調(diào)補(bǔ)水措施對(duì)水生態(tài)環(huán)境的改善作用研究
——以粵東地區(qū)為例

◎ 陳瀚 楊海燕 王紅旗 聶婷 章郁涵 陳子豪 華南農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與土木工程學(xué)院

1.引言

隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展和水資源開(kāi)發(fā)利用程度的提高，人類(lèi)對(duì)水環(huán)境系統(tǒng)的作用和影響越來(lái)越明顯，水環(huán)境污染繼干旱缺水、洪澇災(zāi)害之后成為制約人類(lèi)發(fā)展的三大水問(wèn)題之一，因而治理水污染問(wèn)題是新時(shí)期國(guó)家高質(zhì)量發(fā)展的一項(xiàng)重要舉措。

目前，部分流域和區(qū)域已經(jīng)初步建成了以自然水系為主、人工水系為輔、具有一定調(diào)控能力的江湖河庫(kù)水系及其連通格局。通過(guò)此類(lèi)工程在河湖間進(jìn)行調(diào)補(bǔ)水，可調(diào)節(jié)水量平衡以解決水資源時(shí)空分配不均勻的問(wèn)題，是實(shí)現(xiàn)水資源重新配置的重要手段。同時(shí)，調(diào)補(bǔ)水措施也兼具改善水生態(tài)環(huán)境的功能，可以有效提高河流或湖泊的流量及水動(dòng)力，逐漸恢復(fù)其原有的自?xún)艄δ埽_(dá)到改善水生態(tài)環(huán)境的效果。

練江是粵東地區(qū)第三大河流，流域內(nèi)污染問(wèn)題由來(lái)已久，全流域呈現(xiàn)重度污染態(tài)勢(shì)。面對(duì)日益嚴(yán)峻的水污染形勢(shì)，推進(jìn)韓江、榕江、練江水系連通工程，通過(guò)調(diào)補(bǔ)水質(zhì)良好的韓江水，改善榕江、練江水環(huán)境，是粵東地區(qū)水環(huán)境保護(hù)的重要內(nèi)容之一。

2.調(diào)補(bǔ)水措施改善水環(huán)境研究進(jìn)展

2.1 調(diào)補(bǔ)水措施對(duì)水環(huán)境的改善作用

調(diào)補(bǔ)水工程作為改善水質(zhì)的一種措施，在國(guó)外有不少成功的案例。早在1964 年，日本引數(shù)倍流量的清水入隅田川進(jìn)行沖污，提高了河流水動(dòng)力，大大改善了隅田川的水質(zhì)。美國(guó)通過(guò)調(diào)水入Moses湖，降低了湖水營(yíng)養(yǎng)鹽水平和浮游植物含量，增加了水體交換與透明度，顯著改善了湖泊的富營(yíng)養(yǎng)化狀況。此外，美國(guó)引密西西比河入Pontchartrain湖的引水工程、荷蘭Veluwemeetr 湖的引換水工程都獲得良好的水質(zhì)改善效果。這些典型案例為其他國(guó)家的水環(huán)境修復(fù)治理提供了借鑒意義。

近二十年，我國(guó)先后采取了多項(xiàng)調(diào)補(bǔ)水措施，改善了局部地區(qū)的水生態(tài)環(huán)境，如引江濟(jì)太工程、引江濟(jì)巢工程、引錢(qián)濟(jì)西工程、滇中引水工程等。通過(guò)引江河水至受污染湖泊，可促進(jìn)水體交換，提高部分水域的溶解氧濃度，顯著降低水體污染指標(biāo)和富營(yíng)養(yǎng)化，在治理自然界湖泊污染中被廣泛應(yīng)用。近年，多個(gè)城市采用引附近江河水的方式，沖洗城市河道，加大了內(nèi)河徑流量與復(fù)氧能力，有效地消除了城市河道黑臭現(xiàn)象，恢復(fù)了內(nèi)河水生生態(tài)系統(tǒng)。

