阅海湖生态环境需水研究

吴江 李俊杰 白雪

摘要  ［目的］探明銀川市阅海湖生态环境需水量，满足其生态系统稳定不退化所需要消耗的水资源总量。［方法］于2019年对阅海湖进行水样采集，测定总氮（TN）、总磷（TP）、化学需氧量（CODCr）和高锰酸盐指数（CODMn）4个主要水质污染物指标，通过建立水质-水量耦合模型，采用功能法计算分析阅海湖水体最小、适宜和最大生态环境需水量。［结果］阅海湖水质保持现状所需引水量由污染物指标TP、CODCr和CODMn决定，达到地表水水质标准Ⅲ类水时所需引水量由污染物指标CODCr决定；阅海湖生态环境需水量划分为3个部分，分别为水体基本需水量、水体生态环境改善需水量、岸边带植被及景观娱乐需水量，水体基本需水量和生态环境改善需水量占阅海湖总需水量的绝大部分，通过计算可知，水体生态环境最小需水量为14.64×106 m3，适宜需水量为24.76×106 m3，最大需水量为50.98×106 m3。［结论］阅海湖水体水质已受到污染，含磷营养盐和有机物污染正在成为阅海湖水质的基本制约因素，应严格限制流入湖区地表水体污染物含量，并实现多渠道补水以免湖泊生态情况进一步恶化。

关键词  生态环境需水量；水质-水量耦合模型；功能法；阅海湖

中图分类号  X 171.1   文献标识码  A   文章编号  0517-6611（2023）05-0041-05

doi： 10.3969/j.issn.0517-6611.2023.05.011

开放科学（资源服务）标识码（OSID）：

Study on the Ecological Environmental Water Demand in Yuehai Lake

WU Jiang， LI Jun-jie，BAI Xue

（CCCC Infrastructure Maintenance Group Ningxia Engineering Co.， Ltd.，Yinchuan，Ningxia 750002）

Abstract  ［Objective］To find out the ecological water demand of Yuehai Lake in Yinchuan City and to meet the total water resources consumed for the stability and non-degradation of the ecosystem. ［Method］ Water samples were collected from Yuehai Lake in 2019，the total nitrogen （TN）， total phosphorus （TP）， chemical oxygen demand （CODCr） and potassium permanganate index （CODMn） four main water pollutants indicators were determined， the minimum， suitable and maximum eco-environmental water demand of Yuehai Lake water body was analyzed and calculated by using the function method through the establishment of the water quality-water quantity coupling model.［Result］Yuehai Lake water diverted required to keep the status quo was determined by the pollutant index TP and CODCr and CODMn， reach the surface water quality standard Ⅲ water diverted required was determined by the pollutant index CODCr.Yuehai Lake ecological environment water demand was divided into 3 parts： the basic water demand， ecological environment improving water demand and the shore with vegetation and water area for sight and recreation， the ecological environment of minimum water demand was 14.64×106 m3， the suitable water demand was 24.16×106 m3， the maximum water demand was 50.98×106 m3， the basic water demand and ecological environment impromement water demand accounted for the vast majority of Yuehai Lake total water demand. ［Conclusion］ The water quality of Yuehai Lake has been polluted， phosphorus nutrient salt and organic matter pollution are becoming the basic restricting factors of the water quality of Yuehai Lake， the pollutant content of surface water inflow into the lake should be strictly limited， and the multi-channel water replenishment should be realized to avoid the further deterioration of the lake ecological situation.

Key words  Ecological water demand;Water quality and water quantity coupling model;Functional method;Yuehai Lake

