關(guān)麗罡，趙天祺，崔曉東

（內(nèi)蒙古河套灌區(qū)水利發(fā)展中心，內(nèi)蒙古 臨河 015000）

1 研究背景

湖泊作為生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，具有調(diào)蓄、改善水質(zhì)、動物棲息地、調(diào)節(jié)局地氣候、供水等一系列生態(tài)服務(wù)功能［1］。湖泊需要補(bǔ)充年內(nèi)由于各種原因耗散的水量以便維持合適的生態(tài)水位［2］。我國地處亞熱帶季風(fēng)區(qū)，水資源時(shí)空分布不均是水資源開發(fā)利用面臨的挑戰(zhàn)之一，尤其是西北干旱半干旱區(qū)土地、生態(tài)環(huán)境、人口與水資源間更為不協(xié)調(diào)，水資源短缺愈發(fā)常態(tài)化和顯性化，不能滿足地區(qū)高質(zhì)量發(fā)展的需要［3］。地處西北內(nèi)陸干旱、半干旱區(qū)的湖泊常年受區(qū)域降水少、蒸發(fā)大、無穩(wěn)定優(yōu)質(zhì)水源補(bǔ)給、生態(tài)需水無法得到有效保證的制約，湖區(qū)水面萎縮、水體咸化趨勢明顯。

在實(shí)施流域綜合節(jié)水治污措施的基礎(chǔ)上，引調(diào)水工程是解決我國水資源空間分布同區(qū)域人口、生態(tài)環(huán)境等要素間矛盾的重要途徑之一［4］。早在公元前2400年，古埃及為滿足灌溉與航運(yùn)需要便修建了世界上第一條跨流域調(diào)水工程線路。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，目前世界上已有24個(gè)國家和地區(qū)興建了160多項(xiàng)跨流域調(diào)水工程［5］。然而，目前引調(diào)水工程主要以灌溉、供水、發(fā)電等為目的，服務(wù)于河湖生態(tài)環(huán)境改善的生態(tài)補(bǔ)水相對較少。

烏梁素海流域位于我國賀蘭山與陰山之間的西北季風(fēng)通道，西臨烏蘭布和沙漠，北有巴音杭蓋戈壁，南有庫布齊沙漠，是國家生態(tài)安全戰(zhàn)略格局中“北方防沙帶”的重要組成部分，是阻止烏蘭布和沙漠向東侵蝕，阻隔烏蘭布和沙漠和庫布其沙漠連通的“重要關(guān)口”，是我國北方重要的生態(tài)安全屏障。烏梁素海常年以河套灌區(qū)農(nóng)灌退水和城市生活尾水為主要補(bǔ)給水源，湖區(qū)水質(zhì)惡化和咸化趨勢明顯。近些年黃河水量較豐，在灌溉間歇期利用河套灌區(qū)灌排系統(tǒng)向?yàn)趿核睾Ｉ鷳B(tài)補(bǔ)水對湖區(qū)水質(zhì)改善效果顯著。

本次研究以新時(shí)代生態(tài)環(huán)境治理思路及水利工作方針為指導(dǎo)，結(jié)合近些年來對烏梁素海生態(tài)補(bǔ)水取得的成效，運(yùn)用MIKE軟件分析不同補(bǔ)水情景下湖區(qū)水質(zhì)改善效果，為后續(xù)開展烏梁素海流域水環(huán)境綜合治理提供技術(shù)支撐和科學(xué)依據(jù)。

2 近年來烏梁素海生態(tài)補(bǔ)水成效及問題

在黃河凌汛期、灌溉間歇期及秋澆后期通過河套灌區(qū)的灌排溝渠進(jìn)行補(bǔ)水作為一項(xiàng)重要措施，對改善烏梁素海水環(huán)境起到了重要作用。近年來烏梁素海水質(zhì)逐步好轉(zhuǎn)，鳥類數(shù)量有所增加，湖體生態(tài)功能逐步恢復(fù)。2008—2019年歷年向?yàn)趿核睾Ｉ鷳B(tài)補(bǔ)水水量如圖1。2015—2019年向?yàn)趿核睾Ｉ鷳B(tài)補(bǔ)水共計(jì)20.31億m3，年均補(bǔ)水4.06億m3。