2.2 調(diào)補(bǔ)水模擬研究進(jìn)展

近二十年，隨著數(shù)值模型的逐漸成熟，調(diào)水引流結(jié)合水質(zhì)數(shù)值模型對(duì)不同調(diào)水方案模擬預(yù)測(cè)，在城市河道、城市人工湖、平原河網(wǎng)等水域均有應(yīng)用。調(diào)補(bǔ)水措施通過(guò)引入清潔水源沖釋受污染水體，可以在短時(shí)間內(nèi)達(dá)到改善水質(zhì)的目的。但是長(zhǎng)期調(diào)水方案的制定，需要考慮多種綜合因素，如水量分配、引水路線、水質(zhì)對(duì)污染物的非線性響應(yīng)、生態(tài)需水量等。而水質(zhì)模型可以模擬水循環(huán)過(guò)程、污染物衰減過(guò)程及其與水體相互作用，是設(shè)計(jì)調(diào)水工程、確定最優(yōu)調(diào)補(bǔ)水方案的重要手段。對(duì)生態(tài)調(diào)補(bǔ)水的模擬，最常用模型的包括EFDC、MIKE21和WASP等，其中EFDC 和MIKE21在國(guó)內(nèi)生態(tài)調(diào)補(bǔ)水模擬中應(yīng)用最為廣泛。

目前，國(guó)內(nèi)采用水質(zhì)模型模擬預(yù)測(cè)生態(tài)調(diào)補(bǔ)水工程對(duì)水環(huán)境的改善效果的案例有很多，案例結(jié)果大多表明“引水釋清，以動(dòng)制靜”方案對(duì)水質(zhì)治理是有改善效果的。路洪波等應(yīng)用MIKE21軟件預(yù)測(cè)分析，人工水循環(huán)的方式可以改變城市人工湖泊的水體流態(tài)達(dá)到水質(zhì)改善效果，COD、NH3-H的去除效果良好。張虎等通過(guò)MIKE21 FM軟件建立二維水動(dòng)力水質(zhì)模型對(duì)比“引江濟(jì)巢”的“菜子湖”方案引水效果優(yōu)于“白蕩湖”方案，為城市決策者提供可靠的科學(xué)依據(jù)。郭鵬程等以EFDC水環(huán)境數(shù)學(xué)模型為基礎(chǔ)，根據(jù)不同調(diào)水方案下污染顆粒的追蹤模擬結(jié)果確定人工湖區(qū)最佳的調(diào)水規(guī)模，合理有效地利用引水資源。唐天均等成功構(gòu)建了深圳水庫(kù)EFDC三維模型，模擬結(jié)果顯示，調(diào)度水庫(kù)、減輕東江引水污染負(fù)荷可以顯著優(yōu)化深圳水庫(kù)水質(zhì)，有利于預(yù)防水華的出現(xiàn)。

3.練江流域水環(huán)境現(xiàn)狀及改善措施

3.1 流域水環(huán)境現(xiàn)狀分析

練江是粵東地區(qū)第三大河流，與“韓江”、“榕江”并稱(chēng)為潮汕人民的三條母親河。其干流全長(zhǎng)71.1公里，流域面積可達(dá)1353平方公里，流域常住人口約為430萬(wàn)。然而，長(zhǎng)久以來(lái)的污染使得練江喪失了其原有的飲用功能。調(diào)查發(fā)現(xiàn)，練江全流域表現(xiàn)為重污染態(tài)勢(shì)，其干流與大多支流水質(zhì)監(jiān)測(cè)均劣于V類(lèi)，劣Ⅴ類(lèi)監(jiān)測(cè)斷面占比高達(dá)96%以上。化學(xué)需氧量、氨氮以及總磷是其主要的污染因子，其中耗氧有機(jī)物與氮磷營(yíng)養(yǎng)物的污染情況尤為突出，水體發(fā)黑發(fā)臭，成為了整個(gè)廣東省污染最為嚴(yán)重的河流之一。

