面向水环境改善的浅丘水网区生态环境需水研究

2019-07-30邓秋良刘伯娟

中国农村水利水电 2019年7期

李娜，邓秋良，刘伯娟，张平

(湖北省水利水电规划勘测设计院，武汉 430064)

0 引言

一江三河水网区为湖北省江汉平原汉江以北的浅丘水网区。“一江”指汉江，“三河”分别为汉北河、天门河、府澴河，流域水系见图1。区域原均为汈汊湖水系，1969年冬实施了汉北水利工程后，区域水系分治成为两大水系三片汇水区：一是府河下游改道，独立府澴河汇水区；二是开挖汉北人工河，撇洪包括万家台以上的原天门河和以下的北岸(左岸)支流汇水区；三是万家台以下原汈汊湖水系汇水区。不同流域水系间均可通过河道涵闸实现连通。长期以来，区域水资源调度多从防洪排涝角度出发，对河湖生态环境需水考虑不足，部分河湖水环境恶化趋势明显，生态功能退化，亟待系统分析研究水网区的生态环境需水要求，并在水资源配置与调度中给予充分考虑。

当前，国内外计算河流生态需水量的方法众多，Tharme等[1]将大多数生态需水评估方法归纳为水文学方法、水力学法、栖息地模拟法、整体法、综合评估方法及其他方法。近年来随着人水共生和谐理念提出和河湖长制深入推进，国内河湖生态环境需水得到了越来越多的重视和研究[2,3]，国内学者对单一河流、多闸坝河流[4-9]、浅水湖泊[10-12]及河网区[13-16]的生态需水进行了大量相关研究。但对多单元多流域水网区生态环境需水研究较少，河湖较多的水网区生态需水研究缺乏系统整体性，上下游、左右岸缺乏协调，不同流域单元有补水条件的均各取所需，未能实现水资源的有效利用。本文从水环境改善角度出发，构建了浅丘水网区多单元多流域生态环境需水耦合模型，从系统角度研究一江三河水网区以增强河湖自净能力、改善河湖水体水环境质量为目标的生态环境需水。

图1 一江三河水网区水系图Fig.1 Han River-Three Inland Rivers water network area drainage map

1 区域水环境现状

一江三河水网区地处江汉平原腹地，涉及天门市、孝感市、荆门市和武汉市4个地市，共计11个县市区，自然面积8 191 km2，2017年总人口734万人，耕地面积40.33 万hm2。区域内地区生产总值达4 458.19 亿元，素有“鱼米之乡”的美誉。

近年来一江三河地区经济社会发展迅速，入河污染负荷日益增多，加上浅丘水网区水体流动性差，区域内河湖水环境质量不容乐观，主要河湖水体水质基本处于Ⅳ类到劣Ⅴ类，水功能区断面基本不达标，主要超标因子为COD、NH3-N、TP，且呈现下游区河湖水体水质要劣于上游区，城市区河湖水体水质劣于农村区，枯水期水体水质劣于丰水期的特点。根据第二次全国污染源普查数据以及城镇及农村人口、耕地面积、畜禽养殖规模等相关基础数据，采用调查统计及估算法计算区域现状及各项截污控污措施全部实施后的入河污染物量，见表1。由表可知，农村区上、下游河流入河污染负荷水平基本持平，城市区河段如天门河段、涢水云梦～武汉保留区段污染负荷水平明显高于农村区。

表1 一江三河水网区污染物入河量表 t/a

2 河湖基本单元水环境模拟分析

一江三河水网区水系发育，湖泊星罗棋布。区域有3条骨干河流，5 km以上的二级河流共49条，分布有大小湖泊共112个，其中农村湖泊75个，城市湖泊37个，湖泊总水面面积约223 km2。为研究区域生态环境需水，本文将区域水系划分骨干河流、小支流、农村湖泊、城市湖泊四类基本单元，河流采用一维水动力水质模型，湖泊采用二维水动力水质模型对该区域的典型基本河湖单元水环境质量进行模拟分析，各类单元位置见图1。水动力模型采用圣维南方程组求解，水质采用质量守恒原理计算。

一维水动力方程为：

(1)

式中：t为时间；x为距某一固定断面沿流程的距离；h、Q分别为x处，t时刻过水断面的水深和流量；A为过水断面面积；R为水力半径。

二维非恒定浅水运动方程：

(2)

式中：h为实际水深；ζ为平均湖面起算的水位；q为单位面积上进出湖泊的流量；u,v分别为沿x,y方向的流速分量；g为重力加速度；ρ为水密度；f为柯氏力系数；τbx,τby为湖底摩擦力分量；τwx,τwy为湖面风应力分量。

水质迁移转换基本方程为：

(3)

式中：h为水深，m；C为污染物指标的浓度，mg/L；M为横向单宽流量，m2/s；N为纵向单宽流量，m2/s；Ex为横向扩散系数，m2/s；Ey为纵向扩散系数，m2/s；S为源(汇)项，g/(m2·s)。

为全面分析区域基本河湖单元的水环境需水，本文共对3条骨干河流，2条小支流和4座农村湖泊，2座城市湖泊进行了模拟分析。由模拟分析结果可知四类基本计算单元中除农村区张家大湖水体水质达标外，其余基本河湖单元在截污控污措施实施后，河湖水环境容量均不足，水质达不到目标要求，存在不同程度缺水。各基本河湖单元水体水质模拟结果见表2，图2～4。

