基于不同保護(hù)目標(biāo)的河道內(nèi)生態(tài)需水量分析
——以琉璃河濕地為例

李詠紅，劉 旭,3,*，李盼盼，陳利頂，朱慶平，王 彤

1 北京東方園林環(huán)境股份有限公司,北京 100015 2 湖泊水污染治理與生態(tài)修復(fù)技術(shù)國家工程實(shí)驗(yàn)室,北京 100015 3 清華大學(xué)環(huán)境學(xué)院,北京 100084 4 中國科學(xué)院生態(tài)環(huán)境研究中心 城市與區(qū)域生態(tài)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 北京 100085

河道內(nèi)生態(tài)需水量是河道內(nèi)、漫灘內(nèi)用以維護(hù)河道生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定的水量,對于改善水質(zhì)、協(xié)調(diào)生態(tài)系統(tǒng)、回補(bǔ)地下水、美化環(huán)境等具有重要作用[1- 3]。生態(tài)需水量的研究是合理配置水資源、實(shí)現(xiàn)水資源可持續(xù)利用的基礎(chǔ)[4]。關(guān)于生態(tài)需水量的研究可追溯到20世紀(jì)40年代,美國漁業(yè)與野生動物保護(hù)組織規(guī)定了河流最小生態(tài)流量[5-6],60—70年代,一些研究者提出了用河道內(nèi)歷年流量來確定自然和景觀河流基本流量的方法,80年代,隨著美國在流域的開發(fā)和探索,初步形成了生態(tài)需水量的理論,并提出了生態(tài)需水量計(jì)算的方法[7-10]。我國在80—90年代,為了解決河流斷流、污染問題,一些專家開始對河道在水資源配置中考慮生態(tài)需水量,但在實(shí)施、管理應(yīng)用中仍處于探索階段[4]。目前,生態(tài)需水量國內(nèi)外未形成統(tǒng)一的定義,出現(xiàn)了諸如環(huán)境需水、生態(tài)用水等相互聯(lián)系、但又各有區(qū)別的概念[11-12]。在生態(tài)需水量包含的項(xiàng)目方面,仍未有統(tǒng)一的定論,一般認(rèn)為河道內(nèi)生態(tài)需水量主要包括:河道棲息地需水量;維持河流輸沙平衡的最小流動水量;改善水環(huán)境質(zhì)量的最小稀釋凈化水量;河道滲透、蒸發(fā)水量;土壤儲水量;景觀需水量;航運(yùn)需水量[13-18]。

本文認(rèn)為生態(tài)需水量是維持河道正常生態(tài)系統(tǒng)所需的需水量,環(huán)境需水量是改善水環(huán)境使之符合水質(zhì)目標(biāo)同時能維持河道正常生態(tài)系統(tǒng)的水量。目前,關(guān)于生態(tài)需水量的研究主要集中在生態(tài)需水量理論模型、計(jì)算方法等方面,對于區(qū)分環(huán)境需水量和生態(tài)需水量的研究極少。本文在不同階段不同保護(hù)目標(biāo)下的同一工程項(xiàng)目,運(yùn)用兩種計(jì)算方法,使計(jì)算結(jié)果更符合工程實(shí)際。研究不同目標(biāo)下環(huán)境需水量和生態(tài)需水量的變化對于河道水資源可持續(xù)利用意義重大,也是未來河道生態(tài)水文的重要研究方向。

北京市屬于水資源緊缺型城市,近年來水資源供需矛盾、河流生態(tài)環(huán)境問題日益嚴(yán)重。河道內(nèi)生態(tài)需水量研究對于節(jié)約水資源、提高水資源利用效率、控制河道污染、提高河道生態(tài)環(huán)境具有重要實(shí)用價值。研究區(qū)位于北京市房山區(qū),該區(qū)內(nèi)琉璃河河道萎縮,兩岸居民區(qū)及工業(yè)區(qū)污水直排入河,污染嚴(yán)重。研究區(qū)內(nèi),由于市政管線鋪設(shè)、污水廠建設(shè)等不能與琉璃河項(xiàng)目同時完工,因此在項(xiàng)目運(yùn)營前期,琉璃河內(nèi)仍有污水排入,項(xiàng)目以消納污水、水質(zhì)達(dá)標(biāo)為主,后期污水配套設(shè)施完工后,以生態(tài)修復(fù)及維系為目標(biāo)。本文擬以截污完成前和截污完成后的生態(tài)需水量為研究目標(biāo),定義了環(huán)境需水量、生態(tài)需水量兩種概念。環(huán)境需水量是計(jì)算在有污水排入時,為維持水質(zhì)目標(biāo)而所需的水量,生態(tài)需水量是計(jì)算無外源污染排入時,河道基本的生態(tài)環(huán)境需水量。本文首次在同一工程中對環(huán)境需水量、生態(tài)需水量兩個值進(jìn)行計(jì)算,創(chuàng)新性的將兩個概念對比,對其他類似工程具有一定的指導(dǎo)意義。

