面向水環(huán)境改善的淺丘水網(wǎng)區(qū)生態(tài)環(huán)境需水研究

李 娜，鄧秋良，劉伯娟，張 平

(湖北省水利水電規(guī)劃勘測(cè)設(shè)計(jì)院，武漢 430064)

0 引 言

一江三河水網(wǎng)區(qū)為湖北省江漢平原漢江以北的淺丘水網(wǎng)區(qū)?！耙唤敝笣h江，“三河”分別為漢北河、天門河、府澴河，流域水系見(jiàn)圖1。區(qū)域原均為汈汊湖水系，1969年冬實(shí)施了漢北水利工程后，區(qū)域水系分治成為兩大水系三片匯水區(qū)：一是府河下游改道，獨(dú)立府澴河匯水區(qū)；二是開(kāi)挖漢北人工河，撇洪包括萬(wàn)家臺(tái)以上的原天門河和以下的北岸(左岸)支流匯水區(qū)；三是萬(wàn)家臺(tái)以下原汈汊湖水系匯水區(qū)。不同流域水系間均可通過(guò)河道涵閘實(shí)現(xiàn)連通。長(zhǎng)期以來(lái)，區(qū)域水資源調(diào)度多從防洪排澇角度出發(fā)，對(duì)河湖生態(tài)環(huán)境需水考慮不足，部分河湖水環(huán)境惡化趨勢(shì)明顯，生態(tài)功能退化，亟待系統(tǒng)分析研究水網(wǎng)區(qū)的生態(tài)環(huán)境需水要求，并在水資源配置與調(diào)度中給予充分考慮。

當(dāng)前，國(guó)內(nèi)外計(jì)算河流生態(tài)需水量的方法眾多，Tharme等[1]將大多數(shù)生態(tài)需水評(píng)估方法歸納為水文學(xué)方法、水力學(xué)法、棲息地模擬法、整體法、綜合評(píng)估方法及其他方法。近年來(lái)隨著人水共生和諧理念提出和河湖長(zhǎng)制深入推進(jìn)，國(guó)內(nèi)河湖生態(tài)環(huán)境需水得到了越來(lái)越多的重視和研究[2,3]，國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)單一河流、多閘壩河流[4-9]、淺水湖泊[10-12]及河網(wǎng)區(qū)[13-16]的生態(tài)需水進(jìn)行了大量相關(guān)研究。但對(duì)多單元多流域水網(wǎng)區(qū)生態(tài)環(huán)境需水研究較少，河湖較多的水網(wǎng)區(qū)生態(tài)需水研究缺乏系統(tǒng)整體性，上下游、左右岸缺乏協(xié)調(diào)，不同流域單元有補(bǔ)水條件的均各取所需，未能實(shí)現(xiàn)水資源的有效利用。本文從水環(huán)境改善角度出發(fā)，構(gòu)建了淺丘水網(wǎng)區(qū)多單元多流域生態(tài)環(huán)境需水耦合模型，從系統(tǒng)角度研究一江三河水網(wǎng)區(qū)以增強(qiáng)河湖自凈能力、改善河湖水體水環(huán)境質(zhì)量為目標(biāo)的生態(tài)環(huán)境需水。

圖1 一江三河水網(wǎng)區(qū)水系圖Fig.1 Han River-Three Inland Rivers water network area drainage map

1 區(qū)域水環(huán)境現(xiàn)狀

一江三河水網(wǎng)區(qū)地處江漢平原腹地，涉及天門市、孝感市、荊門市和武漢市4個(gè)地市，共計(jì)11個(gè)縣市區(qū)，自然面積8 191 km2，2017年總?cè)丝?34萬(wàn)人，耕地面積40.33 萬(wàn)hm2。區(qū)域內(nèi)地區(qū)生產(chǎn)總值達(dá)4 458.19 億元，素有“魚(yú)米之鄉(xiāng)”的美譽(yù)。

