拉薩河干流城市段水環(huán)境容量

靳甜甜,盧 敏,劉國華,彭期冬,馮 時

1 中國水利水電科學研究院, 北京 100038 2 蘭州大學資源環(huán)境學院, 蘭州 730000 3 中國科學院生態(tài)環(huán)境研究中心, 北京 100085

20世紀60年代,日本學者根據總量控制原則提出了環(huán)境容量的定義；我國環(huán)境容量研究始于20世紀70年代。經過概念辨析和理論探討后,我國水環(huán)境容量研究目前側重于實際應用,而水環(huán)境容量計算成為水環(huán)境管理和水功能區(qū)限制納污紅線管理的重要依據[1-2]。水環(huán)境容量計算方法可分為確定性和不確定性兩類[3]：確定性方法包括公式法、模型試錯法和系統(tǒng)最優(yōu)化法等,此類方法較為簡單,操作性強；不確定性方法包括隨機規(guī)劃、概率模型和未確知數學法等,該類方法充分考慮了環(huán)境復雜性和未來不確定性,與現實狀況更為接近。無論何種方法,長系列水質監(jiān)測數據均是水環(huán)境容量計算的重要基礎；與水文數據相比,我國多數地區(qū)特別是西南地區(qū),長系列、大范圍水質監(jiān)測數據缺乏,雖可計算水環(huán)境容量,但計算結果不確定性較大且往往不能準確判斷影響水環(huán)境容量的主要因素。

1 研究區(qū)概況

拉薩河全長551 km,平均坡降2.9‰；流域內氣候為高原溫帶半干旱大陸性氣候,多年平均降水量550 mm以上,6—9月份為豐水期,10—3月份為枯水期,4月和5月份為平水期。拉薩河流域共有4個水文監(jiān)測站點、3個氣象站和4個水環(huán)境監(jiān)測站。4個水文站分別為干流旁多站、唐家站、拉薩站和堆龍曲上的羊八井站。3個氣象站分別為拉薩站、墨竹工卡站和當雄站。4個水環(huán)境監(jiān)測站分別為達孜、卡林(2013年后撤銷)、才納和東嘎(支流堆龍曲上)。拉薩河流域水文站、水環(huán)境監(jiān)測站和水電站位置如圖1所示。

河流上游和中游處于受人類活動影響較少的山區(qū)河谷地區(qū),人口稀少、幾乎無工業(yè)污染；下游進入人口密集的城鎮(zhèn)區(qū),工業(yè)和農業(yè)面源增加。下游人類活動主要集中在直孔以下的下游地區(qū),澎波灌區(qū)、達墨灌區(qū)、城區(qū)-曲水灌區(qū)是拉薩河流域農業(yè)活動集中分布區(qū)域,拉薩市城關區(qū)周圍是流域工業(yè)和生活廢污水集中排放區(qū)域。基于拉薩河流域污染源分布及未來城鎮(zhèn)發(fā)展趨勢,選擇拉薩市上游達孜水環(huán)境監(jiān)測斷面到拉薩市下游才納國控考核斷面進行水環(huán)境容量計算,河段總長約63 km。

圖1 拉薩河流域水文、水環(huán)境站點和主要水利水電工程位置圖Fig.1 The hydrological, water environmental stations and main hydro projects in Lhasa River basin

2 研究方法

首先,對計算河段進行概化。其次,利用2017年實測流量和水位數據構建河段水動力模型,利用拉薩水文站水位數據進行河道糙率的率定,確定評價河段水動力模型。再次,利用2017年5月1日—2017年5月30日連續(xù)30日平均流量、平均濃度和污染物平均排放速率進行水質模型模擬。最后將設計水文條件輸入率定好的模型,計算關注河段水環(huán)境容量。水動力和水質模型的率定和驗證在MIKE11下進行。

2.1 水系概化

達孜水環(huán)境監(jiān)測點以下7 km設置有獻多水廠引水壩,將拉薩河一部分水量引入獻多水庫供灌溉和拉薩市南干渠、北干渠和中干渠引水；流沙河發(fā)源于拉薩市東北山地,與北干渠匯合后進入拉魯濕地；南干渠與中干渠匯合后自拉魯濕地南部流過,接納拉魯濕地排水后進入流沙河南段；流沙河與堆龍河匯合后流動約10 km后與拉薩河干流匯合。計算河段水系概化如圖2所示。