表2 河湖基本单元重要断面水质年达标率Tab.2 Annual water quality compliance rate of important sections for rivers and lakes

图2 河流典型断面TP变化过程Fig. 2 The changing process of TP of typical river sections

图3 河流典型断面NH3-N变化过程Fig.3 The changing process of NH3-N of typical river sections

图4 典型湖泊TP变化过程Fig.4 The changing process of TP of typical lakes

3 一江三河水网区多单元多流域水环境需水分析

本文计算一江三河水网区水环境需水是在计算各河湖基本单元生态环境需水的基础上，按河流水系的完整性，统筹协调上下游、干支流，河流控制断面、河口、湖泊等各节点的水量平衡关系，构建一江三河水网区多单元多流域水环境需水耦合模型。

(1)选取水网基础单元。水网区河湖纵横交错，构建多单元多流域水环境需水耦合模型的关键是在多类河湖基本单元中选取出水网基础单元，并以此为基础，研究其他单元与水网基础单元的水量交换关系。水网基础单元的选取原则为众多河湖基本单元中与其他单元产生水力联系可能性最多的单元。一江三河水网区的基础单元为骨干河流，其与小支流、城市湖泊和农村湖泊均存在水量交换。

(2)判断河湖基本单元间连通补水可行性。各河湖基本单元间连通补水可行性要从水系天然禀赋条件及水量、水质、水生态等方面进行。从水环境改善角度出发，需在对各河湖基本单元进行水环境模拟的基础上，采取输入水质优于本体水质的原则，研判COD、NH3-N、TP等主要指标，确定各河湖基本单元间连通补水可行性。从一江三河水系图可知，水网基础单元骨干河流虽具备向部分小支流、城市湖泊及农村湖泊补水的地理条件，但骨干河流的TP浓度均劣于湖泊单元水体，成果见图5。从水环境改善角度出发，骨干河流不具备向湖泊天然补水条件。考虑到城市湖泊周边区域发展对其水资源质与量都提出较高的要求，故可增设人工絮凝沉淀池，对水网基础单元水质进行降磷处理后再连通补水入后湖、金银湖等城市湖泊。

图5 湖泊与骨干河流TP浓度对比Fig.5 Comparison of TP concentration between lakes and main rivers

(3)浅丘水网区大尺度模型中河湖基本单元水环境补水分析。对于1 000 km2以上的浅丘水网区大尺度模拟区域，区内水系众多，在实际工作中如逐一应用水动力水质模型对各河湖基本单元计算其水环境需水，显然工作量巨大，现阶段难以实现。考虑到河湖基本单元的水环境具有相似性，水环境需水与区域降雨径流条件、地区经济社会发展、河湖水体流动性等指标相关。故可在各类河湖基本单元中选取若干典型计算其水环境需水，利用修正系数考虑多种影响因素，估算全区域河湖基本单元水环境需水。一江三河水网区的小支流与城市湖泊生态补水均采用模数法计算，考虑到区域降雨径流条件及区域经济社会发展均类似，故修正系数取为1。通过典型分析，小支流需水模数按流域面积计算为0.007 m3/(s·km2)，城市湖泊需水模数按水面面积计算为1 m3/(s·km2)。

(4)判断流域间连通补水可行性。流域间的连通补水主要是在满足防洪排水安全的前提下，相邻流域利用天然的水系条件，通过新建工程措施或优化水资源调度实现流域间的水量调配，满足多流域的水环境需水，提高水资源利用率。一江三河水网区三大流域本为一体，因治水害而阻断。本文考虑到处于上游区的汉北河的水质总体要优于天门河和府澴河，且具备从区域外引水的条件，故在保证防洪排水安全的前提下，通过开启汉北河与天门河间的天门船闸、汉北河与府澴河间的东山头闸，优化涵闸调度，打通不同流域间的连通补水通道，提高水资源利用率。

(5)构建多单元多流域水环境需水耦合模型。以水网基础单元为基础，在水网基础单元与其他基本河湖单元交汇处，考虑各河湖基本单元生态环境需水，利用水量平衡和水质质量守恒原理耦合各节点输入输出水量及污染负荷量，搭建多单元多流域水环境需水耦合模型。一江三河水网区水环境需水分析模型框架如图6所示。

本文在小支流基本单元水质目标达到Ⅲ类，城市湖泊基本单元水质目标达到Ⅳ类基础上，构建多单元多流域水环境需水耦合模型，计算水网区重要控制断面天门、净潭、府澴河水质目标达到Ⅲ类的水环境需水，结果见表3。

综合考虑区域天然来水、供水、退水等因素，区域遭遇90%保证率枯水年水文条件，重要控制断面水环境需水在非汛期1-4月及11-12月不能满足，需从流域外调水补充，区域所需最大补水流量为37 m3/s，总补水量为6.88 亿m3；区域遭遇50%保证率平水年水文条件，重要控制断面水环境需水主要在1-2月不能满足，需从流域外调水，区域所需最大补水流量为10 m3/s，补水量为0.34 亿m3；区域遭遇低于50%保证率丰水年时，区域水环境需水基本满足要求，不需要流域外补水。