洞庭湖环境疏浚与生态修复(1)程力学毕业论文

摘要：由于泥沙淤积，洞庭湖洪水位不断抬高，在造成严重的洪涝灾害的同时，降低湖泊水体的稀释自净能力和水环境承载能力，湖区生态环境的恶化。根据洞庭湖环境疏浚规划，通过对典型河段疏浚前后水情、水环境质量及承载能力变化等的对比，定量与定性相结合对洞庭湖疏浚后的水环境修复和生态系统恢复效益等进行研究。

关键词：洞庭湖 疏浚 水环境修复 生态恢复

1 前言

洞庭湖接纳湘、资、沅、澧四水和长江的松滋河、虎渡河、藕池河三口，每年大量泥沙进入洞庭湖，其中约四分之一左右的泥沙由城陵矶注入长江，四分之三淤积在洞庭湖。由于泥沙淤积，造成四口洪道多呈淤积萎缩态势，湖内洲滩滋长、芦柳丛生、滞流阻水严重，而且湖泊萎缩使得水系紊乱，相互顶托干扰。从而导致洞庭湖区调蓄容积减少、洪水位不断抬升、江湖关系改变，在加重湖区的防洪负担、造成严重的洪涝灾害的同时，降低湖泊水体对各种污染物的稀释自净能力和水环境承载能力，造成湖区生态环境的恶化^[1]。根据《国家地面水环境质量标准》 （GB3838－2002），按单因子法评价全湖平均类别为IV类，磊石、城陵矶、茅草街、目平湖、万子湖水质达V类，君山水质达超V类。按综合污染指数法评价全湖平均综合污染指数0.433，属于轻度污染。 洞庭湖全湖主要污染物的分担率从大到小依次排前五位的参数为：总磷、总氮、总汞、挥发酚、高锰酸盐指数。因此，实施洞庭湖环保疏浚工程，调整部分河段的河势、改善水流条件是增加水体纳污、自净能力，改善环境条件，维护生态平衡重大战略举措。目前洞庭湖环保疏浚规划已经完成，本文通过对典型河段环境疏浚前后水情、水环境质量及承载能力的变化深入分析，定量分析与定性研究相结合对洞庭湖环境疏浚的水环境修复效益和生态系统恢复效应进行了研究。 

2 洞庭湖环保疏浚前后的水情变化

    洞庭湖环境疏浚改变了河道湖泊的过水断面，纵坡比降及糙率等水力因素，这些水力因素的改变对洪水水位产生影响，尤其在河道上由于水力因素的改变值的比重较高，影响更为显著。分析中首先使用二个典型河段，运用水力学模型分析法和水文学资料分析法分析这些典型河段在疏浚前后对洞庭湖洪水水位的影响，并以为此基础研究根据环境疏浚方案对洞庭湖各疏浚河段的水位降低效应进行分析。

2.1 环境疏浚对典型河段的洪水水位影响分析

    本研究洪水演算采用SMS （地表水模拟系统）水力学模型，区间的产流计算采用SSARR（河流综合预报与水库调度模型）水文学模型^[2]。典型年主要选择近期的主要大水年1996、1998、1999年。其中1996年洪水为四水遭遇型洪水，1998年洪水为1954年后长江流域全流域大洪水，1999年洪水为湖区区间及长江干流遭遇的恶劣组合型洪水。对3个典型年，分别选择疏浚前后的地形资料计算三个典型河段影响区的水位，在疏浚区每隔500m，模型输出一个水位值。计算的结果为：澧水洪道洪水水位降低0.2～0.3m；南洞庭湖洪水水位0.09～0.17m。

2.2    洞庭湖环境疏浚规划对洞庭湖洪水水位影响预测

    根据洞庭湖环境疏浚规划，疏挖总土石方量达33876.5×10⁴m³。而且由于增加了行洪断面的面积和湖泊容量，相应增加了洪道的行洪能力，增强了湖泊的调蓄能力，对降低湖区高洪水位起积极作用。整个疏浚工程土石方量也就相当于洞庭湖增加了约3.4×10⁸m³容积，约占洞庭湖总容积（城陵矶水位33.5米时容积167×10⁸m³）的百分之二左右。

    采用前面已经建立的水力学模型，经水力学模型模拟计算结果如下：

    （1）四水尾闾及淞滋河、藕池河及汨罗江疏浚段附近洪水水位的降低较明显。水位降低的程度与开挖的断面面积占总断面面积的比例及洪水级别有关。比例越大，水位降低愈明显。洪水级别越大，水位降低越小。在计算河段中澧水尾闾可降低高洪水位0.15～0.35m，其余河段一般可降低0.1～0.25m，但在扩卡的局部区域，有时可降低水位0.3m以上。

    （2）东洞庭湖洪水水位可降低0.08～0.14m，南洞庭湖可降低0.1～0.18m。湖区水位降低幅度仍然少于河道，这种趋势同典型河段的计算结果一致。  3 洞庭湖疏竣的水环境修复效应

