寧夏引黃灌區重點湖泊生態需水量測算及再生水補水方案研究

田 巍

(寧夏回族自治區水利科學研究院，銀川 750021)

0 引 言

寧夏引黃灌區在黃河水的哺育下，歷經2000余年的水利建設和農業開發，形成、發育和壯大起來，也孕育了“塞上江南”的自然環境，尤以湖泊星羅、水田密布為特點，彰顯了寧夏的水文化，也是寧夏水生態文明建設的突出寫照[1]。然而，近些年，隨著工業化和城鎮化的不斷推進，寧夏引黃灌區湖泊濕地生態環境逐步退化，2000～2010年10年間湖泊濕地減少12.32%[2]。因此，當前如何維持湖泊濕地的生態健康，保護和修復區域水生態環境已成為寧夏水資源管理和保護工作的一項重要任務[3]。

多個研究表明[4-7]，對于西北干旱區，湖泊濕地生態需水量的測算，是確定湖泊補水量的重要依據，是保障湖泊濕地生態系統不惡化的關鍵研究。濕地生態需水量研究是涉及水文學、濕地科學、環境科學等復合學科的研究，目前的研究方法大多以水量平衡為指導，主要采用生態學方法、生態水文分析法和基于遙感的模擬分析法等[8-10]。面對寧夏水資源緊缺的現狀，要保障湖泊濕地的生態需水量，實現湖泊濕地生態健康發展，必須優化配置各種補給水源，實現多水聯動的補水模式。通過國內外的實踐證明，再生水作為一種重要的水資源，是目前緩解水資源壓力最有效的方法[11,12]，因此應加強利用，充分發揮其對水資源的調控作用。本文采用水量和水質平衡原理，測算寧夏引黃灌區內6個重點湖泊的生態需水量，并根據再生水資源的水質和布局，提出適宜的再生水補水方案，為引黃灌區湖泊的生態補水提供科學依據。

1 寧夏引黃灌區湖泊基本概況

寧夏引黃灌區主要包括銀川市三區兩縣、石嘴山市全部及靈武市、沙坡頭區、中寧縣、青銅峽市及利通區的引黃灌區部分和黃河左岸部分，總面積1.68 萬km2，約占全區面積的25%。由于寧夏引黃灌區開發了大規模的引黃灌溉渠道，在自然環境和人類活動的相互作用形成許多湖泊濕地，區內絕大部分湖泊，都依賴于引入的黃河水或其通過渠道、農田滲漏為地下水的補給，以及黃河河床水流對地下水的側向補給[13]。

寧夏引黃灌區湖泊濕地面積為2.20 萬hm2，占寧夏湖泊濕地面積的65.6%，大大小小的湖泊眾多。本文根據湖泊面積、特點、分布及資料完整性等方面，選取6個具有代表性的重點湖泊，分別為寧夏5A級旅游景區、區級自然保護區——沙湖、水域面積最大的國家濕地公園——星海湖、首府銀川市最大的國家濕地公園——閱海、西部地區黃河流域首家國家濕地公園——鳴翠湖、面積小補水條件單一但生態地位重要的國家城市公園——寶湖、位于沙漠邊緣的自治區級濕地公園——騰格里湖，進行相關的研究。6個湖泊平均水深為1.1～3.2 m，多數湖泊平均水深在1.5 m左右，湖泊補水主要依靠黃河水和地下水補給，基本不排水或少量排水，并且排水沒有監測，年補水量僅能維持湖泊的基本需水要求，湖泊水質情況不容樂觀，根據《寧夏水資源公報》數據，Ⅴ類和劣Ⅴ類水體較多，湖泊詳細情況見表1。

表1 寧夏引黃灌區重點湖泊基本情況匯總表Tab.1 Basic conditions of key lakes in Ningxia Irrigation District

2 寧夏引黃灌區重點湖泊濕地的生態需水量

2.1 研究目標選擇

寧夏引黃灌區湖泊濕地自20世紀中期以來不斷萎縮，近年來在水生態文明建設的戰略引導下，通過大規模的濕地恢復工程，才達到了目前的濕地規模。濕地生態環境需水量存在一個臨界閾值問題[14]，本文根據目前濕地生態保護目標的要求，設置2個濕地生態保護目標：①最小需水量：維持寧夏引黃灌區重點湖泊現有濕地格局和規模；②適宜需水量：保證湖泊濕地水質達標，生態系統保持相對穩定。

2.2 水量平衡與湖泊最小需水量測算

2.2.1 水量平衡方程

湖泊濕地水量平衡是指該類水量變化的總過程，表達的是某時段出、入湖泊水量之差與湖泊增、減水的關系，其水量平衡方程式如下：

R入=R出

(1)

