面向城市河流生態(tài)流量保障的堰高確定方法

孫媛媛，尹心安*，毛顯強，張恩澤，趙彥偉

State Key Laboratory of Water Environment Simulation, School of Environment, Beijing Normal University, Beijing 100875, China

1. 研究進展

在城市化進程中，大量的城市河流被渠化[1]。作為一種全球性現(xiàn)象，城市河流的渠化并不局限于某個特定的地理區(qū)域[2]。河道渠化后，可以有效地提高河流的過水能力，有利于防洪[3]。然而，它也減少了水流的滯留時間，導(dǎo)致河流在某些時段內(nèi)水量短缺[4]。不斷增加的人類用水需求，加之流域下墊面變化下雨水截留率降低等原因，造成城市河流的干涸缺水問題更加嚴峻[5]。水量短缺也導(dǎo)致了渠化河流的生態(tài)環(huán)境出現(xiàn)明顯退化[6]。生態(tài)流量保障是河流生態(tài)環(huán)境保護和水資源綜合管理的基本途徑[7]。

許多學(xué)者對城市渠化河流的生態(tài)流量問題進行了研究，極大推進了生態(tài)流量相關(guān)領(lǐng)域的發(fā)展。生態(tài)流量核算方法可劃分為四大類：水文學(xué)法、水力學(xué)法、棲息地模擬法以及整體法[8]。在核算城市河流生態(tài)流量時[9]，通常會考慮棲息地、污染物稀釋和娛樂（即景觀）所需的水量。為了滿足污染物稀釋的需求，一般采用質(zhì)量平衡方程確定所需的水量[10,11]。而為了滿足娛樂或景觀的需求，生態(tài)流量核算一般采用水力學(xué)方法[12]。

在生態(tài)流量核算的基礎(chǔ)上，許多研究者進一步研究了如何保障生態(tài)流量。這項工作側(cè)重于使用不同的水源，如暴雨期間收集的雨水、污水處理廠的再生水和水庫的淡水資源，并以經(jīng)濟合理和安全可靠的方式來滿足生態(tài)流量要求[13,14]。

盡管對生態(tài)流量進行了大量富有創(chuàng)新性且有價值的研究，但生態(tài)流量短缺現(xiàn)象仍然普遍[15,16]。多方面原因共同造成城市河流生態(tài)流量短缺。常見的原因包括：用水部門之間的激烈競爭、設(shè)計的生態(tài)流量供水保障計劃未完全實施、有限水資源供應(yīng)及其伴隨的隨機性和復(fù)雜性等。此外，生態(tài)流量核算結(jié)果和保障方案與渠化河流的物理結(jié)構(gòu)密切相關(guān)[17,18]。渠化河流的物理結(jié)構(gòu)設(shè)計不當(dāng)，是造成城市河流生態(tài)流量短缺的另一個重要原因。生態(tài)流量核算和保障中存在一個明顯的相互影響關(guān)系，即河流的物理條件直接影響河流的流速和水深[19]，而這兩個因素都與生境提供、污染物稀釋和娛樂等功能密切相關(guān)，進而影響生態(tài)流量核算的結(jié)果[12]；這些結(jié)果最終影響生態(tài)流量的供水水源選擇和供水路線設(shè)置，影響調(diào)水所需的資金投入和區(qū)域內(nèi)不同用戶之間的水資源分配[20-23]。對于渠化的城市河道，渠道由人工修建而成。如果渠道的物理條件設(shè)計不當(dāng)，就可能會增加生態(tài)流量的需求，同時也會增加用戶之間生態(tài)流量供應(yīng)和分配壓力，導(dǎo)致生態(tài)流量保障方案很難按照計劃實施甚至最終面臨失敗。

在城市河道中，常常建造小型溢流型水壩（即堰）來控制水流[24]。堰的高度是堰以及含堰河道設(shè)計的一個重要參數(shù)[25]。在傳統(tǒng)的堰高確定框架中，防洪和蓄水是兩個主要的關(guān)注點[26,27]。對于流域內(nèi)人口密度高的城市河流，防洪是最重要的問題。因此，設(shè)計洪水（如重現(xiàn)期為20年的洪水）被設(shè)定為入流，在該洪水風(fēng)險水平下的最大設(shè)計堰高被確定為堰高[26,27]。該堰的高度是河道內(nèi)允許的堰的最大高度，它可以給河流提供最大的蓄水能力。

