吳江 李俊杰 白雪

摘要 ?［目的］探明銀川市閱海湖生態(tài)環(huán)境需水量，滿足其生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)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(xué)需氧量（CODCr）和高錳酸鹽指數(shù)（CODMn）4個主要水質(zhì)污染物指標(biāo)，通過建立水質(zhì)-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(tài)環(huán)境需水量。［結(jié)果］閱海湖水質(zhì)保持現(xiàn)狀所需引水量由污染物指標(biāo)TP、CODCr和CODMn決定，達到地表水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)Ⅲ類水時所需引水量由污染物指標(biāo)CODCr決定；閱海湖生態(tài)環(huán)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(tài)環(huán)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(tài)環(huán)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(tài)環(huán)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(jié)論］閱海湖水體水質(zhì)已受到污染，含磷營養(yǎng)鹽和有機物污染正在成為閱海湖水質(zhì)的基本制約因素，應(yīng)嚴(yán)格限制流入湖區(qū)地表水體污染物含量，并實現(xiàn)多渠道補水以免湖泊生態(tài)情況進一步惡化。

關(guān)鍵詞 ?生態(tài)環(huán)境需水量；水質(zhì)-水量耦合模型；功能法；閱海湖

中圖分類號 ?X 171.1 ??文獻標(biāo)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(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)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(tài)景觀和人類最重要的生存環(huán)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(huán)境功能和效益［2］。城市湖泊在保障湖區(qū)周邊的人民生活和社會經(jīng)濟發(fā)展的同時，還可以做到調(diào)節(jié)區(qū)域氣候、維持生態(tài)系統(tǒng)平衡、保護生物多樣性以及城鄉(xiāng)供水等［3-4］。生態(tài)環(huán)境需水代表維持某一流域生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定且不退化的最小水量［5］，也就是在維護生態(tài)環(huán)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(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，還承擔(dān)著區(qū)域水生態(tài)正常發(fā)揮的介質(zhì)功能。對于水環(huán)境安全和水生生態(tài)系統(tǒng)健康來說，保證湖泊有足夠的生態(tài)環(huán)境需水量以滿足生態(tài)系統(tǒng)與環(huán)境的需要十分重要［7-8］。目前，已有眾多學(xué)者對湖泊生態(tài)環(huán)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(zhì)兩方面考慮滿足各需水分項關(guān)系，以及水量與水質(zhì)耦合研究對湖泊產(chǎn)生的生態(tài)效應(yīng)等方面的相關(guān)研究較少。

閱海湖位于寧夏回族自治區(qū)銀川市金鳳區(qū)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(nèi)面積最大的一塊生態(tài)濕地，具有生態(tài)改善、濕地保護等功能，近年來由于不合理的開發(fā)利用，沿湖岸農(nóng)業(yè)灌溉退水以及少量生活污水均排入該湖［12］，導(dǎo)致湖泊水質(zhì)逐年惡化、水生態(tài)系統(tǒng)退化等問題。該研究依靠實地調(diào)查，基于閱海湖水環(huán)境因子和植被分布特征分析結(jié)果，結(jié)合銀川平原湖泊實際情況，改進現(xiàn)有湖泊生態(tài)環(huán)境需水量計算方法，分析湖泊生態(tài)環(huán)境需水量的組成成分和研究范圍，在水量和水質(zhì)耦合情況下考慮滿足各需水分項關(guān)系構(gòu)建水質(zhì)-水量耦合模型，分別計算閱海湖水質(zhì)達到不同目標(biāo)時所需要的引水量，以期為閱海地區(qū)水資源合理配置、水生態(tài)恢復(fù)重建和區(qū)域水生態(tài)治理提供依據(jù)。

