基于生態(tài)服務(wù)功能的黃石城區(qū)湖泊群引水調(diào)度研究

張建春 蔡云富

(1.黃石市水利水電工程質(zhì)量監(jiān)督站， 湖北 黃石 435000；2.黃石市防汛抗旱工程技術(shù)監(jiān)測(cè)站， 湖北 黃石 435000)

基于生態(tài)服務(wù)功能的黃石城區(qū)湖泊群引水調(diào)度研究

張建春1蔡云富2

(1.黃石市水利水電工程質(zhì)量監(jiān)督站， 湖北 黃石 435000；2.黃石市防汛抗旱工程技術(shù)監(jiān)測(cè)站， 湖北 黃石 435000)

黃石城區(qū)磁湖、青山湖及青港湖等湖泊群存在較嚴(yán)重的生態(tài)環(huán)境問(wèn)題，采取生態(tài)引水調(diào)度工程措施進(jìn)行治理極為迫切。本文以黃石市磁湖水污染綜合治理工程——江湖連通工程為依托，制定了基于生態(tài)服務(wù)功能的湖泊群引水調(diào)度引水線路方案，并通過(guò)分析論證取用水水量、水質(zhì)、水位、位置等的合理性和可靠性。

湖泊群；引水調(diào)度；生態(tài)；污染治理

1 問(wèn)題的引出

近幾年來(lái)，由于經(jīng)濟(jì)、資源和生態(tài)環(huán)境發(fā)展的不協(xié)調(diào)及各種不利因素的影響，湖泊的生態(tài)環(huán)境受到不同程度的破壞，而且有進(jìn)一步惡化的趨勢(shì)。磁湖由于長(zhǎng)期以來(lái)城市建設(shè)廢水和污水未經(jīng)處理直接排入，現(xiàn)狀水質(zhì)較差，為Ⅴ類至劣Ⅴ類，湖泊水面面積逐年萎縮，湖區(qū)水生態(tài)環(huán)境惡化，嚴(yán)重影響城市居民生活環(huán)境。為改善不斷惡化的城市湖泊水環(huán)境，黃石市正在實(shí)施“黃石市磁湖水污染綜合治理項(xiàng)目”，即通過(guò)湖體清淤及底泥處理工程、江湖連通工程等六大工程綜合治理磁湖。目前已經(jīng)實(shí)施的截污工程初見(jiàn)成效，但是截污工程的實(shí)施減少了入湖水量，因此在湖泊截污的同時(shí)，應(yīng)考慮對(duì)湖泊進(jìn)行生態(tài)補(bǔ)水。江湖連通工程充分利用了磁湖緊鄰長(zhǎng)江的地理優(yōu)勢(shì)，將磁湖、青山湖、青港湖與長(zhǎng)江連通，以江水補(bǔ)給湖水，湖泊水系暢通，形成江河湖港連為一體的磁湖生態(tài)水網(wǎng)，恢復(fù)湖泊生態(tài)環(huán)境，滿足水功能區(qū)劃管理目標(biāo)Ⅳ類水質(zhì)的要求。

2 水質(zhì)狀況

2.1 磁湖

根據(jù)磁湖2012—2014年主要污染物排放監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)可知，工業(yè)廢水排放量逐年減少，但生活污水排放量已經(jīng)超過(guò)工業(yè)廢水排放量，廢水中COD、氨氮排放量呈增長(zhǎng)趨勢(shì)。近兩年隨著污水處理廠的建設(shè)和治污力度的加大，工業(yè)廢水入湖量逐年減少。磁湖是以城市景觀和生態(tài)調(diào)節(jié)為主要功能的湖泊，2012—2014年水質(zhì)為Ⅴ類、劣Ⅴ類，主要超標(biāo)因子為總磷、高錳酸鹽指數(shù)等，見(jiàn)表1。