1 研究區(qū)概況

北京琉璃河濕地公園位于北京市房山區(qū)琉璃河鎮(zhèn),總面積528.58 hm2,涉及房山區(qū)大石河及其支溝白草洼溝等多條水系。項(xiàng)目區(qū)位于大石河下游,自琉璃河鎮(zhèn)邊界至興禮橋長約10.6 km(圖1)。

圖1 研究區(qū)位置圖Fig.1 Location of the project

房山區(qū)屬暖溫帶半濕潤大陸性氣候,四季分明。全區(qū)多年平均降水量590 mm,其中山區(qū)為595 mm,平原區(qū)578 mm;多年平均氣溫12.1℃,多年平均降水量590 mm,降水年際變化大,年最大降水量為1069.2 mm(1956年),年最小降水量為316.2 mm(1965年)。降水年內(nèi)分布不均,多集中在6—9月份。多年平均蒸發(fā)量1080—1140 mm。

由于人類不合理的開發(fā)利用,城市及人口規(guī)模擴(kuò)張加快,造成了水資源短缺,河道萎縮,洪澇災(zāi)害頻發(fā),水體污染嚴(yán)重。現(xiàn)狀區(qū)域內(nèi)為麥田、藕塘、林地等。在《京津冀地區(qū)生態(tài)環(huán)境保護(hù)整體方案》中,重點(diǎn)保護(hù)首都及周邊地區(qū)生態(tài)等原則,確定了琉璃河濕地工程建設(shè)的必要性。房山區(qū)可依托琉璃河濕地工程提升河槽防洪標(biāo)準(zhǔn),滿足下游河道防洪要求,改善生態(tài)環(huán)境。

圖2 琉璃河補(bǔ)水水源示意圖Fig.2 Water source of Liuli river

琉璃河濕地目標(biāo)水質(zhì)為地表Ⅲ類水,常規(guī)補(bǔ)水水源如圖2所示:為城關(guān)鎮(zhèn)再生水廠、韓村河鎮(zhèn)再生水廠、竇店工業(yè)基地再生水廠、琉璃河再生水廠。補(bǔ)水水源出水水質(zhì)為一級A,經(jīng)河邊濕地處理后,水質(zhì)可滿足地表Ⅲ類水要求,用以補(bǔ)充琉璃河。本工程涉及大石河段來水主要為上游周口店河、夾括河、竇店白草洼溝污水。

2 研究方法

2.1 生態(tài)需水概念

對于河道而言,生態(tài)需水量是維持其正常生態(tài)系統(tǒng)平衡穩(wěn)定所需的水量,其值有一個閾值范圍,超過其上限或者下限均會對生態(tài)系統(tǒng)造成破壞[19]。本文研究的是河道生態(tài)需水的最小值,其值并不是簡單的各項(xiàng)加和,應(yīng)根據(jù)各項(xiàng)之間相互關(guān)系來確定[20]。本文將河道生態(tài)需水量分為關(guān)聯(lián)因素Q1和必須因素Q2、Q3、Q4。關(guān)聯(lián)因素Q1是指的作用有交叉重合的因素,Q1包含河道棲息地需水量;維持河流輸沙平衡的最小流動水量;改善江河水環(huán)境質(zhì)量的最小稀釋凈化水量;景觀需水量;航運(yùn)需水量。必須因素如Q2為河道滲透水量、Q3為蒸發(fā)水量、Q4為土壤儲水量。

