王茹雪,陳天偉,張 明,董進(jìn)濤

(寧夏水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，銀川,750000)

由于黃河不斷改道，銀川歷史上湖泊濕地眾多，古有“七十二連湖”之說，現(xiàn)有“塞上湖城”之譽(yù)。但在20世紀(jì)60年代至90年代，受自然和人為因素影響，銀川的湖泊濕地大幅減少。2000年以后，銀川開始實(shí)施湖泊、沼澤濕地保護(hù)工程，增加濕地人工補(bǔ)水，逐步恢復(fù)濕地面積，年湖泊補(bǔ)水由2012年的0.242億m3增加到2020年的1.081億m3，增長了4.47倍。同時(shí)，2020年銀川市全年再生水利用量為3 720萬m3，僅為污水處理量的21.8%，近1.3億m3再生水直接外排，造成較大浪費(fèi)。

在水資源總量剛性約束條件下，回用中水是解決河湖生態(tài)缺水的有效途徑，國內(nèi)已有許多中水回用成功的案例[1-4]，隨著污水廠的提標(biāo)改造，銀川市有6座污水處理廠出水水質(zhì)達(dá)到《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB 18918—2002)一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)，在建的第一再生水廠和四污二期出水水質(zhì)達(dá)到準(zhǔn)Ⅳ類，總設(shè)計(jì)處理能力為77.5萬m3/d，現(xiàn)狀實(shí)際處理中水約50.5萬m3/d，可以將中水資源納入城市供水資源體系[5-6]，置換黃河水直補(bǔ)河湖水量，做到分質(zhì)供水、優(yōu)水優(yōu)用、水盡其用。

1 銀川市河湖現(xiàn)狀補(bǔ)水及水質(zhì)

1.1 河湖現(xiàn)狀補(bǔ)水量

全市有濕地面積5.31萬hm2，主要為湖泊濕地和河流濕地，其中天然濕地占濕地面積60%以上，自然湖泊近200處，面積100 hm2以上的湖泊20多處，較著名的有鳴翠湖、閱海、鶴泉湖、寶湖、西湖等。

銀川市為18個(gè)湖泊和水系補(bǔ)水，水源均為黃河水，由唐徠渠、西干渠、漢延渠和惠農(nóng)渠補(bǔ)水，補(bǔ)水期為每年夏秋灌4—8月和冬灌11月，補(bǔ)水水源水質(zhì)為Ⅱ類，2019年補(bǔ)水量為10 112萬m3，占銀川市總用水量的13.7%。2020年補(bǔ)水量為10 813萬m3，占銀川市總用水量的13.7%。

1.2 水環(huán)境質(zhì)量

2020年銀川市水質(zhì)監(jiān)測(cè)主要湖泊水庫3個(gè)，以全指標(biāo)分析評(píng)價(jià)，閱海水質(zhì)為Ⅳ類，主要污染項(xiàng)目為化學(xué)需氧量，處于輕度富營養(yǎng)狀態(tài)；典農(nóng)河、鳴翠湖水質(zhì)為Ⅲ類，其中典農(nóng)河處于輕度富營養(yǎng)狀態(tài)，鳴翠湖處于中度富營養(yǎng)狀態(tài)。

2020年典農(nóng)河總體為Ⅲ類水質(zhì)，布設(shè)的5個(gè)監(jiān)測(cè)斷面中，親水大街橋斷面為Ⅱ類水質(zhì)；南繞城高速公路旁(西夏區(qū)—金鳳區(qū)交界)、賀蘭山路與唐徠渠交接處(金鳳區(qū)—興慶區(qū)交界)斷面為Ⅲ類水質(zhì)，閱海閘以北1 km處(金鳳區(qū)—賀蘭縣交界)和洪西干溝橋(典農(nóng)河匯入第3排水溝前)斷面為Ⅳ類水質(zhì)。與上年相比，閱海閘以北1 km處(金鳳區(qū)—賀蘭縣交界)、洪西干溝橋(典農(nóng)河匯入第3排水溝前)斷面水質(zhì)有所好轉(zhuǎn)；其余3個(gè)斷面水質(zhì)無明顯變化。

