基于多水源調(diào)控的干旱區(qū)河流生態(tài)修復(fù)模式探討

楊司嘉，姜晨冰

(1.黃河勘測規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院有限公司，河南 鄭州 450003；2.水利部黃河流域水治理與水安全重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(籌)，河南 鄭州 450003；3.河南省城市水資源環(huán)境工程技術(shù)研究中心，河南 鄭州 450003)

我國干旱半干旱地區(qū)總面積與455萬hm2，占國土面積的47%，常年降水量不足300mm，蒸發(fā)量遠(yuǎn)大于降水量。水資源匱乏加之灌溉、蒸發(fā)和降雨的交替作用，導(dǎo)致了干旱半干旱區(qū)出現(xiàn)土壤鹽漬化、土地沙化等突出問題，直接或間接的造成了生態(tài)環(huán)境脆弱、生物多樣性低等現(xiàn)象[1-2]。因此，干旱區(qū)的河流生態(tài)修復(fù)相應(yīng)于一般的生態(tài)修復(fù)難度更高，不僅要綜合考慮生態(tài)修復(fù)方法的科學(xué)性、可行性，還要考慮到干旱區(qū)的氣候和環(huán)境條件，更重要的是找到適宜調(diào)控水源，以水資源集約節(jié)約利用為前提條件，做好干旱區(qū)的河流生態(tài)修復(fù)工作。

目前，國內(nèi)學(xué)者對(duì)于河流生態(tài)系統(tǒng)保護(hù)與修復(fù)已開展了較為深入的研究，尤其在水資源充沛的區(qū)域成果頗豐。王冬等[3]選取浙江省重點(diǎn)河湖進(jìn)行了生態(tài)流量保障現(xiàn)狀即成因分析，對(duì)于干旱半干旱地區(qū)，研究方向多集中在流域尺度的山水林田湖草生態(tài)構(gòu)建。劉時(shí)棟等[4]基于最小阻力模型構(gòu)建生態(tài)網(wǎng)絡(luò)，結(jié)合識(shí)別出退化生態(tài)源，進(jìn)而構(gòu)建了整個(gè)流域的生態(tài)格局；徐海量等[5-6]以古爾班通古特沙漠為例進(jìn)行了干旱區(qū)生態(tài)修復(fù)的實(shí)踐。而以干旱區(qū)水資源調(diào)控為限制因素，以河流生態(tài)修復(fù)為目標(biāo)的小尺度生態(tài)修復(fù)模式的研究較為匱乏。因此，本文以吳忠市清寧河為例進(jìn)行了基于多水源調(diào)控的干旱區(qū)河流生態(tài)修復(fù)模式探討。

1 項(xiàng)目區(qū)概況

吳忠市位于中國西北地區(qū)，寧夏中部，北距銀川60km，是黃河“幾”字彎起點(diǎn)，也是“天下黃河富寧夏”的菁華之地，被譽(yù)為“水韻之城”。吳忠市地處西部內(nèi)陸，屬溫帶大陸性半干旱氣候，降雨稀少而集中，且時(shí)空分布極不均，蒸發(fā)強(qiáng)烈，多年平均降雨量為193mm，多年平均蒸發(fā)量1208mm，干旱指數(shù)6.5。

清寧河始建于2008年，是主城區(qū)重要的水系。南起利通區(qū)秦渠，北至濱河大道與京藏高速交匯處，經(jīng)怡養(yǎng)園匯入黃河，流經(jīng)利通區(qū)板橋鄉(xiāng)和古城鎮(zhèn)，全長9.62km。清寧河原補(bǔ)水方式是通過秦渠引黃河水，但隨著黃河流域高質(zhì)量發(fā)展的深入推進(jìn)，通過推進(jìn)水資源節(jié)約集約利用來統(tǒng)籌推進(jìn)生態(tài)保護(hù)和環(huán)境治理才是干旱區(qū)河流生態(tài)修復(fù)模式的科學(xué)發(fā)展方向。清寧河現(xiàn)狀水資源短缺，局部干涸，水生態(tài)嚴(yán)重退化，生物棲息地喪失如圖1所示。

