基于生態補水的水環境改善效果評價體系

邢夢雅,陳　星,周　鍔,向　龍,金　輝,朱麗麗

(1.河海大學水文水資源學院,江蘇 南京　210098; 2.常熟市水利局,江蘇 常熟　215500)

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基于生態補水的水環境改善效果評價體系

邢夢雅1,陳星1,周鍔2,向龍1,金輝2,朱麗麗2

(1.河海大學水文水資源學院,江蘇 南京210098; 2.常熟市水利局,江蘇 常熟215500)

摘要：在分析生態補水對水環境影響的基礎上,從水文、水力、水質角度提出改善效果評價體系,具體的評價指標包括生態補水量系數、重要節點補水效率、換水周期變化率、區域水質改善度;以常熟市生態補水試驗為例,分析評估了生態補水對水環境的改善效果。結果表明,該指標體系能夠為優化生態補水方案提供定量化基礎,同時指導不同連通調水模擬方案間的優選分析。

關鍵詞：水質;水量;水環境;生態補水;評價體系

河湖水系是水資源的載體,是生態環境的重要組成部分,是經濟社會發展的重要支撐[1]。張樹軍等[1-2]將生態補水定義為:通過補充受損生態系統缺失的環境因子—水,改善、修復、恢復生態系統結構、功能及自我調節能力,使其繼續為人類創造良好的、健康的生存環境,促進人類社會的可持續發展。隨著區域經濟發展、城市化率逐步提高,有必要在污染源治理基礎上增加生態補水措施,通過提高水體流動性,加大水環境容量及自凈能力,增強水環境改善效果。

為直觀反映生態補水對受水區域的水環境改善效果,需要構建定量化分析評估生態補水效果的指標體系。本文在分析生態補水對河網水環境影響的基礎上,從水文、水力、水質角度提出評價因子:生態補水量系數、重要節點補水效率、換水周期變化率、區域水質改善度,通過對比分析補水前后水系相關指標狀況,評價生態補水效果,并為相關方案措施提供調度依據及理論支撐。

1區域水環境改善效果評價體系

1.1　評價指標選擇原則

a. 相對獨立性:各項評價指標應相對獨立、相對穩定;

b. 代表性:評價指標能從不同角度反映補水措施對生態水質的影響特征,同時具有一定敏感度;

c. 易獲取性:評價指標所需基礎數據易獲取,方便量化,便于分析比較。

1.2　評價指標分析及計算方法

生態補水對水環境影響的過程,可以歸納為以下模式:生態補水—改變受水區及沿程的水文與水力狀況—水環境變化,這種模式反映了影響形成的順序[3]。在此模式下,水文要素與水力條件兩者密不可分,水文要素的變化往往造成水力條件的改變;同樣,水力條件的改變也必將對水文要素產生一定影響;而水文要素或水力條件的變化都會引起水環境的相應改變。鑒于這樣的因素耦合關系,本文從水文、水力、水質角度提出評價指標,構建用以評價受水區及其沿程水環境改善效果的評價體系。

1.2.1生態補水量系數σ

生態補水量系數反映生態補水對受水區水環境水文要素的區域性影響。在預算生態補水量基礎上,計算實際補水總量與預算量比值作為生態補水量系數。

補水預算量采用一維水量水質模型計算[4]。根據質量守恒原理,假設稀釋混合段水質濃度均勻,運用濃度達標控制法預算補水總量。當河網中營養鹽含量高、河道自凈能力差時,取污染物綜合衰減系數為0,則補水預算量計算公式為

(1)

式中:W0為補水預算量,m3;Wi為第i河段初始槽蓄水量,m3;ρ0為補水水質為質量濃度,mg/L;ρi為第i河段本底水質質量濃度,mg/L;ρs為水質標準(Ⅲ類水,以CODMn計),mg/L。

1.2.2重要節點補水效率η

重要節點補水效率η反映生態補水對沿程水環境水文要素的影響狀況。計算河網中重要節點補水過程中平均流量分配比,分析流量分配狀況及原因,針對關鍵河網位置采取相應工程與非工程措施,保障受水區生態補水效率。公式為

(2)

式中:q為節點沿補水路徑平均分流流量,m3/s;Q為受水區補水總流量平均值,m3/s。

1.2.3換水周期變化率θ

換水周期是指水體交換更新一次所需時間[5],生態補水為區域河網帶來清潔流動水源,使得換水周期縮短,河網水力連通性提高,水體自凈能力加強。從水力條件上反映生態補水對受水區水環境的作用情況。換水周期變化率θ的計算公式為

(3)

