城市生態(tài)環(huán)境需水量計算方法與應(yīng)用

胡東起 徐 慧

(1．中電建水環(huán)境治理技術(shù)有限公司， 廣東 深圳 518107； 2．河海大學(xué) 水文水資源學(xué)院， 南京 210098)

城鎮(zhèn)化發(fā)展使得生態(tài)環(huán)境日益惡化，水資源與生態(tài)環(huán)境矛盾突出，合理計算城市生態(tài)環(huán)境需水量，優(yōu)化水資源配置是緩解二者矛盾的基礎(chǔ)性工作．城鎮(zhèn)化過程中，以經(jīng)濟發(fā)展為核心開發(fā)利用水資源的指導(dǎo)理念，導(dǎo)致城市水資源配置利用側(cè)重功利性用水忽略生態(tài)環(huán)境用水，致使城市水問題突出，體現(xiàn)為城市河湖水質(zhì)惡劣、面積萎縮，植被結(jié)構(gòu)簡單、群落系統(tǒng)退化，城市景觀破碎化、地下水漏斗嚴重等．生態(tài)環(huán)境需水量作為水資源配置中必須考慮的重要一環(huán)，已成為水資源與生態(tài)環(huán)境研究領(lǐng)域中的熱點．

早期人們用水質(zhì)、水量和水面來表征城市環(huán)境用水，具體指城市河湖用水、綠化用水和污水稀釋用水等[1-3]，主要針對于城市中的單一生態(tài)系統(tǒng)類型，而城市生態(tài)環(huán)境需水量的綜合性研究卻處于起步階段．田英等以黃淮海地區(qū)為例，對城市生態(tài)環(huán)境需水量的概念、類別及其計算方法進行了定義與運用[4]；楊志峰等以降水量和水資源量為出發(fā)點，建立了城市生態(tài)環(huán)境需水量的方法體系[5]．但研究均存在：概念與內(nèi)涵尚不明確；缺乏生態(tài)環(huán)境需水本質(zhì)水分——生態(tài)環(huán)境相互影響關(guān)系的研究，生態(tài)合理性不強；研究工作多從水資源人為配置出發(fā)，較少考慮城市生態(tài)系統(tǒng)自身對水量和水質(zhì)的需求；較多考慮水量的多少，忽略水質(zhì)的要求．目前，城市生態(tài)環(huán)境需水量的概念、內(nèi)涵、計算方法尚未得到統(tǒng)一的認知，有必要對其進行深入研究，完善其計算方法體系，以期為城市水資源的科學(xué)合理配置提供理論支持．

1 城市生態(tài)環(huán)境需水量內(nèi)涵、特征與類型

1.1 內(nèi)涵與特征

城市生態(tài)環(huán)境需水量針對城市自然生態(tài)系統(tǒng)而言，是在一定的人為控制下，由城市自然生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)狀態(tài)和生態(tài)過程所決定．其內(nèi)涵有廣義與狹義之分，廣義的城市生態(tài)環(huán)境需水量是維持整個城市生態(tài)系統(tǒng)發(fā)揮正常功能(能量流動、信息交換和物質(zhì)循環(huán))所需的水量[6]，狹義的城市生態(tài)環(huán)境需水量是指在可預(yù)見的時間范圍與經(jīng)濟條件下城市生態(tài)系統(tǒng)用于消耗或置換而需要人工補充的滿足一定標準的水量．兩者對比，狹義的城市生態(tài)環(huán)境需水量對城市水資源配置與管理更具指導(dǎo)作用．

城市生態(tài)系統(tǒng)是以人類生活和生產(chǎn)為中心的包括自然、經(jīng)濟與社會的復(fù)合人工生態(tài)系統(tǒng)[7]．復(fù)合型的人工生態(tài)系統(tǒng)決定了城市生態(tài)環(huán)境需水量受其生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與過程控制同時的人控性特征．城市生態(tài)環(huán)境需水量具有時間性、空間性、閾值性、水質(zhì)水量統(tǒng)一性與人為性相結(jié)合的特點．

