小型河湖水系連通工程研究
——以綿竹市石亭江-射水河為例

劉明國,王 豐

(1.四川省水利規(guī)劃研究院,成都 610072;2.中國電建集團華東勘測設(shè)計研究院有限公司,杭州 311122)

0 引言

隨著各種河湖水系連通工程在不同尺度下進行建設(shè),我國正在逐步構(gòu)建國家水網(wǎng)、流域水網(wǎng)、區(qū)域水網(wǎng)。大型的跨流域調(diào)水工程如南水北調(diào)工程東線、中線的輸水運行,已經(jīng)帶來顯著的社會經(jīng)濟效益,為陸續(xù)開工建設(shè)的河湖水系連通工程提供了大量經(jīng)驗。大尺度的河湖水系連通工程體系已經(jīng)初步構(gòu)建,有效地改善了我國水資源時空分布不均勻的水情。根據(jù)第一次全國水利普查成果,我國流域面積200 km2以下河流3.4萬多條,1 km2以下湖泊2 865個,塘壩456萬處。根據(jù)我國河湖基本概況可知,我國小流域、小型湖泊點多面廣,所以在小型河湖水系連通項目開發(fā)上還有很大潛力。2015-2016年,水利部全面安排和部署河湖水系連通工作,通過中央財政資金補助的方式引導(dǎo)地方實施了84個縣市層面的江河湖庫水系連通項目。通過采取河道連通、清淤、生態(tài)護岸建設(shè)等措施,改善了362條(個)河流(湖泊或水庫)的連通性,補充生態(tài)水量近6.9億m3,新增生態(tài)護岸長度585 km,增加水面面積180 km2,新增或改善濕地面積186 km2,實現(xiàn)了多方面的綜合效益[1]。當(dāng)前各地根據(jù)當(dāng)?shù)氐乃挡季趾秃拥拦δ芏ㄎ徽谥鸩介_展小尺度水網(wǎng)連通的試點項目,有效地提高了區(qū)域的水資源調(diào)控能力。

一些學(xué)者已經(jīng)在河湖水系連通的尺度問題上開展了一些研究。李宗禮等[2]、李原園等[3]認(rèn)為河湖水系連通戰(zhàn)略研究中應(yīng)高度重視尺度問題,可以從國家、區(qū)域、流域等3個層面研究不同類型的河湖水系連通;竇明等[4]在此基礎(chǔ)上又增加了城市層面,但上述研究都是在空間尺度上的;王中根等[5]同時考慮了河湖水系連通具有水循環(huán)的時間尺度效應(yīng)。小型河湖水系連通工程在空間尺度上屬于小尺度,水系連通往往不會跨流域,連通區(qū)域影響范圍在區(qū)域?qū)用婧统鞘袑用鎻膸灼椒焦锏綆浊椒焦锊坏取?/p>

目前,關(guān)于河湖水系連通的理論研究與實踐已經(jīng)廣泛開展,但具體關(guān)于小尺度的河湖水系連通工程的系統(tǒng)研究還比較少。一些學(xué)者在城市層面上對河湖水系連通進行了研究,周振民等[6]利用圖論的方法對鄭州市的水系格局和連通性進行評價分析,將水系連通的定性分析轉(zhuǎn)化為定量分析;丁相毅[7]以湖南省鳳凰縣為例,在海綿城市建設(shè)背景下以城市河湖水系連通為核心進行城市水系規(guī)劃實踐;胡昊等[8]對泗洪縣縣城區(qū)的河網(wǎng)水系的連通性及水質(zhì)進行研究分析,討論了該區(qū)域河湖水系連通的必要性;劉佳明等[9]在前期規(guī)劃的磁湖河湖水系連通方案的基礎(chǔ)上對最佳引水量進行研究,試圖解決引水調(diào)控工程中的經(jīng)濟效益問題;楊衛(wèi)等[10]利用水動力水質(zhì)數(shù)學(xué)模型對湯遜湖湖泊群的五種連通方案進行綜合評價,來確定最優(yōu)的連通方案;李原園等[11]以更加微觀的角度對我國農(nóng)村水系治理現(xiàn)狀和存在的問題進行分析,提出集中推進農(nóng)村水系連通來促進農(nóng)村水系綜合整治。關(guān)于小型河湖水系連通的具體研究目前還不夠全面,而且當(dāng)前大量的小尺度河湖水系連通的工程實踐在各地不斷開展,亟需更多的理論研究作為技術(shù)支撐。本文以綿竹市石亭江-射水河河湖水系連通工程為例探討小型河湖水系連通的關(guān)鍵問題,分析小尺度水系連通的一些特性,并與大尺度的水系連通進行對比分析。

