山區(qū)型城市河道生態(tài)需水計算方法研究

榮 燁，肖婷婷

(1. 貴州省水利水電勘測設(shè)計研究院有限公司，貴州 貴陽 550000；2. 貴州水利水電職業(yè)技術(shù)學(xué)院，貴州 貴陽 550000)

國內(nèi)外生態(tài)需水研究主要針對干旱地區(qū)或受水庫梯級影響較大區(qū)域，近年來城市區(qū)域的河流生態(tài)需水問題逐漸受到重視，但對南方河源型的山區(qū)城市河流相關(guān)研究較少[1-3]。為合理利用有限水資源，保障河流生態(tài)流量，對山區(qū)城市河道生態(tài)需水的研究迫在眉睫。

1 工程概況

南明河是長江流域烏江水系清水河的源頭河流，也是貴陽的母親河，發(fā)源于貴州省平壩區(qū)馬場鎮(zhèn)白泥田。由西南向東北流，在兩岔河附近與右支流獨木河匯合，匯口以上稱南明河，以下為清水河干流。南明河全流域集水面積2182 km2，主河道河長148 km，平均比降5.29‰。南明河水環(huán)境從20世紀(jì)80年代開始退化，到90年代污染狀況已經(jīng)十分嚴(yán)重。近年來，貴陽市加大了水環(huán)境綜合整治力度，取得了顯著成效，但受到南明河徑流量偏少、城區(qū)污染排放集中等多種因素影響，水污染情勢依然嚴(yán)峻。其面臨的生態(tài)需水問題主要包括：

(1)貴陽市城市化發(fā)展速度加快，人口密度大，但城市管網(wǎng)的建設(shè)是幾十年間逐步形成的，不同建設(shè)時期的建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)不同，在核心區(qū)老城區(qū)雨污分流難度非常大，污水溢流對南明河水環(huán)境影響較大。

(2)隨著城市下墊面的改變，城市河道的基流減少，周邊主要水源主要保障城市生活和工業(yè)、農(nóng)業(yè)用水，河流生態(tài)及景觀用水缺口較大。

(3)貴陽市的人均降雨量為1200 mm，遠(yuǎn)低于國際紅線1700 mm標(biāo)準(zhǔn)，屬于中度缺水，且時空分布不均勻，對河道穩(wěn)定的徑流帶來更大壓力。

(4)貴陽市的特殊喀斯特地貌特征，其土壤調(diào)蓄能力較差，降雨期過后雨洪水留不住，枯水期河道流量偏小。

2 生態(tài)需水的計算方法

2.1 基本生態(tài)需水

基本生態(tài)需水的計算方法很多，總數(shù)超過200種[4-6]。目前常用的計算方法主要分為四類，即：水力學(xué)法、水文學(xué)法、棲息地法以及整體分析法。

(1)水力學(xué)法。比較常用的水力學(xué)法為R2-Cross法和濕周法。

(2)水文學(xué)法。水文學(xué)法主要代表有：流量歷時曲線法、Tennant法、7Q10法、NGPRP法等。

(3)棲息地法。棲息地法指基于生態(tài)水力學(xué)確定不同時段(汛期、非汛期等)適合水生生物生存環(huán)境的推薦流量，是水力學(xué)法在生態(tài)方面的延伸。由于棲息地法可以具體量化水生生物棲息地可利用性與生態(tài)流量之間的關(guān)系，且具有一定的水力學(xué)與生物學(xué)基礎(chǔ)，因而成為河流生態(tài)需水量研究熱點之一，其最具代表性的是河道內(nèi)流量增量法。

(4)整體分析法。常見的整體分析法主要包括澳大利亞的基準(zhǔn)測量法和南非的建塊法(BBM)。

2.2 河流環(huán)境需水

河流水體被污染，自凈能力下降，使河流生態(tài)環(huán)境功能遭受最為直接的破壞。故河道內(nèi)須維持一定的水量，以此維系水體的自凈功能，這部分水量的研究廣受國內(nèi)外學(xué)者的關(guān)注。天然河流的流場計算較為復(fù)雜，選擇適當(dāng)?shù)挠嬎隳Ｐ蛯ψ罱K計算結(jié)果的精準(zhǔn)性尤其重要[7]。本次研究采用一維水質(zhì)數(shù)學(xué)模型，對河段內(nèi)的污染物濃度變化進(jìn)行模擬分析，見式(1)。

C1=Cpexp(-kx/(86 400u))

(1)

式中：C1為預(yù)測斷面污染物濃度，mg/L；Cp為河道污染物背景濃度，mg/L；k為衰減系數(shù)；x為預(yù)測污染源至預(yù)測點的距離，m；u為河道流速，m/s。

采用河流完全混合模式，解方程可計算河道需要補充的清水量Q，見式(2)：

C2=(C1Q1+C0Q)/(Q1+Q)