作为自然界最富生物多样性的生态景观和人类最重要的生存环境之一［1］，湖泊不仅是地球水资源的重要组成部分，同时还具有巨大的环境功能和效益［2］。城市湖泊在保障湖区周边的人民生活和社会经济发展的同时，还可以做到调节区域气候、维持生态系统平衡、保护生物多样性以及城乡供水等［3-4］。生态环境需水代表维持某一流域生态系统稳定且不退化的最小水量［5］，也就是在维护生态环境不再恶化并能够逐渐改善的情况下，所需消耗的水资源总量［6］。湖泊水量不仅维持了河湖生态系统结构，还承担着区域水生态正常发挥的介质功能。对于水环境安全和水生生态系统健康来说，保证湖泊有足够的生态环境需水量以满足生态系统与环境的需要十分重要［7-8］。目前，已有众多学者对湖泊生态环境需水进行研究［9-11］，但大多解决的问题是防止湖泊干涸和湖面萎缩等，主要注重计算的是水量，而对从水量和水质两方面考虑满足各需水分项关系，以及水量与水质耦合研究对湖泊产生的生态效应等方面的相关研究较少。

阅海湖位于宁夏回族自治区银川市金凤区西北部（106188 5°～106.213 4°E，38.512 9°～38.579 9°N），湖水面积12.00 km2，平均水深2.0 m。阅海湖是银川市内面积最大的一块生态湿地，具有生态改善、湿地保护等功能，近年来由于不合理的开发利用，沿湖岸农业灌溉退水以及少量生活污水均排入该湖［12］，导致湖泊水质逐年恶化、水生态系统退化等问题。该研究依靠实地调查，基于阅海湖水环境因子和植被分布特征分析结果，结合银川平原湖泊实际情况，改进现有湖泊生态环境需水量计算方法，分析湖泊生态环境需水量的组成成分和研究范围，在水量和水质耦合情况下考虑满足各需水分项关系构建水质-水量耦合模型，分别计算阅海湖水质达到不同目标时所需要的引水量，以期为阅海地区水资源合理配置、水生态恢复重建和区域水生态治理提供依据。

1 资料与方法

1.1 样点布设与采样时间

根据研究目标，按照阅海湖的地理位置和水文特征等特点，设置了4个采样点S1、S2、S3和S4，采样点位布设详见图1。阅海湖湖面开阔，受风浪作用使得湖内水体混合性良好，湖水流动性较频繁，根据对湖体多年监测可看作完全混合型湖泊。其中S1和S2采样点为深水区域，平均水深达3.2 m以上；S3和S4采样点为浅水区，平均水深小于1.5 m。采样时间为2019年1—12月，每月定期采集水样1次，共计采集水样为12次。

1.2 样品测定

根据2019年监测数据分析可知，阅海湖主要超标水质指标为高锰酸盐指数（CODMn）、化学需氧量（CODCr）、总磷（TP）、总氮（TN），这4个指标是阅海湖水质的主要控制因子。水样采集参照杨永宇［13］和李斌等［14］的方法。将采集的水样用5.0 L有机玻璃采水器保存，带回实验室当天测定，测定指标及标准如下：CODMn依据GB 11892—89，CODCr依据GB 11914—89，TP依据HJ 670—2013，TN依据HJ 632—2012。

1.3 数据来源

计算所需的水文数据包括降雨量、蒸发量等，均来自2019年逐月实测气象水文资料。

1.4 分析方法

湖泊生态环境需水量计算方法包括功能法、水量平衡法和最小水位法等［15-16］。由于功能法可以实现估算湖泊最小生态环境需水量，兼具保护湖泊生态系统的生物多样性和完整性［17-18］，故该研究计算阅海湖生态环境需水时采用功能法。将湖泊生态环境需水量归纳为三大类，分别为湖泊水体基本需水量、湖泊水体生态环境改善需水量、湖泊岸边带植被及景观娱乐需水量，计算公式如下：

QR=QV+QJ+QZ+QL+QY+QA=Q基+Q改+Q植+景 （1）

式（1）中，QR代表湖泊生态环境需水量（m3），QV代表湖泊水生生物及其栖息地需水量（m3），QJ代表湖泊自净需水量（m3），QZ代表湖泊蒸发需水量（m3），QL代表湖泊渗漏需水量（m3），QY代表景观娱乐需水量（m3），QA代表湖泊岸边带植被需水量（m3），Q基代表湖泊水体基本需水量（m3），Q改代表湖泊水体生態环境改善需水量（m3），Q植+景代表湖泊岸边带植被及景观娱乐需水量（m3）。

