生态补水对球溪河水质改善的效果研究

生态补水对球溪河水质改善的效果研究

陈永忠

（四川省水利水电勘测设计研究院有限公司 成都）

摘要：为使球溪河水环境质量得到改善，河流生态环境水量得到基本保障，维系河流健康，进行球溪河生态补水方案对水质改善的效果研究。以2018年为现状基准年，通过综合考虑分析规划年2020年及2030年生态补水方案平水期、枯水期的水质状况，同时结合补水水量及补水方式设置补水方案。论文通过模拟分析污染物COD、NH3-N、TP在补水方案实施前后的变化，进而得出生态补水方案效果。结果表明：通过生态补水，污染物浓度得到了有效的削减，生态补水对污染物浓度的削减效果显著。

关键词：生态补水、球溪河、水质改善

1 研究背景

河流是地球上水分循环的重要路径，对全球的物质、能量和信息的传递与输送起着重要作用，是人类赖以生存的水环境，也是自然界最主要的生态系统之一[1]。为维持水生态系统健康，改善水质，对河道进行生态补水至关重要[2-3]。不少针对河流生态系统改善的研究表明，实施生态补水是一种缓解河流生态环境恶化的有效工程措施[4]。仁寿县作为天府新区发展后备支持区域，球溪河流域仁寿段水生态保护与修复工作迫在眉睫，水生态水环境改善将对仁寿县乃至天府新区的生态保护与高质量发展提供良好生态环境，其意义重大。为此，本研究以2018年为现状基准年，通过综合考虑分析规划年2020年及2030年生态补水方案平水期、枯水期的水质状况，同时结合补水水量及补水方式设置补水方案，通过分析生态补水后河道水质改善效果，为球溪河水质改善及水环境保护提供科学依据。

2区域概况

球溪河为沱江重要支流之一，由仁寿县境内通江河、龙水河、清水河在北斗镇汇合而成。根据《四川省打赢碧水保卫战实施方案》，球溪河为四川省23条严重污染的小流域之一。球溪河及其上源龙水河、清水河、通江河流域涉及仁寿县53个乡镇，随着地方经济的发展和城镇化水平快速提高，用水量和排污量大幅增长，从而影响球溪河流域水量和水质，球溪河水质的恶化对沱江水生态环境带来严峻考验。

3生态补水

通过对球溪河的水质进行模拟分析，球溪河流域近远期在考虑一系列控源截污等措施后，其发轮河口考核断面在某些时段依然难以达到Ⅲ类水质目标，为了如期达到《仁寿县球溪河流域水体达标方案》、《眉山市球溪河（仁寿段）一河一策管理保护方案》水环境管理目标，本次研究考虑通过增加生态补水方案，即在球溪河某些合适河段通过生态补水增加水体自净能力和稀释能力，使得水体水质达标。

3.1 生态补水水源分析

黑龙滩水库工程通过囤蓄东风渠新南干渠引岷江、都江堰水源，向仁寿县球溪河进行水量补给，主要用于灌溉、生活用水等。黑龙滩灌区东总干渠和南总干渠控灌仁寿县球溪河流域绝大部分区域，灌区分干渠、主要支渠和球溪河水系呈梳齿状平行对接。黑龙滩水库不仅肩负原有灌溉任务，又承担了眉山市城区、仁寿县城区、井研县城区以及灌区乡镇的供水任务。根据《仁寿县水资源配置规划》，随着经济社会的发展和人民群众生活水平的提高，黑龙滩水库供水区水资源供需矛盾突出，近期拟通过协调都江堰向黑龙滩灌区增加配水解决，2030年通过引大济岷工程和都江堰联合调度新增黑龙滩水库水量保障区域发展用水。根据《2018年仁寿县33条河流及3座水库地表水水质检测报告》，黑龙滩水库水质达到Ⅱ~Ⅲ类，水质优良。因此从区域位置及水源条件等方面分析，黑龙滩水库为近年最有条件向球溪河生态补水的水源。

3.2 生态补水取水点选择

从对球溪河三条主要支流的水质监测现状及污染物负荷分析，三条支流均受到不同程度污染，因此本次拟对球溪河的主要三条支流均实施生态补水，增加主要支流的水环境容量。为避免补水水量沿途污染及保障水量的可靠，并综合考虑减少工程量和节省工程投资，尽可能地依托现有水利灌溉渠系工程，从靠近各河流源头位置实施补水，从干渠或分干渠位置进行取水。

经分析，拟从南总干渠6+631m处的城南泄水闸向龙水河支流金马河补水，从南总干渠46+680m处夏加坝泄水闸放水对球溪河（通江河）补水，从禾加分干渠24+239m处下林塘泄水闸放水对清水河补水。球溪河流域生态补水取水点泄水闸工程特性表，如表1.1所示。

