引黃入冀補淀工程對地表水環境影響預測

楊　柳,逄　勇,2,李　幸

(1.河海大學環境學院,江蘇 南京　210098;2.河海大學淺水湖泊綜合治理與資源開發教育部重點實驗室,江蘇 南京　210098)

引黃入冀補淀工程對地表水環境影響預測

楊柳1,逄勇1,2,李幸1

(1.河海大學環境學院,江蘇 南京210098;2.河海大學淺水湖泊綜合治理與資源開發教育部重點實驗室,江蘇 南京210098)

摘要：為緩解河北省地下水超采狀況及向白洋淀實施生態補水,修建引黃入冀補淀工程。利用所建位山引黃入冀工程模型相關試驗參數及其他相關研究成果對研究設置的6個情景方案進行了模擬分析,研究此次工程對輸水沿線及受水區白洋淀的地表水環境影響。結果表明:在實施輸水沿線水污染治理后,多年平均情況下,當引水口水質滿足其水功能區水質目標要求時,輸水沿線各斷面水質除TN外可達到Ⅲ類水質標準,引黃入冀補淀工程可有效改善沿線及入白洋淀地表水環境。由運行初期所存在的問題建議入白洋淀斷面設置水質自動監測站,一旦水質超標應立即停止向白洋淀引水,確保初期輸水安全。

關鍵詞：地表水;水污染治理;水環境影響;引黃入冀補淀工程;位山引黃入冀工程;輸水沿線;白洋淀中圖分類號：X820.3

文獻標志碼：A

文章編號：1004-6933(2016)03-0131-06

河北省水資源嚴重短缺,一般年份基本無地表水可以利用,只能靠大量開采地下水,而近10年平均地下水開采量達到266 304萬m3/a,開發利用率達到241%,超采十分嚴重[1-2]。白洋淀作為華北平原最大、最典型的淡水淺湖型濕地[3],其生態系統良性循環對維系華北平原和首都經濟圈生態環境安全具有重要意義。隨著干旱和污染的雙重威脅,白洋淀逐步退化、萎縮,并數次出現干淀現象,干旱缺水已經成為影響經濟社會發展、生態環境安全和社會政治穩定的重大問題。進行白洋淀生態補水十分必要[4-6],引黃入冀補淀工程應運而生。

近年來,一些學者對引黃入冀補淀工程做了相關研究,李濤等[7]對引黃入冀補淀工程河北段對地下水的影響做了預測,結果表明該工程將有效改善地下水環境,干線附近地下水抬升范圍不大、控制地下水臨界水位前提下鹽堿化危害較小;任健等[8]對引黃入冀補淀工程泥沙處理對策進行了分析,研究得出泥沙處理措施應采取“避沙、防沙、沉沙、輸沙”的原則;陳玉培等[9]對引黃入冀補淀工程局部輸水線路進行了必選分析,綜合考慮選定南湖干渠單線輸水方案。大多數學者對引黃入黃補淀工程輸水線路及泥沙處理方面進行了計算分析,而對該工程如何影響地表水環境尚不清晰。

筆者綜合考慮引黃入冀補淀工程各水平年調水過程、引黃口段水質狀況以及輸水沿線排污口分布狀況、治理情況、整治方案及實施可能性等,針對各類排污口部分整治和全部整治等情況,設置了6個情景方案進行模擬,利用位山引黃入冀工程相關試驗參數(污染物降解系數KCOD=0.124 d-1,KNH3-N=0.121 d-1,KTN=0.114 d-1,KTP=0.112 d-1)及其他相關研究成果,分析研究了該工程對輸水沿線及受水區白洋淀的地表水環境影響。

1工程概況

2013年11月,國家發展改革委批復了《引黃入冀補淀工程項目建議書》(發改農經〔2013〕2326號),該工程為全程自流輸水,引水線路途經兩省(河南省、河北省)六市(濮陽市、邯鄲市、邢臺市、衡水市、滄州市、保定市)[10],本項目是兩個資源型缺水流域之間的跨流域調水工程,主要涉及黃河流域和海河流域。

