大中型灌区生态水环境多方位修复技术分析

申 艳

（东营市水利灌溉服务中心,山东 东营 257091）

0 引言

在大力发展工业、农业的时代背景下,各种工业废料、农业化肥、生活污水,不约而同地排入自然水体,使水环境更加复杂,影响生态水环境的质量。围绕水环境质量问题,研究人员设计了多种生态水环境修复技术。其中,基于河长制的水生态环境修复技术,与基于GSI 的生态水环境修复技术的应用较为广泛。这两种修复技术均能够修复水环境,但是水环境保护体系主要针对事后修复,并未作出事前预防,而绿色雨水基础设施虽然针对了水环境源头进行修复,但是受到气候环境、土壤环境等问题的制约,导致水环境修复效果不佳[1]。因此,本文设计了大中型灌区生态水环境多方位修复技术。

1 大中型灌区生态水环境多方位修复技术设计

1.1 提取灌区生态水环境变化特征

在修复灌区生态水环境的过程中,灌区水环境变化特征的提取至关重要。从时间尺度上来看,灌区数据分为规划水平年数据与规划基准年数据。从种类上来看,灌区数据包括气象条件数据、水文环境数据、可视化环境数据等[2]。受到生态水环境的气候水文变化特征的影响,将灌区气温数据、降雨数据、径流数据、水质数据、土壤数据、作物种植结构数据、基础环境搭建数据等进行分析。其中,气温数据、降雨数据来自气象数据网；径流数据来自水文站,水质数据来自环境保护厅,土壤数据、作物种植结构数据由灌区提供,基础环境搭建数据包括实地考察、社会数据、GIS 数据等多个方面。通过以上数据的提取,对大中型灌区生态水循环格局进行优化[3]。为了进一步分析水环境变化情况,本文对灌区降雨径流量变化特征进行提取,径流量变化情况如下：

式中：f（x）为降雨量密度函数； 、β、a 为降雨概率密度曲线的三个待定参数；γ（β）为β的伽玛函数；e-β（x-α0）为自然对数函数的底数。

引入一个随机变量m,在水文频率曲线中p 为指定频率,则水文变化特征公式如下：

式中：p（m）为根据水文环境设定的理论频率曲线表达式；d为随机变量m 到曲线的距离；x 为曲线上的随机变化节点。

根据p（m）的变化情况对年内水资源变化情况进行分析,p（m）=25%时,灌区为丰水年；p（m）=50%时,灌区为平水年；p（m）=75%时,灌区为枯水年；p（m）=95%时,灌区为特枯水年。值越大,降雨量越少,灌区灌溉水量越少,影响生态水环境质量。

1.2 规划灌区地表水体的目标水质

生态修复不仅要从水环境内部进行优化,还需要对水质进行修复。针对水资源匮乏的问题,以消减水污染负荷来改善水环境质量[4]。灌区内部水系不仅需要满足排涝要求,也要规划出灌区地表水体的目标水质。水质控制指标见表1。

表1 灌区水体水质控制指标表

如表1 所示,灌区水环境受到农业化肥的影响,其水质环境不佳,亟需进行修复。在上述水质指标控制的条件下,水体在进入灌区泵站之前进行一次检查,指标合格之后才能进行农田灌溉。灌区不仅会在泵站接受水源,还会在周围河流接受水源[5]。因此,水环境修复的首要步骤就是清淤。考虑到灌区水系补水质量的问题,在灌区水源供给之前,均进行了深化处理,利用自然湿地建立前置处理库,减少处理消耗。自然湿地处理之后,通过人工湿地净化水质,最大限度地保证水环境质量。在灌区实行雨水资源化利用模式,在雨季收集雨水,并在旱季进行灌区灌溉,在灌溉之前同样进行处理。此种方式可以在不同空间尺度上修补水环境,优化大中型灌区生态水循环格局,为灌区灌溉质量提供保障。

1.3 建立灌区水环境生态修复区

在进行生态水环境修复的过程中,设定径流管理区、蓄水区、有机质培育区、生态修复区等四个阶段。在第一个阶段就是将灌区的径流流速进行管控,修复该区域内的生态水环境[6]。并在该区域种植水葱等生物,为相关植被营造出良好的水环境。在第二阶段就是将管理区的水文环境进行修复,渗透并蓄积水流,在保证灌区水位线不变的基础上,将原始生态驳岸进行修复,增加水流渗透效果。第三阶段就是在灌区设置一个有机质培育装置,通过灌溉提高土壤中的有机质含量增加。有机质培育装置结构见图1。