然而，盡管該設(shè)計堰高有利于水量儲存，但未充分考慮河流生態(tài)流量保障問題，未考慮可用于生態(tài)流量保障的實際流量。如果河流常見入流無法使水面上升到堰頂，則未來的生態(tài)流量保障效果將很不理想。另外，水華是城市河流面臨的一個嚴重環(huán)境問題[28]，特別是污染物降解能力有限的渠化河道。水華的形成需要較低的流速[29]。隨著堰高的增加，水流的過水?dāng)嗝鎸⒃龃?，因此在給定的流量下，河道中的平均流速將降低。低流速會增加水華發(fā)生的可能性。如果堰過高，而實際入流條件對生態(tài)流量的供應(yīng)能力有限，加之河道地形的作用，部分河段的水流只能間歇性流動，其流速甚至?xí)档椭亮恪４藭r，水華暴發(fā)的風(fēng)險將隨之變高，特別是當(dāng)有持續(xù)污染物輸入的情況下。

本研究旨在改進傳統(tǒng)的僅考慮防洪和蓄水需求的堰高確定框架，使其充分考慮城市河流生態(tài)流量保障的需求，并降低水華等環(huán)境問題的風(fēng)險。本研究選擇中國合肥市十五里河這一典型的城市渠化河流，作為研究案例區(qū)。以下章節(jié)將介紹新的堰高確定框架以及研究案例區(qū)情況，并探討堰高對生態(tài)流量保障的影響。

圖1. 用于確定堰高的傳統(tǒng)框架與新框架的比較。v0是為減少藻華可能性而指定的流速。

2. 方法構(gòu)建

圖1比較了傳統(tǒng)框架[26,27]中的堰高確定步驟和新框架中的步驟。在舊框架中，堰高僅根據(jù)防洪和蓄水的要求來確定。新框架采用傳統(tǒng)框架確定的堰高作為堰高的上限閾值。由于傳統(tǒng)的堰高確定框架是水利工程設(shè)計的常見問題，本研究不再詳細描述，只在2.3節(jié)中簡要給出關(guān)鍵方程。設(shè)計的細節(jié)可參考相關(guān)文獻[26,27]。

在新的框架中，首先需要核算生態(tài)流量，將其設(shè)置為河道必須滿足的最小流量。然后確定用于保障生態(tài)流量所供應(yīng)的實際流量，此流量應(yīng)不小于核算的生態(tài)流量。再將實際流量作為堰的入流，并據(jù)此確定堰高。由于城市河道中水華發(fā)生風(fēng)險性高，本研究將降低水華發(fā)生的可能性作為新框架的主要環(huán)境目標(biāo)。

2.1. 生態(tài)流量核算

對于渠化的河流來說，其河道已經(jīng)變成了長直的且斷面為梯形的混凝土渠道，這也導(dǎo)致了一些珍貴物種的消失[30-32]，因此城市河流生境提供功能的作用相對較低。在本文的分析中，只考慮滿足污染物稀釋和娛樂功能所需的生態(tài)流量。如果有珍貴的物種需要在河道中給予重點保護，則應(yīng)采用其他的核算方法來確定生態(tài)流量[9]。

2.1.1. 用于污染物稀釋的生態(tài)流量

污染物稀釋所需的生態(tài)流量可以根據(jù)質(zhì)量平衡方程[12]確定，具體如下：

式中，Qd為將污染物稀釋至目標(biāo)（或允許）濃度所需的生態(tài)流量；Qp為污水體積；Cp為排入城市河流的污染物濃度；Cmax為規(guī)定（目標(biāo)）水質(zhì)對應(yīng)的污染物濃度；M為通過降解的污染物削減量；C0為用于提供生態(tài)流量（稀釋）的水源中的污染物濃度。

2.1.2. 滿足城市河流娛樂功能的生態(tài)流量

渠化河道的斷面變成了邊坡較陡的梯形，其水面面積通常不隨水深的增加而顯著增加，在流量-水域面積關(guān)系曲線上不存在轉(zhuǎn)折點。因此，對于渠化的城市河流，設(shè)計中必須包含滿足景觀娛樂功能的生態(tài)流量。為確保河床不裸露，水深通常設(shè)置為不小于0.2 m [12]。

