兰州 -西宁区域水环境及影响因素分析

刘 辉,段汉明

(1.西北大学城市与资源学院,陕西 西安 710127;2.长安大学建筑学院,陕西西安 710061)

水不仅是城市居民生活、生产和生态用水,具有生命、资源和景观价值,而且具有水流交换和自净修复的环境价值等1。城市的发展不但要保证居民日常生活用水,还要为城市的商业活动、旅游、休息娱乐活动及环境美化提供水源。特别是良好的水环境对城市的旅游开发、吸引外资方面具有不可估量的价值,水是城市形成、发展的基础,是左右城市发展的主要限制因素。因此,研究城市经济发展与水环境之间耦合与胁迫关系成为很多学者城市化过程的热点 2、3。当今在水环境容量下进行城市建设、产业转移、工业布局等考虑的首要问题。

兰州 -西宁区域是甘肃、青海两省人口、经济、城镇密度最高的区域 4,兰州、西宁等城市的发展不仅对区域经济发展起到带动和主导作用,而且通过产业关联、信息流动进行资源配置,因此,如何保障兰州 -西宁区域城市快速持续发展,协调城市化与水环境协调关系,研究区域水环境演化机制成为重要问题。

1 研究区概况

区域包括甘肃省的兰州市(5区 3县)、白银市(2区 3县)、定西市(1区 4县)、临夏回族自治州(1市 7县);青海省的西宁市(4区 3县)、海东区(6县),一共 31个大中小城市,包括 5市 26县,其中兰州市跨入特大城市行列,西宁属于大城市。2009年末 31城市生产总值、第二产业产值、总人口分别为 2 024.98亿元、931.92亿元和 1 289.58万人,占甘肃省和青海省合计生产总值(4 516.28亿元)、第二产业产值(2 219.13亿元 )、总人 口 (3 192.76万人)的 44.8%、41.9%、40.3%。该区域主要水系为黄河干流及支流湟水、大通河。其中大通河流经互助土族自治县、民和回族土族自治县;湟水主要流经西宁市、平安县、乐都县、民和回族土族自治县;黄河流经临夏回族自治州、兰州市、白银市。其它还有河流多条。但是由于河流可利用水资源比较少,该地区仍然是缺水区域。湟水流域是海东地区人口稠密、经济相对发达地区,但由于湟水河水量有限,总水量无法满足两岸工农业生产生活用水的需求,目前湟水河水资源开发利用程度已达 60%以上。

2 水环境演变特点

2.1 城市供水与经济发展关系恶化加剧

城市经济规模大小一方面影响着城市与城市之间的引力、建设用地,同时城市经济通过工业生产和居民生活用水,影响着城市用水量的需求,同时又通过城市代谢加大对环境的胁迫(城市的供水紧张和城市中废水增加)。

2001～2008年,根据《甘肃省水资源统计公报》统计,龙羊峡—兰州干流区范围内的水资源存量和总用水量差距特别大,并且随着时间和城市化发展,差距越来越大。2001年龙羊峡—兰州干流区间范围内总用水量 13.707亿 m3,水资源总量仅仅 11.478亿 m3,差额为 2.228亿 m3,而到了 2008年水资源拥有量为 3.391亿 m3,用水量达到了 11.796亿 m3,用水量是水资源总量的 3.47倍。从径流量变化来看,随着城市化进程,黄河径流量呈现减小趋势,具体体现在以下两个方面。

(1)地表水随着城市人口规模的增加(图 1)和建设用的扩张(图 2),兰州段黄河年径流量呈现减小趋势。其中 1964～2004年,黄河径流量兰州段最大径流量为 1967年的517.95亿 m3,最小径流量为 1997年的 203.2亿 m3,并且出现最大径流量的时间间隔缩短,最大径流量减小(图 2)。

图1 1990～2006年兰州非农业人口规模

图2 1964～2004年黄河径流量(兰州站)变化值

从年内最大径流量和最小径流量出现的频率来看,年内1～12月最大径流量集中在 7-9月份。最大径流量和最小径流量峰值,在 1964～2004年之间每月的最小径流量在 8次出现在 1961～1980之间,且同期出现最大径流量 8次,而1981～2004年之间紧紧四次,并且峰值在减小。1967年和1981年 9月径流量超过了 109亿 m3,而 1990年之后月径流量的最大值还没有超过 50亿 m3。地表径流量大小由降水量决定,而与城市建设用地和城市地表硬化也有一定关系。