1 綿竹市河湖水系連通實例分析

1.1 研究區(qū)域概況

綿竹市射水河為石亭江左岸一級支流,位于成都平原東北的綿竹市和德陽市旌陽區(qū)境內(nèi),干流發(fā)源于綿竹市土門鎮(zhèn)半月山下,依次流經(jīng)綿竹市土門、板橋、清道、齊福、孝德、觀魚,于旌陽區(qū)天元鎮(zhèn)匯入石亭江。河道全長44.9 km,平均坡降為5.96‰,流域面積292 km2。流域徑流主要由降水補給,枯季由地下水和融雪補給。徑流的年際年內(nèi)變化與降水年際年內(nèi)變化基本一致。河源區(qū)地處山區(qū),人類活動較少,流域內(nèi)植被保護較好,具有較好的水源涵養(yǎng)能力,枯季河道基流穩(wěn)定。射水河河源區(qū)沿山溪溝支流發(fā)育較多,主要支流有響水溝、螞蝗溝、馬跪寺溝、龍蟒河。馬跪寺河匯口以上射水河干流集水面積22.8 km2,馬跪寺溝集水面積7.4 km2,匯口處多年平均流量0.164 m3/s,最枯月平均流量0.035 m3/s;龍蟒河匯口以上射水河干流河段集水面積26.9 km2,多年平均流量0.78 m3/s,最枯月平均流量0.164 m3/s。射水河、馬跪寺溝、龍蟒河段的河段兩岸有少量的砌體或混凝土護坡、護腳,因年久失修,加之受“5.12”汶川大地震的破壞,已無防洪能力可言。

由研究區(qū)域的概況可以獲知,射水河面臨的水問題主要為以下方面：枯水期干旱缺水、水環(huán)境惡化。這兩個方面之間存在一定的聯(lián)系且相互影響,射水河枯水期水源無法得到有效補給,徑流無法滿足其生態(tài)基流,往往還會產(chǎn)生斷流現(xiàn)象,必然會導(dǎo)致河道水環(huán)境惡化;若河道水環(huán)境惡化,河道生態(tài)系統(tǒng)會遭到嚴(yán)重破壞,同時,還會降低水資源的質(zhì)量,原本可以利用的水資源失去其使用價值,造成“水質(zhì)型缺水”。綿竹市河湖水系連通工程在綜合考慮射水河流域的基本屬性和多功能性的基礎(chǔ)上,確定其主導(dǎo)功能為解決射水河枯水期的生態(tài)環(huán)境用水問題。射水河為石亭江的一級支流,通過石亭江干流引水在枯水期向射水河補水,連通時效為非常態(tài)性單向連通。

1.2 水系連通條件分析

(1)水源條件分析：縱觀周邊水源,有項目區(qū)西側(cè)的石亭江前進渠北干渠和南側(cè)的人民渠紅巖分干渠,且兩處水源水量滿足,高程滿足,Ⅲ類水質(zhì)需凈化。前進渠北干渠分為四條支渠,其中三四支渠前段合為一體沿山布置后再分為三、四兩支,三四支渠的渠系基本覆蓋了整個項目區(qū),因此,三四支渠是項目區(qū)的優(yōu)選水源。由于引用水源水質(zhì)僅為Ⅲ類水,需要對其進行凈化處理。結(jié)合區(qū)域已有的洼地和魚塘等構(gòu)建4處生態(tài)濕地來凈化水質(zhì)。