近年來(lái)，練江治污攻堅(jiān)政治工作取得了階段性成效。早在2019年，練江流域183家印染企業(yè)全部停產(chǎn)，同時(shí)目前汕頭市練江流域13個(gè)污水處理廠全部投產(chǎn)，日處理能力達(dá)到74萬(wàn)噸。2020年1至3月，練江干流水質(zhì)綜合污染指數(shù)同比下降24.9%。其中，揭-汕交界青洋山橋綜合污染指數(shù)同比下降44.5%，入海河口海門(mén)灣橋閘斷面的綜合污染指數(shù)同比下降34.7%，而主要污染物COD、氨氮、總磷指標(biāo)平均濃度分別為38mg/L、1.96mg/L和0.152mg/L，分別同比下降16.8%、63.1%和63%，達(dá)到地表水環(huán)境V類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)。但截至今年6月，其總磷指標(biāo)平均濃度升高到0.165mg/L，且仍存在支流水質(zhì)停留在劣V類(lèi)，因而當(dāng)前練江流域水污染防治形勢(shì)依然不容樂(lè)觀，練江水質(zhì)持續(xù)改善的基礎(chǔ)仍不牢固，整治工作中還存在一些主要問(wèn)題。

練江流域的水污染問(wèn)題，主要表現(xiàn)為以下五個(gè)方面。第一，資源環(huán)境條件先天不足，“微容量、重負(fù)荷”問(wèn)題十分突出。練江流域水資源十分缺乏，人均地表水資源僅為全省的五分之一，生態(tài)流量嚴(yán)重透支。枯水期河流中基本是生活污水、工業(yè)廢水、養(yǎng)殖廢水和農(nóng)田排水，污徑比高達(dá)5倍以上，入河污染負(fù)荷遠(yuǎn)超河流自?xún)裟芰Γ蔷毥|(zhì)長(zhǎng)期處于劣Ⅴ類(lèi)水的根本原因。第二，發(fā)展方式粗放，結(jié)構(gòu)型和格局型污染疊加凸顯。產(chǎn)業(yè)布局雜亂、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)不合理和治污設(shè)施水平低下使近萬(wàn)家企業(yè)排出的各種污水得不到有效的處理，增加了污染排放量。第三，環(huán)保基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)嚴(yán)重滯后，大量污水垃圾得不到處理。第四，畜禽養(yǎng)殖業(yè)污染嚴(yán)重，大量高濃度廢水未經(jīng)處理直接排入河流。第五，環(huán)境違法行為突出，執(zhí)法監(jiān)管能力亟待加強(qiáng)。

從練江的地形地貌角度分析，其干流類(lèi)似于黃河。相比于干流，支流水位較低，二級(jí)支流水位低于一級(jí)支流，具有“懸河”的特性，這種地形不利于支流的水流入干流并發(fā)生水量交換。入海口成喇叭狀，與錢(qián)塘江類(lèi)似，具有較強(qiáng)的咸淡水交換功能。二級(jí)支流眾多，且多為人工河，呈現(xiàn)出大運(yùn)河的特征。換言之，練江融合了“懸河”、“潮汐”以及“人工河”這三者的弊端，擴(kuò)大到全國(guó)范圍內(nèi)，練江污染的治理也可以作為一個(gè)典型案例。

