大中型灌區(qū)生態(tài)水環(huán)境多方位修復(fù)技術(shù)分析

申 艷

（東營(yíng)市水利灌溉服務(wù)中心,山東 東營(yíng) 257091）

0 引言

在大力發(fā)展工業(yè)、農(nóng)業(yè)的時(shí)代背景下,各種工業(yè)廢料、農(nóng)業(yè)化肥、生活污水,不約而同地排入自然水體,使水環(huán)境更加復(fù)雜,影響生態(tài)水環(huán)境的質(zhì)量。圍繞水環(huán)境質(zhì)量問題,研究人員設(shè)計(jì)了多種生態(tài)水環(huán)境修復(fù)技術(shù)。其中,基于河長(zhǎng)制的水生態(tài)環(huán)境修復(fù)技術(shù),與基于GSI 的生態(tài)水環(huán)境修復(fù)技術(shù)的應(yīng)用較為廣泛。這兩種修復(fù)技術(shù)均能夠修復(fù)水環(huán)境,但是水環(huán)境保護(hù)體系主要針對(duì)事后修復(fù),并未作出事前預(yù)防,而綠色雨水基礎(chǔ)設(shè)施雖然針對(duì)了水環(huán)境源頭進(jìn)行修復(fù),但是受到氣候環(huán)境、土壤環(huán)境等問題的制約,導(dǎo)致水環(huán)境修復(fù)效果不佳[1]。因此,本文設(shè)計(jì)了大中型灌區(qū)生態(tài)水環(huán)境多方位修復(fù)技術(shù)。

1 大中型灌區(qū)生態(tài)水環(huán)境多方位修復(fù)技術(shù)設(shè)計(jì)

1.1 提取灌區(qū)生態(tài)水環(huán)境變化特征

在修復(fù)灌區(qū)生態(tài)水環(huán)境的過程中,灌區(qū)水環(huán)境變化特征的提取至關(guān)重要。從時(shí)間尺度上來看,灌區(qū)數(shù)據(jù)分為規(guī)劃水平年數(shù)據(jù)與規(guī)劃基準(zhǔn)年數(shù)據(jù)。從種類上來看,灌區(qū)數(shù)據(jù)包括氣象條件數(shù)據(jù)、水文環(huán)境數(shù)據(jù)、可視化環(huán)境數(shù)據(jù)等[2]。受到生態(tài)水環(huán)境的氣候水文變化特征的影響,將灌區(qū)氣溫?cái)?shù)據(jù)、降雨數(shù)據(jù)、徑流數(shù)據(jù)、水質(zhì)數(shù)據(jù)、土壤數(shù)據(jù)、作物種植結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)、基礎(chǔ)環(huán)境搭建數(shù)據(jù)等進(jìn)行分析。其中,氣溫?cái)?shù)據(jù)、降雨數(shù)據(jù)來自氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)；徑流數(shù)據(jù)來自水文站,水質(zhì)數(shù)據(jù)來自環(huán)境保護(hù)廳,土壤數(shù)據(jù)、作物種植結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)由灌區(qū)提供,基礎(chǔ)環(huán)境搭建數(shù)據(jù)包括實(shí)地考察、社會(huì)數(shù)據(jù)、GIS 數(shù)據(jù)等多個(gè)方面。通過以上數(shù)據(jù)的提取,對(duì)大中型灌區(qū)生態(tài)水循環(huán)格局進(jìn)行優(yōu)化[3]。為了進(jìn)一步分析水環(huán)境變化情況,本文對(duì)灌區(qū)降雨徑流量變化特征進(jìn)行提取,徑流量變化情況如下：

式中：f（x）為降雨量密度函數(shù)； 、β、a 為降雨概率密度曲線的三個(gè)待定參數(shù)；γ（β）為β的伽瑪函數(shù)；e-β（x-α0）為自然對(duì)數(shù)函數(shù)的底數(shù)。

引入一個(gè)隨機(jī)變量m,在水文頻率曲線中p 為指定頻率,則水文變化特征公式如下：

式中：p（m）為根據(jù)水文環(huán)境設(shè)定的理論頻率曲線表達(dá)式；d為隨機(jī)變量m 到曲線的距離；x 為曲線上的隨機(jī)變化節(jié)點(diǎn)。

根據(jù)p（m）的變化情況對(duì)年內(nèi)水資源變化情況進(jìn)行分析,p（m）=25%時(shí),灌區(qū)為豐水年；p（m）=50%時(shí),灌區(qū)為平水年；p（m）=75%時(shí),灌區(qū)為枯水年；p（m）=95%時(shí),灌區(qū)為特枯水年。值越大,降雨量越少,灌區(qū)灌溉水量越少,影響生態(tài)水環(huán)境質(zhì)量。