此外，在渠化的城市河流中，河道常被堰分割成不同河段而相互隔離。因此，水流的縱向連通性顯得尤為重要，成為支持娛樂功能以及物質(zhì)交換與能源流動的關(guān)鍵所在。為了保持水流的縱向連通性，堰的上游斷面水位必須大于堰高。如果水深較低，則水流不能流過堰頂。此外，為了防止河床裸露，任何河段的最低水位應(yīng)不低于0.2 m [12]。當(dāng)水位上升到堰高以上時，任意大小的連續(xù)水流都將確保水位保持在堰高以上。因此，為了保持河流的縱向連通性，只需確保河段最低水位大于或等于0.2 m。在一個河段內(nèi)，河段上游端的水深通常最低。可將該處滿足水深要求的最小流量設(shè)定為滿足娛樂功能的生態(tài)流量。

曼寧公式是計算明渠流量常用的公式。該經(jīng)驗公式適用于明渠中的均勻流，是河道流速、水流斷面面積和渠道坡度的函數(shù)[33]。最低水位大于或等于規(guī)定水深 （即本研究中的0.2 m）所需流量，可用曼寧公式確定：

式中，Qr為滿足娛樂功能所需的生態(tài)流量；n為曼寧糙率系數(shù)；A為過水?dāng)嗝婷娣e；R為水力半徑；S為渠道坡度；a為渠底寬度；h為水深；m為邊坡系數(shù)。

2.1.3. 總體生態(tài)流量

總體的生態(tài)流量Qe可由下式計算：

式中，Qse是渠道滲漏以及蒸發(fā)產(chǎn)生的耗水量。

2.2. 用于保障生態(tài)流量供應(yīng)的實際流量

2.1節(jié)方法確定的生態(tài)流量是城市河流應(yīng)保持的最小流量。在一定范圍內(nèi)，渠化河流的流量越大，對污染稀釋和景觀娛樂越有利，但實踐中可能無法滿足這一水量要求。向河流供應(yīng)的實際水量大小取決于水資源可利用量、不同用戶的用水需求、為河流管理提供的運行經(jīng)費等因素。實際流量代表了這些因素之間相互妥協(xié)的結(jié)果。目前，已經(jīng)存在多種方法確定可用于生態(tài)流量保障的流量大小[34,35]。本研究將分析可用流量對堰高確定的影響。此外，城市河流的長度通常有幾公里或幾十公里，且河道內(nèi)通常建有若干個堰。不同堰的入流量相互關(guān)聯(lián)且可能存在差異。實際流量情況下各個堰之間的級聯(lián)效應(yīng)需要重點考慮。

2.3. 堰高上限閾值

堰高的上限閾值是遵循傳統(tǒng)框架確定的滿足防洪、蓄水的堰高。該堰高由傳統(tǒng)堰流計算公式確定[26,27]，其關(guān)鍵公式為：

式中，Qf為設(shè)計洪水流量，通過選擇合適的洪水重現(xiàn)期并分析歷史流量資料確定；σ為淹沒系數(shù)；ε為側(cè)向收縮系數(shù)；Cd為堰流流量系數(shù)；b為堰的長度；g為重力加速度；h0是堰上游斷面的總水頭；Δh為堰頂以上的水流高度；a0為動能修正系數(shù)；v為流速；a為渠底寬度；m為邊坡系數(shù)；H為設(shè)計洪水位；hf是根據(jù)洪水風(fēng)險控制要求所確定的堰高。

在以上這些方程中，設(shè)計洪水流量（Qf）、設(shè)計洪水位（H）和參數(shù)σ、ε、Cd、b、g、a0、a、m都是已知或預(yù)先確定的，并用于確定未知的堰高hf。

2.4. 考慮生態(tài)流量的堰高確定

水華是城市河流的一個嚴重問題[28]。以往對水華的研究表明，當(dāng)流速較高時，水華很少發(fā)生[36-39]。因此，在確定堰高時應(yīng)考慮保持河段內(nèi)較高流速，以減少水華發(fā)生的可能性。

各河段內(nèi)的水流流速并不均勻。本研究將堰上游斷面的流速近似代表該堰上游河段內(nèi)的流速。堰上游的流速應(yīng)不低于指定的流速（v0）要求，以減少水華發(fā)生的可能性。

與確定堰高上限閾值相同，新框架中的堰高也由堰流公式計算得到。二者主要區(qū)別在于：在降低水華可能性的堰高確定過程中，來水量（過堰流量）為保障生態(tài)流量所需的設(shè)計流量（Qre）（如果設(shè)計流量Qre隨時間變化，則取其最小值作為來水量），流速（即v0）已知，而在確定堰高上限閾值（hf）時，來水量為設(shè)計洪水的洪峰流量，且最高設(shè)計水位已知。同時為滿足防洪要求，要求設(shè)計堰高不大于hf。

