展，生態基流的研究不僅受到廣大學者的關注，也受到了政府部門的重視[9]。城市化的快速發展對城邊河流生態系統造成劇烈影響，這一現狀下城邊河流生態基流難以保障的問題尚待進一步研究。城市建設通過改變區域下墊面結構使匯流速度加快、產流量增加、侵占河湖水系，同時城市發展顯著增加了用水需求量和生產、生活排污量，甚至超過河湖水系環境的承載能力，不斷擴張的城市建設用地直接對保障城邊河流生態基流造成了嚴重的威脅[10]。楊凌農業高新技術產業示范區(以下簡稱“楊凌示范區”)作為首個國家級農業高新技術產業示范區、國家食品安全示范城市，近年來城市建設發展迅速，是陜西省乃至西北地區新興城市的典型代表，以楊凌示范區及城邊復雜水系為對象，以河流生態安全和城市發展共贏為目標，多角度統籌分析城市建設對于城邊河流水文情勢的影響，對新興城市的生態建設發展具有重要的現實意義。

1 研究區概況

楊凌示范區位于陜西關中平原中部，總面積約135 km2，城市規劃區約35 km2，東與武功縣大莊鎮以漆水河為界，南與周至縣啞柏鎮隔渭河相望，西與扶風縣絳帳鎮接壤，北依小韋河與武功縣武功鎮、扶風縣杏林鎮相鄰(圖1)。渭河是黃河的最大支流，位于陜西省中部，全長818 km，流域面積1.34×105km2，7—10月汛期降雨量和年內流量約占全年的60%～70%[11]；漆水河是渭河的一級支流，至武功縣匯入渭河，全長151 km，流域面積3 824 km2，在永壽縣境和乾縣境內，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 楊凌示范區和3條河流水系位置示意圖

2 數據與方法

本研究從陜西省水利廳全省水情公報獲得了距離楊凌示范區城區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；因公報中小韋河扶風站資料不全，結合小韋河嶺后段典型斷面(34.321°N，107.991°E)定點定期監測數據以及河道水力參數測量與計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，從中國氣象科學數據網獲得了2012—2018年陜西省鳳翔站、永壽站和楊凌站的年累積降雨量數據；為分析楊凌示范區城市建設情況，借助Google Earth的多年衛星影像，獲取了楊凌示范區1984—2018年城市建設用地面積數據。上述站點位置均如圖1所示。

計算河流生態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基流，計算較為簡便且數據要求不高[12]，對這3條河流都較為合適，計算公式為：

(1)

式中：Qb——河流生態基流量；n——統計年數；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驗室完成分析；水體中總氮濃度測量采用堿性過硫酸鉀消解—紫外分光光度法，總磷濃度測量采用鉬酸銨分光光度法，含沙量測量采用烘干法。

3 結果與分析

3.1 楊凌城市周邊3條河流生態基流的計算與分析

通過對上述數據的整理與分析，得到距離楊凌示范區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，根據公式(1)可由枯水流量出發計算得到3條河流在該段的生態基流量。隨著河流向下游延伸河長的增加和流域面積的增大，為了保證其在楊凌示范區段的生態功能健康，本段河流生態基流量應至少維持在上述計算河段的生態基流量以上，故建議3條河流在楊凌示范區段的生態基流量分別約為6.0，0.2，0.1 m3/s。計算的3條河流楊凌示范區段生態基流保障推薦值可以為其城邊河流生態保護以及水資源合理配置提供一定參考。以保障3條河流的生態基流為基礎，合理規劃附近湖泊、濕地、河道、水庫、渠道、地下水等的引水量和排污量，實施錯峰用水、農業節水和污水回用等措施減輕河流的供給壓力，實現用水區域協調、產業協調，在城市發展的背景下更好地保護與治理河流生態環境。

進一步收集3條河流附近的鳳翔站、永壽站和楊凌站3個站點2012—2018年的年累計降雨量，可知3條河流所在區域年降雨量在2016年達到最低值而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月上旬關中部分地區干旱，渭河表現出枯水期流量偏低難以保障其生態基流的情況；漆水河、小韋河在2015年以來枯水期流量減少，用水問題也更加嚴重。結合文獻[13]可知2000—2014年關中地區年平均降水量呈增加趨勢，總體降雨量變化不大但大雨以上降水發生頻次逐漸增多，枯水期降雨量明顯偏少，在這一現狀下城市建設用地對河流生態健康的不利影響更為突出。

圖2 楊凌示范區段3條河流流量年變化

3.2 城市建設用地面積對河流最枯月月均流量的影響

由Google Earth的衛星影像歷史數據獲取的不同年份楊凌示范區城市建設用地面積如圖3所示，運用SPSS軟件分析其與城市周邊3條河流最枯月月均流量相關性詳見表1。由表1可知楊凌示范區城市建設用地面積與小韋河最枯月月均流量存在顯著的負相關關系，而與漆水河和渭河的最枯月月均流量關系不明顯，這與小韋河流經境內河長為24.6 km且超過其全長的22%相符。盡管渭河、漆水河的水文測站不在楊凌示范區，楊凌示范區城市面積變化與河流徑流量的關系在這兩個站點的相關關系也不夠顯著，但依然顯示出一致的負相關關系，表現出楊凌城區建設與渭河、漆水河河流上游的城區建設具有一定的共時性，楊凌示范區發展的用水需求與上游城區用水存在矛盾是必然的，枯水期生態基流的保障更加需要受到重點關注。

