川南地區(qū)河道生態(tài)需水量計算方法研討

覃春喬，鐘曉鳳，李俊浪

（中國電建集團成都勘測設(shè)計研究院有限公司，四川 成都 610072）

0 前 言

水是地球生物賴以生存的源泉，是生命系統(tǒng)的基礎(chǔ)。河湖水系是水資源的載體，是生態(tài)環(huán)境的重要組成部分，也是經(jīng)濟社會發(fā)展的基礎(chǔ)，伴隨著城市的快速發(fā)展，人民追求美好生活的需求日益迫切，水資源的使用分配在注重生活用水、生產(chǎn)用水開發(fā)與研究的同時，對生態(tài)需水的關(guān)注度也越來越強。河湖生態(tài)需水研究在世界許多國家的研究已較為廣泛，目前已經(jīng)成為生態(tài)學(xué)、水文學(xué)和水資源學(xué)研究的前沿問題［1］。

河道內(nèi)生態(tài)需水量是生態(tài)環(huán)境需水的組成部分，是指維系河道生態(tài)系統(tǒng)健康所必須的水量，其對河流生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、功能、形態(tài)的維護具有重要的意義。從結(jié)構(gòu)功能上看，河道生態(tài)需水是由多元變量組成的一個有機整體，包含河道基流量、河道輸沙需水、下滲與蒸發(fā)需水、凈化需水、河濱帶濕地需水、生態(tài)景觀需水等各個結(jié)構(gòu)功能需水量。

現(xiàn)在國內(nèi)外對生態(tài)環(huán)境需水量的研究已經(jīng)達到了比較先進的水平，計算方法多樣且較為成熟。目前生態(tài)環(huán)境需水量的種類很多，包括城市生態(tài)環(huán)境需水量，濕地環(huán)境需水量，流域生態(tài)環(huán)境需水量等等。生態(tài)環(huán)境需水量的估算方法很多，有側(cè)重水文學(xué)方面的，也有側(cè)重水力學(xué)方面或生態(tài)學(xué)方面的方法。常用的有：Tennant法、水生物基流法、可變范圍法、7Q10法、年最小流量法、流量持續(xù)時間曲線分析法、濕周法等［2］。

從發(fā)展趨勢而言，河湖需水量計算從單純的河道自身逐漸演變?yōu)殛P(guān)聯(lián)河道周邊環(huán)境的多因素條件下的計算，受到人為影響的調(diào)度越來越多。河道生態(tài)水量的考慮從保障河道自身用水需求之余，還應(yīng)滿足日常城市形象等需求，其扮演的角色越來越重要。隨著城市水系連通的興起，在進行城市河道生態(tài)景觀的建設(shè)過程中，一方面會考慮設(shè)置跌水堰壩、水閘、丁壩等設(shè)施來形成雍水格局，形成良好的生態(tài)景觀效果，另一方面，由于水系連通往往打破原有的匯水格局，使得河道無法按照天然河道來分析計算。

川南地區(qū)河道流程短、坡降大、河道匯流面積小，河道水資源條件豐枯期差別明顯，汛期峰高浪急，枯期河道干涸，灘地裸露。從目前川南地區(qū)城市河道運行經(jīng)驗來看，既不能完全參考天然河道計算方法，也不能按照大江大河計算模式，亟需尋找一種匹配川南地區(qū)水源特點以及滿足城市生態(tài)用水需求的需水量計算方法。

1計算方法探索

結(jié)合川南地區(qū)樹枝狀水系特征，為了確保河道維持一定的水位，經(jīng)濟合理的利用水資源，實現(xiàn)汛枯期的水量配置，通常采用構(gòu)架梯級城市生態(tài)景觀堰形式，實現(xiàn)河道自身蓄水和外部調(diào)水的屯蓄，通過結(jié)合地形條件特征與規(guī)劃要求，形成宜寬則寬、宜淺則淺、宜深則深、宜窄則窄的豐富多樣的水系形態(tài)，最大限度實現(xiàn)保留水系空間自然屬性。

