基于換水周期的新建湖泊生態需水研究
——以南昌市贛南新區儒樂湖為例

陳昱潼，肖廳廳，張 亞，李 楠.2

（1.中國電建集團貴陽勘測設計研究院有限公司/貴州省建筑信息模型（BIM）工程技術研究中心，貴州貴陽 550081；2.中電建生態環境設計研究有限公司，江蘇 蘇州 215100）

隨著我國城鎮化建設的不斷加快，部分城市水資源短缺、水污染加劇、水環境惡化等問題日益嚴重，但在城市中新建湖泊可以調節氣候、涵養水源、美化環境并保護生物多樣性，從而有效改善城市水環境問題[1]。然而，新建湖泊在建設初期容易出現系統結構不完善，自我調節能力不足，底泥營養元素釋放等原因引起的嚴重富營養化現象，嚴重影響湖泊景觀、水質、水生態系統，更有甚者會對人類健康構成嚴重威脅。充足的生態水量，可以有效的緩解新建湖泊初期的各種問題，因此，生態需水是保證河湖生態系統結構、生態功能、服務功能和特殊性功能的必要因素，也是實現河湖生態系統健康和水資源可持續利用的關鍵指標，研究如何從需水需求的角度，厘清生態需水過程進而保障湖泊水環境治理和功能具有重要意義[2]。

1 研究方法

1.1 研究區域概況

儒樂湖位于南昌昌北城區東北部，上接郭臺村以上幸福河，下游與贛江西河銜接，在與贛江連接處設有水閘，儒樂湖設計正常水位18m，對應水面面積2 950畝，庫容420萬m3。是儒樂湖公園最核心的組成部分。儒樂湖公園規劃占地6 525畝，建設目標是打造成為“最清、最綠、最酷”的城市湖泊公園，建設成為具有濱江濱湖特色、引領生態文明建設的大型市民休閑主題公園。儒樂湖流域水系圖見圖1，儒樂湖公園規劃圖見圖2。

圖1 新建后儒樂湖水系圖

圖2 儒樂湖公園規劃圖

儒樂湖原本為季節性湖泊，匯水面積15.7 km2，來水量較少。儒樂湖西側原經下莊湖入贛江西河的幸福河由郭臺村附近改線，匯入儒樂湖后排入贛江西河，進而解決下莊湖區建設用地的困難并減輕區域防洪負擔。新建儒樂湖的集水面積為176 km2。多年平均流量為2.7 m3/s，多年平均徑流量8 520萬m3。

幸福河作為新建儒樂湖主要來水水源，其上游兩岸用地以農田水稻種植為主，水體含沙量較大，農業面源污染物直接入河水質較差。儒樂湖湖區用地現狀以水稻田（已清退）和養殖場為主，湖區土壤植物根系及雜草分布，蓄水后會造成植物根莖腐爛，水質富營養，會對水體的觀感及水質造成影響[3]。

由于初期來水幸福河水質較差，加之水體換水頻率不穩定，湖體附近污染物入湖大量聚集，蓄水后容易出現水體初級生產力異常增殖，致使水體透明度下降，溶解氧降低，水生生物死亡，水味變腥臭等情況。需要進行換水和控制水源水質，否則很難維持湖泊水質穩定、生態系統健康持續發展。

1.2 新建湖泊生態需水計算方法

根據湖泊的生態情況、環境狀況、社會特性以及人類對湖泊干擾程度等，可以將湖泊分為自然湖泊和人工湖泊，新建湖泊是人工湖泊的一種。湖泊最小生態需水量計算方法眾多，主要集中在從水文學角度與生態學角度兩方面，在計算生態需水時主要考慮湖泊水位、出入湖水量，以及湖泊水生生物等因素[4]。

城市湖泊多形成于低洼滯洪區，屬于城市中地形條件較的低區域，低洼區新建的城市湖泊普遍會存在沿河污染物直接入湖、初期雨水滲流、支流水系洪期泥沙不斷入湖等水質安全隱患[5]。依據新建湖泊的生態環境特征、生態系統管理目標、社會經濟，以及資料短缺的情況，本研究選擇基于水文學的換水周期法計算生態需水量。

換水周期[6]是指水量吐納更新一次所需的時間，是判斷某一湖泊水資源能否持續利用和能否保持良好水質的一項重要指標。通常采用湖庫完全混合的零維水質模型，估算湖泊的年適宜需水量。計算公式為：

式中：T為換水周期，V為湖泊庫容，Q為平衡時流入與流出湖庫的年均徑流量（即多年平均換水量）。

假定換水過程中湖庫體積保持不變，污染物均勻混合，可建立湖庫完全混合零維模型并求解：

2 結果與討論

2.1 換水周期計算結果

根據儒樂湖實際監測水質數據，湖體主要超標因子為NH3-N、TP，2021年枯期平均濃度分別為5.4 mg/L、0.41 mg/L，為劣V類水體，可作為初始濃度進行計算。入湖水源參考上游溪霞水庫和贛江水質按III類水質設置，目標水質按III類、IV類水質分別測算，計算結果如下：

