拉萨河干流城市段水环境容量

靳甜甜,卢 敏,刘国华,彭期冬,冯 时

1 中国水利水电科学研究院, 北京 100038 2 兰州大学资源环境学院, 兰州 730000 3 中国科学院生态环境研究中心, 北京 100085

20世纪60年代,日本学者根据总量控制原则提出了环境容量的定义；我国环境容量研究始于20世纪70年代。经过概念辨析和理论探讨后,我国水环境容量研究目前侧重于实际应用,而水环境容量计算成为水环境管理和水功能区限制纳污红线管理的重要依据[1-2]。水环境容量计算方法可分为确定性和不确定性两类[3]：确定性方法包括公式法、模型试错法和系统最优化法等,此类方法较为简单,操作性强；不确定性方法包括随机规划、概率模型和未确知数学法等,该类方法充分考虑了环境复杂性和未来不确定性,与现实状况更为接近。无论何种方法,长系列水质监测数据均是水环境容量计算的重要基础；与水文数据相比,我国多数地区特别是西南地区,长系列、大范围水质监测数据缺乏,虽可计算水环境容量,但计算结果不确定性较大且往往不能准确判断影响水环境容量的主要因素。

1 研究区概况

拉萨河全长551 km,平均坡降2.9‰；流域内气候为高原温带半干旱大陆性气候,多年平均降水量550 mm以上,6—9月份为丰水期,10—3月份为枯水期,4月和5月份为平水期。拉萨河流域共有4个水文监测站点、3个气象站和4个水环境监测站。4个水文站分别为干流旁多站、唐家站、拉萨站和堆龙曲上的羊八井站。3个气象站分别为拉萨站、墨竹工卡站和当雄站。4个水环境监测站分别为达孜、卡林(2013年后撤销)、才纳和东嘎(支流堆龙曲上)。拉萨河流域水文站、水环境监测站和水电站位置如图1所示。

河流上游和中游处于受人类活动影响较少的山区河谷地区,人口稀少、几乎无工业污染；下游进入人口密集的城镇区,工业和农业面源增加。下游人类活动主要集中在直孔以下的下游地区,澎波灌区、达墨灌区、城区-曲水灌区是拉萨河流域农业活动集中分布区域,拉萨市城关区周围是流域工业和生活废污水集中排放区域。基于拉萨河流域污染源分布及未来城镇发展趋势,选择拉萨市上游达孜水环境监测断面到拉萨市下游才纳国控考核断面进行水环境容量计算,河段总长约63 km。

图1 拉萨河流域水文、水环境站点和主要水利水电工程位置图Fig.1 The hydrological, water environmental stations and main hydro projects in Lhasa River basin

2 研究方法

首先,对计算河段进行概化。其次,利用2017年实测流量和水位数据构建河段水动力模型,利用拉萨水文站水位数据进行河道糙率的率定,确定评价河段水动力模型。再次,利用2017年5月1日—2017年5月30日连续30日平均流量、平均浓度和污染物平均排放速率进行水质模型模拟。最后将设计水文条件输入率定好的模型,计算关注河段水环境容量。水动力和水质模型的率定和验证在MIKE11下进行。

2.1 水系概化

达孜水环境监测点以下7 km设置有献多水厂引水坝,将拉萨河一部分水量引入献多水库供灌溉和拉萨市南干渠、北干渠和中干渠引水；流沙河发源于拉萨市东北山地,与北干渠汇合后进入拉鲁湿地；南干渠与中干渠汇合后自拉鲁湿地南部流过,接纳拉鲁湿地排水后进入流沙河南段；流沙河与堆龙河汇合后流动约10 km后与拉萨河干流汇合。计算河段水系概化如图2所示。

图2 水环境容量计算河段水系概化图Fig.2 The drainage map of studied mainstream for the calculation of water environmental capacity

2.2 城区段入河污染物调查

收集了2017年拉萨市城区工业废水和生活污水排污口空间分布、废污水类型及年废水排放量,以及拉萨市污水处理厂位置、年处理量、进口水质和出口水质数据等。2017年拉萨市入河排污口共99个(图3),废污水排放量共计9.78×107t/a,其中拉萨市经开区污水处理厂排放量为6.57×107t/a,占总排放量的67%。根据废污水排放量和排污口空间位置,将99个入河排污口进行合并,最终形成27个入河排污口。

图3 拉萨市入河排污口位置及排放量示意图Fig.3 Sewage outlets into the river in Lhasa City

2.3 模型率定验证

2.3.1 水动力模型率定验证

水动力模块可用来模拟不同断面的水位、流量、流速,模型对于水位较为敏感,常常用水位数据进行模型水动力参数的率定验证。水动力模型构建和率定验证过程为：首先,在2017年5月3日到12日之间,于拉萨河下游达孜水环境监测站点到才纳国控考核断面之间设置断面进行河道地形测量和概化,作为断面输入数据[8]；其次,将2017年5月1日—2017年5月30日连续30日水文数据输入到模型中,构建河段水动力模型；最后,选取拉萨站为率定验证站点,河道糙率n的初始取值为0.025,在率定过程中对河道糙率进行调整,直到模拟水位能够很好的吻合实测水位值。根据率定结果,当n=0.033时拉萨站的水位模拟值与实测值基本吻合,二者相关系数达到0.987。

