基于水质目标的洞庭湖区堤垸生态需水量研究

安秋香, 李洪翔, 黄 兵, 黎昔春

(1.湖南省水利水电勘测设计规划研究总院有限公司，长沙 410007；2.洞庭湖水环境治理与生态修复湖南省重点实验室，长沙 410007)

1 研究背景

洞庭湖区位于长江黄金水道与京广交通动脉交汇处，地处长江中游城市群腹地，区位优势明显，是重要农产品生产基地、水运交汇地，并建有一批现代化的石油、化工、电力、纺织、造纸、卷烟等企业，是湖南省融入长江经济带发展的前沿阵地，2014年洞庭湖生态经济区的发展上升为国家战略。

洞庭湖区生态环境的治理和保护一直以来深受国内外专家学者的关注，涌现了一大批关于洞庭湖区生态水位[1-4]和生态流量[4-5]的研究成果。这些研究成果的关注点主要集中在外河和湖泊上，忽略了对洞庭湖区堤垸内部生态流量问题的研究。洞庭湖区水系纵横交错，堤垸星罗密布。随着经济社会的快速发展，大量的农村生活污水、畜禽养殖污水、农业灌溉排水等进入垸内沟渠、湖泊中，导致垸内水体总磷、总氮严重超标，营养物质过多，垸内水体水质恶化，部分水体富营养化严重[6]。改善水质，除了采用控制污染、修建必要的水系连通工程等措施外，还必须考虑垸内水体生态修复所需要的水量，增加生态需水，稀释污染物和改善水质。合理确定垸内生态需水量，也是开展洞庭湖区水系连通的关键[6-8]。

本文以湖南省洞庭湖北部地区25个堤垸为研究对象，对堤垸88个水质检测点开展2次水质检测，以垸内水体3 a内达到Ⅲ类水质为目标，建立基于环境稀释水量法的生态流量计算模型，计算洞庭湖区堤垸生态需水量。

2 研究范围与数据来源

以湖南省洞庭湖北部地区25个堤垸为研究对象，其位置分布见图1。

图1 湖南省洞庭湖北部区域25个堤垸位置分布Fig.1 Distribution of 25 polders in north Dongting Lake, Hunan Province

收集到的主要资料如下：

(1)基础水利设施资料。根据分析计算需要，收集到25个堤垸内的内湖、哑湖的容积和大中型灌排渠系的主要尺寸、进水口闸门尺寸等相关基础水利设施资料。区域25个堤垸基础水利设施兴利库容为6.56亿m3。

(2)水位流量资料。根据区域水文气象特点及河流水系情况，收集到松滋河新江口、沙道观、大湖口、自制局、官垸，虎渡河弥陀寺、藕池河康家岗、管家铺以及南嘴、安乡这10个水文站1970—2016年的逐日水位流量资料。

(3)水质资料。以湖南省洞庭湖北部地区的25个堤垸为研究对象，在实地调研和勘查的基础上设置88个地表水水质采样点，分别于2018年10月和2019年5月2次进行水质采样和分析。水质检测结果见图2。

图2 堤垸地表水水质检测结果Fig.2 Grades of surface water quality in polders

3 生态需水量计算方法

目前关于生态需水量的计算主要包括2大类：河道生态流量和湖泊、沼泽生态流量计算[9]。堤垸内水体主要包括内湖、哑河、灌排渠系，在一般情况下水体流速几乎为0，与湖泊有类似之处。本文拟采用湖泊生态流量计算方法来计算堤垸内部生态流量。常用的计算湖泊生态需水量的方法有水量平衡法[10-12]、换水周期法[13-16]、最小水位法[17-20]及环境稀释水量法[21-24]等。由于堤垸内几乎没有水文观测资料，本文拟在堤垸水量平衡计算的基础上，采用环境稀释水量法计算堤垸内部生态流量，并将计算结果与换水周期法进行对比分析。

