基于生態(tài)補水的水環(huán)境改善效果評價體系

邢夢雅,陳　星,周　鍔,向　龍,金　輝,朱麗麗

(1.河海大學(xué)水文水資源學(xué)院,江蘇 南京　210098; 2.常熟市水利局,江蘇 常熟　215500)

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基于生態(tài)補水的水環(huán)境改善效果評價體系

邢夢雅1,陳星1,周鍔2,向龍1,金輝2,朱麗麗2

(1.河海大學(xué)水文水資源學(xué)院,江蘇 南京210098; 2.常熟市水利局,江蘇 常熟215500)

摘要：在分析生態(tài)補水對水環(huán)境影響的基礎(chǔ)上,從水文、水力、水質(zhì)角度提出改善效果評價體系,具體的評價指標包括生態(tài)補水量系數(shù)、重要節(jié)點補水效率、換水周期變化率、區(qū)域水質(zhì)改善度;以常熟市生態(tài)補水試驗為例,分析評估了生態(tài)補水對水環(huán)境的改善效果。結(jié)果表明,該指標體系能夠為優(yōu)化生態(tài)補水方案提供定量化基礎(chǔ),同時指導(dǎo)不同連通調(diào)水模擬方案間的優(yōu)選分析。

關(guān)鍵詞：水質(zhì);水量;水環(huán)境;生態(tài)補水;評價體系

河湖水系是水資源的載體,是生態(tài)環(huán)境的重要組成部分,是經(jīng)濟社會發(fā)展的重要支撐[1]。張樹軍等[1-2]將生態(tài)補水定義為:通過補充受損生態(tài)系統(tǒng)缺失的環(huán)境因子—水,改善、修復(fù)、恢復(fù)生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、功能及自我調(diào)節(jié)能力,使其繼續(xù)為人類創(chuàng)造良好的、健康的生存環(huán)境,促進人類社會的可持續(xù)發(fā)展。隨著區(qū)域經(jīng)濟發(fā)展、城市化率逐步提高,有必要在污染源治理基礎(chǔ)上增加生態(tài)補水措施,通過提高水體流動性,加大水環(huán)境容量及自凈能力,增強水環(huán)境改善效果。

為直觀反映生態(tài)補水對受水區(qū)域的水環(huán)境改善效果,需要構(gòu)建定量化分析評估生態(tài)補水效果的指標體系。本文在分析生態(tài)補水對河網(wǎng)水環(huán)境影響的基礎(chǔ)上,從水文、水力、水質(zhì)角度提出評價因子:生態(tài)補水量系數(shù)、重要節(jié)點補水效率、換水周期變化率、區(qū)域水質(zhì)改善度,通過對比分析補水前后水系相關(guān)指標狀況,評價生態(tài)補水效果,并為相關(guān)方案措施提供調(diào)度依據(jù)及理論支撐。

1區(qū)域水環(huán)境改善效果評價體系

1.1　評價指標選擇原則

a. 相對獨立性:各項評價指標應(yīng)相對獨立、相對穩(wěn)定;

b. 代表性:評價指標能從不同角度反映補水措施對生態(tài)水質(zhì)的影響特征,同時具有一定敏感度;

c. 易獲取性:評價指標所需基礎(chǔ)數(shù)據(jù)易獲取,方便量化,便于分析比較。

1.2　評價指標分析及計算方法

生態(tài)補水對水環(huán)境影響的過程,可以歸納為以下模式:生態(tài)補水—改變受水區(qū)及沿程的水文與水力狀況—水環(huán)境變化,這種模式反映了影響形成的順序[3]。在此模式下,水文要素與水力條件兩者密不可分,水文要素的變化往往造成水力條件的改變;同樣,水力條件的改變也必將對水文要素產(chǎn)生一定影響;而水文要素或水力條件的變化都會引起水環(huán)境的相應(yīng)改變。鑒于這樣的因素耦合關(guān)系,本文從水文、水力、水質(zhì)角度提出評價指標,構(gòu)建用以評價受水區(qū)及其沿程水環(huán)境改善效果的評價體系。