1.2 需水量類型

從城市自然生態(tài)系統(tǒng)的類型而言，城市生態(tài)環(huán)境需水量包括城市河湖生態(tài)系統(tǒng)、綠地生態(tài)系統(tǒng)及濕地生態(tài)系統(tǒng)的需水量．

2 城市生態(tài)環(huán)境需水量計算方法

本文從城市自然生態(tài)系統(tǒng)的類型來確定需水量類型．由于城市濕地為少量的河湖岸濱發(fā)育帶或面積較小的人工濕地，實際操作難以區(qū)分，故不予考慮，既城市生態(tài)環(huán)境需水量由城市河流、湖泊及綠地生態(tài)環(huán)境需水量3部分組成．在完整的自然生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)，3個生態(tài)系統(tǒng)相互依存，互為依托，共同發(fā)展．

2.1 城市河道生態(tài)環(huán)境需水量

有學(xué)者認為，在當前及今后的很長時間里，排水、景觀以及娛樂功能將是絕大多數(shù)城市河道的主要生態(tài)功能定位[8]．城市河道主要功能的發(fā)揮須有一個能滿足城市河道生態(tài)環(huán)境功能的基礎(chǔ)流量，該流量將保證城市河流的生態(tài)環(huán)境功能不致喪失[8]．城市河道水量平衡方程為

Wh=Wz+Ws+Wv+Wq(1)

式中，Wh為河流總水量；Wz為河道蒸發(fā)損失量；Ws為河道滲漏損失量；Wv為河道的基礎(chǔ)流量；Wq為可供功利性目的使用的水量[9]．

蒸發(fā)、滲漏不可避免，基礎(chǔ)流量是河流自身存在及景觀娛樂需水的前提，因此，河道生態(tài)環(huán)境需水量Wl應(yīng)為這3部分水量之和：

Wl=Wz+Ws+Wv(2)

依據(jù)健康河流及河流可持續(xù)發(fā)展理論中不以犧牲環(huán)境發(fā)展社會經(jīng)濟的原則，河流生態(tài)環(huán)境需水量應(yīng)優(yōu)于功利性用水量考慮．

河道蒸發(fā)損失量Wz：

(3)

式中，Wz為蒸發(fā)需水量；A為月平均水面面積；P為月平均降水量；E為月平均蒸發(fā)量．

河道滲漏損失量Ws：當河道水位高于地下水位時，重力作用，河水會補給地下水．滲漏損失量按達西定律計算．

河道基礎(chǔ)流量Wv的計算方法可分為以流量為基礎(chǔ)的非現(xiàn)場類型標準設(shè)定法、棲息地保持類型標準設(shè)定法和增量法[10]．本文使用保護水生物棲息地的棲息地保持類型標準設(shè)定法中的濕周法．濕周法基于這樣一種假設(shè)：保護好臨界區(qū)域作為水生生物棲息地的濕周，則非臨界區(qū)域的棲息地也會得到足夠的保護[11]．濕周法的關(guān)鍵在于建立河道濕周與河道流量之間的關(guān)系，可以采取的方法有：①通過多個河道斷面的幾何尺寸-流量關(guān)系的實測數(shù)據(jù)推求．②由某個河道斷面的一系列幾何尺寸-流量數(shù)據(jù)中計算得出，也可以通過曼寧公式間接得出[12]．河道基礎(chǔ)流量推薦值依據(jù)濕周-流量關(guān)系中轉(zhuǎn)折點的位置而確定．

2.2 城市湖泊生態(tài)環(huán)境需水量

保障城市湖泊自身的存在及其基本功能的正常發(fā)揮，城市湖泊生態(tài)環(huán)境需水量包括：①蒸發(fā)需水量W1；②滲漏需水量W2；③自身存在需水量W3；④換水需水量W4；⑤娛樂景觀需水量W5．