表1 磁湖近3年水質(zhì)情況 單位：mg/L

2.2 青山湖

除4號(hào)子湖部分區(qū)域水色較正常外，其他幾個(gè)子湖水色都帶有棕褐色，透明度基本上在20～35cm之間，水質(zhì)長(zhǎng)期為劣Ⅴ類。各子湖的化學(xué)需氧量為40～55mg/L，生化需氧量為9.68～18mg/L，總磷水平為0.2～0.9mg/L，總氮水平為2.3～4.9mg/L，氨氮和硝氮分別是2.5～5.5mg/L和0.05～0.3mg/L，葉綠素a為66.03～159.03ug/L，4個(gè)子湖均屬于劣Ⅴ類水質(zhì)。

2.3 青港湖

青港湖和青山湖、磁湖一樣，水質(zhì)較差，基本處于Ⅴ類、劣Ⅴ類之間。

2.4 花湖水廠取水泵站附近

根據(jù)長(zhǎng)江段水質(zhì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，黃石花湖水廠取水泵站附近水質(zhì)狀況良好，各項(xiàng)指標(biāo)達(dá)標(biāo)率均為100%，該水質(zhì)達(dá)到了地表水Ⅲ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。近3年水質(zhì)監(jiān)測(cè)結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 花湖水廠取水泵站附近長(zhǎng)江近3年水質(zhì)監(jiān)測(cè)結(jié)果

3 生態(tài)引水研究

3.1 生態(tài)引水線路

在黃石長(zhǎng)江干堤(樁號(hào)57+417)青山湖旁新建青山湖提水泵站。經(jīng)箱涵引長(zhǎng)江水進(jìn)入青山湖1號(hào)湖副湖后分兩路，一路先后進(jìn)入青山湖1、2、3、4號(hào)湖，然后由青山湖排澇泵站排入長(zhǎng)江；一路由盤龍山隧洞進(jìn)入青港湖，再由兩個(gè)途徑流入南、北磁湖，經(jīng)勝陽(yáng)港閘匯入長(zhǎng)江，其中一個(gè)途徑為經(jīng)新建的王家橋生態(tài)港渠進(jìn)入北磁湖后由勝陽(yáng)港閘排入長(zhǎng)江，另一個(gè)途徑為由青港湖經(jīng)泵站提升后沿大泉路進(jìn)入已有排雨水箱涵后進(jìn)入南磁湖，再由勝陽(yáng)港閘排入長(zhǎng)江。引水線路見(jiàn)圖1。

圖1 磁湖江湖連通工程引水線路

3.2 取水工程設(shè)置的合理性

磁湖生態(tài)引水主要在枯水期，根據(jù)磁湖水位站及黃石港水位站資料統(tǒng)計(jì)，枯水期為10月—次年4月，磁湖、長(zhǎng)江水位分別15.83m、11.63m，此時(shí)外江水位低于磁湖水位，故必須新建提水泵站作為取水工程。取水口上游長(zhǎng)江外灘仍分布有釘螺，擬從長(zhǎng)江深層取水才能避免釘螺的引入，不能取表層水，否則有引進(jìn)血吸蟲的風(fēng)險(xiǎn)，也不宜修建引水閘，因此修建提水泵站。

3.3 提水規(guī)模及用水量的合理性

青山湖提水泵站的功能是提引長(zhǎng)江水對(duì)青山湖、青港湖、磁湖進(jìn)行生態(tài)補(bǔ)水，設(shè)計(jì)提水流量為8.0m3/s。為驗(yàn)證泵站提水規(guī)模合理性，對(duì)不同引水規(guī)模進(jìn)行研究，采用正交貼體曲線坐標(biāo)下的平面二維水動(dòng)力—物質(zhì)輸運(yùn)數(shù)學(xué)模型，計(jì)算不同引水規(guī)模情況下，磁湖的水質(zhì)改善效果。磁湖在不同引水時(shí)間的水質(zhì)情況見(jiàn)表3。