1.2.1生態(tài)補水量系數(shù)σ

生態(tài)補水量系數(shù)反映生態(tài)補水對受水區(qū)水環(huán)境水文要素的區(qū)域性影響。在預(yù)算生態(tài)補水量基礎(chǔ)上,計算實際補水總量與預(yù)算量比值作為生態(tài)補水量系數(shù)。

補水預(yù)算量采用一維水量水質(zhì)模型計算[4]。根據(jù)質(zhì)量守恒原理,假設(shè)稀釋混合段水質(zhì)濃度均勻,運用濃度達標控制法預(yù)算補水總量。當河網(wǎng)中營養(yǎng)鹽含量高、河道自凈能力差時,取污染物綜合衰減系數(shù)為0,則補水預(yù)算量計算公式為

(1)

式中:W0為補水預(yù)算量,m3;Wi為第i河段初始槽蓄水量,m3;ρ0為補水水質(zhì)為質(zhì)量濃度,mg/L;ρi為第i河段本底水質(zhì)質(zhì)量濃度,mg/L;ρs為水質(zhì)標準(Ⅲ類水,以CODMn計),mg/L。

1.2.2重要節(jié)點補水效率η

重要節(jié)點補水效率η反映生態(tài)補水對沿程水環(huán)境水文要素的影響狀況。計算河網(wǎng)中重要節(jié)點補水過程中平均流量分配比,分析流量分配狀況及原因,針對關(guān)鍵河網(wǎng)位置采取相應(yīng)工程與非工程措施,保障受水區(qū)生態(tài)補水效率。公式為

(2)

式中:q為節(jié)點沿補水路徑平均分流流量,m3/s;Q為受水區(qū)補水總流量平均值,m3/s。

1.2.3換水周期變化率θ

換水周期是指水體交換更新一次所需時間[5],生態(tài)補水為區(qū)域河網(wǎng)帶來清潔流動水源,使得換水周期縮短,河網(wǎng)水力連通性提高,水體自凈能力加強。從水力條件上反映生態(tài)補水對受水區(qū)水環(huán)境的作用情況。換水周期變化率θ的計算公式為

(3)

式中:T0為生態(tài)補水前河道(湖泊)換水周期,h;T1為補水后河道(湖泊)換水周期,h。

1.2.4區(qū)域水質(zhì)改善度q

區(qū)域水質(zhì)改善度q是從水質(zhì)角度綜合反映生態(tài)補水對整個受水區(qū)水環(huán)境改善效果的一項指標,它是指生態(tài)補水區(qū)域內(nèi)河流、湖泊水質(zhì)得到改善的河長、面積占區(qū)域內(nèi)總河長、總湖泊面積的比例[6],具體計算公式為

(4)

式中:L0(A0)為生態(tài)補水后水質(zhì)改善的河段長度或湖泊面積,m或m2;L(A)為區(qū)域河段總長度或湖泊總面積,m或m2。

2案例應(yīng)用

2.1　區(qū)域概況

常熟市位于長江流域下游,區(qū)域內(nèi)河網(wǎng)密集,湖蕩密布。常熟市主城區(qū)約60 km2,北至花板塘,南至張家港河,西至望虞河,東至東環(huán)河,共有河道172條,其中骨干河道28條(圖1)。主城區(qū)通江河道海洋涇水質(zhì)達Ⅲ類,是常熟城區(qū)的補水通道,城區(qū)內(nèi)河網(wǎng)現(xiàn)狀水環(huán)境容量小,水體自凈能力較差,部分流經(jīng)主城區(qū)河道水質(zhì)較差。常熟市河網(wǎng)閘泵建設(shè)完善,有條件在污染源治理基礎(chǔ)上,通過閘泵聯(lián)合調(diào)控,對城區(qū)水系進行生態(tài)補水,加強河網(wǎng)水動力,增大河網(wǎng)環(huán)境容量[7]。