3.2 流域水環(huán)境改善措施

2001年，廣東省人民政府提出了練江流域水污染治理目標(biāo)。2014年，汕頭市政府成立了練江流域綜合整治工作領(lǐng)導(dǎo)小組，對(duì)練江流域水質(zhì)環(huán)境監(jiān)測(cè)進(jìn)行了摸底調(diào)查，并著重整治練江流域內(nèi)印染行業(yè)的污染。然而，受到多重因素的制約，練江的整體整治工作進(jìn)展較為緩慢，收效甚微。2015年《關(guān)于練江流域水環(huán)境綜合整治方法（2014-2020年）》中，主要就水質(zhì)保護(hù)、污染控制、環(huán)境效率以及環(huán)境建設(shè)等多個(gè)方面制定了14個(gè)控制指標(biāo)，并分時(shí)期對(duì)各個(gè)指標(biāo)提出了各個(gè)時(shí)期的預(yù)期性要求。練江水體污染遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出河流自?xún)裟芰Γ绕涫强菟凇Ｈ欢钥匚劢亓髯鳛橹饕闹卫泶胧茨苤匾暳饔蛩h(huán)境容量過(guò)載以及河道生態(tài)自我修復(fù)能力不佳等現(xiàn)實(shí)情況，從而難以徹底解決練江流域的水污染問(wèn)題。

2015年起，廣東省政府提出了三江水系連通工程，即將韓江作為主要水源，榕江作為第二水源以及水系連通通道，經(jīng)由河道、管道以及隧洞等連接韓江、榕江以及綠江，從而使得三江水資源均可調(diào)控。2018年1月20日，廣東省政府常務(wù)會(huì)議審議通過(guò)《韓江榕江練江水系連通工程建設(shè)總體方案》。該工程規(guī)劃共投資36.2億元，四年工期，2018年開(kāi)工建設(shè)，共分四個(gè)子工程，即鹿湖隧洞引水工程、烏石攔河閘引水工程、榕江關(guān)埠引水工程以及潮水溪疏浚工程。韓江-榕江-練江水系連通工程以韓江作為主要水源，以榕江作為水系連通通道及第二水源，通過(guò)河道、隧洞和管道將三江水系相連，通過(guò)以動(dòng)制靜、以清釋污達(dá)到恢復(fù)江河的自?xún)裟芰Α⑻岣咚h(huán)境容量和改善水質(zhì)的目的。對(duì)于三江流域水資源的可持續(xù)利用、支撐經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展、提高生態(tài)文明水平具有重要意義。

自2018年6月開(kāi)工建設(shè)這一項(xiàng)目，施工建設(shè)單位先后突破了盾構(gòu)始發(fā)井底板封底、首臺(tái)盾構(gòu)機(jī)構(gòu)件下井等一系列工程問(wèn)題，韓江鹿湖隧洞飲水工程開(kāi)始進(jìn)入盾構(gòu)掘進(jìn)階段。2019年6月，榕江關(guān)埠引水工程項(xiàng)目建設(shè)方進(jìn)場(chǎng)清表，開(kāi)工建設(shè)。榕江關(guān)埠引水工程于2019年9月開(kāi)工，預(yù)計(jì)2020年9月結(jié)束。潮水溪疏浚工程2018年底，預(yù)計(jì)2020年底前將建成并實(shí)現(xiàn)通水。

4.調(diào)補(bǔ)水措施對(duì)練江流域水環(huán)境的改善作用

4.1 調(diào)補(bǔ)水措施改善練江流域水環(huán)境原理分析

韓江榕江練江水系連通工程分別從鹿湖取水口至西山溪出水口納入粵東灌區(qū)半洋隧洞引水工程，從榕江烏石攔河閘取水，經(jīng)普寧市引榕灌區(qū)主干渠與南干渠至練江，從榕江關(guān)埠南北河匯合口取水，經(jīng)普寧市定厝寮村進(jìn)入練江，又從榕江塭嘴水閘取水，經(jīng)棉城運(yùn)河和龜海北干渠后自流進(jìn)入練江干流。這一調(diào)補(bǔ)水工程中的四個(gè)子工程將增加練江地區(qū)的水量，減少水質(zhì)污染物中的濃度變化，提高其徑污比，稀釋污染物，增強(qiáng)練江的自?xún)裟芰Α?/p>

