閱海湖生態環境需水研究

吳江 李俊杰 白雪

摘要 ?［目的］探明銀川市閱海湖生態環境需水量，滿足其生態系統穩定不退化所需要消耗的水資源總量。［方法］于2019年對閱海湖進行水樣采集，測定總氮（TN）、總磷（TP）、化學需氧量（CODCr）和高錳酸鹽指數（CODMn）4個主要水質污染物指標，通過建立水質-水量耦合模型，采用功能法計算分析閱海湖水體最小、適宜和最大生態環境需水量。［結果］閱海湖水質保持現狀所需引水量由污染物指標TP、CODCr和CODMn決定，達到地表水水質標準Ⅲ類水時所需引水量由污染物指標CODCr決定；閱海湖生態環境需水量劃分為3個部分，分別為水體基本需水量、水體生態環境改善需水量、岸邊帶植被及景觀娛樂需水量，水體基本需水量和生態環境改善需水量占閱海湖總需水量的絕大部分，通過計算可知，水體生態環境最小需水量為14.64×106 m3，適宜需水量為24.76×106 m3，最大需水量為50.98×106 m3。［結論］閱海湖水體水質已受到污染，含磷營養鹽和有機物污染正在成為閱海湖水質的基本制約因素，應嚴格限制流入湖區地表水體污染物含量，并實現多渠道補水以免湖泊生態情況進一步惡化。

關鍵詞 ?生態環境需水量；水質-水量耦合模型；功能法；閱海湖

中圖分類號 ?X 171.1 ??文獻標識碼 ?A ??文章編號 ?0517-6611（2023）05-0041-05

doi： 10.3969/j.issn.0517-6611.2023.05.011

開放科學（資源服務）標識碼（OSID）：

Study on the Ecological Environmental Water Demand in Yuehai Lake

WU Jiang， LI Jun-jie，BAI Xue

（CCCC Infrastructure Maintenance Group Ningxia Engineering Co.， Ltd.，Yinchuan，Ningxia 750002）

Abstract ?［Objective］To find out the ecological water demand of Yuehai Lake in Yinchuan City and to meet the total water resources consumed for the stability and non-degradation of the ecosystem. ［Method］ Water samples were collected from Yuehai Lake in 2019，the total nitrogen （TN）， total phosphorus （TP）， chemical oxygen demand （CODCr） and potassium permanganate index （CODMn） four main water pollutants indicators were determined， the minimum， suitable and maximum eco-environmental water demand of Yuehai Lake water body was analyzed and calculated by using the function method through the establishment of the water quality-water quantity coupling model.［Result］Yuehai Lake water diverted required to keep the status quo was determined by the pollutant index TP and CODCr and CODMn， reach the surface water quality standard Ⅲ water diverted required was determined by the pollutant index CODCr.Yuehai Lake ecological environment water demand was divided into 3 parts： the basic water demand， ecological environment improving water demand and the shore with vegetation and water area for sight and recreation， the ecological environment of minimum water demand was 14.64×106 m3， the suitable water demand was 24.16×106 m3， the maximum water demand was 50.98×106 m3， the basic water demand and ecological environment impromement water demand accounted for the vast majority of Yuehai Lake total water demand. ［Conclusion］ The water quality of Yuehai Lake has been polluted， phosphorus nutrient salt and organic matter pollution are becoming the basic restricting factors of the water quality of Yuehai Lake， the pollutant content of surface water inflow into the lake should be strictly limited， and the multi-channel water replenishment should be realized to avoid the further deterioration of the lake ecological situation.

