降雨對防洪型城市潟湖水環(huán)境影響初探

陳清福

（廈門市筼筜湖保護(hù)中心 福建廈門 361004）

引言

筼筜湖位于廈門島西南部，由天然海港改造而成，是承擔(dān)廈門市主城區(qū)防洪排澇重任的特殊海水湖泊，水域總面積1.6km2，庫容約380萬m3，平均水深2.32m，是國內(nèi)罕見防洪排澇型城市潟湖[1]，周邊為廈門市核心區(qū)域，人口和市政基礎(chǔ)設(shè)施高度密集。

筼筜湖水體來源于廈門西海域，通過西北側(cè)的納潮口西堤閘門2 次/d 進(jìn)行納潮與排潮作業(yè)，實(shí)現(xiàn)水體交換循環(huán)，日均納潮量約130 萬m3[2]。筼筜湖流域面積37km2，約為廈門島陸域面積的30%，流域南北兩側(cè)均為山體，湖區(qū)為流域最低洼地區(qū)[3]。湖區(qū)兩岸沿途密布36 條大型排洪溝和數(shù)十個(gè)雨水排放口，為降雨時(shí)及時(shí)排除流域積水、避免城市內(nèi)澇的重要防汛保障[4]。

筼筜湖因其特殊的海水湖泊性質(zhì)和城市防洪排澇職能[5]，導(dǎo)致其水環(huán)境受降雨影響顯著[6][7]。為探究降雨對筼筜湖水體的影響，2020 年開展了為期1a 的水質(zhì)在線連續(xù)跟蹤監(jiān)測，分析不同降雨條件下筼筜湖內(nèi)湖水體主要指標(biāo)變化情況，為湖區(qū)水環(huán)境管理和進(jìn)一步提升改善提供了新的科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域

筼筜湖內(nèi)湖，水域面積約0.756km2，庫容約175萬m3，南岸分布有5條大型排洪溝，北岸為筼筜湖內(nèi)湖導(dǎo)流堤，導(dǎo)流堤北側(cè)為湖區(qū)日常海水交換的引水渠，該段引水渠北側(cè)分布有4條大型排洪溝，內(nèi)湖北側(cè)與引水渠通過導(dǎo)流堤3處開口相連通，內(nèi)湖東北側(cè)與引水渠末端水域直接連通。具體流域情況、水體循環(huán)及浮標(biāo)監(jiān)測點(diǎn)位置如圖1所示。

圖1 廈門市筼筜湖流域情況、水體循環(huán)路徑及浮標(biāo)監(jiān)測點(diǎn)位置

納潮時(shí)段，引自廈門西海域的新鮮海水少部分經(jīng)由內(nèi)湖導(dǎo)流堤3 處開口，自內(nèi)湖西北側(cè)流入內(nèi)湖，絕大部分新鮮海水于引水渠末端在湖濱東路橋附近回轉(zhuǎn)流入內(nèi)湖，再經(jīng)由湖濱中路橋流入筼筜湖外湖。排潮時(shí)段，筼筜湖水體經(jīng)外湖西堤閘和排洪泵站流至廈門西海域，實(shí)現(xiàn)水體交換。筼筜湖內(nèi)湖水域因受日常納排潮和降雨影響較為明顯，在關(guān)于降雨時(shí)段筼筜湖區(qū)防洪排澇功能對湖區(qū)海水環(huán)境影響的研究中，具有相當(dāng)?shù)牡湫托浴?/p>

1.2 監(jiān)測方法

水質(zhì)數(shù)據(jù)來源于廈門市筼筜湖保護(hù)中心日常水質(zhì)自動化監(jiān)測工作，降雨等氣象資料來源于廈門市氣象服務(wù)中心。自動化監(jiān)測儀器型號為賽萊默EXO2 水質(zhì)多參數(shù)分析儀，采樣時(shí)間為2020年1 月1 日0:00 至2020 年12 月31 日23:30，檢測參數(shù)為降雨行洪時(shí)對水環(huán)境影響較為明顯的水體鹽度、溶解氧2 項(xiàng)監(jiān)測指標(biāo)，以及對湖區(qū)溶解氧存在較大影響的水體葉綠素a 含量，監(jiān)測頻率均為30min/組，并綜合對水體鹽度和溶解氧影響較大的湖區(qū)日常納潮、排潮和排洪泵站人工抽排情況。

2 結(jié)果與討論

2.1 1d 降雨及其導(dǎo)致的水體波動情況

2022 年21 場1d 降雨，降雨量為0.1～42mm。與降雨前相比，降雨導(dǎo)致水體鹽度波動范圍為-4.95%～+2.66%， 溶解氧含量波動范圍為-29.51%～+24.12%，葉綠素a 含量波動范圍為-45.63%～+105.96%。降雨期間，湖區(qū)納潮量為61.5 萬～150 萬m3，平均為119 萬m3，單日排水量為1.5 萬～159 萬m3，平均為124.67 萬m3。

