城市河流生態(tài)需水量計算方法研究

杜龍飛 侯澤林 李彥彬 張澤中 徐建新

摘?要：隨著社會經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，城市加速擴(kuò)張，人類活動加劇，致使城市河流水生態(tài)系統(tǒng)受損和水資源緊缺的問題愈加突出，因此對城市河流的生態(tài)需水進(jìn)行研究具有重要意義。城市河流的生態(tài)需水不同于自然河流，在梳理已有生態(tài)需水量計算方法的基礎(chǔ)上，考慮人類活動和城市化進(jìn)程對城市河流的顯著影響，應(yīng)用Tennant法計算河道基流生態(tài)需水量，同時用經(jīng)驗公式法計算城市河流的水面蒸發(fā)量、滲漏量以及河道外綠化帶景觀用水量作為補(bǔ)充，并以鄭州市為例驗證了該方法的合理性和實(shí)用性。

關(guān)鍵詞：城市河流;水資源;生態(tài)需水量;鄭州市

中圖分類號：TV213.4?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2020.02.007

Abstract：The damage to water ecosystems of urban rivers and the shortage of water resources have become more prominent with the rapid development of social economy， the accelerated expansion of cities and the intensification of human activities. As a result， it is of great significance to study the ecological water demand of urban rivers. Based on the existing calculation methods of ecological water demand， Tennant method was used to calculate the basic ecological water demand of urban rivers， considering that the ecological water demand of urban rivers is different from that of natural rivers. As a supplement， the empirical formula methods were respectively used to calculate the ecological water demand from the evaporation and leakage of urban rivers and the ecological water demand from riparian landscape， in consideration of the significant impact of human activities and urbanization on urban rivers. The rationality and practicability of this calculation method was proved by taking Zhengzhou City as an example.

Key words： urban rivers; water resources; ecological water requirement; Zhengzhou City

在全球氣候變化和人類活動影響下，水循環(huán)過程及其伴生的水生態(tài)和水環(huán)境發(fā)生了深刻的變化[1]。從全球范圍來看，水資源過度利用的狀況從根本上改變了原有的水循環(huán)過程和條件，導(dǎo)致淡水生態(tài)系統(tǒng)發(fā)生了顯著的退化[2]。人類對水生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能需求不斷增加和水生態(tài)系統(tǒng)退化之間的矛盾，使社會經(jīng)濟(jì)、水資源和生態(tài)安全受到威脅[3-4]。城市河流受人類活動的強(qiáng)烈干擾，對城市河流水資源利用時必須考慮生態(tài)需水，才能維持河流生態(tài)系統(tǒng)健康和保證水資源的可持續(xù)利用[5]。生態(tài)需水已成為國內(nèi)外水資源利用和生態(tài)保護(hù)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)[6]。澳大利亞、南非、美國和加拿大等40多個國家產(chǎn)生了大量生態(tài)需水計算方法，如基于水文數(shù)據(jù)的Tennant法[7-8]、綜合考慮水質(zhì)水量的BBM法[9]、結(jié)合水力和生物模型的IFIM法[10]等。20世紀(jì)末，人類認(rèn)識到水資源與生態(tài)系統(tǒng)的互動性，從而關(guān)注兩者的內(nèi)在聯(lián)系，在水資源管理中逐漸重視生態(tài)需水和生態(tài)系統(tǒng)保護(hù)[11-13]。但以往的生態(tài)需水研究主要集中在自然河道和流域范圍，對受城市化影響和人類活動干擾較強(qiáng)的城市河流生態(tài)需水研究相對較少[14]，因此對城市河流生態(tài)需水量計算方法進(jìn)行研究很有必要。