2 生態(tài)補(bǔ)水方案

以再生水為水源，再生水管網(wǎng)為取水點(diǎn)，現(xiàn)狀溝道為退水點(diǎn)，連通現(xiàn)有湖泊水系；在現(xiàn)狀有水質(zhì)考核要求的河湖段典農(nóng)河和鳴翠湖入河口設(shè)置水質(zhì)監(jiān)測(cè)設(shè)施。

3 生態(tài)補(bǔ)水量預(yù)測(cè)

3.1 片區(qū)劃分

根據(jù)銀川市污水處理廠的建設(shè)情況，銀川市再生水利用的水源點(diǎn)布局將由8座污水處理廠調(diào)整為7座。第三污水處理廠水量全部用于工業(yè)，不考慮河湖生態(tài)用水，單獨(dú)成片。

河湖生態(tài)用水按再生水水源劃分為5個(gè)片區(qū)，即第二、四污水處理廠片區(qū)，第六污水處理廠片區(qū)，第一再生水廠片區(qū)，第七、九污水處理廠片區(qū)和典農(nóng)河循環(huán)利用片區(qū)(見圖1所示)。

圖1 銀川市生態(tài)補(bǔ)水分區(qū)示意

3.2 計(jì)算方法

河湖生態(tài)需水量為將河湖生態(tài)系統(tǒng)維持在一定水平所需要的水量，河湖生態(tài)系統(tǒng)功能包括維持河湖生物多樣性、自凈、調(diào)節(jié)水量、維持河湖形態(tài)等[7-9]。城市的湖泊景觀水體無論從形成方式，還是水源補(bǔ)給形式及內(nèi)外影響因素等基本受人工調(diào)控和人為影響，槽蓄法為近幾年城市河湖需水預(yù)測(cè)中常用的水力學(xué)方法。該方法充分考慮城市湖泊景觀水體為人工營造的系統(tǒng)特點(diǎn)，將需水量分為補(bǔ)充蒸發(fā)滲漏損失水量和流動(dòng)換水量兩大部分[10-12]。

蒸發(fā)滲漏損失水量Q蒸滲：維持湖泊景觀水體水面面積的水量主要取決于蒸發(fā)滲漏損失，這是其基本需水量。

流動(dòng)換水量Q換水：河湖的流動(dòng)換水是保持良好水質(zhì)的重要條件，湖泊生態(tài)系統(tǒng)的健康取決于湖泊的換水量。

因此，本次銀川市河湖生態(tài)需水量計(jì)算為：

Q=Q蒸滲+Q換水

(1)

Q蒸滲=Q蒸發(fā)+Q滲漏-P

(2)

式中：

P——銀川市多年平均降水量，為194.5 mm；

Q蒸發(fā)——銀川市多年平均蒸發(fā)量，為1 152.4 mm；

Q滲漏——滲漏水量，Q滲漏=KAJ(K為滲透系數(shù)，取值為0.000 1 m/d[13]，A為滲漏面積，m2，J為水力坡度，取值1[13])。

參考典農(nóng)河2018—2020年近3 a的實(shí)際補(bǔ)水量，計(jì)算湖泊水體換水量，按全年換水6次考慮，每次需換水水深為0.6 m。

3.3 計(jì)算邊界

銀川市所有湖泊水系均納入再生水補(bǔ)水范圍，但考慮典農(nóng)河、鳴翠湖等水體現(xiàn)狀水質(zhì)考核目標(biāo)為Ⅲ～Ⅳ類，現(xiàn)狀再生水廠及污水處理廠的出水水質(zhì)為準(zhǔn)Ⅳ類和一級(jí)A，隨著銀川市污水處理廠逐步提標(biāo)升級(jí)和典農(nóng)河城市段等景觀水體水質(zhì)考核目標(biāo)的調(diào)整，再生水用于生態(tài)補(bǔ)水需逐年推進(jìn)，本規(guī)劃考慮近中遠(yuǎn)期3個(gè)水平年，分別設(shè)置不同的計(jì)算邊界條件。

近期2022年典農(nóng)河灌溉期由黃河水補(bǔ)充，非灌溉期由再生水補(bǔ)充，鳴翠湖補(bǔ)充黃河水，其余湖泊水系全年由再生水補(bǔ)充；中期2025年典農(nóng)河灌溉期由黃河水和再生水按照比例1∶1補(bǔ)充，非灌溉期由再生水補(bǔ)充，鳴翠湖補(bǔ)充黃河水，其余湖泊水系全年由再生水補(bǔ)充；遠(yuǎn)期2035年所有湖泊水系全年由再生水補(bǔ)充。