式中：R入為單位時段的入湖水量；R出為單位時段的出湖水量。

從寧夏引黃灌區湖泊濕地類型和水量控制因素綜合考量，方程(1)可以細化為：

P+WS上+WS下+WS渠+EC=

E+WD上+WD下+WD渠+WD排

(2)

式中：P為單位時段內湖面上的降水量，mm；WS上為單位時段內進入湖泊的地表自然徑流量，mm；WS下為單位時段進入湖泊的地下自然徑流量，mm；WS渠為單位時段內進入湖泊的溝渠補給水量；EC為單位時段內湖面水汽凝結量；E為單位時段內湖面上的蒸發量；WD上為單位時段內流出湖泊的地面自然徑流量；WD下為單位時段內流出湖泊的地下自然徑流量；WD渠為單位時段內溝渠從湖泊輸出的水量；WD排為單位時段內以暗管或井排、抽取綠化用水等形式從湖泊中排出的水量。

2.2.2 影響水量平衡的因素及其賦值

(1)寧夏引黃灌區多年平均降水量P為194 mm，多年平均蒸發量E為1 327 mm(E601型蒸發皿值)。

(2)地面自然徑流進入湖泊濕地的水量非常有限，一般也不會通過湖泊排出，因此WS上和WD上取0(寧夏降水量少，多數降水無法匯集成地表徑流，通過地表徑流補給湖泊的水量非常有限，而且在年度內也不均勻，湖泊一般都沒有通過地表排泄的方式，因此這兩項取為0)。寧夏氣候干旱，湖面水汽凝結量EC值相對于蒸發量和降水量非常微小，忽略不計。

(3)寧夏引黃灌區目前地下水與湖泊補給關系及其動態變化情況還沒有結論性成果。本文在地下水補給不明確的情況下，根據沙湖的水量平衡推算其地下水補給量，由此來粗略估算其他湖泊的地下水補給量。沙湖自2014年后，切斷了其他一切補給水源，僅依靠黃河水補水，其進入和流出的地表徑流量非常少，忽略不計，湖泊沒有地表外排水，因此WD渠和WD排為0。水平衡方程可以簡化為：

P+WS下+WS渠=E+WD下

(3)

則：

ΔW下=WS下-WD下=E-P-WS渠

(4)

式中：ΔW下為地下徑流流入與流出之差，即地下水的補給量。沙湖近三年年均渠道補水量為2 152 萬m3，由此計算沙湖地下水補給量為1 080 萬m3。

因沙湖周邊基本為農田覆蓋，灌溉期潛水位較高，對沙湖的補給量較大，而鳴翠湖、閱海、星海湖、寶湖，其周邊城市化建設依次加強，其地下水補給量依次弱化處理。

對于騰格里湖，其補給水源主要來源于沙漠滲漏地下水，每年冬季，湖內有部分水外排；每年春夏秋季節，因抽取湖水進行綠化灌溉，年補充黃河水600 萬m3。由此推斷騰格里湖年地下水補給量應大于湖泊年蒸發量，在此設定騰格里湖地下水補給量、降水量之和與蒸發量持平。

(4)溝渠補水是寧夏引黃灌區湖泊濕地的主要補給來源。溝渠輸入湖泊的水量遠大于輸出的水量，即溝渠入湖凈水量ΔW渠(ΔW渠=WS渠-WD渠)為正值。

(5)寧夏引黃灌區重點湖泊濕地水資源消耗中，通過調研發現騰格里湖和鳴翠湖中存在一定量的排水，但湖泊管理單位對湖泊排水量沒有監測，其排水量目前無法計量。鑒于本研究在研究寧夏引黃灌區的湖泊濕地水平衡時，關注其最小需水量問題，在此將排泄量忽略。騰格里湖為保護沙漠原始生態，今后不再進行抽水綠化灌溉，因此沒有其他排泄水量。

2.2.3 重點湖泊最小需水量測算

根據上述水量平衡影響因素的賦值情況，水量平衡方程(2)可以簡化如下：

P+ΔW渠+ΔW下=E

(5)

方程(5)中，P、E、ΔW下值已有實測值或推測值。ΔW渠即為保持年度水平衡的前提下，湖泊濕地以溝渠補水的水量。因此，

ΔW渠=E-P-ΔW下

(6)

根據方程(6)計算寧夏引黃灌區重點湖泊濕地最小需水量，見表2。

從計算結果來看，星海湖、沙湖的基本需水量較大，主要原因是湖泊濕地面積較大，尤其是水面面積遠大于其他湖泊而決定的；星海湖水面面積比沙湖小，但是需水量比沙湖大，主要是因為星海湖在石嘴山市大武口區，周邊多為城市建設，農田面積較少，因此地下水補水量少。計算結果與目前各湖泊實際年補水量相差情況不大。騰格里湖的地下水補給量可以維持湖泊的基本水量，因此在不進行其他排水時，不進行溝渠補水。

