阅海湖生态环境需水研究

摘要  ［目的］探明银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改代表湖泊水体生态环境改善需水量（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