Key words ?Ecological water demand;Water quality and water quantity coupling model;Functional method;Yuehai Lake

作為自然界最富生物多樣性的生態景觀和人類最重要的生存環境之一［1］，湖泊不僅是地球水資源的重要組成部分，同時還具有巨大的環境功能和效益［2］。城市湖泊在保障湖區周邊的人民生活和社會經濟發展的同時，還可以做到調節區域氣候、維持生態系統平衡、保護生物多樣性以及城鄉供水等［3-4］。生態環境需水代表維持某一流域生態系統穩定且不退化的最小水量［5］，也就是在維護生態環境不再惡化并能夠逐漸改善的情況下，所需消耗的水資源總量［6］。湖泊水量不僅維持了河湖生態系統結構，還承擔著區域水生態正常發揮的介質功能。對于水環境安全和水生生態系統健康來說，保證湖泊有足夠的生態環境需水量以滿足生態系統與環境的需要十分重要［7-8］。目前，已有眾多學者對湖泊生態環境需水進行研究［9-11］，但大多解決的問題是防止湖泊干涸和湖面萎縮等，主要注重計算的是水量，而對從水量和水質兩方面考慮滿足各需水分項關系，以及水量與水質耦合研究對湖泊產生的生態效應等方面的相關研究較少。

閱海湖位于寧夏回族自治區銀川市金鳳區西北部（106188 5°～106.213 4°E，38.512 9°～38.579 9°N），湖水面積12.00 km2，平均水深2.0 m。閱海湖是銀川市內面積最大的一塊生態濕地，具有生態改善、濕地保護等功能，近年來由于不合理的開發利用，沿湖岸農業灌溉退水以及少量生活污水均排入該湖［12］，導致湖泊水質逐年惡化、水生態系統退化等問題。該研究依靠實地調查，基于閱海湖水環境因子和植被分布特征分析結果，結合銀川平原湖泊實際情況，改進現有湖泊生態環境需水量計算方法，分析湖泊生態環境需水量的組成成分和研究范圍，在水量和水質耦合情況下考慮滿足各需水分項關系構建水質-水量耦合模型，分別計算閱海湖水質達到不同目標時所需要的引水量，以期為閱海地區水資源合理配置、水生態恢復重建和區域水生態治理提供依據。

1 資料與方法

1.1 樣點布設與采樣時間

根據研究目標，按照閱海湖的地理位置和水文特征等特點，設置了4個采樣點S1、S2、S3和S4，采樣點位布設詳見圖1。閱海湖湖面開闊，受風浪作用使得湖內水體混合性良好，湖水流動性較頻繁，根據對湖體多年監測可看作完全混合型湖泊。其中S1和S2采樣點為深水區域，平均水深達3.2 m以上；S3和S4采樣點為淺水區，平均水深小于1.5 m。采樣時間為2019年1—12月，每月定期采集水樣1次，共計采集水樣為12次。

1.2 樣品測定

根據2019年監測數據分析可知，閱海湖主要超標水質指標為高錳酸鹽指數（CODMn）、化學需氧量（CODCr）、總磷（TP）、總氮（TN），這4個指標是閱海湖水質的主要控制因子。水樣采集參照楊永宇［13］和李斌等［14］的方法。將采集的水樣用5.0 L有機玻璃采水器保存，帶回實驗室當天測定，測定指標及標準如下：CODMn依據GB 11892—89，CODCr依據GB 11914—89，TP依據HJ 670—2013，TN依據HJ 632—2012。

1.3 數據來源

計算所需的水文數據包括降雨量、蒸發量等，均來自2019年逐月實測氣象水文資料。

1.4 分析方法

湖泊生態環境需水量計算方法包括功能法、水量平衡法和最小水位法等［15-16］。由于功能法可以實現估算湖泊最小生態環境需水量，兼具保護湖泊生態系統的生物多樣性和完整性［17-18］，故該研究計算閱海湖生態環境需水時采用功能法。將湖泊生態環境需水量歸納為三大類，分別為湖泊水體基本需水量、湖泊水體生態環境改善需水量、湖泊岸邊帶植被及景觀娛樂需水量，計算公式如下：