1 資料與方法

1.1 樣點布設(shè)與采樣時間

根據(jù)研究目標(biāo)，按照閱海湖的地理位置和水文特征等特點，設(shè)置了4個采樣點S1、S2、S3和S4，采樣點位布設(shè)詳見圖1。閱海湖湖面開闊，受風(fēng)浪作用使得湖內(nèi)水體混合性良好，湖水流動性較頻繁，根據(jù)對湖體多年監(jiān)測可看作完全混合型湖泊。其中S1和S2采樣點為深水區(qū)域，平均水深達3.2 m以上；S3和S4采樣點為淺水區(qū)，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(jù)2019年監(jiān)測數(shù)據(jù)分析可知，閱海湖主要超標(biāo)水質(zhì)指標(biāo)為高錳酸鹽指數(shù)（CODMn）、化學(xué)需氧量（CODCr）、總磷（TP）、總氮（TN），這4個指標(biāo)是閱海湖水質(zhì)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(dāng)天測定，測定指標(biāo)及標(biāo)準(zhǔn)如下：CODMn依據(jù)GB 11892—89，CODCr依據(jù)GB 11914—89，TP依據(jù)HJ 670—2013，TN依據(jù)HJ 632—2012。

1.3 數(shù)據(jù)來源

計算所需的水文數(shù)據(jù)包括降雨量、蒸發(fā)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(tài)環(huán)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(xiàn)估算湖泊最小生態(tài)環(huán)境需水量，兼具保護湖泊生態(tài)系統(tǒng)的生物多樣性和完整性［17-18］，故該研究計算閱海湖生態(tài)環(huán)境需水時采用功能法。將湖泊生態(tài)環(huán)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(tài)環(huán)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(tài)環(huán)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(fā)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(tài)環(huán)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(tài)環(huán)境改善需水量。

水質(zhì)和水量是水資源2個最基本的特性。作為水質(zhì)和水量的耦合，湖泊生態(tài)需水需要同時滿足水質(zhì)和水量的要求［20］。在計算湖泊生態(tài)環(huán)境需水量時，應(yīng)做到統(tǒng)一規(guī)劃水質(zhì)與水量，從而更好地進行水資源優(yōu)化配置。因此，在計算湖泊生態(tài)環(huán)境需水時，不僅要考慮對水量的要求，還應(yīng)當(dāng)考慮對水質(zhì)的要求，這樣才符合水資源優(yōu)化分配的原則。對于閱海湖水體生態(tài)環(huán)境改善需水量，由于湖泊水體生態(tài)環(huán)境改善需水量主要是黃河水，受到水資源科學(xué)合理利用的限制。為使湖泊發(fā)揮正常的生態(tài)系統(tǒng)和服務(wù)功能的作用，建立水質(zhì)-水量耦合模型和目標(biāo)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(fā)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(yīng)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(shù)，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(zhì)標(biāo)準(zhǔn)（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(fā)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(shù)［23］，蘆葦Kc=1.33；Ks為土壤水分修正系數(shù)，取1.0；ET0為植被月潛在蒸散發(fā)量（mm）；T為月平均氣溫（℃），h為月熱量指數(shù)，當(dāng)T≤0 ℃時，h=0；H為年熱量指數(shù)，等于12月的和，年熱量指數(shù)為52.50；B為指數(shù)，是年熱量指數(shù)的非線性函數(shù)［24］，計算結(jié)果為1.31；k為時間修正系數(shù)，根據(jù)《寧夏回族自治區(qū)第二次土地調(diào)查》中緯度專用表關(guān)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(diào)節(jié)氣候、美化景觀的需水，應(yīng)避免重復(fù)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(jié)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(jù)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(dāng)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(fā)現(xiàn)，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(dāng)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(tài)環(huán)境改善需水量估算

2.2.1 ???閱海湖水質(zhì)保持現(xiàn)狀時引水量。

分別以TN、TP、CODMn和CODCr 4種污染物為例，水質(zhì)保持現(xiàn)狀且不再惡化時所需水量的計算結(jié)果如圖2所示。由圖2可知，閱海湖水質(zhì)保持現(xiàn)狀且不再惡化的自凈所需的引水量由污染物指標(biāo)TP、CODCr和CODMn決定，3種污染物指標(biāo)自凈所需水量不同，考慮到湖泊水質(zhì)應(yīng)達到相應(yīng)質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，自凈需水量取各指標(biāo)自凈最小需水量中最大值。在閱海湖水質(zhì)保持現(xiàn)狀且不再惡化的條件下，3個指標(biāo)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(biāo)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(biāo)。