圖1　常熟城區(qū)骨干河網(wǎng)監(jiān)測斷面布設(shè)情況

2.2　生態(tài)補水試驗

生態(tài)補水試驗于2014年5月14日8：00—23：00時進行,9：00—16：00時通過海洋涇泵站、海洋涇閘從長江引水,分耿涇、南福山塘兩支進入城區(qū),18：00—21：00時以常滸河、耿涇、白茆塘為主要通道進行排水。如圖1所示,共設(shè)置16個監(jiān)測斷面,監(jiān)測項目包括水文(水位、流量)及水質(zhì)(TP、TN、NH3-N、CODMn):

a. 水文數(shù)據(jù):8:00—22:00,1—16號斷面每間隔30 min監(jiān)測一次,共29個測次數(shù)據(jù);

b. 水質(zhì)數(shù)據(jù):8:00及10:00—22:00,1—16號斷面每間隔2 h監(jiān)測一次,共8個測次數(shù)據(jù)。

2.3　水環(huán)境改善效果評價及分析

主要河段指標狀況見表1。生態(tài)補水量系數(shù)為0.83,實際補水量為106萬m3,預(yù)算補水量為128萬m3;重要節(jié)點對城區(qū)有效補水效率平均值為33.4%,個別河段分流現(xiàn)象較嚴重,城區(qū)外沿程河道如大皇塘、羅卜涇等分流占31.8%,城區(qū)內(nèi)如南福山塘、耿涇分流達22.7%(圖2);河網(wǎng)換水周期變化率達62.6%,提升幅度顯著,表明現(xiàn)有生態(tài)補水方案能夠有效改善受水區(qū)域水體流動性。區(qū)域水質(zhì)改善度為38.5%,城區(qū)局部河網(wǎng)仍存在水流往復(fù)現(xiàn)象,水質(zhì)改善水平有待提高。建議進一步通過水利工程控制水流方向,提高城區(qū)補水效率,同時可以加大補水水量,將生態(tài)補水量系數(shù)控制在0.8～1.2范圍內(nèi)。

表1　主要河段指標狀況

圖2　重要節(jié)點分流情況

3結(jié)論

a. 在分析生態(tài)補水對受水區(qū)水環(huán)境影響的基礎(chǔ)上,從水文、水力、水質(zhì)角度提出了評價指標體系,并應(yīng)用于常熟市城區(qū)進行實例評價,分析了生態(tài)補水方案對水環(huán)境的改善效果,為優(yōu)化生態(tài)補水方案提供理論依據(jù)。

b. 指標體系亦可用作不同生態(tài)補水模擬方案間的對比分析,選擇水環(huán)境改善效果佳、經(jīng)濟合理者作為實際應(yīng)用方案[8]。

c. 我國生態(tài)補水實踐日益增多,評價生態(tài)補水方案對河道及周邊環(huán)境影響變得更加重要,本文僅分析了原型試驗中河網(wǎng)生態(tài)補水對河流水量、水環(huán)境的影響,下一步將結(jié)合構(gòu)建評價體系,通過水量水質(zhì)耦合模型分析最優(yōu)補水量與調(diào)度方案。

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Study on evaluation system of improvement of water environment based on ecological water supplement

XING Mengya1, CHEN Xing1, ZHOU E2, XIANG Long1, JIN Hui2, ZHU Lili2

(1.CollegeofHydrologyandWaterResources,HohaiUniversity,Nanjing210098;

2.ChangshuWaterAffairsBureau,Changshu215500,China)

Abstract：On the basis of analyzing the impact of ecological water supplement on water environment, improved evaluation system is proposed from the angle of hydrology, hydraulics and water quality. Specific evaluation indexes include the quantity of ecological water supplement, efficiency of water supplement on important joint, change rate of water exchange cycle and improvement degree of water quality in the district. Taking ecological water supplement experiment in Changshu as the study case, improvement of water environment caused by ecological water supplement was analyzed and evaluated. The results show that: This index system can be a general method to evaluate the effect of ecological water supplement on water environment, and can also be used to select the optimal simulation scheme.

Key words：water quality; water quantity; water environment; ecological water supplement; evaluation system

(收稿日期：2015-04-23編輯：徐娟)

中圖分類號：X171.1

文獻標志碼：A

文章編號：1004-6933(2016)01-0064-03

作者簡介:邢夢雅(1992—),女,碩士研究生,方向為水文學(xué)及水資源。E-mail: 455483522@qq.com

基金項目:國家自然科學(xué)基金(51309078,51209071)

DOI：10.3880/j.issn.1004-6933.2016.01.010