2 生態(tài)修復(fù)水源分析

2.1 降雨

根據(jù)吳忠氣象站資料，多年平均降水量為193mm。湖區(qū)直接降水量和排水分區(qū)水量合計(jì)277.62萬m3。

(1)湖區(qū)直接降水量：清寧河、乃光湖、南環(huán)水系的水量分別為19.21萬、2.90萬和8.27萬m3；

(2)排水分區(qū)水量：根據(jù)《吳忠市城市排水(雨水)防澇綜合規(guī)劃(2013—2030)，西部和東南部排水區(qū)面積分別為18和26.5畝，西部、東南部排水分區(qū)的水量分別為93.8萬和153.44萬m3；

(3)水面降雨直接補(bǔ)給水面，坡面徑流可通過生態(tài)基礎(chǔ)設(shè)施改造工程收集回用。

2.2 再生水

區(qū)域再生水主要來源于水系周邊3個(gè)污水廠。第一污水廠尾水經(jīng)古城灣濕地處理后入黃，水質(zhì)為地表水準(zhǔn)Ⅲ類，現(xiàn)狀處理規(guī)模4萬m3/d，規(guī)劃處理規(guī)模6萬m3/d；第二污水廠尾水直排清水溝，未設(shè)提標(biāo)設(shè)施，水質(zhì)為一級(jí)A，現(xiàn)狀處理規(guī)模2萬m3/d；第三污水廠尾水直排南干溝，經(jīng)超磁分離及入黃濕地凈化后部分排入羅家湖。羅家湖現(xiàn)狀已建泵站及管線為清寧河補(bǔ)水，泵站規(guī)模4.32萬m3/d。

2.3 農(nóng)灌退水

農(nóng)灌退水主要為清水溝上游農(nóng)灌退水，農(nóng)灌退水通常N、P含量較高，且清水溝上游設(shè)有昊盛紙業(yè)污水廠，對(duì)河流全段水質(zhì)影響較大。

2.4 小結(jié)

經(jīng)過分析，以第一污水處理廠經(jīng)古城灣濕地處理后較優(yōu)質(zhì)水源作為主水源，同時(shí)利用現(xiàn)有羅家湖泵站補(bǔ)水，并通過生態(tài)基礎(chǔ)設(shè)施改造工程攔蓄雨水。第二污水廠尾水水質(zhì)較差，清水溝農(nóng)灌退水受上游昊盛紙業(yè)污水廠影響水質(zhì)波動(dòng)較大，不予作為水源考慮。

3 水源調(diào)控方式分析

為分析不同水源調(diào)控方式下清寧河水動(dòng)力條件，為水質(zhì)保障及工程運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性比選提供理論支持，本次擬采用DHI MIKE 21數(shù)值模型對(duì)補(bǔ)水后水體交換情況進(jìn)行模擬，采用水動(dòng)力模塊、對(duì)流擴(kuò)散模塊，采用三角形非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，共有576個(gè)計(jì)算網(wǎng)格，515個(gè)網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)，如圖2所示，見表1。

圖2 清寧河模型網(wǎng)格及邊界示意圖

3.1 方式一

基于現(xiàn)狀水系，羅家湖補(bǔ)水3萬m3/d，古城灣濕地補(bǔ)水6萬m3/d，乃光湖泵站抽水4.32萬m3/d進(jìn)入南環(huán)水系，除去蒸發(fā)滲漏耗水，并維持清寧河水深2m左右，其他水量退入黃河，如圖3所示。

圖3 方式一情形下清寧河水力交換

連續(xù)補(bǔ)水27d后，清寧河西側(cè)水系得到充分交換；連續(xù)補(bǔ)水35d后，清寧河90%水系得到充分交換，但東側(cè)外掛湖交換率較低；連續(xù)補(bǔ)水60d后，清寧河水系及外掛湖基本完成交換。