(2)年内径流量变化幅度随着时间变化在降低

1964～2004年黄河径流量(兰州段)年内分配随着时间变化,越来越均匀,7～9月份之间力量比重越来越小(图 3),年内 1～12月之间径流量的标准差减小(图 4)。1964和1966年 7～9月份径流量占全年径流量比重分别是 50.33%和 53.98%,而到了 2002年和 2004年径流量占全年径流量比重减小到 27.42%和 26.92%;年内径流量的标准差在1989年之前绝大多数年份都在 10以上,而 1990年之后标准差在 10以下,其中 2004年的标准差仅仅为 5.8,而 1967年的标准差达到了 34.2。因此从径流量的变化来看黄河兰州段年内径流量,变化幅度区域缓和,出现洪水涝灾可能性变小。但是由 2010年降水及其各大河流径流量变化趋势来看,2010年至 2020年之间,黄河兰州段径流量年内变化幅度将增大,7～9月份之间防洪意识需要加强。

图3 1964～2004年 7～9月份径流量比重

图4 1964-2004年 1～12月份径流量标准差

(3)随着城市化进程加快,供水量在降低

兰州市供水总量和城市化关系如图 5,其中供水总量由1990年的 58 304.58万吨,降至到 2009年的 27 461.59万 t,20年期间平均每年降幅达 3.69%。而城市化水平由 1990年的 50.50%增加到 2009年的 61.04%,20年期间平均每年涨幅为 0.97%。城市化水平每增加 1%,供水总量降低 2 925.27万 t。

图 5 1990～2009年兰州市总供水量与城市化水平变化

通过模拟兰州市城市化水平与供水总量的变化规律得到兰州市城市供水和城市化水平之间函数关系模型,见图 6。

图 6 城市化水平与供水量之间关系

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

式中：Y为标示兰州市的供水量;X表示城市化水平(非农化率%)。城市化水平与总供水量呈自然对数关系。

2.2 耗水结构不合理

兰州—西宁区域属于黄河流域,考虑到资料的获取性,根据区域自然生态环境背景一致,经济基础、产业结构、城市结构趋同 5、6,本研究用 2009年甘肃省水资源公报数据分析黄河干流兰州段用水结构来反映整个兰州 -西宁区域用水状况。

(1)兰州—西宁区域范围内用水主要采用地表水,所用地下水很少。从农林牧渔牧用水、工业用水、城镇公共用水、居民生活用水、生态环境用水来看,水源主要是地表水,地下水仅仅占到 11.7%。其中生态环境用水,几乎全部使用地表水,地下水占生态环境用水的仅仅为 0.1%,另外,城镇公共用水 99.6%来源于地表水,地下水占到 0.4%。

(2)兰州—西宁区域用水结构比较低级,以农林牧渔畜用水为主。通过2009年甘肃省水资源统计公报,兰州—西宁区域甘肃段,2009年农林牧渔畜用水占到年用水量的 61.7%,为 20.582亿m3,工业用水 8.241亿 m3,占年总用水量 24.7%,而城镇公共用水和居民生活用水分别占到 2.9%和 7.9%。

(3)兰州—西宁区域甘肃段集中了甘肃省主要的工业用水、城镇公共用水及绿化用水。根据表 发现 虽然兰州—西宁区域甘肃段用水结构主要以农林牧渔畜用水为主,工业用水占本区域用水很少,但是占到 2009年甘肃省工业用水 13.601亿 m3的 63.1%,城镇公共用水占到甘肃省城镇总用水1.981亿m3的 48.0%,居民生活用水占到甘肃省居民生活用水 6.999亿 m3的 37.7%,生态环境用水占到甘肃省生态环境用水总量 2.992亿 m3的 31.9%。