近年來(lái)一江三河地區(qū)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展迅速，入河污染負(fù)荷日益增多，加上淺丘水網(wǎng)區(qū)水體流動(dòng)性差，區(qū)域內(nèi)河湖水環(huán)境質(zhì)量不容樂(lè)觀，主要河湖水體水質(zhì)基本處于Ⅳ類到劣Ⅴ類，水功能區(qū)斷面基本不達(dá)標(biāo)，主要超標(biāo)因子為COD、NH3-N、TP，且呈現(xiàn)下游區(qū)河湖水體水質(zhì)要劣于上游區(qū)，城市區(qū)河湖水體水質(zhì)劣于農(nóng)村區(qū)，枯水期水體水質(zhì)劣于豐水期的特點(diǎn)。根據(jù)第二次全國(guó)污染源普查數(shù)據(jù)以及城鎮(zhèn)及農(nóng)村人口、耕地面積、畜禽養(yǎng)殖規(guī)模等相關(guān)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，采用調(diào)查統(tǒng)計(jì)及估算法計(jì)算區(qū)域現(xiàn)狀及各項(xiàng)截污控污措施全部實(shí)施后的入河污染物量，見(jiàn)表1。由表可知，農(nóng)村區(qū)上、下游河流入河污染負(fù)荷水平基本持平，城市區(qū)河段如天門河段、涢水云夢(mèng)～武漢保留區(qū)段污染負(fù)荷水平明顯高于農(nóng)村區(qū)。

表1 一江三河水網(wǎng)區(qū)污染物入河量表 t/a

2 河湖基本單元水環(huán)境模擬分析

一江三河水網(wǎng)區(qū)水系發(fā)育，湖泊星羅棋布。區(qū)域有3條骨干河流，5 km以上的二級(jí)河流共49條，分布有大小湖泊共112個(gè)，其中農(nóng)村湖泊75個(gè)，城市湖泊37個(gè)，湖泊總水面面積約223 km2。為研究區(qū)域生態(tài)環(huán)境需水，本文將區(qū)域水系劃分骨干河流、小支流、農(nóng)村湖泊、城市湖泊四類基本單元，河流采用一維水動(dòng)力水質(zhì)模型，湖泊采用二維水動(dòng)力水質(zhì)模型對(duì)該區(qū)域的典型基本河湖單元水環(huán)境質(zhì)量進(jìn)行模擬分析，各類單元位置見(jiàn)圖1。水動(dòng)力模型采用圣維南方程組求解，水質(zhì)采用質(zhì)量守恒原理計(jì)算。

一維水動(dòng)力方程為：

(1)

式中：t為時(shí)間；x為距某一固定斷面沿流程的距離；h、Q分別為x處，t時(shí)刻過(guò)水?dāng)嗝娴乃詈土髁浚籄為過(guò)水?dāng)嗝婷娣e；R為水力半徑。

二維非恒定淺水運(yùn)動(dòng)方程：

(2)

式中：h為實(shí)際水深；ζ為平均湖面起算的水位；q為單位面積上進(jìn)出湖泊的流量；u,v分別為沿x,y方向的流速分量；g為重力加速度；ρ為水密度；f為柯氏力系數(shù)；τbx,τby為湖底摩擦力分量；τwx,τwy為湖面風(fēng)應(yīng)力分量。

水質(zhì)遷移轉(zhuǎn)換基本方程為：

(3)

式中：h為水深，m；C為污染物指標(biāo)的濃度，mg/L；M為橫向單寬流量，m2/s；N為縱向單寬流量，m2/s；Ex為橫向擴(kuò)散系數(shù)，m2/s；Ey為縱向擴(kuò)散系數(shù)，m2/s；S為源(匯)項(xiàng)，g/(m2·s)。

為全面分析區(qū)域基本河湖單元的水環(huán)境需水，本文共對(duì)3條骨干河流，2條小支流和4座農(nóng)村湖泊，2座城市湖泊進(jìn)行了模擬分析。由模擬分析結(jié)果可知四類基本計(jì)算單元中除農(nóng)村區(qū)張家大湖水體水質(zhì)達(dá)標(biāo)外，其余基本河湖單元在截污控污措施實(shí)施后，河湖水環(huán)境容量均不足，水質(zhì)達(dá)不到目標(biāo)要求，存在不同程度缺水。各基本河湖單元水體水質(zhì)模擬結(jié)果見(jiàn)表2，圖2～4。

表2 河湖基本單元重要斷面水質(zhì)年達(dá)標(biāo)率Tab.2 Annual water quality compliance rate of important sections for rivers and lakes

圖2 河流典型斷面TP變化過(guò)程Fig. 2 The changing process of TP of typical river sections

圖3 河流典型斷面NH3-N變化過(guò)程Fig.3 The changing process of NH3-N of typical river sections