生態(tài)需水量的內(nèi)涵包括水量和水質(zhì)雙重含義[21],崔保山等認(rèn)為可分為生態(tài)需水量和環(huán)境需水量兩部分[22]。環(huán)境需水側(cè)重于環(huán)境方面,是為了解決水污染、保護(hù)水環(huán)境所需要的水量[23]。生態(tài)需水量側(cè)重于生態(tài)方面,主要是解決生物群落所消耗的水量。雖然生態(tài)需水與環(huán)境需水兩者之間存在著交叉與重合的部分,但從目標(biāo)上講兩個使用方向不同的。本文按照其側(cè)重不同將其做如下區(qū)分:

環(huán)境需水量的Q1中含有稀釋凈化水量,不含生物棲息地需水量;

生態(tài)需水量的Q1中含有生物棲息地需水量,不含稀釋凈化水量;

本文以北京市房山區(qū)琉璃河濕地公園為例,分別計(jì)算以排污為主的河道環(huán)境需水量,以生態(tài)系統(tǒng)構(gòu)建為主的河道生態(tài)需水量。

2.2 生態(tài)需水量計(jì)算

(1)環(huán)境需水計(jì)算方法

環(huán)境需水量可以定義為在一定的污染負(fù)荷水平下河流水質(zhì)達(dá)到環(huán)境功能要求和相應(yīng)的水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)所需的最小流量[24]。河道最小環(huán)境需水量要滿足的環(huán)境功能主要包括兩個:保持水體一定的稀釋能力,保持水體一定的自凈能力[25]。環(huán)境需水量計(jì)算方法主要有:7Q10法、水質(zhì)目標(biāo)法[26]、穩(wěn)態(tài)水質(zhì)模型法[26]等。本文認(rèn)為環(huán)境需水計(jì)算方法為:

河道內(nèi)環(huán)境需水=Q1+Q2+Q3+Q4

式中,Q1:關(guān)聯(lián)因素水量(萬m3),Q2:河道滲透水量(萬m3),Q3:蒸發(fā)水量(萬m3),Q4:土壤儲水量(萬m3)。

河道水質(zhì)應(yīng)從控制污染源入手,不能依靠增加生態(tài)用水實(shí)現(xiàn)[27],由于項(xiàng)目的兩側(cè)的污水排放點(diǎn)需進(jìn)行污水管道鋪設(shè)后排入污水廠,污水廠開始運(yùn)行時間晚于琉璃河完工時間,故在項(xiàng)目初期需要考慮兩側(cè)污水的排入后凈化水質(zhì)所需的水量,待琉璃河兩側(cè)污水截污工作完成后,可不考慮此水量。

(2)生態(tài)需水量計(jì)算方法

生態(tài)需水量指維護(hù)生態(tài)系統(tǒng)正常結(jié)構(gòu)、功能與完整性所需要的水分,強(qiáng)調(diào)的是滿足不同生態(tài)環(huán)境體系,維持其正常生態(tài)體系健康的基本水量需求[13]。根據(jù)研究表明河道內(nèi)水生生物棲息地需水量計(jì)算方法主要方法有:濕周法、R2cross法、增量法[28]、組合法、生境模擬法[29]。本文認(rèn)為生態(tài)需水計(jì)算方法為:

河道內(nèi)生態(tài)需水=Q1+Q2+Q3+Q4

2.3 數(shù)據(jù)計(jì)算方法

(1)景觀娛樂水量

目前對保持景觀水量和水上娛樂功能所需的水面面積及流量等需水量計(jì)算方法還沒有統(tǒng)一的計(jì)算方法和標(biāo)準(zhǔn)。在我國部分城市進(jìn)行規(guī)劃時,常采用人均水面面積指標(biāo)來衡量和確定維持景觀、娛樂的水面面積和景觀需水量。

本項(xiàng)目中為滿足景觀需要,在河道樁號25+000處(興禮橋上游100 m)修建氣盾壩,壩高3.5 m,邊坡坡度為1∶3,河底寬度70 m。河道內(nèi)景觀蓄水量采用槽蓄法計(jì)算:

Ai=3hi+70hi

式中,Wq:琉璃河主河槽蓄水量(萬m3),i:河段序數(shù),Li:第i個河段的長度(m),Ai:第i個河段距上游li米處的截面積(m2),li:第i個河段距上游li米處的長度(m),ΔHi:第i個河段上下游水位差(m),hi:第i個河段距上游li米處的深度(m),Hi,上:第i個河段上游起始處的深度(m),Hi,下:第i個河段下游終止處的深度(m)。

