李 烜 魏麗真
(福建省福州第十八中學(xué) 福建福州 350003)
2018年6 月,國務(wù)院發(fā)布《關(guān)于全面加強(qiáng)生態(tài)環(huán)境保護(hù)堅(jiān)決打好污染防治攻堅(jiān)戰(zhàn)的意見》,要求打好城市黑臭水體治理攻堅(jiān)戰(zhàn)。
近年來,福州市的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)都得到了長足的發(fā)展,但內(nèi)河污染問題仍較為突出,嚴(yán)重制約了社會(huì)經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)健康發(fā)展。為了改善福州市內(nèi)河水環(huán)境,市政府加大了投入力度,大力推進(jìn)內(nèi)河綜合整治工作。其中一項(xiàng)重要工作是打造城市水系良好的水生態(tài)系統(tǒng),才能保障內(nèi)河水環(huán)境長治久清。
打造水系的水生態(tài)系統(tǒng),需要明確內(nèi)河生態(tài)環(huán)境需水量。但是,福州市內(nèi)河生態(tài)環(huán)境需水量的確定,目前依然是個(gè)難點(diǎn),主要體現(xiàn)在:①國內(nèi)外目前對(duì)內(nèi)河生態(tài)環(huán)境需水量尚未形成明確統(tǒng)一的界定,故無統(tǒng)一的計(jì)算方法;②福州市江北城區(qū)水系發(fā)達(dá),水情、工情條件、水質(zhì)邊界條件等影響因素復(fù)雜,難以按簡(jiǎn)單的稀釋擴(kuò)散理論來確定為滿足一定生態(tài)環(huán)境功能的需水量。
福州位于福建省東部沿海,閩江下游。江北城區(qū)位于福州盆地的中心地帶,西北東三面環(huán)山,南臨閩江北港,總面積約160平方公里。城區(qū)內(nèi)近70條內(nèi)河,分屬白馬河水系、晉安河水系、光明港水系、磨洋河水系和新店片水系(如圖1所示)。江北城區(qū)內(nèi)河水系的河道河寬不等,最小5米,最大近50米。
圖1 江北城區(qū)內(nèi)河水系圖
本次研究中的需水量主要是指河道的生態(tài)環(huán)境需水量[1],但目前河道生態(tài)環(huán)境需水量尚未形成統(tǒng)一的定義。一般情況下,內(nèi)河生態(tài)環(huán)境需水量應(yīng)綜合考慮以下幾個(gè)方面的內(nèi)容:(1)維持水生生物生存需水量。(2)為保證大部分河道的主要水質(zhì)指標(biāo)達(dá)到Ⅴ類水標(biāo)準(zhǔn)的稀釋自凈需水量。(3)為滿足一定的景觀需求需要的水量。(4)河道蒸發(fā)滲漏需水量。
2.2.1 維持水生生物生存需水量
維持水生生物生存需水量的計(jì)算方法主要有:Tennant法、濕周法、R2CROSS 法等[2-4]。
(1)Tennant法
Tennant法是估算河道維持水生生物生存需水量較為常用的方法。其計(jì)算公式如下:
式中:W河流—為多年平均條件下維持河道一定功能的需水量(m3);
Mi—為第i月的天數(shù)(天);
Qi—為第 i月多年平均流量(m3/s);
Pi—為第i月生態(tài)環(huán)境需水百分比。
(2)濕周法
河道濕周法的重點(diǎn)是保護(hù)臨界濕周,一般就能夠滿足臨界狀態(tài)以下的河流水生生物棲息地的最低要求。濕周法一般通過確定濕周與流量之間的關(guān)系確定河道的流量推薦值。
(3)R2CROSS法
R2CROSS法是以曼寧公式為基礎(chǔ)的計(jì)算方法,該法適用于淺灘式的河流棲息地類型。該方法建議將所有河流的平均流速設(shè)為一個(gè)常數(shù)值,采用0.3048m/s,根據(jù)河道寬度和平均水深即可計(jì)算河道的維持水生生物生存需水量。
2.2.2 河流稀釋自凈需水
河流稀釋自凈需水是指在控源截污的基礎(chǔ)上,河流水體滿足所在水功能區(qū)水質(zhì)目標(biāo)所需要的最小水量。
(1)7Q10法
7Q10法是指采用90%保證率最枯連續(xù)7日的平均水量作為河流最小流量設(shè)計(jì)值。目前該方法在國內(nèi)主要用于計(jì)算污染物允許排放量。
(2)水質(zhì)目標(biāo)法
水質(zhì)目標(biāo)法是依據(jù)河流水功能區(qū)劃及其相應(yīng)的水質(zhì)目標(biāo),通過水量平衡和污染物質(zhì)的質(zhì)量平衡原理,計(jì)算其稀釋自凈需水量。其計(jì)算方法如下:
①首先研究區(qū)域水體污染水平、污染物排放負(fù)荷、區(qū)域水質(zhì)控制目標(biāo)三大要素:
分析確定水系河流污染的主要種類和主要污染物濃度水平。
研究區(qū)域污染物排放的種類和性質(zhì),調(diào)查污染物排放總量(污水量q,主要污染物濃度C)。