(2)

式中：C2為目標(biāo)水質(zhì)濃度，mg/L；Q1為河道水量，m3/s；C0為補水水源相應(yīng)指標(biāo)濃度，mg/L；Q為補水量，m3/s。

2.3 河流景觀需水

滾水壩、景觀壩等水頭建筑物，為使其達(dá)到景觀效果，要求水流在壩體之上形成一定的流動水體。結(jié)合水景觀設(shè)計的有關(guān)要求，形成的堰上水深需達(dá)到5～10 cm，采用堰流式(3)進(jìn)行計算[8-10]：

Q=MB(Z-Z堰頂)1.5

(3)

式中：M為堰流流量系數(shù)，取1.5；B為過流寬度，m；Z-Z堰頂為堰頂水深，m。

3 貴陽市南明河生態(tài)需水量計算

3.1 基本生態(tài)需水量

根據(jù)《河湖生態(tài)環(huán)境需水計算規(guī)范》(SL/T 712—2021)，采用Tennant法計算基本生態(tài)需水量，此方法建立了河流流量與河流生態(tài)環(huán)境狀況之間的經(jīng)驗關(guān)系?？菟诤恿魃鷳B(tài)流量占年平均流量的10%時，生態(tài)處于較差水平且生態(tài)開始退化，此流量為生態(tài)需水的最低標(biāo)準(zhǔn)；枯水期河流生態(tài)流量占年平均流量的20%，生態(tài)處于好的狀態(tài)；當(dāng)河流枯水期生態(tài)流量占年平均流量的30%以上時，河流生態(tài)狀況為非常好。

結(jié)合貴陽市南明河城區(qū)河段的實際情況，為進(jìn)一步改善城區(qū)河段的生態(tài)狀況，枯水期取值20%～30%，對應(yīng)的豐水期取值40%～50%。其中：花溪水庫下游的十里河灘濕地公園、小車河濕地公園、頭堡河雙龍生態(tài)公園及城區(qū)河段涉及水生生物的生態(tài)需水，對應(yīng)控制斷面取上限比例，其他控制斷面取下限比例，各典型斷面生態(tài)需水量占比見圖1。

圖1 南明河各控制斷面生態(tài)水量占比

3.2 河流環(huán)境需水量

以2020年各斷面監(jiān)測數(shù)據(jù)為河道本底值，考慮各污水處理廠現(xiàn)狀處理規(guī)模、污水管網(wǎng)收集率以及再生水廠規(guī)模等，計算南明河流域污染物總量，預(yù)測南明河環(huán)境需水量。經(jīng)查詢相關(guān)文獻(xiàn)資料，本次分析計算COD衰減系數(shù)K1取0.1 L/d、NH3-N衰減系數(shù)K2取0.1 L/d、總磷衰減系數(shù)K3取0.02 L/d。

3.3 河流景觀需水量

經(jīng)調(diào)查，南明河有景觀需求的斷面包括山水黔城、甲秀樓、小車河匯口、市西河匯口、貫城河匯口、松溪河匯口等，各斷面過流寬度分別為55 m、80 m、20 m、18 m、12 m、8 m。由于城區(qū)河段對水景觀要求較高，考慮形成的堰上水深為10 cm。

3.4 生態(tài)總需水量

通過以上參數(shù)確定，結(jié)合南明河上貴陽(三)水文站長系列水文監(jiān)測資料，可計算得到各控制斷面的基本生態(tài)需水量、河流環(huán)境需水量、河流景觀需水量，三者取外包最大值，可得到各控制斷面生態(tài)需水量。經(jīng)計算，南明河的年生態(tài)需水量為99 286萬m3，見表1。

表1 南明河生態(tài)需水量計算結(jié)果 萬m3·a-1

4 結(jié) 論

研究成果為維護(hù)城市水生態(tài)環(huán)境良好狀況、發(fā)揮其正常生態(tài)環(huán)境服務(wù)功能，使其能更好持續(xù)穩(wěn)定運行所需的水量，即水生生物能夠正常生存且滿足水質(zhì)持續(xù)改善、生態(tài)流量穩(wěn)定保障、景觀娛樂不斷提升等不同目標(biāo)需求所需的水資源總量。在分析總結(jié)南方地區(qū)山區(qū)城市河道水文、水環(huán)境、水景觀特點的基礎(chǔ)上，對貴陽市南明河生態(tài)需水進(jìn)行計算及應(yīng)用分析。

根據(jù)貴陽市南明河生態(tài)需水量的計算結(jié)果，各控制斷面生態(tài)需水量扣除區(qū)間來水、豐水期水庫棄水、污水再生利用量等可利用水量后，得到各控制斷面的生態(tài)補水量，結(jié)合貴陽市城區(qū)周邊水資源配置方案，可制定南明河生態(tài)補水方案，切實改善城市水體水生態(tài)狀況。