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基于水質(zhì)目標(biāo)的洞庭湖區(qū)堤垸生態(tài)需水量研究

2022-09-27 08:08安秋香李洪翔黎昔春
長江科學(xué)院院報 2022年9期
關(guān)鍵詞:需水量換水水量

安秋香, 李洪翔, 黃 兵, 黎昔春

(1.湖南省水利水電勘測設(shè)計規(guī)劃研究總院有限公司,長沙 410007;2.洞庭湖水環(huán)境治理與生態(tài)修復(fù)湖南省重點實驗室,長沙 410007)

1 研究背景

洞庭湖區(qū)位于長江黃金水道與京廣交通動脈交匯處,地處長江中游城市群腹地,區(qū)位優(yōu)勢明顯,是重要農(nóng)產(chǎn)品生產(chǎn)基地、水運交匯地,并建有一批現(xiàn)代化的石油、化工、電力、紡織、造紙、卷煙等企業(yè),是湖南省融入長江經(jīng)濟(jì)帶發(fā)展的前沿陣地,2014年洞庭湖生態(tài)經(jīng)濟(jì)區(qū)的發(fā)展上升為國家戰(zhàn)略。

洞庭湖區(qū)生態(tài)環(huán)境的治理和保護(hù)一直以來深受國內(nèi)外專家學(xué)者的關(guān)注,涌現(xiàn)了一大批關(guān)于洞庭湖區(qū)生態(tài)水位[1-4]和生態(tài)流量[4-5]的研究成果。這些研究成果的關(guān)注點主要集中在外河和湖泊上,忽略了對洞庭湖區(qū)堤垸內(nèi)部生態(tài)流量問題的研究。洞庭湖區(qū)水系縱橫交錯,堤垸星羅密布。隨著經(jīng)濟(jì)社會的快速發(fā)展,大量的農(nóng)村生活污水、畜禽養(yǎng)殖污水、農(nóng)業(yè)灌溉排水等進(jìn)入垸內(nèi)溝渠、湖泊中,導(dǎo)致垸內(nèi)水體總磷、總氮嚴(yán)重超標(biāo),營養(yǎng)物質(zhì)過多,垸內(nèi)水體水質(zhì)惡化,部分水體富營養(yǎng)化嚴(yán)重[6]。改善水質(zhì),除了采用控制污染、修建必要的水系連通工程等措施外,還必須考慮垸內(nèi)水體生態(tài)修復(fù)所需要的水量,增加生態(tài)需水,稀釋污染物和改善水質(zhì)。合理確定垸內(nèi)生態(tài)需水量,也是開展洞庭湖區(qū)水系連通的關(guān)鍵[6-8]。

本文以湖南省洞庭湖北部地區(qū)25個堤垸為研究對象,對堤垸88個水質(zhì)檢測點開展2次水質(zhì)檢測,以垸內(nèi)水體3 a內(nèi)達(dá)到Ⅲ類水質(zhì)為目標(biāo),建立基于環(huán)境稀釋水量法的生態(tài)流量計算模型,計算洞庭湖區(qū)堤垸生態(tài)需水量。

2 研究范圍與數(shù)據(jù)來源

以湖南省洞庭湖北部地區(qū)25個堤垸為研究對象,其位置分布見圖1。

圖1 湖南省洞庭湖北部區(qū)域25個堤垸位置分布Fig.1 Distribution of 25 polders in north Dongting Lake, Hunan Province

收集到的主要資料如下:

(1)基礎(chǔ)水利設(shè)施資料。根據(jù)分析計算需要,收集到25個堤垸內(nèi)的內(nèi)湖、啞湖的容積和大中型灌排渠系的主要尺寸、進(jìn)水口閘門尺寸等相關(guān)基礎(chǔ)水利設(shè)施資料。區(qū)域25個堤垸基礎(chǔ)水利設(shè)施興利庫容為6.56億m3。

(2)水位流量資料。根據(jù)區(qū)域水文氣象特點及河流水系情況,收集到松滋河新江口、沙道觀、大湖口、自制局、官垸,虎渡河彌陀寺、藕池河康家崗、管家鋪以及南嘴、安鄉(xiāng)這10個水文站1970—2016年的逐日水位流量資料。

