小型河湖水系连通工程研究——以绵竹市石亭江-射水河为例

刘明国,王 丰

(1.四川省水利规划研究院,成都 610072;2.中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司,杭州 311122)

0 引言

随着各种河湖水系连通工程在不同尺度下进行建设,我国正在逐步构建国家水网、流域水网、区域水网。大型的跨流域调水工程如南水北调工程东线、中线的输水运行,已经带来显著的社会经济效益,为陆续开工建设的河湖水系连通工程提供了大量经验。大尺度的河湖水系连通工程体系已经初步构建,有效地改善了我国水资源时空分布不均匀的水情。根据第一次全国水利普查成果,我国流域面积200 km2以下河流3.4万多条,1 km2以下湖泊2 865个,塘坝456万处。根据我国河湖基本概况可知,我国小流域、小型湖泊点多面广,所以在小型河湖水系连通项目开发上还有很大潜力。2015-2016年,水利部全面安排和部署河湖水系连通工作,通过中央财政资金补助的方式引导地方实施了84个县市层面的江河湖库水系连通项目。通过采取河道连通、清淤、生态护岸建设等措施,改善了362条(个)河流(湖泊或水库)的连通性,补充生态水量近6.9亿m3,新增生态护岸长度585 km,增加水面面积180 km2,新增或改善湿地面积186 km2,实现了多方面的综合效益[1]。当前各地根据当地的水系布局和河道功能定位正在逐步开展小尺度水网连通的试点项目,有效地提高了区域的水资源调控能力。

一些学者已经在河湖水系连通的尺度问题上开展了一些研究。李宗礼等[2]、李原园等[3]认为河湖水系连通战略研究中应高度重视尺度问题,可以从国家、区域、流域等3个层面研究不同类型的河湖水系连通;窦明等[4]在此基础上又增加了城市层面,但上述研究都是在空间尺度上的;王中根等[5]同时考虑了河湖水系连通具有水循环的时间尺度效应。小型河湖水系连通工程在空间尺度上属于小尺度,水系连通往往不会跨流域,连通区域影响范围在区域层面和城市层面从几平方公里到几千平方公里不等。

目前,关于河湖水系连通的理论研究与实践已经广泛开展,但具体关于小尺度的河湖水系连通工程的系统研究还比较少。一些学者在城市层面上对河湖水系连通进行了研究,周振民等[6]利用图论的方法对郑州市的水系格局和连通性进行评价分析,将水系连通的定性分析转化为定量分析;丁相毅[7]以湖南省凤凰县为例,在海绵城市建设背景下以城市河湖水系连通为核心进行城市水系规划实践;胡昊等[8]对泗洪县县城区的河网水系的连通性及水质进行研究分析,讨论了该区域河湖水系连通的必要性;刘佳明等[9]在前期规划的磁湖河湖水系连通方案的基础上对最佳引水量进行研究,试图解决引水调控工程中的经济效益问题;杨卫等[10]利用水动力水质数学模型对汤逊湖湖泊群的五种连通方案进行综合评价,来确定最优的连通方案;李原园等[11]以更加微观的角度对我国农村水系治理现状和存在的问题进行分析,提出集中推进农村水系连通来促进农村水系综合整治。关于小型河湖水系连通的具体研究目前还不够全面,而且当前大量的小尺度河湖水系连通的工程实践在各地不断开展,亟需更多的理论研究作为技术支撑。本文以绵竹市石亭江-射水河河湖水系连通工程为例探讨小型河湖水系连通的关键问题,分析小尺度水系连通的一些特性,并与大尺度的水系连通进行对比分析。

1 绵竹市河湖水系连通实例分析

1.1 研究区域概况

绵竹市射水河为石亭江左岸一级支流,位于成都平原东北的绵竹市和德阳市旌阳区境内,干流发源于绵竹市土门镇半月山下,依次流经绵竹市土门、板桥、清道、齐福、孝德、观鱼,于旌阳区天元镇汇入石亭江。河道全长44.9 km,平均坡降为5.96‰,流域面积292 km2。流域径流主要由降水补给,枯季由地下水和融雪补给。径流的年际年内变化与降水年际年内变化基本一致。河源区地处山区,人类活动较少,流域内植被保护较好,具有较好的水源涵养能力,枯季河道基流稳定。射水河河源区沿山溪沟支流发育较多,主要支流有响水沟、蚂蝗沟、马跪寺沟、龙蟒河。马跪寺河汇口以上射水河干流集水面积22.8 km2,马跪寺沟集水面积7.4 km2,汇口处多年平均流量0.164 m3/s,最枯月平均流量0.035 m3/s;龙蟒河汇口以上射水河干流河段集水面积26.9 km2,多年平均流量0.78 m3/s,最枯月平均流量0.164 m3/s。射水河、马跪寺沟、龙蟒河段的河段两岸有少量的砌体或混凝土护坡、护脚,因年久失修,加之受“5.12”汶川大地震的破坏,已无防洪能力可言。