圖2 水環(huán)境容量計算河段水系概化圖Fig.2 The drainage map of studied mainstream for the calculation of water environmental capacity

2.2 城區(qū)段入河污染物調查

收集了2017年拉薩市城區(qū)工業(yè)廢水和生活污水排污口空間分布、廢污水類型及年廢水排放量,以及拉薩市污水處理廠位置、年處理量、進口水質和出口水質數據等。2017年拉薩市入河排污口共99個(圖3),廢污水排放量共計9.78×107t/a,其中拉薩市經開區(qū)污水處理廠排放量為6.57×107t/a,占總排放量的67%。根據廢污水排放量和排污口空間位置,將99個入河排污口進行合并,最終形成27個入河排污口。

圖3 拉薩市入河排污口位置及排放量示意圖Fig.3 Sewage outlets into the river in Lhasa City

2.3 模型率定驗證

2.3.1 水動力模型率定驗證

水動力模塊可用來模擬不同斷面的水位、流量、流速,模型對于水位較為敏感,常常用水位數據進行模型水動力參數的率定驗證。水動力模型構建和率定驗證過程為：首先,在2017年5月3日到12日之間,于拉薩河下游達孜水環(huán)境監(jiān)測站點到才納國控考核斷面之間設置斷面進行河道地形測量和概化,作為斷面輸入數據[8]；其次,將2017年5月1日—2017年5月30日連續(xù)30日水文數據輸入到模型中,構建河段水動力模型；最后,選取拉薩站為率定驗證站點,河道糙率n的初始取值為0.025,在率定過程中對河道糙率進行調整,直到模擬水位能夠很好的吻合實測水位值。根據率定結果,當n=0.033時拉薩站的水位模擬值與實測值基本吻合,二者相關系數達到0.987。

2.3.2 水質模型率定和驗證

2.4 邊界條件確定

2.4.1 設計水文條件

在《制定地方水污染物排放標準的技術原則與方法》(GB/T 3839—1983)和《水域納污能力計算規(guī)程》(GB25173—2010)中明確規(guī)定,水環(huán)境容量計算中設計水文條件為90%保證率最枯月平均流量或近十年最枯月平均流量,對于有水利工程控制的河流應用最小下泄流量(壩下保證流量)或河道內生態(tài)基流。根據2005—2014年拉薩水文站監(jiān)測數據,近10年最枯月為二月份,其平均流量為46.32 m3/s,堆龍河與流沙河設計流量根據2017年5月份開展的拉薩河干支流流量測定結果按照比例推算。

2.4.2 水質目標

根據 《全國重要江河湖泊水功能區(qū)劃(2011—2030)》,達孜縣城以下10 km到拉薩大橋為二類水功能區(qū),拉薩大橋到卡林斷面為三類水功能區(qū),卡林到才納為二類水功能區(qū)(最后考核方案為才納斷面按照III類考核),本文中才納斷面按照III類水質考核。根據實際監(jiān)測情況拉薩大橋入流水質COD含量超出II類水質COD標準限值,因此在計算水環(huán)境容量時達孜斷面采用兩種情景輸入：一是水質達標輸入；二是根據達孜斷面實際監(jiān)測水質平均值輸入。

2.4.3 污染物排放

3 結果與討論

3.1 水環(huán)境容量計算結果

在MIKE11中,將上游來水水質和設計水文條件輸入率定好的模型,計算才納出口水質條件。根據拉薩市未來規(guī)劃,流沙河將成為未來廢污水主要納污水體,因此,在流沙河增加點源排放,直到才納斷面出口水質達到III類標準限值,增加的點源排放即為該河段水環(huán)境容量。此處,上游來水水質用兩種情景：一是達標水質,即II類水質標準限值；二是5月份實測水質。最終計算出的拉薩河城市段水環(huán)境容量結果如表1所示。