表1.1  球溪河流域生态补水取水点泄水闸工程特性表

3.3 推荐生态补水方案

为了使球溪河考核发轮河口断面达到地表水III类水水质标准，同时三条主要河道（主源通江河、北源龙水河、南源清水河）水质均有一定的提升。根据各规划水平年的污染负荷削减方案及相应的污染负荷入河量估算，针对三条河不同的水文条件结合各自的水质现状对三条河进行不同的补水方案分析，对于各月份河道水质及水量的差异，合理制定生态补水水量。由于

TP为流域内水质达标的限制因子，本次补水方案分析论证的主要指标为TP，并按照球溪河发轮河河口断面水质的达标率对补水效果进行评估。规划年2020年及2030年不同水文条件下的生态补水推荐方案具体如下：

1 2020年补水方案

1）平水年补水方案

基于2014年（平水年）的降雨水文条件及污染负荷量估算，对平水年补水方案总水量进行试算。针对平水年水文条件下流域内水质的年内变化特征，制定相应的补水方案，使球溪河流域水质稳定在全年Ⅲ类水，各月份的补水量如表1.2所示，补水对流域内主要河道的水质改善效果（水质浓度随时间的变化曲线）如图1.1所示。

图1.1  2020平水年补水方案三个代表断面TP浓度

表1.2  2020平水年工况下各河道各月补水量

单位：m3/s

平水年水文条件下，2020年流域内的补水主要集中在3、4月份，清水河所需补水水量较小，龙水河及球溪河补水水量较大，流域内最高补水水量为5m3/s，全年合计补水量2207万m3。当前补水水量下，球溪河仁寿县出境断面Ⅲ类水水质达标率为95.6%。

对2020年平水年补水方案下，6个水功能分区（球溪河资中保留区、宝马河仁寿农业用水区、宝马河仁寿过渡区、龙水河工业农业用水区、贵平寺河仁寿保留区、清水河仁寿保留区）断面的水质达标情况进行统计，统计结果如表1.3所示，其中达标天数为全年内断面水质优于Ⅲ类水的天数，达标率=达标天数/365×100%，如果水功能分区全年水质达标率超过80%，则视为达标水功能区。由于贵平寺河未进行任何补水，所有工况下，球溪河流域6个水功能分区仅有该流域无法做到水功能区水质达标。2020年平水年补水方案下，仁寿县球溪河流域水功能区水质达标率为83.3%。

表1.3  2020平水年补水工况下各水功能区水质达标情况

2）枯水年补水方案

针对枯水年水文条件下流域内水质的年内变化特征，制定相应的补水方案，使球溪河流域水质稳定在全年Ⅲ类水，各月份的补水量如表1.4所示，补水对流域内主要河道的水质改善效果（各主要河道出口断面水质浓度随时间的变化曲线）如图1.2所示。

图1.2  2020平水年且补水工况下三个代表断面TP浓度

表1.4  2020枯水年工况下各河道各月补水量

单位：m3/s

枯水年水文条件下，2020年流域内的补水主要集中在3-5月份，以及较枯月的1-2、11-12月份；清水河所需补水水量较小，龙水河及球溪河补水水量较大。流域内最高补水水量为7m3/s，较枯月最高补水水量为3m3/s，全年合计补水量5676.5万m3。当前补水水量下，球溪河仁寿县出境断面Ⅲ类水水质达标率为97.2%。2020年枯水年补水方案下，仁寿县球溪河流域水功能区水质达标率为83.3%，详见表1.5。

表1.5   2020枯水年补水工况下各水功能区水质达标情况

2  2030年补水方案

对平水年水文条件下的基础工况对应的流域水质情况进行模拟，2030负荷削减方案下，龙水河河口，清水河河口及球溪河出仁寿断面的水质如图1.3所示：

图1.3  2030平水年不补水工况下三个代表断面TP浓度

2030年球溪河流域内各类负荷指标均有明显削减，平水年水文条件下，无需任何补水，流域内水质能够一直维持在Ⅲ类水水质及更优的水平，水质全年达标。

针对枯水年水文条件下流域内水质的年内变化特征，制定相应的补水方案，使球溪河流域水质稳定在全年Ⅲ类水，各月份的补水量如表1.6所示，补水对流域内主要河道的水质改善效果（各主要河道出口断面水质浓度随时间的变化曲线）如1.4所示。

图1.4  2030枯水年且补水工况下三个代表断面TP浓度

表1.6  2030枯水年工况下各河道各月补水量

单位：m3/s

枯水年水文条件下，2030年流域内的补水主要集中在3-5月份，以及较枯月的1-2以及12月份；清水河所需补水水量较小，龙水河及球溪河补水水量较大。流域内最高补水水量为3m3/s，较枯月最高补水水量为1.3 m3/s，全年合计补水量2333.6万m3。当前补水水量下，球溪河仁寿县出境断面Ⅲ类水水质达标率为100%。2030年枯水年补水方案下，仁寿县球溪河流域水功能区水质达标率为83.3%，详见表1.7。

