芽庄湖湖泊生态环境改善措施研究

刘 敏

(滨州市水文中心,山东 滨州 256600)

1 概 述

湖泊水是我国重要的淡水资源之一,湖泊在保障饮用水安全、防洪抗旱、保障生物多样性等方面具有举足轻重的作用[1]。我国是人口大国,淡水资源总量位居世界第六,但人均淡水占有量仅相当于世界人均淡水占有量的1/4,淡水资源匮乏。随着科技的发展,人类的生产活动不可避免地会对湖泊的生态和功能造成不利影响。如围湖造田损坏了湖泊的防洪抗旱和气候调节能力;过度捕捞导致湖泊的生物多样性下降;污水排放导致湖泊富营养化[2]。因此,迫切需要对湖泊的环境进行治理。

湖泊的生态环境会同时受到人类活动和自然环境的影响,影响要素和影响因子都是多样性的[3]。因此,在湖泊环境的治理过程中,也要考虑到不同的变量和不同的目标,不同方案的比选也受到相关学者的关注。杨卫等[4]、华祖林等[5]和王磊等[6]在构建筛选体系时,主要考虑了水力、水质和经济因素,没有考虑水生态方面,并结合数值模拟结果,得到玄武湖和汤逊湖最优治理方案。综上所述,以往的研究主要考虑到的影响因素为水动力、水质和水生态环境等方面的部分指标,选择的因素不够全面,因此也难以反映出实际的湖泊生态系统,而且在定量处理影响因素时的方法也需要进一步优化。

在上述研究的基础上,本文提出一种湖泊治理方案的筛选方法,运用数值模拟方法,综合考虑水质、水动力和水生态环境的影响,建立一个较为完善的湖泊治理方案筛选体系,并以芽庄湖为例进行研究,为湖泊治理方案的选择提供依据。

2 工程概况

芽庄湖位于山东省邹平与章丘两县交界处,系古湖泊浒山泺的一部分,为漯河、杏花河滞洪湖泊。 1950年秋,邹平县为防洪除涝,将浒山泺西隅辟为湖泊。因该湖位于芽庄村(属章丘刁镇)东故名芽庄湖,是滨州地区内首建的纳洪平原水库。该湖盛产蒲草,条苇编织业是周边农民的主要副业。由于上游来水减少,湖西大部分已经复垦为耕地。由于工农业生产、基础设施和生态环境建设改变了流域下垫面条件(包括植被、土壤、水面、耕地、潜水位等因素),导致入渗、径流、蒸散发等水平衡要素的变化,从而造成径流量的减少,导致湖泊水质变差,生态环境亟需得到改善。

3 研究方法

3.1 治理方案筛选体系的确定

芽庄湖的水动力条件和水质条件均较差,根据其生态环境现状,考虑水动力、水质和水生态环境等因素的影响,建立一套湖泊环境治理方案的筛选体系,具体情况见表1。

表1 湖泊治理方案筛选指标

3.2 模型的率定与验证

以芽庄湖地区的水下地形、气象、水文等数据为基础,应用MIKE21软件中的水动力模块和水质模块,建立水动力水质模型。利用芽庄湖3个水位站点所监测的2018年3月至2020年3月的水位变化数据,对水动力模型进行率定与验证;利用水质监测点水质逐月变化数据,对水质模型进行率定与验证。不同监测点位的率定与验证结果满足精度要求,可用于模拟分析和预测,见图1和图2。

图1 监测点水位模拟值与实测值的比较

图2 监测点DO模拟值与实测值的比较

3.3 治理方案筛选

(1)

式中:X为规范化加权矩阵;xij为第i个方案中第j个筛选指标的加权计算值。

(2)

(3)

(4)

4 结果和讨论

芽庄湖一直面临着水动力和水质条件较差的问题,目前采用生态补水、污水治理等多种措施对生态环境进行治理。因此,本文预设3种治理方案:①优化补水方案,污水治理保持不变;②优化污水治理,提高污水治理力度,保障排入水流达到Ⅳ类水质标准,补水方案保持不变;③优化补水方案+提高治污力度,将原补水流量分配到芽庄湖,并使排入芽庄湖的水流达到Ⅳ类水质标准。

各治理方案筛选指标的计算结果见表2;贴近度计算结果见表3。

表2 各湖泊治理方案筛选指标结果

表3 各湖泊治理方案贴进度计算结果

从水动力改善效果方面来看,方案1和方案3的最终效果相同。分别采用方案1和方案3进行治理后,芽庄湖的流线分布密度为0.14 km-2,较为明显地提升了湖泊水体的畅通程度,流路也要优于方案2;方案1和方案3中,水体流速的模拟结果相同,均为0.017 m/s,而方案2的模拟结果为0.016 m/s,略微低于方案1和方案3的结果,水体流速较高则有利于水体复氧。而且,方案1和方案3的平均流速时间、空间标准差则小于方案2。此外,方案1和方案3的水力停留时间为553d,远小于方案2的1 383d,而且方案1和方案3的滞水区面积也是明显低于方案2的滞水区面积,表明水体更新加快,降低芽庄湖的污染物含量。因此,相比较于方案2,方案1和方案3对整体水动力改善效果更好。

从水质改善效果方面来看,方案2的水质改善度最高,达到28.37%,明显高于方案3的27.70%和方案1的5.46%;方案2的水质平均达标率也最高,达到97.8%,表明对排入芽庄湖水域的污水进行优化治理对改善水质起到关键作用。另一方面,方案2的水质改善效果虽然比方案1和方案3的好,但方案2的水质平均达标率仅比方案3的水质平均达标率高1.5个百分点,而且方案3的水质达标率在时间、空间上标准差优于方案1和方案2,表明水质的整体达标效果较好,即综合采用优化补水方案和提高治污力度更加有效。

从改善水生态环境方面来看,方案1和方案3的水位满足度均为86.7%,优于方案2的83.5%。而且方案1和方案3的水面面积率为77.94%,也优于方案2的56.60%。因此,方案1和方案3对水生态环境的改善效果更好。

从表3可以看出,方案1、方案2和方案3的贴近度分别为0.35、0.55和0.84,表明方案3的综合治理效果优于方案1和方案2,即优化补水方案的同时提高污水治理力度的效果更加明显。因此,方案3更适合用于芽庄湖地区的湖泊治理。

5 结 论

1)湖泊生态环境治理要同时兼顾系统性与整体性要求,针对当前湖泊生态环境存在的问题,建立包括水动力、水质和水生态环境3种因素在内的湖泊生态环境治理方案筛选体系,提出了湖泊生态环境治理方案筛选方法。

2)以芽庄湖为研究对象进行案例分析,结果表明,方案1和方案3对水动力、水生态环境的改善效果明显好于方案2,而方案2的水质改善要好于方案1和方案3。从综合治理效果上来看,方案3的治理效果是最好的,即“优化补水方案+提高治污力度”能够更好地改善湖泊生态环境,同时也验证了该方法的科学性和合理性。