城市河道生態(tài)需水量探討

王 凱，安航永

（華北水利水電大學(xué)，河南 鄭州450011）

由于我國(guó)人口的增加和城鎮(zhèn)化建設(shè)的快速發(fā)展，水資源短缺和水資源規(guī)劃利用等問(wèn)題越來(lái)越為世人重視。近50a來(lái)，我國(guó)在水資源開(kāi)發(fā)利用中，重視工業(yè)、農(nóng)業(yè)和生活用水，忽視了生態(tài)環(huán)境保護(hù)和生態(tài)環(huán)境建設(shè)對(duì)水資源的需求［1］，而城市水資源開(kāi)發(fā)利用，同樣只注重生產(chǎn)、生活用水，忽視生態(tài)環(huán)境用水，最終致使城市的河流成為排污河流［2］。針對(duì)城市生態(tài)環(huán)境不斷遭到破壞，城市生態(tài)需水量嚴(yán)重不足等問(wèn)題，田英［3］等人總結(jié)出兩個(gè)主要原因：對(duì)城市生態(tài)環(huán)境需水認(rèn)識(shí)不足以及缺乏相應(yīng)的理論體系支持。因此，人們?cè)谶M(jìn)行城市規(guī)劃建設(shè)時(shí)應(yīng)同時(shí)考慮城市河道生態(tài)需水問(wèn)題，加深對(duì)生態(tài)環(huán)境需水的認(rèn)識(shí)，根據(jù)城市實(shí)際情況合理分配水資源，促進(jìn)城市可持續(xù)發(fā)展。

1 城市河道生態(tài)需水

關(guān)于生態(tài)需水量的相關(guān)問(wèn)題，國(guó)外在20世紀(jì)40年代就開(kāi)始有所研究，提出了河流最小環(huán)境（或生物）流量的概念［4］，即維持河道功能不退化、特征水生生物物種能正常繁衍生息所必須維持的河道最小流量。隨后又出現(xiàn)了最小可接受流量的研究［5－6］。Gleick［7］在1995年率先提出了生態(tài)需水的概念，構(gòu)建了生態(tài)需水研究的理論框架。我國(guó)關(guān)于生態(tài)需水的研究起步較晚，20世紀(jì)80年代才由湯成奇［8］等人提出了“生態(tài)環(huán)境用水”的概念。但國(guó)內(nèi)外學(xué)者研究對(duì)象大都是天然河道及其所屬流域范圍，以魚(yú)類(lèi)等水生物的棲息環(huán)境為限制條件得出的河道生態(tài)需水量，針對(duì)城市河道生態(tài)需水量的研究并不多，缺乏相應(yīng)的理論與方法，城市河道生態(tài)需水量研究仍處于起步階段。

要研究城市河道生態(tài)需水量首先應(yīng)該了解城市生態(tài)環(huán)境需水量，即在一定時(shí)間和空間范圍內(nèi)，為維護(hù)城市生態(tài)環(huán)境發(fā)揮正常物質(zhì)循環(huán)、能量流動(dòng)和信息交換功能所需的水資源總量［9］。城市生態(tài)需水量按照生態(tài)系統(tǒng)分類(lèi)包括城市綠地生態(tài)環(huán)境需水量、城市河道生態(tài)環(huán)境需水量、城市湖泊生態(tài)環(huán)境需水量和城市濕地生態(tài)環(huán)境需水量［10］。針對(duì)城市河道生態(tài)需水量鄭冬燕［11］等提出：城市河道生態(tài)需水分為河道內(nèi)需水和河道外需水兩部分。本文所研究的城市河道生態(tài)需水可定義為河道內(nèi)生態(tài)需水，而影響城市河道內(nèi)生態(tài)需水量的主要因素有兩個(gè)［12］：一個(gè)是河道生態(tài)系統(tǒng)本身的結(jié)構(gòu)特征，如植被、空間格局等因素；另一個(gè)是生態(tài)環(huán)境的外界環(huán)境因子，如日照、蒸發(fā)等因素。以上諸多影響因素中，以外界對(duì)河道排污影響最大。本文研究對(duì)象為賈魯河過(guò)鄭州市段河道，該段河道的主要功能為城市排污，在資料收集和理論研究的基礎(chǔ)上針對(duì)該段排污河道的特點(diǎn)，分析、計(jì)算了該段河道生態(tài)需水量。

2 賈魯河城市河道生態(tài)需水研究

2．1 賈魯河概況

賈魯河是河南省境內(nèi)除黃河以外最長(zhǎng)、流域面積最廣的河流。賈魯河全長(zhǎng)255．8km，發(fā)源于新密市，向東北流經(jīng)鄭州，最終至周口匯入沙潁河。賈魯河是城市的主要排污河道，河道沿程生活污水排放量較大，污染嚴(yán)重，水質(zhì)極差，無(wú)法滿(mǎn)足灌溉、景觀等用水需求。綜合分析河道來(lái)水，流域內(nèi)降雨量較少，支流、干流上有大量排污口向河道內(nèi)排泄生活污水，在自然條件下無(wú)多余來(lái)水?？紤]河道上游有尖崗水庫(kù)，水庫(kù)可以通過(guò)下泄基流的方式為下游河道提供生態(tài)用水。賈魯河河道作為排污河道，基本沒(méi)有河道攜沙問(wèn)題；河道內(nèi)動(dòng)植物稀少，動(dòng)植物生態(tài)需水可忽略不計(jì)；因此賈魯河城市河道生態(tài)需水量主要由稀釋生活污水所需水量和河道蒸發(fā)量?jī)刹糠纸M成。

