基于換水周期的新建湖泊生態(tài)需水研究
——以南昌市贛南新區(qū)儒樂(lè)湖為例

陳昱潼，肖廳廳，張 亞，李 楠.2

（1.中國(guó)電建集團(tuán)貴陽(yáng)勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司/貴州省建筑信息模型（BIM）工程技術(shù)研究中心，貴州貴陽(yáng) 550081；2.中電建生態(tài)環(huán)境設(shè)計(jì)研究有限公司，江蘇 蘇州 215100）

隨著我國(guó)城鎮(zhèn)化建設(shè)的不斷加快，部分城市水資源短缺、水污染加劇、水環(huán)境惡化等問(wèn)題日益嚴(yán)重，但在城市中新建湖泊可以調(diào)節(jié)氣候、涵養(yǎng)水源、美化環(huán)境并保護(hù)生物多樣性，從而有效改善城市水環(huán)境問(wèn)題[1]。然而，新建湖泊在建設(shè)初期容易出現(xiàn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)不完善，自我調(diào)節(jié)能力不足，底泥營(yíng)養(yǎng)元素釋放等原因引起的嚴(yán)重富營(yíng)養(yǎng)化現(xiàn)象，嚴(yán)重影響湖泊景觀、水質(zhì)、水生態(tài)系統(tǒng)，更有甚者會(huì)對(duì)人類健康構(gòu)成嚴(yán)重威脅。充足的生態(tài)水量，可以有效的緩解新建湖泊初期的各種問(wèn)題，因此，生態(tài)需水是保證河湖生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、生態(tài)功能、服務(wù)功能和特殊性功能的必要因素，也是實(shí)現(xiàn)河湖生態(tài)系統(tǒng)健康和水資源可持續(xù)利用的關(guān)鍵指標(biāo)，研究如何從需水需求的角度，厘清生態(tài)需水過(guò)程進(jìn)而保障湖泊水環(huán)境治理和功能具有重要意義[2]。

1 研究方法

1.1 研究區(qū)域概況

儒樂(lè)湖位于南昌昌北城區(qū)東北部，上接郭臺(tái)村以上幸福河，下游與贛江西河銜接，在與贛江連接處設(shè)有水閘，儒樂(lè)湖設(shè)計(jì)正常水位18m，對(duì)應(yīng)水面面積2 950畝，庫(kù)容420萬(wàn)m3。是儒樂(lè)湖公園最核心的組成部分。儒樂(lè)湖公園規(guī)劃占地6 525畝，建設(shè)目標(biāo)是打造成為“最清、最綠、最酷”的城市湖泊公園，建設(shè)成為具有濱江濱湖特色、引領(lǐng)生態(tài)文明建設(shè)的大型市民休閑主題公園。儒樂(lè)湖流域水系圖見(jiàn)圖1，儒樂(lè)湖公園規(guī)劃圖見(jiàn)圖2。

圖1 新建后儒樂(lè)湖水系圖

圖2 儒樂(lè)湖公園規(guī)劃圖

儒樂(lè)湖原本為季節(jié)性湖泊，匯水面積15.7 km2，來(lái)水量較少。儒樂(lè)湖西側(cè)原經(jīng)下莊湖入贛江西河的幸福河由郭臺(tái)村附近改線，匯入儒樂(lè)湖后排入贛江西河，進(jìn)而解決下莊湖區(qū)建設(shè)用地的困難并減輕區(qū)域防洪負(fù)擔(dān)。新建儒樂(lè)湖的集水面積為176 km2。多年平均流量為2.7 m3/s，多年平均徑流量8 520萬(wàn)m3。

幸福河作為新建儒樂(lè)湖主要來(lái)水水源，其上游兩岸用地以農(nóng)田水稻種植為主，水體含沙量較大，農(nóng)業(yè)面源污染物直接入河水質(zhì)較差。儒樂(lè)湖湖區(qū)用地現(xiàn)狀以水稻田（已清退）和養(yǎng)殖場(chǎng)為主，湖區(qū)土壤植物根系及雜草分布，蓄水后會(huì)造成植物根莖腐爛，水質(zhì)富營(yíng)養(yǎng)，會(huì)對(duì)水體的觀感及水質(zhì)造成影響[3]。

由于初期來(lái)水幸福河水質(zhì)較差，加之水體換水頻率不穩(wěn)定，湖體附近污染物入湖大量聚集，蓄水后容易出現(xiàn)水體初級(jí)生產(chǎn)力異常增殖，致使水體透明度下降，溶解氧降低，水生生物死亡，水味變腥臭等情況。需要進(jìn)行換水和控制水源水質(zhì)，否則很難維持湖泊水質(zhì)穩(wěn)定、生態(tài)系統(tǒng)健康持續(xù)發(fā)展。

