基于多水源调控的干旱区河流生态修复模式探讨

杨司嘉，姜晨冰

(1.黄河勘测规划设计研究院有限公司，河南 郑州 450003；2.水利部黄河流域水治理与水安全重点实验室(筹)，河南 郑州 450003；3.河南省城市水资源环境工程技术研究中心，河南 郑州 450003)

我国干旱半干旱地区总面积与455万hm2，占国土面积的47%，常年降水量不足300mm，蒸发量远大于降水量。水资源匮乏加之灌溉、蒸发和降雨的交替作用，导致了干旱半干旱区出现土壤盐渍化、土地沙化等突出问题，直接或间接的造成了生态环境脆弱、生物多样性低等现象[1-2]。因此，干旱区的河流生态修复相应于一般的生态修复难度更高，不仅要综合考虑生态修复方法的科学性、可行性，还要考虑到干旱区的气候和环境条件，更重要的是找到适宜调控水源，以水资源集约节约利用为前提条件，做好干旱区的河流生态修复工作。

目前，国内学者对于河流生态系统保护与修复已开展了较为深入的研究，尤其在水资源充沛的区域成果颇丰。王冬等[3]选取浙江省重点河湖进行了生态流量保障现状即成因分析，对于干旱半干旱地区，研究方向多集中在流域尺度的山水林田湖草生态构建。刘时栋等[4]基于最小阻力模型构建生态网络，结合识别出退化生态源，进而构建了整个流域的生态格局；徐海量等[5-6]以古尔班通古特沙漠为例进行了干旱区生态修复的实践。而以干旱区水资源调控为限制因素，以河流生态修复为目标的小尺度生态修复模式的研究较为匮乏。因此，本文以吴忠市清宁河为例进行了基于多水源调控的干旱区河流生态修复模式探讨。

1 项目区概况

吴忠市位于中国西北地区，宁夏中部，北距银川60km，是黄河“几”字弯起点，也是“天下黄河富宁夏”的菁华之地，被誉为“水韵之城”。吴忠市地处西部内陆，属温带大陆性半干旱气候，降雨稀少而集中，且时空分布极不均，蒸发强烈，多年平均降雨量为193mm，多年平均蒸发量1208mm，干旱指数6.5。

清宁河始建于2008年，是主城区重要的水系。南起利通区秦渠，北至滨河大道与京藏高速交汇处，经怡养园汇入黄河，流经利通区板桥乡和古城镇，全长9.62km。清宁河原补水方式是通过秦渠引黄河水，但随着黄河流域高质量发展的深入推进，通过推进水资源节约集约利用来统筹推进生态保护和环境治理才是干旱区河流生态修复模式的科学发展方向。清宁河现状水资源短缺，局部干涸，水生态严重退化，生物栖息地丧失如图1所示。

2 生态修复水源分析

2.1 降雨

根据吴忠气象站资料，多年平均降水量为193mm。湖区直接降水量和排水分区水量合计277.62万m3。

(1)湖区直接降水量：清宁河、乃光湖、南环水系的水量分别为19.21万、2.90万和8.27万m3；

(2)排水分区水量：根据《吴忠市城市排水(雨水)防涝综合规划(2013—2030)，西部和东南部排水区面积分别为18和26.5亩，西部、东南部排水分区的水量分别为93.8万和153.44万m3；

(3)水面降雨直接补给水面，坡面径流可通过生态基础设施改造工程收集回用。

2.2 再生水

区域再生水主要来源于水系周边3个污水厂。第一污水厂尾水经古城湾湿地处理后入黄，水质为地表水准Ⅲ类，现状处理规模4万m3/d，规划处理规模6万m3/d；第二污水厂尾水直排清水沟，未设提标设施，水质为一级A，现状处理规模2万m3/d；第三污水厂尾水直排南干沟，经超磁分离及入黄湿地净化后部分排入罗家湖。罗家湖现状已建泵站及管线为清宁河补水，泵站规模4.32万m3/d。