表3 磁湖主要指標(biāo)濃度(考慮團(tuán)城山污水處理廠) 單位：mg/L

從表3可知，對(duì)于不同提水規(guī)模，基本上都是引水規(guī)模越大，水質(zhì)改善效果越好，但是對(duì)于指標(biāo)TN，當(dāng)引水10～15天時(shí)，引水規(guī)模為8.0m3/s時(shí)要好于10m3/s，這是由于降解自凈和稀釋自凈的共同作用的結(jié)果，因此，引水規(guī)模8.0m3/s是非常合適的。另外，當(dāng)引水規(guī)模增大時(shí)，引水期會(huì)隨著規(guī)模增大而對(duì)底泥擾動(dòng)增大，將會(huì)增加磁湖污染物濃度。

表4 磁湖主要指標(biāo)濃度(考慮團(tuán)城山污水處理廠) 單位：mg/L

由表4可知，引水規(guī)模為8m3/s時(shí)，南磁湖水質(zhì)BOD5指標(biāo)僅需3～7天就可達(dá)到Ⅳ類標(biāo)準(zhǔn)要求，就整個(gè)磁湖而言需10～20天左右可達(dá)到Ⅳ類標(biāo)準(zhǔn)要求。江湖連通生態(tài)引水改善水質(zhì)效果較為明顯，一次引水20天磁湖水質(zhì)基本可達(dá)到Ⅳ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)要求。由于磁湖引水一次達(dá)到水質(zhì)管理目標(biāo)約需20天，根據(jù)適宜引水時(shí)段和泵站的運(yùn)行時(shí)間，確定磁湖生態(tài)引水每年運(yùn)行1～2次，多年平均按1.5次考慮，則多年平均用水量為2074萬(wàn)m3。

3.4 引水天數(shù)和時(shí)間

磁湖可引水天數(shù)主要集中在5—10月，尤以7、8兩月引水天數(shù)最多，多年平均可引水天數(shù)分別為28.9天和23.3天；其次是6月和9月，多年平均可引水天數(shù)分別為19.8天和18.2天；5月和10月也有一定引水幾率，多年平均可引水天數(shù)分別為9.7天和9.4天；其它月份長(zhǎng)江水位較低，引水幾率很小，甚至為0(見(jiàn)圖2)。

圖2 磁湖各月可引水幾率分析成果

3.5 內(nèi)湖生態(tài)水位分析

由于不同類型的生態(tài)環(huán)境、社會(huì)和經(jīng)濟(jì)特性的差異較大，不同區(qū)域湖泊的結(jié)構(gòu)、水資源功能等的不同，決定湖泊最小生態(tài)需水量的計(jì)算方法有所不同。分別采用最低年平均水位法、年保證率設(shè)定法、湖泊形態(tài)分析法三種方法分析計(jì)算得到磁湖最低生態(tài)水位分別為：15.02m、15.35m和15.08m，取三者平均值15.15m作為磁湖最低生態(tài)水位。

4 調(diào)度原則

基于生態(tài)服務(wù)功能的湖泊群引水調(diào)度原則如下：

a.磁湖生態(tài)引水啟動(dòng)條件。當(dāng)磁湖水質(zhì)出現(xiàn)以下三種情況中任意一種并且基本不影響城區(qū)的防洪排澇時(shí)，可啟動(dòng)磁湖生態(tài)引水措施。

