宁夏沙湖生态环境复苏体系研究

2023-08-31王生鑫段丽婷

水科学与工程技术 2023年4期

王生鑫，段丽婷，张华

（宁夏回族自治区水文水资源监测预警中心，宁夏银川 750000）

受气候变化和人类活动影响，生态需水缺乏、面积萎缩、水环境质量下降是湖泊生态环境复苏亟待解决的重要问题［1,2］。沙湖属于西北干旱区典型的闭口型湖泊，具有防沙降尘、改善局地气候、维持生物多样性等重要功能，对维持区域生态安全等方面具有独特作用。同时，沙湖也是宁夏旅游胜地，受人类活动影响剧烈，生态环境脆弱，生态系统稳定性差，水体环境质量变化与旅游开发存在内在的必然联系［3］。因此，在研究沙湖生态环境复苏时，既要考虑提升湖泊水生态系统质量和稳定性，又要考虑实现湖泊功能的永续利用，从而实现人水和谐共生的目标。

1 研究区概况

1.1 地理位置及气候

沙湖地理坐标为106°20′E，38°49′N，位于宁夏石嘴山市平罗县西南部，原名红渠注，又称鱼湖，为一蝶形浅水湖泊，是宁夏最大的天然微咸水湖泊。流域属于典型的大陆性气候，年平均气温9.0～10.3℃，年平均降雨量不足200 mm，蒸发量高达1000 mm 以上，干旱少雨，降水年际变化大，季节分配不均匀，光热能丰富，日照时间长。

1.2 自然保护区

沙湖自然保护区东以第三排水沟东侧八一支渠—姚汝公路为界，西至东一支渠，北起姚汝公路，南与贺兰县洪广镇接壤，总面积4366.62 hm2，其中水域面积2761.40 hm2，占保护区总面积63.24%。水域空间上除大湖和输水河地表连通，其余水域分布并不连续，被沙地、道路、堤岸、沟渠等分隔。其中大湖属湖泊湿地，也称元宝湖（如图1，“①”），多年平均水深2.35 m，平均水面面积1702 hm2。环湖输水河与大湖连通，平均水面面积约105.5 hm2（如图1，“②”）。沼泽湿地主要分布在大湖东部和南部，为沙地、道路、排水沟、堤岸分隔的3 片小型湖泽（如图1，“③、④、⑤”）。平均水面面积约608.1 hm2，水深为0.3～1.0 m，属草本沼泽及季节性沼泽，主要由沼泽地、湿草甸构成，处于湖泊与沙地的过渡地带。库塘湿地主要分布在大湖东北侧（如图1，“⑥”），是沙湖重点退鱼还湖实施区域，平均水面面积约345.80 hm2。

图1 沙湖自然保护区水域分布

1.3 补水与水质

沙湖最主要的补给方式是渠道引黄河水，通过唐徕渠东一支渠（暖泉渠）和八一支渠，每年4—11月对沙湖进行生态补水。2014—2018 年，沙湖按照“外部隔离、内部循环、污水外迁、水体置换、生态修复、综合治理”的总体思路，开展11 项水质治理工程，通过工程措施、生物措施、管理措施加快推进沙湖水域生态环境改善治理。2020 年1—3 月、6—7 月沙湖水质为Ⅳ类，5 月、8—12 月为Ⅲ类，4 月为Ⅱ类。

2 研究方法

按照湖泊水量水质双平衡的思路，结合已实施的沙湖氧化塘湖水循环净化工程净化水量，构建沙湖水量水质耦合模型。

2.1 水量平衡计算方程

根据湖泊区域内降水、蒸发、渗漏和地下水补给量等，以月为计算单位，采取水量平衡原理，结合沙湖水面面积保护要求，确定达到水量平衡的年生态需水量。

式中Qi量需为达到水量平衡的月最小生态需水量（万m3）；Ei为第i 月湖泊蒸发量（万m3）；Qi渗漏为第i 月湖泊渗漏量（万m3）；Pi为第i 月湖区降水量（万m3）；Wi地补为第i 月湖泊周边地下水补给量（万m3）；n 为1—12 月。