    洞庭湖河湖疏竣的水环境修复效应主要体现在对水环境承载力的影响。水环境承载力是指在一定的水域，其水体能够被继续利用并仍保持良好生态系统时所能容纳污水及污染物的最大能力^[3]。简单地说，水环境承载能力也就是我们通常所说的“水环境容量”或“水环境（水体）纳污能力”，即满足水环境质量标准要求的最大允许污染负荷量、或纳污能力。对于河流、湖泊而言，流量和水质及污染物质的背景浓度也是经常变化的，向河、湖排放污染物也大多是通过水流进入的，因此，其污染物的净化和环境容量的计算比较复杂。常用的水环境容量计算模型有：一维模型、二维模型、非均匀混合模型和湖(库)均匀混合模型^[4]。

    根据洞庭湖污染物排放现状，造纸业排放的COD_Mn是影响洞庭湖区水质的主要污染物，故在水环境容量计算中，选择反映水质污染的综合指标——COD_Mn，研究计算典型河段和整个洞庭湖疏挖前后水环境容量变化情况，分析疏竣对洞庭湖水环境质量的影响。

（1）疏浚对典型河段水环境容量影响分析。典型河段选择澧水洪道石龟山至沙河口（全长20000m）、南洞庭湖茅草街至沅江（全长22000m）二个河段。由于疏竣工程改变了洞庭湖的水力学条件，使湖泊水流归槽，水位降低，流速增大，污染物扩散与自净能力增强，湖泊的水环境容量增加。水环境容量的计算结果澧水洪道由144g/s增加到160g/s，南洞庭湖由378g/s增加到398g/s。同样在起始断面水质状况相同，区间内疏竣前后污染物排放情况不变的情况下，区间出口在疏竣后的污染物浓度要比疏竣前小，水质比疏竣前好。澧水洪道出口处污染物浓度由疏浚前的6.0mg/l降为疏浚后的5.9mg/l，南洞庭湖由4.5mg/l降为4.4mg/l 。

（2）疏浚工程对洞庭湖水环境容量影响预测。 对于洞庭湖，考虑整个疏浚工程相当于洞庭湖增加了约3.4×108m³的容积，选择参数COD_Mn，采用湖（库）均匀混合易降解的水质数学模型，计算结果:COD_Mn的水环境容量疏浚后可增加2361 g/s，即74460 t/a; 污染物浓度疏浚后可降低0.3 mg/L。表明洞庭湖河湖疏竣对洞庭湖水环境的影响主要体现在：疏竣后河流水位降低，水流归槽，流速加快，污染物稀释自净能力增强，水环境容量及水环境承载能力增大，水环境质量有所改善。

（3）疏竣对洞庭湖富营养化的影响分析。洞庭湖经多年淤积，不仅大大缩小了湖容，而且淤积底泥中含有大量的营养物质，这些营养物质中的一部分又会重新溶解进入水体，增加水体的营养负荷，加快湖泊的富营养化进程。对洞庭湖区进行疏竣，将淤泥疏挖出水，将大大减少底泥中营养物质的释放，降低水体营养物质的浓度。根据洞庭湖区河道疏竣工程总体设计方案，南洞庭湖底泥疏挖量1595.17×10⁴m³, 黄土包河疏挖工程底泥疏挖量1841.44×10⁴m³,澧水疏挖工程底泥疏挖量3828.40×10⁴m³,以上典型河段共计7265.01×10⁴m³。经估算相当于清除磷13513t、氮678551t。根据洞庭湖营养物质平衡计算结果，洞庭湖总氮、总磷年滞留量分别为107003吨、7780吨，而典型河段疏挖减少的氮、磷量分别相当于全湖6.34年、1.74年的淤积量，如果全湖疏挖按设计完成，其效益当更加巨大。可见疏挖工程对减少洞庭湖的营养负荷、减缓富营养化进程作用显著。

（4）环境疏浚的经济、社会及环境效益。洞庭湖环境疏浚工程实施后，将改善湖泊水环境质量，提高湖泊水环境容量，既可影响“一湖四水”，还将影响到整个长江中下游，对维护长江流域生态平衡，促进区内经济与环境协调发展将起到积极作用，其经济、社会和生态环境等方面的效益十分显著。而且其直接经济效益也相当可观的，如COD_Mn的水环境容量可增加2361 g/s，即74460 t/a，在保护洞庭湖水功能不受破坏的情况下，可年增加容纳248200t化学需氧量（COD）。根据《湖南省“一湖四水”水污染防治规划》，建设城市污水处理厂年削减COD 7.3×10⁴t，约需投资27.7944×10⁸元,若建设可年处理COD 24.82×10⁴t的COD污水处理厂，仅此项经济效益就达90×10⁸元。 4 洞庭湖疏浚的生态系统修复作用

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