合肥市十五里河生態(tài)補水方案研究

盧 慧

(上海市政工程設計研究總院(集團)第六設計院有限公司，安徽 合肥 230031)

1 概述

1.1 流域概況

十五里河為巢湖一級支流，位于合肥市西南部，發(fā)源于大蜀山東南麓，自西北流向東南，在同心橋處匯入巢湖，流域面積106.6km2，是區(qū)域排水的主要通道，也是城市重要的景觀河道和生態(tài)廊道。十五里河上游建有人工湖泊天鵝湖，主要支流有許小河等。

1.2 工程建設必要性

十五里河貫穿合肥蜀山區(qū)、包河區(qū)核心地帶，對水質、景觀要求很高，然而十五里河上游無穩(wěn)定的清潔水源，河道補給主要來源于天然降水、污水處理廠尾水排放，而十五里河流域降雨不均勻，年降雨量的60%以上集中在汛期，非汛期水量明顯不足，尤其是十五里河上游，如果天鵝湖無下泄流量，則十五里河成無源之水。

近年來，隨著區(qū)域經(jīng)濟社會的快速發(fā)展，十五里河面臨的水資源、水環(huán)境、水污染、水生態(tài)壓力加大，為改善河道水質、增加河道生態(tài)基流、構建河道生態(tài)系統(tǒng)，對十五里河進行生態(tài)補水不僅十分必要而且非常迫切。

2 生態(tài)需水量計算

生態(tài)需水量計算基本要以徑流量為基礎數(shù)據(jù)，十五里河流域內無水文站，無實測流量資料，為此，先根據(jù)水文測驗資料對十五里河進行徑流模擬，為計算生態(tài)需水量提供基礎數(shù)據(jù)。

2.1 十五里河徑流模擬

2.1.1水文測驗

十五里河流域及周邊有塘西、政務、包河、經(jīng)開4個雨量站。為切實了解十五里河流域的水位、徑流等情況，委托合肥水文水資源局在十五里河干流的金寨路下游小橋、美丹路橋、前楊橋設立了3個水位自動遙測站，實時監(jiān)測十五里河河道水位。并安排在3個水位自動遙測站斷面分水位級布置洪水和枯水期流量測驗[1]。雨量站、水位遙測站位置如圖1所示。

圖1 雨量站、水位站位置示意圖

根據(jù)實測流量測驗資料，金寨路下游小橋站及美丹路橋站均能建立起穩(wěn)定的水位流量關系曲線[2]，分別如圖2—3所示，最下游的前楊橋站因受巢湖水位頂托影響，水位與流量間的關系不呈單值函數(shù)關系[3]。

圖2 金寨路下游小橋站水位流量關系曲線

圖3 美丹路橋站水位流量關系曲線

2.1.2實測徑流系數(shù)率定

以金寨路下游小橋站2015年8月10日大雨為例，該站降雨量由政務雨量站控制，根據(jù)政務雨量站5min降雨資料，該場降雨自8月9日12∶10開始至8月10日19∶40終止，降雨歷時31.5h，降雨總量74.0mm。該場降雨距離前場降雨(8月5日降雨，降雨歷時6.5h，降雨量5.5mm)3.5d，該場降雨結束后5d內未有降雨。金寨路下游小橋站水位監(jiān)測資料顯示，該斷面處水位自8月9日12∶10有降雨后開始起漲，至8月11日13∶00水位消落至起漲水位20.31m，如圖4所示。由此可見，十五里河源短流急、洪水陡漲陡落，雨洪同期。

圖4 2015年8月10日降雨累積雨量過程線及水位過程線

根據(jù)遙測水位數(shù)據(jù)查水位流量關系曲線，得出流量過程，如圖5所示。

圖5 2015年8月10日降雨流量過程線

金寨路下游小橋站控制流域面積約21.54km2，2015年8月10日降雨的場降雨總量74.0mm，根據(jù)上述流量過程計算的徑流總量為62.31萬m3，該場降雨期間上游無補水，無污水處理廠尾水排入。計算得出該場降雨的場徑流系數(shù)為0.39。