QR=QV+QJ+QZ+QL+QY+QA=Q基+Q改+Q植+景 （1）

式（1）中，QR代表湖泊生態環境需水量（m3），QV代表湖泊水生生物及其棲息地需水量（m3），QJ代表湖泊自凈需水量（m3），QZ代表湖泊蒸發需水量（m3），QL代表湖泊滲漏需水量（m3），QY代表景觀娛樂需水量（m3），QA代表湖泊岸邊帶植被需水量（m3），Q基代表湖泊水體基本需水量（m3），Q改代表湖泊水體生態環境改善需水量（m3），Q植+景代表湖泊岸邊帶植被及景觀娛樂需水量（m3）。

1.4.1 ???水體基本需水量。

按照水面面積百分比和水深要素劃定需水量級別［19］，可分析計算閱海湖水體基本需水量，計算公式如下：

Q基=A×β×h （2）

式（2）中，Q基代表湖泊水體基本需水量（m3）；A代表湖泊面積（m2）；β代表淹水面積百分比；h代表湖泊水深（m）。

1.4.2 ???水體生態環境改善需水量。

水質和水量是水資源2個最基本的特性。作為水質和水量的耦合，湖泊生態需水需要同時滿足水質和水量的要求［20］。在計算湖泊生態環境需水量時，應做到統一規劃水質與水量，從而更好地進行水資源優化配置。因此，在計算湖泊生態環境需水時，不僅要考慮對水量的要求，還應當考慮對水質的要求，這樣才符合水資源優化分配的原則。對于閱海湖水體生態環境改善需水量，由于湖泊水體生態環境改善需水量主要是黃河水，受到水資源科學合理利用的限制。為使湖泊發揮正常的生態系統和服務功能的作用，建立水質-水量耦合模型和目標控制方程，其計算公式如下：

ΔVi=WPi+WRi-WEi-WCi

WPiCPi+WRiCRi=ΔCiVi+WEiCEi+WCiCCi+ΔViCCi+KCCiVi

CCi= WPiCPi+WRiCRi WCi+ΔVi+KVi

|ΔVi|≤Vmax-Vmin

Vmax≤Vi≤Vmin

CCi≤Cs

（3）

式（3）中，ΔVi代表湖泊第i月的需水變化量（m3）；WPi、WRi、WEi和WCi分別代表第i月湖泊的湖面降水量、引水量、蒸發量和滲漏量，單位為m3；CPi、CRi、CEi和CCi分別代表第i月湖泊的上述各對應水量中所含污染物的濃度，單位為mg/L；K代表污染物TN的降解系數，CODMn和CODCr的K值取0004 d-1，TN和TP的K值取0.01 d-1；Vi代表第i月湖泊的平均蓄水量（m3）；ΔCi代表第i月湖泊污染物TN的濃度變化值（mg/L）；Vmax、Vmin分別代表湖泊蓄水量的上、下限值（m3）；Cs代表湖泊水質標準（mg/L）。

1.4.3 ???岸邊帶植被及景觀娛樂需水量。

計算閱海湖岸邊帶植被及景觀娛樂需水量時，首先采用桑斯維特模型，計算湖岸邊帶植被潛在蒸散發量［21-22］，其次計算湖岸邊帶植被需水量。具體公式如下：

QA=A×ET0×Kc×Ks

ET0=k×16.2（10× T H ）B

B=6.75×10-7×H3-7.71×10-5×H2+1.79×10-2×H+0.49

h=（ T 5.0 ）1.514

H= 12 i=1 h

（4）

式（4）中，QA為湖泊岸邊帶植被需水量（m3）；A為湖泊岸邊帶植被面積（m2）；Kc為植物系數［23］，蘆葦Kc=1.33；Ks為土壤水分修正系數，取1.0；ET0為植被月潛在蒸散發量（mm）；T為月平均氣溫（℃），h為月熱量指數，當T≤0 ℃時，h=0；H為年熱量指數，等于12月的和，年熱量指數為52.50；B為指數，是年熱量指數的非線性函數［24］，計算結果為1.31；k為時間修正系數，根據《寧夏回族自治區第二次土地調查》中緯度專用表關系來確定，詳見表1。