式中:T0為生態補水前河道(湖泊)換水周期,h;T1為補水后河道(湖泊)換水周期,h。

1.2.4區域水質改善度q

區域水質改善度q是從水質角度綜合反映生態補水對整個受水區水環境改善效果的一項指標,它是指生態補水區域內河流、湖泊水質得到改善的河長、面積占區域內總河長、總湖泊面積的比例[6],具體計算公式為

(4)

式中:L0(A0)為生態補水后水質改善的河段長度或湖泊面積,m或m2;L(A)為區域河段總長度或湖泊總面積,m或m2。

2案例應用

2.1　區域概況

常熟市位于長江流域下游,區域內河網密集,湖蕩密布。常熟市主城區約60 km2,北至花板塘,南至張家港河,西至望虞河,東至東環河,共有河道172條,其中骨干河道28條(圖1)。主城區通江河道海洋涇水質達Ⅲ類,是常熟城區的補水通道,城區內河網現狀水環境容量小,水體自凈能力較差,部分流經主城區河道水質較差。常熟市河網閘泵建設完善,有條件在污染源治理基礎上,通過閘泵聯合調控,對城區水系進行生態補水,加強河網水動力,增大河網環境容量[7]。

圖1　常熟城區骨干河網監測斷面布設情況

2.2　生態補水試驗

生態補水試驗于2014年5月14日8：00—23：00時進行,9：00—16：00時通過海洋涇泵站、海洋涇閘從長江引水,分耿涇、南福山塘兩支進入城區,18：00—21：00時以常滸河、耿涇、白茆塘為主要通道進行排水。如圖1所示,共設置16個監測斷面,監測項目包括水文(水位、流量)及水質(TP、TN、NH3-N、CODMn):

a. 水文數據:8:00—22:00,1—16號斷面每間隔30 min監測一次,共29個測次數據;

b. 水質數據:8:00及10:00—22:00,1—16號斷面每間隔2 h監測一次,共8個測次數據。

2.3　水環境改善效果評價及分析

主要河段指標狀況見表1。生態補水量系數為0.83,實際補水量為106萬m3,預算補水量為128萬m3;重要節點對城區有效補水效率平均值為33.4%,個別河段分流現象較嚴重,城區外沿程河道如大皇塘、羅卜涇等分流占31.8%,城區內如南福山塘、耿涇分流達22.7%(圖2);河網換水周期變化率達62.6%,提升幅度顯著,表明現有生態補水方案能夠有效改善受水區域水體流動性。區域水質改善度為38.5%,城區局部河網仍存在水流往復現象,水質改善水平有待提高。建議進一步通過水利工程控制水流方向,提高城區補水效率,同時可以加大補水水量,將生態補水量系數控制在0.8～1.2范圍內。

表1　主要河段指標狀況

圖2　重要節點分流情況

3結論

a. 在分析生態補水對受水區水環境影響的基礎上,從水文、水力、水質角度提出了評價指標體系,并應用于常熟市城區進行實例評價,分析了生態補水方案對水環境的改善效果,為優化生態補水方案提供理論依據。

b. 指標體系亦可用作不同生態補水模擬方案間的對比分析,選擇水環境改善效果佳、經濟合理者作為實際應用方案[8]。

c. 我國生態補水實踐日益增多,評價生態補水方案對河道及周邊環境影響變得更加重要,本文僅分析了原型試驗中河網生態補水對河流水量、水環境的影響,下一步將結合構建評價體系,通過水量水質耦合模型分析最優補水量與調度方案。

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Study on evaluation system of improvement of water environment based on ecological water supplement

XING Mengya1, CHEN Xing1, ZHOU E2, XIANG Long1, JIN Hui2, ZHU Lili2

(1.CollegeofHydrologyandWaterResources,HohaiUniversity,Nanjing210098;

2.ChangshuWaterAffairsBureau,Changshu215500,China)

Abstract：On the basis of analyzing the impact of ecological water supplement on water environment, improved evaluation system is proposed from the angle of hydrology, hydraulics and water quality. Specific evaluation indexes include the quantity of ecological water supplement, efficiency of water supplement on important joint, change rate of water exchange cycle and improvement degree of water quality in the district. Taking ecological water supplement experiment in Changshu as the study case, improvement of water environment caused by ecological water supplement was analyzed and evaluated. The results show that: This index system can be a general method to evaluate the effect of ecological water supplement on water environment, and can also be used to select the optimal simulation scheme.

Key words：water quality; water quantity; water environment; ecological water supplement; evaluation system

(收稿日期：2015-04-23編輯：徐娟)

中圖分類號：X171.1

文獻標志碼：A

文章編號：1004-6933(2016)01-0064-03

作者簡介:邢夢雅(1992—),女,碩士研究生,方向為水文學及水資源。E-mail: 455483522@qq.com

基金項目:國家自然科學基金(51309078,51209071)

DOI：10.3880/j.issn.1004-6933.2016.01.010