表2 重點湖泊基本需水量測算表Tab.2 Basic water demand calculation table for key lakes

2.3 重點湖泊濕地適宜需水量測算

湖泊濕地的生態環境需水量與其功能性質、構成要素特征等有直接關系，植物及其群落類型、面積、生理生態、水質水量、水下土壤和底泥中的營養物質及污染物積累情況等，都決定著湖泊濕地的生態需水量[15]。本文在此著重關注湖泊水質的達標情況，湖泊的適宜需水量計算，在其最小需水量的基礎上，增加考慮水質達標的污染物凈化需水量。凈化污染物需水量是指在湖泊濕地水質惡化后，摻淡污水使之能夠達標或達到某級地表水水質標準所需要的水量[7]。選用計算公式如下：

Qi·γ=Wj·cj

(7)

式中：Qi為污水排放進入濕地總量；γ為濕地污染物稀釋作用的稀釋系數；Wj為濕地凈化污染物需水量；cj為相應等級的濕地水質污染物質量濃度達標標準。

根據《寧夏推行河長制工作方案》目標，寧夏重點湖泊中：沙湖需要達到地表水環境Ⅲ類水質，其余湖泊達到Ⅳ類水質。根據2016年湖泊水質情況，寶湖和鳴翠湖各指標都在Ⅳ類標準以內，且兩個湖泊中均沒有點源污染，溝道水也不進入湖泊，不考慮換水需水量。而星海湖、閱海、騰格里湖，都存在超標指標，根據公式進行計算換水需水量。而沙湖僅通過黃河補水已不能完全達到Ⅲ類水，需要其他技術手段解決，本文僅計算達到Ⅳ類標準的水量。

星海湖主要超標因子為COD和TP，騰格里湖為TP，沙湖為TP、COD、TN、F-、CODMn，閱海為TN，其凈化水量和適宜需水量計算結果見表3。因黃河水自身攜帶的TP較高，因此利用黃河補水來削減湖泊TP來說，效果不佳，因此在補水的基礎上，應采取其他方式，來削減湖泊TP含量。湖泊進行生態補水時，需設置排水口，來平衡湖泊水量，同時對污染物進行排泄，達到更好的補水效果。

表3 重點湖泊適宜需水量測算表Tab 3 Table of suitable water requirements for key lakes

3 再生水補水的配置研究

3.1 再生水作為生態補水的必要性

寧夏引黃灌區地處西北干旱半干旱區，降水量少，蒸發量大，這種氣候下造成湖泊補給水源單一，主要依靠黃河水和農田退水(一些重要湖泊近些年為保證湖泊水質不接受農田退水，主要靠黃河水補水，但非重點的湖泊，農田退水是其主要補水來源)。黃河水近年來水量縮減，并且實施了用水總量指標控制，湖泊補水量僅能維持湖泊基本水量，沒有交換水量，長期會造成鹽分累積、水質惡化。

寧夏近年來為改善湖泊生態環境，實施了多個湖泊連通工程，但受湖泊補水水量的限制，連通工程只是將湖泊水面連通，水體依舊沒有流動置換。寧夏許多湖泊基本沒有退水，湖泊水體流動性差，湖泊納污能力、水體自凈能力較差，水生態環境脆弱。因此面對寧夏水資源緊缺的現狀，湖泊濕地生態補水應積極探索再生水的補水的方案。

3.2 寧夏引黃灌區再生水現狀及其利用情況

寧夏引黃灌區涉及市縣到2020年，共有污水處理廠31座，總規模達到118 萬m3/d，其中，已建污水處理廠24座，在建3座，擴建2座，新建2座。到2020年有再生水廠17座，處理規模達到46.9 萬m3/d，其中已建11座，擴建2座，新建4座。寧夏引黃灌區現狀再生水年利用量不足3 000 萬m3，再生水利用率不足10%，供水方向主要為熱電廠冷卻用水和城市綠化用水，目前還沒有利用再生水補水的湖泊。

3.3 再生水補水方案

3.3.1 再生水水量及水質情況

寧夏引黃灌區目前已建污水處理廠規模達到98.5 萬m3/d，若滿負荷運行，年再生水排放量可以達到3.6 億m3；到2020年污水處理規模將達到118 萬m3/d，若滿負荷運行，年再生水排放量可以達到4.3 億m3。再生水資源量非常可觀。目前寧夏引黃灌區污水再生利用率不足15%，再生水利用有較大的潛力開發。

“十三五”前，全區多數污水處理廠出水標準為《城鎮污水處理廠污染物排放標準》(GB18918-2002)二級標準，根據寧夏相關“十三五規劃”，到2020年底，全區城市污水處理廠出水水質達到《城鎮污水處理廠污染物排放標準》一級A標準。目前已有部分污水處理廠提標改造完成。