(3)水質(zhì)資料。以湖南省洞庭湖北部地區(qū)的25個堤垸為研究對象,在實地調(diào)研和勘查的基礎(chǔ)上設(shè)置88個地表水水質(zhì)采樣點,分別于2018年10月和2019年5月2次進(jìn)行水質(zhì)采樣和分析。水質(zhì)檢測結(jié)果見圖2。

圖2 堤垸地表水水質(zhì)檢測結(jié)果Fig.2 Grades of surface water quality in polders

3 生態(tài)需水量計算方法

目前關(guān)于生態(tài)需水量的計算主要包括2大類:河道生態(tài)流量和湖泊、沼澤生態(tài)流量計算[9]。堤垸內(nèi)水體主要包括內(nèi)湖、啞河、灌排渠系,在一般情況下水體流速幾乎為0,與湖泊有類似之處。本文擬采用湖泊生態(tài)流量計算方法來計算堤垸內(nèi)部生態(tài)流量。常用的計算湖泊生態(tài)需水量的方法有水量平衡法[10-12]、換水周期法[13-16]、最小水位法[17-20]及環(huán)境稀釋水量法[21-24]等。由于堤垸內(nèi)幾乎沒有水文觀測資料,本文擬在堤垸水量平衡計算的基礎(chǔ)上,采用環(huán)境稀釋水量法計算堤垸內(nèi)部生態(tài)流量,并將計算結(jié)果與換水周期法進(jìn)行對比分析。

3.1 環(huán)境稀釋水量法

環(huán)境稀釋水量法采取動態(tài)的觀點,考慮水質(zhì)達(dá)標(biāo)所需的時間、垸內(nèi)水體總量Q和污染物濃度C0,水體污染物濃度在n年后達(dá)到水質(zhì)目標(biāo)。

根據(jù)污染物質(zhì)量平衡原理,在考慮一種污染物濃度的情況下,其輸出與輸入的污染物總量可表示為:

QoutCout=

OCo+DCd+SCS;(1)

QinCin=RCr+ACa。(2)

式中:Qout為輸出水量(萬m3);Cout為輸出水量的污染物濃度(mg/L);O為垸內(nèi)排澇排洪水量(萬m3);Co為排澇排洪水量的污染物濃度(mg/L);D為垸內(nèi)滲漏水量(萬m3);Cd為滲漏水體的污染物濃度(mg/L);S為垸內(nèi)供水量(萬m3);CS為供水水體的污染物濃度(mg/L);Qin為輸入水量(萬m3);Cin為垸內(nèi)輸入水量的污染物濃度(mg/L);R為入河排污水量(萬m3);Cr為面源污染造成的降雨產(chǎn)流污染物濃度(mg/L);A為外河來水量(萬m3);Ca為外河來水的污染物濃度(mg/L)。

假設(shè)每年提供的生態(tài)流量相同,且提供的生態(tài)用水全部排除垸外,依據(jù)物質(zhì)平衡原理,第1年,垸內(nèi)污染物減少量為輸出量與輸入量之差,可表示為

Q(C0-C01)=(Qout+Qeco)Cout-

(QecoCeco+QinCin) 。

(3)

式中:C0為第1年年初垸內(nèi)的污染物濃度(mg/L);C01為第1年年末垸內(nèi)污染物濃度(mg/L);Q為垸內(nèi)現(xiàn)狀水量(萬m3);Qeco為垸內(nèi)年生態(tài)流量(即生態(tài)補水量)(萬m3);Cout為輸出的污染物濃度(mg/L);Ceco為垸內(nèi)生態(tài)流量中的污染物濃度(mg/L)。

輸出的污染物濃度Cout取垸內(nèi)年末污染物濃度。將式(1)和式(2)代入式(3)中得

Q(C0-C01)=(O+D+S+Qeco)C01-

(QecoCeco+RCr+ACa) 。

(4)

由式(4)可得

(5)

(6)

(7)

C01=K1+K2C0。

(8)

同理,第2年生態(tài)補水后,垸內(nèi)污染物濃度C02為

(9)

由此,第n年末垸內(nèi)水體污染物濃度C0n為

(10)

如果第n年內(nèi)垸內(nèi)水體污染物濃度達(dá)到既定水質(zhì)保護(hù)目標(biāo),則C0n為Ⅲ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)下相應(yīng)污染物的濃度。根據(jù)現(xiàn)狀水質(zhì)C0與目標(biāo)水質(zhì)C0n,可對K1、K2進(jìn)行求解。