工程自河南濮陽渠村引黃閘取水口引水,調水河段為黃河下游,工程引水口距上游小浪底水庫約310 km,距離下游高村水文站約7 km,距離利津水文站約480 km;輸水線路為自河南省濮陽市渠村引黃閘引水,途經河南、河北兩省6市22個縣市區,線路總長482 km,其中河南省境內為84 km,河北省境內398 km;引黃入冀補淀工程建設主要任務是為白洋淀實施生態補水和工程沿線部分地區農業供水,緩解沿線地區農業灌溉缺水及地下水超采狀況[11]。

2水質達標情況及治理方案

調水區、輸水河渠及受水區的水質現狀監測結果表明:調水區黃河河段基本為Ⅲ類,基本能滿足水質目標要求;河南段、河北段輸水沿線水質現狀較差,基本為Ⅴ類和劣Ⅴ類;受水區白洋淀現狀水質也較差,基本都為Ⅳ～劣Ⅴ類[12],不滿足Ⅲ類水質目標要求。各河渠水質現狀及達標情況具體見表1。

表1　引黃入冀補淀工程涉及河渠水功能區水質達標情況

根據國務院“先治污后通水”的調水原則[13],工程實施前必須解決輸水沿線水污染問題,制定輸水沿線水污染防治方案,確保入淀水質安全,保障入白洋淀Ⅲ類用水的水質目標。工程制定了“引黃入冀補淀工程輸水沿線水污染治理與入河排污口整治方案”。對輸水渠道沿線23個排污口全部整治,輸水沿線不再有排污口分布。 即河南濮陽第二污水處理廠投產運用且出水排馬頰河，河南段輸水渠道不再有排污口分布;河北輸水沿線排污口全部整治,河北段輸水沿線不再有排污口分布。

綜合考慮工程各水平年調水過程、引黃口段水質狀況以及輸水沿線排污口分布狀況、治理情況、整治方案及實施可能性等,針對各類排污口部分整治和全部整治等情況,本研究設置了6個情景方案進行了模擬分析(表2)。

表2　引黃入冀補淀工程情景方案設計

3工程對地表水環境影響分析

3.1對調水區黃河下游水環境影響

黃河下游小浪底以下河段為典型的游蕩型河段[14],但花園口以下河段受兩岸大堤約束,兩岸排污口較少,花園口以下河段排污口基本情況見表3。

表3　黃河花園口以下河段排污口基本情況

由表3可知,排放的污廢水主要是生活污水和工業廢污水,污水為常年排放,因此需要常年保證一定的水量用于自凈降解,才能保障下游水質不會產生明顯惡化。

對工程生效前后不同水平年下利津斷面、高村斷面日均流量與自凈需水量進行對比分析，結果表明:高村、利津斷面均有一定天數日均流量不能滿足自凈需水要求,特別是90%水平年下,不滿足自凈流量程度較高,因此建議90%水平年當高村、利津斷面流量低于120m3/s、100m3/s時停止引水,保證高村、利津斷面的自凈需水量,同時要加強調度運行管理,最大程度避免對下游水環境造成影響。

3.2對輸水沿線水環境影響

3.2.1輸水沿線水環境模型構建及參數率定驗證

根據實測資料,位山引黃輸水線路及該工程輸水線路研究河段長度遠遠大于其寬度和深度,其橫向和豎向的擴散作用遠遠小于其沿河道的輸移作用,因此在橫向和豎向的濃度梯度可以忽略。根據上述特點,將輸水線路視為一維河流進行研究。河道一維穩態水質模型為

(1)

式中:ρ為位于污染源下游x處的斷面平均濃度,mg/L;ρ0為水流輸送物質的斷面初始質量濃度,mg/L;ρ1為污染物入河質量濃度,mg/L;Q0為水流初始流量,m3/s;Q1為污染物入河流量,m3/s;k為污染物質降解系數,d-1;u為斷面平均流速,m/s;x為水流輸送污染物質距離,m。

