基于多水源調控的干旱區河流生態修復模式探討

楊司嘉，姜晨冰

(1.黃河勘測規劃設計研究院有限公司，河南 鄭州 450003；2.水利部黃河流域水治理與水安全重點實驗室(籌)，河南 鄭州 450003；3.河南省城市水資源環境工程技術研究中心，河南 鄭州 450003)

我國干旱半干旱地區總面積與455萬hm2，占國土面積的47%，常年降水量不足300mm，蒸發量遠大于降水量。水資源匱乏加之灌溉、蒸發和降雨的交替作用，導致了干旱半干旱區出現土壤鹽漬化、土地沙化等突出問題，直接或間接的造成了生態環境脆弱、生物多樣性低等現象[1-2]。因此，干旱區的河流生態修復相應于一般的生態修復難度更高，不僅要綜合考慮生態修復方法的科學性、可行性，還要考慮到干旱區的氣候和環境條件，更重要的是找到適宜調控水源，以水資源集約節約利用為前提條件，做好干旱區的河流生態修復工作。

目前，國內學者對于河流生態系統保護與修復已開展了較為深入的研究，尤其在水資源充沛的區域成果頗豐。王冬等[3]選取浙江省重點河湖進行了生態流量保障現狀即成因分析，對于干旱半干旱地區，研究方向多集中在流域尺度的山水林田湖草生態構建。劉時棟等[4]基于最小阻力模型構建生態網絡，結合識別出退化生態源，進而構建了整個流域的生態格局；徐海量等[5-6]以古爾班通古特沙漠為例進行了干旱區生態修復的實踐。而以干旱區水資源調控為限制因素，以河流生態修復為目標的小尺度生態修復模式的研究較為匱乏。因此，本文以吳忠市清寧河為例進行了基于多水源調控的干旱區河流生態修復模式探討。

1 項目區概況

吳忠市位于中國西北地區，寧夏中部，北距銀川60km，是黃河“幾”字彎起點，也是“天下黃河富寧夏”的菁華之地，被譽為“水韻之城”。吳忠市地處西部內陸，屬溫帶大陸性半干旱氣候，降雨稀少而集中，且時空分布極不均，蒸發強烈，多年平均降雨量為193mm，多年平均蒸發量1208mm，干旱指數6.5。

清寧河始建于2008年，是主城區重要的水系。南起利通區秦渠，北至濱河大道與京藏高速交匯處，經怡養園匯入黃河，流經利通區板橋鄉和古城鎮，全長9.62km。清寧河原補水方式是通過秦渠引黃河水，但隨著黃河流域高質量發展的深入推進，通過推進水資源節約集約利用來統籌推進生態保護和環境治理才是干旱區河流生態修復模式的科學發展方向。清寧河現狀水資源短缺，局部干涸，水生態嚴重退化，生物棲息地喪失如圖1所示。

2 生態修復水源分析

2.1 降雨

根據吳忠氣象站資料，多年平均降水量為193mm。湖區直接降水量和排水分區水量合計277.62萬m3。

(1)湖區直接降水量：清寧河、乃光湖、南環水系的水量分別為19.21萬、2.90萬和8.27萬m3；

(2)排水分區水量：根據《吳忠市城市排水(雨水)防澇綜合規劃(2013—2030)，西部和東南部排水區面積分別為18和26.5畝，西部、東南部排水分區的水量分別為93.8萬和153.44萬m3；

(3)水面降雨直接補給水面，坡面徑流可通過生態基礎設施改造工程收集回用。

2.2 再生水

區域再生水主要來源于水系周邊3個污水廠。第一污水廠尾水經古城灣濕地處理后入黃，水質為地表水準Ⅲ類，現狀處理規模4萬m3/d，規劃處理規模6萬m3/d；第二污水廠尾水直排清水溝，未設提標設施，水質為一級A，現狀處理規模2萬m3/d；第三污水廠尾水直排南干溝，經超磁分離及入黃濕地凈化后部分排入羅家湖。羅家湖現狀已建泵站及管線為清寧河補水，泵站規模4.32萬m3/d。