因此,堤垸內(nèi)部生態(tài)需水量可表示為

3.2 換水周期法

換水周期是指全部湖水交換更新一次所需時間長短的一個理論概念,是判斷某一湖泊水資源能否持續(xù)利用和保持良好水質(zhì)條件的一項重要指標(biāo)。計算公式為

T=W/(8Qt×8.64)或T=W/Wq×365 。

(12)

式中:T為換水周期(d);W為多年平均蓄水量(104m3);Qt為多年平均出湖流量(m3/s);Wq為多年平均出湖水量(104m3)。

根據(jù)式(12),可以計算出垸內(nèi)水體的換水周期。垸內(nèi)水體生態(tài)環(huán)境需水量計算公式為

垸內(nèi)生態(tài)環(huán)境需水量=W/T。

(13)

垸內(nèi)最小生態(tài)環(huán)境需水量可以根據(jù)枯水期的出垸水量和垸內(nèi)水體換水周期來確定。

4 生態(tài)需水量計算

4.1 水量平衡分析計算

垸內(nèi)生產(chǎn)生活生態(tài)用水主要來自荊江三口洪道來水和當(dāng)?shù)亟邓?,現(xiàn)狀情況下主要通過進(jìn)水口自流或泵站提水進(jìn)入垸內(nèi),垸內(nèi)主要用水為農(nóng)業(yè)灌溉用水及人畜用水。綜合考慮三口河道來水量、區(qū)域降雨量、垸內(nèi)需水量等因素,選取頻率P=50%(2007年)、P=90%(2011年)的平枯代表典型年分別進(jìn)行計算。

研究區(qū)域劃分為松滋河及虎渡河流域、藕池西支流域、藕池東支流域、華容河流域這4個分區(qū)分別計算,其中松滋河來水直接以官垸、自治局、大湖口站實測流量和水位資料進(jìn)行區(qū)域水量平衡計算;虎渡河和藕池河以彌陀寺、康家崗和管家鋪3個水文站的流量資料扣除湖北部分耗水后進(jìn)行本區(qū)域內(nèi)水量平衡計算。在進(jìn)行水資源供需分析和配置時,首先考慮利用本地產(chǎn)水,主要包括內(nèi)湖、水庫和大中型渠道,當(dāng)本地產(chǎn)水不足時,考慮采用外河來水進(jìn)行補充。

根據(jù)上述計算原則,得到區(qū)域水量平衡計算結(jié)果見表1。在P=50%情況下,區(qū)域25個堤垸總?cè)彼?.481 3億m3。在P=90%情況下,區(qū)域25個堤垸總?cè)彼?.377 6億m3。從缺水空間分布上看(圖3),P=50%和P=90%來水情況下,缺水區(qū)域主要集中在藕池河以東區(qū)域。

表1 水量平衡計算結(jié)果Table 1 Calculation result of water balance 萬m3

圖3 堤垸缺水量分布Fig.3 Distribution of water shortage in polders

圖4 湖南省洞庭湖北部區(qū)域25個堤垸NH3年排放量Fig.4 Annual NH3 emissions from 25 polders in northDongting Lake

4.2 生態(tài)需水量分析計算

根據(jù)環(huán)境稀釋水量法計算垸內(nèi)生態(tài)需水量,其中:R采用徑流系數(shù)法得到(洞庭湖區(qū)徑流系數(shù)取0.45);Cr根據(jù)生活污水和畜禽養(yǎng)殖污水中污染物量、農(nóng)田面源污染的污染物量和面源污染入河系數(shù)和降雨徑流量求得;外河來水量A根據(jù)水量平衡計算結(jié)果得到;外河來水污染物濃度Ca根據(jù)實測資料獲得;排澇排洪水量O根據(jù)水量平衡計算結(jié)果求得;垸內(nèi)滲漏水量D采用單位面積滲漏損失乘以渠底面積求得;第1年年初垸內(nèi)的污染物濃度C0根據(jù)兩次實測資料求平均獲得。