?當(dāng)磁湖水位過(guò)低，影響磁湖景觀娛樂(lè)需求時(shí)；?當(dāng)磁湖水質(zhì)介于地表水Ⅲ、Ⅳ類之間，并且磁湖水質(zhì)有繼續(xù)惡化低于Ⅳ類標(biāo)準(zhǔn)的趨勢(shì)時(shí)；?當(dāng)磁湖發(fā)生重大水污染事件，影響磁湖沿岸的居民生活，經(jīng)論證對(duì)磁湖進(jìn)行生態(tài)引水后退水對(duì)下游城市生活、工業(yè)及農(nóng)業(yè)灌溉取水口基本無(wú)影響時(shí)。

b.磁湖生態(tài)引水終止條件。當(dāng)磁湖水質(zhì)不低于地表水Ⅳ類標(biāo)準(zhǔn)且磁湖水位不影響磁湖景觀娛樂(lè)需求時(shí)，可報(bào)請(qǐng)終止磁湖生態(tài)引水措施。

c.磁湖生態(tài)引水應(yīng)服從于長(zhǎng)江防洪和內(nèi)部排澇的需要。當(dāng)磁湖需要進(jìn)行生態(tài)引水時(shí)，青山湖提水泵站提水入青山湖，以實(shí)現(xiàn)磁湖生態(tài)引水及水體循環(huán)的目的。根據(jù)磁湖和長(zhǎng)江水質(zhì)、水位及運(yùn)行費(fèi)用等綜合情況分析，建議青山湖提水泵站運(yùn)行期在10、11及4月較為合適。

d.根據(jù)工程布置方案，當(dāng)長(zhǎng)江水位高于內(nèi)湖水位，低于長(zhǎng)江干堤設(shè)防水位20.07m時(shí)，可以引長(zhǎng)江深層水進(jìn)入磁湖，避免血吸蟲的危害。應(yīng)結(jié)合氣象預(yù)報(bào)引水期內(nèi)不會(huì)發(fā)生暴雨而排澇時(shí)，進(jìn)行自流引水。

e.應(yīng)優(yōu)先對(duì)磁湖進(jìn)行生態(tài)引水，青山湖生態(tài)引水可視磁湖水質(zhì)改善效果及青山湖水質(zhì)狀況而定。

f.由于南半湖現(xiàn)狀水質(zhì)差于北半湖，生態(tài)引水初期，應(yīng)按磁湖提水泵站設(shè)計(jì)規(guī)模對(duì)南半湖進(jìn)行生態(tài)引水。磁湖南、北半湖流量的分配情況，應(yīng)根據(jù)南、北半湖實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的水質(zhì)狀況進(jìn)行調(diào)度。

g.生態(tài)引水設(shè)計(jì)水位。磁湖、青山湖設(shè)計(jì)水位16.83m，青山湖1號(hào)湖副湖設(shè)計(jì)水位17.63m，青港湖設(shè)計(jì)水位17.23m。

5 結(jié) 論

基于生態(tài)服務(wù)功能的湖泊群引水調(diào)度能加大江水與湖泊群內(nèi)湖水體交換量，促使湖泊水體流動(dòng)和水體更新，是一項(xiàng)增加水環(huán)境容量、提高水體自凈能力、加快水環(huán)境改善、促進(jìn)水生態(tài)修復(fù)的重大生態(tài)水利措施。本文研究的主要結(jié)論為：

a.取用水合理性。為改善磁湖、青山湖及青港湖湖泊群水體水質(zhì)，提出生態(tài)引水調(diào)度工程使江與湖、湖與湖之間得以連通，既能恢復(fù)江湖生態(tài)廊道，又能促進(jìn)江湖生物交流，改善水環(huán)境，提高湖體環(huán)境承載力，對(duì)營(yíng)造多樣的水生環(huán)境、促進(jìn)湖泊休養(yǎng)生息具有積極意義，進(jìn)而滿足水功能區(qū)水質(zhì)IV類水標(biāo)準(zhǔn)要求，符合水功能區(qū)管理要求。生態(tài)引水調(diào)度工程設(shè)計(jì)取水流量8m3/s、多年平均取用水量為2074萬(wàn)m3是合理的。