式中，Qre為保障生態(tài)流量的設(shè)計流量；he是考慮生態(tài)流量而確定的堰高。

在上述公式中，設(shè)計流量（Qre）、流速（v0）、根據(jù)防洪要求確定的堰高（hf）以及參數(shù)σ、ε、Cd、b、g、a0、a、m為已知或預(yù)先確定的變量，并用于確定未知的堰高（he）。

3. 案例分析

十五里河位于安徽省境內(nèi)，為中國第五大淡水湖巢湖的上游入湖河流，貫穿合肥市城區(qū)。河流全長22.64 km，流域面積為111.25 km2。為增強河道的泄洪能力，河道已被改造成典型的梯形斷面，并采用混凝土襯砌。河道內(nèi)建有8座攔水堰，用于滿足蓄水和提供生態(tài)流量的要求。

由于上游地區(qū)的過度取水，十五里河河水水量來源受到限制，導(dǎo)致河流呈現(xiàn)間歇性干涸。為了恢復(fù)河流的景觀，為市民創(chuàng)造一個良好的娛樂場所，當(dāng)?shù)卣媱澩ㄟ^一系列河流生態(tài)治理工程提升十五里河河水水質(zhì)，并確保河流的生態(tài)流量得到保障。其中，對境內(nèi)的十五里河污水處理廠（提升后處理能力為2.5 × 105t·d-1，相當(dāng)于2.89 m3·s-1）和胡大郢污水處理廠（提升后處理能力為1.0 × 105t·d-1，相當(dāng)于1.16 m3·s-1）進行提標(biāo)改造，使其能夠滿足生態(tài)流量保障需求。收集的雨水和天鵝湖湖水不再作為常規(guī)水源。所有排入河流的工業(yè)與生活廢水都將由以上兩個污水處理工廠處理，使其排放水質(zhì)達到地表水IV類標(biāo)準(zhǔn)[40]。此外，為了控制由雨水沖刷產(chǎn)生的非點源污染，十五里河流域內(nèi)還將建造眾多雨水調(diào)蓄池。以處理收集的雨水，使雨水排入河流前能達到地表水IV類標(biāo)準(zhǔn)。據(jù)工程規(guī)劃，污水控制和處理項目可以有效控制排放到河流的污染物，使河流水質(zhì)最終優(yōu)于允許水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)（地表水V類標(biāo)準(zhǔn)）。在這種情況下，用于污染物稀釋的生態(tài)流量可以忽略。

兩個污水處理廠規(guī)劃的排放水質(zhì)將達到地表水IV類標(biāo)準(zhǔn)，高于河流允許排放的地表水V類標(biāo)準(zhǔn)。十五里河污水處理廠（2.89 m3·s-1）出水，先調(diào)入上游規(guī)劃的徽州大道濕地做進一步處理，然后調(diào)8個堰以上的天鵝湖（A點）的下游河道。從胡大郢污水處理廠排出的中水（1.16 m3·s-1）將直接排入河道，以保障生態(tài)流量[圖 2（a）]。

圖2. 生態(tài)流量保障的輸水路線[41]。（a）舊路線；（b）本研究提出的新路線。

4. 結(jié)果

本研究并沒有改變堰的數(shù)量和位置，而是為了檢驗所提出框架的有效性重新設(shè)計了堰高。在未來的研究中，將堰的位置及其類型等因素納入考慮范圍，將有助于擴展本研究所提出的框架。堰的類型直接影響堰流淹沒系數(shù)σ、側(cè)向收縮系數(shù)ε和流量系數(shù)Cd。在確定堰型后，以上這些參數(shù)可以通過參考水工設(shè)計手冊或相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)來確定。為了減少計算的復(fù)雜性并專注于確定堰高，本研究將σ、ε和Cd的取值分別設(shè)置為1（表示無淹沒）、1（表示無側(cè)向收縮）和0.502（常用值）[27]。如果其他實際案例中這些參數(shù)的取值發(fā)生改變，仍然可以按照本研究提出的框架重新確定堰高。此外，先前對水華的研究表明，當(dāng)流速大于0.1 m·s-1至0.2 m·s-1時，水華的發(fā)生概率較低[36-39]。因此，本案例考慮了兩個指定的維持流速（v0= 0.1 m·s-1和0.2 m·s-1）。