2.2 連續(xù)2d 降雨及其導(dǎo)致的水體波動情況

2022 年 累 計(jì)14 場 連 續(xù)2d 降 雨，24h 降雨量范圍為0.1～28.5mm，連續(xù)2d 累計(jì)降雨量為0.9～35.3mm，日均降雨量為4.6mm，平均每場降雨9.2mm。期間，水體鹽度波動范圍為-9.22%～+6.15%，溶解氧含量波動范圍為-26.63%～+25.61%，葉綠素a 含量波動范圍為-52.39%～+264.05%。降雨期間納潮量為45 萬～165 萬m3，平均為112.29 萬m3，排潮量為0 萬～141 萬m3，平均為94.93 萬m3。

2.3 連續(xù)3d 以上降雨及其導(dǎo)致的水體波動情況

2022 年廈門市發(fā)生連續(xù)3d 以上降雨累計(jì)10 次53d。期間，24h 降雨量為0.1～33.7mm，日均降雨量為6.15mm，過程累計(jì)降雨量為8.9～56.8mm，每場降雨平均雨量為32.3mm。降雨開始至水體鹽度止跌回升期間，水體鹽度波動范圍為-23.84%～-0.10%，溶解氧含量波動范圍為-55.75%～+2.05%，葉綠素a 含量波動范圍為-87.56%～+28.57%。降雨期間，納潮量為60 萬～163.5 萬m3，平均為123.5 萬m3，排潮量為0 萬～157.5 萬m3，排洪泵站人工抽排總計(jì)27.54 萬m3，日均排水121.68 萬m3。

2.4 討論

2.4.1 1d 降雨對筼筜湖水體影響情況

2020 年1d 降雨過程中，除1 月26 日最大降雨后引發(fā)的鹽度波動持續(xù)至降雨停止后3d外，其余時(shí)段鹽度波動基本隨降雨停止快速恢復(fù)，但水體溶解氧含量波動情況較為復(fù)雜。

分析顯示，單日降雨情況下，筼筜湖內(nèi)湖水體鹽度與降雨量呈現(xiàn)良好的相關(guān)性。全年1d 降雨引發(fā)的水體鹽度下降隨雨量的增大呈增加態(tài)勢，兩者相關(guān)性R2為0.5828；5mm 以上1d 降雨引發(fā)的水體鹽度下降關(guān)聯(lián)度更為明顯，R2達(dá)0.7074。說明,受特殊的城市防洪排澇功能影響，5mm 左右降雨即可引發(fā)水體鹽度的明顯波動，同時(shí)也表明筼筜湖作為城市防洪型的城市潟湖，其水環(huán)境穩(wěn)定性較一般水體更為脆弱。

水體溶解氧波動情況與降雨量關(guān)系分析顯示，5～10mm 降雨與水體溶解氧下降相關(guān)性良好，R2達(dá)0.6116，再次表明5mm 左右的小規(guī)模降雨即可對筼筜湖水體環(huán)境造成直接影響。但0.1～4.9mm 降雨與水體溶解氧相關(guān)性并不明顯，主要原因可能與目前已建成的筼筜湖環(huán)湖截污系統(tǒng)對小規(guī)模降雨徑流的有效截流有關(guān)[8]；10mm以上降雨與水體溶解氧下降相關(guān)性也不高，而溶解氧下降情況與納潮量呈現(xiàn)較好的相關(guān)性（R2為0.6002），說明10mm 以上降雨情況下，筼筜湖及時(shí)開閘排水泄洪和納潮引入西海域海水等因素，可有效減緩降雨導(dǎo)致的筼筜湖水體溶解氧含量的持續(xù)下降，對保障筼筜湖防洪排澇職能同時(shí)維持海水環(huán)境相對穩(wěn)定性，具有顯著積極影響[8]。

2.4.2 連續(xù)2d 降雨對筼筜湖水體影響情況

降雨過程中，除3月30～31 日和8 月11～12 日降雨引發(fā)的鹽度波動持續(xù)時(shí)間較長外，其余時(shí)段降雨導(dǎo)致的鹽度波動基本于雨停隔日基本恢復(fù)；水體溶解氧含量除6 月1～2 日降雨期間出現(xiàn)穩(wěn)定升高的現(xiàn)象外，其余降雨時(shí)段均呈下降現(xiàn)象，且下降幅度與降雨量呈現(xiàn)一定的正相關(guān)性，特別是5mm 以上的連續(xù)降雨，導(dǎo)致的水體溶解氧下降幅度與降雨量相關(guān)性良好。