圖4 典型湖泊TP變化過(guò)程Fig.4 The changing process of TP of typical lakes

3 一江三河水網(wǎng)區(qū)多單元多流域水環(huán)境需水分析

本文計(jì)算一江三河水網(wǎng)區(qū)水環(huán)境需水是在計(jì)算各河湖基本單元生態(tài)環(huán)境需水的基礎(chǔ)上，按河流水系的完整性，統(tǒng)籌協(xié)調(diào)上下游、干支流，河流控制斷面、河口、湖泊等各節(jié)點(diǎn)的水量平衡關(guān)系，構(gòu)建一江三河水網(wǎng)區(qū)多單元多流域水環(huán)境需水耦合模型。

(1)選取水網(wǎng)基礎(chǔ)單元。水網(wǎng)區(qū)河湖縱橫交錯(cuò)，構(gòu)建多單元多流域水環(huán)境需水耦合模型的關(guān)鍵是在多類河湖基本單元中選取出水網(wǎng)基礎(chǔ)單元，并以此為基礎(chǔ)，研究其他單元與水網(wǎng)基礎(chǔ)單元的水量交換關(guān)系。水網(wǎng)基礎(chǔ)單元的選取原則為眾多河湖基本單元中與其他單元產(chǎn)生水力聯(lián)系可能性最多的單元。一江三河水網(wǎng)區(qū)的基礎(chǔ)單元為骨干河流，其與小支流、城市湖泊和農(nóng)村湖泊均存在水量交換。

(2)判斷河湖基本單元間連通補(bǔ)水可行性。各河湖基本單元間連通補(bǔ)水可行性要從水系天然稟賦條件及水量、水質(zhì)、水生態(tài)等方面進(jìn)行。從水環(huán)境改善角度出發(fā)，需在對(duì)各河湖基本單元進(jìn)行水環(huán)境模擬的基礎(chǔ)上，采取輸入水質(zhì)優(yōu)于本體水質(zhì)的原則，研判COD、NH3-N、TP等主要指標(biāo)，確定各河湖基本單元間連通補(bǔ)水可行性。從一江三河水系圖可知，水網(wǎng)基礎(chǔ)單元骨干河流雖具備向部分小支流、城市湖泊及農(nóng)村湖泊補(bǔ)水的地理?xiàng)l件，但骨干河流的TP濃度均劣于湖泊單元水體，成果見(jiàn)圖5。從水環(huán)境改善角度出發(fā)，骨干河流不具備向湖泊天然補(bǔ)水條件。考慮到城市湖泊周邊區(qū)域發(fā)展對(duì)其水資源質(zhì)與量都提出較高的要求，故可增設(shè)人工絮凝沉淀池，對(duì)水網(wǎng)基礎(chǔ)單元水質(zhì)進(jìn)行降磷處理后再連通補(bǔ)水入后湖、金銀湖等城市湖泊。

圖5 湖泊與骨干河流TP濃度對(duì)比Fig.5 Comparison of TP concentration between lakes and main rivers

(3)淺丘水網(wǎng)區(qū)大尺度模型中河湖基本單元水環(huán)境補(bǔ)水分析。對(duì)于1 000 km2以上的淺丘水網(wǎng)區(qū)大尺度模擬區(qū)域，區(qū)內(nèi)水系眾多，在實(shí)際工作中如逐一應(yīng)用水動(dòng)力水質(zhì)模型對(duì)各河湖基本單元計(jì)算其水環(huán)境需水，顯然工作量巨大，現(xiàn)階段難以實(shí)現(xiàn)?？紤]到河湖基本單元的水環(huán)境具有相似性，水環(huán)境需水與區(qū)域降雨徑流條件、地區(qū)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展、河湖水體流動(dòng)性等指標(biāo)相關(guān)。故可在各類河湖基本單元中選取若干典型計(jì)算其水環(huán)境需水，利用修正系數(shù)考慮多種影響因素，估算全區(qū)域河湖基本單元水環(huán)境需水。一江三河水網(wǎng)區(qū)的小支流與城市湖泊生態(tài)補(bǔ)水均采用模數(shù)法計(jì)算，考慮到區(qū)域降雨徑流條件及區(qū)域經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展均類似，故修正系數(shù)取為1。通過(guò)典型分析，小支流需水模數(shù)按流域面積計(jì)算為0.007 m3/(s·km2)，城市湖泊需水模數(shù)按水面面積計(jì)算為1 m3/(s·km2)。

