劉 輝,段漢明

(1.西北大學城市與資源學院,陜西 西安 710127;2.長安大學建筑學院,陜西西安 710061)

水不僅是城市居民生活、生產(chǎn)和生態(tài)用水,具有生命、資源和景觀價值,而且具有水流交換和自凈修復的環(huán)境價值等1。城市的發(fā)展不但要保證居民日常生活用水,還要為城市的商業(yè)活動、旅游、休息娛樂活動及環(huán)境美化提供水源。特別是良好的水環(huán)境對城市的旅游開發(fā)、吸引外資方面具有不可估量的價值,水是城市形成、發(fā)展的基礎(chǔ),是左右城市發(fā)展的主要限制因素。因此,研究城市經(jīng)濟發(fā)展與水環(huán)境之間耦合與脅迫關(guān)系成為很多學者城市化過程的熱點 2、3。當今在水環(huán)境容量下進行城市建設(shè)、產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)移、工業(yè)布局等考慮的首要問題。

蘭州 -西寧區(qū)域是甘肅、青海兩省人口、經(jīng)濟、城鎮(zhèn)密度最高的區(qū)域 4,蘭州、西寧等城市的發(fā)展不僅對區(qū)域經(jīng)濟發(fā)展起到帶動和主導作用,而且通過產(chǎn)業(yè)關(guān)聯(lián)、信息流動進行資源配置,因此,如何保障蘭州 -西寧區(qū)域城市快速持續(xù)發(fā)展,協(xié)調(diào)城市化與水環(huán)境協(xié)調(diào)關(guān)系,研究區(qū)域水環(huán)境演化機制成為重要問題。

1 研究區(qū)概況

區(qū)域包括甘肅省的蘭州市(5區(qū) 3縣)、白銀市(2區(qū) 3縣)、定西市(1區(qū) 4縣)、臨夏回族自治州(1市 7縣);青海省的西寧市(4區(qū) 3縣)、海東區(qū)(6縣),一共 31個大中小城市,包括 5市 26縣,其中蘭州市跨入特大城市行列,西寧屬于大城市。2009年末 31城市生產(chǎn)總值、第二產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值、總?cè)丝诜謩e為 2 024.98億元、931.92億元和 1 289.58萬人,占甘肅省和青海省合計生產(chǎn)總值(4 516.28億元)、第二產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值(2 219.13億元 )、總?cè)?口 (3 192.76萬人)的 44.8%、41.9%、40.3%。該區(qū)域主要水系為黃河干流及支流湟水、大通河。其中大通河流經(jīng)互助土族自治縣、民和回族土族自治縣;湟水主要流經(jīng)西寧市、平安縣、樂都縣、民和回族土族自治縣;黃河流經(jīng)臨夏回族自治州、蘭州市、白銀市。其它還有河流多條。但是由于河流可利用水資源比較少,該地區(qū)仍然是缺水區(qū)域。湟水流域是海東地區(qū)人口稠密、經(jīng)濟相對發(fā)達地區(qū),但由于湟水河水量有限,總水量無法滿足兩岸工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)生活用水的需求,目前湟水河水資源開發(fā)利用程度已達 60%以上。

2 水環(huán)境演變特點

2.1 城市供水與經(jīng)濟發(fā)展關(guān)系惡化加劇

城市經(jīng)濟規(guī)模大小一方面影響著城市與城市之間的引力、建設(shè)用地,同時城市經(jīng)濟通過工業(yè)生產(chǎn)和居民生活用水,影響著城市用水量的需求,同時又通過城市代謝加大對環(huán)境的脅迫(城市的供水緊張和城市中廢水增加)。

2001～2008年,根據(jù)《甘肅省水資源統(tǒng)計公報》統(tǒng)計,龍羊峽—蘭州干流區(qū)范圍內(nèi)的水資源存量和總用水量差距特別大,并且隨著時間和城市化發(fā)展,差距越來越大。2001年龍羊峽—蘭州干流區(qū)間范圍內(nèi)總用水量 13.707億 m3,水資源總量僅僅 11.478億 m3,差額為 2.228億 m3,而到了 2008年水資源擁有量為 3.391億 m3,用水量達到了 11.796億 m3,用水量是水資源總量的 3.47倍。從徑流量變化來看,隨著城市化進程,黃河徑流量呈現(xiàn)減小趨勢,具體體現(xiàn)在以下兩個方面。

