芽莊湖湖泊生態環境改善措施研究

劉 敏

(濱州市水文中心,山東 濱州 256600)

1 概 述

湖泊水是我國重要的淡水資源之一,湖泊在保障飲用水安全、防洪抗旱、保障生物多樣性等方面具有舉足輕重的作用[1]。我國是人口大國,淡水資源總量位居世界第六,但人均淡水占有量僅相當于世界人均淡水占有量的1/4,淡水資源匱乏。隨著科技的發展,人類的生產活動不可避免地會對湖泊的生態和功能造成不利影響。如圍湖造田損壞了湖泊的防洪抗旱和氣候調節能力;過度捕撈導致湖泊的生物多樣性下降;污水排放導致湖泊富營養化[2]。因此,迫切需要對湖泊的環境進行治理。

湖泊的生態環境會同時受到人類活動和自然環境的影響,影響要素和影響因子都是多樣性的[3]。因此,在湖泊環境的治理過程中,也要考慮到不同的變量和不同的目標,不同方案的比選也受到相關學者的關注。楊衛等[4]、華祖林等[5]和王磊等[6]在構建篩選體系時,主要考慮了水力、水質和經濟因素,沒有考慮水生態方面,并結合數值模擬結果,得到玄武湖和湯遜湖最優治理方案。綜上所述,以往的研究主要考慮到的影響因素為水動力、水質和水生態環境等方面的部分指標,選擇的因素不夠全面,因此也難以反映出實際的湖泊生態系統,而且在定量處理影響因素時的方法也需要進一步優化。

在上述研究的基礎上,本文提出一種湖泊治理方案的篩選方法,運用數值模擬方法,綜合考慮水質、水動力和水生態環境的影響,建立一個較為完善的湖泊治理方案篩選體系,并以芽莊湖為例進行研究,為湖泊治理方案的選擇提供依據。

2 工程概況

芽莊湖位于山東省鄒平與章丘兩縣交界處,系古湖泊滸山濼的一部分,為漯河、杏花河滯洪湖泊。 1950年秋,鄒平縣為防洪除澇,將滸山濼西隅辟為湖泊。因該湖位于芽莊村(屬章丘刁鎮)東故名芽莊湖,是濱州地區內首建的納洪平原水庫。該湖盛產蒲草,條葦編織業是周邊農民的主要副業。由于上游來水減少,湖西大部分已經復墾為耕地。由于工農業生產、基礎設施和生態環境建設改變了流域下墊面條件(包括植被、土壤、水面、耕地、潛水位等因素),導致入滲、徑流、蒸散發等水平衡要素的變化,從而造成徑流量的減少,導致湖泊水質變差,生態環境亟需得到改善。

3 研究方法

3.1 治理方案篩選體系的確定

芽莊湖的水動力條件和水質條件均較差,根據其生態環境現狀,考慮水動力、水質和水生態環境等因素的影響,建立一套湖泊環境治理方案的篩選體系,具體情況見表1。

表1 湖泊治理方案篩選指標

3.2 模型的率定與驗證

以芽莊湖地區的水下地形、氣象、水文等數據為基礎,應用MIKE21軟件中的水動力模塊和水質模塊,建立水動力水質模型。利用芽莊湖3個水位站點所監測的2018年3月至2020年3月的水位變化數據,對水動力模型進行率定與驗證;利用水質監測點水質逐月變化數據,對水質模型進行率定與驗證。不同監測點位的率定與驗證結果滿足精度要求,可用于模擬分析和預測,見圖1和圖2。

圖1 監測點水位模擬值與實測值的比較

圖2 監測點DO模擬值與實測值的比較

3.3 治理方案篩選

(1)

式中:X為規范化加權矩陣;xij為第i個方案中第j個篩選指標的加權計算值。

(2)

(3)

(4)

4 結果和討論

芽莊湖一直面臨著水動力和水質條件較差的問題,目前采用生態補水、污水治理等多種措施對生態環境進行治理。因此,本文預設3種治理方案:①優化補水方案,污水治理保持不變;②優化污水治理,提高污水治理力度,保障排入水流達到Ⅳ類水質標準,補水方案保持不變;③優化補水方案+提高治污力度,將原補水流量分配到芽莊湖,并使排入芽莊湖的水流達到Ⅳ類水質標準。

各治理方案篩選指標的計算結果見表2;貼近度計算結果見表3。

表2 各湖泊治理方案篩選指標結果

表3 各湖泊治理方案貼進度計算結果

從水動力改善效果方面來看,方案1和方案3的最終效果相同。分別采用方案1和方案3進行治理后,芽莊湖的流線分布密度為0.14 km-2,較為明顯地提升了湖泊水體的暢通程度,流路也要優于方案2;方案1和方案3中,水體流速的模擬結果相同,均為0.017 m/s,而方案2的模擬結果為0.016 m/s,略微低于方案1和方案3的結果,水體流速較高則有利于水體復氧。而且,方案1和方案3的平均流速時間、空間標準差則小于方案2。此外,方案1和方案3的水力停留時間為553d,遠小于方案2的1 383d,而且方案1和方案3的滯水區面積也是明顯低于方案2的滯水區面積,表明水體更新加快,降低芽莊湖的污染物含量。因此,相比較于方案2,方案1和方案3對整體水動力改善效果更好。

從水質改善效果方面來看,方案2的水質改善度最高,達到28.37%,明顯高于方案3的27.70%和方案1的5.46%;方案2的水質平均達標率也最高,達到97.8%,表明對排入芽莊湖水域的污水進行優化治理對改善水質起到關鍵作用。另一方面,方案2的水質改善效果雖然比方案1和方案3的好,但方案2的水質平均達標率僅比方案3的水質平均達標率高1.5個百分點,而且方案3的水質達標率在時間、空間上標準差優于方案1和方案2,表明水質的整體達標效果較好,即綜合采用優化補水方案和提高治污力度更加有效。

從改善水生態環境方面來看,方案1和方案3的水位滿足度均為86.7%,優于方案2的83.5%。而且方案1和方案3的水面面積率為77.94%,也優于方案2的56.60%。因此,方案1和方案3對水生態環境的改善效果更好。

從表3可以看出,方案1、方案2和方案3的貼近度分別為0.35、0.55和0.84,表明方案3的綜合治理效果優于方案1和方案2,即優化補水方案的同時提高污水治理力度的效果更加明顯。因此,方案3更適合用于芽莊湖地區的湖泊治理。

5 結 論

1)湖泊生態環境治理要同時兼顧系統性與整體性要求,針對當前湖泊生態環境存在的問題,建立包括水動力、水質和水生態環境3種因素在內的湖泊生態環境治理方案篩選體系,提出了湖泊生態環境治理方案篩選方法。

2)以芽莊湖為研究對象進行案例分析,結果表明,方案1和方案3對水動力、水生態環境的改善效果明顯好于方案2,而方案2的水質改善要好于方案1和方案3。從綜合治理效果上來看,方案3的治理效果是最好的,即“優化補水方案+提高治污力度”能夠更好地改善湖泊生態環境,同時也驗證了該方法的科學性和合理性。