内蒙古乌梁素海水质改善措施及成效

关丽罡，赵天祺，崔晓东

（内蒙古河套灌区水利发展中心，内蒙古 临河 015000）

1 研究背景

湖泊作为生态系统的重要组成部分，具有调蓄、改善水质、动物栖息地、调节局地气候、供水等一系列生态服务功能［1］。湖泊需要补充年内由于各种原因耗散的水量以便维持合适的生态水位［2］。我国地处亚热带季风区，水资源时空分布不均是水资源开发利用面临的挑战之一，尤其是西北干旱半干旱区土地、生态环境、人口与水资源间更为不协调，水资源短缺愈发常态化和显性化，不能满足地区高质量发展的需要［3］。地处西北内陆干旱、半干旱区的湖泊常年受区域降水少、蒸发大、无稳定优质水源补给、生态需水无法得到有效保证的制约，湖区水面萎缩、水体咸化趋势明显。

在实施流域综合节水治污措施的基础上，引调水工程是解决我国水资源空间分布同区域人口、生态环境等要素间矛盾的重要途径之一［4］。早在公元前2400年，古埃及为满足灌溉与航运需要便修建了世界上第一条跨流域调水工程线路。据不完全统计，目前世界上已有24个国家和地区兴建了160多项跨流域调水工程［5］。然而，目前引调水工程主要以灌溉、供水、发电等为目的，服务于河湖生态环境改善的生态补水相对较少。

乌梁素海流域位于我国贺兰山与阴山之间的西北季风通道，西临乌兰布和沙漠，北有巴音杭盖戈壁，南有库布齐沙漠，是国家生态安全战略格局中“北方防沙带”的重要组成部分，是阻止乌兰布和沙漠向东侵蚀，阻隔乌兰布和沙漠和库布其沙漠连通的“重要关口”，是我国北方重要的生态安全屏障。乌梁素海常年以河套灌区农灌退水和城市生活尾水为主要补给水源，湖区水质恶化和咸化趋势明显。近些年黄河水量较丰，在灌溉间歇期利用河套灌区灌排系统向乌梁素海生态补水对湖区水质改善效果显著。

本次研究以新时代生态环境治理思路及水利工作方针为指导，结合近些年来对乌梁素海生态补水取得的成效，运用MIKE软件分析不同补水情景下湖区水质改善效果，为后续开展乌梁素海流域水环境综合治理提供技术支撑和科学依据。

2 近年来乌梁素海生态补水成效及问题

在黄河凌汛期、灌溉间歇期及秋浇后期通过河套灌区的灌排沟渠进行补水作为一项重要措施，对改善乌梁素海水环境起到了重要作用。近年来乌梁素海水质逐步好转，鸟类数量有所增加，湖体生态功能逐步恢复。2008—2019年历年向乌梁素海生态补水水量如图1。2015—2019年向乌梁素海生态补水共计20.31亿m3，年均补水4.06亿m3。

图1 2008—2019年历年黄河向乌梁素海生态补水情况

根据灌区排水入黄出口赵贵断面水质资料显示，在实施生态补水之前的3年（2012—2014年）与近3年 （2017—2019年） 比较，COD3年平均值下降了17.8mg/L，下降率为33.7%，总磷3年平均值下降了0.27mg/L，下降率为51.9%，总氮3年平均值下降了3.27mg/L，下降率为54.2%。赵贵断面水体水质由原来的劣V类变为现在的长时间保持Ⅳ类。

但是，补水过程中由于冰凌破坏渠道，影响灌区正常灌溉，渠道建筑物冻胀破坏加剧等诸多问题，需要进一步考虑补水通道及补水时段问题。

3 乌梁素海水质改善效果分析

3.1 乌梁素海二维数学模型

基于乌梁素海1∶10000测绘CAD、遥感影像等，建立模拟面积为329.4km2的二维数学模型。乌梁素海水面面积大，平均水深浅，岸线较曲折，汇入支流多，湖区内现状建有堤坝、桥闸、水道等水利工程，采用三角形+矩形耦合的非结构网格能够获得较好的模拟效果。模型网格精度控制在1km2以内。模型水下高程及网格如图2。