2.2.1 湖泊蒸發(fā)需水量

此項需水量包括湖泊水面蒸發(fā)需水量和湖泊水生植物蒸散發(fā)需水量．

湖泊水面蒸發(fā)需水量計算公式同河道水面蒸發(fā)需水量公式(3)．湖泊水生植物蒸散發(fā)需水量：

式中，WP為湖泊水生植物蒸散需水量；t1為計算時段長度；ETm為植物的蒸散發(fā)量[13]．一般城市湖泊水生植物稀少，水生植物蒸散發(fā)需水量可忽略不計．

2.2.2 湖泊滲漏需水量

湖泊滲漏需水量按達西定律計算．一般也可以用研究區(qū)滲漏系數(shù)與湖泊面積的乘積簡化計算．

2.2.3 湖泊自身存在需水量

為保證湖泊維持自身的存在及正常功能的發(fā)揮，要求湖泊具有的最小水深

W3min=Hmin×A(5)

式中，W3min為湖泊存在最小生態(tài)需水量(m3)；Hmin為滿足城市湖泊主要生態(tài)環(huán)境功能和維持湖泊生態(tài)系統(tǒng)各組分穩(wěn)定的最小水位最大值(m)；A為湖泊水面面積(m2)．

2.2.4 湖泊換水需水量

湖泊換水周期指湖泊湖水交換更新一次所需要的時間，是衡量湖泊生態(tài)系統(tǒng)是否可持續(xù)發(fā)展，湖泊水質(zhì)是否良好的重要指標．湖泊換水周期公式如下：

T=W/Qt(6)

T=W/Wq(7)

式中，T為湖泊換水周期(d)；W為湖泊多年平均蓄水量(108m3)；Qt為多年平均出湖流量(m3/s)；Wq為多年平均出湖水量(108m3)．

湖泊換水需水量W4：

W4=W/T(8)

當W取湖泊枯水期的出湖水量，T為換水周期，則W4為湖泊的最小生態(tài)需水量．

2.2.5 娛樂景觀需水量

城市湖泊娛樂景觀需水量非實際耗水量，主要考慮在湖泊自身存在的基礎(chǔ)上，滿足景觀、娛樂的要求，起到校核的作用．因此湖泊生態(tài)環(huán)境需水量Ws：

Ws=W1+W2W+W4+max(W3，W5)：(9)

2.3 城市綠地生態(tài)環(huán)境需水量

城市綠地生態(tài)環(huán)境需水量一般包括植被蒸散發(fā)需水量、植被生長需水量、維持植被生長的土壤含水量．

植被蒸散發(fā)需水量Wge：

(10)

式中，Ai為第i種綠化植被的面積(m2)；Epi為第i種綠化植被的植被蒸散量(mm/a)；n為植物種類數(shù)．

在不需要精確計算時，可簡化為下式：

Wge=AgEp(11)

式中，Ag為城市綠化植被總面積(m2)；Ep為典型植物的植物蒸散發(fā)量(mm/a)．

研究表明，植被制造有機物和植被蒸散量的比例大約為1∶99[14]，植被生長需水量Wgp為：

Wgp=Wge/99(12)

維持植被生長的土壤含水量Wgs：

Wgs=Aghρξ(13)

式中，h為土壤深度(m)；ρ為土壤的密度(g/cm3)；ξ為土壤含水量系數(shù)(%)．

城市綠地生態(tài)環(huán)境總需水量Wg：

Wg=Wge+Wgp+Wgs(14)

城市綠地具有需要人工灌溉的特點，依此特點可用定額法進行簡化計算：

Wg=φ×Ag(15)

式中，φ為城市綠地需水定額[m3/(a·m2)]，Ag為城市綠地總面積．

綜上所述城市生態(tài)環(huán)境總需水量為城市河湖及綠地生態(tài)環(huán)境需水量之和，計算公式如下：

W=Wl+Ws+Wg(16)