(1)地表水隨著城市人口規(guī)模的增加(圖 1)和建設(shè)用的擴張(圖 2),蘭州段黃河年徑流量呈現(xiàn)減小趨勢。其中 1964～2004年,黃河徑流量蘭州段最大徑流量為 1967年的517.95億 m3,最小徑流量為 1997年的 203.2億 m3,并且出現(xiàn)最大徑流量的時間間隔縮短,最大徑流量減小(圖 2)。

圖1 1990～2006年蘭州非農(nóng)業(yè)人口規(guī)模

圖2 1964～2004年黃河徑流量(蘭州站)變化值

從年內(nèi)最大徑流量和最小徑流量出現(xiàn)的頻率來看,年內(nèi)1～12月最大徑流量集中在 7-9月份。最大徑流量和最小徑流量峰值,在 1964～2004年之間每月的最小徑流量在 8次出現(xiàn)在 1961～1980之間,且同期出現(xiàn)最大徑流量 8次,而1981～2004年之間緊緊四次,并且峰值在減小。1967年和1981年 9月徑流量超過了 109億 m3,而 1990年之后月徑流量的最大值還沒有超過 50億 m3。地表徑流量大小由降水量決定,而與城市建設(shè)用地和城市地表硬化也有一定關(guān)系。

(2)年內(nèi)徑流量變化幅度隨著時間變化在降低

1964～2004年黃河徑流量(蘭州段)年內(nèi)分配隨著時間變化,越來越均勻,7～9月份之間力量比重越來越小(圖 3),年內(nèi) 1～12月之間徑流量的標準差減小(圖 4)。1964和1966年 7～9月份徑流量占全年徑流量比重分別是 50.33%和 53.98%,而到了 2002年和 2004年徑流量占全年徑流量比重減小到 27.42%和 26.92%;年內(nèi)徑流量的標準差在1989年之前絕大多數(shù)年份都在 10以上,而 1990年之后標準差在 10以下,其中 2004年的標準差僅僅為 5.8,而 1967年的標準差達到了 34.2。因此從徑流量的變化來看黃河蘭州段年內(nèi)徑流量,變化幅度區(qū)域緩和,出現(xiàn)洪水澇災可能性變小。但是由 2010年降水及其各大河流徑流量變化趨勢來看,2010年至 2020年之間,黃河蘭州段徑流量年內(nèi)變化幅度將增大,7～9月份之間防洪意識需要加強。

圖3 1964～2004年 7～9月份徑流量比重

圖4 1964-2004年 1～12月份徑流量標準差

(3)隨著城市化進程加快,供水量在降低

蘭州市供水總量和城市化關(guān)系如圖 5,其中供水總量由1990年的 58 304.58萬噸,降至到 2009年的 27 461.59萬 t,20年期間平均每年降幅達 3.69%。而城市化水平由 1990年的 50.50%增加到 2009年的 61.04%,20年期間平均每年漲幅為 0.97%。城市化水平每增加 1%,供水總量降低 2 925.27萬 t。

圖 5 1990～2009年蘭州市總供水量與城市化水平變化

通過模擬蘭州市城市化水平與供水總量的變化規(guī)律得到蘭州市城市供水和城市化水平之間函數(shù)關(guān)系模型,見圖 6。

圖 6 城市化水平與供水量之間關(guān)系

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

式中：Y為標示蘭州市的供水量;X表示城市化水平(非農(nóng)化率%)。城市化水平與總供水量呈自然對數(shù)關(guān)系。

2.2 耗水結(jié)構(gòu)不合理

蘭州—西寧區(qū)域?qū)儆邳S河流域,考慮到資料的獲取性,根據(jù)區(qū)域自然生態(tài)環(huán)境背景一致,經(jīng)濟基礎(chǔ)、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)、城市結(jié)構(gòu)趨同 5、6,本研究用 2009年甘肅省水資源公報數(shù)據(jù)分析黃河干流蘭州段用水結(jié)構(gòu)來反映整個蘭州 -西寧區(qū)域用水狀況。

