城市河流生態需水量計算方法研究

杜龍飛 侯澤林 李彥彬 張澤中 徐建新

摘?要：隨著社會經濟的快速發展，城市加速擴張，人類活動加劇，致使城市河流水生態系統受損和水資源緊缺的問題愈加突出，因此對城市河流的生態需水進行研究具有重要意義。城市河流的生態需水不同于自然河流，在梳理已有生態需水量計算方法的基礎上，考慮人類活動和城市化進程對城市河流的顯著影響，應用Tennant法計算河道基流生態需水量，同時用經驗公式法計算城市河流的水面蒸發量、滲漏量以及河道外綠化帶景觀用水量作為補充，并以鄭州市為例驗證了該方法的合理性和實用性。

關鍵詞：城市河流;水資源;生態需水量;鄭州市

中圖分類號：TV213.4?文獻標志碼：A

doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2020.02.007

Abstract：The damage to water ecosystems of urban rivers and the shortage of water resources have become more prominent with the rapid development of social economy， the accelerated expansion of cities and the intensification of human activities. As a result， it is of great significance to study the ecological water demand of urban rivers. Based on the existing calculation methods of ecological water demand， Tennant method was used to calculate the basic ecological water demand of urban rivers， considering that the ecological water demand of urban rivers is different from that of natural rivers. As a supplement， the empirical formula methods were respectively used to calculate the ecological water demand from the evaporation and leakage of urban rivers and the ecological water demand from riparian landscape， in consideration of the significant impact of human activities and urbanization on urban rivers. The rationality and practicability of this calculation method was proved by taking Zhengzhou City as an example.

Key words： urban rivers; water resources; ecological water requirement; Zhengzhou City

在全球氣候變化和人類活動影響下，水循環過程及其伴生的水生態和水環境發生了深刻的變化[1]。從全球范圍來看，水資源過度利用的狀況從根本上改變了原有的水循環過程和條件，導致淡水生態系統發生了顯著的退化[2]。人類對水生態系統服務功能需求不斷增加和水生態系統退化之間的矛盾，使社會經濟、水資源和生態安全受到威脅[3-4]。城市河流受人類活動的強烈干擾，對城市河流水資源利用時必須考慮生態需水，才能維持河流生態系統健康和保證水資源的可持續利用[5]。生態需水已成為國內外水資源利用和生態保護領域的研究熱點[6]。澳大利亞、南非、美國和加拿大等40多個國家產生了大量生態需水計算方法，如基于水文數據的Tennant法[7-8]、綜合考慮水質水量的BBM法[9]、結合水力和生物模型的IFIM法[10]等。20世紀末，人類認識到水資源與生態系統的互動性，從而關注兩者的內在聯系，在水資源管理中逐漸重視生態需水和生態系統保護[11-13]。但以往的生態需水研究主要集中在自然河道和流域范圍，對受城市化影響和人類活動干擾較強的城市河流生態需水研究相對較少[14]，因此對城市河流生態需水量計算方法進行研究很有必要。

“城市河流”是指發源于城區或流經城區的河流或河段，也包含歷史上屬人工開挖但經多年演變已具有自然河流特征的河道或渠系[15-16]。城市河流受人類活動干擾強烈：①被人為渠道化嚴重，破壞了原有的河岸河道生態系統;②城市河道底質類型單一化，生物棲息環境復雜性降低，物種數減少，生物多樣性受損;③生產生活污水和工業廢水使水質變差，河流生態環境被破壞，生態功能退化;④人工閘壩等控制性設施增多，城市景觀用水等使河流水資源量過度使用[17]。隨著我國城市化進程加快，人類活動和城市河流之間的相互作用更為強烈[15]，高強度的人類活動使得城市河流生態需水研究工作面臨新的挑戰[18]。筆者對城市河流生態需水量計算方法進行探討，并以鄭州市為例驗證該方法的合理性和實用性，以期為城市河流的生態健康保護及水資源合理配置提供參考。

1?城市河流生態需水量基本概念

城市河流生態需水量是為維護城市生態環境發揮正常物質循環、能量流動和信息交換所需的水資源總量[14，19]，以及為保護河流水生生物、維持生態系統健康和滿足水資源可持續利用所需要的水資源量。