由研究区域的概况可以获知,射水河面临的水问题主要为以下方面：枯水期干旱缺水、水环境恶化。这两个方面之间存在一定的联系且相互影响,射水河枯水期水源无法得到有效补给,径流无法满足其生态基流,往往还会产生断流现象,必然会导致河道水环境恶化;若河道水环境恶化,河道生态系统会遭到严重破坏,同时,还会降低水资源的质量,原本可以利用的水资源失去其使用价值,造成“水质型缺水”。绵竹市河湖水系连通工程在综合考虑射水河流域的基本属性和多功能性的基础上,确定其主导功能为解决射水河枯水期的生态环境用水问题。射水河为石亭江的一级支流,通过石亭江干流引水在枯水期向射水河补水,连通时效为非常态性单向连通。

1.2 水系连通条件分析

(1)水源条件分析：纵观周边水源,有项目区西侧的石亭江前进渠北干渠和南侧的人民渠红岩分干渠,且两处水源水量满足,高程满足,Ⅲ类水质需净化。前进渠北干渠分为四条支渠,其中三四支渠前段合为一体沿山布置后再分为三、四两支,三四支渠的渠系基本覆盖了整个项目区,因此,三四支渠是项目区的优选水源。由于引用水源水质仅为Ⅲ类水,需要对其进行净化处理。结合区域已有的洼地和鱼塘等构建4处生态湿地来净化水质。

(2)河流生态需水分析：射水河响水沟汇口至马跪寺沟汇口段在枯水期(11月～翌年4月)基本无水,需要对该河段进行生态补水。射水河生态流量取90%保证率最枯月平均流量和多年平均天然径流量的20%这两者之间的大值,确定生态需水流量0.139 m3/s,占河段多年平均径流量的21.2%,补水时段为11月～翌年4月,补水天数181 d,年补水量217.37万m3。

(3)湿地生态需水分析：由于引用水源水质仅为Ⅲ类水,需要对其进行净化处理,结合区域已有的洼地和鱼塘等构建4处生态湿地来净化水质。由石亭江高景关2016年3月的实测水质资料,按Ⅱ类水质目标考核,引用水质总磷超标50%。表面流人工湿地对总磷的去除率为35%～70%,能够满足对超标污染物总磷的去除效果。由向射水河补水的生态流量确定生态需水面积,本次湿地布置结合对项目区卧云村的洼地、广济寺附近的鱼塘、清滩鱼塘和响水沟沟口以上射水河左岸低地等适宜地形进行改造。湿地生态需水量采用水量平衡法对来水、需水进行估算,确定P=90%的生态需水流量0.051 m3/s,年需水量161.92万m3。

1.3 水系连通工程规模

(1)连通工程：本次连通工程主要由四段构成,分别是卧云湿地～广济寺湿地、广济寺湿地～清滩湿地、清滩湿地～射水河和射水河耿家堰～五齐湿地,其中,卧云湿地～广济寺湿地为已成渠道。连通渠道流量应满足向射水河的生态补水流量、向途径湿地的生态补水流量和渠道输水损失三者之和及湿地排涝流量。

(2)湿地工程：依托射水河上游的河流水系,在三四支渠上段的卧云村建设卧云湿地,广济寺建设广济湿地,在天宝村建设清滩湿地,在射水河上段干流左侧的五齐村建设五齐湿地。上述4处湿地的总面积39 hm2。其中：卧云湿地2 hm2,广济寺湿地5 hm2,清滩湿地17 hm2,五齐湿地15 hm2。

(3)河道整治工程：射水河从漫水桥下游至熊家瓦窑段不能满足10年一遇防洪标准,马跪寺沟谷家老院子至雷家院子段及龙蟒河河口段行洪能力甚至不足5年一遇防洪标准,洪水威胁两岸人民群众的生命财产安全。确定防洪标准为10年一遇洪水标准,对部分河段经疏浚和拓宽处理后,使河段行洪能力满足防洪标准。

