新兴城市城区建设对周边水系生态基流的影响——以杨凌农业高新技术产业示范区为例

张昊晨, 高建恩,, 康有财, 林廷武, 李文证, 高 哲

(1.西北农林科技大学 水土保持研究所, 陕西 杨凌 712100; 2.中国科学院 水利部 水土保持研究所水利部水土保持生态工程技术研究中心, 陕西 杨凌 712100; 3.西北农林科技大学 水利与建筑工程学院, 陕西 杨凌 712100)

缺水重污染高含沙河流生态基流的保障是一个世界性科技难题，城市水土保持工程的建设对保障该类河流生态基流的影响，不但是研究热点而且对人民生活质量的提升和城市生态建设的可持续发展具有重要的意义。自1998年Gleick[1]提出了基本生态需水量的概念以来，河流生态基流受到越来越多的关注并取得了一定的研究进展[2]；Stalnaker[3]等运用基于水生生物生境的IFIM法计算生态基流量；高建恩[4]、王红[5]、王宏杰[6]、李娟[7]等针对水资源短缺、含沙量高、农业用水量大的渭河提出了确保渭河生态基流首先要考虑农业节水的观点并进一步研究了地下水补给、河道排沙和降雨径流对保障渭河生态基流的影响；何兵等[8]针对叶尔羌河这一典型干旱区内陆河采用多种水文学方法重构了其生态基流。在保障生态基流的前提下充分利用河流水资源可以更好地保持河流生态健康发展，生态基流的研究不仅受到广大学者的关注，也受到了政府部门的重视[9]。城市化的快速发展对城边河流生态系统造成剧烈影响，这一现状下城边河流生态基流难以保障的问题尚待进一步研究。城市建设通过改变区域下垫面结构使汇流速度加快、产流量增加、侵占河湖水系，同时城市发展显著增加了用水需求量和生产、生活排污量，甚至超过河湖水系环境的承载能力，不断扩张的城市建设用地直接对保障城边河流生态基流造成了严重的威胁[10]。杨凌农业高新技术产业示范区(以下简称“杨凌示范区”)作为首个国家级农业高新技术产业示范区、国家食品安全示范城市，近年来城市建设发展迅速，是陕西省乃至西北地区新兴城市的典型代表，以杨凌示范区及城边复杂水系为对象，以河流生态安全和城市发展共赢为目标，多角度统筹分析城市建设对于城边河流水文情势的影响，对新兴城市的生态建设发展具有重要的现实意义。

1 研究区概况

杨凌示范区位于陕西关中平原中部，总面积约135 km2，城市规划区约35 km2，东与武功县大庄镇以漆水河为界，南与周至县哑柏镇隔渭河相望，西与扶风县绛帐镇接壤，北依小韦河与武功县武功镇、扶风县杏林镇相邻(图1)。渭河是黄河的最大支流，位于陕西省中部，全长818 km，流域面积1.34×105km2，7—10月汛期降雨量和年内流量约占全年的60%～70%[11]；漆水河是渭河的一级支流，至武功县汇入渭河，全长151 km，流域面积3 824 km2，在永寿县境和乾县境内，年平均流量1.8 m3/s，年均含沙量13.9 kg/m3；小韦河是漆水河的最大支流，至武功县汇入漆水河，全长111.6 km，流域面积约2 043 km2，流域面积和年径流量均占漆水河的60%左右，汛期平均流量0.85 m3/s，汛期径流量约占多年平均径流量的80%。

图1 杨凌示范区和3条河流水系位置示意图

2 数据与方法

本研究从陕西省水利厅全省水情公报获得了距离杨凌示范区城区最近的渭河魏家堡站(34.290°N，107.726°E)和漆水河安头站(34.595°N，108.060°E)的2012—2018年径流量资料；因公报中小韦河扶风站资料不全，结合小韦河岭后段典型断面(34.321°N，107.991°E)定点定期监测数据以及河道水力参数测量与计算汇总得到小韦河岭后段2012—2018年径流量资料；为分析河流流量的变化情况，从中国气象科学数据网获得了2012—2018年陕西省凤翔站、永寿站和杨凌站的年累积降雨量数据；为分析杨凌示范区城市建设情况，借助Google Earth的多年卫星影像，获取了杨凌示范区1984—2018年城市建设用地面积数据。上述站点位置均如图1所示。

计算河流生态基流量采用的方法为最枯月平均流量法，该方法是以河流最枯月月均流量的多年平均值作为河流的生态基流，计算较为简便且数据要求不高[12]，对这3条河流都较为合适，计算公式为：

(1)