1.4.1    水体基本需水量。

按照水面面积百分比和水深要素划定需水量级别［19］，可分析计算阅海湖水体基本需水量，计算公式如下：

Q基=A×β×h （2）

式（2）中，Q基代表湖泊水体基本需水量（m3）；A代表湖泊面积（m2）；β代表淹水面积百分比；h代表湖泊水深（m）。

1.4.2    水体生态环境改善需水量。

水质和水量是水资源2个最基本的特性。作为水质和水量的耦合，湖泊生态需水需要同时满足水质和水量的要求［20］。在计算湖泊生态环境需水量时，应做到统一规划水质与水量，从而更好地进行水资源优化配置。因此，在计算湖泊生态环境需水时，不仅要考虑对水量的要求，还应当考虑对水质的要求，这样才符合水资源优化分配的原则。对于阅海湖水体生态环境改善需水量，由于湖泊水体生态环境改善需水量主要是黄河水，受到水资源科学合理利用的限制。为使湖泊发挥正常的生态系统和服务功能的作用，建立水质-水量耦合模型和目标控制方程，其计算公式如下：

ΔVi=WPi+WRi-WEi-WCi

WPiCPi+WRiCRi=ΔCiVi+WEiCEi+WCiCCi+ΔViCCi+KCCiVi

CCi= WPiCPi+WRiCRi WCi+ΔVi+KVi

|ΔVi|≤Vmax-Vmin

Vmax≤Vi≤Vmin

CCi≤Cs

（3）

式（3）中，ΔVi代表湖泊第i月的需水变化量（m3）；WPi、WRi、WEi和WCi分别代表第i月湖泊的湖面降水量、引水量、蒸发量和渗漏量，单位为m3；CPi、CRi、CEi和CCi分别代表第i月湖泊的上述各对应水量中所含污染物的浓度，单位为mg/L；K代表污染物TN的降解系数，CODMn和CODCr的K值取0004 d-1，TN和TP的K值取0.01 d-1；Vi代表第i月湖泊的平均蓄水量（m3）；ΔCi代表第i月湖泊污染物TN的濃度变化值（mg/L）；Vmax、Vmin分别代表湖泊蓄水量的上、下限值（m3）；Cs代表湖泊水质标准（mg/L）。

1.4.3    岸边带植被及景观娱乐需水量。

计算阅海湖岸边带植被及景观娱乐需水量时，首先采用桑斯维特模型，计算湖岸边带植被潜在蒸散发量［21-22］，其次计算湖岸边带植被需水量。具体公式如下：

QA=A×ET0×Kc×Ks

ET0=k×16.2（10× T H ）B

B=6.75×10-7×H3-7.71×10-5×H2+1.79×10-2×H+0.49

h=（ T 5.0 ）1.514

H= 12 i=1 h

（4）

式（4）中，QA为湖泊岸边带植被需水量（m3）；A为湖泊岸边带植被面积（m2）；Kc为植物系数［23］，芦苇Kc=1.33；Ks为土壤水分修正系数，取1.0；ET0为植被月潜在蒸散发量（mm）；T为月平均气温（℃），h为月热量指数，当T≤0 ℃时，h=0；H为年热量指数，等于12月的和，年热量指数为52.50；B为指数，是年热量指数的非线性函数［24］，计算结果为1.31；k为时间修正系数，根据《宁夏回族自治区第二次土地调查》中纬度专用表关系来确定，详见表1。

维持湖泊景观功能及水上娱乐项目正常运行所需的水量即为景观娱乐需水量，由于景观娱乐需水量相对于前面几项需水量很小，同时阅海湖生物及其栖息地需水量和景观娱乐需水量二者又有兼容的成分［25-26］。如保证一定的阅海湖水体基本需水量，同时可部分满足水体自净、调节气候、美化景观的需水，应避免重复计算问题，可在满足前面几项需水量上同时满足景观娱乐需水。