图2 乌梁素海水下地形及网格

采用乌梁素海控制性工程及湖区典型监测点2017年监测数据对模型参数及模型模拟效果进行了率定。

根据图3，湖区代表性的监测点的水位过程线的率定结果可知：乌毛计模拟水位与实测水位吻合度在-3.00%～+3.67%，误差在10%以模拟内吻度较高，该水动力模型能够合理反应湖区全年的水位变化过程。故建立乌梁素海二维水动力模型的计算结果合理可信，可作为后续的水质模型的水动力基础，用于水质的模拟预测研究。

图3 乌毛计闸水位率定（2017年）

3.2 模拟方案及结果分析

基于乌梁素海流域各类型污染源入湖及近年生态应急补水情况，确定以下模拟方案：

3.2.1 不实施生态补水情景

现状方案：考虑河套灌区城镇生活污水、农业灌溉退水、工业废水等均进入乌梁素海，主要入湖口为总排干红圪卜扬水站、八排干、九排干、新安分干沟，不考虑生态补水。

流域减排方案：考虑实施河套灌区内城市及农业污染综合治理措施后，降低现状污染负荷30%，城镇生活污水、农业灌溉退水、工业废水等仍进入乌梁素海，主要入湖口与现状方案相同，不考虑生态补水。

图4 乌梁素海湖区水质率定（2017年）

模拟结果如图5。对比两种方案，实施流域内污染综合治理可以有效提升湖区水质，湖区出口污染负荷降低约10%，但灌溉期后COD仍处于劣Ⅴ类。

图5 不进行生态补水情景下2017年全年湖区出口COD指标模拟结果

3.2.2 考虑生态补水情景

在现状方案的基础上，考虑利用现有灌溉渠道从总干渠引水，通过黄济、西乐、永济、丰济、沙河、义和6条渠道，自总排干红圪卜、烂大渠2处扬水站入湖。不同生态补水量对乌梁素海湖区水质影响的模拟结果如图6。当补水5亿m3时，湖区出口水质全年均可达到优于地表水Ⅴ类。

图6 不同生态补水流量下乌梁素海湖区出口COD年内变化情况

进一步考虑在补水5亿m3时，2020年实施河套灌区内城市及农业污染综合治理措施降低现状污染负荷30%后，远期乌梁素海湖区出口水质模拟结果如图7。在生态补水的基础上实施流域内污染综合治理更加有效，湖区出口污染负荷降低约25%，湖区全年水质基本可以稳定在地表水Ⅳ类。

图7 考虑生态补水情景下乌梁素海湖区出口远期COD年内变化情况

4 结语

随着河套灌区区域经济的快速发展和当地环保工作的不断加强，以及乌梁素海综合治理的实施，工业企业和城镇加快了污水处理厂建设和提标升级的步伐，在一定程度上减轻了工业废水和城镇生活废水对乌梁素海区域水环境的压力。由于乌梁素海流域是我国优质粮食的主产区，乌梁素海长期接纳河套灌区各级排干沟的农田退排水，农业农村面源污染负荷将逐步成为乌梁素海主要的污染源，这也是湖区COD超标的主要原因，流域污染防控形势依然严峻。

其中，在黄河凌汛期、灌溉间歇期及秋浇后期通过河套灌区的灌排沟渠进行补水作为一项重要措施，对改善乌梁素海水环境起到了重要作用。但是，补水过程中由于冰凌破坏渠道，影响灌区正常灌溉，渠道建筑物冻胀破坏加剧等诸多问题，需要进一步考虑补水通道及补水时段问题。

通过MIKE模型模拟生态补水过程可得：在黄河凌汛期、灌溉间歇期及秋浇后期，通过河套灌区的灌排沟渠实施生态补水，能够使流域内污染综合治理对改善湖区水质更加有效；两项措施同步实施可使乌梁素海湖区水环境持续向好。