川南地區河道生態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，是生命系統的基礎。河湖水系是水資源的載體，是生態環境的重要組成部分，也是經濟社會發展的基礎，伴隨著城市的快速發展，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、生產用水開發與研究的同時，對生態需水的關注度也越來越強。河湖生態需水研究在世界許多國家的研究已較為廣泛，目前已經成為生態學、水文學和水資源學研究的前沿問題［1］。

河道內生態需水量是生態環境需水的組成部分，是指維系河道生態系統健康所必須的水量，其對河流生態系統的結構、功能、形態的維護具有重要的意義。從結構功能上看，河道生態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、下滲與蒸發需水、凈化需水、河濱帶濕地需水、生態景觀需水等各個結構功能需水量。

現在國內外對生態環境需水量的研究已經達到了比較先進的水平，計算方法多樣且較為成熟。目前生態環境需水量的種類很多，包括城市生態環境需水量，濕地環境需水量，流域生態環境需水量等等。生態環境需水量的估算方法很多，有側重水文學方面的，也有側重水力學方面或生態學方面的方法。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、流量持續時間曲線分析法、濕周法等［2］。

從發展趨勢而言，河湖需水量計算從單純的河道自身逐漸演變為關聯河道周邊環境的多因素條件下的計算，受到人為影響的調度越來越多。河道生態水量的考慮從保障河道自身用水需求之余，還應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景觀的建設過程中，一方面會考慮設置跌水堰壩、水閘、丁壩等設施來形成雍水格局，形成良好的生態景觀效果，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。從目前川南地區城市河道運行經驗來看，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水源特點以及滿足城市生態用水需求的需水量計算方法。

1計算方法探索

結合川南地區樹枝狀水系特征，為了確保河道維持一定的水位，經濟合理的利用水資源，實現汛枯期的水量配置，通常采用構架梯級城市生態景觀堰形式，實現河道自身蓄水和外部調水的屯蓄，通過結合地形條件特征與規劃要求，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，最大限度實現保留水系空間自然屬性。

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

式中，W需水為計算得到的河湖生態需水量，萬m3；W蒸發為計算得到的河湖水面蒸發量，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。

生態需水量考慮主要有三部分。第一部分為河道水面蒸發，河道水面蒸發主要的影響因子為有水體表面的面積和形狀、水深、水質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，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式水庫，主要受到河床質和土壤巖性的影響，按照水庫計算方法簡化計算，主要的參數為河庫庫容和滲漏系數；第三部分為河道生態基流，由于河道受到堰壩控制，河道常年維持微小流動狀態，水質作為控制因素，往往是河湖生態環境健康體系中最為關鍵的指標，本次河湖需水以水體水質作為控制因素總體確保其生態基流。

計算公式及其中分項計算方法如下所示。

（1）蒸發量計算

水面蒸發生態需水量是指為彌補由于水面蒸發所消耗的水量，通過河道的水位計算其水面面積，由水面蒸發量和河道水面面積計算河湖的蒸發水量。河流的水面蒸發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正常的環境功能。當水面蒸發高于降雨量時，通過水面蒸發量與降水量差值所計算的消耗與蒸發的凈水量。

通過收集區域內典型的蒸發降雨過程，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量和降雨量，最后按公式計算蒸發量。公式為：

式中，W蒸發為河湖水面蒸發量，萬m3；F為常態下河湖水面面積，萬m2；Ej為河道逐月蒸發量，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，結合水庫設計要求，α的值取為1%～5%。

（3）基流量計算

由于川南地區河道屬于寬深比不大的中小河流，故認為污染物質在較短的河道斷面內基本能均勻混合，斷面污染物濃度橫向變化不大，則可采用一維水質模型計算納污能力。考慮到污染物一般是沿河多處排放的，即每個河段內可能存在多個入河排污口，為了簡化計算，可將計算河段內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，相當于一個集中點源，這樣得到如下一維水質模型：

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

2 工程區域概況

自貢市位于四川盆地西南部，沱江穿境而過，地理位置優越，交通便利，物產豐富，是四川省經濟發達地區。自貢東部新城位于中心城區東部，北接內宜高速公路大山鋪片區，東連成自瀘赤高速公路，西臨鴻鶴片區，南臨釜溪河，規劃總面積34 km2，規劃人口規模29萬人。

自貢市是全國50個嚴重缺水城市之一，人均水資源455 m3，釜溪河為四川省水質最差的河流之一，生態系統退化，環境污染嚴重。治理水環境、加強生態文明建設、建設美麗自貢，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，采取合理的疏導、溝通、引排、調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系，有助于改善東部新城城市面貌。目前部分流域和區域已初步形成了以自然水系為主、人工水系為輔、具有一定調控能力的江河湖庫水系及其連通格局，為促進經濟社會發展發揮了重要作用。