本次通過調(diào)研和分析，川南地區(qū)地形條件決定其引調(diào)水水源選擇空間不足，河道需選取較為經(jīng)濟合理的運行與調(diào)度模式，保障河湖生態(tài)安全。川南河道在高坡降條件下，一般維持其微小流態(tài)，以確保河道水質(zhì)滿足要求，擬定的計算方法如下：

式中，W需水為計算得到的河湖生態(tài)需水量，萬m3；W蒸發(fā)為計算得到的河湖水面蒸發(fā)量，萬m3；W滲漏為計算得到的河湖水面滲漏量，萬m3；W基流為計算得到的河湖水面基流量，萬m3。

生態(tài)需水量考慮主要有三部分。第一部分為河道水面蒸發(fā)，河道水面蒸發(fā)主要的影響因子為有水體表面的面積和形狀、水深、水質(zhì)和水面的狀況等因素。其中核心的因子為水面面積，本次簡化考慮，把水面面積作為單因子考慮；第二部分為河道滲漏，本次河道由于河底常水位底部常年在淹沒范圍內(nèi)，且工程施工一般會考慮防滲等因素的影響，河道基本可以看作為眾多個梯級堰壩形成串聯(lián)式水庫，主要受到河床質(zhì)和土壤巖性的影響，按照水庫計算方法簡化計算，主要的參數(shù)為河庫庫容和滲漏系數(shù)；第三部分為河道生態(tài)基流，由于河道受到堰壩控制，河道常年維持微小流動狀態(tài)，水質(zhì)作為控制因素，往往是河湖生態(tài)環(huán)境健康體系中最為關(guān)鍵的指標(biāo)，本次河湖需水以水體水質(zhì)作為控制因素總體確保其生態(tài)基流。

計算公式及其中分項計算方法如下所示。

（1）蒸發(fā)量計算

水面蒸發(fā)生態(tài)需水量是指為彌補由于水面蒸發(fā)所消耗的水量，通過河道的水位計算其水面面積，由水面蒸發(fā)量和河道水面面積計算河湖的蒸發(fā)水量。河流的水面蒸發(fā)是河流水量消耗的重要方式之一，這需要一定的水量用于維持系統(tǒng)正常的環(huán)境功能。當(dāng)水面蒸發(fā)高于降雨量時，通過水面蒸發(fā)量與降水量差值所計算的消耗與蒸發(fā)的凈水量。

通過收集區(qū)域內(nèi)典型的蒸發(fā)降雨過程，計算河道雍水之后形成的水面面積，以日、月為單位，計算每日或者每月的蒸發(fā)量和降雨量，最后按公式計算蒸發(fā)量。公式為：

式中，W蒸發(fā)為河湖水面蒸發(fā)量，萬m3；F為常態(tài)下河湖水面面積，萬m2；Ej為河道逐月蒸發(fā)量，mm；Pj為河道逐月降雨量，mm。

（2）滲漏量計算

滲漏量采用庫損法或者逐月滲漏量計算法進行計算。其中庫損法公式為：

式中，W滲漏為河湖水面滲漏量，萬m3；V為常年平均河湖庫容，萬m3；α為河道逐月庫損系數(shù)，結(jié)合水庫設(shè)計要求，α的值取為1%～5%。

（3）基流量計算

由于川南地區(qū)河道屬于寬深比不大的中小河流，故認為污染物質(zhì)在較短的河道斷面內(nèi)基本能均勻混合，斷面污染物濃度橫向變化不大，則可采用一維水質(zhì)模型計算納污能力?？紤]到污染物一般是沿河多處排放的，即每個河段內(nèi)可能存在多個入河排污口，為了簡化計算，可將計算河段內(nèi)的雨水徑流污染概化為一個集中的排污口，且位于河段中點處，相當(dāng)于一個集中點源，這樣得到如下一維水質(zhì)模型：

式中，k為污染物的綜合衰減系數(shù)，1／d；u為河流的設(shè)計平均流速，m／s；CS為功能區(qū)水質(zhì)目標(biāo)值，mg／L；C0為功能區(qū)水質(zhì)初始濃度值，mg／L；L為沿河流經(jīng)的距離，km；Q為設(shè)計流量，m3／s；W為污染物最大允許入河速率，t／a。