表1 拉薩河干流城市段水環(huán)境容量

3.2 拉薩河干流城市段水環(huán)境容量現狀及主要影響因素

3.3 氣候變化對對設計水文條件的影響

多種證據表明,近50a來青藏高原溫度呈現升高趨勢[9-10]。冰川、湖泊水位[11]、生態(tài)系統(tǒng)初級生產力[12]、河川流量等[13]等發(fā)生一系列變化。藺學東等[13]利用拉薩水文站(1956—1968、1973—2003)和唐家水文站(1961—2000)逐月實測流量資料以及當雄(1962—2005)、墨竹工卡(1978—2005)和拉薩氣象站(1955—2005)氣象逐月氣溫、降水資料分析了拉薩河1956—2003年拉薩河水文站以上流量變化及與氣候因子的關系。結果表明：1956—2003年均流量呈現增加趨勢,夏半年流量增加趨勢受降水增加影響較大,冬半年流量變化主要與氣溫有較顯著相關性,這可能與全球氣溫變暖導致冰川融水增加有關。

根據1955—2015年拉薩河流域內氣象站數據(圖4),2004年以前,拉薩河流域整體降雨量具有上升的趨勢,2004年以后開始略有下降的趨勢；溫度一直呈現緩慢上升的趨勢,年均增溫0.047℃。如圖4所示,降雨量減少將直接影響河流量,而溫度的上升對河川流量的影響分兩方面：一方面,溫度增加可加快冰川和凍土消融速度,增加流量補給[14],此效應在冬季尤為明顯[15],但隨著冰川不斷消融,增加效應會逐漸變弱；另一方面,溫度增加會提高植物蒸騰和地面蒸散,降低產流量。根據拉薩水文站1956—2003、2005—2015年的年流量數據顯示,與降水量趨勢一致,2005—2015年拉薩水文站年流量降低趨勢明顯,造成水環(huán)境容量計算中設計水文流量較低。

圖4 拉薩市及周邊氣象站年均降雨量、年均溫度及拉薩水文站年均流量變化趨勢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 干流水利水電工程建設對設計水文條件的影響

除氣候變化外,水利水電工程建設也是影響干流水文的一個重要原因。目前,拉薩河干流水文狀態(tài)有較大影響的工程主要為水電站和灌區(qū)引水工程。拉薩河干流分布有5個水利水電工程,自上而下分別為旁多水利樞紐、直孔電站、平措電站、納金電站和獻多電站。納金、獻多和平措電站均為引水式電站,建設時間較早,水頭和裝機小,具有日調節(jié)或無調節(jié)能力,對水文過程影響有限。直孔電站和旁多水利樞紐分別具有季調節(jié)和不完全年調節(jié)能力,可對河流水文過程產生一定影響。兩座電站建設時間長,從開工到竣工投產分別歷時6年和4年。直孔電站和旁多水利樞紐對各水文站點流量影響的時段特征如表2所示。

2006年9月份以前,旁多、唐家和拉薩水文站流量數據基本能反映天然狀態(tài)下3個站點的流量變化。2006年9月份以后拉薩水文站陸續(xù)受到直孔電站、旁多水利樞紐的影響,水庫蓄水和運行勢必對水文站流量產生影響。根據中華人民共和國環(huán)境保護部《關于西藏自治區(qū)旁多水利樞紐工程環(huán)境影響報告書的批復》(環(huán)審[2008])608號),旁多壩址處常年下泄流量不低于23.00 m3/s,直孔水電站為季調節(jié)水庫,環(huán)評中未給出生態(tài)流量。根據旁多水文站和拉薩水文站多年水文數據2005—2014年流量關系,如旁多水利樞紐二月份下泄流量為23.00 m3/s,在不考慮直孔水電站的調節(jié)能力情況下,拉薩水文站的流量約為32.56 m3/s,小于本文水環(huán)境計算中的設計水文條件46.32 m3/s。因此,水電站調節(jié)可能成為拉薩市城區(qū)段水環(huán)境容量變化的重要影響因素。

直孔、旁多、平措、納金和獻多均具有引水灌溉功能,也會對下游水文條件產生影響。旁多水利樞紐配套建設了灌溉引水輸水洞,設計引水流量10 m3/s,多年平均引水量2×108m3,直孔水電站庫周5033 hm2耕地可從庫內提水得到灌溉。若電站在枯水期引水,可能會對下游水文條件產生影響,進而影響水環(huán)境容量。