2.3 农灌退水

农灌退水主要为清水沟上游农灌退水，农灌退水通常N、P含量较高，且清水沟上游设有昊盛纸业污水厂，对河流全段水质影响较大。

2.4 小结

经过分析，以第一污水处理厂经古城湾湿地处理后较优质水源作为主水源，同时利用现有罗家湖泵站补水，并通过生态基础设施改造工程拦蓄雨水。第二污水厂尾水水质较差，清水沟农灌退水受上游昊盛纸业污水厂影响水质波动较大，不予作为水源考虑。

3 水源调控方式分析

为分析不同水源调控方式下清宁河水动力条件，为水质保障及工程运行经济性比选提供理论支持，本次拟采用DHI MIKE 21数值模型对补水后水体交换情况进行模拟，采用水动力模块、对流扩散模块，采用三角形非结构网格，共有576个计算网格，515个网格节点，如图2所示，见表1。

图2 清宁河模型网格及边界示意图

3.1 方式一

基于现状水系，罗家湖补水3万m3/d，古城湾湿地补水6万m3/d，乃光湖泵站抽水4.32万m3/d进入南环水系，除去蒸发渗漏耗水，并维持清宁河水深2m左右，其他水量退入黄河，如图3所示。

图3 方式一情形下清宁河水力交换

连续补水27d后，清宁河西侧水系得到充分交换；连续补水35d后，清宁河90%水系得到充分交换，但东侧外挂湖交换率较低；连续补水60d后，清宁河水系及外挂湖基本完成交换。

3.2 方式二

基于现状水系，维持清宁河水系水深2m左右，仅补充蒸发渗漏水。按照水位下降50cm为触发补水条件，经计算，清宁河水系全年共需要进行6次引水，引水时间点及持续时长如图4所示。单次引水过程中，罗家湖补水3万m3/d，古城湾湿地补水6万m3/d，乃光湖泵站抽水4.32万m3/d进入南环水系，如图5所示。

图5 方式二情形下清宁河水力交换

间歇补水条件下，补水期间仅古城湾湿地、罗家湖补水口附近水体水动力条件较好，可通过水动力交换改善水质；清宁河70%以上水系、外挂湖基本无水动力交换，为死水区。

经过模拟分析，水源调控方式二虽然更节水、运行费用也较低，但对于清宁河水质改善效果较差。清宁河生态修复模式采用水源调控方式一更合理。

4 水生态修复模式

通过多水源调控后，利用水生态系统构建技术增强水体的自净能力[7]，通过对微生物、水生植物、水生动物的有机统一，构建完整生态链[7-9]，修复建立完善水生态的同时进一步提升河湖水质状况，结合生物强化措施，综合提高水体水质，使水体水质达到Ⅲ类及以上地表水指标，保护水环境及生态安全。

4.1 水下森林

沉水植物是实现从浊水态到清水态转变的关键物种。沉水植物能够高效的吸收氮磷等物质；光合作用强，能够产生大量的原生氧，可长久保持水体高溶氧状态；改变水体氮磷营养盐循环模式，抑制底泥再悬浮及氮磷营养盐释放，促进氮的硝化/反硝化作用及磷的沉降。为浮游动物提供避难所，从而增强生态系统对浮游植物的控制和系统的自净能力[10-11]。

4.2 食物链完善

根据经典生物调控理论，增加肉食性鱼类控制食浮游动物的鱼类，促进浮游动物生长，从而控制浮游植物的生物量，提高水体透明度，增加大型底栖动物分解水底残渣，可促进“草型清水态”生态系统的构建。

5 结语

本文以清宁河为例，在合理利用地区非常规水资源的基础上，通过DHI MIKE 21数值模型确定了适宜的多水源调控方式，并在此基础上构建了清宁河的水生态系统。本文探讨了一种基于多水源调控的干旱区河流生态修复模式，在一定程度上弥补了干旱区小尺度生态修复研究中的缺项。但同时，文章也存在一定的不足，受数据获取限制，仅考虑了干旱区水资源限制的问题，未将土地利用、城镇化率、人口密度等指标纳入考虑，后续将进一步完善干旱区河流生态修复模式的研究。