“城市河流”是指發(fā)源于城區(qū)或流經(jīng)城區(qū)的河流或河段，也包含歷史上屬人工開挖但經(jīng)多年演變已具有自然河流特征的河道或渠系[15-16]。城市河流受人類活動干擾強(qiáng)烈：①被人為渠道化嚴(yán)重，破壞了原有的河岸河道生態(tài)系統(tǒng);②城市河道底質(zhì)類型單一化，生物棲息環(huán)境復(fù)雜性降低，物種數(shù)減少，生物多樣性受損;③生產(chǎn)生活污水和工業(yè)廢水使水質(zhì)變差，河流生態(tài)環(huán)境被破壞，生態(tài)功能退化;④人工閘壩等控制性設(shè)施增多，城市景觀用水等使河流水資源量過度使用[17]。隨著我國城市化進(jìn)程加快，人類活動和城市河流之間的相互作用更為強(qiáng)烈[15]，高強(qiáng)度的人類活動使得城市河流生態(tài)需水研究工作面臨新的挑戰(zhàn)[18]。筆者對城市河流生態(tài)需水量計算方法進(jìn)行探討，并以鄭州市為例驗證該方法的合理性和實(shí)用性，以期為城市河流的生態(tài)健康保護(hù)及水資源合理配置提供參考。

1?城市河流生態(tài)需水量基本概念

城市河流生態(tài)需水量是為維護(hù)城市生態(tài)環(huán)境發(fā)揮正常物質(zhì)循環(huán)、能量流動和信息交換所需的水資源總量[14，19]，以及為保護(hù)河流水生生物、維持生態(tài)系統(tǒng)健康和滿足水資源可持續(xù)利用所需要的水資源量。

2?城市河流生態(tài)需水量計算方法

城市河流水資源通常不會用來灌溉農(nóng)田，而作為城市生產(chǎn)生活及景觀用水?？紤]到城市化和人類活動干擾的影響，僅計算河道基流生態(tài)需水量是不充分的。為保障城市河流基本的生態(tài)功能健康，城市河流的生態(tài)需水量計算與自然河流相比，不僅需要考慮河道基流來維持水生生物正常生長，而且要考慮城市熱島效應(yīng)增加的更多水面蒸發(fā)量、人類生產(chǎn)生活過度開發(fā)地下水產(chǎn)生的滲漏量和河道外城市景觀用水量等。

2.1?河道基本生態(tài)需水量

早先美國的水資源管理部門對河道內(nèi)基流進(jìn)行研究，提出了河流最小生態(tài)需水量的概念，主要是為了改善生物棲息環(huán)境與河流生態(tài)系統(tǒng)、實(shí)現(xiàn)水資源的可持續(xù)利用[11-12，20-22]。目前國內(nèi)外有關(guān)生態(tài)需水量的計算方法有200多種，國外最早于19世紀(jì)開始研究河道最小需水量，20世紀(jì)40年代開始大量研究生態(tài)需水量。國外河道生態(tài)需水量計算方法大致可以分為5類：①歷史流量法，如Tennant法、7Q10法、流量歷時曲線法、ABF法;②水力定額法，如WSP水力模擬法、濕周法、CASIMIR法、R2CROSS法;③棲息地定額法，如有效寬度法（UW）、加權(quán)有效寬度法（WUW）、河道內(nèi)流量增加法（IFIM）;④整體分析法，如南非的BBM法、澳大利亞的整體評價法;⑤生態(tài)環(huán)境模型法，如IFIM/PHABSI法、EVHA法、CASIMIR法。國內(nèi)河道生態(tài)需水量計算方法大致可以分為3類：①歷史流量法，如枯水年天然徑流估算法、最枯月平均流量法;②防治河流水質(zhì)污染的生態(tài)需水量計算方法，如10 a最枯月平均流量法、水質(zhì)目標(biāo)法;③缺資料地區(qū)生態(tài)需水量計算方法，如水力半徑法[11-12，23-25]。上述方法總體可概述為水文學(xué)方法、水力學(xué)方法、棲息地法和綜合法?？紤]到城市河流受區(qū)域地形條件限制，基本上屬小河流，有較為顯著的人類干擾特征，而在眾多方法中Tennant法較為常用，應(yīng)用范圍廣，適用于計算有水文站點(diǎn)的季節(jié)性河流，即使無水文站點(diǎn)的河流也可以通過水文技術(shù)獲得平均流量來進(jìn)行計算[7]，可應(yīng)用于計算城市河流的河道基本生態(tài)流量。