2 结果与分析

2.1 阅海湖水体基本需水量估算

阅海湖平均水深2.0 m，多年水面面积12 km2，则蓄水量为24×106 m3，根据面积百分比和水深要素，划定需水量级别，确定水体基本需水量。阅海湖水体基本需水量为湖泊水生生物及其栖息地所需水量，当湖泊淹水面积占湖泊面积的40%～50%时，湖泊水体可保证湿地能基本满足水生生物的生存需要。杨志峰等［27-28］研究发现，将湖泊水生生物及其栖息地最大需水量的淹水面积百分比划分为90%～100%，采用阅海湖水体基本最小、适宜和最大需水量的淹水面积百分比40%、50%和90%，其水深分别为0.8、1.0和1.8 m，计算阅海湖水体基本最小、适宜和最大需水量。为使湖泊水体可保证湿地能基本满足水生生物的生存需要，此时最小需水量为3.84×106 m3，适宜需水量为6.00×106 m3。当湖泊淹水面积占湖泊面积的90%时，湖泊水体可保证湿地能够充分满足水生生物的生存、生活、繁殖等需要，此时最大需水量为19.44×106 m3。

2.2 阅海湖水体生态环境改善需水量估算

2.2.1    阅海湖水质保持现状时引水量。

分别以TN、TP、CODMn和CODCr 4种污染物为例，水质保持现状且不再恶化时所需水量的计算结果如图2所示。由图2可知，阅海湖水质保持现状且不再恶化的自净所需的引水量由污染物指标TP、CODCr和CODMn决定，3种污染物指标自净所需水量不同，考虑到湖泊水质应达到相应质量标准，自净需水量取各指标自净最小需水量中最大值。在阅海湖水质保持现状且不再恶化的条件下，3个指标计算的其中最高水量决定全年所需引水量，全年引水量为24.97×106 m3，各月引水量中最大的是5月，为3.41×106 m3，最小的是1月，为0.63×106 m3。因为阅海湖的主要污染物指标是CODCr，必须要降低水体CODCr的含量，其自净需水量高于其他污染物指标。

2.2.2    阅海湖水质达到Ⅲ类水时引水量。

根据地表水水质标准，阅海湖水质达到Ⅲ类水时，计算出各月最优引水量结果如图3所示，此时所需的引水量由污染物指标CODCr决定，全年引水量为34.11×106 m3，各月引水量中最大的是5月，为4.72×106 m3，最小的是12月，为0.64×106 m3。只有水体CODCr的含量降低，阅海湖水质才能达到Ⅲ类，同时，所需自净水量也高于其他污染物指标。

2.2.3    阅海湖水体生态环境改善需水量。

阅海湖水体生态环境改善需水量包括蒸发需水量、渗漏需水量和自净需水量［29-30］，计算结果如图4所示。由图4可知，阅海湖水体生态环境改善最小需水量为10.31×106 m3，适宜需水量为1803×106 m3，最大需水量为30.45×106 m3，其中满足污染物指标CODCr要求的各月引水量均大于污染物指标TN、TP和CODMn要求的各月引水量。分析可知，由于阅海湖全年蒸发主要集中在4—9月，其需水量占全年主要部分，结合比较各月水体生态环境改善最小、适宜和最大需水量以及水体生态环境改善最小、适宜和最大需水量所对应的各月蒸发量和降雨量可知，各月需水量由其蒸发量决定。

2.3 阅海湖岸边带植被及景观娱乐需水量估算

选取芦苇为阅海湖岸边带植被代表物种，根据2019年监测资料，其芦苇分布面积为133.33 hm2，对湖岸边带植被4—10月的最小、适宜和最大需水量进行计算，结果如图5所示。由图5可知，阅海湖岸边带植被最小需水量为48.56×104 m3，适宜需水量为73.49×104 m3，最大需水量为109.43×104 m3，各级别需水量最大的均为7月，需水量最小的均为10月。由于景观娱乐需水量相对于前面几项需水量很小，同时在满足阅海湖生物及其栖息地需水量基础上，与景观娱乐需水量有兼容成分，应避免重复计算。