根據(jù)水量平衡計算成果,在不考慮生態(tài)需水的情況下,頻率P=50%情況下,堤垸從外河引水5.20億m3,外排水量6.98億m3。經(jīng)過現(xiàn)場抽樣調(diào)查,區(qū)域點源污染基本全進(jìn)入污水處理系統(tǒng),統(tǒng)一處理后排放到外河,本文僅對進(jìn)入垸內(nèi)的面源污染進(jìn)行分析。垸內(nèi)面源污染主要包括農(nóng)村生活污染源、畜禽養(yǎng)殖污染源及農(nóng)田徑流污染源三部分。農(nóng)村生活排污量參照區(qū)域各縣污染源普查技術(shù)報告進(jìn)行測算,農(nóng)村畜禽養(yǎng)殖污染源強采用《全國水環(huán)境容量核定技術(shù)指南》中推薦的折算方法和參數(shù)進(jìn)行計算,農(nóng)田徑流污染源采用“標(biāo)準(zhǔn)農(nóng)田法”估算污染物排放量。洞庭湖北部區(qū)域25個堤垸NH3年排放量見圖4,區(qū)域垸內(nèi)氨氮排放總量為4 836 t/a。

根據(jù)式(5)—式(11)可以求得垸內(nèi)生態(tài)環(huán)境需水量,結(jié)果見圖5(a)。

在采用換水周期法計算生態(tài)環(huán)境需水量時,從降雨、主要污染源、河流湖泊水深、流速等方面,選取同類工程,計算區(qū)域垸內(nèi)生態(tài)環(huán)境需水量。洞庭湖北部地區(qū)與湘陰縣東湖位置相鄰,區(qū)域降雨量、蒸發(fā)量基本一致,污染物主要來源為農(nóng)業(yè)面源污染,水系河流湖泊水深基本都位于10 m以下,水深較淺,水流流速一年當(dāng)中大部分時間為“0”?;谏鲜隹紤],本文選擇湘陰縣東湖作為類比工程計算區(qū)域垸內(nèi)生態(tài)需水量。湘陰東湖換水周期為50.7 d[16],本文計算時也選用50.7 d作為洞庭湖北部地區(qū)25個堤垸水系的換水周期。根據(jù)式(13)計算得到垸內(nèi)生態(tài)環(huán)境需水量,見圖5(b)。

圖5 湖南省洞庭湖北部區(qū)域25個堤垸生態(tài)環(huán)境需水量Fig.5 Ecological water demands of 25 polders in northDongting Lake

根據(jù)計算結(jié)果,環(huán)境稀釋水量法計算得到P=50%情況下,垸內(nèi)生態(tài)需水量為32.161億m3,換水周期法計算得到的生態(tài)需水量為32.156億m3。從25個堤垸生態(tài)需水總量上看,2種計算方法得到的生態(tài)需水量基本一致。但從單個垸子看,2種方法得到的生態(tài)需水量差異加大,其中建設(shè)垸、南頂垸、錢北垸、錢南垸、華容護(hù)城垸、大通湖垸、新太垸等7個堤垸,采用環(huán)境稀釋水量法得到的生態(tài)需水量均小于換水周期法得到的生態(tài)需水量,差異在24.8%~72.1%之間;其余堤垸采用環(huán)境稀釋水量法得到的生態(tài)需水量均大于換水周期法得到的生態(tài)需水量,差異在26.5%~81.3%之間。造成2種方法計算差異的主要原因是:換水周期法得到的生態(tài)需水量與單位灌面水利設(shè)施容積有直接關(guān)系,由于各個堤垸單位灌面水利設(shè)施容積存在較大差異,當(dāng)單位灌面水利設(shè)施容積較大時,換水周期法得到的生態(tài)需水量大,反之,換水周期法得到的生態(tài)需水量小;而環(huán)境稀釋水量法計算生態(tài)需水量時,與垸內(nèi)進(jìn)出水量和進(jìn)出污染物量有直接關(guān)系,與基礎(chǔ)水利設(shè)施容積關(guān)系不大。建設(shè)垸等7個堤垸單位灌面水利設(shè)施容積較大,換水周期法得到的生態(tài)需水量大于環(huán)境稀釋水量法得到的生態(tài)需水量;而其它堤垸單位灌面水利設(shè)施單位面積容積較大。