式中：Qb——河流生态基流量；n——统计年数；Qi,min——第i年最枯月月均流量(m3/s)。

为了分析小韦河岭后段河流输沙纳污功能现状，每月中旬在该选定的典型断面中部分别采集沿垂向自水面向下0～0.3 m，0.3～0.6 m，0.6～0.9 m处河流水体各1 L，每层水样混合均匀后取100 ml分别装入聚乙烯瓶中，用硫酸酸化保存并带回实验室完成分析；水体中总氮浓度测量采用碱性过硫酸钾消解—紫外分光光度法，总磷浓度测量采用钼酸铵分光光度法，含沙量测量采用烘干法。

3 结果与分析

3.1 杨凌城市周边3条河流生态基流的计算与分析

通过对上述数据的整理与分析，得到距离杨凌示范区最近的渭河魏家堡站、漆水河安头站和小韦河岭后段流量年变化如图2所示，根据公式(1)可由枯水流量出发计算得到3条河流在该段的生态基流量。随着河流向下游延伸河长的增加和流域面积的增大，为了保证其在杨凌示范区段的生态功能健康，本段河流生态基流量应至少维持在上述计算河段的生态基流量以上，故建议3条河流在杨凌示范区段的生态基流量分别约为6.0，0.2，0.1 m3/s。计算的3条河流杨凌示范区段生态基流保障推荐值可以为其城边河流生态保护以及水资源合理配置提供一定参考。以保障3条河流的生态基流为基础，合理规划附近湖泊、湿地、河道、水库、渠道、地下水等的引水量和排污量，实施错峰用水、农业节水和污水回用等措施减轻河流的供给压力，实现用水区域协调、产业协调，在城市发展的背景下更好地保护与治理河流生态环境。

进一步收集3条河流附近的凤翔站、永寿站和杨凌站3个站点2012—2018年的年累计降雨量，可知3条河流所在区域年降雨量在2016年达到最低值而2017—2018年缓慢回升，流量变化与降雨量变化基本相符。2014年7月底至8月上旬关中部分地区干旱，渭河表现出枯水期流量偏低难以保障其生态基流的情况；漆水河、小韦河在2015年以来枯水期流量减少，用水问题也更加严重。结合文献[13]可知2000—2014年关中地区年平均降水量呈增加趋势，总体降雨量变化不大但大雨以上降水发生频次逐渐增多，枯水期降雨量明显偏少，在这一现状下城市建设用地对河流生态健康的不利影响更为突出。

图2 杨凌示范区段3条河流流量年变化

3.2 城市建设用地面积对河流最枯月月均流量的影响

由Google Earth的卫星影像历史数据获取的不同年份杨凌示范区城市建设用地面积如图3所示，运用SPSS软件分析其与城市周边3条河流最枯月月均流量相关性详见表1。由表1可知杨凌示范区城市建设用地面积与小韦河最枯月月均流量存在显著的负相关关系，而与漆水河和渭河的最枯月月均流量关系不明显，这与小韦河流经境内河长为24.6 km且超过其全长的22%相符。尽管渭河、漆水河的水文测站不在杨凌示范区，杨凌示范区城市面积变化与河流径流量的关系在这两个站点的相关关系也不够显著，但依然显示出一致的负相关关系，表现出杨凌城区建设与渭河、漆水河河流上游的城区建设具有一定的共时性，杨凌示范区发展的用水需求与上游城区用水存在矛盾是必然的，枯水期生态基流的保障更加需要受到重点关注。

杨凌示范区城市建设用地不仅对小韦河流域蒸发、入渗和汇流产生了直接影响，而且对小韦河汇入的漆水河和渭河产生了间接影响，但杨凌示范区相对于漆水河流域和渭河流域来说面积更小且距离更远，对渭河和漆水河在当地的径流影响相对很小。而渭河魏家堡站径流主要受到宝鸡市城市发展的影响，漆水河安头站径流主要受到麟游县和永寿县城镇发展的影响，二者受到的影响与小韦河受到杨凌示范区城市建设的影响具有一定的一致性。

图3 杨凌示范区多年城市建设面积变化

表1杨凌示范区城市建设用地面积与3条河流最枯月月均流量相关性分析(皮尔森相关分析)

项 目最枯月月均流量小韦河漆水河渭河城市建设用地面积-0.706*-0.494 -0.380 0.0340.2140.353

注：*为相关性在0.05级别显著；N=7。

进一步分析可知，杨凌示范区城市建设用地面积与小韦河最枯月月均流量的关系如图4所示，符合指数函数的规律，关系式为：

(2)

式中：Qmin——小韦河最枯月月均流量(m3/s)；A——杨凌示范区城市建设用地面积(km2)。

由图4可知，在气候条件相对稳定的条件下，当杨凌示范区城市建设用地面积为《杨凌城乡总体规划修编(2017—2035年)》(草案)2035年规划的56.27 km2时，小韦河最枯月月均流量接近生态基流量推荐值0.1 m3/s，枯水期生态基流保障问题较为严峻；经计算，当杨凌示范区城市建设用地面积大于60 km2时，小韦河最枯月月均流量小于生态基流量推荐值，若不及时采取保护措施，枯水期生态基流将得不到保障，故以60 km2作为保障小韦河生态基流的杨凌示范区城市建设用地面积警戒值。