與此同理，選取不同雨型、不同降雨量級的降雨過程進行分析[4]，計算得出場降雨徑流系數(shù)及月徑流系數(shù)，結果見表1—2。

表1 場降雨徑流系數(shù)計算成果

注：2015年6月26日美丹路橋站水位遙測站尚未建立。

表2 月徑流系數(shù)計算成果

上述計算結果中，下游美丹路橋站徑流系數(shù)大于上游金寨路下游小橋站徑流系數(shù)，原因是在京臺高速處有2根長約1470m、直徑2.4m的管道接入，用于轉接塘西河26.6km2的初期雨水。

徑流系數(shù)與下墊面條件、產(chǎn)流模式、前期影響雨量、降雨雨型、降雨歷時、雨強大小等密切相關[5]，因水文監(jiān)測時間較短，樣本數(shù)有限，上述計算結果僅反應了徑流系數(shù)的大致范圍，根據(jù)該計算結果并參考鄰近流域的徑流資料，初步擬定場降雨徑流系數(shù)和月徑流系數(shù)見表3—4。

表3 場降雨徑流系數(shù)

表4 月徑流系數(shù)

2.1.3十五里河徑流模擬

考慮到塘西雨量站有1968—2017年共50a的逐月降雨資料，將月降雨量乘以對應的月徑流系數(shù)及流域面積，即可得出十五里河徑流量。十五里河多年平均降雨量975.5mm，根據(jù)初步率定的月徑流系數(shù)，十五里河流域多年平均徑流系數(shù)0.37，多年平均徑流量3825萬m3，其中汛期2574萬m3，非汛期1251萬m3。

2.2 生態(tài)需水量計算

河道生態(tài)需水量分為基本生態(tài)需水量和目標生態(tài)需水量，基本生態(tài)需水量為維持河流生態(tài)環(huán)境功能不喪失，需要保留在河道內的最小水量；目標生態(tài)需水量為河流生態(tài)環(huán)境功能正常發(fā)揮，需要保留在河道內的水量。十五里河徑流呈現(xiàn)較為明顯的季節(jié)變化特點，河道生態(tài)需水同樣也呈現(xiàn)較為明顯的季節(jié)變化特點[6]，為保障河流生態(tài)系統(tǒng)健康穩(wěn)定，需要從不同季節(jié)來搭建河流生態(tài)流量的保障體系[7]。

常用的計算生態(tài)需水量的方法有Tennant法、90%保證率法、濕周法、7Q10法等[8- 9]，針對十五里河河道特征，本次采用Tennant法計算河道生態(tài)需水量[10]，Tennant法推薦流量詳見表5。當河道流量占年平均流量的10%時，河槽寬度、水深及流速顯著減少，水生棲息地已經(jīng)退化。當河道流量占年平均流量的30%～60%時，河寬、水深及流速一般是令人滿意的，但無脊椎動物有所減少；當河道流量占年平均流量的60%～100%時，河寬、水深及流速為水生生物提供優(yōu)良的生長環(huán)境，岸邊植物將有充足的水量，無脊椎動物種類繁多、數(shù)量豐富[11]。

表5 Tennant法推薦流量

基本生態(tài)需水量是河道生態(tài)需水要求的下限值，本次取多年平均流量的10%，為使十五里河具有魚類棲息和產(chǎn)卵、育幼等生態(tài)功能，保持河流水面、流量處于上佳狀態(tài)，本次目標生態(tài)需水量取多年平均流量的60%。經(jīng)計算，十五里河基本生態(tài)需水量為382萬m3/a，其中汛期257萬m3/a，非汛期125萬m3/a；目標生態(tài)需水量為2295萬m3/a，其中汛期1544萬m3/a，非汛期751萬m3/a。各節(jié)點需水量詳見表6。

