大中型灌區生態水環境多方位修復技術分析

申 艷

（東營市水利灌溉服務中心,山東 東營 257091）

0 引言

在大力發展工業、農業的時代背景下,各種工業廢料、農業化肥、生活污水,不約而同地排入自然水體,使水環境更加復雜,影響生態水環境的質量。圍繞水環境質量問題,研究人員設計了多種生態水環境修復技術。其中,基于河長制的水生態環境修復技術,與基于GSI 的生態水環境修復技術的應用較為廣泛。這兩種修復技術均能夠修復水環境,但是水環境保護體系主要針對事后修復,并未作出事前預防,而綠色雨水基礎設施雖然針對了水環境源頭進行修復,但是受到氣候環境、土壤環境等問題的制約,導致水環境修復效果不佳[1]。因此,本文設計了大中型灌區生態水環境多方位修復技術。

1 大中型灌區生態水環境多方位修復技術設計

1.1 提取灌區生態水環境變化特征

在修復灌區生態水環境的過程中,灌區水環境變化特征的提取至關重要。從時間尺度上來看,灌區數據分為規劃水平年數據與規劃基準年數據。從種類上來看,灌區數據包括氣象條件數據、水文環境數據、可視化環境數據等[2]。受到生態水環境的氣候水文變化特征的影響,將灌區氣溫數據、降雨數據、徑流數據、水質數據、土壤數據、作物種植結構數據、基礎環境搭建數據等進行分析。其中,氣溫數據、降雨數據來自氣象數據網；徑流數據來自水文站,水質數據來自環境保護廳,土壤數據、作物種植結構數據由灌區提供,基礎環境搭建數據包括實地考察、社會數據、GIS 數據等多個方面。通過以上數據的提取,對大中型灌區生態水循環格局進行優化[3]。為了進一步分析水環境變化情況,本文對灌區降雨徑流量變化特征進行提取,徑流量變化情況如下：

式中：f（x）為降雨量密度函數； 、β、a 為降雨概率密度曲線的三個待定參數；γ（β）為β的伽瑪函數；e-β（x-α0）為自然對數函數的底數。

引入一個隨機變量m,在水文頻率曲線中p 為指定頻率,則水文變化特征公式如下：

式中：p（m）為根據水文環境設定的理論頻率曲線表達式；d為隨機變量m 到曲線的距離；x 為曲線上的隨機變化節點。

根據p（m）的變化情況對年內水資源變化情況進行分析,p（m）=25%時,灌區為豐水年；p（m）=50%時,灌區為平水年；p（m）=75%時,灌區為枯水年；p（m）=95%時,灌區為特枯水年。值越大,降雨量越少,灌區灌溉水量越少,影響生態水環境質量。

1.2 規劃灌區地表水體的目標水質

生態修復不僅要從水環境內部進行優化,還需要對水質進行修復。針對水資源匱乏的問題,以消減水污染負荷來改善水環境質量[4]。灌區內部水系不僅需要滿足排澇要求,也要規劃出灌區地表水體的目標水質。水質控制指標見表1。

表1 灌區水體水質控制指標表

如表1 所示,灌區水環境受到農業化肥的影響,其水質環境不佳,亟需進行修復。在上述水質指標控制的條件下,水體在進入灌區泵站之前進行一次檢查,指標合格之后才能進行農田灌溉。灌區不僅會在泵站接受水源,還會在周圍河流接受水源[5]。因此,水環境修復的首要步驟就是清淤。考慮到灌區水系補水質量的問題,在灌區水源供給之前,均進行了深化處理,利用自然濕地建立前置處理庫,減少處理消耗。自然濕地處理之后,通過人工濕地凈化水質,最大限度地保證水環境質量。在灌區實行雨水資源化利用模式,在雨季收集雨水,并在旱季進行灌區灌溉,在灌溉之前同樣進行處理。此種方式可以在不同空間尺度上修補水環境,優化大中型灌區生態水循環格局,為灌區灌溉質量提供保障。

1.3 建立灌區水環境生態修復區

在進行生態水環境修復的過程中,設定徑流管理區、蓄水區、有機質培育區、生態修復區等四個階段。在第一個階段就是將灌區的徑流流速進行管控,修復該區域內的生態水環境[6]。并在該區域種植水蔥等生物,為相關植被營造出良好的水環境。在第二階段就是將管理區的水文環境進行修復,滲透并蓄積水流,在保證灌區水位線不變的基礎上,將原始生態駁岸進行修復,增加水流滲透效果。第三階段就是在灌區設置一個有機質培育裝置,通過灌溉提高土壤中的有機質含量增加。有機質培育裝置結構見圖1。

