內蒙古烏梁素海水質改善措施及成效

關麗罡，趙天祺，崔曉東

（內蒙古河套灌區水利發展中心，內蒙古 臨河 015000）

1 研究背景

湖泊作為生態系統的重要組成部分，具有調蓄、改善水質、動物棲息地、調節局地氣候、供水等一系列生態服務功能［1］。湖泊需要補充年內由于各種原因耗散的水量以便維持合適的生態水位［2］。我國地處亞熱帶季風區，水資源時空分布不均是水資源開發利用面臨的挑戰之一，尤其是西北干旱半干旱區土地、生態環境、人口與水資源間更為不協調，水資源短缺愈發常態化和顯性化，不能滿足地區高質量發展的需要［3］。地處西北內陸干旱、半干旱區的湖泊常年受區域降水少、蒸發大、無穩定優質水源補給、生態需水無法得到有效保證的制約，湖區水面萎縮、水體咸化趨勢明顯。

在實施流域綜合節水治污措施的基礎上，引調水工程是解決我國水資源空間分布同區域人口、生態環境等要素間矛盾的重要途徑之一［4］。早在公元前2400年，古埃及為滿足灌溉與航運需要便修建了世界上第一條跨流域調水工程線路。據不完全統計，目前世界上已有24個國家和地區興建了160多項跨流域調水工程［5］。然而，目前引調水工程主要以灌溉、供水、發電等為目的，服務于河湖生態環境改善的生態補水相對較少。

烏梁素海流域位于我國賀蘭山與陰山之間的西北季風通道，西臨烏蘭布和沙漠，北有巴音杭蓋戈壁，南有庫布齊沙漠，是國家生態安全戰略格局中“北方防沙帶”的重要組成部分，是阻止烏蘭布和沙漠向東侵蝕，阻隔烏蘭布和沙漠和庫布其沙漠連通的“重要關口”，是我國北方重要的生態安全屏障。烏梁素海常年以河套灌區農灌退水和城市生活尾水為主要補給水源，湖區水質惡化和咸化趨勢明顯。近些年黃河水量較豐，在灌溉間歇期利用河套灌區灌排系統向烏梁素海生態補水對湖區水質改善效果顯著。

本次研究以新時代生態環境治理思路及水利工作方針為指導，結合近些年來對烏梁素海生態補水取得的成效，運用MIKE軟件分析不同補水情景下湖區水質改善效果，為后續開展烏梁素海流域水環境綜合治理提供技術支撐和科學依據。

2 近年來烏梁素海生態補水成效及問題

在黃河凌汛期、灌溉間歇期及秋澆后期通過河套灌區的灌排溝渠進行補水作為一項重要措施，對改善烏梁素海水環境起到了重要作用。近年來烏梁素海水質逐步好轉，鳥類數量有所增加，湖體生態功能逐步恢復。2008—2019年歷年向烏梁素海生態補水水量如圖1。2015—2019年向烏梁素海生態補水共計20.31億m3，年均補水4.06億m3。

圖1 2008—2019年歷年黃河向烏梁素海生態補水情況

根據灌區排水入黃出口趙貴斷面水質資料顯示，在實施生態補水之前的3年（2012—2014年）與近3年 （2017—2019年） 比較，COD3年平均值下降了17.8mg/L，下降率為33.7%，總磷3年平均值下降了0.27mg/L，下降率為51.9%，總氮3年平均值下降了3.27mg/L，下降率為54.2%。趙貴斷面水體水質由原來的劣V類變為現在的長時間保持Ⅳ類。

但是，補水過程中由于冰凌破壞渠道，影響灌區正常灌溉，渠道建筑物凍脹破壞加劇等諸多問題，需要進一步考慮補水通道及補水時段問題。

3 烏梁素海水質改善效果分析

3.1 烏梁素海二維數學模型

基于烏梁素海1∶10000測繪CAD、遙感影像等，建立模擬面積為329.4km2的二維數學模型。烏梁素海水面面積大，平均水深淺，岸線較曲折，匯入支流多，湖區內現狀建有堤壩、橋閘、水道等水利工程，采用三角形+矩形耦合的非結構網格能夠獲得較好的模擬效果。模型網格精度控制在1km2以內。模型水下高程及網格如圖2。

