基于换水周期的新建湖泊生态需水研究——以南昌市赣南新区儒乐湖为例

陈昱潼，肖厅厅，张 亚，李 楠.2

（1.中国电建集团贵阳勘测设计研究院有限公司/贵州省建筑信息模型（BIM）工程技术研究中心，贵州贵阳 550081；2.中电建生态环境设计研究有限公司，江苏 苏州 215100）

随着我国城镇化建设的不断加快，部分城市水资源短缺、水污染加剧、水环境恶化等问题日益严重，但在城市中新建湖泊可以调节气候、涵养水源、美化环境并保护生物多样性，从而有效改善城市水环境问题[1]。然而，新建湖泊在建设初期容易出现系统结构不完善，自我调节能力不足，底泥营养元素释放等原因引起的严重富营养化现象，严重影响湖泊景观、水质、水生态系统，更有甚者会对人类健康构成严重威胁。充足的生态水量，可以有效的缓解新建湖泊初期的各种问题，因此，生态需水是保证河湖生态系统结构、生态功能、服务功能和特殊性功能的必要因素，也是实现河湖生态系统健康和水资源可持续利用的关键指标，研究如何从需水需求的角度，厘清生态需水过程进而保障湖泊水环境治理和功能具有重要意义[2]。

1 研究方法

1.1 研究区域概况

儒乐湖位于南昌昌北城区东北部，上接郭台村以上幸福河，下游与赣江西河衔接，在与赣江连接处设有水闸，儒乐湖设计正常水位18m，对应水面面积2 950亩，库容420万m3。是儒乐湖公园最核心的组成部分。儒乐湖公园规划占地6 525亩，建设目标是打造成为“最清、最绿、最酷”的城市湖泊公园，建设成为具有滨江滨湖特色、引领生态文明建设的大型市民休闲主题公园。儒乐湖流域水系图见图1，儒乐湖公园规划图见图2。

图1 新建后儒乐湖水系图

图2 儒乐湖公园规划图

儒乐湖原本为季节性湖泊，汇水面积15.7 km2，来水量较少。儒乐湖西侧原经下庄湖入赣江西河的幸福河由郭台村附近改线，汇入儒乐湖后排入赣江西河，进而解决下庄湖区建设用地的困难并减轻区域防洪负担。新建儒乐湖的集水面积为176 km2。多年平均流量为2.7 m3/s，多年平均径流量8 520万m3。

幸福河作为新建儒乐湖主要来水水源，其上游两岸用地以农田水稻种植为主，水体含沙量较大，农业面源污染物直接入河水质较差。儒乐湖湖区用地现状以水稻田（已清退）和养殖场为主，湖区土壤植物根系及杂草分布，蓄水后会造成植物根茎腐烂，水质富营养，会对水体的观感及水质造成影响[3]。

由于初期来水幸福河水质较差，加之水体换水频率不稳定，湖体附近污染物入湖大量聚集，蓄水后容易出现水体初级生产力异常增殖，致使水体透明度下降，溶解氧降低，水生生物死亡，水味变腥臭等情况。需要进行换水和控制水源水质，否则很难维持湖泊水质稳定、生态系统健康持续发展。

1.2 新建湖泊生态需水计算方法

根据湖泊的生态情况、环境状况、社会特性以及人类对湖泊干扰程度等，可以将湖泊分为自然湖泊和人工湖泊，新建湖泊是人工湖泊的一种。湖泊最小生态需水量计算方法众多，主要集中在从水文学角度与生态学角度两方面，在计算生态需水时主要考虑湖泊水位、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滞洪区，属于城市中地形条件较的低区域，低洼区新建的城市湖泊普遍会存在沿河污染物直接入湖、初期雨水渗流、支流水系洪期泥沙不断入湖等水质安全隐患[5]。依据新建湖泊的生态环境特征、生态系统管理目标、社会经济，以及资料短缺的情况，本研究选择基于水文学的换水周期法计算生态需水量。

换水周期[6]是指水量吐纳更新一次所需的时间，是判断某一湖泊水资源能否持续利用和能否保持良好水质的一项重要指标。通常采用湖库完全混合的零维水质模型，估算湖泊的年适宜需水量。计算公式为：

式中：T为换水周期，V为湖泊库容，Q为平衡时流入与流出湖库的年均径流量（即多年平均换水量）。

假定换水过程中湖库体积保持不变，污染物均匀混合，可建立湖库完全混合零维模型并求解：

2 结果与讨论

2.1 换水周期计算结果

根据儒乐湖实际监测水质数据，湖体主要超标因子为NH3-N、TP，2021年枯期平均浓度分别为5.4 mg/L、0.41 mg/L，为劣V类水体，可作为初始浓度进行计算。入湖水源参考上游溪霞水库和赣江水质按III类水质设置，目标水质按III类、IV类水质分别测算，计算结果如下：