通过以上分析流域内用水以农林牧渔畜用水为主,集中甘肃省主要的工业用水、城镇公共用水及绿化用水。呈现这种状况主要原因是该区域是甘肃省城镇密集区,集中了全省的主要工业和城镇人口,城镇建设用地比重相对高,因此城镇公共用水主要集中在该区域;同时该区域属于黄土高原干旱区,农业生产技术相对落后,节水灌溉和用水相对粗放,加上黄土垂直节理保水差,蒸发快,因此农业用水所占比重较大。

3 河流水质空间差异较大

兰州 -西宁区域属于黄河流域水源重点保护区,其水质情况不仅影响到兰州 -西宁区域范围内城市居民生活和工农业发展用水,而且对下游用水也形成很大影响。依据地表水水域环境功能和保护目标,按功能高低依次划分为五类。Ⅰ类：主要适用于源头水、国家自然保护区;Ⅱ类：主要适用于集中式生活饮用水地表水源地一级保护区、珍稀水生生物栖息地、鱼虾类产卵场、仔稚幼鱼的索饵场等;Ⅲ类：主要适用于集中式生活饮用水地表水源地二级保护区、鱼虾类越冬场、洄游通道、水产养殖区等渔业水域及游泳区;Ⅳ类：主要适用于一般工业用水区及人体非直接接触的娱乐用水区;Ⅴ类：主要适用于农业用水区及一般景观要求水域(图 7)。其中该东部甘肃境内的大通河、湟水河、洮河、祖厉河水质分别是：黄河Ⅱ类水质长度 23 km,占到 38.98%,Ⅴ类占到61.02%;大通河、广通河和槐树关河属于Ⅱ类水质,而宛川河、祖厉河属于劣Ⅴ类,湟水属于Ⅳ类;大夏河Ⅱ类、Ⅲ类、Ⅳ类分别占到河流长度的 57.61%、12.58%、29.8%;洮河评价长 97 km,Ⅱ类占 9.2%,Ⅲ类占到 90.8%(表 1)。

图 7 兰州 -西宁区域主要河流水质图

从空间格局来看,兰州 -西宁区域水质在空间上表现西部水质优于东部区域,山地丘陵区高于黄土沟壑区,另外,支流水质劣于干流。时间上,汛期水质略优于非汛期,流域水质污染仍以点源为主 2009年汛期黄河流域满足Ⅰ～Ⅲ类水的河长占 46.0%,劣于Ⅴ类水的河长占 31.5%;非汛期满足Ⅰ ～Ⅲ类水河长占 44.0%,劣于Ⅴ类水河长占 32.9%,汛期水质略优于非汛期,表明目前全流域水质污染仍以点源污染为主。

表1 兰州 -西宁区域甘肃境内流域水质分类一览表 km

从整个流域来看,影响到黄河流域水质的主要因素包括：①生活废水,即区域居民排放的生活污水,携带氨氮等污染物;②工业废水,未经处理的工矿废水、含有大量的多种污染物,是目前黄河污染的主要来源;③电力废水,即电厂排放的污水 pH值很高,重金属污染严重;④农业废水,大量的农业灌用水归还河流时高含氨氮、农药和有机污染物。另外,兰州 -西宁区域分布在黄河干流及其多条支流,区域及城镇之间多属于上下游之间关系,同时兰州、西宁、白银等城镇的产业快速集聚和建设用地扩展,使得人类生产生活对区域生态环境干扰加大,局部发生环境污染和生态破坏,特别是在区际交叉污染相互扩散导致环境污染加剧。因为,区域工业废水、农业废水和电力废水的排放源泉和排放量都与区域内产业结构直接相关,即与工农业比重、工业集聚区空间分布、电厂位置、矿厂类型及空间分布相关。以矿业、化工机械、建材等第二产业为主的城市有大通、互助、平安、化隆、民和、永靖、白银、榆中、靖远等。这些产业布局对下游水质,特别是附近干流水质影响较大。大通和化隆工业布局,由于地形地势影响,对本县水质环境影响较小,而对下游湟水河和洮河水质影响较大。以农业种植业、畜牧业为主的县域,水质污染主要是农业种植过程中使用的化肥和有机肥对下游水质影响,程度较轻(氨氮为主),以Ⅱ级和Ⅲ级水质为主。

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