2?城市河流生態需水量計算方法

城市河流水資源通常不會用來灌溉農田，而作為城市生產生活及景觀用水?？紤]到城市化和人類活動干擾的影響，僅計算河道基流生態需水量是不充分的。為保障城市河流基本的生態功能健康，城市河流的生態需水量計算與自然河流相比，不僅需要考慮河道基流來維持水生生物正常生長，而且要考慮城市熱島效應增加的更多水面蒸發量、人類生產生活過度開發地下水產生的滲漏量和河道外城市景觀用水量等。

2.1?河道基本生態需水量

早先美國的水資源管理部門對河道內基流進行研究，提出了河流最小生態需水量的概念，主要是為了改善生物棲息環境與河流生態系統、實現水資源的可持續利用[11-12，20-22]。目前國內外有關生態需水量的計算方法有200多種，國外最早于19世紀開始研究河道最小需水量，20世紀40年代開始大量研究生態需水量。國外河道生態需水量計算方法大致可以分為5類：①歷史流量法，如Tennant法、7Q10法、流量歷時曲線法、ABF法;②水力定額法，如WSP水力模擬法、濕周法、CASIMIR法、R2CROSS法;③棲息地定額法，如有效寬度法（UW）、加權有效寬度法（WUW）、河道內流量增加法（IFIM）;④整體分析法，如南非的BBM法、澳大利亞的整體評價法;⑤生態環境模型法，如IFIM/PHABSI法、EVHA法、CASIMIR法。國內河道生態需水量計算方法大致可以分為3類：①歷史流量法，如枯水年天然徑流估算法、最枯月平均流量法;②防治河流水質污染的生態需水量計算方法，如10 a最枯月平均流量法、水質目標法;③缺資料地區生態需水量計算方法，如水力半徑法[11-12，23-25]。上述方法總體可概述為水文學方法、水力學方法、棲息地法和綜合法?？紤]到城市河流受區域地形條件限制，基本上屬小河流，有較為顯著的人類干擾特征，而在眾多方法中Tennant法較為常用，應用范圍廣，適用于計算有水文站點的季節性河流，即使無水文站點的河流也可以通過水文技術獲得平均流量來進行計算[7]，可應用于計算城市河流的河道基本生態流量。

Tennant法也稱Montana法，是一種不需要現場測量數值的標準設定法。將多年平均徑流量的簡單百分比作為河道基流的推薦值，適應河道季節性變化的需求，能夠解決水生生物、河流景觀娛樂與河流流量之間適應性的問題，具有宏觀的定性指導意義。Tennant法在美國維吉尼亞區域的河流中證實，年均徑流量的10%、20%、30%分別是保障河流水生生物正常生長的棲息地最低、適宜和最佳生態需水量標準[23-27]。城市河流中河道基流須滿足河流水生生物正常生長的最低水量需求，來維持城市河流最基本的水生態系統功能健康。應用Tennant法計算城市河流河道基本生態需水量Wt的公式為

2.2?河流水面蒸發需水量

河流水面蒸發需水量是指在河流內的降水量小于蒸發量時，需要通過水資源配置來補充這部分損失，來保障河流的正常生態功能。河流的水面蒸發是城市河流水量損失的主要途徑之一，必須將這部分水量損耗進行補充，才能保證出入水平衡，保持水位基本不受影響，水量不縮減。通常采用理論公式法，依據河段的斷面形狀、河段長度、設計水深和當地氣象資料計算城市河流的水面蒸發需水量Ww，計算公式為

2.3?河流滲漏需水量

一般當河流中的水位升高、水壓增大，而地下水位較低時會產生滲漏，計算城市河流滲漏量Wu的經驗公式為

式中：Wu為河流年滲漏損失量，m3;Ar為河流年均水面面積，m2;k為經驗系數，根據河道是否進行防滲處理、河床底質類型與厚度、河道斷面形狀等，綜合河流水文特征和河床地質條件分析確定，并劃分成3個等級（見表1）。

2.4?河道外綠化帶的城市景觀需水量

采用面積定額法計算河道外綠化帶的城市景觀需水量Wp，公式為

式中：Wp為城市綠地景觀生態需水量，m3/a;ψ為綠化用水定額，m3/（m2·a），綜合考慮綠地的凈灌溉定額、維持綠地蒸發所需水量和植被生長所需水量來確定[5，28];F為綠化帶覆蓋面積，m2。