3.1 环境稀释水量法

环境稀释水量法采取动态的观点，考虑水质达标所需的时间、垸内水体总量Q和污染物浓度C0，水体污染物浓度在n年后达到水质目标。

根据污染物质量平衡原理，在考虑一种污染物浓度的情况下，其输出与输入的污染物总量可表示为：

QoutCout=

OCo+DCd+SCS;(1)

QinCin=RCr+ACa。(2)

式中：Qout为输出水量(万m3)；Cout为输出水量的污染物浓度(mg/L)；O为垸内排涝排洪水量(万m3)；Co为排涝排洪水量的污染物浓度(mg/L)；D为垸内渗漏水量(万m3)；Cd为渗漏水体的污染物浓度(mg/L)；S为垸内供水量(万m3)；CS为供水水体的污染物浓度(mg/L)；Qin为输入水量(万m3)；Cin为垸内输入水量的污染物浓度(mg/L)；R为入河排污水量(万m3)；Cr为面源污染造成的降雨产流污染物浓度(mg/L)；A为外河来水量(万m3)；Ca为外河来水的污染物浓度(mg/L)。

假设每年提供的生态流量相同，且提供的生态用水全部排除垸外，依据物质平衡原理，第1年，垸内污染物减少量为输出量与输入量之差，可表示为

Q(C0-C01)=(Qout+Qeco)Cout-

(QecoCeco+QinCin) 。

(3)

式中：C0为第1年年初垸内的污染物浓度(mg/L)；C01为第1年年末垸内污染物浓度(mg/L)；Q为垸内现状水量(万m3)；Qeco为垸内年生态流量(即生态补水量)(万m3)；Cout为输出的污染物浓度(mg/L)；Ceco为垸内生态流量中的污染物浓度(mg/L)。

输出的污染物浓度Cout取垸内年末污染物浓度。将式(1)和式(2)代入式(3)中得

Q(C0-C01)=(O+D+S+Qeco)C01-

(QecoCeco+RCr+ACa) 。

(4)

由式(4)可得

(5)

令

(6)

(7)

则

C01=K1+K2C0。

(8)

同理，第2年生态补水后，垸内污染物浓度C02为

(9)

由此，第n年末垸内水体污染物浓度C0n为

(10)

如果第n年内垸内水体污染物浓度达到既定水质保护目标，则C0n为Ⅲ类水质标准下相应污染物的浓度。根据现状水质C0与目标水质C0n，可对K1、K2进行求解。

因此，堤垸内部生态需水量可表示为

3.2 换水周期法

换水周期是指全部湖水交换更新一次所需时间长短的一个理论概念，是判断某一湖泊水资源能否持续利用和保持良好水质条件的一项重要指标。计算公式为

T=W/(8Qt×8.64)或T=W/Wq×365 。

(12)

式中：T为换水周期(d)；W为多年平均蓄水量(104m3)；Qt为多年平均出湖流量(m3/s)；Wq为多年平均出湖水量(104m3)。

根据式(12)，可以计算出垸内水体的换水周期。垸内水体生态环境需水量计算公式为

垸内生态环境需水量=W/T。

(13)

垸内最小生态环境需水量可以根据枯水期的出垸水量和垸内水体换水周期来确定。

4 生态需水量计算

4.1 水量平衡分析计算

垸内生产生活生态用水主要来自荆江三口洪道来水和当地降水，现状情况下主要通过进水口自流或泵站提水进入垸内，垸内主要用水为农业灌溉用水及人畜用水。综合考虑三口河道来水量、区域降雨量、垸内需水量等因素，选取频率P=50%(2007年)、P=90%(2011年)的平枯代表典型年分别进行计算。

研究区域划分为松滋河及虎渡河流域、藕池西支流域、藕池东支流域、华容河流域这4个分区分别计算，其中松滋河来水直接以官垸、自治局、大湖口站实测流量和水位资料进行区域水量平衡计算；虎渡河和藕池河以弥陀寺、康家岗和管家铺3个水文站的流量资料扣除湖北部分耗水后进行本区域内水量平衡计算。在进行水资源供需分析和配置时，首先考虑利用本地产水，主要包括内湖、水库和大中型渠道，当本地产水不足时，考虑采用外河来水进行补充。

