成都平原地區(qū)城市湖泊生態(tài)需水計(jì)算方法研究
——以錦城湖為例

覃春?jiǎn)蹋姇曾P，李俊浪

（中國(guó)電建集團(tuán)成都勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，四川成都，610072）

1 前言

成都因水而生、因水而興，成都的治水史就是成都發(fā)展的文明史。兩千多年前興建的都江堰，成就了成都“水旱從人，不知饑饉”的天府之國(guó)，一千年前唐朝造就“二江環(huán)抱”城市格局，成就了“九天開出一成都，萬(wàn)戶千門入畫圖”的優(yōu)美畫卷，二十年前府河、南河、沙河治理，三獲聯(lián)合國(guó)獎(jiǎng)項(xiàng)，譜寫了新篇章。

成都市由于其獨(dú)特的地形條件，城市湖泊多形成于低洼滯洪區(qū)，屬于城市中地形條件較的低區(qū)域，例如興隆湖、東安湖、北湖等，多利用地形條件順勢(shì)成湖?；谏鲜鲈?，低洼區(qū)修建的城市湖泊普遍會(huì)存在沿河污染物直接入湖、初期雨水滲流、支流水系洪期泥沙不斷入湖等水質(zhì)安全隱患。

河湖生態(tài)補(bǔ)水是保障成都市河湖生態(tài)水質(zhì)重要的措施[1]，根據(jù)《四川省都江堰灌區(qū)續(xù)建配套與節(jié)水改造規(guī)劃》，目前成都市主要分配的生態(tài)用水量5億m3，用于平原灌區(qū)的生態(tài)環(huán)境用水，枯期可保證流量為5m3/s，其余水量各月平均分配。城市湖泊作為重要的水量匯集點(diǎn)，其水質(zhì)和水量的保障就顯得尤為重要，如何從需水層面，厘清其生態(tài)需水過(guò)程，需作一定深入研究。

2 成都市湖泊補(bǔ)水策略分析

按湖泊水體交換條件，可將其分為清水型(或封閉型)和換水型兩種類型。清水型湖泊通常不與外界水源進(jìn)行水體交換，依靠地表雨水徑流、地下水等進(jìn)行水量補(bǔ)給，該類湖泊水質(zhì)易受周圍營(yíng)養(yǎng)鹽輸入的影響；而換水型湖泊具有一定的過(guò)水型特征，通常具有一定的換水周期，過(guò)流水質(zhì)及水力停留時(shí)間顯著影響著換水型湖泊的水質(zhì)，當(dāng)過(guò)流水質(zhì)較好或水力停留時(shí)間較短時(shí)，可顯著維持和改善該類湖泊的水質(zhì)。然而，當(dāng)?shù)?、磷等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)大量進(jìn)入封閉性、半封閉性水體或某些滯留(流速小于1 m/min)河流水體中時(shí)，會(huì)導(dǎo)致水體初級(jí)生產(chǎn)力異常增殖，致使水體透明度下降，溶解氧降低，水生生物隨之大批死亡，水味變得腥臭難聞。因此，無(wú)論清水型湖泊還是換水型湖泊，均需要結(jié)合實(shí)際情況適當(dāng)換水，并控制營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的過(guò)量輸入，防止水體富營(yíng)養(yǎng)化的發(fā)生。

對(duì)于新建湖泊，往往因湖泊底泥的營(yíng)養(yǎng)元素釋放、湖濱生態(tài)系統(tǒng)十分脆弱及外界污染物的持續(xù)輸入，往往會(huì)導(dǎo)致水體嚴(yán)重富營(yíng)養(yǎng)化。就目前成都市環(huán)城生態(tài)區(qū)已建成的北湖、錦城湖水質(zhì)來(lái)看，由于初期沖水水質(zhì)較差，加之水體換水頻率極低，環(huán)湖營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)在湖內(nèi)大量聚集，目前富營(yíng)養(yǎng)化特征明顯，水體感官較差，如不進(jìn)行換水和控制水源水質(zhì)，很難維持湖泊水質(zhì)穩(wěn)定、生態(tài)系統(tǒng)健康持續(xù)發(fā)展。通過(guò)調(diào)研國(guó)內(nèi)湖泊治理的一些案例也表明，通過(guò)水體置換，外流引水，可有效稀釋水體營(yíng)養(yǎng)物濃度，并增加水體流動(dòng)性，從而抑制水體變差，防止富營(yíng)養(yǎng)化。