圖1 2008—2019年歷年黃河向?yàn)趿核睾Ｉ鷳B(tài)補(bǔ)水情況

根據(jù)灌區(qū)排水入黃出口趙貴斷面水質(zhì)資料顯示，在實(shí)施生態(tài)補(bǔ)水之前的3年（2012—2014年）與近3年 （2017—2019年） 比較，COD3年平均值下降了17.8mg/L，下降率為33.7%，總磷3年平均值下降了0.27mg/L，下降率為51.9%，總氮3年平均值下降了3.27mg/L，下降率為54.2%。趙貴斷面水體水質(zhì)由原來的劣V類變?yōu)楝F(xiàn)在的長時(shí)間保持Ⅳ類。

但是，補(bǔ)水過程中由于冰凌破壞渠道，影響灌區(qū)正常灌溉，渠道建筑物凍脹破壞加劇等諸多問題，需要進(jìn)一步考慮補(bǔ)水通道及補(bǔ)水時(shí)段問題。

3 烏梁素海水質(zhì)改善效果分析

3.1 烏梁素海二維數(shù)學(xué)模型

基于烏梁素海1∶10000測繪CAD、遙感影像等，建立模擬面積為329.4km2的二維數(shù)學(xué)模型。烏梁素海水面面積大，平均水深淺，岸線較曲折，匯入支流多，湖區(qū)內(nèi)現(xiàn)狀建有堤壩、橋閘、水道等水利工程，采用三角形+矩形耦合的非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格能夠獲得較好的模擬效果。模型網(wǎng)格精度控制在1km2以內(nèi)。模型水下高程及網(wǎng)格如圖2。

圖2 烏梁素海水下地形及網(wǎng)格

采用烏梁素?？刂菩怨こ碳昂^(qū)典型監(jiān)測點(diǎn)2017年監(jiān)測數(shù)據(jù)對模型參數(shù)及模型模擬效果進(jìn)行了率定。

根據(jù)圖3，湖區(qū)代表性的監(jiān)測點(diǎn)的水位過程線的率定結(jié)果可知：烏毛計(jì)模擬水位與實(shí)測水位吻合度在-3.00%～+3.67%，誤差在10%以模擬內(nèi)吻度較高，該水動力模型能夠合理反應(yīng)湖區(qū)全年的水位變化過程。故建立烏梁素海二維水動力模型的計(jì)算結(jié)果合理可信，可作為后續(xù)的水質(zhì)模型的水動力基礎(chǔ)，用于水質(zhì)的模擬預(yù)測研究。

圖3 烏毛計(jì)閘水位率定（2017年）

3.2 模擬方案及結(jié)果分析

基于烏梁素海流域各類型污染源入湖及近年生態(tài)應(yīng)急補(bǔ)水情況，確定以下模擬方案：

3.2.1 不實(shí)施生態(tài)補(bǔ)水情景

現(xiàn)狀方案：考慮河套灌區(qū)城鎮(zhèn)生活污水、農(nóng)業(yè)灌溉退水、工業(yè)廢水等均進(jìn)入烏梁素海，主要入湖口為總排干紅圪卜揚(yáng)水站、八排干、九排干、新安分干溝，不考慮生態(tài)補(bǔ)水。

流域減排方案：考慮實(shí)施河套灌區(qū)內(nèi)城市及農(nóng)業(yè)污染綜合治理措施后，降低現(xiàn)狀污染負(fù)荷30%，城鎮(zhèn)生活污水、農(nóng)業(yè)灌溉退水、工業(yè)廢水等仍進(jìn)入烏梁素海，主要入湖口與現(xiàn)狀方案相同，不考慮生態(tài)補(bǔ)水。