2 工程區(qū)域概況

自貢市位于四川盆地西南部，沱江穿境而過，地理位置優(yōu)越，交通便利，物產(chǎn)豐富，是四川省經(jīng)濟發(fā)達地區(qū)。自貢東部新城位于中心城區(qū)東部，北接內(nèi)宜高速公路大山鋪片區(qū)，東連成自瀘赤高速公路，西臨鴻鶴片區(qū)，南臨釜溪河，規(guī)劃總面積34 km2，規(guī)劃人口規(guī)模29萬人。

自貢市是全國50個嚴(yán)重缺水城市之一，人均水資源455 m3，釜溪河為四川省水質(zhì)最差的河流之一，生態(tài)系統(tǒng)退化，環(huán)境污染嚴(yán)重。治理水環(huán)境、加強生態(tài)文明建設(shè)、建設(shè)美麗自貢，對于全面建成小康社會，具有極其重要的意義。

河湖水系連通是以江河、湖泊、水庫等為基礎(chǔ)，采取合理的疏導(dǎo)、溝通、引排、調(diào)度等工程和非工程措施，建立或改善江河湖庫水體之間的水力聯(lián)系，有助于改善東部新城城市面貌。目前部分流域和區(qū)域已初步形成了以自然水系為主、人工水系為輔、具有一定調(diào)控能力的江河湖庫水系及其連通格局，為促進經(jīng)濟社會發(fā)展發(fā)揮了重要作用。

自貢市東部新城河道連通具體包括新建宜昆河、宜家河、宜陳河和農(nóng)印河，總長14.02 km，泗河均位于規(guī)劃綠地內(nèi)，宜寬則寬，宜窄則窄，建設(shè)后水面面積達60.89萬m2，其中原有塘堰水面（楊柳塘水庫／青蓮寺水庫）面積8.22萬m2。

東部新城水系布局上充分結(jié)合地形地貌，水系特性如表1所示。

表1 東部新城水系特性

本次河道總的流域面積為16.56 km2（宜昆河與農(nóng)印河重合7.47 km2），河道總長度為14.02 km，河道水面面積69.12萬m2，河道平均寬度37～56 m，總體河道庫容為207.37萬m3。

3 需水量計算

3.1 蒸發(fā)量計算

本次結(jié)合自貢站氣象站為研究區(qū)的基站，因此采用自貢站的數(shù)據(jù)計算生態(tài)需水中的蒸發(fā)量。其中多年平均降雨量為1 024.7 mm，多年平均蒸發(fā)量1 019.3 mm（Ф20 cm蒸發(fā)皿）根據(jù)《四川省水文手冊》，折算系數(shù)取0.6，多年水面蒸發(fā)量1 698.8 mm。通過計算全年蒸發(fā)量為57.66萬m3。蒸發(fā)量計算結(jié)果見表2。

表2 蒸發(fā)量計算結(jié)果

3.2 滲漏量

假定滲漏段內(nèi)損失均勻，參考相關(guān)數(shù)據(jù)，河道內(nèi)對應(yīng)各流量的滲漏補給系數(shù)。當(dāng)河湖中有水存在，水位抬高，水壓加大，在地下水位較低的情況下就會發(fā)生滲漏，產(chǎn)生滲漏損失，本次考慮目前河道采用黏土防滲，滲漏系數(shù)取1%。滲漏量為24.88萬m3。滲透量結(jié)果見表3。

表3 滲漏量計算結(jié)果

3.3 污染降解需水量計算

根據(jù)《水域納污能力計算規(guī)程》（GB／T 25173-2010），本次計算擬采用污染負荷法中的估算法計算年入河污染物量。

宜昆河、宜家河、宜陳河、農(nóng)印河水體污染負荷來源于生活污水排放、工業(yè)廢水、養(yǎng)殖廢水、污水處理廠尾水污染等方面，結(jié)合污染物入河分析對各河流進行納污能力核算。由于四條河流均為東部新城連通河道，區(qū)域內(nèi)無養(yǎng)殖廢水，在規(guī)劃建設(shè)過程中，已對工業(yè)廢水、生活污水、初期雨水進行完全截污，污水處理廠尾水也已完全提標(biāo)升級。因此，東部新城流域內(nèi)主要污染物是由降雨帶入的污染量。