2.4 阅海湖生态环境需水量估算

阅海湖生态环境需水量为阅海湖水体基本需水量、水体生态环境改善需水量、岸边带植被及景观娱乐需水量之和，计算结果见表2。由表2可知，阅海湖生态环境最小需水量为14.64×106 m3，生态环境适宜需水量为24.76×106 m3，生态环境最大需水量为50.98×106 m3，其中各级别水体基本需水量和生态环境改善需水量分别占总需水量的96.65%、97.05%和97.86%，一方面与阅海湖的地理位置有关，受城市内河系分布影响，另一方面与生态环境改善引水水源也有密切关系［31］。

湖泊生态环境需水量的特点是参数众多、复杂、随时间和空间变化而变化［32］，不同的分析计算方法所得结果均会不同，该研究所计算的最小、最大需水量均大于齐拓野等［33］计算的阅海湿地生态需水量，这与不同时期的水环境现状和污染程度有关。阅海湖生态环境需水量划分为湖泊水体基本需水量、湖泊水体生态环境改善需水量、湖泊岸边带植被及景观娱乐需水量。阅海湖基本需水量为湖泊水生生物及其栖息地需水量，占总需水量的25%左右，從侧面也说明水生生物生物量较大，为了满足水生生物生长、繁育所需水量也较大。阅海湖水体生态环境改善需水量由蒸发需水量、渗漏需水量和自净需水量组成，采用水质-水量模型进行计算。阅海湖位于西北干旱地区，年蒸发量是降水量的4.45倍，阅海湖水体生态环境需水量的重要组成部分更是包含蒸发需水量。除蒸发渗漏需水量外其余部分均用来满足改善湖体水质所需，说明阅海湖水体水质已受到污染，首先应严格限制流入湖区地表水体含磷营养盐等污染物含量，实现多渠道补水以免湖泊生态情况进一步恶化。

3 结论

（1）基于功能法，构建阅海湖生态环境需水量模型，计算阅海湖生态环境需水量。阅海湖生态环境需水量由湖泊水体基本需水量、湖泊水体生态环境改善需水量、湖泊岸边带植被及景观娱乐需水量3部分构成。阅海湖水体基本需水量为湖泊水生生物及其栖息地需水量，生态环境改善需水量由蒸发需水量、渗漏需水量和自净需水量组成，采用水量-水质耦合模型进行计算。

（2）在水体生态环境改善需水量中，阅海湖水质保持现状且不再恶化所需水量由污染物指标TP、CODCr和CODMn决定；达到地表水水质标准Ⅲ类水时所需水量由污染物指标CODCr决定，应对这几个污染物指标重点控制。

（3）根据阅海湖淹水面积百分比40%、50%和90%计算最小、适宜和最大需水量，阅海湖水体生态环境最小需水量为1464×106 m3，适宜需水量为24.76×106 m3，最大需水量为50.98×106 m3，其中水体基本需水量和水体生态环境改善需水量占总需水量的绝大部分。

参考文献

［1］  陈洁.宁夏沙湖水环境预警研究［D］.西安：长安大学，2014.

［2］ 马荣华，杨桂山，段洪涛，等.中国湖泊的数量、面积与空间分布［J］.中国科学：地球科学，2011，41（3）：394-401.

［3］ 姜加虎，窦鸿身，黄群.湖泊资源特征及与其功能的关系分析［J］.自然资源学报，2004，19（3）：386-391.

［4］ XU F L，TAO S，DAWSON R W，et al.Lake ecosystem health assessment：Indicators and methods［J］.Water research，2001，35（13）：3157-3167.

［5］ 李丽娟，郑红星.海滦河流域河流系统生态环境需水量计算［J］.海河水利，2003（1）：6-8，70.

［6］ 康思宇，周林飞，胡艳海.基于景观变化的河口湿地生态环境需水量研究［J］.节水灌溉，2018（7）：51-55.

［7］ YU T，ZHANG Y，WU F C，et al.Six-decade change in water chemistry of large freshwater Lake Taihu，China［J］.Environmental science & technology，2013，47（16）：9093-9101.

［8］ 邱小琮，赵红雪，尹娟.爱伊河生态环境需水量研究［J］.节水灌溉，2015（8）：63-66.