與此同時(shí)，調(diào)補(bǔ)水還可以加快練江水體的流動(dòng)，提高溶解氧含量，使污染物隨水流擴(kuò)散。由于水體流速的加快增加了其與空氣的接觸面積，加強(qiáng)了水體微生活的生物學(xué)活性，從而加快污染物在水體中的降解速率，以改善水質(zhì)環(huán)境。調(diào)補(bǔ)水由于可以調(diào)整葉綠素的含量，降低氨氮與總磷濃度，對(duì)于練江水質(zhì)也將呈現(xiàn)出一定的改善作用，可以減少藻類(lèi)大面積爆發(fā)事件的發(fā)生，阻止水體發(fā)生富營(yíng)養(yǎng)化。

4.2 調(diào)補(bǔ)水措施改善練江流域水環(huán)境未來(lái)預(yù)測(cè)

韓江榕江練江水系連通工程旨在提高練江、榕江的水質(zhì)量與水環(huán)境，以進(jìn)一步促進(jìn)粵東地區(qū)的生態(tài)文明建設(shè)，加速該地區(qū)經(jīng)濟(jì)社會(huì)的持續(xù)發(fā)展。該調(diào)水工程對(duì)練江流域水生態(tài)環(huán)境的長(zhǎng)期改善作用仍未得到確認(rèn)，而這類(lèi)作用往往受到多重因素的影響，比如調(diào)水路線、引水水質(zhì)、引水流量、引排水口分布以及受補(bǔ)給水體特征等，呈現(xiàn)出反復(fù)的季節(jié)性調(diào)水效果，可能出現(xiàn)早期效果明顯，后期效果不佳等現(xiàn)象。因而，經(jīng)由實(shí)地調(diào)研，結(jié)合數(shù)據(jù)進(jìn)行模擬，以更為合理化地對(duì)調(diào)補(bǔ)水工程的具體方案進(jìn)行規(guī)劃，對(duì)流域未來(lái)水質(zhì)變化趨勢(shì)進(jìn)行預(yù)測(cè)，有助于更好地保護(hù)水生態(tài)環(huán)境。

調(diào)補(bǔ)水工程也有其不利影響。由于需要興建大型水庫(kù)，必然會(huì)造成大面積土地的淹沒(méi)，可能會(huì)引發(fā)水土流失、生態(tài)環(huán)境惡化等問(wèn)題。引起調(diào)水地區(qū)出現(xiàn)水環(huán)境退化、水質(zhì)惡化，出現(xiàn)咸水入侵以及局部地區(qū)土壤次生鹽堿化等問(wèn)題。也可能會(huì)對(duì)調(diào)水地區(qū)的生物物種產(chǎn)生影響，致病微生物也會(huì)隨著水流進(jìn)行傳播。因此，對(duì)這些不利影響也需要進(jìn)行評(píng)估預(yù)測(cè)。

5.結(jié)論

本研究基于對(duì)調(diào)補(bǔ)水措施改善水環(huán)境研究現(xiàn)狀的分析和總結(jié)，分析了練江流域水污染現(xiàn)狀，探討了流域內(nèi)水環(huán)境改善措施及其效果。認(rèn)為練江流域入河污染物量遠(yuǎn)超河流的自?xún)裟芰Γ酝匚劭卦礊橹鞯拇胧y以解決其嚴(yán)重的水污染問(wèn)題。因此，推進(jìn)韓江-榕江-練江水系連通工程，通過(guò)引清潔的韓江水，沖釋受污染水體，提高其水流運(yùn)動(dòng)，改善水體自我修復(fù)能力，可以在短時(shí)間內(nèi)達(dá)到改善練江水質(zhì)的目的，是進(jìn)行練江水環(huán)境治理的有效手段。而調(diào)補(bǔ)水措施對(duì)水生態(tài)環(huán)境的持續(xù)改善作用，可運(yùn)用數(shù)值軟件建立水質(zhì)模型，通過(guò)模擬分析水系連通工程對(duì)練江流域水質(zhì)改善作用機(jī)理，從而提出合理有效的調(diào)補(bǔ)水實(shí)施方案。