3.3.1 降雨帶入的污染量概算

自貢市常年降雨量為1 024.7 mm，根據(jù)自貢市的雨水水質(zhì)分析資料，確定該區(qū)域雨水水質(zhì)為NH3-N、COD和TP，其濃度分別為0.50 mg／L、8.54 mg／L、0.05 mg／L。預(yù)計降雨帶入的污染量見表4。

表4 連通河道降雨帶入的污染量

3.3.2 水質(zhì)模型的選擇和概化

采用上文一維計算模型，其中參數(shù)選取如下：

（1）污染物的綜合衰減系數(shù)k的確定

污染物綜合衰減系數(shù)k是反映污染物沿河段長度變化的綜合系數(shù)，是計算河段水系納污能力的一個重要參數(shù)，與河流的水力學(xué)、水質(zhì)污染程度、水溫、河流本底質(zhì)、河床粗糙率、流速等諸多因素有關(guān)。

據(jù)查，長江水資源保護科學(xué)研究所在南水北調(diào)中線工程可行性研究專題之八《環(huán)境影響評價》中，確定漢江中下游kCOD值為0.2～0.4；日本規(guī)定的k值為0.12～0.24。本次設(shè)計采用相關(guān)研究資料的數(shù)據(jù)，取kCOD、kNH3-N、kP值分別為0.2／d、0.05／d、0.1／d。

（2）河流參數(shù)確定

參考國內(nèi)外人工湖泊水體流動流速控制要求，在水資源短缺的前提下，河道流速較低，基本維持微小流動狀態(tài)。通過參考杭州西湖、武漢東湖、在建興隆湖等成功案例，河道流速控制為0.02 m／s，一方面可確保水體微小流動，一方面可為水體自凈能力提供良好的環(huán)境。同時結(jié)合本次河道設(shè)計，平均水深為3～4 m左右，通過跌水堰串聯(lián)蓄水，可屯蓄207萬m3，維持水體自凈能力有水量保障。各河道相關(guān)設(shè)計參數(shù)見表5。

表5 河道相關(guān)設(shè)計參數(shù)

3.3.3計算條件

東部新城四條連通河道按GB3838中的Ⅳ類水標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行，即出入口水質(zhì)均按Ⅳ類水控制。具體河道水質(zhì)控制指標(biāo)見表6。

表6 河道水質(zhì)控制要求

3.3.4 降雨量分析

本次考慮污染物主要來源為降雨攜帶污染物入河，而降雨量可劃分為逐月過程，各月都有不同的降雨量，按照各月降雨量計算各月污染物含量，進而計算污染物濃度，作為模型輸入?yún)?shù)，同時以COD、TP、NH3-N作為水質(zhì)指標(biāo)，根據(jù)水生態(tài)構(gòu)建效果，制定合理降解系數(shù)，逐月計算河道水質(zhì)達標(biāo)所需要的生態(tài)補水流量，取三個指標(biāo)中需水量作為當(dāng)月生態(tài)水量。自貢市多年平均降雨量見表7。具體計算過程數(shù)據(jù)見表8。東部新城河道生態(tài)需水量見表9。

表7 自貢市多年平均降雨過程

表8 降解水量計算成果情況

表9 東部新城河道生態(tài)需水流量計算情況 單位：萬m3

4 結(jié)果分析

4.1 本次河道需水計算結(jié)果分析

本次計算河道需水量包含蒸發(fā)、滲漏和河道水質(zhì)保障基本需求水量，其中河道水質(zhì)保障基本需求水量主要與降雨關(guān)聯(lián)，河道總體補水量呈汛期多、枯期少的情況，符合川南地區(qū)河道時空不均的特性，為城市補水水源選取的多樣化空間，也基本符合川南地區(qū)水量調(diào)配的總體規(guī)律。