(2)河流生態(tài)需水分析：射水河響水溝匯口至馬跪寺溝匯口段在枯水期(11月～翌年4月)基本無水,需要對該河段進行生態(tài)補水。射水河生態(tài)流量取90%保證率最枯月平均流量和多年平均天然徑流量的20%這兩者之間的大值,確定生態(tài)需水流量0.139 m3/s,占河段多年平均徑流量的21.2%,補水時段為11月～翌年4月,補水天數(shù)181 d,年補水量217.37萬m3。

(3)濕地生態(tài)需水分析：由于引用水源水質(zhì)僅為Ⅲ類水,需要對其進行凈化處理,結(jié)合區(qū)域已有的洼地和魚塘等構(gòu)建4處生態(tài)濕地來凈化水質(zhì)。由石亭江高景關(guān)2016年3月的實測水質(zhì)資料,按Ⅱ類水質(zhì)目標(biāo)考核,引用水質(zhì)總磷超標(biāo)50%。表面流人工濕地對總磷的去除率為35%～70%,能夠滿足對超標(biāo)污染物總磷的去除效果。由向射水河補水的生態(tài)流量確定生態(tài)需水面積,本次濕地布置結(jié)合對項目區(qū)臥云村的洼地、廣濟寺附近的魚塘、清灘魚塘和響水溝溝口以上射水河左岸低地等適宜地形進行改造。濕地生態(tài)需水量采用水量平衡法對來水、需水進行估算,確定P=90%的生態(tài)需水流量0.051 m3/s,年需水量161.92萬m3。

1.3 水系連通工程規(guī)模

(1)連通工程：本次連通工程主要由四段構(gòu)成,分別是臥云濕地～廣濟寺濕地、廣濟寺濕地～清灘濕地、清灘濕地～射水河和射水河耿家堰～五齊濕地,其中,臥云濕地～廣濟寺濕地為已成渠道。連通渠道流量應(yīng)滿足向射水河的生態(tài)補水流量、向途徑濕地的生態(tài)補水流量和渠道輸水損失三者之和及濕地排澇流量。

(2)濕地工程：依托射水河上游的河流水系,在三四支渠上段的臥云村建設(shè)臥云濕地,廣濟寺建設(shè)廣濟濕地,在天寶村建設(shè)清灘濕地,在射水河上段干流左側(cè)的五齊村建設(shè)五齊濕地。上述4處濕地的總面積39 hm2。其中：臥云濕地2 hm2,廣濟寺濕地5 hm2,清灘濕地17 hm2,五齊濕地15 hm2。

(3)河道整治工程：射水河從漫水橋下游至熊家瓦窯段不能滿足10年一遇防洪標(biāo)準(zhǔn),馬跪寺溝谷家老院子至雷家院子段及龍蟒河河口段行洪能力甚至不足5年一遇防洪標(biāo)準(zhǔn),洪水威脅兩岸人民群眾的生命財產(chǎn)安全。確定防洪標(biāo)準(zhǔn)為10年一遇洪水標(biāo)準(zhǔn),對部分河段經(jīng)疏浚和拓寬處理后,使河段行洪能力滿足防洪標(biāo)準(zhǔn)。

綿竹市河湖水系連通工程的總體布局為：從石亭江前進渠北干渠三四支渠臥云村取水流入臥云濕地(洼地改造,濕地面積2 hm2),臥云濕地出水經(jīng)已有渠系進入廣濟寺濕地(魚塘改造,濕地面積5 hm2),廣濟寺濕地出水經(jīng)整治后的老河和部分新建連通渠道進入清灘濕地(魚塘改造,濕地面積17 hm2),清灘濕地出水經(jīng)整治后的爛泥溝流入射水河;射水河干流上對行洪能力不能滿足10年一遇防洪標(biāo)準(zhǔn)的漫水橋下游至熊家瓦窯段進行疏浚、清淤和局部拓寬處理,在響水溝溝口以上射水河左岸構(gòu)建具有凈化射水河上段水質(zhì)和可以調(diào)蓄、緩沖射水河汛期洪水的五齊生態(tài)濕地(濕地面積15 hm2),對射水河干流山金寺～龍蟒河匯口段已有的5處壅水堰進行整治,并恢復(fù)重建1處,新建1處;對支流馬跪寺溝行洪能力不滿足防洪標(biāo)準(zhǔn)的谷家老院子至雷家院子段進行清淤、疏浚和拓寬處理;對射水河從山金寺～龍蟒河匯口段(6.80 km)、馬跪寺溝谷家老院子～馬跪寺溝口段(1.14 km)、龍蟒河尹家院子～龍蟒河河口段(0.72 km)的兩岸打造成吸附污染和凈化水質(zhì)能力較強且穩(wěn)定性良好的生態(tài)河岸。

