银川市河湖生态补水的中水利用量研究

王茹雪,陈天伟,张 明,董进涛

(宁夏水利水电勘测设计研究院有限公司，银川,750000)

由于黄河不断改道，银川历史上湖泊湿地众多，古有“七十二连湖”之说，现有“塞上湖城”之誉。但在20世纪60年代至90年代，受自然和人为因素影响，银川的湖泊湿地大幅减少。2000年以后，银川开始实施湖泊、沼泽湿地保护工程，增加湿地人工补水，逐步恢复湿地面积，年湖泊补水由2012年的0.242亿m3增加到2020年的1.081亿m3，增长了4.47倍。同时，2020年银川市全年再生水利用量为3 720万m3，仅为污水处理量的21.8%，近1.3亿m3再生水直接外排，造成较大浪费。

在水资源总量刚性约束条件下，回用中水是解决河湖生态缺水的有效途径，国内已有许多中水回用成功的案例[1-4]，随着污水厂的提标改造，银川市有6座污水处理厂出水水质达到《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB 18918—2002)一级A标准，在建的第一再生水厂和四污二期出水水质达到准Ⅳ类，总设计处理能力为77.5万m3/d，现状实际处理中水约50.5万m3/d，可以将中水资源纳入城市供水资源体系[5-6]，置换黄河水直补河湖水量，做到分质供水、优水优用、水尽其用。

1 银川市河湖现状补水及水质

1.1 河湖现状补水量

全市有湿地面积5.31万hm2，主要为湖泊湿地和河流湿地，其中天然湿地占湿地面积60%以上，自然湖泊近200处，面积100 hm2以上的湖泊20多处，较著名的有鸣翠湖、阅海、鹤泉湖、宝湖、西湖等。

银川市为18个湖泊和水系补水，水源均为黄河水，由唐徕渠、西干渠、汉延渠和惠农渠补水，补水期为每年夏秋灌4—8月和冬灌11月，补水水源水质为Ⅱ类，2019年补水量为10 112万m3，占银川市总用水量的13.7%。2020年补水量为10 813万m3，占银川市总用水量的13.7%。

1.2 水环境质量

2020年银川市水质监测主要湖泊水库3个，以全指标分析评价，阅海水质为Ⅳ类，主要污染项目为化学需氧量，处于轻度富营养状态；典农河、鸣翠湖水质为Ⅲ类，其中典农河处于轻度富营养状态，鸣翠湖处于中度富营养状态。

2020年典农河总体为Ⅲ类水质，布设的5个监测断面中，亲水大街桥断面为Ⅱ类水质；南绕城高速公路旁(西夏区—金凤区交界)、贺兰山路与唐徕渠交接处(金凤区—兴庆区交界)断面为Ⅲ类水质，阅海闸以北1 km处(金凤区—贺兰县交界)和洪西干沟桥(典农河汇入第3排水沟前)断面为Ⅳ类水质。与上年相比，阅海闸以北1 km处(金凤区—贺兰县交界)、洪西干沟桥(典农河汇入第3排水沟前)断面水质有所好转；其余3个断面水质无明显变化。

2 生态补水方案

以再生水为水源，再生水管网为取水点，现状沟道为退水点，连通现有湖泊水系；在现状有水质考核要求的河湖段典农河和鸣翠湖入河口设置水质监测设施。

3 生态补水量预测

3.1 片区划分

根据银川市污水处理厂的建设情况，银川市再生水利用的水源点布局将由8座污水处理厂调整为7座。第三污水处理厂水量全部用于工业，不考虑河湖生态用水，单独成片。

河湖生态用水按再生水水源划分为5个片区，即第二、四污水处理厂片区，第六污水处理厂片区，第一再生水厂片区，第七、九污水处理厂片区和典农河循环利用片区(见图1所示)。