2.3 農灌退水

農灌退水主要為清水溝上游農灌退水，農灌退水通常N、P含量較高，且清水溝上游設有昊盛紙業污水廠，對河流全段水質影響較大。

2.4 小結

經過分析，以第一污水處理廠經古城灣濕地處理后較優質水源作為主水源，同時利用現有羅家湖泵站補水，并通過生態基礎設施改造工程攔蓄雨水。第二污水廠尾水水質較差，清水溝農灌退水受上游昊盛紙業污水廠影響水質波動較大，不予作為水源考慮。

3 水源調控方式分析

為分析不同水源調控方式下清寧河水動力條件，為水質保障及工程運行經濟性比選提供理論支持，本次擬采用DHI MIKE 21數值模型對補水后水體交換情況進行模擬，采用水動力模塊、對流擴散模塊，采用三角形非結構網格，共有576個計算網格，515個網格節點，如圖2所示，見表1。

圖2 清寧河模型網格及邊界示意圖

3.1 方式一

基于現狀水系，羅家湖補水3萬m3/d，古城灣濕地補水6萬m3/d，乃光湖泵站抽水4.32萬m3/d進入南環水系，除去蒸發滲漏耗水，并維持清寧河水深2m左右，其他水量退入黃河，如圖3所示。

圖3 方式一情形下清寧河水力交換

連續補水27d后，清寧河西側水系得到充分交換；連續補水35d后，清寧河90%水系得到充分交換，但東側外掛湖交換率較低；連續補水60d后，清寧河水系及外掛湖基本完成交換。

3.2 方式二

基于現狀水系，維持清寧河水系水深2m左右，僅補充蒸發滲漏水。按照水位下降50cm為觸發補水條件，經計算，清寧河水系全年共需要進行6次引水，引水時間點及持續時長如圖4所示。單次引水過程中，羅家湖補水3萬m3/d，古城灣濕地補水6萬m3/d，乃光湖泵站抽水4.32萬m3/d進入南環水系，如圖5所示。

圖5 方式二情形下清寧河水力交換

間歇補水條件下，補水期間僅古城灣濕地、羅家湖補水口附近水體水動力條件較好，可通過水動力交換改善水質；清寧河70%以上水系、外掛湖基本無水動力交換，為死水區。

經過模擬分析，水源調控方式二雖然更節水、運行費用也較低，但對于清寧河水質改善效果較差。清寧河生態修復模式采用水源調控方式一更合理。

4 水生態修復模式

通過多水源調控后，利用水生態系統構建技術增強水體的自凈能力[7]，通過對微生物、水生植物、水生動物的有機統一，構建完整生態鏈[7-9]，修復建立完善水生態的同時進一步提升河湖水質狀況，結合生物強化措施，綜合提高水體水質，使水體水質達到Ⅲ類及以上地表水指標，保護水環境及生態安全。

4.1 水下森林

沉水植物是實現從濁水態到清水態轉變的關鍵物種。沉水植物能夠高效的吸收氮磷等物質；光合作用強，能夠產生大量的原生氧，可長久保持水體高溶氧狀態；改變水體氮磷營養鹽循環模式，抑制底泥再懸浮及氮磷營養鹽釋放，促進氮的硝化/反硝化作用及磷的沉降。為浮游動物提供避難所，從而增強生態系統對浮游植物的控制和系統的自凈能力[10-11]。

4.2 食物鏈完善

根據經典生物調控理論，增加肉食性魚類控制食浮游動物的魚類，促進浮游動物生長，從而控制浮游植物的生物量，提高水體透明度，增加大型底棲動物分解水底殘渣，可促進“草型清水態”生態系統的構建。

5 結語

本文以清寧河為例，在合理利用地區非常規水資源的基礎上，通過DHI MIKE 21數值模型確定了適宜的多水源調控方式，并在此基礎上構建了清寧河的水生態系統。本文探討了一種基于多水源調控的干旱區河流生態修復模式，在一定程度上彌補了干旱區小尺度生態修復研究中的缺項。但同時，文章也存在一定的不足，受數據獲取限制，僅考慮了干旱區水資源限制的問題，未將土地利用、城鎮化率、人口密度等指標納入考慮，后續將進一步完善干旱區河流生態修復模式的研究。