分析顯示，連續(xù)2d 降雨情況下，內(nèi)湖水體鹽度和溶解氧含量均與降雨量呈現(xiàn)一定的正相關(guān)性。全年連續(xù)2d 降雨引發(fā)的水體鹽度波動與降雨過程總雨量相關(guān)性R2為0.4367，水體溶解氧含量波動與降雨過程累計(jì)降雨量相關(guān)性R2為0.2089；累計(jì)降雨5mm 以上連續(xù)2d 降雨導(dǎo)致的筼筜湖內(nèi)水體鹽度和溶解氧含量波動具有良好的正相關(guān)性，兩者相關(guān)性R2達(dá)0.7434 和0.6628。說明,連續(xù)2d 左右的降雨，特別是累計(jì)5mm 左右的連續(xù)2d 降雨所導(dǎo)致的城市行洪，已對筼筜湖水環(huán)境造成顯著影響，但水體溶解氧變化也可能與天氣的變化和降雨導(dǎo)致的水溫、有機(jī)質(zhì)、營養(yǎng)鹽、天氣、光照等變化，進(jìn)而導(dǎo)致水體葉綠素a 含量發(fā)生變化密切相關(guān)[9～11]。

2.4.3 連續(xù)3d 以上降雨對筼筜湖水體影響情況

降雨期間，除3 月12～14 日、5 月6～8 日因雨量相對較小，以及6 月5～15 日雖持續(xù)長時(shí)間降雨但最大降雨量和主要降雨量均集中降雨中間時(shí)段，水體鹽度基本于降雨停止后隔日大致恢復(fù)外，其余時(shí)段降雨導(dǎo)致的水體鹽度下降均持續(xù)至降雨停止后3d 以上。降雨期間及水體鹽度恢復(fù)過程中，水體溶解氧含量波動明顯，其中2 月12～16 日和5 月27～30 日降雨期間至恢復(fù)過程中溶解氧全過程均呈下降趨勢，9 月18～20 日降雨期間至恢復(fù)過程中溶解氧全過程均升高，其余降雨時(shí)段水體溶解氧出現(xiàn)不同程度的有升有降現(xiàn)象，詳見圖2。

圖2 1d 和連續(xù)2d 降雨導(dǎo)致的筼筜湖內(nèi)湖水體鹽度、溶解氧變化情況

分析顯示，連續(xù)3d 以上降雨情況下，筼筜湖內(nèi)湖水體鹽度和溶解氧含量波動情況與降雨量相關(guān)性均不高（R2分別為0.0515 和0.0477），但全年鹽度和溶解氧含量最大波動均出現(xiàn)在持續(xù)多日降雨階段（4 月7 日鹽度下降19.42%，5 月28 日溶解氧下降55.75%）。說明，持續(xù)降雨行洪導(dǎo)致的大量雨水匯入，可顯著影響筼筜湖水環(huán)境。而連續(xù)3d 以上降雨導(dǎo)致水體鹽度和溶解氧含量波動與降雨量的相關(guān)性，又較連續(xù)2d 降雨時(shí)大幅下降，主要原因?yàn)檫B續(xù)多日降雨期間，為保證市區(qū)防洪安全，筼筜湖納潮、排潮作業(yè)強(qiáng)度均顯著提升（與連續(xù)2d 降雨時(shí)相比，連續(xù)3d 以上降雨時(shí)湖區(qū)日均納、排潮量分別增加10.01%和28.18%），大幅增加的納潮量和及時(shí)排出的降雨匯水，以及降雨空歇期采取的小規(guī)模納潮、邊納邊排、排洪泵站強(qiáng)排等人工干預(yù)措施，對延緩持續(xù)降雨導(dǎo)致的筼筜湖水體鹽度和溶解氧含量的持續(xù)惡化，維持筼筜湖特殊海水環(huán)境相對穩(wěn)定起到了顯著的積極作用。此外，持續(xù)強(qiáng)降雨泄洪導(dǎo)致的湖區(qū)氮、磷等營養(yǎng)鹽和水體有機(jī)質(zhì)含量變化，水體微生物和赤潮生物生長情況、天氣、光照等變化等，也對水體溶解氧和葉綠素a 含量的變化產(chǎn)生一定程度的影響[12][13]。

結(jié)論

筼筜湖整體水環(huán)境穩(wěn)定性仍較為脆弱，5～9.9mm 的1d 降雨或連續(xù)2d 降雨，足可引起筼筜湖水體鹽度和溶解氧的顯著下降；降雨量達(dá)10mm 以上情況下，筼筜湖水體鹽度、溶解氧含量并未隨降雨的延續(xù)而出現(xiàn)長時(shí)間下降，這主要與西堤排潮口和排洪泵站及時(shí)排水消除降雨匯水影響，西堤納潮口及時(shí)開閘納潮對水質(zhì)的有效恢復(fù)改善，環(huán)湖截污系統(tǒng)對部分匯水和污染物的有效收集，以及藻類生長繁殖情況等綜合影響有關(guān)；作為人口密集建成區(qū)泄洪水體，持續(xù)降雨（特別是持續(xù)強(qiáng)降雨）對湖區(qū)水環(huán)境的影響較為顯著。及時(shí)排出降雨匯水、科學(xué)納入海水補(bǔ)充等積極的人工干預(yù)措施，對維持承擔(dān)著防洪排澇職能的城市潟湖環(huán)境穩(wěn)定，具有顯著的積極意義。