銀川市河湖生態(tài)補水的中水利用量研究

王茹雪,陳天偉,張 明,董進濤

(寧夏水利水電勘測設(shè)計研究院有限公司，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。但在20世紀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，銀川開始實施湖泊、沼澤濕地保護工程，增加濕地人工補水，逐步恢復(fù)濕地面積，年湖泊補水由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，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。

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]，隨著污水廠的提標改造，銀川市有6座污水處理廠出水水質(zhì)達到《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標準》(GB 18918—2002)一級A標準，在建的第一再生水廠和四污二期出水水質(zhì)達到準Ⅳ類，總設(shè)計處理能力為77.5萬m3/d，現(xiàn)狀實際處理中水約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)狀補水及水質(zhì)

1.1 河湖現(xiàn)狀補水量

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個湖泊和水系補水，水源均為黃河水，由唐徠渠、西干渠、漢延渠和惠農(nóng)渠補水，補水期為每年夏秋灌4—8月和冬灌11月，補水水源水質(zhì)為Ⅱ類，2019年補水量為10 112萬m3，占銀川市總用水量的13.7%。2020年補水量為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)測主要湖泊水庫3個，以全指標分析評價，閱海水質(zhì)為Ⅳ類，主要污染項目為化學(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個監(jiān)測斷面中，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個斷面水質(zhì)無明顯變化。

2 生態(tài)補水方案

以再生水為水源，再生水管網(wǎng)為取水點，現(xiàn)狀溝道為退水點，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)測設(shè)施。

3 生態(tài)補水量預(yù)測

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，單獨成片。

河湖生態(tài)用水按再生水水源劃分為5個片區(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)補水分區(qū)示意

3.2 計算方法

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，將需水量分為補充蒸發(fā)滲漏損失水量和流動換水量兩大部分[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。

流動換水量Q換水：河湖的流動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的實際補水量，計算湖泊水體換水量，按全年換水6次考慮，每次需換水水深為0.6 m。

3.3 計算邊界

銀川市所有湖泊水系均納入再生水補水范圍，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Ⅳ類和一級A，隨著銀川市污水處理廠逐步提標升級和典農(nóng)河城市段等景觀水體水質(zhì)考核目標的調(diào)整，再生水用于生態(tài)補水需逐年推進，本規(guī)劃考慮近中遠期3個水平年，分別設(shè)置不同的計算邊界條件。

近期2022年典農(nóng)河灌溉期由黃河水補充，非灌溉期由再生水補充，鳴翠湖補充黃河水，其余湖泊水系全年由再生水補充；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補充，非灌溉期由再生水補充，鳴翠湖補充黃河水，其余湖泊水系全年由再生水補充；遠期2035年所有湖泊水系全年由再生水補充。

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

3.4 補水量

經(jīng)計算，銀川市生態(tài)補水總需水量為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、水量調(diào)控設(shè)施，水質(zhì)達標后排入典農(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。擬通過再生水對部分河湖景觀水體常年補水，減少黃河水補水，相應(yīng)調(diào)整黃河水生態(tài)補水布局。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水，其他湖泊水系通過再生水管網(wǎng)由原補水通道機一渠、機二渠、機四渠向各湖泊水系補水；唐徠渠系保留向典農(nóng)河補水的寧城閘、良田渠等通道，關(guān)閉雁湖斗、老爺渠、迎水渠、紅花渠、大新渠等補水通道；漢延渠和惠農(nóng)渠仍保留向鳴翠湖補水通道，同時關(guān)閉向其他湖泊補水通道。

5 結(jié)語

由于缺乏自然補水渠道，銀川市河湖主要靠人工補充，水源為黃河水，2020年黃河補水量達到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。本文根據(jù)河湖水質(zhì)目標要求、景觀要求、補水條件等，計算出近中遠期河湖補水量的中水需水量分別為7 395萬m3、8 762萬m3、1 2431萬m3，可減少黃河水補水量分別為3 000萬m3、6 500萬m3、10 000萬m3。通過補充中水，將改變銀川市非黃河補水期水體不流動的現(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。建議加強遠期典農(nóng)河Ⅳ類水補水的生態(tài)影響研究，近期建議在非灌溉期、冬季等水溫較低時段水生動植物活動較為微弱、水體理化反應(yīng)遲緩時降低考核目標至Ⅳ類。加強冬春季準Ⅳ類再生水經(jīng)溝道、濕地凈化后的水質(zhì)變化情況進行詳細觀察檢測，明確其是否可以進入典農(nóng)河、閱海湖等國家級濕地公園。