結(jié)合水源等多方面因素，非封閉性湖泊考慮蒸發(fā)滲漏損失補(bǔ)水量和流動(dòng)換水量；對(duì)于沒有流動(dòng)性的封閉性湖泊只考慮蒸發(fā)滲漏損失補(bǔ)水量，不考慮流動(dòng)換水量。規(guī)劃范圍內(nèi)封閉性湖泊共計(jì)有10個(gè)，分別是天鵝湖、中山公園湖、銀湖、王家湖、絲路經(jīng)濟(jì)園水系、豐登湖、麗景湖、雙莊湖、寶湖和校園湖。

3.4 補(bǔ)水量

經(jīng)計(jì)算，銀川市生態(tài)補(bǔ)水總需水量為12 431萬m3，其中近期2022年黃河水需水量為5 036萬m3，再生水需水量為7 395萬m3，置換黃河水量約3 000萬m3；中期2025年黃河水需水量為3 669萬m3，再生水需水量為8 762萬m3，置換黃河水量約6 500萬m3；遠(yuǎn)期2035年黃河水需水量為0萬m3，再生水需水量為12 431萬m3，置換黃河水量約10 000萬m3。

4 再生水利用工程布局

4.1 二污、四污片區(qū)

供水水源為銀川市第二、第四污水處理廠，在銀西河布置6處取水口，從中水管網(wǎng)取水，為西夏區(qū)、金鳳區(qū)西北部及典農(nóng)河下段河湖水系提供生態(tài)水量，尾水通過良渠溝—四二干溝—第四排水溝一線排入黃河，在馬鶴灣溝、四二干溝、南環(huán)水系典農(nóng)河入河口設(shè)置水質(zhì)監(jiān)測(cè)、水量調(diào)控設(shè)施，水質(zhì)達(dá)標(biāo)后排入典農(nóng)河及閱海(見圖2所示)。

圖2 二污、四污片區(qū)再生水利用工程布局示意

4.2 六污片區(qū)

供水水源為銀川市第六污水處理廠，在元寶湖北環(huán)高速水系布置取水口，為元寶湖、紅旗溝提供生態(tài)用水，尾水經(jīng)第四排水溝入黃河。從第六污水處理廠引中水管道至第二農(nóng)場(chǎng)渠和典農(nóng)河西南側(cè)魚湖，將現(xiàn)有魚湖改造為濕地，再生水經(jīng)濕地進(jìn)一步凈化后排入典農(nóng)河下段，為典農(nóng)河賀蘭段提供生態(tài)流量(見圖3所示)。

圖3 六污片區(qū)再生水利用概化示意

4.3 第一再生水廠片區(qū)

供水水源為銀川市第一再生水廠，在中水管網(wǎng)上布置取水口13座，為興慶區(qū)、金鳳區(qū)東北部、賀蘭縣河湖水系提供生態(tài)水量。

銀新干溝取水口：在銀新干溝賀蘭山路口布置取水口，引水入賀蘭山路水系，在賀蘭山路水系布置人工濕地凈水，濕地出水分兩路：一路經(jīng)賀蘭山路水系為北塔湖、典農(nóng)河、閱海提供生態(tài)水量；一路入銀新干溝為銀新干溝、四一分溝、賀蘭縣如意湖、月亮湖提供生態(tài)用水，尾水經(jīng)銀新干溝、第四排水溝入黃。

章子湖、鍋底湖取水口：在章子湖南部水系、鍋底湖布置取水口2座，為銀川市東部水系(鍋底湖、燕鴿湖、章子湖、孔雀湖、銀湖、春林湖)提供生態(tài)用水，新建章子湖—章子湖南部水系、鍋底湖—燕鴿湖連通管道，連通東部諸湖，尾水經(jīng)永二干溝、二支溝、第2排水溝退入黃河。