2.4 水質(zhì)水量模型

水量和水質(zhì)是生態(tài)環(huán)境需水的兩個屬性，上文計算滿足了生態(tài)環(huán)境需水量"量"的要求，"質(zhì)"的保障也是生態(tài)環(huán)境需水量的重要組成部分．通過建立水質(zhì)水量模型研究區(qū)域水質(zhì)狀況及分析引調(diào)水及截污工程等治水工程的水質(zhì)改善效果，更好的達到水質(zhì)標準．水質(zhì)水量模型可模擬在水動力、污染源變化的情況下水量水質(zhì)的變化情況．

2.4.1 水量模型基本方程

以質(zhì)量和動量守恒定律為基礎(chǔ)，建立圣維南方程組

(17)

式中，Q為流量(m2)；x為沿水流方向距離(m)；Z為水位(m)；BT為調(diào)蓄寬度，指包括灘地在內(nèi)的全部河寬(m)；t為時間(s)；K為流量模數(shù)(1/s)；q為單位河長旁側(cè)入流(m2/s)；A為主槽過水斷面面積(m2)；g為重力加速度(m/s2)．

2.4.2 水質(zhì)模型基本方程

河道方程：

(19)

河道叉點方程：

(20)

式中，A是河道面積(m2)；Ex是縱向分散系數(shù)(cm2/s)；C是水流輸送的物質(zhì)濃度(mg/L)；jj是節(jié)點編號；I是與節(jié)點j相聯(lián)接的河道編號；sc是與輸送物質(zhì)濃度有關(guān)的衰減項，例如可寫為sc=KdAC；Kd是衰減因子；S是外部的源或匯項；Ω是河道叉點的水面面積．

3 計算實例

常熟市位于太湖流域下游，境內(nèi)湖蕩密布，河港交織，總面積1 264.39 km2，城區(qū)面積約163.48 km2．常熟氣候為北亞熱帶季風(fēng)氣候，氣候溫和，雨量充沛．根據(jù)常熟水文站1956～2002年的雨量數(shù)據(jù)，多年平均降雨量為1 052.7 mm，楓橋站數(shù)據(jù)，多年平均水面蒸發(fā)量為927.1 mm．常熟市水資源包括地表徑流量、降雨入滲補給量和長江側(cè)向補給量，多年平均水資源總量為55 147.3萬m3．城區(qū)水系由放射形河道和環(huán)狀河道組成，環(huán)形河有環(huán)城河、護城河和東環(huán)河3條，放射形河道有南福山塘、橫涇塘、青墩塘、元和塘、海洋涇、太平港、常滸河、耿涇、白茆塘、山前塘和辛安塘11條河道．常熟城區(qū)湖泊有尚湖、琴湖；昆承湖大部分水域不在城區(qū)，不做計算．尚湖屬望虞河水系，為封閉式湖泊，湖區(qū)水域面積7.47 km2，平均水深2 m．琴湖地處常熟城區(qū)東南部，湖泊面積約為0.5 km2，是城市建成區(qū)水域面積最大的自然湖泊．常熟主城區(qū)綠化總面積11.88 km2．

3.1 常熟市城區(qū)生態(tài)環(huán)境需水量計算

參考蘇州市拓展河流基本情況清查表中的數(shù)據(jù)，常熟城區(qū)河道底高程范圍在-0.5～0.5 m(吳淞高程)之間，河道縱比降為10萬分之一，邊坡系數(shù)為1∶2．利用濕周法計算市區(qū)內(nèi)14條主要河道的基礎(chǔ)流量，由曼寧公式和謝才公式推導(dǎo)等腰梯形濕周P與流量Q之間的關(guān)系：

(21)