2種方法25個堤垸的單位灌面生態(tài)需水量差值與單位灌面水利設(shè)施容積的關(guān)系見圖6。從圖6可以發(fā)現(xiàn),兩種方法得到的單位灌面生態(tài)需水量差值與單位灌面水利設(shè)施容積呈現(xiàn)明顯的負(fù)相關(guān)關(guān)系,這可能是一種偶然現(xiàn)象,但也可以從側(cè)面反映了當(dāng)單位灌面的水利設(shè)施容積較小時(本文限制為255 m3/畝,1畝=666.67 m2),采用環(huán)境稀釋水量法得到的生態(tài)需水量要大于換水周期法得到的生態(tài)需水量。由此可見,兩者結(jié)果的差異與單位灌面水利設(shè)施容積具有很大的關(guān)系。換水周期法得到的成果與垸內(nèi)水體容積具有關(guān)系,而環(huán)境稀釋水量法以水質(zhì)保護(hù)為主要目標(biāo)計算生態(tài)需水量,本文建議在實際應(yīng)用中以環(huán)境稀釋水量法得到的生態(tài)需水量為依據(jù),開展后續(xù)研究、規(guī)劃及工程實施。

圖6 25個堤垸單位灌面生態(tài)需水量差值與單位灌面水利設(shè)施容積關(guān)系Fig.6 Comparison between insufficient volume of ecolo-gical water demand and capacity of water conservancyfacilities per unit irrigation area in the 25 polders

4.3 敏感性分析

根據(jù)環(huán)境稀釋水量法的計算原理可知,該方法得到的生態(tài)需水量容易受采樣點個數(shù)多少、采樣點位置的代表性、采樣時間等因素的影響,為更有效地改善垸內(nèi)生態(tài)環(huán)境,擬選擇區(qū)域內(nèi)關(guān)注度較高的大通湖垸的生態(tài)需水量進(jìn)行敏感性分析。當(dāng)垸內(nèi)氨氮污染物的濃度在-20%~20%之內(nèi)波動時,對應(yīng)的生態(tài)需水量變化幅度見圖7。從圖7可以看出,隨著現(xiàn)狀氨氮濃度變化,垸內(nèi)生態(tài)需水量發(fā)生變化,兩者之間呈現(xiàn)約1.5倍的關(guān)系。由此可見,初步污染物濃度變化對垸內(nèi)生態(tài)需水量的影響較大,準(zhǔn)確檢測污染物濃度對合理制定生態(tài)需水量具有十分重要的作用。

圖7 垸內(nèi)生態(tài)需水量敏感性分析Fig.7 Sensitivity analysis of ecological water demandin polders

根據(jù)《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3838—2002),湖、庫與其他地表水總磷標(biāo)準(zhǔn)不一致。因此,對于根據(jù)氨氮污染物濃度得到的生態(tài)需水量,本文選用COD污染物濃度作為生態(tài)需水量的合理性驗證指標(biāo),同樣選取大通湖垸進(jìn)行驗證。由于區(qū)域內(nèi)25個堤垸COD污染物濃度狀況普遍好于氨氮污染物濃度狀況,根據(jù)式(5)—式(11)可求得COD現(xiàn)狀污染物濃度下的大通湖垸垸內(nèi)生態(tài)需水量為75 800萬m3,小于氨氮現(xiàn)狀污染物濃度下的大通湖垸內(nèi)生態(tài)需水量81 200萬m3。由此可見,本文得到的生態(tài)需水量基本可以滿足垸內(nèi)生態(tài)需水量要求。

5 結(jié) 論

為改善洞庭湖區(qū)垸內(nèi)水生態(tài)環(huán)境,以湖南省洞庭湖北部地區(qū)25個堤垸為研究對象,根據(jù)堤垸88個水質(zhì)檢測點兩次氨氮污染物濃度的檢測結(jié)果,以垸內(nèi)水體3 a內(nèi)達(dá)到Ⅲ類水質(zhì)為目標(biāo),建立基于環(huán)境稀釋水量法的生態(tài)流量計算模型,計算洞庭湖區(qū)堤垸生態(tài)需水量為32.161億m3。通過與換水周期法計算成果32.156 億m3對比,2種方法得到的生態(tài)需水量在總量上基本一致,但個別堤垸存在差異,導(dǎo)致差異的主要原因與各堤垸單位灌面上的水利設(shè)施容積有較大關(guān)系。經(jīng)敏感性分析和合理性驗證,環(huán)境稀釋水量法得到的區(qū)域垸內(nèi)生態(tài)需水量基本合理有效。由于環(huán)境稀釋水量法是以水質(zhì)保護(hù)目標(biāo)為基礎(chǔ)計算得到的生態(tài)需水量,本文作者建議對采用該方法得到的成果開展后續(xù)研究,為改善洞庭湖區(qū)垸內(nèi)生態(tài)環(huán)境提供技術(shù)支撐。

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