因此，參考國(guó)內(nèi)湖泊水環(huán)境治理成功案例[2]，在近期成都市城市湖泊按換水型湖泊建設(shè)和運(yùn)行管理。在遠(yuǎn)期整個(gè)成都市水源水質(zhì)條件得到實(shí)質(zhì)性改善，湖周入湖污染源得到全面控制以后，可逐漸降低湖泊的換水頻率，直至轉(zhuǎn)換成清水型湖泊。

3 成都市典型湖泊需水計(jì)算

本次以錦城湖作為典型湖泊計(jì)算其生態(tài)需水量。錦城湖項(xiàng)目區(qū)范圍涉及環(huán)城生態(tài)區(qū)內(nèi)的高新區(qū)，面積約1.67km2，湖泊總體庫(kù)容為133.3 萬(wàn)m3，常水位水面面積為67萬(wàn)m3。

3.1 換水型湖泊需水量計(jì)算

換水型湖泊的需水量主要取決于換水周期，通常采用湖庫(kù)完全混合的零維水質(zhì)模型，估算湖泊的年適宜需水量。換水周期指全部湖水交換更新一次所需時(shí)間長(zhǎng)短，是判斷某一湖泊水資源能否持續(xù)利用和能否保持良好水質(zhì)的一項(xiàng)重要指標(biāo)。計(jì)算公式為：

T=V/Q

上式中，T為換水周期，V為湖泊庫(kù)容，Q為平衡時(shí)流入與流出湖庫(kù)的年均徑流量(即多年平均換水量)。

設(shè)湖泊僅由某水源補(bǔ)水并連續(xù)換水，換水過(guò)程中庫(kù)容保持不變，污染物均勻混合，則可建立湖庫(kù)完全混合零維水質(zhì)模型：

上式中，V為湖庫(kù)的水的體積，Q為多年平均換水量，Ic為入湖庫(kù)的某污染物量，Ce為流入湖庫(kù)的水量中污染物組分的濃度，C為湖庫(kù)中污染物組分的濃度，s為污染物反應(yīng)速率常數(shù)。令t＝0，C＝C0時(shí)，求得上式的解析解為：

假設(shè)以氨氮作為控制指標(biāo)，某湖泊初始氨氮濃度為4mg/L(為Ⅴ類水體標(biāo)準(zhǔn)2mg/L的2倍，屬劣Ⅴ類水體)，入湖水源氨氮濃度1 mg/L(Ⅲ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn))，氨氮的污染物反應(yīng)速率常數(shù)s按0.8/a計(jì)，則可計(jì)算出，在換水周期T=0.7a時(shí)，可滿足t=1a、C≈1 mg/L，即按0.7年換水一次，可以使氨氮超標(biāo)的劣Ⅴ類湖水在1年后達(dá)到Ⅲ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。

實(shí)際情況中，由于城市區(qū)域污水、雨水等的入湖，湖泊污染負(fù)荷較大，實(shí)際換水周期應(yīng)遠(yuǎn)小于0.7年。

借鑒目前國(guó)內(nèi)經(jīng)驗(yàn)，要維持湖泊水質(zhì)處于較好狀態(tài)，城市湖泊換水周期應(yīng)維持在20天至2個(gè)月的水平[3]。結(jié)合本項(xiàng)目湖泊補(bǔ)水水源水質(zhì)現(xiàn)狀較差和湖泊周圍污染物負(fù)荷較高的現(xiàn)實(shí)，以“進(jìn)入湖泊污染負(fù)荷越嚴(yán)重、湖泊面積越小，換水周期越短”的原則，合理確定換水周期。此外，成都市汛期(5月～10月)由于降雨豐富，水體置換較快，湖泊發(fā)生水體污染的可能性要低，因此換水周期可適當(dāng)延長(zhǎng)。非汛期(11月～次年4月)降雨量少，如沒(méi)有外來(lái)水量更換水體，會(huì)出現(xiàn)水質(zhì)變差，影響生態(tài)環(huán)境及景觀等問(wèn)題。因此，應(yīng)在非汛期增加交換水量，以保證湖泊水質(zhì)，滿足生態(tài)環(huán)境及景觀需要?；诖?，確定各湖泊汛期（6個(gè)月）換水次數(shù)為2次，即交換周期90天；非汛期（6個(gè)月），換水次數(shù)為6次，即交換周期30天。