收集2009年11—12月份位山引水期間河北省南宮市和生店村張二莊斷面、河間市張莊村滄保公路斷面和大樹劉莊入淀站斷面水量水質實測資料,對所建模型參數進行確定,模型降解系數由式(2)確定:

(2)

各污染物降解參數率定結果見表4。

表4　各污染物降解參數率定結果

根據率定得到的參數,利用2010年1月位山引水期間張二莊斷面、滄保公路斷面水質實測資料,對所建模型參數計算結果的準確性進行了驗證,模型計算值與2010年實測值的對比見表5。

由表5分析可知,兩斷面COD、NH3-N、TN、TP實測值與計算值誤差率較小,因此模型率定驗證得到的參數較為合理,可用于本工程的水質計算工作。

表5　斷面水質實測值與計算值結果對比

3.2.2輸水沿線水質沿程變化

按照引黃入冀補淀可研設計中關于引水渠道的設計,模型中概化的河道主要為輸水總干渠,總長度約為480 km(自沉沙池至入白洋淀斷面),概化河道中渠道長、寬、底高程、邊坡、流速、水深、糙率等參數均按照可研報告[6]中的設計值選取,河道糙率為0.015～0.025。具體見表6。

表6　引黃入冀補淀概化河道模型參數選取

通過建立工程水質數學模型,結合引水條件及經率定驗證后得到的模型參數(KCOD=0.124 d-1,KNH3-N=0.121 d-1,KTN=0.114 d-1,KTP=0.112 d-1)及研究設置的6個情景方案進行模擬分析,對本工程輸水沿線水質沿程變化進行預測,具體預測結果見表7。

表7　輸水沿線沿程水質變化

完全治理的情況中,在多年平均下、75%水平年且引水水質為Ⅲ類的情況下,輸水渠道入河北境、入邯鄲、入邢臺、入衡水、入滄州、入白洋淀斷面水質除TN外均可滿足地表水Ⅲ類水標準。但90%水平年各斷面水質不滿足Ⅲ類水質標準。

總體來看,在實施輸水沿線水污染治理后,多年平均情況下,當引水口水質滿足其水功能區水質目標要求時,輸水沿線各斷面水質除TN外可達到Ⅲ類水質標準。

4工程引發的初期輸水問題預測分析

引黃入冀補淀工程引水前沿線排污口分布較多,水質現狀較差,完全治理情況下仍有部分污染團滯留在輸水干渠中難以清除[15],在目前已實施的應急補水期間,為了保障輸水沿線及白洋淀入淀水質,利用調水水頭將輸水渠道污染團沖到下游和支渠中，全部禁止排污作臨時性污染控制措施,這種措施在一定程度上減輕了應急輸水沿線水污染程度。但初期輸水水質較差,加劇了輸水渠道下游水污染問題,對輸水干渠水環境造成一定的不利的影響。

根據回顧性評價結果,位山引黃輸水渠道調水初期水質也較正常輸水階段差,為此工程收集了位山引黃應急補淀調水初期及調水后河間市張莊村滄保公路斷面地表水監測點水質監測資料(2009年10月30日至11月3日為初期輸水階段;后期為正常輸水階段),分析得到初期及正常輸水過程中張莊村滄保公路斷面水質監測結果(表8)。

表8　位山引黃補淀期間初期輸水過程滄保公路斷面水質監測結果對比　mg/L

從表8可以看出初期輸水階段水質劣于正常輸水階段水質,初期輸水較正常輸水階段的水質惡化程度為:NH3-N 15.79%,TP 25%。

利用建立的一維水質數學模型,考慮初期輸水時輸水渠道中滯留水的影響(滯留水水質濃度參考現狀已收集資料),參考2009年位山引黃補淀期間初期輸水過程中初期輸水水質與正常輸水水質的差異情況,對本工程輸水初期沿線水質沿程變化進行了預測。