(2)維持河流輸沙平衡的最小流動水量

根據(jù)《北京市水文年鑒(2012年)》,大石河年平均輸沙率7.71 kg/s,其中汛期輸砂率30.3 kg/s,非汛期輸沙率0 kg/s。琉璃河位于房山區(qū)大石河下游段,無實(shí)測泥沙資料。根據(jù)實(shí)地調(diào)查分析,上游、中游大石河泥沙含量較高,項(xiàng)目區(qū)段河道來沙量較低。項(xiàng)目河道內(nèi)對原有河道進(jìn)行拓寬,河底重新翻新,且補(bǔ)水水源為再生水,不考慮河道輸沙的水量。

(3)改善水環(huán)境質(zhì)量的最小凈化水量

由于7Q10法、水質(zhì)目標(biāo)法未考慮河道自凈能力,僅考慮河道稀釋作用,穩(wěn)態(tài)水質(zhì)模型法對于排污口概化問題尚不清晰,故本文采用水域納污能力法計(jì)算。在計(jì)算最小凈化需水量時,考慮到河道的稀釋及自凈作用,根據(jù)《全國水環(huán)境容量核定技術(shù)指南》,河道環(huán)境容量計(jì)算公式為:

R=86.4QCS-C0+0.001KVCS

式中,R:環(huán)境容量(kg/d),Q:河道流量(m3/s),CS:水質(zhì)目標(biāo)濃度(mg/L),C0:上方河段水質(zhì)現(xiàn)狀斷面濃度(mg/L),K:污染物的降解系數(shù)(/d),V:蓄水量(m3)。

計(jì)算河道最小凈化需水量,環(huán)境容量R等于排入河道污水負(fù)荷,即:

R=0.001C污水×Q污水

C污水為進(jìn)入河道的污水濃度,mg/L

Q污水為進(jìn)入河道的污水流量,m3/d

可得:

V為槽蓄量,即:

V=最小凈化需水量+污水排入量

可得:

最小凈化需水量=V-污水排入量

(4)土壤儲水量

土壤儲水量主要受土壤含水量、土壤層厚度和濕地土壤面積影響,可采用土壤重量含水量計(jì)算土壤儲水量:

Ws=γ×αs×H1×A1+γ×αF×H2×A2/ρ

式中,Ws:河道內(nèi)的土壤儲水量(萬m3),γ:土壤容重(g/cm3),ρ:水的密度(g/cm3),αs:土壤達(dá)到飽和含水量時對應(yīng)的重量百分比含水量(%),αF:土壤達(dá)到田間持水量時對應(yīng)的重量百分比含水量(%),H1:水面的土壤層厚度(m),H2:河道內(nèi)非水面區(qū)域的土壤層厚度(m),A1:河道內(nèi)水面面積(hm2),A2:河道內(nèi)非水面區(qū)域面積(hm2)。

(5)河道內(nèi)水面蒸發(fā)需水量

河道蒸發(fā)量由下式計(jì)算:

We=∑AT

式中,We:水體蒸發(fā)量(萬m3),A:水面面積(hm2),T:平均水面蒸發(fā)量(m)。

(6)滲透需水量

考慮補(bǔ)水水源選取再生水,為更好保護(hù)地下水及景觀蓄水,采取減滲措施降低滲漏量。

Qs=365×ks×A

式中,Qs:滲透量(萬m3),ks:滲透系數(shù)(m/s),A:滲透剖面面積(hm2)。

(7)生物的棲息地需水量

水生生物的棲息地主要是由水面、沼澤植被等組成的,提供給魚類、鳥類等繁殖場所、及生存所需的水量[30]。生物棲息地需水量就是根據(jù)不同的濕地類型,找到關(guān)鍵物種,根據(jù)正常年份鳥類及魚類在該區(qū)棲息、繁殖的正常需水量[31]。琉璃河濕地生態(tài)恢復(fù)以魚類、鳥類棲息地恢復(fù)為主,以期發(fā)展觀鳥產(chǎn)業(yè)。一般認(rèn)為,為保證野生生物棲息地的健康,濕地的水深應(yīng)在0.3—2.0m之間[32]。