本次針對水源的需求過程和水源自身的特點類似，枯期不會占據(jù)水源過多的水量，對水源點自身河道需水以及生態(tài)系統(tǒng)的保障具有一定的保護價值，且不會因為枯期大量引水造成跌水堰范圍內(nèi)底泥上翻，造成水體渾濁。汛期時期調(diào)配水資源量，有助于實現(xiàn)河庫聯(lián)合調(diào)度的水資源綜合利用，擴大城市汛期河道流量。形成跌水瀑布等城市景觀，對城市的環(huán)境美化和活力提升具有較強的助力。

本次需水量中蒸發(fā)滲漏占有的比例不多，滿足河道蒸發(fā)滲漏需水不多，河道需水主要是考慮河道水質(zhì)總體得到保障，基本維持河道具有一定微小流動性，避免河道常年存在死水狀態(tài)。

4.2 與其他方法計算成果對比

本次按照Tennant法、濕周法等方法做同步計算。

4.2.1 Tennant法

根據(jù)凌家場站徑流資料分析計算，多年平均徑流深為279 mm，本次河道流域面積為16.56 km2，按照Tennant法計算結(jié)果河道需水量為45.5萬m3。

4.2.2 濕周法

本次斷面采用生態(tài)斷面形式，按照濕周法計算結(jié)果為1 539萬m3，逐月計算結(jié)果如表10所示。

表10 東部新城河道生態(tài)需水流量計算情況 單位：萬m3

Tennant法和濕周法計算的結(jié)果都為月均固定值，其中Tennant法計算結(jié)果不考慮周邊降雨蒸發(fā)等環(huán)境對水體造成的影響，也無法針對河道自身水力結(jié)構(gòu)在需水量層面的影響做相應(yīng)差別計算；濕周法僅考慮結(jié)構(gòu)影響，針對周邊降雨蒸發(fā)等環(huán)境對水體造成的影響難以量化；本方法蒸發(fā)和降解都考慮了降雨蒸發(fā)對水體造成的影響，滲漏和蒸發(fā)部分也結(jié)合河道自身形態(tài)做了相應(yīng)需水量的調(diào)整，具備動態(tài)調(diào)整性。

5 結(jié)論與展望

（1）本次方法解決了受人為影響較多的河道生態(tài)需水量計算的問題，生態(tài)需水量保障了自身的蒸發(fā)滲漏，同時也提高了水系的流動性。解決了匯流面積小的河道生態(tài)水量計算的問題，使計算的河道蓄水量既能滿足城市生態(tài)景觀需求，同時也能經(jīng)濟利用水資源。

（2）本次需水量主要從蒸發(fā)、滲漏和污染降解三個維度針對川南地區(qū)堰壩結(jié)構(gòu)下河湖需水量做了詳細的計算，主要解決川南地區(qū)河道匯流面積小、河道來水不足、水資源時空分布不均、水污染承載能力低、水源條件不足等問題。河道需水量計算既滿足了符合區(qū)川南地區(qū)河道時空不均的特性，推高了水源選取的多樣化空間，也基本符合川南地區(qū)水量調(diào)配的總體規(guī)律，在河湖生態(tài)補水層面設(shè)計上具有較強的可操作性。

（3）本次需水量計算充分考慮了外部條件和自身水力結(jié)構(gòu)對河道需水造成的影響，河道需水根據(jù)區(qū)域條件以及河道自身設(shè)計有了動態(tài)的調(diào)整，符合城市生態(tài)環(huán)境設(shè)計理念，可從生態(tài)補水層面做出對城市河道設(shè)計層面前瞻性要求，對實現(xiàn)城市河道可持續(xù)發(fā)展具有一定的指導(dǎo)意義。

（4）結(jié)合目前城市水系連通的建設(shè)，生態(tài)需水量的計算越來越追求經(jīng)濟合理，生態(tài)需水量計算的過小和過大都無法滿足城市和社會發(fā)展的要求，本方法可實現(xiàn)城市河道設(shè)計與后期運營相互協(xié)調(diào)，實現(xiàn)河道全生命周期的經(jīng)濟合理管控。