靳甜甜,盧 敏,劉國(guó)華,彭期冬,馮 時(shí)

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

20世紀(jì)60年代,日本學(xué)者根據(jù)總量控制原則提出了環(huán)境容量的定義；我國(guó)環(huán)境容量研究始于20世紀(jì)70年代。經(jīng)過(guò)概念辨析和理論探討后,我國(guó)水環(huán)境容量研究目前側(cè)重于實(shí)際應(yīng)用,而水環(huán)境容量計(jì)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(jù)[1-2]。水環(huán)境容量計(jì)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(cuò)法和系統(tǒng)最優(yōu)化法等,此類方法較為簡(jiǎn)單,操作性強(qiáng)；不確定性方法包括隨機(jī)規(guī)劃、概率模型和未確知數(shù)學(xué)法等,該類方法充分考慮了環(huán)境復(fù)雜性和未來(lái)不確定性,與現(xiàn)實(shí)狀況更為接近。無(wú)論何種方法,長(zhǎng)系列水質(zhì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)均是水環(huán)境容量計(jì)算的重要基礎(chǔ)；與水文數(shù)據(jù)相比,我國(guó)多數(shù)地區(qū)特別是西南地區(qū),長(zhǎng)系列、大范圍水質(zhì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)缺乏,雖可計(jì)算水環(huán)境容量,但計(jì)算結(jié)果不確定性較大且往往不能準(zhǔn)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(zhǎng)551 km,平均坡降2.9‰；流域內(nèi)氣候?yàn)楦咴瓬貛О敫珊荡箨懶詺夂?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(gè)水文監(jiān)測(cè)站點(diǎn)、3個(gè)氣象站和4個(gè)水環(huán)境監(jiān)測(cè)站。4個(gè)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(gè)氣象站分別為拉薩站、墨竹工卡站和當(dāng)雄站。4個(gè)水環(huán)境監(jiān)測(cè)站分別為達(dá)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(cè)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(dòng)影響較少的山區(qū)河谷地區(qū),人口稀少、幾乎無(wú)工業(yè)污染；下游進(jìn)入人口密集的城鎮(zhèn)區(qū),工業(yè)和農(nóng)業(yè)面源增加。下游人類活動(dòng)主要集中在直孔以下的下游地區(qū),澎波灌區(qū)、達(dá)墨灌區(qū)、城區(qū)-曲水灌區(qū)是拉薩河流域農(nóng)業(yè)活動(dòng)集中分布區(qū)域,拉薩市城關(guān)區(qū)周圍是流域工業(yè)和生活廢污水集中排放區(qū)域?；诶_河流域污染源分布及未來(lái)城鎮(zhèn)發(fā)展趨勢(shì),選擇拉薩市上游達(dá)孜水環(huán)境監(jiān)測(cè)斷面到拉薩市下游才納國(guó)控考核斷面進(jìn)行水環(huán)境容量計(jì)算,河段總長(zhǎng)約63 km。

圖1 拉薩河流域水文、水環(huán)境站點(diǎn)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(duì)計(jì)算河段進(jìn)行概化。其次,利用2017年實(shí)測(cè)流量和水位數(shù)據(jù)構(gòu)建河段水動(dòng)力模型,利用拉薩水文站水位數(shù)據(jù)進(jìn)行河道糙率的率定,確定評(píng)價(jià)河段水動(dòng)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(jìn)行水質(zhì)模型模擬。最后將設(shè)計(jì)水文條件輸入率定好的模型,計(jì)算關(guān)注河段水環(huán)境容量。水動(dòng)力和水質(zhì)模型的率定和驗(yàn)證在MIKE11下進(jìn)行。

2.1 水系概化

達(dá)孜水環(huán)境監(jiān)測(cè)點(diǎn)以下7 km設(shè)置有獻(xiàn)多水廠引水壩,將拉薩河一部分水量引入獻(xiàn)多水庫(kù)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(jìn)入拉魯濕地；南干渠與中干渠匯合后自拉魯濕地南部流過(guò),接納拉魯濕地排水后進(jìn)入流沙河南段；流沙河與堆龍河匯合后流動(dòng)約10 km后與拉薩河干流匯合。計(jì)算河段水系概化如圖2所示。