嚴(yán)軍等認(rèn)為棲息地需水量的計(jì)算方法為[33]:

W=βAjhi

式中,W:棲息地需水量(萬m3),β:水面面積百分比%,Aj:濕地面積(m2),hi:平均水深(m)。

3 結(jié)果與討論

3.1 計(jì)算結(jié)果

(1)景觀娛樂需水量

各河段常水位水深范圍如表1所示:

表1 琉璃河主河槽常水位水深

琉璃河常水位蓄水量計(jì)算結(jié)果如表2所示:

表2 琉璃河主河槽常水位蓄水量

經(jīng)計(jì)算,得到琉璃河景觀娛樂需水量為180.43萬m3。

(2)改善水環(huán)境質(zhì)量的最小凈化水量

據(jù)現(xiàn)場踏勘及調(diào)查,項(xiàng)目區(qū)周邊現(xiàn)狀存在污水直接入河問題,現(xiàn)狀污水入河情況可根據(jù)污水性質(zhì)分為三類:

1)污水處理廠未達(dá)標(biāo)出水:3處,分別為竇店污水處理廠出水、竇店溝污水、韓村河污水處理廠出水。

2)生活污水:6處,包括洄城村、依瀾陽光小區(qū)、二街三街村、燕都立民附近小區(qū)的生活污水。

3)工業(yè)污水:3處,分別為琉璃河水泥廠、燕都立民屠宰場、中糧五谷道場排出的工業(yè)污水。

由于污水廠出水由濕地處理至達(dá)標(biāo)后排入琉璃河,故此次污水廠出水不計(jì)入污染源。計(jì)入排污的污染點(diǎn)源分布如下。

經(jīng)過現(xiàn)場勘查,污染點(diǎn)源的污染水質(zhì)及水量見表3。

圖3 污染點(diǎn)源分布Fig.3 Distribution of point pollution

位置Location化學(xué)需氧量(CODCr)Chemical oxygen demand/ (mg/L)氨氮(NH3-N)Ammonia nitrogen/(mg/L)總氮(TN)Total nitrogen/(mg/L)總磷(TP)Total phosphorus/(mg/L)水量Water quantity/(mg/L)洄城村(1)29711.4383.13104洄城村(2)26710.5352.43124依瀾陽光小區(qū)15211.4382.97171二街村2267.8262.86162三街村2387.2242.52206燕都立民小區(qū)1627.5252.84342琉璃河水泥廠1103.0610.22.18206燕都立民屠宰場30811.1374.26142中糧五谷道場2536.1820.63.6262

有研究表明,影響水質(zhì)的最主要因素是COD濃度[34],這適用于污染嚴(yán)重的階段,在琉璃河水質(zhì)目標(biāo)情境下,其主要問題為春秋季富營養(yǎng)化,因此選取總氮、總磷作為主要控制污染物,計(jì)算河道生態(tài)需水量?？偟涂偭椎慕到庀禂?shù)分別取0.053/d、0.033/d[35]。根據(jù)《北京市水文年鑒(2012年)》,大石河漫水河水文站2012年平均徑流量1.78 m3/s,其中汛期徑流量6.93 m3/s,非汛期徑流量0.04 m3/s,取非汛期徑流量0.04 m3/s。河道目標(biāo)水質(zhì)為地表Ⅴ類,水質(zhì)目標(biāo)TN為2.0 mg/L,TP為0.4 mg/L,再生水廠水經(jīng)濕地處理后出水水質(zhì)TN為1.587 mg/L,TP為0.236 mg/L,以濕地出水水質(zhì)為計(jì)算斷面濃度,計(jì)算結(jié)果見表。

由表中可見,消納TP的需水量大部分為負(fù)值,這是由于自濕地出水后,保持流量0.04 m/s的情況下,水體環(huán)境容量大于污水排入量,消納TP的值總體為負(fù)值,不需考慮消納TP的所需水量,只考慮TN水量即可。由計(jì)算可得,改善水環(huán)境質(zhì)量的最小凈化水量為30.39萬m3/d。根據(jù)《房山琉璃河鎮(zhèn)中心區(qū)控制性詳細(xì)規(guī)劃(2008年—2020年)》,琉璃河鎮(zhèn)污水廠2020年開始運(yùn)行。琉璃河濕地工程2018年完工,期間2019、2020年兩年尚有污水排入,這兩年需要考慮環(huán)境需水。