楊凌示范區城市建設用地不僅對小韋河流域蒸發、入滲和匯流產生了直接影響，而且對小韋河匯入的漆水河和渭河產生了間接影響，但楊凌示范區相對于漆水河流域和渭河流域來說面積更小且距離更遠，對渭河和漆水河在當地的徑流影響相對很小。而渭河魏家堡站徑流主要受到寶雞市城市發展的影響，漆水河安頭站徑流主要受到麟游縣和永壽縣城鎮發展的影響，二者受到的影響與小韋河受到楊凌示范區城市建設的影響具有一定的一致性。

圖3 楊凌示范區多年城市建設面積變化

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

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

注：*為相關性在0.05級別顯著；N=7。

進一步分析可知，楊凌示范區城市建設用地面積與小韋河最枯月月均流量的關系如圖4所示，符合指數函數的規律，關系式為：

(2)

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

由圖4可知，在氣候條件相對穩定的條件下，當楊凌示范區城市建設用地面積為《楊凌城鄉總體規劃修編(2017—2035年)》(草案)2035年規劃的56.27 km2時，小韋河最枯月月均流量接近生態基流量推薦值0.1 m3/s，枯水期生態基流保障問題較為嚴峻；經計算，當楊凌示范區城市建設用地面積大于60 km2時，小韋河最枯月月均流量小于生態基流量推薦值，若不及時采取保護措施，枯水期生態基流將得不到保障，故以60 km2作為保障小韋河生態基流的楊凌示范區城市建設用地面積警戒值。

圖4 楊凌示范區城市建設用地面積與小韋河最枯月月均流量關系

3.3 總氮、總磷消污對小韋河生態基流的影響

河流生態基流除了維持水面蒸發、河道滲漏、行洪調蓄、生物多樣性以及景觀休閑等功能，還應該保證輸沙納污功能的正常運行以避免河流生態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態平衡以及運移消解污染物所需要的水量不是簡單相加而是相互包含[14]。新興城市城區面積擴張導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。經過對小韋河嶺后斷面為期一年的定點定期采樣與分析，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《國家地表水環境質量標準(GB/T38382002)》規定的Ⅴ類水標準，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，監測期間小韋河嶺后斷面總氮污染相對嚴重，總氮月均濃度為10.80～17.25 mg/L，均超過Ⅴ類水質標準要求，年平均濃度為14.37 mg/L，是Ⅴ類水最小允許值的718.5%；監測期間小韋河嶺后斷面總磷污染相對較輕，總磷月均濃度為0.19～0.53 mg/L，部分超過Ⅴ類水質標準要求，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類水質標準要求，但仍超過國際上廣泛認可的發生水體富營養化的臨界濃度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，即在河流最枯月時其消污壓力也更大。在冬春兩季，由于降雨量較少導致河流本身流量不足以負荷這些污染物，而溫度較低又導致氮磷消解能力的降低，從運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境的保護與治理目前仍然不足。經調查后發現小韋河總氮和總磷污染物的主要來源為測點周圍的村莊生活污水、生活垃圾、農場動物糞便的不當處理以及農田面源污染；河流總氮嚴重超標是楊凌示范區的最大潛在危害，而且河流中水草較為茂密，需針對性預防以避免河流水體出現富營養化現象，建議加強耕作化肥用量的控制、農村養殖業糞便的集中再利用處理以及沿河生態莊園的科學管理。

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生態基流量無更高需求。

針對新興城市建設引發的河流生態需水問題，尤其是小韋河這類由于氮磷重污染的河流，在對水體水質加強治理、保護與監管等原有措施的基礎上還應該推進海綿城市的建設，綜合采取“滲、滯、蓄、凈、用、排”等措施實現城市對水資源的高效安全利用[16]，降低新興城市城市化進程對周邊環境的不良影響；同時，在河道建設中也可以借鑒海綿城市的理念，應用生態混凝土、植被緩沖帶、人工濕地等技術改善河流生態納污消污的壓力[17]，促進城市和流域水環境的可持續發展。

4 結 論

(1) 本研究給出的渭河、漆水河和小韋河在楊凌示范區段的生態基流量推薦值分別約為6.0，0.2和0.1 m3/s，可以為楊凌示范區城邊河流生態保護以及水資源統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城市建設用地面積增加而減少，兩者符合指數函數關系，保障小韋河生態基流的楊凌示范區城市建設用地面積警戒值約為60 km2，建議加強海綿城市建設。

(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Ⅴ類水質標準要求，從運移污染物和水體自凈功能的角度來說小韋河生態基流保障壓力較大，建議進行針對性治理。

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