1.2 規(guī)劃灌區(qū)地表水體的目標(biāo)水質(zhì)

生態(tài)修復(fù)不僅要從水環(huán)境內(nèi)部進(jìn)行優(yōu)化,還需要對(duì)水質(zhì)進(jìn)行修復(fù)。針對(duì)水資源匱乏的問題,以消減水污染負(fù)荷來改善水環(huán)境質(zhì)量[4]。灌區(qū)內(nèi)部水系不僅需要滿足排澇要求,也要規(guī)劃出灌區(qū)地表水體的目標(biāo)水質(zhì)。水質(zhì)控制指標(biāo)見表1。

表1 灌區(qū)水體水質(zhì)控制指標(biāo)表

如表1 所示,灌區(qū)水環(huán)境受到農(nóng)業(yè)化肥的影響,其水質(zhì)環(huán)境不佳,亟需進(jìn)行修復(fù)。在上述水質(zhì)指標(biāo)控制的條件下,水體在進(jìn)入灌區(qū)泵站之前進(jìn)行一次檢查,指標(biāo)合格之后才能進(jìn)行農(nóng)田灌溉。灌區(qū)不僅會(huì)在泵站接受水源,還會(huì)在周圍河流接受水源[5]。因此,水環(huán)境修復(fù)的首要步驟就是清淤。考慮到灌區(qū)水系補(bǔ)水質(zhì)量的問題,在灌區(qū)水源供給之前,均進(jìn)行了深化處理,利用自然濕地建立前置處理庫(kù),減少處理消耗。自然濕地處理之后,通過人工濕地凈化水質(zhì),最大限度地保證水環(huán)境質(zhì)量。在灌區(qū)實(shí)行雨水資源化利用模式,在雨季收集雨水,并在旱季進(jìn)行灌區(qū)灌溉,在灌溉之前同樣進(jìn)行處理。此種方式可以在不同空間尺度上修補(bǔ)水環(huán)境,優(yōu)化大中型灌區(qū)生態(tài)水循環(huán)格局,為灌區(qū)灌溉質(zhì)量提供保障。

1.3 建立灌區(qū)水環(huán)境生態(tài)修復(fù)區(qū)

在進(jìn)行生態(tài)水環(huán)境修復(fù)的過程中,設(shè)定徑流管理區(qū)、蓄水區(qū)、有機(jī)質(zhì)培育區(qū)、生態(tài)修復(fù)區(qū)等四個(gè)階段。在第一個(gè)階段就是將灌區(qū)的徑流流速進(jìn)行管控,修復(fù)該區(qū)域內(nèi)的生態(tài)水環(huán)境[6]。并在該區(qū)域種植水蔥等生物,為相關(guān)植被營(yíng)造出良好的水環(huán)境。在第二階段就是將管理區(qū)的水文環(huán)境進(jìn)行修復(fù),滲透并蓄積水流,在保證灌區(qū)水位線不變的基礎(chǔ)上,將原始生態(tài)駁岸進(jìn)行修復(fù),增加水流滲透效果。第三階段就是在灌區(qū)設(shè)置一個(gè)有機(jī)質(zhì)培育裝置,通過灌溉提高土壤中的有機(jī)質(zhì)含量增加。有機(jī)質(zhì)培育裝置結(jié)構(gòu)見圖1。

圖1 有機(jī)質(zhì)培育裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)示意圖

第四階段,該階段主要目的就是為原物種提供一個(gè)健康的生活環(huán)境。在水流進(jìn)入灌區(qū)之前,將水質(zhì)條件進(jìn)行分析,水質(zhì)達(dá)到灌溉需求之后才能進(jìn)行灌溉。再加上第三階段的有機(jī)質(zhì),能夠使灌區(qū)經(jīng)過水環(huán)境灌溉之后,植被、作物長(zhǎng)勢(shì)良好,為灌區(qū)的發(fā)展提供保障。

2 實(shí)例分析

2.1 工程概況

東營(yíng)市丁家泵站灌區(qū)生態(tài)水環(huán)境修復(fù)工程屬于一般中型灌區(qū),設(shè)計(jì)灌溉面積約2.6×107畝。東營(yíng)市的降水量較小,地表水資源量約9.5×108m3,主要集中在廣饒縣境內(nèi),屬于較為貧乏的環(huán)境。按照山東省南水北調(diào)東線工程統(tǒng)一布局,東營(yíng)市配套工程中心城區(qū)供水單元對(duì)應(yīng)北分水口,東營(yíng)市配套工程廣饒供水單元對(duì)應(yīng)南分水口。由于丁家泵站已經(jīng)運(yùn)行多年,進(jìn)出口水流較為平穩(wěn),但存在淤積。