绵竹市河湖水系连通工程的总体布局为：从石亭江前进渠北干渠三四支渠卧云村取水流入卧云湿地(洼地改造,湿地面积2 hm2),卧云湿地出水经已有渠系进入广济寺湿地(鱼塘改造,湿地面积5 hm2),广济寺湿地出水经整治后的老河和部分新建连通渠道进入清滩湿地(鱼塘改造,湿地面积17 hm2),清滩湿地出水经整治后的烂泥沟流入射水河;射水河干流上对行洪能力不能满足10年一遇防洪标准的漫水桥下游至熊家瓦窑段进行疏浚、清淤和局部拓宽处理,在响水沟沟口以上射水河左岸构建具有净化射水河上段水质和可以调蓄、缓冲射水河汛期洪水的五齐生态湿地(湿地面积15 hm2),对射水河干流山金寺～龙蟒河汇口段已有的5处壅水堰进行整治,并恢复重建1处,新建1处;对支流马跪寺沟行洪能力不满足防洪标准的谷家老院子至雷家院子段进行清淤、疏浚和拓宽处理;对射水河从山金寺～龙蟒河汇口段(6.80 km)、马跪寺沟谷家老院子～马跪寺沟口段(1.14 km)、龙蟒河尹家院子～龙蟒河河口段(0.72 km)的两岸打造成吸附污染和净化水质能力较强且稳定性良好的生态河岸。

1.4 水系连通效益分析

该水系连通工程可以有效改善射水河水体环境,为维持河流健康生命发挥重要作用,带来生态效益、防洪效益、水功能区水质改善后供水效益等社会经济效益。

(1)生态效益：人工湿地是一种模拟自然湿地的人工生态系统,当各类污水进入人工湿地后,通过过滤、吸附、沉降等物理作用及化学与生物作用的协同,最终能够达到改善水质等目的。绵竹市河湖水系连通工程结合区域已有的洼地和鱼塘等构建4处生态湿地净化水质。由于人工湿地属于生态系统,因此,连接通道中建设的湿地不会破坏周围环境,还能凭借自我维持与修复能力实现对污水中各种物质的循环利用与净化再生,从而调节、修复、改善射水河周边地区的生态环境。

(2)防洪效益：该项目通过治理河道,畅通水系,恢复河道行洪能力,由湿地和水库的调蓄作用削减洪峰,提升区域防洪标准,解除沿岸居民和耕地遭受的洪水威胁,保障沿岸人民群众生命财产安全。

良好的学习氛围是保证教学效果有效的基本前提，学生只有在宽松、和谐的学习环境中，才能保持心情愉悦，注意力集中，教师要让学生积极参与到教学的设计环节中来，而不是单纯地充当接受者的身份，使学生感受到老师的重视，从而提高英语教学质量。

(3)社会效益：绵竹市将通过实施江河湖库水系连通工程和江河湖库水系综合整治来大力推动水生态文明建设。整治渠道及渠系建筑物,引石亭江水连通射水河,构建河湖绿色生态廊道,打造安全型、生态型河流;实施河道治理、清淤疏浚、打通阻隔、生态修复等工程,保护恢复河湖生态系统及功能,促进人水和谐。特别是工程运行后,将有效改善生态园内水质,对保护人们的身体健康和改善生态园的投资环境起到积极的作用,在取得环境效益的同时也取得较大的社会效益。

2 小型河湖水系连通关键问题

大尺度的河湖水系连通往往是国家层面或者流域层面上,连通工程一般会跨流域进行,且会影响到自然、社会的各方面,需要统筹安排、合理规划。一般受水区域能够获得更大利益,但水源地及其下游地区由于地表水资源及径流的减少,或多或少会受到影响。小规模的河湖水系连通由于涉及的区域小、人口少,影响范围小,一般不会对邻近地区造成太大影响。在对绵竹市石亭江-射水河河湖水系连通工程的研究基础上,对小型河湖水系的连通影响、连通功能、连通条件、连通对象进行研究分析。

2.1 连通影响

在流域水文循环的过程中,水资源通过蒸发、降水、下渗和径流四个主要环节进行交换,径流是人类活动最容易控制的环节,水系连通最主要的也是通过对径流的分配来满足一些其他功能。一定流域是一个局部开放系统,河湖水系的连通会改变原来的自然水循环过程,形成一个新的自然-人工水循环过程。对于区域的水系连通并不会很大程度上影响流入和流出该区域的径流大小,所以,小范围的连通工程对水循环的影响会比其他的一些人类活动(如跨流域调水、水库蓄水、大坝拦水等)低,且区域河湖水系连通工程本身不会对原来河道上下游的生态环境造成负面影响。大型的河湖水系连通工程通过改变水面面积,甚至改变了局部小气候,对水循环的影响尤为显著[12]。大型的河湖水系连通工程比如跨流域调水直接减少了调水流域地表水的水资源总量,可以很大程度上改变水资源时空分布不均匀的状况。

河湖水系连通工程可以根据工程规模、受影响区域的人口数量、经济规模来划分连通项目的重要性程度。河湖水系连通可以由连通对象是否跨流域、项目区域范围大小来确定空间尺度大小。小型的河湖水系连通工程往往是在区域和城市层面上进行的,且一般不会跨流域,具有影响范围小的特点。