3.2 清水型湖泊及濕地需水量計(jì)算

成都市環(huán)城生態(tài)區(qū)的湖泊遠(yuǎn)期按清水型湖泊運(yùn)行管理，根據(jù)國(guó)內(nèi)湖泊運(yùn)行管理經(jīng)驗(yàn)，清水型湖泊仍需一定的水量，以維持湖泊形態(tài)、生態(tài)系統(tǒng)需求。這個(gè)水量稱之為湖泊的年最小需水量。

根據(jù)水量平衡原理，湖泊的年最小需水量Vmin可按下式計(jì)算：

Vmin=Ve+Vt+Vf+Vo-Vr

上式中，Ve為湖泊水面年蒸發(fā)水量，Vt為水生植物和湖濱帶植物年蒸騰水量，Vf為湖泊年滲漏水量，Vo為其它年耗水量(湖周邊植被綠化、環(huán)境衛(wèi)生耗水量)，Vr為湖泊的年降水水量。

按清水型湖泊運(yùn)行的要求，為彌補(bǔ)湖泊蒸發(fā)、滲漏、植物蒸騰及其他耗水，同時(shí)為防止水體水質(zhì)變差，確定各湖泊在非汛期(一般在12月份)換水1次，相關(guān)計(jì)算成果見表1。

表1 錦城湖近遠(yuǎn)期需水量計(jì)算表

根據(jù)上述分析和計(jì)算，推薦城市湖泊1～3年內(nèi)近期采用換水型，年需水量為1050.4萬(wàn)m3，待水質(zhì)以及湖泊自身生態(tài)系統(tǒng)得到成熟之后，轉(zhuǎn)換為清水型模式，其補(bǔ)水頻率以及需水量大幅度減少，年需水量為117.44萬(wàn)m3。

4 結(jié)語(yǔ)

本次需水量計(jì)算充分考慮了湖泊外部條件和自身水力結(jié)構(gòu)對(duì)湖泊需水造成的影響，符合城市生態(tài)環(huán)境設(shè)計(jì)理念，可從生態(tài)補(bǔ)水層面做出對(duì)城市湖泊設(shè)計(jì)層面前瞻性要求，實(shí)現(xiàn)城市湖泊可持續(xù)發(fā)展具有一定的實(shí)踐意義。

本次需水量計(jì)算重點(diǎn)分析了湖泊不同時(shí)期的運(yùn)行特點(diǎn)，選擇了清水型和換水型兩種計(jì)算方法，計(jì)算了錦城湖近期在工程建設(shè)完工后與遠(yuǎn)期成熟運(yùn)營(yíng)條件下兩種不同情境下的生態(tài)需水量，解決了受人為因素影響較多的湖泊生態(tài)需水量計(jì)算的問(wèn)題。

結(jié)合目前城市水資源緊張的情況，生態(tài)需水量的計(jì)算越來(lái)越追求經(jīng)濟(jì)合理，生態(tài)需水量計(jì)算的過(guò)小和過(guò)大都無(wú)法滿足城市和社會(huì)發(fā)展的要求，本方法對(duì)于實(shí)現(xiàn)城市湖泊建設(shè)近期與遠(yuǎn)期運(yùn)營(yíng)補(bǔ)水的相互協(xié)調(diào)，實(shí)現(xiàn)城市湖泊全生命周期的經(jīng)濟(jì)合理管控有一定的促進(jìn)作用。