圖2 水環(huán)境容量計(jì)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(diào)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(jìn)口水質(zhì)和出口水質(zhì)數(shù)據(jù)等。2017年拉薩市入河排污口共99個(gè)(圖3),廢污水排放量共計(jì)9.78×107t/a,其中拉薩市經(jīng)開(kāi)區(qū)污水處理廠排放量為6.57×107t/a,占總排放量的67%。根據(jù)廢污水排放量和排污口空間位置,將99個(gè)入河排污口進(jìn)行合并,最終形成27個(gè)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(yàn)證

2.3.1 水動(dòng)力模型率定驗(yàn)證

水動(dòng)力模塊可用來(lái)模擬不同斷面的水位、流量、流速,模型對(duì)于水位較為敏感,常常用水位數(shù)據(jù)進(jìn)行模型水動(dòng)力參數(shù)的率定驗(yàn)證。水動(dòng)力模型構(gòu)建和率定驗(yàn)證過(guò)程為：首先,在2017年5月3日到12日之間,于拉薩河下游達(dá)孜水環(huán)境監(jiān)測(cè)站點(diǎn)到才納國(guó)控考核斷面之間設(shè)置斷面進(jìn)行河道地形測(cè)量和概化,作為斷面輸入數(shù)據(jù)[8]；其次,將2017年5月1日—2017年5月30日連續(xù)30日水文數(shù)據(jù)輸入到模型中,構(gòu)建河段水動(dòng)力模型；最后,選取拉薩站為率定驗(yàn)證站點(diǎn),河道糙率n的初始取值為0.025,在率定過(guò)程中對(duì)河道糙率進(jìn)行調(diào)整,直到模擬水位能夠很好的吻合實(shí)測(cè)水位值。根據(jù)率定結(jié)果,當(dāng)n=0.033時(shí)拉薩站的水位模擬值與實(shí)測(cè)值基本吻合,二者相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.987。

2.3.2 水質(zhì)模型率定和驗(yàn)證

2.4 邊界條件確定

2.4.1 設(shè)計(jì)水文條件

在《制定地方水污染物排放標(biāo)準(zhǔn)的技術(shù)原則與方法》(GB/T 3839—1983)和《水域納污能力計(jì)算規(guī)程》(GB25173—2010)中明確規(guī)定,水環(huán)境容量計(jì)算中設(shè)計(jì)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(duì)于有水利工程控制的河流應(yīng)用最小下泄流量(壩下保證流量)或河道內(nèi)生態(tài)基流。根據(jù)2005—2014年拉薩水文站監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù),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(shè)計(jì)流量根據(jù)2017年5月份開(kāi)展的拉薩河干支流流量測(cè)定結(jié)果按照比例推算。

2.4.2 水質(zhì)目標(biāo)

根據(jù) 《全國(guó)重要江河湖泊水功能區(qū)劃(2011—2030)》,達(dá)孜縣城以下10 km到拉薩大橋?yàn)槎愃δ軈^(qū),拉薩大橋到卡林?jǐn)嗝鏋槿愃δ軈^(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(zhì)考核。根據(jù)實(shí)際監(jiān)測(cè)情況拉薩大橋入流水質(zhì)COD含量超出II類水質(zhì)COD標(biāo)準(zhǔn)限值,因此在計(jì)算水環(huán)境容量時(shí)達(dá)孜斷面采用兩種情景輸入：一是水質(zhì)達(dá)標(biāo)輸入；二是根據(jù)達(dá)孜斷面實(shí)際監(jiān)測(cè)水質(zhì)平均值輸入。