1.2 新建湖泊生態(tài)需水計(jì)算方法

根據(jù)湖泊的生態(tài)情況、環(huán)境狀況、社會(huì)特性以及人類對(duì)湖泊干擾程度等，可以將湖泊分為自然湖泊和人工湖泊，新建湖泊是人工湖泊的一種。湖泊最小生態(tài)需水量計(jì)算方法眾多，主要集中在從水文學(xué)角度與生態(tài)學(xué)角度兩方面，在計(jì)算生態(tài)需水時(shí)主要考慮湖泊水位、出入湖水量，以及湖泊水生生物等因素[4]。

城市湖泊多形成于低洼滯洪區(qū)，屬于城市中地形條件較的低區(qū)域，低洼區(qū)新建的城市湖泊普遍會(huì)存在沿河污染物直接入湖、初期雨水滲流、支流水系洪期泥沙不斷入湖等水質(zhì)安全隱患[5]。依據(jù)新建湖泊的生態(tài)環(huán)境特征、生態(tài)系統(tǒng)管理目標(biāo)、社會(huì)經(jīng)濟(jì)，以及資料短缺的情況，本研究選擇基于水文學(xué)的換水周期法計(jì)算生態(tài)需水量。

換水周期[6]是指水量吐納更新一次所需的時(shí)間，是判斷某一湖泊水資源能否持續(xù)利用和能否保持良好水質(zhì)的一項(xiàng)重要指標(biāo)。通常采用湖庫(kù)完全混合的零維水質(zhì)模型，估算湖泊的年適宜需水量。計(jì)算公式為：

式中：T為換水周期，V為湖泊庫(kù)容，Q為平衡時(shí)流入與流出湖庫(kù)的年均徑流量（即多年平均換水量）。

假定換水過(guò)程中湖庫(kù)體積保持不變，污染物均勻混合，可建立湖庫(kù)完全混合零維模型并求解：

2 結(jié)果與討論

2.1 換水周期計(jì)算結(jié)果

根據(jù)儒樂(lè)湖實(shí)際監(jiān)測(cè)水質(zhì)數(shù)據(jù)，湖體主要超標(biāo)因子為NH3-N、TP，2021年枯期平均濃度分別為5.4 mg/L、0.41 mg/L，為劣V類水體，可作為初始濃度進(jìn)行計(jì)算。入湖水源參考上游溪霞水庫(kù)和贛江水質(zhì)按III類水質(zhì)設(shè)置，目標(biāo)水質(zhì)按III類、IV類水質(zhì)分別測(cè)算，計(jì)算結(jié)果如下：

目標(biāo)水質(zhì)為III類時(shí)，按0.5年換水一次，可以使NH3-N超標(biāo)的劣Ⅴ類湖水在1年后達(dá)標(biāo)；按0.2年換水一次，可以使TP超標(biāo)的劣Ⅴ類湖水在1年后達(dá)標(biāo)；因此綜合換水周期為0.2年，可使儒樂(lè)湖湖水一年后達(dá)到Ⅲ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，生態(tài)需水量為2 100萬(wàn)mm3，生態(tài)需水占儒樂(lè)湖多年平均徑流量的25%，占比較大；如考慮兩年內(nèi)達(dá)標(biāo)，則需半年換水一次，年均生態(tài)需水量為840萬(wàn)mm3（如表2.1所示）。

表2.1 儒樂(lè)湖需水量成果表

目標(biāo)水質(zhì)為IV類時(shí)，一年一換水即可使NH3-N超標(biāo)的劣Ⅴ類湖水在1年后達(dá)達(dá)標(biāo)；按0.6年換水一次，可以使TP超標(biāo)的劣Ⅴ類湖水在1年后達(dá)標(biāo)；因此綜合換水周期為0.6年，可使儒樂(lè)湖湖水一年后達(dá)到IV類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，生態(tài)需水量為717萬(wàn)mm3。

實(shí)際情況中，由于城市區(qū)域污水、雨水等的入湖，湖泊污染負(fù)荷較大，實(shí)際換水周期應(yīng)遠(yuǎn)小于計(jì)算所需換水周期。根據(jù)相關(guān)研究和國(guó)內(nèi)成功治理經(jīng)驗(yàn)，要保障湖泊水質(zhì)較好，城市湖泊換水周期平均為20天至60天[7]。考慮到儒樂(lè)湖周圍補(bǔ)水水源水質(zhì)不穩(wěn)定及周圍污染物負(fù)荷較高的影響，需要適當(dāng)調(diào)整換水周期，提高換水頻率。

考慮季節(jié)差異和實(shí)際調(diào)查結(jié)果，儒樂(lè)湖流域汛期降雨較為豐富，水體流速較高自凈能力較強(qiáng)，湖泊發(fā)生水體污染的可能性低，可適當(dāng)延長(zhǎng)換水周期；枯期降雨量少，需要增加換水頻率，以保證湖泊水質(zhì)，滿足生態(tài)環(huán)境及景觀需要。