1.4 水系連通效益分析

該水系連通工程可以有效改善射水河水體環(huán)境,為維持河流健康生命發(fā)揮重要作用,帶來生態(tài)效益、防洪效益、水功能區(qū)水質(zhì)改善后供水效益等社會經(jīng)濟效益。

(1)生態(tài)效益：人工濕地是一種模擬自然濕地的人工生態(tài)系統(tǒng),當(dāng)各類污水進入人工濕地后,通過過濾、吸附、沉降等物理作用及化學(xué)與生物作用的協(xié)同,最終能夠達到改善水質(zhì)等目的。綿竹市河湖水系連通工程結(jié)合區(qū)域已有的洼地和魚塘等構(gòu)建4處生態(tài)濕地凈化水質(zhì)。由于人工濕地屬于生態(tài)系統(tǒng),因此,連接通道中建設(shè)的濕地不會破壞周圍環(huán)境,還能憑借自我維持與修復(fù)能力實現(xiàn)對污水中各種物質(zhì)的循環(huán)利用與凈化再生,從而調(diào)節(jié)、修復(fù)、改善射水河周邊地區(qū)的生態(tài)環(huán)境。

(2)防洪效益：該項目通過治理河道,暢通水系,恢復(fù)河道行洪能力,由濕地和水庫的調(diào)蓄作用削減洪峰,提升區(qū)域防洪標(biāo)準(zhǔn),解除沿岸居民和耕地遭受的洪水威脅,保障沿岸人民群眾生命財產(chǎn)安全。

良好的學(xué)習(xí)氛圍是保證教學(xué)效果有效的基本前提，學(xué)生只有在寬松、和諧的學(xué)習(xí)環(huán)境中，才能保持心情愉悅，注意力集中，教師要讓學(xué)生積極參與到教學(xué)的設(shè)計環(huán)節(jié)中來，而不是單純地充當(dāng)接受者的身份，使學(xué)生感受到老師的重視，從而提高英語教學(xué)質(zhì)量。

(3)社會效益：綿竹市將通過實施江河湖庫水系連通工程和江河湖庫水系綜合整治來大力推動水生態(tài)文明建設(shè)。整治渠道及渠系建筑物,引石亭江水連通射水河,構(gòu)建河湖綠色生態(tài)廊道,打造安全型、生態(tài)型河流;實施河道治理、清淤疏浚、打通阻隔、生態(tài)修復(fù)等工程,保護恢復(fù)河湖生態(tài)系統(tǒng)及功能,促進人水和諧。特別是工程運行后,將有效改善生態(tài)園內(nèi)水質(zhì),對保護人們的身體健康和改善生態(tài)園的投資環(huán)境起到積極的作用,在取得環(huán)境效益的同時也取得較大的社會效益。

2 小型河湖水系連通關(guān)鍵問題

大尺度的河湖水系連通往往是國家層面或者流域?qū)用嫔?連通工程一般會跨流域進行,且會影響到自然、社會的各方面,需要統(tǒng)籌安排、合理規(guī)劃。一般受水區(qū)域能夠獲得更大利益,但水源地及其下游地區(qū)由于地表水資源及徑流的減少,或多或少會受到影響。小規(guī)模的河湖水系連通由于涉及的區(qū)域小、人口少,影響范圍小,一般不會對鄰近地區(qū)造成太大影響。在對綿竹市石亭江-射水河河湖水系連通工程的研究基礎(chǔ)上,對小型河湖水系的連通影響、連通功能、連通條件、連通對象進行研究分析。