本文根據污水處理廠提標改造后的出廠水質標準，來對再生水水質進行分析。一級A出廠水質達到了《城市污水再生利用-景觀環境用水水質》湖泊類的要求，但低于地表水景觀水體Ⅳ類標準。本文根據銀川市第三污水廠改造成一級A后，2017年1-7月的出廠水質檢測報告，目前出廠水質已優于一級A標準，達到《再生水景觀環境用水(湖泊類)》的標準，多數指標達到或優于地表水Ⅳ類標準，但TN較地表水Ⅳ類標準超標7倍。詳見表4。

表4 銀川市第三污水處理廠出廠水質檢測數據 mg/L

由銀川市第三污水處理廠改造后的出廠水質可以看出，通過污水處理廠提標改造后的再生水水質完全可以達到一級A，甚至接近于地表水Ⅳ類標準，達到了作為生態補水水源的要求。在補水過程中，可以與黃河水配、建設人工濕地等方式，來削減再生水中超標指標。

3.3.2 再生水補水配置方案

因寧夏再生水管網輻射范圍小，并且建設及運行成本高，近期采用再生水進行湖泊生態補水時，應因地制宜，優先采用距離湖泊濕地較的污水處理廠，并充分利用現有的排水溝道輸水。本文主要考慮引黃灌區重點湖泊的補水情況。通過對湖泊濕地和污水處理廠的位置進行分析，再生水補水條件比較好的有閱海和星海湖。

根據污染物平衡公式來計算黃河水和再生水的補水比例：

W黃Ci黃ki+W再Ci再ki=(W黃+W再)Ci標

(8)

式中：W黃為黃河補水量；Ci黃為黃河水第i個指標的濃度；W再為再生水補水量；Ci再為再生水第i個指標的濃度；Ci標為第i個指標的目標濃度；ki為湖泊自凈能力折算系數。

再生水水質各因子中，超標倍數最高的為總氮，其值在一級A標準和地表水Ⅳ類標準相差10倍，若參照改造后的第三污水處理廠監測值，是相差7倍，湖泊水質目標按照地表水Ⅳ類，湖泊自凈能力折算系數參照相關研究按照0.5考慮，由此計算黃河水和再生水的補水比例為3∶1，若是通過人工濕地等方式，削減了再生水中總氮的量，則再生水的補水比重能進一步增大。

按照上述條件和前文的計算結果，提出閱海和星海湖的最小及適宜再生水補水方案。閱海年均補充黃河水800 萬m3，在最小補水方案中，補充黃河水581 萬m3，補充再生水194 萬m3；在適宜補水方案中，補充黃河水756 萬m3，補充再生水252 萬m3；星海湖年均補黃河水2 357 萬m3，在最小補水方案中，補充黃河水1 712 萬m3，補充再生水571 萬m3；在適宜補水方案中，補充黃河水2 730 萬m3，補充再生水910 萬m3。再生水補水方案詳見表5。

表5 再生水補充湖泊生態用水方案Tab.5 Reclaimed water supplement lake ecological water solution

4 結 語

(1)根據寧夏引黃灌區重點湖泊的實際情況及治理目標，得出鳴翠湖、閱海、寶湖、星海湖、沙湖和騰格里湖的最小需水量分別為：198、775、35、2 283、2 152和0 萬m3，適宜需水量分別為198、1 007、35、3 631、3 875和753 萬m3。最小需水量與目前各湖泊的實際生態補水量相差不大，說明目前補水情況可以維持重點湖泊現有的濕地格局和規模，但無法保證湖泊水質達標，湖泊水生態系統脆弱，容易惡化。6個重點湖泊的適宜需水量較最小需水量增加4 056 萬m3生態補水，對于寧夏水資源緊缺的現狀，實現起來困難較大，因此需要擴展新的湖泊補水水源。

(2)本文結合寧夏引黃灌區再生水水質及分布情況，提出再生水補水方案，黃河水與再生水補水適宜比例為3∶1，補水條件比較好有銀川市的閱海及石嘴山市的星海湖。在最小補水方案中，閱海補充黃河水581 萬m3，補充再生水194 萬m3；星海湖補充黃河水1 712 萬m3，補充再生水571 萬m3；在適宜補水方案中，閱海補充黃河水756 萬m3，補充再生水252 萬m3；星海湖補充黃河水2 730 萬m3，補充再生水910 萬m3。再生水補水方案，增加了湖泊的生態補水量，減少了新鮮黃河水補水量，并且保證了補水水質達標，可以為寧夏引黃灌區乃至整個西北干旱區的湖泊生態補水提供科學依據。

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