(1)蘭州—西寧區(qū)域范圍內(nèi)用水主要采用地表水,所用地下水很少。從農(nóng)林牧漁牧用水、工業(yè)用水、城鎮(zhèn)公共用水、居民生活用水、生態(tài)環(huán)境用水來看,水源主要是地表水,地下水僅僅占到 11.7%。其中生態(tài)環(huán)境用水,幾乎全部使用地表水,地下水占生態(tài)環(huán)境用水的僅僅為 0.1%,另外,城鎮(zhèn)公共用水 99.6%來源于地表水,地下水占到 0.4%。

(2)蘭州—西寧區(qū)域用水結(jié)構(gòu)比較低級,以農(nóng)林牧漁畜用水為主。通過2009年甘肅省水資源統(tǒng)計公報,蘭州—西寧區(qū)域甘肅段,2009年農(nóng)林牧漁畜用水占到年用水量的 61.7%,為 20.582億m3,工業(yè)用水 8.241億 m3,占年總用水量 24.7%,而城鎮(zhèn)公共用水和居民生活用水分別占到 2.9%和 7.9%。

(3)蘭州—西寧區(qū)域甘肅段集中了甘肅省主要的工業(yè)用水、城鎮(zhèn)公共用水及綠化用水。根據(jù)表 發(fā)現(xiàn) 雖然蘭州—西寧區(qū)域甘肅段用水結(jié)構(gòu)主要以農(nóng)林牧漁畜用水為主,工業(yè)用水占本區(qū)域用水很少,但是占到 2009年甘肅省工業(yè)用水 13.601億 m3的 63.1%,城鎮(zhèn)公共用水占到甘肅省城鎮(zhèn)總用水1.981億m3的 48.0%,居民生活用水占到甘肅省居民生活用水 6.999億 m3的 37.7%,生態(tài)環(huán)境用水占到甘肅省生態(tài)環(huán)境用水總量 2.992億 m3的 31.9%。

通過以上分析流域內(nèi)用水以農(nóng)林牧漁畜用水為主,集中甘肅省主要的工業(yè)用水、城鎮(zhèn)公共用水及綠化用水。呈現(xiàn)這種狀況主要原因是該區(qū)域是甘肅省城鎮(zhèn)密集區(qū),集中了全省的主要工業(yè)和城鎮(zhèn)人口,城鎮(zhèn)建設(shè)用地比重相對高,因此城鎮(zhèn)公共用水主要集中在該區(qū)域;同時該區(qū)域?qū)儆邳S土高原干旱區(qū),農(nóng)業(yè)生產(chǎn)技術(shù)相對落后,節(jié)水灌溉和用水相對粗放,加上黃土垂直節(jié)理保水差,蒸發(fā)快,因此農(nóng)業(yè)用水所占比重較大。

3 河流水質(zhì)空間差異較大

蘭州 -西寧區(qū)域?qū)儆邳S河流域水源重點保護區(qū),其水質(zhì)情況不僅影響到蘭州 -西寧區(qū)域范圍內(nèi)城市居民生活和工農(nóng)業(yè)發(fā)展用水,而且對下游用水也形成很大影響。依據(jù)地表水水域環(huán)境功能和保護目標,按功能高低依次劃分為五類。Ⅰ類：主要適用于源頭水、國家自然保護區(qū);Ⅱ類：主要適用于集中式生活飲用水地表水源地一級保護區(qū)、珍稀水生生物棲息地、魚蝦類產(chǎn)卵場、仔稚幼魚的索餌場等;Ⅲ類：主要適用于集中式生活飲用水地表水源地二級保護區(qū)、魚蝦類越冬場、洄游通道、水產(chǎn)養(yǎng)殖區(qū)等漁業(yè)水域及游泳區(qū);Ⅳ類：主要適用于一般工業(yè)用水區(qū)及人體非直接接觸的娛樂用水區(qū);Ⅴ類：主要適用于農(nóng)業(yè)用水區(qū)及一般景觀要求水域(圖 7)。其中該東部甘肅境內(nèi)的大通河、湟水河、洮河、祖厲河水質(zhì)分別是：黃河Ⅱ類水質(zhì)長度 23 km,占到 38.98%,Ⅴ類占到61.02%;大通河、廣通河和槐樹關(guān)河屬于Ⅱ類水質(zhì),而宛川河、祖厲河屬于劣Ⅴ類,湟水屬于Ⅳ類;大夏河Ⅱ類、Ⅲ類、Ⅳ類分別占到河流長度的 57.61%、12.58%、29.8%;洮河評價長 97 km,Ⅱ類占 9.2%,Ⅲ類占到 90.8%(表 1)。