圖2 烏梁素海水下地形及網格

采用烏梁素海控制性工程及湖區典型監測點2017年監測數據對模型參數及模型模擬效果進行了率定。

根據圖3，湖區代表性的監測點的水位過程線的率定結果可知：烏毛計模擬水位與實測水位吻合度在-3.00%～+3.67%，誤差在10%以模擬內吻度較高，該水動力模型能夠合理反應湖區全年的水位變化過程。故建立烏梁素海二維水動力模型的計算結果合理可信，可作為后續的水質模型的水動力基礎，用于水質的模擬預測研究。

圖3 烏毛計閘水位率定（2017年）

3.2 模擬方案及結果分析

基于烏梁素海流域各類型污染源入湖及近年生態應急補水情況，確定以下模擬方案：

3.2.1 不實施生態補水情景

現狀方案：考慮河套灌區城鎮生活污水、農業灌溉退水、工業廢水等均進入烏梁素海，主要入湖口為總排干紅圪卜揚水站、八排干、九排干、新安分干溝，不考慮生態補水。

流域減排方案：考慮實施河套灌區內城市及農業污染綜合治理措施后，降低現狀污染負荷30%，城鎮生活污水、農業灌溉退水、工業廢水等仍進入烏梁素海，主要入湖口與現狀方案相同，不考慮生態補水。

圖4 烏梁素海湖區水質率定（2017年）

模擬結果如圖5。對比兩種方案，實施流域內污染綜合治理可以有效提升湖區水質，湖區出口污染負荷降低約10%，但灌溉期后COD仍處于劣Ⅴ類。

圖5 不進行生態補水情景下2017年全年湖區出口COD指標模擬結果

3.2.2 考慮生態補水情景

在現狀方案的基礎上，考慮利用現有灌溉渠道從總干渠引水，通過黃濟、西樂、永濟、豐濟、沙河、義和6條渠道，自總排干紅圪卜、爛大渠2處揚水站入湖。不同生態補水量對烏梁素海湖區水質影響的模擬結果如圖6。當補水5億m3時，湖區出口水質全年均可達到優于地表水Ⅴ類。

圖6 不同生態補水流量下烏梁素海湖區出口COD年內變化情況

進一步考慮在補水5億m3時，2020年實施河套灌區內城市及農業污染綜合治理措施降低現狀污染負荷30%后，遠期烏梁素海湖區出口水質模擬結果如圖7。在生態補水的基礎上實施流域內污染綜合治理更加有效，湖區出口污染負荷降低約25%，湖區全年水質基本可以穩定在地表水Ⅳ類。

圖7 考慮生態補水情景下烏梁素海湖區出口遠期COD年內變化情況

4 結語

隨著河套灌區區域經濟的快速發展和當地環保工作的不斷加強，以及烏梁素海綜合治理的實施，工業企業和城鎮加快了污水處理廠建設和提標升級的步伐，在一定程度上減輕了工業廢水和城鎮生活廢水對烏梁素海區域水環境的壓力。由于烏梁素海流域是我國優質糧食的主產區，烏梁素海長期接納河套灌區各級排干溝的農田退排水，農業農村面源污染負荷將逐步成為烏梁素海主要的污染源，這也是湖區COD超標的主要原因，流域污染防控形勢依然嚴峻。

其中，在黃河凌汛期、灌溉間歇期及秋澆后期通過河套灌區的灌排溝渠進行補水作為一項重要措施，對改善烏梁素海水環境起到了重要作用。但是，補水過程中由于冰凌破壞渠道，影響灌區正常灌溉，渠道建筑物凍脹破壞加劇等諸多問題，需要進一步考慮補水通道及補水時段問題。

通過MIKE模型模擬生態補水過程可得：在黃河凌汛期、灌溉間歇期及秋澆后期，通過河套灌區的灌排溝渠實施生態補水，能夠使流域內污染綜合治理對改善湖區水質更加有效；兩項措施同步實施可使烏梁素海湖區水環境持續向好。