2.4.3 污染物排放

3 結(jié)果與討論

3.1 水環(huán)境容量計(jì)算結(jié)果

在MIKE11中,將上游來(lái)水水質(zhì)和設(shè)計(jì)水文條件輸入率定好的模型,計(jì)算才納出口水質(zhì)條件。根據(jù)拉薩市未來(lái)規(guī)劃,流沙河將成為未來(lái)廢污水主要納污水體,因此,在流沙河增加點(diǎn)源排放,直到才納斷面出口水質(zhì)達(dá)到III類標(biāo)準(zhǔn)限值,增加的點(diǎn)源排放即為該河段水環(huán)境容量。此處,上游來(lái)水水質(zhì)用兩種情景：一是達(dá)標(biāo)水質(zhì),即II類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)限值；二是5月份實(shí)測(cè)水質(zhì)。最終計(jì)算出的拉薩河城市段水環(huán)境容量結(jié)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(xiàn)狀及主要影響因素

3.3 氣候變化對(duì)對(duì)設(shè)計(jì)水文條件的影響

多種證據(jù)表明,近50a來(lái)青藏高原溫度呈現(xiàn)升高趨勢(shì)[9-10]。冰川、湖泊水位[11]、生態(tài)系統(tǒng)初級(jí)生產(chǎn)力[12]、河川流量等[13]等發(fā)生一系列變化。藺學(xué)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(shí)測(cè)流量資料以及當(dāng)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(guān)系。結(jié)果表明：1956—2003年均流量呈現(xiàn)增加趨勢(shì),夏半年流量增加趨勢(shì)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(guān)性,這可能與全球氣溫變暖導(dǎo)致冰川融水增加有關(guān)。

根據(jù)1955—2015年拉薩河流域內(nèi)氣象站數(shù)據(jù)(圖4),2004年以前,拉薩河流域整體降雨量具有上升的趨勢(shì),2004年以后開(kāi)始略有下降的趨勢(shì)；溫度一直呈現(xiàn)緩慢上升的趨勢(shì),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(duì)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(bǔ)給[14],此效應(yīng)在冬季尤為明顯[15],但隨著冰川不斷消融,增加效應(yīng)會(huì)逐漸變?nèi)?；另一方?溫度增加會(huì)提高植物蒸騰和地面蒸散,降低產(chǎn)流量。根據(jù)拉薩水文站1956—2003、2005—2015年的年流量數(shù)據(jù)顯示,與降水量趨勢(shì)一致,2005—2015年拉薩水文站年流量降低趨勢(shì)明顯,造成水環(huán)境容量計(jì)算中設(shè)計(jì)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(shì)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(shè)對(duì)設(shè)計(jì)水文條件的影響

除氣候變化外,水利水電工程建設(shè)也是影響干流水文的一個(gè)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(gè)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(xiàn)多電站。納金、獻(xiàn)多和平措電站均為引水式電站,建設(shè)時(shí)間較早,水頭和裝機(jī)小,具有日調(diào)節(jié)或無(wú)調(diào)節(jié)能力,對(duì)水文過(guò)程影響有限。直孔電站和旁多水利樞紐分別具有季調(diào)節(jié)和不完全年調(diào)節(jié)能力,可對(duì)河流水文過(guò)程產(chǎn)生一定影響。兩座電站建設(shè)時(shí)間長(zhǎng),從開(kāi)工到竣工投產(chǎn)分別歷時(shí)6年和4年。直孔電站和旁多水利樞紐對(duì)各水文站點(diǎn)流量影響的時(shí)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(shù)據(jù)基本能反映天然狀態(tài)下3個(gè)站點(diǎn)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(kù)蓄水和運(yùn)行勢(shì)必對(duì)水文站流量產(chǎn)生影響。根據(jù)中華人民共和國(guó)環(huán)境保護(hù)部《關(guān)于西藏自治區(qū)旁多水利樞紐工程環(huán)境影響報(bào)告書的批復(fù)》(環(huán)審[2008])608號(hào)),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(diào)節(jié)水庫(kù),環(huán)評(píng)中未給出生態(tài)流量。根據(jù)旁多水文站和拉薩水文站多年水文數(shù)據(jù)2005—2014年流量關(guān)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(diào)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(jì)算中的設(shè)計(jì)水文條件46.32 m3/s。因此,水電站調(diào)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(xiàn)多均具有引水灌溉功能,也會(huì)對(duì)下游水文條件產(chǎn)生影響。旁多水利樞紐配套建設(shè)了灌溉引水輸水洞,設(shè)計(jì)引水流量10 m3/s,多年平均引水量2×108m3,直孔水電站庫(kù)周5033 hm2耕地可從庫(kù)內(nèi)提水得到灌溉。若電站在枯水期引水,可能會(huì)對(duì)下游水文條件產(chǎn)生影響,進(jìn)而影響水環(huán)境容量。