根據(jù)區(qū)域水體功能確定水系水質(zhì)控制目標(biāo)Clim。
②計(jì)算排入河流中的污染物達(dá)到安全濃度水平需要的河流流量Qlim,假設(shè)沉淀和降解還沒有發(fā)生或其效應(yīng)忽略不計(jì),則
③假設(shè)現(xiàn)有河流的流量為Q1,則完成稀釋需要調(diào)度的流量為Qs:
2.2.3 景觀需水量
景觀需水量的計(jì)算,暫無統(tǒng)一的方法和標(biāo)準(zhǔn)。一般可根據(jù)景觀水深、斷面形狀進(jìn)行確定。
解 如圖11所示,由于不妨看作點(diǎn)F由C運(yùn)動(dòng)到B,且速度為15,并將其用平行四邊形法則可分解為向左9,向上12的速度,而D有向右16的速度,因?yàn)辄c(diǎn)H為DF的中點(diǎn),那么點(diǎn)H就有了一個(gè)向右3.5的速度以及向上6的速度,所以運(yùn)動(dòng)方向與水平向右方向夾角θ有軌跡為一條線段,如圖10,從AC中點(diǎn)到斜邊AC上高線中點(diǎn)的一條線段MN.所以線段CH長度的最小值即為點(diǎn)C到MN的垂線段長為
2.2.4 河流蒸發(fā)滲漏需水量
(1)河流蒸發(fā)需水量
根據(jù)河流的斷面形狀,水深、河長和氣象資料計(jì)算河流水面蒸發(fā)量。
式中,Wre——河流水面蒸發(fā)需水量,mm/a;
Ar——河流水面面積,km2;
Ep——水面蒸發(fā)量,mm/a;
(2)河流滲漏需水量
河流滲漏需水量是指當(dāng)河流水位高于地下水位時(shí),通過河流底部滲漏和岸邊側(cè)漏形式向地下水補(bǔ)充的水量,其計(jì)算公式如下:
I——水力坡度;
W——過水?dāng)嗝婷娣e,m2;
T——補(bǔ)給時(shí)間,d。
Tennant法和濕周法均基于長時(shí)間序列的流量觀測(cè)資料,而福州內(nèi)河缺乏相應(yīng)資料,因此無法采用。福州市內(nèi)河的駁岸高度較小,可視為淺灘式的河流,故采用R2CROSS法計(jì)算福州內(nèi)河維持水生生物生存需水量。
利用R2CROSS法計(jì)算江北城區(qū)維持水生生物生存需水量,內(nèi)河總需水量為9559.5m3/月。
7Q10法需要長期的流量監(jiān)測(cè)資料,無法應(yīng)用于福州市內(nèi)河稀釋自凈需水量的計(jì)算。因此,采用水質(zhì)目標(biāo)法計(jì)算福州市江北城區(qū)內(nèi)河的稀釋自凈需水量。
江北城區(qū)內(nèi)河污水量取為67.08萬m3/d,截污率按偏不利情況取70%,排放污水的氨氮濃度按25mg/L計(jì)算。內(nèi)河總稀釋自凈需水量為7503.8萬m3/月。
福州市江北城區(qū)一般內(nèi)河的景觀水位為0.5~0.8米,重要內(nèi)河的景觀水位為1.0~2.0米。本研究在計(jì)算維持水生生物生存需水量時(shí)已考慮了水位要求,所有河道的水位均不低于1米,因此,可以認(rèn)為內(nèi)河在滿足維持水生生物生存需水的同時(shí)可以滿足內(nèi)河的景觀需水量。
福州市地下水位較高,因此可不考慮河流的滲漏需水量。
根據(jù)河流水面蒸發(fā)需水量公式計(jì)算,江北城區(qū)內(nèi)河水系總蒸發(fā)需水量為白馬河水系、晉安河水系、磨洋河水系、新店水系和光明港每年用于平衡水面蒸發(fā)的需水量分別為:257.38×104m3/年。
針對(duì)江北城區(qū)的內(nèi)河,在計(jì)算生態(tài)環(huán)境需水量時(shí),維持水生生物生存需水量、河流稀釋自凈需水量以及河流蒸發(fā)需水量三者是重點(diǎn)考慮的對(duì)象。
由于維持水生生物生存需水和河流稀釋自凈需水之間存在重疊部分,因此,本研究采用以下公式計(jì)算內(nèi)河生態(tài)環(huán)境需水量:
內(nèi)河生態(tài)環(huán)境需水量=Max(維持水生生物生存需水量,河流稀釋自凈需水量)+河流蒸發(fā)需水量。
根據(jù)上式計(jì)算,福州市江北城區(qū)內(nèi)河生態(tài)環(huán)境需水量為9816.9 萬 m3/月。
綜合考慮內(nèi)河維持水生生物生存需水量、稀釋自凈需水量、景觀需水量和蒸發(fā)滲漏需水量,江北城區(qū)內(nèi)河總需水量為9816.9 萬 m3/月。
(1)在本研究的基礎(chǔ)上,建議進(jìn)一步開展江北城區(qū)可供水量的研究,進(jìn)而進(jìn)行供需平衡分析。
(2)福州市江北城區(qū)水系是典型的感潮河段,擁有寶貴的潮汐資源。早在古時(shí)代,古人們就充分利用了閩江資源引水入城,造就了水城福州的美景。建議充分發(fā)揮福州地理優(yōu)勢(shì),充分利用潮汐資源,將潮水資源引入城區(qū)內(nèi)河,可為打造水系水生態(tài)提供充足的水資源。