2.3.2 水质模型率定和验证

2.4 边界条件确定

2.4.1 设计水文条件

在《制定地方水污染物排放标准的技术原则与方法》(GB/T 3839—1983)和《水域纳污能力计算规程》(GB25173—2010)中明确规定,水环境容量计算中设计水文条件为90%保证率最枯月平均流量或近十年最枯月平均流量,对于有水利工程控制的河流应用最小下泄流量(坝下保证流量)或河道内生态基流。根据2005—2014年拉萨水文站监测数据,近10年最枯月为二月份,其平均流量为46.32 m3/s,堆龙河与流沙河设计流量根据2017年5月份开展的拉萨河干支流流量测定结果按照比例推算。

2.4.2 水质目标

根据 《全国重要江河湖泊水功能区划(2011—2030)》,达孜县城以下10 km到拉萨大桥为二类水功能区,拉萨大桥到卡林断面为三类水功能区,卡林到才纳为二类水功能区(最后考核方案为才纳断面按照III类考核),本文中才纳断面按照III类水质考核。根据实际监测情况拉萨大桥入流水质COD含量超出II类水质COD标准限值,因此在计算水环境容量时达孜断面采用两种情景输入：一是水质达标输入；二是根据达孜断面实际监测水质平均值输入。

2.4.3 污染物排放

3 结果与讨论

3.1 水环境容量计算结果

在MIKE11中,将上游来水水质和设计水文条件输入率定好的模型,计算才纳出口水质条件。根据拉萨市未来规划,流沙河将成为未来废污水主要纳污水体,因此,在流沙河增加点源排放,直到才纳断面出口水质达到III类标准限值,增加的点源排放即为该河段水环境容量。此处,上游来水水质用两种情景：一是达标水质,即II类水质标准限值；二是5月份实测水质。最终计算出的拉萨河城市段水环境容量结果如表1所示。

表1 拉萨河干流城市段水环境容量

3.2 拉萨河干流城市段水环境容量现状及主要影响因素

3.3 气候变化对对设计水文条件的影响

多种证据表明,近50a来青藏高原温度呈现升高趋势[9-10]。冰川、湖泊水位[11]、生态系统初级生产力[12]、河川流量等[13]等发生一系列变化。蔺学东等[13]利用拉萨水文站(1956—1968、1973—2003)和唐家水文站(1961—2000)逐月实测流量资料以及当雄(1962—2005)、墨竹工卡(1978—2005)和拉萨气象站(1955—2005)气象逐月气温、降水资料分析了拉萨河1956—2003年拉萨河水文站以上流量变化及与气候因子的关系。结果表明：1956—2003年均流量呈现增加趋势,夏半年流量增加趋势受降水增加影响较大,冬半年流量变化主要与气温有较显著相关性,这可能与全球气温变暖导致冰川融水增加有关。

根据1955—2015年拉萨河流域内气象站数据(图4),2004年以前,拉萨河流域整体降雨量具有上升的趋势,2004年以后开始略有下降的趋势；温度一直呈现缓慢上升的趋势,年均增温0.047℃。如图4所示,降雨量减少将直接影响河流量,而温度的上升对河川流量的影响分两方面：一方面,温度增加可加快冰川和冻土消融速度,增加流量补给[14],此效应在冬季尤为明显[15],但随着冰川不断消融,增加效应会逐渐变弱；另一方面,温度增加会提高植物蒸腾和地面蒸散,降低产流量。根据拉萨水文站1956—2003、2005—2015年的年流量数据显示,与降水量趋势一致,2005—2015年拉萨水文站年流量降低趋势明显,造成水环境容量计算中设计水文流量较低。

图4 拉萨市及周边气象站年均降雨量、年均温度及拉萨水文站年均流量变化趋势Fig.4 The trend of annual precipitation and temperature of weather stations in and around Lhasa basin and runoff of Lhasa hydrological station

3.4 干流水利水电工程建设对设计水文条件的影响

除气候变化外,水利水电工程建设也是影响干流水文的一个重要原因。目前,拉萨河干流水文状态有较大影响的工程主要为水电站和灌区引水工程。拉萨河干流分布有5个水利水电工程,自上而下分别为旁多水利枢纽、直孔电站、平措电站、纳金电站和献多电站。纳金、献多和平措电站均为引水式电站,建设时间较早,水头和装机小,具有日调节或无调节能力,对水文过程影响有限。直孔电站和旁多水利枢纽分别具有季调节和不完全年调节能力,可对河流水文过程产生一定影响。两座电站建设时间长,从开工到竣工投产分别历时6年和4年。直孔电站和旁多水利枢纽对各水文站点流量影响的时段特征如表2所示。