2．2 河道生態(tài)需水量分析

2．2．1 排污量及污染物指標(biāo)

針對(duì)排污河道的生態(tài)需水量計(jì)算，首先，應(yīng)該明確河道內(nèi)總排污量，河道內(nèi)總排污量由河段自身排污量、支流排污量和沿程入?yún)R河流的排污量組成，賈魯河支流為賈魯支河，沿程入?yún)R河流有索須河、七里河、潮河、熊耳河、金水河、東風(fēng)渠等，以上河流均設(shè)有不同數(shù)目的排污口，對(duì)其排污口數(shù)和排污量進(jìn)行整理，結(jié)果見(jiàn)表1；其次，應(yīng)明確污染物指標(biāo)，污染物指標(biāo)是影響水體水質(zhì)的控制因素，水體根據(jù)水中污染物濃度分為I－V類(lèi)，污染物濃度超過(guò)V類(lèi)水的為劣V類(lèi)。由于生活污水污染物濃度遠(yuǎn)超V類(lèi)水，因此生活污水屬劣V類(lèi)水，水庫(kù)引水為II類(lèi)水，擬定稀釋后河道內(nèi)為IV類(lèi)水。水中污染物指標(biāo)對(duì)水質(zhì)影響最大的是化學(xué)需氧量（COD）和氨氮（NH3－N）。對(duì)各類(lèi)水的水質(zhì)及污染物濃度進(jìn)行整理，結(jié)果見(jiàn)表2。

表1 賈魯河河道排污表

表2 水體污染物指標(biāo)濃度 mg／L

2．2．2 河道生態(tài)需水量

研究表明影響水質(zhì)的最主要因素是COD濃度。因此選取COD為主要控制污染物，計(jì)算河道生態(tài)需水量。在一定時(shí)間段內(nèi)排入河道內(nèi)的COD總量為生活污水中COD總量和降雨帶入河道內(nèi)的COD總量。其中，生活污水COD總量由生活污水總量乘以生活污水COD濃度得出，降雨COD總量采用美國(guó)Schueler在1987年美國(guó)NURP（國(guó)家城市徑流污染物研究計(jì)劃）中開(kāi)發(fā)的一種計(jì)算模型［13］。

式中：Lt為t時(shí)段內(nèi)徑流排污量，kg；CF為用于對(duì)不產(chǎn)生地表徑流的降雨進(jìn)行校正的因子（產(chǎn)生徑流的降雨事件占總降雨事件比例），一般取為0．9；φ為徑流區(qū)平均徑流系數(shù)；A為徑流集雨面積，hm2；P為t時(shí)段的降雨量，mm；C為污染物的徑流加權(quán)平均質(zhì)量濃度，mg／L；0．01為單位換算因子；I為地表不透水率。

在計(jì)算生態(tài)需水量時(shí)，選取一個(gè)月時(shí)間為計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)，按照以下公式，計(jì)算不同月份的生態(tài)需水量。

式中：Q為河道生態(tài)需水量，m3／s；Qe為水面蒸發(fā)量，m3／s；Q1為尖崗水庫(kù)引水量，m3／s；E為蒸發(fā)量，mm；A為河道水面面積，m2；Q2為月平均排入河道的生活污水量，m3／s；Q3為月平均排入河道的降雨地表徑流量，m3／s；C0為目標(biāo)水COD質(zhì)量濃度，mg／L；C1為引水COD質(zhì)量濃度，mg／L；C2為生活污水COD質(zhì)量濃度，mg／L；C3為降雨地表徑流COD質(zhì)量濃度，mg／L。

取1951—2008年月平均降雨、蒸發(fā)資料對(duì)賈魯河河道生態(tài)需水量進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 賈魯河河道生態(tài)需水量

由表3可以看出，生態(tài)需水量隨月份有所變化，1月最小為1．25m3／s，4月最大為2．57m3／s，其余月份多在1．70～2．00m3／s范圍內(nèi)，年平均生態(tài)需水量為1．85m3／s。雖然需水量在年際內(nèi)總體變化不大，但仍可以看出，4月至9月需水量偏高，10月至3月需水量偏低。綜合分析其原因：4月至9月雖降雨量較大，但溫度偏高，蒸發(fā)量及排污量較大，生態(tài)需水量較大；反之，10月至3月降雨較少，徑流量小匯入的排污量較少，溫度較低，蒸發(fā)量小，生態(tài)需水量較小。由此可看出影響城市排污河道生態(tài)需水量的主要因素有：排污量、蒸發(fā)量以及地表徑流量。

3 結(jié) 論

城市河道生態(tài)需水量的研究至今為止還沒(méi)有一套相對(duì)完整、成熟的體系。本文針對(duì)城市排污河道的特性，首先對(duì)河道來(lái)水進(jìn)行分析，制定了由水庫(kù)引水提供河道生態(tài)用水，改善河道生態(tài)環(huán)境的方案。而后對(duì)河道內(nèi)污水的來(lái)源進(jìn)行了分析，明確了污水主要為排入河道內(nèi)的生活污水和由降雨徑流帶入河道內(nèi)的污水，并以COD濃度為控制條件，計(jì)算了該段河道的生態(tài)需水量。最終得出：河道生態(tài)需水量隨月份有所變化，但總體變化不大；影響城市排污河道生態(tài)需水量的主要因素是排污量、蒸發(fā)量以及地表徑流量。

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