表4 最小凈化水量計(jì)算表

(4)土壤儲水量

本項(xiàng)目中,土壤容重取1.25 g/cm3;水的密度取1.0 g/cm3;根據(jù)研究,αs、αF分別介于50%—60%和30%—50%[36],本文取αs=50%和αF=30%;水面的土壤層厚度H1為0.3 m,非水面區(qū)域的土壤層厚度H2為0.5 m;河道內(nèi)水面面積A1為79.7 hm2,非水面區(qū)域面積A2為6.36 hm2,計(jì)算得到河道內(nèi)的土壤儲水量為16.136萬m3。

(5)河道內(nèi)水面蒸發(fā)需水量

河道內(nèi)水面面積為79.7 hm2,根據(jù)國家氣象局網(wǎng)站資料(站臺54511),蒸發(fā)量如圖4、5所示,計(jì)算得到每個月的蒸發(fā)量如所示:

圖4 月平均蒸發(fā)量Fig.4 Monthly evaporation of water surface

圖5 琉璃河月蒸發(fā)需水量Fig.5 Monthly evaporation water requirement of Liuli river

經(jīng)計(jì)算水體年蒸發(fā)量為78.03萬m3,日均2138 m3。

(6)滲透需水量

減滲材料采用膨潤土防水毯,滲透系數(shù)5×10-8cm/s(4.32×10-4m/d),計(jì)算可得,水體滲透量21.69萬m3,日均滲漏量0.034萬m3。

(7)河道棲息地需水量計(jì)算

根據(jù)周維博等人的研究,濕地指示鳥類的需水水深如表5所示[31]。

表5 濕地指示鳥類需水規(guī)律

北方一般淡水魚品種為草魚、鯉魚、鰱魚等,本文以生活在水體底層且活力較強(qiáng)的鯉魚為例,以此計(jì)算琉璃河的生態(tài)需水。張文鴿認(rèn)為鯉魚適宜水深為1.0—1.5 m[37],而韓振華認(rèn)為,鯉魚適宜水深為0.45 m[38],國內(nèi)外對魚道的研究表明,魚道所需的最小深度是魚類身高的3倍[39],取鯉魚身高30 cm,則鯉魚所需水深為0.9 m。

比較魚類、鳥類所需水深,取二者較大值魚類需水水深0.9 m為棲息地所需平均水深,河道內(nèi)水面面積為79.7 hm2,則河道內(nèi)的水生生物棲息地需水量為71.73萬m3。

經(jīng)計(jì)算,環(huán)境需水量Q1取景觀娛樂及航運(yùn)需水量180.43萬m3,土壤儲水量為16.12萬m3,琉璃河河道內(nèi)一次環(huán)境需水量為196.78萬m3,日均用水量2482 m3,高日用水量3374 m3。為保證水質(zhì)不低于地表Ⅴ類,對污水進(jìn)行稀釋和自凈,濕地處理后每天進(jìn)入河道內(nèi)的水量應(yīng)不低于30.39萬m3,琉璃河河道水循環(huán)周期為5.93 d。

生態(tài)需水量Q1取景觀娛樂及航運(yùn)需水量180.43萬m3,琉璃河河道內(nèi)一次環(huán)境需水量為196.78萬m3,日均用水量2482 m3,高日用水量3374 m3。不考慮河道內(nèi)污水排入,河道水循環(huán)周期可按照正常設(shè)計(jì)進(jìn)行。

3.2 討論

(1)由于琉璃河工程的獨(dú)特,決定了不同時期生態(tài)需水量的特殊性,在生態(tài)需水量的討論中,本文定義了一種新的計(jì)算方法:按照有無污水排入分為環(huán)境需水量和生態(tài)需水量,兩種需水量計(jì)算中僅在Q1上有所區(qū)別。計(jì)算方法是Q1、河道滲透水量、蒸發(fā)量、土壤存水量之和。生態(tài)需水量還有Tennant法、枯水頻率法(7Q10)、濕周法、R2CROSS法等其他水文學(xué)、水力學(xué)方法。不同計(jì)算方法側(cè)重方向不同,生態(tài)需水量加和法側(cè)重于生態(tài)需水量蒸發(fā)、滲透等環(huán)境功能,Tennant法側(cè)重于保護(hù)河道健康環(huán)境的最小流量,7Q10法是美國考慮水質(zhì)因素確定的河道內(nèi)生態(tài)環(huán)境需水的方法,它從控制污染源的角度出發(fā),采用90%保證率最枯連續(xù)7 d的平均水量作為河道生態(tài)需水最小流量值。不同的計(jì)算方法對結(jié)果產(chǎn)生一定影響。