維持湖泊景觀功能及水上娛樂項目正常運行所需的水量即為景觀娛樂需水量，由于景觀娛樂需水量相對于前面幾項需水量很小，同時閱海湖生物及其棲息地需水量和景觀娛樂需水量二者又有兼容的成分［25-26］。如保證一定的閱海湖水體基本需水量，同時可部分滿足水體自凈、調節氣候、美化景觀的需水，應避免重復計算問題，可在滿足前面幾項需水量上同時滿足景觀娛樂需水。

2 結果與分析

2.1 閱海湖水體基本需水量估算

閱海湖平均水深2.0 m，多年水面面積12 km2，則蓄水量為24×106 m3，根據面積百分比和水深要素，劃定需水量級別，確定水體基本需水量。閱海湖水體基本需水量為湖泊水生生物及其棲息地所需水量，當湖泊淹水面積占湖泊面積的40%～50%時，湖泊水體可保證濕地能基本滿足水生生物的生存需要。楊志峰等［27-28］研究發現，將湖泊水生生物及其棲息地最大需水量的淹水面積百分比劃分為90%～100%，采用閱海湖水體基本最小、適宜和最大需水量的淹水面積百分比40%、50%和90%，其水深分別為0.8、1.0和1.8 m，計算閱海湖水體基本最小、適宜和最大需水量。為使湖泊水體可保證濕地能基本滿足水生生物的生存需要，此時最小需水量為3.84×106 m3，適宜需水量為6.00×106 m3。當湖泊淹水面積占湖泊面積的90%時，湖泊水體可保證濕地能夠充分滿足水生生物的生存、生活、繁殖等需要，此時最大需水量為19.44×106 m3。

2.2 閱海湖水體生態環境改善需水量估算

2.2.1 ???閱海湖水質保持現狀時引水量。

分別以TN、TP、CODMn和CODCr 4種污染物為例，水質保持現狀且不再惡化時所需水量的計算結果如圖2所示。由圖2可知，閱海湖水質保持現狀且不再惡化的自凈所需的引水量由污染物指標TP、CODCr和CODMn決定，3種污染物指標自凈所需水量不同，考慮到湖泊水質應達到相應質量標準，自凈需水量取各指標自凈最小需水量中最大值。在閱海湖水質保持現狀且不再惡化的條件下，3個指標計算的其中最高水量決定全年所需引水量，全年引水量為24.97×106 m3，各月引水量中最大的是5月，為3.41×106 m3，最小的是1月，為0.63×106 m3。因為閱海湖的主要污染物指標是CODCr，必須要降低水體CODCr的含量，其自凈需水量高于其他污染物指標。

2.2.2 ???閱海湖水質達到Ⅲ類水時引水量。

根據地表水水質標準，閱海湖水質達到Ⅲ類水時，計算出各月最優引水量結果如圖3所示，此時所需的引水量由污染物指標CODCr決定，全年引水量為34.11×106 m3，各月引水量中最大的是5月，為4.72×106 m3，最小的是12月，為0.64×106 m3。只有水體CODCr的含量降低，閱海湖水質才能達到Ⅲ類，同時，所需自凈水量也高于其他污染物指標。

2.2.3 ???閱海湖水體生態環境改善需水量。

閱海湖水體生態環境改善需水量包括蒸發需水量、滲漏需水量和自凈需水量［29-30］，計算結果如圖4所示。由圖4可知，閱海湖水體生態環境改善最小需水量為10.31×106 m3，適宜需水量為1803×106 m3，最大需水量為30.45×106 m3，其中滿足污染物指標CODCr要求的各月引水量均大于污染物指標TN、TP和CODMn要求的各月引水量。分析可知，由于閱海湖全年蒸發主要集中在4—9月，其需水量占全年主要部分，結合比較各月水體生態環境改善最小、適宜和最大需水量以及水體生態環境改善最小、適宜和最大需水量所對應的各月蒸發量和降雨量可知，各月需水量由其蒸發量決定。