2.1 連通影響

在流域水文循環(huán)的過程中,水資源通過蒸發(fā)、降水、下滲和徑流四個主要環(huán)節(jié)進行交換,徑流是人類活動最容易控制的環(huán)節(jié),水系連通最主要的也是通過對徑流的分配來滿足一些其他功能。一定流域是一個局部開放系統(tǒng),河湖水系的連通會改變原來的自然水循環(huán)過程,形成一個新的自然-人工水循環(huán)過程。對于區(qū)域的水系連通并不會很大程度上影響流入和流出該區(qū)域的徑流大小,所以,小范圍的連通工程對水循環(huán)的影響會比其他的一些人類活動(如跨流域調(diào)水、水庫蓄水、大壩攔水等)低,且區(qū)域河湖水系連通工程本身不會對原來河道上下游的生態(tài)環(huán)境造成負(fù)面影響。大型的河湖水系連通工程通過改變水面面積,甚至改變了局部小氣候,對水循環(huán)的影響尤為顯著[12]。大型的河湖水系連通工程比如跨流域調(diào)水直接減少了調(diào)水流域地表水的水資源總量,可以很大程度上改變水資源時空分布不均勻的狀況。

河湖水系連通工程可以根據(jù)工程規(guī)模、受影響區(qū)域的人口數(shù)量、經(jīng)濟規(guī)模來劃分連通項目的重要性程度。河湖水系連通可以由連通對象是否跨流域、項目區(qū)域范圍大小來確定空間尺度大小。小型的河湖水系連通工程往往是在區(qū)域和城市層面上進行的,且一般不會跨流域,具有影響范圍小的特點。

此外,水系連通改善了各種水體的連通性,水體的更新速度加快,所以,污染物在水體中遷移速度加快,改變了污染物在水體中物理化學(xué)作用。河湖水系連通后,提高了水系之間水體的連通性,可能同時會使污染物的遷移速度加快,使得污染的影響范圍加大。為了達到水系連通后改善水質(zhì)的目的,需要對水質(zhì)遷移轉(zhuǎn)化規(guī)律進行分析研究。

2.2 連通功能

當(dāng)前我國中小流域還面臨一些水問題亟需解決：(1)大量小范圍的河塘水系逐漸萎縮消失、湖泊干涸、濕地范圍縮小;(2)河湖水質(zhì)惡化、河湖水系都遭到不同程度的污染、富營養(yǎng)化嚴(yán)重;(3)部分河流防洪標(biāo)準(zhǔn)低,河道行洪能力不足;(4)部分河道生態(tài)流量不足,難以滿足河流基本功能。小尺度的河湖水系連通工程應(yīng)以這些實際問題為導(dǎo)向,在能夠改善當(dāng)?shù)厮Y源狀況的前提下進行水系連通、優(yōu)化連通線路,從而促進區(qū)域人水和諧。

一定區(qū)域內(nèi)的水資源是有限的,且各部門如農(nóng)業(yè)、工業(yè)、生活、生態(tài)等都有用水需求,在對當(dāng)前區(qū)域的水資源利用情況進行分析后,河湖水系連通工程應(yīng)盡可能協(xié)調(diào)各用水部門可能產(chǎn)生的矛盾,來提高區(qū)域的水資源統(tǒng)籌調(diào)配能力、河湖健康保障能力、抵御水旱災(zāi)害能力。由于各地區(qū)的水資源狀況具有一定差異性,通過分析當(dāng)?shù)厮Y源存在的問題和需求,綜合考慮不同區(qū)域間各方利益來確定用水的主要矛盾。河湖水系連通一般能夠發(fā)揮綜合效益,在解決主要矛盾的基礎(chǔ)上再兼顧其他問題,爭取做到一水多用、全局統(tǒng)籌、兼顧局部。