根据陈洁［5］研究成果，沙湖周边区域潜水径流整体上由西南向东北方向流动，地下水流滞缓，故认为地下水补给量为零，则式（1）简化为：

从式（2）可看出，现状条件下，沙湖多年平均水量平衡是入湖水量（年生态需水量和降雨量）与湖泊蒸渗损失（湖泊蒸发量和渗漏量）之间的平衡。

2.2 水质平衡计算方程

沙湖是西北干旱区闭口型湖泊，污染物补水进入湖泊，根据水量平衡方程，建立水质平衡方程。

（1）水质平衡方程。

式中Ei、Qi渗漏、Pi意义同式（1），Ws为湖泊生态环境复苏目标蓄水量（万m3）；Ci为第i 月湖泊污染物浓度（mg/L）；Cs为湖泊生态环境复苏水质目标下污染物浓度（mg/L）。

（2）复苏湖泊生态环境的目标。

①保持湖泊面积不萎缩，即保持沙湖蓄水量4000 万m3。②保持湖泊水质稳定在地表水Ⅳ类水质。

（3）约束条件。

式中Wi为第i 月湖泊蓄水量（万m3）；Ws为湖泊生态环境复苏目标蓄水量（万m3）。

式中Ci为第i 月湖泊污染物浓度（mg/L）；Cs为湖泊生态环境复苏水质目标下污染物浓度（mg/L）。

3 沙湖生态环境复苏指标体系

3.1 生态需水量计算

沙湖保证其入湖水量是维持湖泊水面稳定，发挥水生态功能的基本条件［3］。根据水量平衡原理，在一定的降水保证率水平下，满足湖泊蒸发、渗漏损失等基础上，沙湖水域面积维持在2761.40 hm2时，生态需水量为2380 万m3（表1）。考虑补水渠道输水损失后，沙湖生态需水量折算至干渠直开口的水量为2499 万m3。

表1 基于水量平衡的沙湖逐月生态需水量单位：万m3

3.2 沙湖生态补水量计算

考虑补水带入的污染物和蒸发、渗漏等损失导致水体污染物浓度变化，沙湖在补水期按照先排后补的方式进行，先将湖泊原水排入沙湖氧化塘工程循环净化后再补水，保证沙湖水量平衡、水质符合Ⅳ类标准。根据监测，沙湖补水水质年内在Ⅰ类～Ⅲ类之间变化，为保障沙湖水生态系统质量和稳定性，按照2 个方案计算沙湖生态补水量，如表2。由表2 可知：方案1，沙湖补水前先排入氧化塘工程水量为3810 万m3/年，氧化塘工程回补沙湖水量2582 万m3/年，补黄河水3608 万m3/年，折算至干渠直开口的水量为3788 万m3/年；方案2，沙湖补水前先排入氧化塘工程2665 万m3/年，氧化塘工程回补沙湖水量1746 万m3/年，补黄河水3299 万m3/年，折算至干渠直开口的水量为3464 万m3/年。

表2 基于水质平衡的沙湖逐月生态补水量单位：万m3

3.3 生态预警水位确定

因沙湖水位监测缺乏长系列水位监测资料，根据SL/Z 712—2021《河湖生态环境需水计算规范》，采用“近10 年最枯月平均水位法”确定沙湖生态水位。计算得出，沙湖2012—2020 年月平均水位在1098.82～1099.96 m 之间；最低水位1098.64 m，出现在2021 年1 月。因此确定1098.64 m 为沙湖生态水位。

4 沙湖生态环境复苏监测预警体系

4.1 建立完整的生态环境监测体系

完善监测与制度建设是实现河湖生态环境复苏的必要保障，湖泊生态复苏措施的推行程度依赖于数据的监测精度［5］。①设置沙湖水位站、东一支渠和八一支渠入湖断面、重要生态敏感区控制断面、主要控制性水工程断面等为沙湖生态环境复苏监测控制断面，开展水位、补水量、水质和水生态监测，建立起完备的监测预警体系。②重点加强枯水期水位、水质、补水口水量监测能力，提高小流量测验精度，对重点水区域进行紧密监测，提高沙湖生态环境安全保障。③通过对生态要素的监测信息，分析其水情发展趋势及承载能力，对沙湖水资源进行科学合理的调度决策提供参考依据，促进沙湖持续健康发展。