3.5 上游水質變化對水環(huán)境容量的影響

表2 干流水電站對各水文站點流量影響時段特征

上游水體中COD濃度較高,可能與拉薩河生態(tài)環(huán)境及氣候特點有關。拉薩河流域地處青藏高原,流域內草甸、高寒濕地等生態(tài)系統(tǒng)分布廣泛,在流域生態(tài)穩(wěn)定性維持中發(fā)揮著重要作用[9,16]。草甸、濕地生態(tài)系統(tǒng)中凋落物分解速度慢,腐殖質堆積,土壤有機質和養(yǎng)分含量較高。雖然氣候變化對于掉落物分解的影響具有多元性,但氣溫升高會加速掉落物分解過程已達成共識[17-18],而掉落物分解可通過改變土壤微生物種群和群落特征加快微生物養(yǎng)分的固定和礦化[19]。氣候變化背景下,流域氣候呈現暖干化趨勢,這將促進土壤中有機質的分解和礦化,使土壤中碳以二氧化碳和甲烷的形式釋放到空氣中,而其中的氮、磷和可溶性有機物將隨水流進入水體,從而造成水環(huán)境變化。然而,目前高寒濕地方面研究多集中在土壤碳庫[20-21]、景觀格局[22]、生物多樣性[23]、生態(tài)系統(tǒng)服務功能變化[24]研究,關于氣候變化背景下草甸、濕地水環(huán)境效應方便研究欠缺。已有研究尚不足以定量分析濕地對流域水環(huán)境效應。但從已有少數研究和監(jiān)測結果推斷,氣候暖干化情境下,濕地易分解有機質的降解使土壤中養(yǎng)分釋放,隨水流進入水體,進而對水環(huán)境產生影響。根據2010年7月份拉薩河下游江夏濕地、雅讓濕地、察巴朗濕地和塘嘎郭濕地水質的監(jiān)測結果[25]：四個濕地水體中總氮含量3.2—5.6 mg/L,遠超III類水體總氮含量濃度限值1.0 mg/L。當降雨經由濕地進入水體時,濕地中可溶性有機物和養(yǎng)分便隨之進入水體中。

3.6 拉薩河流域污染物排放和處理狀況

拉薩市已建和在建的市政污水處理設施主要包括拉薩市經濟開發(fā)區(qū)污水處理廠一期、拉薩市經濟開發(fā)區(qū)污水處理廠二期、拉薩市百淀片區(qū)污水處理廠、柳梧新區(qū)污水處理廠、達孜縣污水處理廠5個項目。目前,已建成拉薩市經濟開發(fā)區(qū)污水處理廠一期工程5×104t/d、拉薩市經濟開發(fā)區(qū)污水處理廠二期工程13×104t/d,柳梧新區(qū)污水處理廠(0.5×104t/d)已開工尚未正常運行。據西藏圣海勘測設計有限公司的調查,拉薩市入河排污口每年廢污水排放總量為9.78×107t/a,每日廢污水排放量約為2.68×105t/d,目前拉薩市廢污水處理率約為67.2%,污水處理廠處理能力嚴重不足。即使拉薩市的市政管網收集廢污水量可滿足污水處理廠滿負荷運行要求,且拉薩市污水處理廠一期、二期和柳梧污水處理廠均正常滿負荷運行,拉薩市區(qū)工業(yè)廢水和生活污水處理率也僅可達到69.0%,廢污水處理能力仍待加強。

未來,隨著經濟進一步發(fā)展和居民生活水平的提高,拉薩市區(qū)廢污水排放量將持續(xù)增加。而已建和在建污水處理廠以及配套管網,不能滿足未來污水處理要求,應對現有污水處理廠進行擴容或新建污水處理廠,完善污水管網等配套設施,鼓勵企業(yè)污水回用,做到雨污分流。除關注拉薩市區(qū)廢污水排放情況還需關注縣城和鄉(xiāng)鎮(zhèn)廢污水排放,目前整個流域除拉薩市城區(qū)、堆龍德慶縣、達孜縣修建或規(guī)劃了污水處理設施,其余各縣尚未建設污水處理設施,未來應在這些區(qū)域加強廢污水排放管理和處理工作。

4 結論