图1 有机质培育装置结构设计示意图

第四阶段,该阶段主要目的就是为原物种提供一个健康的生活环境。在水流进入灌区之前,将水质条件进行分析,水质达到灌溉需求之后才能进行灌溉。再加上第三阶段的有机质,能够使灌区经过水环境灌溉之后,植被、作物长势良好,为灌区的发展提供保障。

2 实例分析

2.1 工程概况

东营市丁家泵站灌区生态水环境修复工程属于一般中型灌区,设计灌溉面积约2.6×107亩。东营市的降水量较小,地表水资源量约9.5×108m3,主要集中在广饶县境内,属于较为贫乏的环境。按照山东省南水北调东线工程统一布局,东营市配套工程中心城区供水单元对应北分水口,东营市配套工程广饶供水单元对应南分水口。由于丁家泵站已经运行多年,进出口水流较为平稳,但存在淤积。

北分水口位于胶东干渠与东青高速路交汇处西侧约1.2 km 处左岸,建设性质为新建,结构型式为2 孔矩形开敞式水闸,设计流量13.0 m3/s,年引水天数为172 天,年引水量为1.75 亿m3。为了满足东营市的灌区建设需求,在灌区建设了丁家泵站,近五年的灌溉面积约0.35×104亩。受到水环境影响,灌区面积缩减,土地性质发生变化,减少了部分灌溉面积。经过观察发现丁家泵站灌区所建面积约4.17×103亩,缩减区域有三个部分,见图2。

图2 灌溉替代工程区域位置图

在1#、2#、3#等区域主要种植玉米和小麦,农业人口0.064万人,现状粮食总产量500万kg,农业生产总值1098.10万元。受降水年份的影响较大,灌区每年的灌输次数因降水和黄河来水的限制,每年灌水次数2 次,每次20 天左右,每年灌溉时间最多不到60 天。考虑到成立独立的管理机构人员在灌溉季节忙碌,但非灌溉季节会闲置,且会造成农业灌溉成本增加。因此,1#、2#、3#区域开始缩减,成为灌溉替代工程。1#区域面积为1717 亩,灌溉水源为三叉泵站,能够满足灌区日常灌溉需求。2#区域面积为1214.31 亩,接受来自滨州的水源,能够满足灌区日常灌溉需求。3#区域面积为1244.79 亩,灌溉水源为董王泵站,能够满足灌区日常灌溉需求。

2.2 应用结果

在上述条件下,选取1#、2#、3#等区域作为修复指标。以上区域分别采用修复前的生态水质,与修复后的生态水质进行灌溉。分析每个区域的表层pH、耕作层pH、有机质、Cl-、SO4

2-的变化情况,应用结果见表2。

如表2 所示,1#、2#、3#等区域均能够满足灌区日常灌溉需求。使用泵站与滨州水源在灌区灌溉之后,土壤pH值越高,越不利于该灌区植物的生长,影响生态修复效果；Cl-、SO4

2-较多,同样会影响生态修复效果。有机质越多,灌区植物的生长效果越佳。总体来看,土壤表层与耕作层pH需要降低,有机质需要增加,Cl-、SO42-需要减少,才能保证生态水环境修复效果。由表2 可知,在修复之前,1#、2#、3#区域的土壤为碱性,pH 值相对较高,有机质较少,Cl-、SO42-较多,区域内的灌溉水环境不佳,不利于植物的生长。采用修复技术修复之后,1#、2#、3#区域土壤修复成了弱碱性,有机质有所增加,Cl-与SO42-均得到了不同程度的减少。由此可见,使用本文设计的修复技术之后,能够多方位地修复生态水环境,使水质条件更佳,将雨水资源化利用,结合雨水中的pH 值,为灌区植被提供更良好的灌溉条件,符合本文研究目的。

3 结语

本文研究了大中型灌区生态水环境多方位修复技术。从目标水质、水循环格局、生态修复区等多个方面,对大中型灌区进行水环境修复。并以土壤pH 值、有机质,以及主要离子变化情况作为修复效果的评价指标,为灌区植被的生长提供保障。