2.2.2 ???閱海湖水質(zhì)達到Ⅲ類水時引水量。

根據(jù)地表水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，閱海湖水質(zhì)達到Ⅲ類水時，計算出各月最優(yōu)引水量結(jié)果如圖3所示，此時所需的引水量由污染物指標(biāo)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(zhì)才能達到Ⅲ類，同時，所需自凈水量也高于其他污染物指標(biāo)。

2.2.3 ???閱海湖水體生態(tài)環(huán)境改善需水量。

閱海湖水體生態(tài)環(huán)境改善需水量包括蒸發(fā)需水量、滲漏需水量和自凈需水量［29-30］，計算結(jié)果如圖4所示。由圖4可知，閱海湖水體生態(tài)環(huán)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(biāo)CODCr要求的各月引水量均大于污染物指標(biāo)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(fā)主要集中在4—9月，其需水量占全年主要部分，結(jié)合比較各月水體生態(tài)環(huán)境改善最小、適宜和最大需水量以及水體生態(tài)環(huán)境改善最小、適宜和最大需水量所對應(yīng)的各月蒸發(fā)量和降雨量可知，各月需水量由其蒸發(fā)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(jù)2019年監(jiān)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(jié)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(chǔ)上，與景觀娛樂需水量有兼容成分，應(yīng)避免重復(fù)計算。

2.4 閱海湖生態(tài)環(huán)境需水量估算

閱海湖生態(tài)環(huán)境需水量為閱海湖水體基本需水量、水體生態(tài)環(huán)境改善需水量、岸邊帶植被及景觀娛樂需水量之和，計算結(jié)果見表2。由表2可知，閱海湖生態(tài)環(huán)境最小需水量為14.64×106 m3，生態(tài)環(huán)境適宜需水量為24.76×106 m3，生態(tài)環(huán)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(tài)環(huán)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(guān)，受城市內(nèi)河系分布影響，另一方面與生態(tài)環(huán)境改善引水水源也有密切關(guān)系［31］。

湖泊生態(tài)環(huán)境需水量的特點是參數(shù)眾多、復(fù)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(jié)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(tài)需水量，這與不同時期的水環(huán)境現(xiàn)狀和污染程度有關(guān)。閱海湖生態(tài)環(huán)境需水量劃分為湖泊水體基本需水量、湖泊水體生態(tài)環(huán)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(cè)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(tài)環(huán)境改善需水量由蒸發(fā)需水量、滲漏需水量和自凈需水量組成，采用水質(zhì)-水量模型進行計算。閱海湖位于西北干旱地區(qū)，年蒸發(fā)量是降水量的4.45倍，閱海湖水體生態(tài)環(huán)境需水量的重要組成部分更是包含蒸發(fā)需水量。除蒸發(fā)滲漏需水量外其余部分均用來滿足改善湖體水質(zhì)所需，說明閱海湖水體水質(zhì)已受到污染，首先應(yīng)嚴(yán)格限制流入湖區(qū)地表水體含磷營養(yǎng)鹽等污染物含量，實現(xiàn)多渠道補水以免湖泊生態(tài)情況進一步惡化。

3 結(jié)論

（1）基于功能法，構(gòu)建閱海湖生態(tài)環(huán)境需水量模型，計算閱海湖生態(tài)環(huán)境需水量。閱海湖生態(tài)環(huán)境需水量由湖泊水體基本需水量、湖泊水體生態(tài)環(huán)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(gòu)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(tài)環(huán)境改善需水量由蒸發(fā)需水量、滲漏需水量和自凈需水量組成，采用水量-水質(zhì)耦合模型進行計算。

（2）在水體生態(tài)環(huán)境改善需水量中，閱海湖水質(zhì)保持現(xiàn)狀且不再惡化所需水量由污染物指標(biāo)TP、CODCr和CODMn決定；達到地表水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)Ⅲ類水時所需水量由污染物指標(biāo)CODCr決定，應(yīng)對這幾個污染物指標(biāo)重點控制。

（3）根據(jù)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(tài)環(huán)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(tài)環(huán)境改善需水量占總需水量的絕大部分。

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