2.3 連通條件

適宜穩(wěn)定的水源是連通項目區(qū)順利實施和運行的前提。分析連通區(qū)域周圍的水源分布,分析其水文條件,確定最優(yōu)水源;在工程允許的情況下也可以采用多水源供水方式。水力條件是滿足不同連接對象之間水體運動和維持河流功能的關(guān)鍵。水體在運動中滿足質(zhì)量守恒定律、能量守恒定律等普遍規(guī)律,即可以得到水量平衡方程和能量方程。水體在連通渠道中會發(fā)生滲透損失,導(dǎo)致水量減少;水流運動會發(fā)生水頭損失,動能或勢能可能會降低,所以,在對連通條件進行分析時需要考慮到連通渠道的水量、流速、水頭是否滿足要求。為了更好地滿足水系的功能需求,把握水力規(guī)律可以確定更優(yōu)的河湖水系連通方案。小型河湖水系連通的連通渠道一般距離較短、水量少、流速低,所以連通條件及技術(shù)條件都較好滿足。

2.4 連通對象

各種水資源的承載體相連都需要一定的水力條件來維持水循環(huán),小型河湖水系連通的連接對象主要有河流、小型湖泊、濕地、塘壩等,各種連通對象可以相互連接,一般以渠道作為連接通道。我國河流密布,水系眾多,流域內(nèi)河流與河流連接為最主要的連接方式,通常有同一級河流相互連接,或者高一級河流向其支流補水等;湖泊和湖泊、濕地與濕地相互連接也可以增加水體的流動性,促進水體發(fā)揮其自凈能力;河流、湖泊、濕地相互連接可以綜合發(fā)揮各個連接對象的功能,如河流的水體更新速率快,湖泊、水庫具有良好的調(diào)蓄功能,濕地凈化水體、改善水環(huán)境。多對象的連接方式可以產(chǎn)生綜合效益,滿足該區(qū)域的多功能需求。在實際的工程需求中可以因地制宜增加不同類型的連接方式,比如在連接通道中建設(shè)多個小型湖泊、生態(tài)濕地等。

小型的河湖水系連通在連通尺度、影響范圍、連通對象、技術(shù)條件、連通特點等方面都與大型河湖水系連通有所區(qū)別,見表1所示。

表1 不同類型河湖水系連通異同點對比

3 結(jié)論

本文從綿竹市石亭江-射水河工程實例出發(fā),對該區(qū)域河湖水系連通工程規(guī)劃中的一些關(guān)鍵問題進行梳理。結(jié)果表明：從射水河實際水問題出發(fā)確定連通工程主導(dǎo)功能為解決枯水期的生態(tài)環(huán)境用水問題,連通工程的技術(shù)條件可行,總體工程主要由連通工程、濕地工程和河道整治工程構(gòu)成,工程實施后可以有效改善射水河流域的水體環(huán)境,帶來一定的社會經(jīng)濟效益,對于促進該區(qū)域發(fā)展具有重要作用和意義。不同尺度下水系連通的水文基本原理和方法相同,在實際工程中根據(jù)其各自的特點進行合理規(guī)劃,充分發(fā)揮各自優(yōu)點。通過對綿竹市河湖水系連通工程的研究,初步探討了一般小型河湖水系連通的關(guān)鍵問題,可以結(jié)合當(dāng)前河湖水系連通的理論與實踐,為水資源統(tǒng)籌配置、提高區(qū)域水安全提供更優(yōu)的思路。

今后的研究工作可以通過收集更多關(guān)于小型河湖水系連通的實例資料,選取更多的小尺度水系連通進行類比分析以得到普遍規(guī)律。同時,結(jié)合當(dāng)前正在開展的中小河流綜合整治、水土保持小流域治理、小流域山洪災(zāi)害防治,探討如何將小型河湖水系連通與這些項目充分結(jié)合,從而發(fā)揮小流域綜合治理的最佳效益。此外,還可以以更加系統(tǒng)的觀點來研究區(qū)域水系子系統(tǒng)連通對整個流域的影響,分析小型河湖水系連通帶來的潛在影響與風(fēng)險。