3?鄭州市城市河流生態需水量計算

3.1?鄭州市河流概況

鄭州市城區（含建成區、周邊郊縣和規劃區）現有河流9條，涉及黃河、淮河兩大流域，其中枯河屬于黃河流域，剩余8條屬于淮河流域，為賈魯河水系，包括賈魯河干流及其一級支流索須河、東風渠、魏河、金水河、熊耳河、七里河、潮河等[5，28-30]。

3.2?鄭州市河流生態需水量計算

3.2.1?河道基本生態需水量

鄭州市9條河流中有8條屬小河流，缺少相應的水文序列資料。僅賈魯河干流的中牟水文站有部分監測水文序列資料，該水文站控制流域面積2 106 km2，其1965—2008年的年均徑流量為42 989萬m3。依據賈魯河鄭州市河段流域面積1 077 km2，推算出其多年平均徑流量為21 984萬m3。其他8條河流同樣可通過流域控制面積間接推求出其對應的年均徑流量（見表2）。鄭州市河流均屬季節性河流[29]，根據式（1），以多年平均徑流量的20%作為河道適宜基本生態流量的推薦值，計算出河道基本生態需水量（見表2）。

3.2.2?水面蒸發需水量

參照《鄭州市水資源公報》，計算得出1971—1980年鄭州市年均降水量為637.0 mm，河流年均蒸發量為1 853.2 mm。年均蒸發量明顯大于年均降水量，根據式（2）計算出鄭州市河流的水面蒸發需水量（見表3）。

3.2.3?河流滲漏需水量

鄭州市河流分渠化河段和自然河段，根據式（3），對自然河段經驗系數k取1.0 m，渠化河道k取0.5 m，計算出河流滲漏需水量（見表3）。

3.2.4?河道外綠化帶的城市景觀需水量

鄭州市河流大部分為河道外綠化帶的城市景觀用水河道[5]，鄭州市河道外的綠化用水定額ψ取值為3 345 m3/hm2，根據式（4）計算出河道外綠化帶的城市景觀需水量（見表4）。

3.3?結果分析

鑒于鄭州市水資源稟賦較差，河流基本生態流量的計算選取多年平均徑流量的20%作為推薦值，同時計算鄭州市河流的水面蒸發需水量、滲漏需水量和河道外綠化帶的城市景觀需水量，作為鄭州市河流河道基流之外需要補充的水資源量，以保障河流水生生物正常生長的基本環境功能，維持河流生態系統健康。將鄭州市河流河道及河道外各部分生態需水量的計算結果進行匯總，得出河流生態需水量為17 097萬m3（見表5）。

將該計算結果與《鄭州市生態水系規劃》報告中河流生態需水量成果進行對比：索須河、七里河、潮河和枯河計算結果比報告中的稍大，賈魯河和魏河計算結果與報告基本一致，而東風渠、金水河、熊耳河計算結果比報告中的偏小。東風渠、金水河、熊耳河從鄭州市中心區穿過，考慮河流生態景觀需要，為保障鄭州市河流水生態系統健康，在水資源配置時可以適當加大生態補水，如采用Tennant法以多年平均徑流量的30%作為推薦值計算河道基本生態需水量?？傮w對比結果有一定的差別，但相差不大，說明本文提出的城市河流生態需水量計算方法具有一定的實用價值。

4?結?語

城市河流受人類活動干擾強烈，水資源量匱乏，為保障城市河流水生生物正常生長和生態系統健康，對城市河流的生態需水量進行研究很有必要。本文梳理了自然河流生態需水量的計算方法，在此基礎上探討了城市河流生態需水量（河道基本生態需水量、河流水面蒸發需水量、河流滲漏需水量、河道外綠化帶城市景觀需水量）計算方法，并以鄭州市為例驗證了河流生態需水量計算方法的合理性和實用性。隨著人類社會的快速發展，城市化進程和人類活動干擾對城市河流的影響會愈加顯著，城市河流的生態需水量計算還應考慮城市生活需水、工業需水等。如何更加科學合理地計算城市河流的生態需水量，保障城市河流的水生態系統健康和水資源優化配置，需要進一步研究。

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【責任編輯?張華興】