圖 7 蘭州 -西寧區(qū)域主要河流水質(zhì)圖

從空間格局來看,蘭州 -西寧區(qū)域水質(zhì)在空間上表現(xiàn)西部水質(zhì)優(yōu)于東部區(qū)域,山地丘陵區(qū)高于黃土溝壑區(qū),另外,支流水質(zhì)劣于干流。時間上,汛期水質(zhì)略優(yōu)于非汛期,流域水質(zhì)污染仍以點源為主 2009年汛期黃河流域滿足Ⅰ～Ⅲ類水的河長占 46.0%,劣于Ⅴ類水的河長占 31.5%;非汛期滿足Ⅰ ～Ⅲ類水河長占 44.0%,劣于Ⅴ類水河長占 32.9%,汛期水質(zhì)略優(yōu)于非汛期,表明目前全流域水質(zhì)污染仍以點源污染為主。

表1 蘭州 -西寧區(qū)域甘肅境內(nèi)流域水質(zhì)分類一覽表 km

從整個流域來看,影響到黃河流域水質(zhì)的主要因素包括：①生活廢水,即區(qū)域居民排放的生活污水,攜帶氨氮等污染物;②工業(yè)廢水,未經(jīng)處理的工礦廢水、含有大量的多種污染物,是目前黃河污染的主要來源;③電力廢水,即電廠排放的污水 pH值很高,重金屬污染嚴重;④農(nóng)業(yè)廢水,大量的農(nóng)業(yè)灌用水歸還河流時高含氨氮、農(nóng)藥和有機污染物。另外,蘭州 -西寧區(qū)域分布在黃河干流及其多條支流,區(qū)域及城鎮(zhèn)之間多屬于上下游之間關(guān)系,同時蘭州、西寧、白銀等城鎮(zhèn)的產(chǎn)業(yè)快速集聚和建設(shè)用地擴展,使得人類生產(chǎn)生活對區(qū)域生態(tài)環(huán)境干擾加大,局部發(fā)生環(huán)境污染和生態(tài)破壞,特別是在區(qū)際交叉污染相互擴散導致環(huán)境污染加劇。因為,區(qū)域工業(yè)廢水、農(nóng)業(yè)廢水和電力廢水的排放源泉和排放量都與區(qū)域內(nèi)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)直接相關(guān),即與工農(nóng)業(yè)比重、工業(yè)集聚區(qū)空間分布、電廠位置、礦廠類型及空間分布相關(guān)。以礦業(yè)、化工機械、建材等第二產(chǎn)業(yè)為主的城市有大通、互助、平安、化隆、民和、永靖、白銀、榆中、靖遠等。這些產(chǎn)業(yè)布局對下游水質(zhì),特別是附近干流水質(zhì)影響較大。大通和化隆工業(yè)布局,由于地形地勢影響,對本縣水質(zhì)環(huán)境影響較小,而對下游湟水河和洮河水質(zhì)影響較大。以農(nóng)業(yè)種植業(yè)、畜牧業(yè)為主的縣域,水質(zhì)污染主要是農(nóng)業(yè)種植過程中使用的化肥和有機肥對下游水質(zhì)影響,程度較輕(氨氮為主),以Ⅱ級和Ⅲ級水質(zhì)為主。

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