3.2 方式二

基于現(xiàn)狀水系，維持清寧河水系水深2m左右，僅補(bǔ)充蒸發(fā)滲漏水。按照水位下降50cm為觸發(fā)補(bǔ)水條件，經(jīng)計(jì)算，清寧河水系全年共需要進(jìn)行6次引水，引水時(shí)間點(diǎn)及持續(xù)時(shí)長如圖4所示。單次引水過程中，羅家湖補(bǔ)水3萬m3/d，古城灣濕地補(bǔ)水6萬m3/d，乃光湖泵站抽水4.32萬m3/d進(jìn)入南環(huán)水系，如圖5所示。

圖5 方式二情形下清寧河水力交換

間歇補(bǔ)水條件下，補(bǔ)水期間僅古城灣濕地、羅家湖補(bǔ)水口附近水體水動(dòng)力條件較好，可通過水動(dòng)力交換改善水質(zhì)；清寧河70%以上水系、外掛湖基本無水動(dòng)力交換，為死水區(qū)。

經(jīng)過模擬分析，水源調(diào)控方式二雖然更節(jié)水、運(yùn)行費(fèi)用也較低，但對(duì)于清寧河水質(zhì)改善效果較差。清寧河生態(tài)修復(fù)模式采用水源調(diào)控方式一更合理。

4 水生態(tài)修復(fù)模式

通過多水源調(diào)控后，利用水生態(tài)系統(tǒng)構(gòu)建技術(shù)增強(qiáng)水體的自凈能力[7]，通過對(duì)微生物、水生植物、水生動(dòng)物的有機(jī)統(tǒng)一，構(gòu)建完整生態(tài)鏈[7-9]，修復(fù)建立完善水生態(tài)的同時(shí)進(jìn)一步提升河湖水質(zhì)狀況，結(jié)合生物強(qiáng)化措施，綜合提高水體水質(zhì)，使水體水質(zhì)達(dá)到Ⅲ類及以上地表水指標(biāo)，保護(hù)水環(huán)境及生態(tài)安全。

4.1 水下森林

沉水植物是實(shí)現(xiàn)從濁水態(tài)到清水態(tài)轉(zhuǎn)變的關(guān)鍵物種。沉水植物能夠高效的吸收氮磷等物質(zhì)；光合作用強(qiáng)，能夠產(chǎn)生大量的原生氧，可長久保持水體高溶氧狀態(tài)；改變水體氮磷營養(yǎng)鹽循環(huán)模式，抑制底泥再懸浮及氮磷營養(yǎng)鹽釋放，促進(jìn)氮的硝化/反硝化作用及磷的沉降。為浮游動(dòng)物提供避難所，從而增強(qiáng)生態(tài)系統(tǒng)對(duì)浮游植物的控制和系統(tǒng)的自凈能力[10-11]。

4.2 食物鏈完善

根據(jù)經(jīng)典生物調(diào)控理論，增加肉食性魚類控制食浮游動(dòng)物的魚類，促進(jìn)浮游動(dòng)物生長，從而控制浮游植物的生物量，提高水體透明度，增加大型底棲動(dòng)物分解水底殘?jiān)纱龠M(jìn)“草型清水態(tài)”生態(tài)系統(tǒng)的構(gòu)建。

5 結(jié)語

本文以清寧河為例，在合理利用地區(qū)非常規(guī)水資源的基礎(chǔ)上，通過DHI MIKE 21數(shù)值模型確定了適宜的多水源調(diào)控方式，并在此基礎(chǔ)上構(gòu)建了清寧河的水生態(tài)系統(tǒng)。本文探討了一種基于多水源調(diào)控的干旱區(qū)河流生態(tài)修復(fù)模式，在一定程度上彌補(bǔ)了干旱區(qū)小尺度生態(tài)修復(fù)研究中的缺項(xiàng)。但同時(shí)，文章也存在一定的不足，受數(shù)據(jù)獲取限制，僅考慮了干旱區(qū)水資源限制的問題，未將土地利用、城鎮(zhèn)化率、人口密度等指標(biāo)納入考慮，后續(xù)將進(jìn)一步完善干旱區(qū)河流生態(tài)修復(fù)模式的研究。