(4)判斷流域間連通補(bǔ)水可行性。流域間的連通補(bǔ)水主要是在滿足防洪排水安全的前提下，相鄰流域利用天然的水系條件，通過(guò)新建工程措施或優(yōu)化水資源調(diào)度實(shí)現(xiàn)流域間的水量調(diào)配，滿足多流域的水環(huán)境需水，提高水資源利用率。一江三河水網(wǎng)區(qū)三大流域本為一體，因治水害而阻斷。本文考慮到處于上游區(qū)的漢北河的水質(zhì)總體要優(yōu)于天門河和府澴河，且具備從區(qū)域外引水的條件，故在保證防洪排水安全的前提下，通過(guò)開(kāi)啟漢北河與天門河間的天門船閘、漢北河與府澴河間的東山頭閘，優(yōu)化涵閘調(diào)度，打通不同流域間的連通補(bǔ)水通道，提高水資源利用率。

(5)構(gòu)建多單元多流域水環(huán)境需水耦合模型。以水網(wǎng)基礎(chǔ)單元為基礎(chǔ)，在水網(wǎng)基礎(chǔ)單元與其他基本河湖單元交匯處，考慮各河湖基本單元生態(tài)環(huán)境需水，利用水量平衡和水質(zhì)質(zhì)量守恒原理耦合各節(jié)點(diǎn)輸入輸出水量及污染負(fù)荷量，搭建多單元多流域水環(huán)境需水耦合模型。一江三河水網(wǎng)區(qū)水環(huán)境需水分析模型框架如圖6所示。

本文在小支流基本單元水質(zhì)目標(biāo)達(dá)到Ⅲ類，城市湖泊基本單元水質(zhì)目標(biāo)達(dá)到Ⅳ類基礎(chǔ)上，構(gòu)建多單元多流域水環(huán)境需水耦合模型，計(jì)算水網(wǎng)區(qū)重要控制斷面天門、凈潭、府澴河水質(zhì)目標(biāo)達(dá)到Ⅲ類的水環(huán)境需水，結(jié)果見(jiàn)表3。

綜合考慮區(qū)域天然來(lái)水、供水、退水等因素，區(qū)域遭遇90%保證率枯水年水文條件，重要控制斷面水環(huán)境需水在非汛期1-4月及11-12月不能滿足，需從流域外調(diào)水補(bǔ)充，區(qū)域所需最大補(bǔ)水流量為37 m3/s，總補(bǔ)水量為6.88 億m3；區(qū)域遭遇50%保證率平水年水文條件，重要控制斷面水環(huán)境需水主要在1-2月不能滿足，需從流域外調(diào)水，區(qū)域所需最大補(bǔ)水流量為10 m3/s，補(bǔ)水量為0.34 億m3；區(qū)域遭遇低于50%保證率豐水年時(shí)，區(qū)域水環(huán)境需水基本滿足要求，不需要流域外補(bǔ)水。

圖6 一江三河水網(wǎng)區(qū)水環(huán)境需水分析模型框架示意圖Fig.6 Water demand analysis model framework for water environment in Han River-Three Inland Rivers water network area

4 結(jié) 語(yǔ)

(1)本文采用一維、二維水動(dòng)力水質(zhì)模型對(duì)河湖基本單元中的3條骨干河流、2條小支流、4座農(nóng)村湖泊、2座城市湖泊進(jìn)行了水量水質(zhì)模擬分析。結(jié)果表明3條骨干河流和2條小支流的水質(zhì)年達(dá)標(biāo)率不足50%，農(nóng)村湖泊中僅張家大湖水質(zhì)達(dá)標(biāo)，其余農(nóng)村湖泊及城市湖泊水質(zhì)全年均不達(dá)標(biāo)。

(2)本文將生態(tài)環(huán)境需水分析從單一流域拓展到多單元多流域，統(tǒng)籌協(xié)調(diào)同一流域上下游、干支流以及不同流域間的河湖生態(tài)環(huán)境需水要求，搭建多單元多流域水環(huán)境需水耦合模型，計(jì)算天門、凈潭、府河大橋3個(gè)重要控制斷面的水環(huán)境需水過(guò)程，分析了區(qū)域遭遇不同水文條件時(shí)的生態(tài)環(huán)境補(bǔ)水量。

(3)面向水環(huán)境改善的生態(tài)環(huán)境需水僅 為區(qū)域水生態(tài)環(huán)境需水的一部分，區(qū)域還應(yīng)考慮水生動(dòng)植物棲息生存、部分城市河湖景觀等需求，綜合確定一江三河水網(wǎng)區(qū)生態(tài)環(huán)境需水。