鳴翠湖取水口：在塔白路六盤山路交叉口南側(cè)500 m處布置取水口，新建至鳴翠湖輸水管道為鳴翠湖提供生態(tài)水量，尾水經(jīng)四三支溝入黃。

其他取水口：校園湖、寶湖、麗景湖、王家湖、絲路經(jīng)濟(jì)園水系等市區(qū)內(nèi)河湖就近從中水管網(wǎng)取水，布置取水口9座，利用現(xiàn)有補(bǔ)水渠道(溝道)為興慶區(qū)、金鳳區(qū)東部河湖水系提供生態(tài)用水(見圖4所示)。

圖4 第一再生水廠片區(qū)再生水利用狀況示意

4.4 七污九污片區(qū)

供水水源為第七、第九污水處理廠，污水處理廠出水經(jīng)中水管網(wǎng)入桑園溝，經(jīng)蘆草洼滯洪區(qū)濕地凈化后退入第二排水溝為武警基地湖、二排溝、永二干溝提供生態(tài)用水。在第二排水溝七子連湖交匯處新建七子連湖濕地，水體凈化合格后可向七子連湖、典農(nóng)河、閱海水系提供生態(tài)水量。利用第二排水溝永二干溝退水閘向永二干溝分水，沿途向段家湖、銀子湖、王家廣湖、徠龍湖、周家大湖提供生態(tài)水量，尾水經(jīng)永二干溝退入黃河(見圖5所示)。

圖5 七污九污片區(qū)再生水利用狀況示意

4.5 黃河水片區(qū)

現(xiàn)狀銀川市河湖生態(tài)補(bǔ)充黃河水的主要來源為灌溉渠系，包括西干渠系、唐徠渠系、漢延渠系和惠農(nóng)渠系。擬通過再生水對(duì)部分河湖景觀水體常年補(bǔ)水，減少黃河水補(bǔ)水，相應(yīng)調(diào)整黃河水生態(tài)補(bǔ)水布局。其中西干渠系中僅保留方家圈退水閘向銀西河退水進(jìn)四二干溝和南環(huán)水系，由四二干溝向文昌雙湖及森林公園湖補(bǔ)水，其他湖泊水系通過再生水管網(wǎng)由原補(bǔ)水通道機(jī)一渠、機(jī)二渠、機(jī)四渠向各湖泊水系補(bǔ)水；唐徠渠系保留向典農(nóng)河補(bǔ)水的寧城閘、良田渠等通道，關(guān)閉雁湖斗、老爺渠、迎水渠、紅花渠、大新渠等補(bǔ)水通道；漢延渠和惠農(nóng)渠仍保留向鳴翠湖補(bǔ)水通道，同時(shí)關(guān)閉向其他湖泊補(bǔ)水通道。

5 結(jié)語

由于缺乏自然補(bǔ)水渠道，銀川市河湖主要靠人工補(bǔ)充，水源為黃河水，2020年黃河補(bǔ)水量達(dá)到1.081億m3，占銀川市總用水量的13.72%，造成了優(yōu)質(zhì)水資源的浪費(fèi)。本文根據(jù)河湖水質(zhì)目標(biāo)要求、景觀要求、補(bǔ)水條件等，計(jì)算出近中遠(yuǎn)期河湖補(bǔ)水量的中水需水量分別為7 395萬m3、8 762萬m3、1 2431萬m3，可減少黃河水補(bǔ)水量分別為3 000萬m3、6 500萬m3、10 000萬m3。通過補(bǔ)充中水，將改變銀川市非黃河補(bǔ)水期水體不流動(dòng)的現(xiàn)象，并配合生物凈化措施可有效減輕銀川市河湖水體富營養(yǎng)化狀態(tài)，提升水生態(tài)環(huán)境質(zhì)量。建議加強(qiáng)遠(yuǎn)期典農(nóng)河Ⅳ類水補(bǔ)水的生態(tài)影響研究，近期建議在非灌溉期、冬季等水溫較低時(shí)段水生動(dòng)植物活動(dòng)較為微弱、水體理化反應(yīng)遲緩時(shí)降低考核目標(biāo)至Ⅳ類。加強(qiáng)冬春季準(zhǔn)Ⅳ類再生水經(jīng)溝道、濕地凈化后的水質(zhì)變化情況進(jìn)行詳細(xì)觀察檢測(cè)，明確其是否可以進(jìn)入典農(nóng)河、閱海湖等國家級(jí)濕地公園。