表1總結(jié)了流速v0= 0.1 m·s-1和 0.2 m·s-1時所需的堰高。根據(jù)新框架確定的堰高低于現(xiàn)有的堰高。這一變化是因為舊堰高是根據(jù)河流中的設(shè)計洪水的峰值流量確定的，其沒有考慮流速或生態(tài)流量的要求。而在新框架下計算的堰高，考慮了生態(tài)流量供應(yīng)所需的實際流量情況以及流速維持的要求。所需的堰高也因河段而異，河段1位于天鵝湖與最上游堰（堰W1）之間，第8段位于最下游（堰W7和堰W8之間）。本研究不考慮堰W8下游的河段。在兩個v0取值下，所需的最高堰高都出現(xiàn)在堰W5，在v0= 0.2 m·s-1和0.1 m·s-1時，堰高分別為0.77 m和1.73 m。最低所需堰高出現(xiàn)在堰W4，在v0= 0.2 m·s-1和0.1 m·s-1時，其堰高分別為0.44 m和1.02 m。

表1 當(dāng)前生態(tài)流量供給條件下所需的堰高

生態(tài)補水線路下，S1、S2、S3、S4、S5、S6、S7、S8河段[圖2（a）]的流速分別為0.05 m·s-1、0.05 m·s-1、0.08 m·s-1、0.04 m·s-1、0.10 m·s-1、0.22 m·s-1、0.02 m·s-1、 0.02 m·s-1。其中，只有堰W5和W6的流速大于或等于0.1 m·s-1。堰W7和W8的流速最低，位于這些堰的上游河段發(fā)生水華的風(fēng)險最高。除了通過水處理和增加流速來降低營養(yǎng)物濃度外，機械曝氣也被視為一種有效手段而被廣泛應(yīng)用。為了減少水華的可能性，建議在堰W7和W8對應(yīng)的S7和S8這兩個流速最低的河段安裝機械曝氣裝置。

我們進一步核算了各個河段為了滿足流速標(biāo)準(zhǔn)所需的流量大?。ū?）。在現(xiàn)有的供水條件下（兩個污水處理廠合計的供水量為2.32 m3·s-1），S3、S5和S6河段在0.1 m·s-1的流速情景下可以滿足流量要求；相應(yīng)地，當(dāng)流速設(shè)置為0.2 m·s-1時，只有S6河段滿足流量要求。因此，由于目前的堰高過高，無法滿足降低水華風(fēng)險所對應(yīng)的生態(tài)流量要求。

表2 滿足抑制水華流速要求的流量大小

5. 討論

5.1. 堰高的篩選

上文所述的堰高與十五里河當(dāng)前的生態(tài)流量調(diào)度方案相對應(yīng)。在實際的生態(tài)流量調(diào)度中，常常在調(diào)水方案確定之前就已經(jīng)確定了堰高。然而，由于生態(tài)流量保障的重要性，也可以首先確定生態(tài)流量的大小，之后由工程設(shè)計人員根據(jù)新框架計算出一個堰高的可接受范圍，并最終從中確定一個首選的堰高方案。

可能性最低的堰高方案對應(yīng)于只滿足最小生態(tài)流量的情景。相應(yīng)地，可能性最高的堰高方案對應(yīng)于所有的可調(diào)配水量都位于河流的最上游[圖2（a）中的A點]注入河道的情景。S1、S2、S3、S4、S5、S6、S7、S8河段的最小生態(tài)流量分別為0.56 m3·s-1、1.33 m3·s-1、1.00 m3·s-1、1.33 m3·s-1、1.10 m3·s-1、0.50 m3·s-1、1.04 m3·s-1、0.90 m3·s-1。S2河 段 的 最 小 生 態(tài) 流 量 為1.33 m3·s-1。因此，滿足S2段生態(tài)流量的情景下，其下游河段的實際流量將不小于1.33 m3·s-1。在最小生態(tài)流量下，堰W1、W2、W3、W4、W5、W6、W7、W8的堰高分別為0.27 m、0.66 m、0.58 m、0.51 m、0.42 m、0.42 m、0.35 m、0.35 m。該堰高指的是在當(dāng)前河道物理條件下可允許的堰高的最低值。在堰的設(shè)計中，無論采用何種生態(tài)流量調(diào)度方案，堰高都應(yīng)高于此數(shù)值。對于十五里河來說，生態(tài)流量的穩(wěn)定供水來源為十五里河以及胡大郢污水處理廠產(chǎn)生的中水。當(dāng)胡大郢污水處理廠出水（1.0 × 105t·d-1）和十五里河污水處理廠的部分出水（1.0 × 105t·d-1）全部完成時，各河段最大的常規(guī)穩(wěn)定補水量等于2.32 m3·s-1（2.0 × 105t·d-1）；十五里河污水處理廠的其余出水將調(diào)往流域其他地區(qū)。調(diào)蓄雨水以及天鵝湖的補水水源并不穩(wěn)定，因此在本研究中暫不做考慮。表3總結(jié)了上述穩(wěn)定補水條件下各堰相應(yīng)的堰高，表中的數(shù)值是此情景下滿足0.1 m·s-1流速要求的堰高上限閾值。