此外,水系连通改善了各种水体的连通性,水体的更新速度加快,所以,污染物在水体中迁移速度加快,改变了污染物在水体中物理化学作用。河湖水系连通后,提高了水系之间水体的连通性,可能同时会使污染物的迁移速度加快,使得污染的影响范围加大。为了达到水系连通后改善水质的目的,需要对水质迁移转化规律进行分析研究。

2.2 连通功能

当前我国中小流域还面临一些水问题亟需解决：(1)大量小范围的河塘水系逐渐萎缩消失、湖泊干涸、湿地范围缩小;(2)河湖水质恶化、河湖水系都遭到不同程度的污染、富营养化严重;(3)部分河流防洪标准低,河道行洪能力不足;(4)部分河道生态流量不足,难以满足河流基本功能。小尺度的河湖水系连通工程应以这些实际问题为导向,在能够改善当地水资源状况的前提下进行水系连通、优化连通线路,从而促进区域人水和谐。

一定区域内的水资源是有限的,且各部门如农业、工业、生活、生态等都有用水需求,在对当前区域的水资源利用情况进行分析后,河湖水系连通工程应尽可能协调各用水部门可能产生的矛盾,来提高区域的水资源统筹调配能力、河湖健康保障能力、抵御水旱灾害能力。由于各地区的水资源状况具有一定差异性,通过分析当地水资源存在的问题和需求,综合考虑不同区域间各方利益来确定用水的主要矛盾。河湖水系连通一般能够发挥综合效益,在解决主要矛盾的基础上再兼顾其他问题,争取做到一水多用、全局统筹、兼顾局部。

2.3 连通条件

适宜稳定的水源是连通项目区顺利实施和运行的前提。分析连通区域周围的水源分布,分析其水文条件,确定最优水源;在工程允许的情况下也可以采用多水源供水方式。水力条件是满足不同连接对象之间水体运动和维持河流功能的关键。水体在运动中满足质量守恒定律、能量守恒定律等普遍规律,即可以得到水量平衡方程和能量方程。水体在连通渠道中会发生渗透损失,导致水量减少;水流运动会发生水头损失,动能或势能可能会降低,所以,在对连通条件进行分析时需要考虑到连通渠道的水量、流速、水头是否满足要求。为了更好地满足水系的功能需求,把握水力规律可以确定更优的河湖水系连通方案。小型河湖水系连通的连通渠道一般距离较短、水量少、流速低,所以连通条件及技术条件都较好满足。

2.4 连通对象

各种水资源的承载体相连都需要一定的水力条件来维持水循环,小型河湖水系连通的连接对象主要有河流、小型湖泊、湿地、塘坝等,各种连通对象可以相互连接,一般以渠道作为连接通道。我国河流密布,水系众多,流域内河流与河流连接为最主要的连接方式,通常有同一级河流相互连接,或者高一级河流向其支流补水等;湖泊和湖泊、湿地与湿地相互连接也可以增加水体的流动性,促进水体发挥其自净能力;河流、湖泊、湿地相互连接可以综合发挥各个连接对象的功能,如河流的水体更新速率快,湖泊、水库具有良好的调蓄功能,湿地净化水体、改善水环境。多对象的连接方式可以产生综合效益,满足该区域的多功能需求。在实际的工程需求中可以因地制宜增加不同类型的连接方式,比如在连接通道中建设多个小型湖泊、生态湿地等。

小型的河湖水系连通在连通尺度、影响范围、连通对象、技术条件、连通特点等方面都与大型河湖水系连通有所区别,见表1所示。

表1 不同类型河湖水系连通异同点对比

3 结论

本文从绵竹市石亭江-射水河工程实例出发,对该区域河湖水系连通工程规划中的一些关键问题进行梳理。结果表明：从射水河实际水问题出发确定连通工程主导功能为解决枯水期的生态环境用水问题,连通工程的技术条件可行,总体工程主要由连通工程、湿地工程和河道整治工程构成,工程实施后可以有效改善射水河流域的水体环境,带来一定的社会经济效益,对于促进该区域发展具有重要作用和意义。不同尺度下水系连通的水文基本原理和方法相同,在实际工程中根据其各自的特点进行合理规划,充分发挥各自优点。通过对绵竹市河湖水系连通工程的研究,初步探讨了一般小型河湖水系连通的关键问题,可以结合当前河湖水系连通的理论与实践,为水资源统筹配置、提高区域水安全提供更优的思路。

今后的研究工作可以通过收集更多关于小型河湖水系连通的实例资料,选取更多的小尺度水系连通进行类比分析以得到普遍规律。同时,结合当前正在开展的中小河流综合整治、水土保持小流域治理、小流域山洪灾害防治,探讨如何将小型河湖水系连通与这些项目充分结合,从而发挥小流域综合治理的最佳效益。此外,还可以以更加系统的观点来研究区域水系子系统连通对整个流域的影响,分析小型河湖水系连通带来的潜在影响与风险。