經預測分析可知:在輸水初期,因為原有輸水渠道現有水質較差,受原有渠道現狀水質的影響,白洋淀水質不能達到Ⅲ類水質要求,初期輸水較正常輸水階段的水質惡化程度平均為COD 20%、NH3-N 20%、TN 24%、TP 25%。建議入白洋淀斷面應設置水質自動監測站,一旦水質超標應立即停止向白洋淀引水,確保初期輸水安全。

5結論

a. 修建引黃入冀補淀工程對緩解白洋淀持續缺水、生態環境持續惡化,緩解工程沿線區域地下水超采嚴重、地質災害頻發嚴峻形勢已變得刻不容緩;

b. 在實施輸水沿線水污染治理后,多年平均情況下,當引水口水質滿足其水功能區水質目標要求時,輸水沿線各斷面水質除TN外可達到Ⅲ類水質標準,引黃入冀補淀工程將有效改善沿線及入白洋淀地表水環境;

c. 大型工程運行初期所存在的問題需要在實際實施過程中不斷完善,建議入白洋淀斷面設置水質自動監測站,一旦水質超標應立即停止向白洋淀引水,確保初期輸水安全。

參考文獻：

[1] 趙勐.河北省引黃輸水河段水文特性分析[J].水科學與工程技術,2012(6):26-29.(ZHAO Meng.Hydrology characteristic analysis of water supply from the Yellow River in Hebei Province[J].Water Sciences and Engineering Technology,2012(6):26-29.(in Chinese))

[2] 河南省水利勘測設計研究有限公司.引黃入冀補淀工程可行性研究報告[R].鄭州: 河南省水利勘測設計研究有限公司,2014.

[3] 徐麗娟,魏建強.白洋淀生態補水存在問題及對策[J].工程與建設,2014(3):305-306.(XU Lijuan,WEI Jianqiang.Baiyangdian ecological hydrating existence question and countermeasure[J].Engineering and Construction,2014(3):305-306.(in Chinese))

[4] 陳建國,曾慶華,王兆印.冰蓋流的輸沙特性[J].泥沙研究,1992(1):61-69.(CHEN Jianguo,ZENG Qinghua,WANG Zhaoyin.Ice stream sediment characteristics [J].Journal of Sediment Research,1992(1):61-69.(in Chinese))

[5] 何國建,方紅衛,府仁壽.橋墩群對河道水流影響的三維數值分析[J].水動力學研究與進展(A輯),2007，22(3):345-351.(HE Guojian,FANG Hongwei,FU Renshou.Three-dimensional numerical analyse on water flow affected by piers [J].Journal of Hydrodynamics,2007，22(3):345-351.(in Chinese))

[6] 涂程旭,王昊利,林建忠.圓柱繞流的流場特性及渦脫落規律研究[J].中國計量學院學報,2008，19(2):98-103.(TU Chengxu,WANG Haoli,LIN Jianzhong.Experimental research on the flow characteristics and vortex shedding in the flow around a circular cylinder[J].Journal of China Jiliang University,2008，19(2):98-103.(in Chinese))

[7] 李濤,張俊芝,郝曉莉,等.“引黃入冀補淀工程”河北段對地下水的影響預測[C]//中國水利學會.中國水利學會2013學術年會論文集:S1水資源與水生態.北京:中國水利學會,2013.

[8]任健,李虎成,吳春占.引黃濟淀泥沙處理對策淺談[J].中國水運,2008(2):117-118.(REN Jian,LI Hucheng,WU Chunzhan.Yellow River lake sediment treatment countermeasure [J].China Water Transport,2008(2):117-118.(in Chinese))

[9] 陳玉培,王偉,孫衛靜.引黃入冀補淀工程局部輸水線路分析比選[J].河南科學,2014(8):1534-1537.(CHEN Yupei,WANG Wei,SUN Weijing.Analysis and comparation of the partrial water conveyance lines of the water supply project of Baiyangdian River in Hebei by introducing water from Yellow River[J].Henan Science,2014(8):1534-1537.(in Chinese))