考慮到現(xiàn)在城市水資源緊張，生態(tài)需水量計(jì)算需同時(shí)兼顧經(jīng)濟(jì)合理性，因此儒樂(lè)湖新建的1～3年，建議維持較為穩(wěn)定的換水頻率以保障湖泊水質(zhì)，更快構(gòu)建穩(wěn)定的生態(tài)系統(tǒng)；待上游來(lái)水水質(zhì)穩(wěn)定，湖周入湖污染源得到全面控制、湖泊自身水質(zhì)及生態(tài)系統(tǒng)基本穩(wěn)定成熟以后，可逐漸降低湖泊的換水頻率，生態(tài)需水量也將大大減少，只需枯期換水一次即可保障水質(zhì)達(dá)標(biāo)。

3 其他保障措施

3.1 入湖污染物控制

面源治理：根據(jù)已有的研究成果，鄱陽(yáng)湖流域水體富營(yíng)養(yǎng)化主要由于面源N、P污染引起[8]，主要來(lái)源于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的化肥農(nóng)藥。儒樂(lè)湖流域現(xiàn)狀主要為農(nóng)業(yè)用地，根據(jù)城市總體規(guī)劃土地利用情況，流域范圍大部分規(guī)劃為城市建設(shè)用地，用地性質(zhì)的改變也意味著入湖主要污染源會(huì)逐步改變，因此需要從農(nóng)業(yè)面源和初期雨水兩個(gè)方面開展面源治理。

生活污水處理：儒樂(lè)湖上游有很多村莊，初步調(diào)查大約5萬(wàn)人居住在這個(gè)片區(qū)，隨著生活條件的提高污水排放量越來(lái)越大，需要完善污水處理設(shè)施提質(zhì)增效，消除黑臭水體及管網(wǎng)空白區(qū)，提高污水收集處理率，減少生活污水入河入湖。

畜禽養(yǎng)殖污染治理：根據(jù)現(xiàn)狀調(diào)查，儒樂(lè)湖流域存在畜禽養(yǎng)殖小區(qū)和分散型畜禽養(yǎng)殖戶，畜禽養(yǎng)殖污水主要來(lái)自畜禽養(yǎng)殖圈舍的沖洗水和沖糞水，現(xiàn)狀均未處理直接入河入湖。對(duì)于畜禽養(yǎng)殖污水的處理，目標(biāo)污染物是碳源有機(jī)物和氮源有機(jī)物以及磷。應(yīng)結(jié)合成立禁養(yǎng)區(qū)、規(guī)范化養(yǎng)殖等管理措施，減少分散養(yǎng)殖，同時(shí)對(duì)集中規(guī)?；B(yǎng)殖根據(jù)國(guó)家要求增加污水和固體廢物相應(yīng)的處理措施，減少污染物入湖。

內(nèi)源治理：湖泊底泥作為內(nèi)源污染一直以來(lái)都是影響湖泊運(yùn)行的主要污染源，新建湖泊由于建湖之前作為耕地或者沼澤區(qū)，土壤中存在化肥農(nóng)藥殘留以及動(dòng)植物殘軀，不同于傳統(tǒng)意義上湖泊底泥，因此清除和治理措施應(yīng)區(qū)別對(duì)待。儒樂(lè)湖臨贛江側(cè)淤泥主要為沼澤區(qū)，淤泥類型接近傳統(tǒng)淤泥，上游區(qū)域?yàn)楦?，土壤中化肥農(nóng)藥及植物殘留大量存在，需要根據(jù)具體情況深入研究，找出主要污染物，制定不同類型污染物處理措施。

3.2 湖泊水生態(tài)系統(tǒng)構(gòu)建

需要以儒樂(lè)湖為依托對(duì)應(yīng)，從維持水生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定與健康發(fā)展的角度出發(fā)，探索并建立經(jīng)濟(jì)且有效的水生動(dòng)植物群落運(yùn)行管理辦法，制定有針對(duì)性的穩(wěn)定完善的水生動(dòng)植物群落構(gòu)建方案。水生植物群落構(gòu)建注重于沉水植物群落構(gòu)建及挺水植物群落構(gòu)建；沉水植物對(duì)水體的營(yíng)養(yǎng)鹽具有吸收、吸附、促沉降，防底泥再懸浮的功能；挺水植物的根系發(fā)達(dá)，可以通過(guò)根系向沉積物輸送氧氣，改善沉積物氧化還原條件，減少氮、磷等營(yíng)養(yǎng)鹽的釋放，減少沉積物再懸浮。水生動(dòng)物群落構(gòu)建主要為大型底棲動(dòng)物和魚類群落構(gòu)建。建議深入開展以下研究：根據(jù)不同水生植物的凈化效果、耐受性以及生長(zhǎng)特性，探索不同水生植物搭配組合的合理性、可行性以及景觀效果；探索水生動(dòng)物投放數(shù)量的科學(xué)計(jì)算方法，規(guī)范水生動(dòng)物投放比例；以食物鏈網(wǎng)理論為依據(jù)，探索水生動(dòng)物的投放時(shí)間節(jié)點(diǎn)組合，建立規(guī)范化的水生動(dòng)物投放序列等。