b.取水水源可靠性。長(zhǎng)江黃石段P=95%設(shè)計(jì)保證率最枯1月平均流量為6140m3/s，相應(yīng)徑流量為164.3億m3；95%保證率年徑流量為5915.9億m3。取水規(guī)模8m3/s，僅占最枯1月流量的0.13%；年用水量為2074萬(wàn)m3，僅占P=95%保證率年徑流量的0.35%。三峽工程運(yùn)行前取水口處工程運(yùn)行期95%設(shè)計(jì)保證率最低水位為8.84m，高于泵站設(shè)計(jì)最低運(yùn)行水位，三峽工程運(yùn)行后磁湖江湖連通工程運(yùn)行期內(nèi)長(zhǎng)江水量、水位均有所抬高，水位可以滿足工程要求。取水口處水質(zhì)良好，達(dá)到Ⅲ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，經(jīng)分析論證，水量、水位、水質(zhì)均能滿足工程取水要求，以長(zhǎng)江為取水水源是可靠的。

c.引水調(diào)度線路科學(xué)性。引水線路從新建青山湖提水泵站經(jīng)青山湖湖底箱涵直接入青山湖1號(hào)湖副湖，以青山湖1號(hào)湖副湖為前池，水流將分兩路分別進(jìn)入青山湖及青港湖。一路進(jìn)入青山湖1、2、3及4號(hào)湖，經(jīng)青山湖排澇泵站抽排入江；另一路經(jīng)盤龍山隧洞進(jìn)入青港湖，從青港湖水流分兩路分別進(jìn)入磁湖，一路經(jīng)王家橋生態(tài)港渠進(jìn)入北磁湖，另一路則通過(guò)青港湖泵站、大泉路輸水箱涵及現(xiàn)有市政排水箱涵(大泉路、杭州西路、青漁路)進(jìn)入南磁湖。長(zhǎng)江水引入磁湖后分別經(jīng)青山湖排澇泵站、勝陽(yáng)港閘排入長(zhǎng)江。

d.調(diào)度運(yùn)行管理有效性。當(dāng)磁湖水位過(guò)低，影響磁湖景觀娛樂(lè)需求時(shí)；或當(dāng)磁湖水質(zhì)介于地表水Ⅲ、Ⅳ類之間，并且磁湖水質(zhì)有繼續(xù)惡化低于Ⅳ類標(biāo)準(zhǔn)的趨勢(shì)時(shí)；或當(dāng)磁湖發(fā)生重大水污染事件，影響磁湖沿岸的居民生活，經(jīng)論證對(duì)磁湖進(jìn)行生態(tài)引水后退水對(duì)下游城市生活、工業(yè)及農(nóng)業(yè)灌溉取水口基本無(wú)影響時(shí)，可報(bào)請(qǐng)啟動(dòng)磁湖生態(tài)引水調(diào)度，確定引水調(diào)度運(yùn)行方式。工程運(yùn)行期需加強(qiáng)長(zhǎng)江、磁湖、青山湖、青港湖的水質(zhì)監(jiān)測(cè)，靈活調(diào)度，合理調(diào)配水量。fffffd

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Research on Huangshi downtown lake group water diversion schedule based on ecological service function

ZHANG Jianchun1,CAI Yunfu2

(1.HuangshiWaterResourcesandHydropowerEngineeringQualitySurveillanceStation,Huangshi435000,China;2.HuangshiFloodControlandDroughtReliefEngineeringMonitoringStation,Huangshi435000,China)

Cihu Lake,Qingshan Lake,Qinggang Lake and other lake groups in Huangshi downtown area have more serious ecological environment problems.Ecological water diversion scheduling project measures are adopted for treatment.It is an urgent project.In the paper,Huangshi Cihu Lake water pollution comprehensive treatment project—river-lake connection project is adopted as a support.Lake group water diversion scheduling water diversion route plan based on ecological service functions is formulated.Rationality and reliability of water intake quantity,water quality,water level,position,etc.are discussed through analysis.

lake group;water diversion scheduling;ecological;pollution control

10.16616/j.cnki.11-4446/TV.2015.09.002

X143

A

1005-4774(2015)09-0004-04