［9］ 高晓月，郭勇，刘明喆.白洋淀流域河湖生态环境需水研究［C］//河海大学，贵州省水利学会.2017（第五届）中国水生态大会论文集.北京：北京沃特咨询有限公司，2017：7-17.

［10］  张彩华，余殿，张维军，等.宁夏哈巴湖国家级自然保护区湿地植物群落特征与生态需水量［J］.天津师范大学学报（自然科学版），2019，39（2）：50-55.

［11］ 赵晓瑜，杨培岭，任树梅，等.基于生态水位差比法的高海拔湿地生态环境需水量研究：以乌梁素海湿地为例［J］.灌溉排水学报，2018，37（5）：59-65.

［12］ 郭琦，尹娟，邱小琮，等.银川市阅海湖水环境容量评估［J］.水土保持通报，2019，39（5）：290-294，300.

［13］ 杨永宇.黑河流域水环境因子分析及水环境质量综合评价［D］.银川：宁夏大学，2017.

［14］ 李斌，白维东，杨永宇，等.阅海湖水环境因子时空分布特征及水环境综合评价［J］.宁夏农林科技，2016，57（8）：40-42，63.

［15］ 刘静玲，杨志峰.湖泊生态环境需水量计算方法研究［J］.自然资源学报，2002，17（5）：604-609.

［16］ 许文杰.城市湖泊综合需水分析及生态系统健康评价研究［D］.大连：大连理工大学，2009.

［17］ 刘蕾蕾.建湖生态城市建设中水面率及生态河道构建研究［D］.扬州：扬州大学，2016.

［18］ 李延林.宁夏典型湖泊生态环境需水量研究：以沙湖为例［D］.银川：宁夏大学，2019.

［19］ 胡东起，徐慧.城市生态环境需水量计算方法与应用［J］.三峡大学学报（自然科学版），2018，40（2）：29-34.

［20］ 龙邹霞.基于生态系统健康的湖泊生态需水研究：以厦门杏林湾为例［D］.厦门：国家海洋局第三海洋研究所，2007.

［21］ 李金燕，张维江.宁夏固原城乡饮水水源工程受水区林地生态环境需水量研究［J］.湖北农业科学，2014，53（1）：63-67.

［22］ 黄小敏.鄱阳湖湿地生态需水研究［D］.南昌：南昌大学，2011.

［23］ 赵晓瑜，杨培岭，任树梅，等.内蒙古河套灌区湖泊湿地生态环境需水量研究［J］.灌溉排水学报，2014，33（2）：126-129.

［24］ 何明哲.基于生态红线划分的生态用水合理配置研究［D］.哈尔滨：哈尔滨师范大学，2017.

［25］ 范学军，钟颖.城市景观生态环境需水规划方法研究［J］.知识经济，2010（10）：121.

［26］ 喻泽斌，龙腾锐，王敦球.河流景观生态环境需水量计算方法研究［J］.重庆建筑大学学报，2005，27（1）：71-75.

［27］ 杨志峰，崔保山，刘静玲，等.生态环境需水量理論、方法与实践［M］.北京：科学出版社，2003.

［28］ 崔保山，杨志峰.湿地生态环境需水量等级划分与实例分析［J］.资源科学，2003，25（1）：21-28.

［29］ 李海东，尹倩瑜，游立新.宜昌沙河河道整治引水水源及环境需水量研究［J］.水道港口，2019，40（1）：106-112.

［30］ 余歆睿，乔利伟，徐丹，等.考虑生态环境需水的七浦塘水量分配研究［J］.人民长江，2019，50（11）：119-122，155.

［31］ 邢华超.东昌湖水环境容量研究［D］.北京：北京林业大学，2010.

［32］ 孙栋元，杨俊，胡想全，等.疏勒河中游绿洲生态环境需水研究：Ⅱ.生态环境需水量与水资源管理对策［J］.干旱地区农业研究，2016，34（6）：280-284.

［33］ 齐拓野，米文宝，邱开阳，等.干旱区湿地生态需水量研究：以银川市阅海湿地为例［J］.干旱区资源与环境，2012，26（3）：76-82.