(2)在最小凈化需水量的計(jì)算中,計(jì)算方法采用的是零維環(huán)境容量法,零維模式是建立在河水完全混合的情況下,即不受時間、空間的約束,不考慮空間方向上的濃度梯度,而在實(shí)際水體中污水分布存在一定濃度梯度,因此,計(jì)算結(jié)果與實(shí)際情況有一定的出入。

(3)在最小凈化需水量計(jì)算中,受溫度、光照等環(huán)境因素的影響,不同地區(qū)河流污染物降解系數(shù)有所差別,如中國河流COD綜合降解系數(shù)范圍為0.009—0.47 d-1,氨氮的綜合降解系數(shù)范圍為0.105—0.350 d-1[40]。本文中選取的降解系數(shù)為平原河網(wǎng)典型污染物降解系數(shù),此數(shù)據(jù)應(yīng)與房山區(qū)實(shí)際降解系數(shù)有一定差距,對計(jì)算結(jié)果有一定的影響。

(4)本次生態(tài)需水量計(jì)算中,僅計(jì)算了平水期水量,并未考慮汛期來水的影響。琉璃河作為城市排澇河道,汛期流量為6.93 m/s,在最小凈化需水量計(jì)算中,若考慮汛期流量,則每日無需濕地出水量即可保證水質(zhì)。

4 結(jié)論與建議

(1)關(guān)于生態(tài)需水量的研究大多集中在理論模型、計(jì)算方法上,對于生態(tài)需水量和環(huán)境需水量的區(qū)分研究極少。本文基于不同階段不同保護(hù)目標(biāo),在同一工程項(xiàng)目中分別計(jì)算生態(tài)需水量和環(huán)境需水量,以期對同類工程項(xiàng)目起到指導(dǎo)作用。

(2)研究結(jié)果表明:在Q1的比較中,景觀娛樂需水量均為最大值,為180.43萬m3。生態(tài)需水量和環(huán)境需水量中,景觀娛樂用水量所占比例最大,為91.6%,土壤儲水量占8.2%,水體蒸發(fā)量占0.1%,滲透量占0.1%。水體蒸發(fā)量和滲透量為消耗水量,平均每日消耗水量為0.24 m3,最高日為0.337 m3。保證水質(zhì)不低于地表Ⅴ類,以消納污水為主的河道,需每日進(jìn)入不低于30.39萬m3的濕地出水。在以生態(tài)修復(fù)為目標(biāo)的河道內(nèi),沒有污水注入,不須考慮此值。

(3)本工程中二者計(jì)算結(jié)果相同,但是在一些排污量較大,景觀需水量較小的工程中,運(yùn)用此方法二者的計(jì)算結(jié)果不同。在2020年琉璃河兩岸截污工作完成后,點(diǎn)源污染完全消除,可不計(jì)算改善水環(huán)境質(zhì)量的最小凈化水量,直接應(yīng)用生態(tài)需水量。在一些無污染排入的河流中,可忽略改善水環(huán)境質(zhì)量的最小凈化水量。

(4)目前在改善水環(huán)境質(zhì)量的最小凈化水量的研究中,只考慮了河道的稀釋能力,計(jì)算結(jié)果偏大。在本文計(jì)算中引入河道納污能力的概念,指出河道發(fā)揮稀釋、自凈兩種作用,計(jì)算結(jié)果更貼近實(shí)際。計(jì)算方法與水力學(xué)、環(huán)境學(xué)相結(jié)合,從研究方法上向多學(xué)科拓展。

在北方地區(qū)水資源缺乏、水污染嚴(yán)重的現(xiàn)狀下,河道的水資源供需矛盾更加尖銳,如何協(xié)調(diào)水污染,水生態(tài),水資源之間平衡,將是未來研究的重點(diǎn)。