2.3 閱海湖岸邊帶植被及景觀娛樂需水量估算

選取蘆葦為閱海湖岸邊帶植被代表物種，根據2019年監測資料，其蘆葦分布面積為133.33 hm2，對湖岸邊帶植被4—10月的最小、適宜和最大需水量進行計算，結果如圖5所示。由圖5可知，閱海湖岸邊帶植被最小需水量為48.56×104 m3，適宜需水量為73.49×104 m3，最大需水量為109.43×104 m3，各級別需水量最大的均為7月，需水量最小的均為10月。由于景觀娛樂需水量相對于前面幾項需水量很小，同時在滿足閱海湖生物及其棲息地需水量基礎上，與景觀娛樂需水量有兼容成分，應避免重復計算。

2.4 閱海湖生態環境需水量估算

閱海湖生態環境需水量為閱海湖水體基本需水量、水體生態環境改善需水量、岸邊帶植被及景觀娛樂需水量之和，計算結果見表2。由表2可知，閱海湖生態環境最小需水量為14.64×106 m3，生態環境適宜需水量為24.76×106 m3，生態環境最大需水量為50.98×106 m3，其中各級別水體基本需水量和生態環境改善需水量分別占總需水量的96.65%、97.05%和97.86%，一方面與閱海湖的地理位置有關，受城市內河系分布影響，另一方面與生態環境改善引水水源也有密切關系［31］。

湖泊生態環境需水量的特點是參數眾多、復雜、隨時間和空間變化而變化［32］，不同的分析計算方法所得結果均會不同，該研究所計算的最小、最大需水量均大于齊拓野等［33］計算的閱海濕地生態需水量，這與不同時期的水環境現狀和污染程度有關。閱海湖生態環境需水量劃分為湖泊水體基本需水量、湖泊水體生態環境改善需水量、湖泊岸邊帶植被及景觀娛樂需水量。閱海湖基本需水量為湖泊水生生物及其棲息地需水量，占總需水量的25%左右，從側面也說明水生生物生物量較大，為了滿足水生生物生長、繁育所需水量也較大。閱海湖水體生態環境改善需水量由蒸發需水量、滲漏需水量和自凈需水量組成，采用水質-水量模型進行計算。閱海湖位于西北干旱地區，年蒸發量是降水量的4.45倍，閱海湖水體生態環境需水量的重要組成部分更是包含蒸發需水量。除蒸發滲漏需水量外其余部分均用來滿足改善湖體水質所需，說明閱海湖水體水質已受到污染，首先應嚴格限制流入湖區地表水體含磷營養鹽等污染物含量，實現多渠道補水以免湖泊生態情況進一步惡化。

3 結論

（1）基于功能法，構建閱海湖生態環境需水量模型，計算閱海湖生態環境需水量。閱海湖生態環境需水量由湖泊水體基本需水量、湖泊水體生態環境改善需水量、湖泊岸邊帶植被及景觀娛樂需水量3部分構成。閱海湖水體基本需水量為湖泊水生生物及其棲息地需水量，生態環境改善需水量由蒸發需水量、滲漏需水量和自凈需水量組成，采用水量-水質耦合模型進行計算。

（2）在水體生態環境改善需水量中，閱海湖水質保持現狀且不再惡化所需水量由污染物指標TP、CODCr和CODMn決定；達到地表水水質標準Ⅲ類水時所需水量由污染物指標CODCr決定，應對這幾個污染物指標重點控制。

（3）根據閱海湖淹水面積百分比40%、50%和90%計算最小、適宜和最大需水量，閱海湖水體生態環境最小需水量為1464×106 m3，適宜需水量為24.76×106 m3，最大需水量為50.98×106 m3，其中水體基本需水量和水體生態環境改善需水量占總需水量的絕大部分。

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