[10] 馮謙誠,王文杰,李嶠.河北水務集團推進引黃入冀補淀前期工作 力爭工程早日開工建設[J].河北水利,2014(9):18-33.(FENG Qiancheng,WANG Wenjie,LI Qiao.Hebei water group promote the Yellow River into the Baiyangdian River prophase work strive for engineering construction as soon as possible[J].Hebei Water Resources,2014(9):18-33.(in Chinese))

[11] 盧雙寶.引黃入冀補淀工程建設的必要性[J].河北水利,2012(9):25-26.(LU Shuangbao.The necessity of the Yellow River into the fill Ji Lake project construction [J].Hebei Water Resources,2012(9):25-26.(in Chinese))

[12] 張婷,劉靜玲,王雪梅.白洋淀水質時空變化及影響因子評價與分析[J].環境科學學報,2010,30(2):261-267.(ZHANG Ting,LIU Jingling,WANG Xuemei.Causal analysis of the spatial temporal variation of water quality in Baiyangdian Lake[J].Acta Scientiae Circumstantiae,2010,30(2):261-267.(in Chinese))

[13] 孫建峰.對南水北調東線工程幾個重要問題的認識[J].水利水電工程設計,2002,21(1):1-3.(SUN Jianfeng.Several problems knowledge of East Route of South-to-North Water Diversion Project [J].Design of Water Resources & Hydroelectric Engineering,2002,21(1):1-3.(in Chinese))

[14] 王衛紅,田世民,孟志華,等.小浪底水庫運用前后黃河下游河道河型變化及成因分析[J].泥沙研究,2012(1):23-31.(WANG Weihong,TIAN Shimin,MENG Zhihua,et al.Evolution processes of river pattern in Lower Yellow River after commissioning of Xiaolangdi Reservoir[J].Journal of Sediment Research,2012(1):23-31.(in Chinese))

[15] 趙曉暉,侯越,張建江.引黃補淀管理工作相關問題[J].水科學與工程技術,2013(增刊1):72-74.(ZHAO Xiaohui,HOU Yue,ZHANG Jianjiang.Issues of the Yellow River to Baiyangdian Lake diversion project management[J].Water Sciences and Engineering Technology,2013(sup1):72-74.(in Chinese))

Prediction of effect of Yellow River-to-Baiyangdian Water Transfer Project on surface water environment

YANG Liu1, PANG Yong1,2, LI Xing1

(1.CollegeofEnvironment,HohaiUniversity,Nanjing210098,China;2.KeyLaboratoryofIntegratedRegulationandResourcesDevelopmentonofShallowLakes,ofMinistryofEducation,HohaiUniversity,Nanjing210098,China)

Abstract：The Yellow River-to-Baiyangdian Water Transfer Project will be built in order to alleviate the groundwater over-exploitation in Hebei Province and to provide ecological water supplement to the Baiyangdian area. Using the relevant parameters regarding the Weishan Yellow River-to-Hebei Water Transfer Project and other related research results, analysis and simulation were carried out to examine six scenario plans developed in this study, in order to investigate the effect of the project on the surface water environment along the water transfer routes and in the Baiyangdian area. The results are as follows: after the implementation of water pollution control along the water transfer routes and when the water quality at the intake meets the requirements of the water function area, multi-year averages of water quality indicators at cross-sections along the route can meet all grade III standards except for total nitrogen. In addition, the Yellow River-to-Baiyangdian Water Transfer Project can effectively improve the surface water environment along the water transfer routes and in the Baiyangdian area. It is suggested that automatic water quality monitoring stations should be set up at the cross-sections in order to solve the existing problems in the initial period of operation. Once the water quality exceeds the standards, water transfer into the Baiyangdian area should be stopped immediately to ensure water safety during the initial period.

Key words：surface water; water pollution control; effect on water environment; Yellow River-to-Baiyangdian Water Transfer Project; Weishan Yellow River-to-Hebei Water Transfer Project; water transfer route; Baiyangdian

DOI：10.3880/j.issn.1004-6933.2016.03.025

作者簡介：楊柳(1990—)，女，碩士研究生，研究方向為水資源規劃與保護。E-mail:yundelanjingling@163.com

(收稿日期：2015-06-04編輯：徐娟)