北分水口位于膠東干渠與東青高速路交匯處西側(cè)約1.2 km 處左岸,建設(shè)性質(zhì)為新建,結(jié)構(gòu)型式為2 孔矩形開敞式水閘,設(shè)計(jì)流量13.0 m3/s,年引水天數(shù)為172 天,年引水量為1.75 億m3。為了滿足東營(yíng)市的灌區(qū)建設(shè)需求,在灌區(qū)建設(shè)了丁家泵站,近五年的灌溉面積約0.35×104畝。受到水環(huán)境影響,灌區(qū)面積縮減,土地性質(zhì)發(fā)生變化,減少了部分灌溉面積。經(jīng)過觀察發(fā)現(xiàn)丁家泵站灌區(qū)所建面積約4.17×103畝,縮減區(qū)域有三個(gè)部分,見圖2。

圖2 灌溉替代工程區(qū)域位置圖

在1#、2#、3#等區(qū)域主要種植玉米和小麥,農(nóng)業(yè)人口0.064萬人,現(xiàn)狀糧食總產(chǎn)量500萬kg,農(nóng)業(yè)生產(chǎn)總值1098.10萬元。受降水年份的影響較大,灌區(qū)每年的灌輸次數(shù)因降水和黃河來水的限制,每年灌水次數(shù)2 次,每次20 天左右,每年灌溉時(shí)間最多不到60 天?？紤]到成立獨(dú)立的管理機(jī)構(gòu)人員在灌溉季節(jié)忙碌,但非灌溉季節(jié)會(huì)閑置,且會(huì)造成農(nóng)業(yè)灌溉成本增加。因此,1#、2#、3#區(qū)域開始縮減,成為灌溉替代工程。1#區(qū)域面積為1717 畝,灌溉水源為三叉泵站,能夠滿足灌區(qū)日常灌溉需求。2#區(qū)域面積為1214.31 畝,接受來自濱州的水源,能夠滿足灌區(qū)日常灌溉需求。3#區(qū)域面積為1244.79 畝,灌溉水源為董王泵站,能夠滿足灌區(qū)日常灌溉需求。

2.2 應(yīng)用結(jié)果

在上述條件下,選取1#、2#、3#等區(qū)域作為修復(fù)指標(biāo)。以上區(qū)域分別采用修復(fù)前的生態(tài)水質(zhì),與修復(fù)后的生態(tài)水質(zhì)進(jìn)行灌溉。分析每個(gè)區(qū)域的表層pH、耕作層pH、有機(jī)質(zhì)、Cl-、SO4

2-的變化情況,應(yīng)用結(jié)果見表2。

如表2 所示,1#、2#、3#等區(qū)域均能夠滿足灌區(qū)日常灌溉需求。使用泵站與濱州水源在灌區(qū)灌溉之后,土壤pH值越高,越不利于該灌區(qū)植物的生長(zhǎng),影響生態(tài)修復(fù)效果；Cl-、SO4

2-較多,同樣會(huì)影響生態(tài)修復(fù)效果。有機(jī)質(zhì)越多,灌區(qū)植物的生長(zhǎng)效果越佳。總體來看,土壤表層與耕作層pH需要降低,有機(jī)質(zhì)需要增加,Cl-、SO42-需要減少,才能保證生態(tài)水環(huán)境修復(fù)效果。由表2 可知,在修復(fù)之前,1#、2#、3#區(qū)域的土壤為堿性,pH 值相對(duì)較高,有機(jī)質(zhì)較少,Cl-、SO42-較多,區(qū)域內(nèi)的灌溉水環(huán)境不佳,不利于植物的生長(zhǎng)。采用修復(fù)技術(shù)修復(fù)之后,1#、2#、3#區(qū)域土壤修復(fù)成了弱堿性,有機(jī)質(zhì)有所增加,Cl-與SO42-均得到了不同程度的減少。由此可見,使用本文設(shè)計(jì)的修復(fù)技術(shù)之后,能夠多方位地修復(fù)生態(tài)水環(huán)境,使水質(zhì)條件更佳,將雨水資源化利用,結(jié)合雨水中的pH 值,為灌區(qū)植被提供更良好的灌溉條件,符合本文研究目的。

3 結(jié)語(yǔ)

本文研究了大中型灌區(qū)生態(tài)水環(huán)境多方位修復(fù)技術(shù)。從目標(biāo)水質(zhì)、水循環(huán)格局、生態(tài)修復(fù)區(qū)等多個(gè)方面,對(duì)大中型灌區(qū)進(jìn)行水環(huán)境修復(fù)。并以土壤pH 值、有機(jī)質(zhì),以及主要離子變化情況作為修復(fù)效果的評(píng)價(jià)指標(biāo),為灌區(qū)植被的生長(zhǎng)提供保障。