表6 各節(jié)點生態(tài)需水量 單位：萬m3/a

3 補水水源擬定

十五里河周邊可供分析研究的水源有大蜀山分干渠水、巢湖水和城市中水等。

(1)大蜀山分干渠水。大蜀山分干渠位于淠河總干渠尾部，1967年正式通水。該分干渠原設計灌溉面積1.65萬hm2，原灌溉范圍主要位于長江西路以南，現(xiàn)在已基本發(fā)展為城區(qū)，壩坎節(jié)制閘以上保留的灌溉面積僅約4667hm2。為此，合肥市實施了合肥市西南部生態(tài)補水工程，主要考慮在不影響淠河灌區(qū)總的調水原則下，利用大蜀山分干渠部分農(nóng)業(yè)灌溉用水置換為生態(tài)補水。近幾年，一直在通過匡河、天鵝湖為十五里河補水，渠首黃沖閘設計引水流量10.5m3/s，匡河閘設計引水流量3.5m3/s。年補水量2000萬～3000萬m3，水價為0.232元/m3，年補水費用約464～696萬元。

(2)巢湖水。巢湖湖面面積780km2，巢湖閘以上匯水面積9153km2。巢湖流域河網(wǎng)密布，水系發(fā)育，巢湖原設計正常蓄水位為8.0m。近年來，其正常蓄水位有抬高趨勢，一般為8.5～9.0m。現(xiàn)狀已建生態(tài)補水廠工程，分別向塘西河和十五里河補水。向塘西河補水規(guī)模為5萬m3/d，向十五里河補水規(guī)模為10萬m3/d，補水路線由生態(tài)水廠經(jīng)方興大道、上海路、紫云路至十五里河前楊橋下。

(3)城市中水。十五里河流域現(xiàn)有十五里河污水處理廠一座，位于許小河入十五里河口下游左岸，現(xiàn)狀建設規(guī)模為20萬m3/d，污水廠運行良好，處理后尾水能達到準Ⅳ類標準。在建胡大郢污水處理廠選址位于十五里河北側、宿松路東側，設計規(guī)模為10萬m3/d，出水水質為準Ⅳ類。現(xiàn)狀已建許小河補水工程，再生水管道自十五里河污水廠沿天津路、花園大道、包河大道，最終敷設至許小河，補水規(guī)模為5萬m3/d。

(4)補水水源選擇。各補水水源優(yōu)缺點比較見表7，綜合考慮，本次擬推薦以城市中水為主，遇到重大事件等特殊情況需要應急補水時可相機利用大蜀山分干渠水。

表7 補水水源優(yōu)缺點分析

4 生態(tài)補水方案

根據(jù)前述計算，目標生態(tài)需水量大于基本生態(tài)需水量，補水規(guī)模按照目標生態(tài)需水量擬定。已建許小河生態(tài)補水工程已能滿足許小河生態(tài)用水需求，已建巢湖生態(tài)水廠補水工程及十五里河污水處理廠排放的尾水已經(jīng)能滿足十五里河上海路以下生態(tài)用水需求，胡大郢污水處理廠建成后，排放的尾水也能滿足十五里河312國道以下段的生態(tài)用水需求，故本次補水的重點是十五里河312國道以上段。擬新建補水泵站，利用胡大郢污水處理廠尾水提水進行多節(jié)點補水，具體為將胡大郢污水處理廠尾水5萬m3/d提至金寨路下游約950m處的小橋下，2萬m3/d提至天鵝湖壩下，剩余5萬m3/d就近排至十五里河。補水方案示意圖如圖6所示。

圖6 補水方案示意圖

5 結語

本文通過水位監(jiān)測和流量測驗，建立了水位流量關系，通過實測降雨徑流分析，率定了徑流系數(shù)，由降雨量間接推算了徑流量，解決了無實測流量資料的徑流計算問題。通過多水源比較，兼顧上下游關系，進行多節(jié)點補水，為類似城市河流生態(tài)補水提供參考。