4.2 建立沙湖生态水位预警机制

沙湖生态水位预警等级的设定，可采用水位值或水位最大变幅值的一定比例合理确定。当沙湖水位站水位达到预警阈值时，启动蓝色、黄色、红色三色预警响应，如表3，增加东一支渠或八一支渠补水计划，保障沙湖生态水位达标。当补水渠道设计流量不能满足时，在典农河水质达标情况下，可应急临时启用典农河补水。

表3 沙湖代表水位站预警值设置

5 沙湖生态环境复苏管理体系

5.1 责任主体

沙湖具有生态功能与旅游开发双重功能。因此，沙湖生态环境复苏管理体系按照“开发部门为直接责任，部门监管为主体责任”的思路，建立沙湖生态环境复苏管理体系。

（1）宁夏沙湖旅游股份有限公司是沙湖开发的法人单位。因此，它是落实沙湖生态环境复苏的直接责任人，应加强生态需水量监测断面和监测设施的管理，制定生态需水量预警方案，落实责任人员。

（2）沙湖所在区域水行政主管部门是沙湖生态环境复苏保障责任主体，在制定县域发展规划、工程建设布局、水资源开发利用及生态环境保护规划等方面，要以沙湖生态需水量作为重要的约束条件，适量增加补水量，严禁人造规模化水面景观，确保生态需水量稳定。将生态用水纳入县域水资源配置和管理之中，建立生态需水量保障机制。强化水污染防治和节水型社会建设，实施生态需水量适应性管理，探索建立生态需水量补偿机制。构建沙湖生态需水量监测监控系统平台及预警机制，逐步建立并完善生态需水量保障制度，提升生态需水量保障能力。

（3）沙湖所在区域水行政主管部门的行业管理部门是沙湖生态环境复苏监管责任主体，负责沙湖生态环境复苏的监督检查，每年下达沙湖生态需水量计划，定期或不定期开展现场检查。

5.2 日常管理措施

沙湖生态环境复苏的直接责任人要持续加强水域生态环境进行改善治理。

（1）加强管理保障沙湖鸟岛区域湖水强化处理工程、补水口区域湖水循环净化工程及沙湖湖水循环净化工程的运行，定期维护保证其处理能力和净化效果。

（2）定期对沙湖进行底泥疏浚，将底泥中营养元素、重金属等有害物质直接除去。

（3）禁止养鱼。

（4）严格按照沙湖保护区界限，不得随意扩大沙湖水面面积和湖泊挖深扩大蓄水量等，严禁随意与其他水域互联互通营造水面景观规模。

沙湖所在区域水行政主管部门是保障沙湖生态环境复苏的主体责任部门，要统筹区域用水总量控制指标，对沙湖生态用水量进行确权。当前沙湖的生态补水为东一支渠和八一支渠，补水来源单一，对黄河的依赖程度较高。在典农河水质好于Ⅳ类的情况下，要研究制定启用典农河补水方案。充分挖掘沙湖氧化塘工程效益，加快水体的流动性，改善沙湖水体的水动力学特征，以利于水质优化。

5.3 应急管理措施

当发生严重洪涝、干旱或船舶堵塞等事件时，水量调度按照应急水量调度方案进行。严格控制社会经济用水，优先满足城乡居民生活用水，保障基本生态用水，并统筹农业、工业用水等需要，以保障沙湖最低生态水位水量目标要求，维护沙湖健康和良好生态环境。当黄河上游发生水污染事件后，暂停东一支渠和八一支渠的黄河水补水，启动水污染应急方案。

5.4 考核督查措施

将沙湖生态生态环境复苏管控纳入最严格水资源管理制度和河长制双重考核，督促沙湖所在地人民政府切实履行沙湖生态需水量管控职责。按自然年进行考核，考核指标为旬保证率，当黄河来水频率优于75%时，旬保证率大于等于90%时考核等级为“合格”，旬保证率小于90%时考核等级为“不合格”；当黄河来水频率劣于75%时，不对生态水位进行考核。

采用“四不两直”方式加强监督检查，加强沙湖生态环境复苏监测结果运用，按照“提示、约谈、通报、问责”4 个整改等级予以督办，确保各责任单位严格落实生态需水量管控要求。将生态环境复苏监管作为最严格水资源管理和河长制执法监管工作的重要内容；建立生态需水量达标通报制度，建设公众监督平台，接受社会公众问题反映和监督举报。