圖1 有機質培育裝置結構設計示意圖

第四階段,該階段主要目的就是為原物種提供一個健康的生活環境。在水流進入灌區之前,將水質條件進行分析,水質達到灌溉需求之后才能進行灌溉。再加上第三階段的有機質,能夠使灌區經過水環境灌溉之后,植被、作物長勢良好,為灌區的發展提供保障。

2 實例分析

2.1 工程概況

東營市丁家泵站灌區生態水環境修復工程屬于一般中型灌區,設計灌溉面積約2.6×107畝。東營市的降水量較小,地表水資源量約9.5×108m3,主要集中在廣饒縣境內,屬于較為貧乏的環境。按照山東省南水北調東線工程統一布局,東營市配套工程中心城區供水單元對應北分水口,東營市配套工程廣饒供水單元對應南分水口。由于丁家泵站已經運行多年,進出口水流較為平穩,但存在淤積。

北分水口位于膠東干渠與東青高速路交匯處西側約1.2 km 處左岸,建設性質為新建,結構型式為2 孔矩形開敞式水閘,設計流量13.0 m3/s,年引水天數為172 天,年引水量為1.75 億m3。為了滿足東營市的灌區建設需求,在灌區建設了丁家泵站,近五年的灌溉面積約0.35×104畝。受到水環境影響,灌區面積縮減,土地性質發生變化,減少了部分灌溉面積。經過觀察發現丁家泵站灌區所建面積約4.17×103畝,縮減區域有三個部分,見圖2。

圖2 灌溉替代工程區域位置圖

在1#、2#、3#等區域主要種植玉米和小麥,農業人口0.064萬人,現狀糧食總產量500萬kg,農業生產總值1098.10萬元。受降水年份的影響較大,灌區每年的灌輸次數因降水和黃河來水的限制,每年灌水次數2 次,每次20 天左右,每年灌溉時間最多不到60 天。考慮到成立獨立的管理機構人員在灌溉季節忙碌,但非灌溉季節會閑置,且會造成農業灌溉成本增加。因此,1#、2#、3#區域開始縮減,成為灌溉替代工程。1#區域面積為1717 畝,灌溉水源為三叉泵站,能夠滿足灌區日常灌溉需求。2#區域面積為1214.31 畝,接受來自濱州的水源,能夠滿足灌區日常灌溉需求。3#區域面積為1244.79 畝,灌溉水源為董王泵站,能夠滿足灌區日常灌溉需求。

2.2 應用結果

在上述條件下,選取1#、2#、3#等區域作為修復指標。以上區域分別采用修復前的生態水質,與修復后的生態水質進行灌溉。分析每個區域的表層pH、耕作層pH、有機質、Cl-、SO4

2-的變化情況,應用結果見表2。

如表2 所示,1#、2#、3#等區域均能夠滿足灌區日常灌溉需求。使用泵站與濱州水源在灌區灌溉之后,土壤pH值越高,越不利于該灌區植物的生長,影響生態修復效果；Cl-、SO4

2-較多,同樣會影響生態修復效果。有機質越多,灌區植物的生長效果越佳。總體來看,土壤表層與耕作層pH需要降低,有機質需要增加,Cl-、SO42-需要減少,才能保證生態水環境修復效果。由表2 可知,在修復之前,1#、2#、3#區域的土壤為堿性,pH 值相對較高,有機質較少,Cl-、SO42-較多,區域內的灌溉水環境不佳,不利于植物的生長。采用修復技術修復之后,1#、2#、3#區域土壤修復成了弱堿性,有機質有所增加,Cl-與SO42-均得到了不同程度的減少。由此可見,使用本文設計的修復技術之后,能夠多方位地修復生態水環境,使水質條件更佳,將雨水資源化利用,結合雨水中的pH 值,為灌區植被提供更良好的灌溉條件,符合本文研究目的。

3 結語

本文研究了大中型灌區生態水環境多方位修復技術。從目標水質、水循環格局、生態修復區等多個方面,對大中型灌區進行水環境修復。并以土壤pH 值、有機質,以及主要離子變化情況作為修復效果的評價指標,為灌區植被的生長提供保障。