图1 银川市生态补水分区示意

3.2 计算方法

河湖生态需水量为将河湖生态系统维持在一定水平所需要的水量，河湖生态系统功能包括维持河湖生物多样性、自净、调节水量、维持河湖形态等[7-9]。城市的湖泊景观水体无论从形成方式，还是水源补给形式及内外影响因素等基本受人工调控和人为影响，槽蓄法为近几年城市河湖需水预测中常用的水力学方法。该方法充分考虑城市湖泊景观水体为人工营造的系统特点，将需水量分为补充蒸发渗漏损失水量和流动换水量两大部分[10-12]。

蒸发渗漏损失水量Q蒸渗：维持湖泊景观水体水面面积的水量主要取决于蒸发渗漏损失，这是其基本需水量。

流动换水量Q换水：河湖的流动换水是保持良好水质的重要条件，湖泊生态系统的健康取决于湖泊的换水量。

因此，本次银川市河湖生态需水量计算为：

Q=Q蒸渗+Q换水

(1)

Q蒸渗=Q蒸发+Q渗漏-P

(2)

式中：

P——银川市多年平均降水量，为194.5 mm；

Q蒸发——银川市多年平均蒸发量，为1 152.4 mm；

Q渗漏——渗漏水量，Q渗漏=KAJ(K为渗透系数，取值为0.000 1 m/d[13]，A为渗漏面积，m2，J为水力坡度，取值1[13])。

参考典农河2018—2020年近3 a的实际补水量，计算湖泊水体换水量，按全年换水6次考虑，每次需换水水深为0.6 m。

3.3 计算边界

银川市所有湖泊水系均纳入再生水补水范围，但考虑典农河、鸣翠湖等水体现状水质考核目标为Ⅲ～Ⅳ类，现状再生水厂及污水处理厂的出水水质为准Ⅳ类和一级A，随着银川市污水处理厂逐步提标升级和典农河城市段等景观水体水质考核目标的调整，再生水用于生态补水需逐年推进，本规划考虑近中远期3个水平年，分别设置不同的计算边界条件。

近期2022年典农河灌溉期由黄河水补充，非灌溉期由再生水补充，鸣翠湖补充黄河水，其余湖泊水系全年由再生水补充；中期2025年典农河灌溉期由黄河水和再生水按照比例1∶1补充，非灌溉期由再生水补充，鸣翠湖补充黄河水，其余湖泊水系全年由再生水补充；远期2035年所有湖泊水系全年由再生水补充。

结合水源等多方面因素，非封闭性湖泊考虑蒸发渗漏损失补水量和流动换水量；对于没有流动性的封闭性湖泊只考虑蒸发渗漏损失补水量，不考虑流动换水量。规划范围内封闭性湖泊共计有10个，分别是天鹅湖、中山公园湖、银湖、王家湖、丝路经济园水系、丰登湖、丽景湖、双庄湖、宝湖和校园湖。

3.4 补水量

经计算，银川市生态补水总需水量为12 431万m3，其中近期2022年黄河水需水量为5 036万m3，再生水需水量为7 395万m3，置换黄河水量约3 000万m3；中期2025年黄河水需水量为3 669万m3，再生水需水量为8 762万m3，置换黄河水量约6 500万m3；远期2035年黄河水需水量为0万m3，再生水需水量为12 431万m3，置换黄河水量约10 000万m3。

4 再生水利用工程布局

4.1 二污、四污片区

供水水源为银川市第二、第四污水处理厂，在银西河布置6处取水口，从中水管网取水，为西夏区、金凤区西北部及典农河下段河湖水系提供生态水量，尾水通过良渠沟—四二干沟—第四排水沟一线排入黄河，在马鹤湾沟、四二干沟、南环水系典农河入河口设置水质监测、水量调控设施，水质达标后排入典农河及阅海(见图2所示)。

图2 二污、四污片区再生水利用工程布局示意

4.2 六污片区

供水水源为银川市第六污水处理厂，在元宝湖北环高速水系布置取水口，为元宝湖、红旗沟提供生态用水，尾水经第四排水沟入黄河。从第六污水处理厂引中水管道至第二农场渠和典农河西南侧鱼湖，将现有鱼湖改造为湿地，再生水经湿地进一步净化后排入典农河下段，为典农河贺兰段提供生态流量(见图3所示)。