Tennant法也稱Montana法，是一種不需要現(xiàn)場測量數(shù)值的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)定法。將多年平均徑流量的簡單百分比作為河道基流的推薦值，適應(yīng)河道季節(jié)性變化的需求，能夠解決水生生物、河流景觀娛樂與河流流量之間適應(yīng)性的問題，具有宏觀的定性指導(dǎo)意義。Tennant法在美國維吉尼亞區(qū)域的河流中證實(shí)，年均徑流量的10%、20%、30%分別是保障河流水生生物正常生長的棲息地最低、適宜和最佳生態(tài)需水量標(biāo)準(zhǔn)[23-27]。城市河流中河道基流須滿足河流水生生物正常生長的最低水量需求，來維持城市河流最基本的水生態(tài)系統(tǒng)功能健康。應(yīng)用Tennant法計算城市河流河道基本生態(tài)需水量Wt的公式為

2.2?河流水面蒸發(fā)需水量

河流水面蒸發(fā)需水量是指在河流內(nèi)的降水量小于蒸發(fā)量時，需要通過水資源配置來補(bǔ)充這部分損失，來保障河流的正常生態(tài)功能。河流的水面蒸發(fā)是城市河流水量損失的主要途徑之一，必須將這部分水量損耗進(jìn)行補(bǔ)充，才能保證出入水平衡，保持水位基本不受影響，水量不縮減。通常采用理論公式法，依據(jù)河段的斷面形狀、河段長度、設(shè)計水深和當(dāng)?shù)貧庀筚Y料計算城市河流的水面蒸發(fā)需水量Ww，計算公式為

2.3?河流滲漏需水量

一般當(dāng)河流中的水位升高、水壓增大，而地下水位較低時會產(chǎn)生滲漏，計算城市河流滲漏量Wu的經(jīng)驗公式為

式中：Wu為河流年滲漏損失量，m3;Ar為河流年均水面面積，m2;k為經(jīng)驗系數(shù)，根據(jù)河道是否進(jìn)行防滲處理、河床底質(zhì)類型與厚度、河道斷面形狀等，綜合河流水文特征和河床地質(zhì)條件分析確定，并劃分成3個等級（見表1）。

2.4?河道外綠化帶的城市景觀需水量

采用面積定額法計算河道外綠化帶的城市景觀需水量Wp，公式為

式中：Wp為城市綠地景觀生態(tài)需水量，m3/a;ψ為綠化用水定額，m3/（m2·a），綜合考慮綠地的凈灌溉定額、維持綠地蒸發(fā)所需水量和植被生長所需水量來確定[5，28];F為綠化帶覆蓋面積，m2。

3?鄭州市城市河流生態(tài)需水量計算

3.1?鄭州市河流概況

鄭州市城區(qū)（含建成區(qū)、周邊郊縣和規(guī)劃區(qū)）現(xiàn)有河流9條，涉及黃河、淮河兩大流域，其中枯河屬于黃河流域，剩余8條屬于淮河流域，為賈魯河水系，包括賈魯河干流及其一級支流索須河、東風(fēng)渠、魏河、金水河、熊耳河、七里河、潮河等[5，28-30]。

3.2?鄭州市河流生態(tài)需水量計算

3.2.1?河道基本生態(tài)需水量

鄭州市9條河流中有8條屬小河流，缺少相應(yīng)的水文序列資料。僅賈魯河干流的中牟水文站有部分監(jiān)測水文序列資料，該水文站控制流域面積2 106 km2，其1965—2008年的年均徑流量為42 989萬m3。依據(jù)賈魯河鄭州市河段流域面積1 077 km2，推算出其多年平均徑流量為21 984萬m3。其他8條河流同樣可通過流域控制面積間接推求出其對應(yīng)的年均徑流量（見表2）。鄭州市河流均屬季節(jié)性河流[29]，根據(jù)式（1），以多年平均徑流量的20%作為河道適宜基本生態(tài)流量的推薦值，計算出河道基本生態(tài)需水量（見表2）。