根据上述计算原则，得到区域水量平衡计算结果见表1。在P=50%情况下，区域25个堤垸总缺水量0.481 3亿m3。在P=90%情况下，区域25个堤垸总缺水量6.377 6亿m3。从缺水空间分布上看(图3)，P=50%和P=90%来水情况下，缺水区域主要集中在藕池河以东区域。

表1 水量平衡计算结果Table 1 Calculation result of water balance 万m3

图3 堤垸缺水量分布Fig.3 Distribution of water shortage in polders

图4 湖南省洞庭湖北部区域25个堤垸NH3年排放量Fig.4 Annual NH3 emissions from 25 polders in northDongting Lake

4.2 生态需水量分析计算

根据环境稀释水量法计算垸内生态需水量，其中：R采用径流系数法得到(洞庭湖区径流系数取0.45)；Cr根据生活污水和畜禽养殖污水中污染物量、农田面源污染的污染物量和面源污染入河系数和降雨径流量求得；外河来水量A根据水量平衡计算结果得到；外河来水污染物浓度Ca根据实测资料获得；排涝排洪水量O根据水量平衡计算结果求得；垸内渗漏水量D采用单位面积渗漏损失乘以渠底面积求得；第1年年初垸内的污染物浓度C0根据两次实测资料求平均获得。

根据水量平衡计算成果，在不考虑生态需水的情况下，频率P=50%情况下，堤垸从外河引水5.20亿m3，外排水量6.98亿m3。经过现场抽样调查，区域点源污染基本全进入污水处理系统，统一处理后排放到外河，本文仅对进入垸内的面源污染进行分析。垸内面源污染主要包括农村生活污染源、畜禽养殖污染源及农田径流污染源三部分。农村生活排污量参照区域各县污染源普查技术报告进行测算，农村畜禽养殖污染源强采用《全国水环境容量核定技术指南》中推荐的折算方法和参数进行计算，农田径流污染源采用“标准农田法”估算污染物排放量。洞庭湖北部区域25个堤垸NH3年排放量见图4，区域垸内氨氮排放总量为4 836 t/a。

根据式(5)—式(11)可以求得垸内生态环境需水量，结果见图5(a)。

在采用换水周期法计算生态环境需水量时，从降雨、主要污染源、河流湖泊水深、流速等方面，选取同类工程，计算区域垸内生态环境需水量。洞庭湖北部地区与湘阴县东湖位置相邻，区域降雨量、蒸发量基本一致，污染物主要来源为农业面源污染，水系河流湖泊水深基本都位于10 m以下，水深较浅，水流流速一年当中大部分时间为“0”。基于上述考虑，本文选择湘阴县东湖作为类比工程计算区域垸内生态需水量。湘阴东湖换水周期为50.7 d[16]，本文计算时也选用50.7 d作为洞庭湖北部地区25个堤垸水系的换水周期。根据式(13)计算得到垸内生态环境需水量，见图5(b)。

图5 湖南省洞庭湖北部区域25个堤垸生态环境需水量Fig.5 Ecological water demands of 25 polders in northDongting Lake

根据计算结果，环境稀释水量法计算得到P=50%情况下，垸内生态需水量为32.161亿m3，换水周期法计算得到的生态需水量为32.156亿m3。从25个堤垸生态需水总量上看，2种计算方法得到的生态需水量基本一致。但从单个垸子看，2种方法得到的生态需水量差异加大，其中建设垸、南顶垸、钱北垸、钱南垸、华容护城垸、大通湖垸、新太垸等7个堤垸，采用环境稀释水量法得到的生态需水量均小于换水周期法得到的生态需水量，差异在24.8%～72.1%之间；其余堤垸采用环境稀释水量法得到的生态需水量均大于换水周期法得到的生态需水量，差异在26.5%～81.3%之间。造成2种方法计算差异的主要原因是：换水周期法得到的生态需水量与单位灌面水利设施容积有直接关系，由于各个堤垸单位灌面水利设施容积存在较大差异，当单位灌面水利设施容积较大时，换水周期法得到的生态需水量大，反之，换水周期法得到的生态需水量小；而环境稀释水量法计算生态需水量时，与垸内进出水量和进出污染物量有直接关系，与基础水利设施容积关系不大。建设垸等7个堤垸单位灌面水利设施容积较大，换水周期法得到的生态需水量大于环境稀释水量法得到的生态需水量；而其它堤垸单位灌面水利设施单位面积容积较大。