表3 胡大郢污水處理廠出水及部分十五里河出水由上游河段注入河流情景下對應(yīng)的最小堰高

在確定了可接受的堰高范圍后，我們通過擇優(yōu)設(shè)計生態(tài)流量的供水路線和調(diào)度方案，并將流速閾值設(shè)置為0.2 m·s-1，以進一步確定優(yōu)選的堰高。之前的供水路線[圖2（a）]將十五里河污水處理廠的污水調(diào)配到緊靠天鵝湖下游的河流中。所需的管道長度將超過21 km，每天將向上游輸送1.16 m3·s-1的水量（1.0 × 105t·d-1）。這種調(diào)度方式每天的運行成本較大。為了降低成本，我們建議采用修改后的供水路線[圖2（b）]。S2和S4河段的生態(tài)流量要求均為1.33 m3·s-1，相當(dāng)于1.15 × 105t·d-1，而胡大郢污水處理廠的中水（1.16 m3·s-1，1.0 × 105t·d-1）無法滿足這一要求。因此，必須綜合利用胡大郢以及十五里河污水處理廠的污水來滿足生態(tài)流量。我們建議減少十五里河污水處理廠的大規(guī)模長距離輸水。在這種新的調(diào)水方案中，十五里河污水處理廠的污水將以0.23 m3·s-1（1.99 × 104t·d-1）的流量輸送至S2河段，胡大郢污水處理廠的污水將全部輸送至A點。值得注意的是，上述擬定的生態(tài)水量調(diào)水路線和篩選的堰高僅試圖滿足最小的生態(tài)流量要求（最小水深至少為0.2 m）。當(dāng)水量更為充足或水質(zhì)改善要求較高時，可以采用更大的生態(tài)流量作為保障目標(biāo)。

5.2. 研究的可改進之處

本研究通過維持流速，以減少城市河流水華暴發(fā)的可能性。除流速外，營養(yǎng)物質(zhì)含量是決定水華發(fā)生條件的另一個主要因素[42]。以往關(guān)于營養(yǎng)物質(zhì)含量對水華影響的研究給出了相互矛盾的結(jié)論：一些實驗研究發(fā)現(xiàn)，氮（N）和磷（P）濃度對藻類的生長具有同等的限制作用，兩者都是促進水華的必要條件；另外一些實驗則發(fā)現(xiàn)，N是決定藻類水華的限制性因素[43]。在加拿大安大略省西北部進行了37年的全湖試驗解決了這一困惑[44]。該研究表明，在N限制的水體中，藍藻對N固定的作用明顯，可以使藻類生物量的產(chǎn)生速度與P濃度成正比，導(dǎo)致水體高P濃度時藻類大量繁殖。因此，為了降低水體富營養(yǎng)化水平，管理的重點必須放在降低水中的P濃度上。

學(xué)者對引發(fā)藻類大量繁殖所需的P濃度閾值存在分歧，但已經(jīng)證明0.1 mg·L-1的濃度足以引起藻類大量繁殖[45]。0.1 mg·L-1的P濃度閾值也是《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB 3838—2002）中劃分Ⅰ類（地表水最高水質(zhì)級別，適用于源頭水以及國家級自然保護區(qū)內(nèi)的水體）和Ⅱ類（適用于飲用和捕撈等，水質(zhì)要求較高）水體標(biāo)準(zhǔn)的分界線[40]。在城市河流中，水質(zhì)很難達到Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn)（適合飲用和垂釣，水質(zhì)要求不高）或更高水平，因此通常認為V類標(biāo)準(zhǔn)（P的濃度為0.4 mg·L-1，適合農(nóng)業(yè)和河道景觀）是渠道化城市河流可以接受的水質(zhì)。因此，建議在渠化城市河流的堰高確定過程中，將流速維持作為生態(tài)流量保障的重要工作。