濕周與流量有著非常復(fù)雜的關(guān)系，為了求出濕周-流量關(guān)系的臨界值，采用對數(shù)函數(shù)來擬合濕周-流量的關(guān)系．確定了濕周-流量關(guān)系以后，尋找濕周與流量關(guān)系的突變點，在突變點之上，流量的增加只能引起濕周較小的增大，并且第一個突變點對應(yīng)的流量即為河道基礎(chǔ)流量，基礎(chǔ)流量總計183 494萬m3．常熟多年年平均降水量大于年平均蒸發(fā)量，河湖年蒸發(fā)需水量為零，個別月份會有差別．常熟屬平原河網(wǎng)地區(qū)，降水充足，土壤常年處于飽和狀態(tài)，地下水位較高，可不考慮滲漏需水；依據(jù)當?shù)厮参锴闆r調(diào)查，確定市區(qū)尚湖和琴湖的最小水深分別為1 m和0.8 m，湖泊自身存在需水量共806萬m3．湖泊換水周期為1.25年，換水需水量為629萬m3．常熟綠地生態(tài)環(huán)境需水量采用面積定額法計算，參考當?shù)刭Y料，按每平方米綠地每月用水2 L估算，常熟城區(qū)綠地生態(tài)環(huán)境需水量為28.5萬m3．用于消耗或者置換的河湖蒸發(fā)需水量、湖泊換水需水量和綠地蒸散發(fā)生態(tài)環(huán)境需水量總計657.5萬m3．常熟市城區(qū)生態(tài)環(huán)境需水量計算結(jié)果見表1．

表1 常熟市城區(qū)生態(tài)環(huán)境需水量

3.2 常熟市城區(qū)水質(zhì)水量模型

參考常熟市水功能區(qū)的水質(zhì)標準，選取CODMn和NH3-N為水質(zhì)指標，按照水功能區(qū)標準，城區(qū)各河道生態(tài)需水標準為Ⅳ類，即CODMn和NH3-N的限值分別為10mg/L和1.5mg/L，河道本身CODMN濃度較低，滿足生態(tài)需水的要求，大部分斷面NH3-N的濃度高，不滿足生態(tài)需水的要求．運用常熟市水利普查中的河道參數(shù)數(shù)據(jù)建立模型所需的河網(wǎng)文件和斷面文件，利用常熟地區(qū)野外原型調(diào)水試驗中城區(qū)斷面(見圖1)的實測水位、水量和水質(zhì)數(shù)據(jù)建立模型所需的邊界條件．

圖1 檢測斷面位置圖

所建水量水質(zhì)模型需要率定與驗證的參數(shù)有河床糙率系數(shù)和水質(zhì)指標的降解系數(shù)．率定河道糙率時采用試錯法，率定結(jié)果為：糙率系數(shù)n=0.01～0.03．監(jiān)測斷面實測、計算流量的比較見圖2．水質(zhì)模型參數(shù)進行參數(shù)估計驗證，CODMn降解系數(shù)率定驗證結(jié)果為0.08～0.15/d，NH3-N降解系數(shù)為0.08～0.2/d．監(jiān)測斷面水質(zhì)變化過程計算結(jié)果與實測結(jié)果的比較見圖3．通過分析可以看出，各監(jiān)測斷面模型計算與實測流量、水質(zhì)變化過程較為吻合，滿足精度要求．模型模擬計算在常熟市城區(qū)廢水污水納管截污后城區(qū)水環(huán)境的改變以及采用從海洋涇引20 m3/s、30 m3/s、40 m3/s補水流量對城區(qū)河道水質(zhì)的改善效果．兩種情況下CODMn、NH3-N的計算值(取部分代表斷面值)見圖4．

圖2 流量監(jiān)測與計算值對比圖

圖3 CODMN、NH3-N監(jiān)測與計算值對比圖

圖4 在截污和引水情況下CODMN、NH3-N的改善效果圖

全面截污后下，河道CODMn、NH3-N平均改善值分別為2.83 mg/L和3.34 mg/L，改善幅度分別為66.7%和64.5%．從海洋涇補水20 m3/s、30 m3/s、40 m3/s流量時，CODMn改善程度分別為30.3%、35.1%、42%；河道內(nèi)NH3-N濃度超標嚴重，從海洋涇補水20 m3/s、30 m3/s、40 m3/s的流量時，NH3-N改善程度分別為19.7%、28%、36.7%．兩種措施對于水質(zhì)改善效果顯著，但部分NH3-N依然未達標，應(yīng)實現(xiàn)截污與引水相結(jié)合實現(xiàn)水質(zhì)改善．