图3 六污片区再生水利用概化示意

4.3 第一再生水厂片区

供水水源为银川市第一再生水厂，在中水管网上布置取水口13座，为兴庆区、金凤区东北部、贺兰县河湖水系提供生态水量。

银新干沟取水口：在银新干沟贺兰山路口布置取水口，引水入贺兰山路水系，在贺兰山路水系布置人工湿地净水，湿地出水分两路：一路经贺兰山路水系为北塔湖、典农河、阅海提供生态水量；一路入银新干沟为银新干沟、四一分沟、贺兰县如意湖、月亮湖提供生态用水，尾水经银新干沟、第四排水沟入黄。

章子湖、锅底湖取水口：在章子湖南部水系、锅底湖布置取水口2座，为银川市东部水系(锅底湖、燕鸽湖、章子湖、孔雀湖、银湖、春林湖)提供生态用水，新建章子湖—章子湖南部水系、锅底湖—燕鸽湖连通管道，连通东部诸湖，尾水经永二干沟、二支沟、第2排水沟退入黄河。

鸣翠湖取水口：在塔白路六盘山路交叉口南侧500 m处布置取水口，新建至鸣翠湖输水管道为鸣翠湖提供生态水量，尾水经四三支沟入黄。

其他取水口：校园湖、宝湖、丽景湖、王家湖、丝路经济园水系等市区内河湖就近从中水管网取水，布置取水口9座，利用现有补水渠道(沟道)为兴庆区、金凤区东部河湖水系提供生态用水(见图4所示)。

图4 第一再生水厂片区再生水利用状况示意

4.4 七污九污片区

供水水源为第七、第九污水处理厂，污水处理厂出水经中水管网入桑园沟，经芦草洼滞洪区湿地净化后退入第二排水沟为武警基地湖、二排沟、永二干沟提供生态用水。在第二排水沟七子连湖交汇处新建七子连湖湿地，水体净化合格后可向七子连湖、典农河、阅海水系提供生态水量。利用第二排水沟永二干沟退水闸向永二干沟分水，沿途向段家湖、银子湖、王家广湖、徕龙湖、周家大湖提供生态水量，尾水经永二干沟退入黄河(见图5所示)。

图5 七污九污片区再生水利用状况示意

4.5 黄河水片区

现状银川市河湖生态补充黄河水的主要来源为灌溉渠系，包括西干渠系、唐徕渠系、汉延渠系和惠农渠系。拟通过再生水对部分河湖景观水体常年补水，减少黄河水补水，相应调整黄河水生态补水布局。其中西干渠系中仅保留方家圈退水闸向银西河退水进四二干沟和南环水系，由四二干沟向文昌双湖及森林公园湖补水，其他湖泊水系通过再生水管网由原补水通道机一渠、机二渠、机四渠向各湖泊水系补水；唐徕渠系保留向典农河补水的宁城闸、良田渠等通道，关闭雁湖斗、老爷渠、迎水渠、红花渠、大新渠等补水通道；汉延渠和惠农渠仍保留向鸣翠湖补水通道，同时关闭向其他湖泊补水通道。

5 结语

由于缺乏自然补水渠道，银川市河湖主要靠人工补充，水源为黄河水，2020年黄河补水量达到1.081亿m3，占银川市总用水量的13.72%，造成了优质水资源的浪费。本文根据河湖水质目标要求、景观要求、补水条件等，计算出近中远期河湖补水量的中水需水量分别为7 395万m3、8 762万m3、1 2431万m3，可减少黄河水补水量分别为3 000万m3、6 500万m3、10 000万m3。通过补充中水，将改变银川市非黄河补水期水体不流动的现象，并配合生物净化措施可有效减轻银川市河湖水体富营养化状态，提升水生态环境质量。建议加强远期典农河Ⅳ类水补水的生态影响研究，近期建议在非灌溉期、冬季等水温较低时段水生动植物活动较为微弱、水体理化反应迟缓时降低考核目标至Ⅳ类。加强冬春季准Ⅳ类再生水经沟道、湿地净化后的水质变化情况进行详细观察检测，明确其是否可以进入典农河、阅海湖等国家级湿地公园。