目標水質為III類時，按0.5年換水一次，可以使NH3-N超標的劣Ⅴ類湖水在1年后達標；按0.2年換水一次，可以使TP超標的劣Ⅴ類湖水在1年后達標；因此綜合換水周期為0.2年，可使儒樂湖湖水一年后達到Ⅲ類水質標準，生態需水量為2 100萬mm3，生態需水占儒樂湖多年平均徑流量的25%，占比較大；如考慮兩年內達標，則需半年換水一次，年均生態需水量為840萬mm3（如表2.1所示）。

表2.1 儒樂湖需水量成果表

目標水質為IV類時，一年一換水即可使NH3-N超標的劣Ⅴ類湖水在1年后達達標；按0.6年換水一次，可以使TP超標的劣Ⅴ類湖水在1年后達標；因此綜合換水周期為0.6年，可使儒樂湖湖水一年后達到IV類水質標準，生態需水量為717萬mm3。

實際情況中，由于城市區域污水、雨水等的入湖，湖泊污染負荷較大，實際換水周期應遠小于計算所需換水周期。根據相關研究和國內成功治理經驗，要保障湖泊水質較好，城市湖泊換水周期平均為20天至60天[7]。考慮到儒樂湖周圍補水水源水質不穩定及周圍污染物負荷較高的影響，需要適當調整換水周期，提高換水頻率。

考慮季節差異和實際調查結果，儒樂湖流域汛期降雨較為豐富，水體流速較高自凈能力較強，湖泊發生水體污染的可能性低，可適當延長換水周期；枯期降雨量少，需要增加換水頻率，以保證湖泊水質，滿足生態環境及景觀需要。

考慮到現在城市水資源緊張，生態需水量計算需同時兼顧經濟合理性，因此儒樂湖新建的1～3年，建議維持較為穩定的換水頻率以保障湖泊水質，更快構建穩定的生態系統；待上游來水水質穩定，湖周入湖污染源得到全面控制、湖泊自身水質及生態系統基本穩定成熟以后，可逐漸降低湖泊的換水頻率，生態需水量也將大大減少，只需枯期換水一次即可保障水質達標。

3 其他保障措施

3.1 入湖污染物控制

面源治理：根據已有的研究成果，鄱陽湖流域水體富營養化主要由于面源N、P污染引起[8]，主要來源于農業生產的化肥農藥。儒樂湖流域現狀主要為農業用地，根據城市總體規劃土地利用情況，流域范圍大部分規劃為城市建設用地，用地性質的改變也意味著入湖主要污染源會逐步改變，因此需要從農業面源和初期雨水兩個方面開展面源治理。

生活污水處理：儒樂湖上游有很多村莊，初步調查大約5萬人居住在這個片區，隨著生活條件的提高污水排放量越來越大，需要完善污水處理設施提質增效，消除黑臭水體及管網空白區，提高污水收集處理率，減少生活污水入河入湖。

畜禽養殖污染治理：根據現狀調查，儒樂湖流域存在畜禽養殖小區和分散型畜禽養殖戶，畜禽養殖污水主要來自畜禽養殖圈舍的沖洗水和沖糞水，現狀均未處理直接入河入湖。對于畜禽養殖污水的處理，目標污染物是碳源有機物和氮源有機物以及磷。應結合成立禁養區、規范化養殖等管理措施，減少分散養殖，同時對集中規模化養殖根據國家要求增加污水和固體廢物相應的處理措施，減少污染物入湖。

內源治理：湖泊底泥作為內源污染一直以來都是影響湖泊運行的主要污染源，新建湖泊由于建湖之前作為耕地或者沼澤區，土壤中存在化肥農藥殘留以及動植物殘軀，不同于傳統意義上湖泊底泥，因此清除和治理措施應區別對待。儒樂湖臨贛江側淤泥主要為沼澤區，淤泥類型接近傳統淤泥，上游區域為耕地，土壤中化肥農藥及植物殘留大量存在，需要根據具體情況深入研究，找出主要污染物，制定不同類型污染物處理措施。

3.2 湖泊水生態系統構建

需要以儒樂湖為依托對應，從維持水生態系統穩定與健康發展的角度出發，探索并建立經濟且有效的水生動植物群落運行管理辦法，制定有針對性的穩定完善的水生動植物群落構建方案。水生植物群落構建注重于沉水植物群落構建及挺水植物群落構建；沉水植物對水體的營養鹽具有吸收、吸附、促沉降，防底泥再懸浮的功能；挺水植物的根系發達，可以通過根系向沉積物輸送氧氣，改善沉積物氧化還原條件，減少氮、磷等營養鹽的釋放，減少沉積物再懸浮。水生動物群落構建主要為大型底棲動物和魚類群落構建。建議深入開展以下研究：根據不同水生植物的凈化效果、耐受性以及生長特性，探索不同水生植物搭配組合的合理性、可行性以及景觀效果；探索水生動物投放數量的科學計算方法，規范水生動物投放比例；以食物鏈網理論為依據，探索水生動物的投放時間節點組合，建立規范化的水生動物投放序列等。