2种方法25个堤垸的单位灌面生态需水量差值与单位灌面水利设施容积的关系见图6。从图6可以发现，两种方法得到的单位灌面生态需水量差值与单位灌面水利设施容积呈现明显的负相关关系，这可能是一种偶然现象，但也可以从侧面反映了当单位灌面的水利设施容积较小时(本文限制为255 m3/亩,1亩=666.67 m2)，采用环境稀释水量法得到的生态需水量要大于换水周期法得到的生态需水量。由此可见，两者结果的差异与单位灌面水利设施容积具有很大的关系。换水周期法得到的成果与垸内水体容积具有关系，而环境稀释水量法以水质保护为主要目标计算生态需水量，本文建议在实际应用中以环境稀释水量法得到的生态需水量为依据，开展后续研究、规划及工程实施。

图6 25个堤垸单位灌面生态需水量差值与单位灌面水利设施容积关系Fig.6 Comparison between insufficient volume of ecolo-gical water demand and capacity of water conservancyfacilities per unit irrigation area in the 25 polders

4.3 敏感性分析

根据环境稀释水量法的计算原理可知，该方法得到的生态需水量容易受采样点个数多少、采样点位置的代表性、采样时间等因素的影响，为更有效地改善垸内生态环境，拟选择区域内关注度较高的大通湖垸的生态需水量进行敏感性分析。当垸内氨氮污染物的浓度在-20%～20%之内波动时，对应的生态需水量变化幅度见图7。从图7可以看出，随着现状氨氮浓度变化，垸内生态需水量发生变化，两者之间呈现约1.5倍的关系。由此可见，初步污染物浓度变化对垸内生态需水量的影响较大，准确检测污染物浓度对合理制定生态需水量具有十分重要的作用。

图7 垸内生态需水量敏感性分析Fig.7 Sensitivity analysis of ecological water demandin polders

根据《地表水环境质量标准》(GB 3838—2002)，湖、库与其他地表水总磷标准不一致。因此，对于根据氨氮污染物浓度得到的生态需水量，本文选用COD污染物浓度作为生态需水量的合理性验证指标，同样选取大通湖垸进行验证。由于区域内25个堤垸COD污染物浓度状况普遍好于氨氮污染物浓度状况，根据式(5)—式(11)可求得COD现状污染物浓度下的大通湖垸垸内生态需水量为75 800万m3，小于氨氮现状污染物浓度下的大通湖垸内生态需水量81 200万m3。由此可见，本文得到的生态需水量基本可以满足垸内生态需水量要求。

5 结 论

为改善洞庭湖区垸内水生态环境，以湖南省洞庭湖北部地区25个堤垸为研究对象，根据堤垸88个水质检测点两次氨氮污染物浓度的检测结果，以垸内水体3 a内达到Ⅲ类水质为目标，建立基于环境稀释水量法的生态流量计算模型，计算洞庭湖区堤垸生态需水量为32.161亿m3。通过与换水周期法计算成果32.156 亿m3对比，2种方法得到的生态需水量在总量上基本一致，但个别堤垸存在差异，导致差异的主要原因与各堤垸单位灌面上的水利设施容积有较大关系。经敏感性分析和合理性验证，环境稀释水量法得到的区域垸内生态需水量基本合理有效。由于环境稀释水量法是以水质保护目标为基础计算得到的生态需水量，本文作者建议对采用该方法得到的成果开展后续研究，为改善洞庭湖区垸内生态环境提供技术支撑。