3.5 上游水質(zhì)變化對(duì)水環(huán)境容量的影響

表2 干流水電站對(duì)各水文站點(diǎn)流量影響時(shí)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(diǎn)有關(guān)。拉薩河流域地處青藏高原,流域內(nèi)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(zhì)堆積,土壤有機(jī)質(zhì)和養(yǎng)分含量較高。雖然氣候變化對(duì)于掉落物分解的影響具有多元性,但氣溫升高會(huì)加速掉落物分解過(guò)程已達(dá)成共識(shí)[17-18],而掉落物分解可通過(guò)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(xiàn)暖干化趨勢(shì),這將促進(jìn)土壤中有機(jī)質(zhì)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(jī)物將隨水流進(jìn)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(kù)[20-21]、景觀格局[22]、生物多樣性[23]、生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能變化[24]研究,關(guān)于氣候變化背景下草甸、濕地水環(huán)境效應(yīng)方便研究欠缺。已有研究尚不足以定量分析濕地對(duì)流域水環(huán)境效應(yīng)。但從已有少數(shù)研究和監(jiān)測(cè)結(jié)果推斷,氣候暖干化情境下,濕地易分解有機(jī)質(zhì)的降解使土壤中養(yǎng)分釋放,隨水流進(jìn)入水體,進(jìn)而對(duì)水環(huán)境產(chǎn)生影響。根據(jù)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(zhì)的監(jiān)測(cè)結(jié)果[25]：四個(gè)濕地水體中總氮含量3.2—5.6 mg/L,遠(yuǎn)超III類水體總氮含量濃度限值1.0 mg/L。當(dāng)降雨經(jīng)由濕地進(jìn)入水體時(shí),濕地中可溶性有機(jī)物和養(yǎng)分便隨之進(jìn)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(shè)施主要包括拉薩市經(jīng)濟(jì)開(kāi)發(fā)區(qū)污水處理廠一期、拉薩市經(jīng)濟(jì)開(kāi)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(dá)孜縣污水處理廠5個(gè)項(xiàng)目。目前,已建成拉薩市經(jīng)濟(jì)開(kāi)發(fā)區(qū)污水處理廠一期工程5×104t/d、拉薩市經(jīng)濟(jì)開(kāi)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(kāi)工尚未正常運(yùn)行。據(jù)西藏圣海勘測(cè)設(shè)計(jì)有限公司的調(diào)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(yán)重不足。即使拉薩市的市政管網(wǎng)收集廢污水量可滿足污水處理廠滿負(fù)荷運(yùn)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(fù)荷運(yùn)行,拉薩市區(qū)工業(yè)廢水和生活污水處理率也僅可達(dá)到69.0%,廢污水處理能力仍待加強(qiáng)。

未來(lái),隨著經(jīng)濟(jì)進(jìn)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(wǎng),不能滿足未來(lái)污水處理要求,應(yīng)對(duì)現(xiàn)有污水處理廠進(jìn)行擴(kuò)容或新建污水處理廠,完善污水管網(wǎng)等配套設(shè)施,鼓勵(lì)企業(yè)污水回用,做到雨污分流。除關(guān)注拉薩市區(qū)廢污水排放情況還需關(guān)注縣城和鄉(xiāng)鎮(zhèn)廢污水排放,目前整個(gè)流域除拉薩市城區(qū)、堆龍德慶縣、達(dá)孜縣修建或規(guī)劃了污水處理設(shè)施,其余各縣尚未建設(shè)污水處理設(shè)施,未來(lái)應(yīng)在這些區(qū)域加強(qiáng)廢污水排放管理和處理工作。

4 結(jié)論