表1.7  2030枯水年工况下各水功能区水质达标情况表

3.4 渠道过流能力复核分析

研究拟从南总干渠6+631m处的城南泄水闸向龙水河支流金马河补水，从南总干渠46+680m处夏加坝泄水闸放水对球溪河（通江河）补水，从禾加分干渠24+239m处下林塘泄水闸放水对清水河补水。根据取水点所在渠段断面形式和水力要素复核其过流能力，成果见表1.8，与都江堰灌区工程手册成果一致。

表1.8  球溪河流域生态补水取水点所在渠段过流能力复核成果表

经分析，球溪河生态补水高峰时段在3~4月份，黑龙滩灌区用高峰时段在5月份。根据2017年~2019年黑龙滩灌区放水记录分析，南总干渠实际最大放水流量18.85m3/s，小于渠道过流能力20m3/s，禾家分干渠最大放水流量6.87m3/s，小于渠道过流能力9m3/s，因此有一定的充水富裕能力。同时据《仁寿县水资源配置规划》，随着黑龙滩灌区节水改造及产业结构调整，用水定额有所降低，渠系水利用系数达进一步提高，灌区需水流量有可能进一步减少，通过调度补水时段渠道过流能力基本可满足灌区用水流量和生态补水流量。

规划水平年生态补水高峰期3~4月渠道过流能力满足情况复核成果详见表1.9。

表1.9 规划水平年生态补水高峰期3~4月渠道过流能力满足情况复核成果表

单位：m3/s

如前分析，球溪河流域2020年平水年水文条件下生态补水量2207万m3，枯水年水文条件下生态补水量5676.5万m3；2030年主要是枯水年水文条件下生态补水，年补水量2333.6万m3，平水年不需要生态补水。本次多年平均情况下补水量按丰平枯加权计算（多年平均补水量=丰水年补水量×0.25+平水年补水量×0.5+枯水年补水量×0.25），近期多年平均补水量为2523万m3，远期多年平均补水量584万m3。

4结论及展望

4.1 结论

球溪河流域近远期在考虑一系列控源截污等措施后，其发轮河口考核断面在某些时段依然难以达到Ⅲ类水质目标，在球溪河某些合适河段通过生态补水措施增加水体自净能力和稀释能力，使得水体水质达标。通过分析可知，2020年平水年水文条件下，流域内最高补水水量为5m3/s，全年合计补水量2207万m3，球溪河仁寿县出境断面Ⅲ类水水质达标率为95.6%，水功能区水质达标率为83.3%；2020年枯水年水文条件下，流域内最高补水水量为7m3/s，较枯月最高补水水量为3 m3/s，全年合计补水量5676.5万m3，球溪河仁寿县出境断面Ⅲ类水水质达标率为97.2%，水功能区水质达标率为83.3%。2030年主要是枯水年水文条件下需要实施生态补水，流域内最高补水水量为3m3/s，较枯月最高补水水量为1.3 m3/s，全年合计补水量2333.6万m3。当前补水水量下，球溪河仁寿县出境断面Ⅲ类水水质达标率为100%，水功能区水质达标率为83.3%。通过生态补水，球溪河内水污染物浓度得到了有效的削减，生态补水对污染物浓度的削减效果显著。

4.2 展望

对于季节性河道的水质改善，不仅仅是依靠生态补水和加大沿线污染治理，减少外源输入也是河道水质改善的重要举措[5]。水生态保护与修复是一项系统工程，在生态补水研究成果基础上，后期可建立多元化的投融资机制、多渠道筹措资金，继续完善控源截污等工程措施，强化节水协调生态补水水量调配，进一步改善和维护球溪河水体水质，维持河流健康。

参考文献

[1]刘大鹏. 基于近自然设计的河流生态修复技术研究[D].东北师范大学,2010.

[2]张树军,赵峰,罗陶露,姚文峰,边境.生态补水综合效益评价指标体系建立[J].吉林大学学报(地球科学版),2008(05):813-819.DOI:10.13278/j.cnki.jjuese.2008.05.005.

[3]李玮,褚俊英,秦大庸,刘家宏.基于补水配置情景的河流水质及环境容量研究——以汾河干流为例[J].中国水利水电科学研究院学报,2012,10(01):9-16.DOI:10.13244/j.cnki.jiwhr.2012.01.004.

[4]周文琦,俞芳琴,韩璐遥,刘俊.生态补水对城南河水质水量改善效果研究[J].南水北调与水利科技(中英文),2020,18(03):151-157+191.DOI:10.13476/j.cnki.nsbdqk.2020.0059.

[5]郑西强.生态补水对城市河道水质改善的影响研究[J].安徽农学通报,2019,25(07):130-131+158.DOI:10.16377/j.cnki.issn1007-7731.2019.07.051.