图4 杨凌示范区城市建设用地面积与小韦河最枯月月均流量关系

3.3 总氮、总磷消污对小韦河生态基流的影响

河流生态基流除了维持水面蒸发、河道渗漏、行洪调蓄、生物多样性以及景观休闲等功能，还应该保证输沙纳污功能的正常运行以避免河流生态功能受到水体污染的直接破坏，保证水体的输沙纳污功能需要一定水量与之匹配，其中维持河道冲刷与侵蚀的动态平衡以及运移消解污染物所需要的水量不是简单相加而是相互包含[14]。新兴城市城区面积扩张导致的城市整体用水和排污增加使得城边河流的承载压力大增，需要分析其水体输沙纳污功能的保证情况。经过对小韦河岭后断面为期一年的定点定期采样与分析，得到总氮和总磷平均浓度月变化如图5所示，含沙量月变化如图6所示。

根据《国家地表水环境质量标准(GB/T38382002)》规定的Ⅴ类水标准，总氮和总磷浓度的最小允许值为2.0和0.4 mg/L。由图5可知，监测期间小韦河岭后断面总氮污染相对严重，总氮月均浓度为10.80～17.25 mg/L，均超过Ⅴ类水质标准要求，年平均浓度为14.37 mg/L，是Ⅴ类水最小允许值的718.5%；监测期间小韦河岭后断面总磷污染相对较轻，总磷月均浓度为0.19～0.53 mg/L，部分超过Ⅴ类水质标准要求，年平均浓度为0.31 mg/L，是Ⅴ类水最小允许值的77.5%，基本符合Ⅴ类水质标准要求，但仍超过国际上广泛认可的发生水体富营养化的临界浓度0.02 mg/L[15]。

图5 小韦河岭后断面总氮和总磷浓度月变化

图6 小韦河岭后断面含沙量月变化

小韦河岭后断面水体总氮的四季平均浓度分别为13.83，12.75，13.45和16.66 mg/L，总磷的四季平均浓度分别为0.39，0.22，0.27和0.34 mg/L，总氮和总磷的四季浓度均具有明显差异且都为春冬季大于夏秋季，即在河流最枯月时其消污压力也更大。在冬春两季，由于降雨量较少导致河流本身流量不足以负荷这些污染物，而温度较低又导致氮磷消解能力的降低，从运移污染物和水体自净方面需要更多的水量以维持河流的健康，表明了小韦河沿岸水环境的保护与治理目前仍然不足。经调查后发现小韦河总氮和总磷污染物的主要来源为测点周围的村庄生活污水、生活垃圾、农场动物粪便的不当处理以及农田面源污染；河流总氮严重超标是杨凌示范区的最大潜在危害，而且河流中水草较为茂密，需针对性预防以避免河流水体出现富营养化现象，建议加强耕作化肥用量的控制、农村养殖业粪便的集中再利用处理以及沿河生态庄园的科学管理。

由图6可知，小韦河岭后断面月均含沙量为0.37～1.60 kg/m3，年平均含沙量为0.86 kg/m3，枯水期平均含沙量为0.44 kg/m3。小韦河含沙量总体不高，枯水期更低，河流水沙平衡方面对生态基流量无更高需求。

针对新兴城市建设引发的河流生态需水问题，尤其是小韦河这类由于氮磷重污染的河流，在对水体水质加强治理、保护与监管等原有措施的基础上还应该推进海绵城市的建设，综合采取“渗、滞、蓄、净、用、排”等措施实现城市对水资源的高效安全利用[16]，降低新兴城市城市化进程对周边环境的不良影响；同时，在河道建设中也可以借鉴海绵城市的理念，应用生态混凝土、植被缓冲带、人工湿地等技术改善河流生态纳污消污的压力[17]，促进城市和流域水环境的可持续发展。

4 结 论

(1) 本研究给出的渭河、漆水河和小韦河在杨凌示范区段的生态基流量推荐值分别约为6.0，0.2和0.1 m3/s，可以为杨凌示范区城边河流生态保护以及水资源统筹配置提供一定的参考；小韦河最枯月月均流量受到土地利用的变化随杨凌示范区城市建设用地面积增加而减少，两者符合指数函数关系，保障小韦河生态基流的杨凌示范区城市建设用地面积警戒值约为60 km2，建议加强海绵城市建设。

(2) 小韦河水体总氮和总磷月均浓度为10.80～17.25 mg/L和0.19～0.53 mg/L，总体超过Ⅴ类水质标准要求，从运移污染物和水体自净功能的角度来说小韦河生态基流保障压力较大，建议进行针对性治理。

(3) 由于小型河流水文资料年限较短、测站较少，多级河流的生态基流关系以及与城市建设用地面积间的关系的研究还有待完善。