3.2.2?水面蒸發(fā)需水量

參照《鄭州市水資源公報》，計算得出1971—1980年鄭州市年均降水量為637.0 mm，河流年均蒸發(fā)量為1 853.2 mm。年均蒸發(fā)量明顯大于年均降水量，根據(jù)式（2）計算出鄭州市河流的水面蒸發(fā)需水量（見表3）。

3.2.3?河流滲漏需水量

鄭州市河流分渠化河段和自然河段，根據(jù)式（3），對自然河段經(jīng)驗系數(shù)k取1.0 m，渠化河道k取0.5 m，計算出河流滲漏需水量（見表3）。

3.2.4?河道外綠化帶的城市景觀需水量

鄭州市河流大部分為河道外綠化帶的城市景觀用水河道[5]，鄭州市河道外的綠化用水定額ψ取值為3 345 m3/hm2，根據(jù)式（4）計算出河道外綠化帶的城市景觀需水量（見表4）。

3.3?結(jié)果分析

鑒于鄭州市水資源稟賦較差，河流基本生態(tài)流量的計算選取多年平均徑流量的20%作為推薦值，同時計算鄭州市河流的水面蒸發(fā)需水量、滲漏需水量和河道外綠化帶的城市景觀需水量，作為鄭州市河流河道基流之外需要補(bǔ)充的水資源量，以保障河流水生生物正常生長的基本環(huán)境功能，維持河流生態(tài)系統(tǒng)健康。將鄭州市河流河道及河道外各部分生態(tài)需水量的計算結(jié)果進(jìn)行匯總，得出河流生態(tài)需水量為17 097萬m3（見表5）。

將該計算結(jié)果與《鄭州市生態(tài)水系規(guī)劃》報告中河流生態(tài)需水量成果進(jìn)行對比：索須河、七里河、潮河和枯河計算結(jié)果比報告中的稍大，賈魯河和魏河計算結(jié)果與報告基本一致，而東風(fēng)渠、金水河、熊耳河計算結(jié)果比報告中的偏小。東風(fēng)渠、金水河、熊耳河從鄭州市中心區(qū)穿過，考慮河流生態(tài)景觀需要，為保障鄭州市河流水生態(tài)系統(tǒng)健康，在水資源配置時可以適當(dāng)加大生態(tài)補(bǔ)水，如采用Tennant法以多年平均徑流量的30%作為推薦值計算河道基本生態(tài)需水量?？傮w對比結(jié)果有一定的差別，但相差不大，說明本文提出的城市河流生態(tài)需水量計算方法具有一定的實(shí)用價值。

4?結(jié)?語

城市河流受人類活動干擾強(qiáng)烈，水資源量匱乏，為保障城市河流水生生物正常生長和生態(tài)系統(tǒng)健康，對城市河流的生態(tài)需水量進(jìn)行研究很有必要。本文梳理了自然河流生態(tài)需水量的計算方法，在此基礎(chǔ)上探討了城市河流生態(tài)需水量（河道基本生態(tài)需水量、河流水面蒸發(fā)需水量、河流滲漏需水量、河道外綠化帶城市景觀需水量）計算方法，并以鄭州市為例驗證了河流生態(tài)需水量計算方法的合理性和實(shí)用性。隨著人類社會的快速發(fā)展，城市化進(jìn)程和人類活動干擾對城市河流的影響會愈加顯著，城市河流的生態(tài)需水量計算還應(yīng)考慮城市生活需水、工業(yè)需水等。如何更加科學(xué)合理地計算城市河流的生態(tài)需水量，保障城市河流的水生態(tài)系統(tǒng)健康和水資源優(yōu)化配置，需要進(jìn)一步研究。

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