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(dāng)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(fā)展,人類的生產(chǎn)活動不可避免地會對湖泊的生態(tài)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(diào)節(jié)能力;過度捕撈導(dǎo)致湖泊的生物多樣性下降;污水排放導(dǎo)致湖泊富營養(yǎng)化[2]。因此,迫切需要對湖泊的環(huán)境進(jìn)行治理。

湖泊的生態(tài)環(huán)境會同時受到人類活動和自然環(huán)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(huán)境的治理過程中,也要考慮到不同的變量和不同的目標(biāo),不同方案的比選也受到相關(guān)學(xué)者的關(guān)注。楊衛(wèi)等[4]、華祖林等[5]和王磊等[6]在構(gòu)建篩選體系時,主要考慮了水力、水質(zhì)和經(jīng)濟(jì)因素,沒有考慮水生態(tài)方面,并結(jié)合數(shù)值模擬結(jié)果,得到玄武湖和湯遜湖最優(yōu)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(zhì)和水生態(tài)環(huán)境等方面的部分指標(biāo),選擇的因素不夠全面,因此也難以反映出實(shí)際的湖泊生態(tài)系統(tǒng),而且在定量處理影響因素時的方法也需要進(jìn)一步優(yōu)化。

在上述研究的基礎(chǔ)上,本文提出一種湖泊治理方案的篩選方法,運(yùn)用數(shù)值模擬方法,綜合考慮水質(zhì)、水動力和水生態(tài)環(huán)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(jìn)行研究,為湖泊治理方案的選擇提供依據(jù)。

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(zhèn))東故名芽莊湖,是濱州地區(qū)內(nèi)首建的納洪平原水庫。該湖盛產(chǎn)蒲草,條葦編織業(yè)是周邊農(nóng)民的主要副業(yè)。由于上游來水減少,湖西大部分已經(jīng)復(fù)墾為耕地。由于工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、基礎(chǔ)設(shè)施和生態(tài)環(huán)境建設(shè)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(dǎo)致入滲、徑流、蒸散發(fā)等水平衡要素的變化,從而造成徑流量的減少,導(dǎo)致湖泊水質(zhì)變差,生態(tài)環(huán)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(zhì)條件均較差,根據(jù)其生態(tài)環(huán)境現(xiàn)狀,考慮水動力、水質(zhì)和水生態(tài)環(huán)境等因素的影響,建立一套湖泊環(huán)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(biāo)

3.2 模型的率定與驗(yàn)證

以芽莊湖地區(qū)的水下地形、氣象、水文等數(shù)據(jù)為基礎(chǔ),應(yīng)用MIKE21軟件中的水動力模塊和水質(zhì)模塊,建立水動力水質(zhì)模型。利用芽莊湖3個水位站點(diǎn)所監(jiān)測的2018年3月至2020年3月的水位變化數(shù)據(jù),對水動力模型進(jìn)行率定與驗(yàn)證;利用水質(zhì)監(jiān)測點(diǎn)水質(zhì)逐月變化數(shù)據(jù),對水質(zhì)模型進(jìn)行率定與驗(yàn)證。不同監(jiān)測點(diǎn)位的率定與驗(yàn)證結(jié)果滿足精度要求,可用于模擬分析和預(yù)測,見圖1和圖2。

圖1 監(jiān)測點(diǎn)水位模擬值與實(shí)測值的比較

圖2 監(jiān)測點(diǎn)DO模擬值與實(shí)測值的比較

3.3 治理方案篩選

(1)

式中:X為規(guī)范化加權(quán)矩陣;xij為第i個方案中第j個篩選指標(biāo)的加權(quán)計(jì)算值。

(2)

(3)

(4)

4 結(jié)果和討論

芽莊湖一直面臨著水動力和水質(zhì)條件較差的問題,目前采用生態(tài)補(bǔ)水、污水治理等多種措施對生態(tài)環(huán)境進(jìn)行治理。因此,本文預(yù)設(shè)3種治理方案:①優(yōu)化補(bǔ)水方案,污水治理保持不變;②優(yōu)化污水治理,提高污水治理力度,保障排入水流達(dá)到Ⅳ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn),補(bǔ)水方案保持不變;③優(yōu)化補(bǔ)水方案+提高治污力度,將原補(bǔ)水流量分配到芽莊湖,并使排入芽莊湖的水流達(dá)到Ⅳ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。

各治理方案篩選指標(biāo)的計(jì)算結(jié)果見表2;貼近度計(jì)算結(jié)果見表3。

表2 各湖泊治理方案篩選指標(biāo)結(jié)果

表3 各湖泊治理方案貼進(jìn)度計(jì)算結(jié)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(jìn)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(yōu)于方案2;方案1和方案3中,水體流速的模擬結(jié)果相同,均為0.017 m/s,而方案2的模擬結(jié)果為0.016 m/s,略微低于方案1和方案3的結(jié)果,水體流速較高則有利于水體復(fù)氧。而且,方案1和方案3的平均流速時間、空間標(biāo)準(zhǔn)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(yuǎn)小于方案2的1 383d,而且方案1和方案3的滯水區(qū)面積也是明顯低于方案2的滯水區(qū)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(zhì)改善效果方面來看,方案2的水質(zhì)改善度最高,達(dá)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(zhì)平均達(dá)標(biāo)率也最高,達(dá)到97.8%,表明對排入芽莊湖水域的污水進(jìn)行優(yōu)化治理對改善水質(zhì)起到關(guān)鍵作用。另一方面,方案2的水質(zhì)改善效果雖然比方案1和方案3的好,但方案2的水質(zhì)平均達(dá)標(biāo)率僅比方案3的水質(zhì)平均達(dá)標(biāo)率高1.5個百分點(diǎn),而且方案3的水質(zhì)達(dá)標(biāo)率在時間、空間上標(biāo)準(zhǔn)差優(yōu)于方案1和方案2,表明水質(zhì)的整體達(dá)標(biāo)效果較好,即綜合采用優(yōu)化補(bǔ)水方案和提高治污力度更加有效。

從改善水生態(tài)環(huán)境方面來看,方案1和方案3的水位滿足度均為86.7%,優(yōu)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(yōu)于方案2的56.60%。因此,方案1和方案3對水生態(tài)環(huán)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(yōu)于方案1和方案2,即優(yōu)化補(bǔ)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(qū)的湖泊治理。

5 結(jié) 論

1)湖泊生態(tài)環(huán)境治理要同時兼顧系統(tǒng)性與整體性要求,針對當(dāng)前湖泊生態(tài)環(huán)境存在的問題,建立包括水動力、水質(zhì)和水生態(tài)環(huán)境3種因素在內(nèi)的湖泊生態(tài)環(huán)境治理方案篩選體系,提出了湖泊生態(tài)環(huán)境治理方案篩選方法。

2)以芽莊湖為研究對象進(jìn)行案例分析,結(jié)果表明,方案1和方案3對水動力、水生態(tài)環(huán)境的改善效果明顯好于方案2,而方案2的水質(zhì)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(yōu)化補(bǔ)水方案+提高治污力度”能夠更好地改善湖泊生態(tài)環(huán)境,同時也驗(yàn)證了該方法的科學(xué)性和合理性。