4 結(jié) 語

本文從城市生態(tài)環(huán)境需水的內(nèi)涵、特征、分類及水質(zhì)水量相結(jié)合出發(fā)，得出了城市生態(tài)環(huán)境需水量計算體系．以常熟市城區(qū)為例，計算該市城區(qū)生態(tài)環(huán)境需水量約為18.5億m3，其中用于消耗或者置換的河湖蒸發(fā)需水量、湖泊換水需水量和綠地蒸散發(fā)生態(tài)需水量總計657.5萬m3，并通過常熟市水質(zhì)水量模型，研究了常熟市水質(zhì)現(xiàn)狀及在不同補水流量和全面截污下水環(huán)境的改善效果，從水量需求和水質(zhì)保障兩方面，研究了常熟市城區(qū)的生態(tài)環(huán)境需水量．為常熟市水資源配置做出基礎(chǔ)性指導(dǎo)作用，以實現(xiàn)常熟市生態(tài)環(huán)境保護與經(jīng)濟發(fā)展相協(xié)調(diào)，走水資源可持續(xù)發(fā)展之路．

[1] Kate B S． Water scarcity and urban Africa： an overview of urban-rural water linkages[J]． World Development，2002，30(4)：621-648．

[2] Frederiksen H D． Water crisis in developing world： misconceptions about solutions[J]． J. Water Resource. Planning Managemte，1996，122(2)：79-87．

[3] Robert R G，Jayne B B，Jurgen S，et al． Effects of urbanization on the aquatic fauna of the Line Creek watershed Atlanta-a satellite perspective[J]． Remote Sensing of Environment，2003，86(3)：411-422．

[4] 田 英，楊志峰，劉靜玲，等．城市生態(tài)環(huán)境需水量研究[J]．環(huán)境科學(xué)學(xué)報，2003，23(1)：100-106．

[5] 姜翠玲，范曉秋．城市生態(tài)環(huán)境需水量的計算方法[J]．河海大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)，2004，32(1)：14-17．

[6] 馬世駿．社會-經(jīng)濟-自然復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)[J]．生態(tài)學(xué)報，1984，4(1)：1-9．

[7] 曾維華，宋其龍，陳榮昌．城市河道生態(tài)環(huán)境需水研究——以湖南省常德市穿紫河為例[J]．生態(tài)環(huán)境，2004，13(4)：528-531．

[8] 司全印，冉新權(quán)，周孝德，等．區(qū)域水污染控制與生態(tài)環(huán)境保護研究[M]．北京：中國環(huán)境科學(xué)出版社，2000：60-63．

[9] 倪深海，崔廣柏．河道生態(tài)環(huán)境需水計算[J]．人民黃河，2002，24(9)：37-38．

[10] 于龍娟，夏自強，杜曉舜．最小生態(tài)徑流的內(nèi)涵及計算方法研究[J]．河海大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)，2004，32(1)：18-22．

[11] Lamb B L． Quantifying instream flows： matching policy and technology[M]． Instream Flow Protection in the West． Covelo，CA，Island Press，1989：23-39．

[12] 吉利娜，劉蘇峽，王新春．濕周法估算河道內(nèi)最小生態(tài)需水量——以灤河水系為例[J]．地理科學(xué)進展，2010，29(3)：287-291．

[13] 肖 芳，劉靜玲，楊志峰．城市湖泊生態(tài)環(huán)境需水量計算——以北京市六海為例[J]．水科學(xué)進展，2004，15(6)：781-786．

[14] 楊志峰，崔保山，劉靜玲，等．生態(tài)環(huán)境需水量理論、方法與實踐[M]．北京：科學(xué)出版社，2003，12(2)：103．