福州市江北城區(qū)內(nèi)河水系生態(tài)環(huán)境需水量計(jì)算

李 烜 魏麗真

（福建省福州第十八中學(xué) 福建福州 350003）

引言

2018年6 月，國(guó)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(jiàn)》，要求打好城市黑臭水體治理攻堅(jiān)戰(zhàn)。

近年來(lái)，福州市的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)都得到了長(zhǎng)足的發(fā)展，但內(nèi)河污染問(wèn)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(zhǎng)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(guó)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(wú)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(lái)確定為滿足一定生態(tài)環(huán)境功能的需水量。

1 福州市江北城區(qū)概況

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

2 河道生態(tài)環(huán)境需水量組成部分及其計(jì)算方法

2.1 組成部分

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 計(jì)算方法

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(guò)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(guó)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(guò)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(méi)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(wú)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(zhǎng)度的最小值即為點(diǎn)C到MN的垂線段長(zhǎng)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(zhǎng)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(guò)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(guò)水?dāng)嗝婷娣e，m2；

T——補(bǔ)給時(shí)間，d。

3 江北城區(qū)內(nèi)河水系生態(tài)環(huán)境需水量計(jì)算

3.1 維持水生生物生存需水量

Tennant法和濕周法均基于長(zhǎng)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(wú)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。

3.2 河流稀釋自凈需水

7Q10法需要長(zhǎng)期的流量監(jiān)測(cè)資料，無(wú)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(wàn)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(wàn)m3/月。

3.3 景觀需水量

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。

3.4 河流蒸發(fā)滲漏需水量

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。

3.5 生態(tài)環(huán)境需水量計(jì)算

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(wàn) m3/月。

結(jié)語(yǔ)

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(wàn) m3/月。

（1）在本研究的基礎(chǔ)上，建議進(jìn)一步開(kāi)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。