2006年9月份以前,旁多、唐家和拉萨水文站流量数据基本能反映天然状态下3个站点的流量变化。2006年9月份以后拉萨水文站陆续受到直孔电站、旁多水利枢纽的影响,水库蓄水和运行势必对水文站流量产生影响。根据中华人民共和国环境保护部《关于西藏自治区旁多水利枢纽工程环境影响报告书的批复》(环审[2008])608号),旁多坝址处常年下泄流量不低于23.00 m3/s,直孔水电站为季调节水库,环评中未给出生态流量。根据旁多水文站和拉萨水文站多年水文数据2005—2014年流量关系,如旁多水利枢纽二月份下泄流量为23.00 m3/s,在不考虑直孔水电站的调节能力情况下,拉萨水文站的流量约为32.56 m3/s,小于本文水环境计算中的设计水文条件46.32 m3/s。因此,水电站调节可能成为拉萨市城区段水环境容量变化的重要影响因素。

直孔、旁多、平措、纳金和献多均具有引水灌溉功能,也会对下游水文条件产生影响。旁多水利枢纽配套建设了灌溉引水输水洞,设计引水流量10 m3/s,多年平均引水量2×108m3,直孔水电站库周5033 hm2耕地可从库内提水得到灌溉。若电站在枯水期引水,可能会对下游水文条件产生影响,进而影响水环境容量。

3.5 上游水质变化对水环境容量的影响

表2 干流水电站对各水文站点流量影响时段特征

上游水体中COD浓度较高,可能与拉萨河生态环境及气候特点有关。拉萨河流域地处青藏高原,流域内草甸、高寒湿地等生态系统分布广泛,在流域生态稳定性维持中发挥着重要作用[9,16]。草甸、湿地生态系统中凋落物分解速度慢,腐殖质堆积,土壤有机质和养分含量较高。虽然气候变化对于掉落物分解的影响具有多元性,但气温升高会加速掉落物分解过程已达成共识[17-18],而掉落物分解可通过改变土壤微生物种群和群落特征加快微生物养分的固定和矿化[19]。气候变化背景下,流域气候呈现暖干化趋势,这将促进土壤中有机质的分解和矿化,使土壤中碳以二氧化碳和甲烷的形式释放到空气中,而其中的氮、磷和可溶性有机物将随水流进入水体,从而造成水环境变化。然而,目前高寒湿地方面研究多集中在土壤碳库[20-21]、景观格局[22]、生物多样性[23]、生态系统服务功能变化[24]研究,关于气候变化背景下草甸、湿地水环境效应方便研究欠缺。已有研究尚不足以定量分析湿地对流域水环境效应。但从已有少数研究和监测结果推断,气候暖干化情境下,湿地易分解有机质的降解使土壤中养分释放,随水流进入水体,进而对水环境产生影响。根据2010年7月份拉萨河下游江夏湿地、雅让湿地、察巴朗湿地和塘嘎郭湿地水质的监测结果[25]：四个湿地水体中总氮含量3.2—5.6 mg/L,远超III类水体总氮含量浓度限值1.0 mg/L。当降雨经由湿地进入水体时,湿地中可溶性有机物和养分便随之进入水体中。

3.6 拉萨河流域污染物排放和处理状况

拉萨市已建和在建的市政污水处理设施主要包括拉萨市经济开发区污水处理厂一期、拉萨市经济开发区污水处理厂二期、拉萨市百淀片区污水处理厂、柳梧新区污水处理厂、达孜县污水处理厂5个项目。目前,已建成拉萨市经济开发区污水处理厂一期工程5×104t/d、拉萨市经济开发区污水处理厂二期工程13×104t/d,柳梧新区污水处理厂(0.5×104t/d)已开工尚未正常运行。据西藏圣海勘测设计有限公司的调查,拉萨市入河排污口每年废污水排放总量为9.78×107t/a,每日废污水排放量约为2.68×105t/d,目前拉萨市废污水处理率约为67.2%,污水处理厂处理能力严重不足。即使拉萨市的市政管网收集废污水量可满足污水处理厂满负荷运行要求,且拉萨市污水处理厂一期、二期和柳梧污水处理厂均正常满负荷运行,拉萨市区工业废水和生活污水处理率也仅可达到69.0%,废污水处理能力仍待加强。

未来,随着经济进一步发展和居民生活水平的提高,拉萨市区废污水排放量将持续增加。而已建和在建污水处理厂以及配套管网,不能满足未来污水处理要求,应对现有污水处理厂进行扩容或新建污水处理厂,完善污水管网等配套设施,鼓励企业污水回用,做到雨污分流。除关注拉萨市区废污水排放情况还需关注县城和乡镇废污水排放,目前整个流域除拉萨市城区、堆龙德庆县、达孜县修建或规划了污水处理设施,其余各县尚未建设污水处理设施,未来应在这些区域加强废污水排放管理和处理工作。

4 结论