不同河流的流速閾值（v0）可能不同。本研究基于以往研究，將流速閾值初步設(shè)定為0.1 m·s-1和0.2 m·s-1[36-39]。鑒于本研究目標(biāo)是改進水資源管理方法，而不是探討導(dǎo)致水華形成的生態(tài)和環(huán)境機制，本研究將流速閾值做了該簡化處理。當(dāng)營養(yǎng)物質(zhì)濃度特別是P濃度很低時，工程設(shè)計者與河道管理者可適當(dāng)降低速度閾值；相應(yīng)地，也可以通過適當(dāng)提高流速閾值，來實現(xiàn)生態(tài)流量保障目標(biāo)。在堰高確定之前，可以進行詳細的實驗來確定這個流速閾值。其取值可能與水溫、流速、營養(yǎng)物質(zhì)含量等因素有關(guān)，應(yīng)根據(jù)環(huán)境和生態(tài)領(lǐng)域的相關(guān)實驗來確定。在這些試驗中，必須根據(jù)待治理河流的實際情況確定其水質(zhì)和溫度特征，并利用預(yù)測模型分析P濃度、流速、水溫和藻類生長之間的關(guān)系。

本研究將減少水華發(fā)生的可能性作為生態(tài)流量保障的一個重要環(huán)境目標(biāo)，并利用河水的流速來減少藻類大量繁殖的可能性。也可以采用其他方法來防止藻類大量繁殖，如物理、化學(xué)、生物等措施[46]。以上所有的方法都需要一定的資金和人力投入，且存在失敗的可能性。因此，我們建議將生態(tài)流量保障作為堰設(shè)計的強制性約束條件，并納入城市河流生態(tài)流量配置與生態(tài)調(diào)度，且在必要時充分考慮其他的替代方法，作為保障生態(tài)流量的可選或附加措施。

此外，每個河段內(nèi)的流速并不是均勻分布。本研究采用簡化的方式，利用堰上游斷面的流速來表征河段內(nèi)的流速。比較保守的方法是利用一維水動力模型，確定河段中流速最低的位置，并保證該位置的流速高于給定的流速閾值v0。如何將一維水力模型納入城市河流生態(tài)流量保障的新框架中，有待于今后進一步研究。

6. 結(jié)論

河流生態(tài)流量核算和保障已有大量的研究。本研究提出將傳統(tǒng)的生態(tài)流量保障框架，由供水階段擴展到河道設(shè)計階段。本研究提出的堰高確定新框架，能夠更有效地滿足典型城市渠化河流對生態(tài)流量的要求。根據(jù)該案例研究的結(jié)果，得出以下結(jié)論：

（1）根據(jù)舊框架確定的堰高，會導(dǎo)致生態(tài)流量需求過大，現(xiàn)有可利用水資源可能難以滿足生態(tài)流量需求。新框架在確定堰高前，會重新評估生態(tài)流量和生態(tài)補水可用的水資源量，并根據(jù)可用水量來確定堰高，而非如舊框架中只著眼于防洪的要求。根據(jù)新框架確定的堰高，更適用于河流生態(tài)流量保障和流域水資源管理。

（2）在傳統(tǒng)的堰高確定框架中，防洪和蓄水是主要關(guān)注的問題，而生態(tài)流量及其保障效果沒有得到明確考慮。在新的框架中，明確考慮了城市河流的生態(tài)流量，并在生態(tài)流量保障中關(guān)注了如抑制水華發(fā)生等重要的環(huán)境目標(biāo)。

（3）案例研究結(jié)果表明，根據(jù)舊框架確定的堰高過高，導(dǎo)致水華發(fā)生的可能性較大。

（4）本方法適用于無排水底孔的堰體。對于有排水底孔的堰，其堰高主要由防洪高度決定。

致謝

感謝國家重點研發(fā)計劃（2017YFC0404504）、國家自然科學(xué)基金（51721093、71861137001）的資金支持。

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Yuanyuan Sun, Xin’an Yin, Xianqiang Mao, Enze Zhang, and Yanwei Zhao declare that they have no conflict of interest or financial conflicts to disclose.