目标水质为III类时，按0.5年换水一次，可以使NH3-N超标的劣Ⅴ类湖水在1年后达标；按0.2年换水一次，可以使TP超标的劣Ⅴ类湖水在1年后达标；因此综合换水周期为0.2年，可使儒乐湖湖水一年后达到Ⅲ类水质标准，生态需水量为2 100万mm3，生态需水占儒乐湖多年平均径流量的25%，占比较大；如考虑两年内达标，则需半年换水一次，年均生态需水量为840万mm3（如表2.1所示）。

表2.1 儒乐湖需水量成果表

目标水质为IV类时，一年一换水即可使NH3-N超标的劣Ⅴ类湖水在1年后达达标；按0.6年换水一次，可以使TP超标的劣Ⅴ类湖水在1年后达标；因此综合换水周期为0.6年，可使儒乐湖湖水一年后达到IV类水质标准，生态需水量为717万mm3。

实际情况中，由于城市区域污水、雨水等的入湖，湖泊污染负荷较大，实际换水周期应远小于计算所需换水周期。根据相关研究和国内成功治理经验，要保障湖泊水质较好，城市湖泊换水周期平均为20天至60天[7]。考虑到儒乐湖周围补水水源水质不稳定及周围污染物负荷较高的影响，需要适当调整换水周期，提高换水频率。

考虑季节差异和实际调查结果，儒乐湖流域汛期降雨较为丰富，水体流速较高自净能力较强，湖泊发生水体污染的可能性低，可适当延长换水周期；枯期降雨量少，需要增加换水频率，以保证湖泊水质，满足生态环境及景观需要。

考虑到现在城市水资源紧张，生态需水量计算需同时兼顾经济合理性，因此儒乐湖新建的1～3年，建议维持较为稳定的换水频率以保障湖泊水质，更快构建稳定的生态系统；待上游来水水质稳定，湖周入湖污染源得到全面控制、湖泊自身水质及生态系统基本稳定成熟以后，可逐渐降低湖泊的换水频率，生态需水量也将大大减少，只需枯期换水一次即可保障水质达标。

3 其他保障措施

3.1 入湖污染物控制

面源治理：根据已有的研究成果，鄱阳湖流域水体富营养化主要由于面源N、P污染引起[8]，主要来源于农业生产的化肥农药。儒乐湖流域现状主要为农业用地，根据城市总体规划土地利用情况，流域范围大部分规划为城市建设用地，用地性质的改变也意味着入湖主要污染源会逐步改变，因此需要从农业面源和初期雨水两个方面开展面源治理。

生活污水处理：儒乐湖上游有很多村庄，初步调查大约5万人居住在这个片区，随着生活条件的提高污水排放量越来越大，需要完善污水处理设施提质增效，消除黑臭水体及管网空白区，提高污水收集处理率，减少生活污水入河入湖。

畜禽养殖污染治理：根据现状调查，儒乐湖流域存在畜禽养殖小区和分散型畜禽养殖户，畜禽养殖污水主要来自畜禽养殖圈舍的冲洗水和冲粪水，现状均未处理直接入河入湖。对于畜禽养殖污水的处理，目标污染物是碳源有机物和氮源有机物以及磷。应结合成立禁养区、规范化养殖等管理措施，减少分散养殖，同时对集中规模化养殖根据国家要求增加污水和固体废物相应的处理措施，减少污染物入湖。

内源治理：湖泊底泥作为内源污染一直以来都是影响湖泊运行的主要污染源，新建湖泊由于建湖之前作为耕地或者沼泽区，土壤中存在化肥农药残留以及动植物残躯，不同于传统意义上湖泊底泥，因此清除和治理措施应区别对待。儒乐湖临赣江侧淤泥主要为沼泽区，淤泥类型接近传统淤泥，上游区域为耕地，土壤中化肥农药及植物残留大量存在，需要根据具体情况深入研究，找出主要污染物，制定不同类型污染物处理措施。

3.2 湖泊水生态系统构建

需要以儒乐湖为依托对应，从维持水生态系统稳定与健康发展的角度出发，探索并建立经济且有效的水生动植物群落运行管理办法，制定有针对性的稳定完善的水生动植物群落构建方案。水生植物群落构建注重于沉水植物群落构建及挺水植物群落构建；沉水植物对水体的营养盐具有吸收、吸附、促沉降，防底泥再悬浮的功能；挺水植物的根系发达，可以通过根系向沉积物输送氧气，改善沉积物氧化还原条件，减少氮、磷等营养盐的释放，减少沉积物再悬浮。水生动物群落构建主要为大型底栖动物和鱼类群落构建。建议深入开展以下研究：根据不同水生植物的净化效果、耐受性以及生长特性，探索不同水生植物搭配组合的合理性、可行性以及景观效果；探索水生动物投放数量的科学计算方法，规范水生动物投放比例；以食物链网理论为依据，探索水生动物的投放时间节点组合，建立规范化的水生动物投放序列等。