自貢市東部新城河道連通具體包括新建宜昆河、宜家河、宜陳河和農印河，總長14.02 km，泗河均位于規劃綠地內，宜寬則寬，宜窄則窄，建設后水面面積達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 蒸發量計算

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

表2 蒸發量計算結果

3.2 滲漏量

假定滲漏段內損失均勻，參考相關數據，河道內對應各流量的滲漏補給系數。當河湖中有水存在，水位抬高，水壓加大，在地下水位較低的情況下就會發生滲漏，產生滲漏損失，本次考慮目前河道采用黏土防滲，滲漏系數取1%。滲漏量為24.88萬m3。滲透量結果見表3。

表3 滲漏量計算結果

3.3 污染降解需水量計算

根據《水域納污能力計算規程》（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、農印河水體污染負荷來源于生活污水排放、工業廢水、養殖廢水、污水處理廠尾水污染等方面，結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，區域內無養殖廢水，在規劃建設過程中，已對工業廢水、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升級。因此，東部新城流域內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，根據自貢市的雨水水質分析資料，確定該區域雨水水質為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 水質模型的選擇和概化

采用上文一維計算模型，其中參數選取如下：

（1）污染物的綜合衰減系數k的確定

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

據查，長江水資源保護科學研究所在南水北調中線工程可行性研究專題之八《環境影響評價》中，確定漢江中下游kCOD值為0.2～0.4；日本規定的k值為0.12～0.24。本次設計采用相關研究資料的數據，取kCOD、kNH3-N、kP值分別為0.2／d、0.05／d、0.1／d。

（2）河流參數確定

參考國內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。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境。同時結合本次河道設計，平均水深為3～4 m左右，通過跌水堰串聯蓄水，可屯蓄207萬m3，維持水體自凈能力有水量保障。各河道相關設計參數見表5。

表5 河道相關設計參數

3.3.3計算條件

東部新城四條連通河道按GB3838中的Ⅳ類水標準執行，即出入口水質均按Ⅳ類水控制。具體河道水質控制指標見表6。

表6 河道水質控制要求

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，作為模型輸入參數，同時以COD、TP、NH3-N作為水質指標，根據水生態構建效果，制定合理降解系數，逐月計算河道水質達標所需要的生態補水流量，取三個指標中需水量作為當月生態水量。自貢市多年平均降雨量見表7。具體計算過程數據見表8。東部新城河道生態需水量見表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 東部新城河道生態需水流量計算情況 單位：萬m3

4 結果分析

4.1 本次河道需水計算結果分析

本次計算河道需水量包含蒸發、滲漏和河道水質保障基本需求水量，其中河道水質保障基本需求水量主要與降雨關聯，河道總體補水量呈汛期多、枯期少的情況，符合川南地區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水量調配的總體規律。

本次針對水源的需求過程和水源自身的特點類似，枯期不會占據水源過多的水量，對水源點自身河道需水以及生態系統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底泥上翻，造成水體渾濁。汛期時期調配水資源量，有助于實現河庫聯合調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，對城市的環境美化和活力提升具有較強的助力。

本次需水量中蒸發滲漏占有的比例不多，滿足河道蒸發滲漏需水不多，河道需水主要是考慮河道水質總體得到保障，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。

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

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

表10 東部新城河道生態需水流量計算情況 單位：萬m3

Tennant法和濕周法計算的結果都為月均固定值，其中Tennant法計算結果不考慮周邊降雨蒸發等環境對水體造成的影響，也無法針對河道自身水力結構在需水量層面的影響做相應差別計算；濕周法僅考慮結構影響，針對周邊降雨蒸發等環境對水體造成的影響難以量化；本方法蒸發和降解都考慮了降雨蒸發對水體造成的影響，滲漏和蒸發部分也結合河道自身形態做了相應需水量的調整，具備動態調整性。

5 結論與展望

（1）本次方法解決了受人為影響較多的河道生態需水量計算的問題，生態需水量保障了自身的蒸發滲漏，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水量計算的問題，使計算的河道蓄水量既能滿足城市生態景觀需求，同時也能經濟利用水資源。

（2）本次需水量主要從蒸發、滲漏和污染降解三個維度針對川南地區堰壩結構下河湖需水量做了詳細的計算，主要解決川南地區河道匯流面積小、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川南地區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水量調配的總體規律，在河湖生態補水層面設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構對河道需水造成的影響，河道需水根據區域條件以及河道自身設計有了動態的調整，符合城市生態環境設計理念，可從生態補水層面做出對城市河道設計層面前瞻性要求，對實現城市河道可持續發展具有一定的指導意義。

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