圖4 烏梁素海湖區(qū)水質(zhì)率定（2017年）

模擬結(jié)果如圖5。對比兩種方案，實(shí)施流域內(nèi)污染綜合治理可以有效提升湖區(qū)水質(zhì)，湖區(qū)出口污染負(fù)荷降低約10%，但灌溉期后COD仍處于劣Ⅴ類。

圖5 不進(jìn)行生態(tài)補(bǔ)水情景下2017年全年湖區(qū)出口COD指標(biāo)模擬結(jié)果

3.2.2 考慮生態(tài)補(bǔ)水情景

在現(xiàn)狀方案的基礎(chǔ)上，考慮利用現(xiàn)有灌溉渠道從總干渠引水，通過黃濟(jì)、西樂、永濟(jì)、豐濟(jì)、沙河、義和6條渠道，自總排干紅圪卜、爛大渠2處揚(yáng)水站入湖。不同生態(tài)補(bǔ)水量對烏梁素海湖區(qū)水質(zhì)影響的模擬結(jié)果如圖6。當(dāng)補(bǔ)水5億m3時(shí)，湖區(qū)出口水質(zhì)全年均可達(dá)到優(yōu)于地表水Ⅴ類。

圖6 不同生態(tài)補(bǔ)水流量下烏梁素海湖區(qū)出口COD年內(nèi)變化情況

進(jìn)一步考慮在補(bǔ)水5億m3時(shí)，2020年實(shí)施河套灌區(qū)內(nèi)城市及農(nóng)業(yè)污染綜合治理措施降低現(xiàn)狀污染負(fù)荷30%后，遠(yuǎn)期烏梁素海湖區(qū)出口水質(zhì)模擬結(jié)果如圖7。在生態(tài)補(bǔ)水的基礎(chǔ)上實(shí)施流域內(nèi)污染綜合治理更加有效，湖區(qū)出口污染負(fù)荷降低約25%，湖區(qū)全年水質(zhì)基本可以穩(wěn)定在地表水Ⅳ類。

圖7 考慮生態(tài)補(bǔ)水情景下烏梁素海湖區(qū)出口遠(yuǎn)期COD年內(nèi)變化情況

4 結(jié)語

隨著河套灌區(qū)區(qū)域經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和當(dāng)?shù)丨h(huán)保工作的不斷加強(qiáng)，以及烏梁素海綜合治理的實(shí)施，工業(yè)企業(yè)和城鎮(zhèn)加快了污水處理廠建設(shè)和提標(biāo)升級的步伐，在一定程度上減輕了工業(yè)廢水和城鎮(zhèn)生活廢水對烏梁素海區(qū)域水環(huán)境的壓力。由于烏梁素海流域是我國優(yōu)質(zhì)糧食的主產(chǎn)區(qū)，烏梁素海長期接納河套灌區(qū)各級排干溝的農(nóng)田退排水，農(nóng)業(yè)農(nóng)村面源污染負(fù)荷將逐步成為烏梁素海主要的污染源，這也是湖區(qū)COD超標(biāo)的主要原因，流域污染防控形勢依然嚴(yán)峻。

其中，在黃河凌汛期、灌溉間歇期及秋澆后期通過河套灌區(qū)的灌排溝渠進(jìn)行補(bǔ)水作為一項(xiàng)重要措施，對改善烏梁素海水環(huán)境起到了重要作用。但是，補(bǔ)水過程中由于冰凌破壞渠道，影響灌區(qū)正常灌溉，渠道建筑物凍脹破壞加劇等諸多問題，需要進(jìn)一步考慮補(bǔ)水通道及補(bǔ)水時(shí)段問題。

通過MIKE模型模擬生態(tài)補(bǔ)水過程可得：在黃河凌汛期、灌溉間歇期及秋澆后期，通過河套灌區(qū)的灌排溝渠實(shí)施生態(tài)補(bǔ)水，能夠使流域內(nèi)污染綜合治理對改善湖區(qū)水質(zhì)更加有效；兩項(xiàng)措施同步實(shí)施可使烏梁素海湖區(qū)水環(huán)境持續(xù)向好。