基于再生水補給的圓明園水量平衡及水環(huán)境管理研究

中圖分類號：X321文獻標志碼：A

Research on Water Balance and Water Environment Management of Yuanmingyuan Based on Regenerated Water Supply

Meng Yuan1，Zhang Xiaonan1，Luo Qian1，Hu Lin2，Wang Ting （1.College ofHorticulture，China Agricultural University，Beijing1OO193，China； 2.Collge of Resources and Environmental Sciences，China Agricultural University，Beijing 100l93，China； 3．Water Conservation Management Center of Beijing，Beijing1OoO38，China）

Abstract：InodertoprovidesietficbasisforthewaterenviomentmanagementofYuanminguan，ighdefiitiosateliteim agedatacombinedwithvectoranalysis methodwereusedtostudythelanduseandwatersystemstatusofYuanmingyuan.Basedondaily meleorologicaldatafromBeijingoverthepast3Oyears，ananalysiswasconductedonthewatersuplyandconsumptionbalanceofthe Yuanmingyuanwaterareabyombiingwitunoffcoefcntsofdifrentunderlingsfaces，rgtionwateronsumptionquotas，and lakebotomleakagecoeffcients.TheannualwatersurfaceevaporationconsumptionoftheYuanmingyuanwaterarearangesfrom1.0100 to 1.057 6 million m³ ．The annual irrigation water consumption ranges from 496 100 to 722800m³ .The largest water consumption of the Yuanmingyuan water system is leakage，accounting for about 78% of the total water consumption．The average annual replenishment of recycled water from 2016 to 2022 is 6.4681 million m³ ．The quality of recycled water does not meet the requirements of water environment quality，and the mainproblemisthatthe total nitrogen exceeds the standard severely.For every1million m³ of recycled water added，it is necessary to remove 8.98～9.48 tons of total nitrogen through various water purification pathways.

Key words：Yuanmingyuan；recycled water supplement；water balance；water purification；nitrogenremoval

前言

圓明園作為中國歷史文化遺產(chǎn)的重要組成部分，其水系景觀不僅是園林藝術(shù)的瑰寶，也是生態(tài)系統(tǒng)的重要載體。隨著城市化進程的加快和氣候變化的影響，圓明園的水量平衡和水環(huán)境管理面臨著前所未有的挑戰(zhàn)[1-3]。研究圓明園的水量平衡，不僅對于圓明園自身的保護具有重要意義，也為類似歷史園林水系的管理提供了寶貴的經(jīng)驗和參考。

現(xiàn)有研究普遍采用了水文模型、水質(zhì)監(jiān)測、生態(tài)修復(fù)等方法來評估和優(yōu)化圓明園的水量平衡與水環(huán)境。水文模型，如SWAT和MIKESHE，能夠模擬水循環(huán)過程，預(yù)測不同氣候和土地利用變化下的水資源分配，但準確性依賴于輸人數(shù)據(jù)的精度和模型的參數(shù)化。水質(zhì)監(jiān)測技術(shù)為評估水體健康狀況提供了直接數(shù)據(jù)，但監(jiān)測頻率和覆蓋范圍的限制可能導(dǎo)致信息的不全面。生態(tài)修復(fù)措施有助于提升水質(zhì)和生態(tài)功能，但實施成本高且效果受多種因素影響[4-6]。總體而言，現(xiàn)有方法在技術(shù)上各有側(cè)重，但仍需在模型精度、監(jiān)測全面性、修復(fù)效果評估以及文化生態(tài)綜合管理等方面進行深化和創(chuàng)新，以實現(xiàn)圓明園水環(huán)境的長期穩(wěn)定與文化遺產(chǎn)的可持續(xù)傳承。

為了制定科學的、有針對性的水環(huán)境管理措施，在現(xiàn)有研究的基礎(chǔ)上，展開基于再生水補給的圓明園水量平衡及水環(huán)境管理研究。

1圓明園供水和耗水水量平衡分析

根據(jù)北京市近30年氣象資料結(jié)合不同下墊面的徑流系數(shù)、灌溉耗水定額、湖底滲漏系數(shù)等對圓明園供水耗水平衡進行了分析。降水和再生水是供水水源，水面蒸發(fā)、灌溉用水及滲漏是主要耗水去向，基本沒有外排水。水量平衡的關(guān)系式為：再生水補水 + 降水補充 σ=σ 水面蒸發(fā) + 灌溉耗水 + 滲漏耗水。

根據(jù)北京市水務(wù)局的要求，目前圓明園主要補水水源為清河再生水廠的再生水。2016年至2022年每年實際給圓明園補充的再生水量最小值是2022年的475.2萬 m³ ，最大值是2017年的832.9萬 m³ ，平均為646.8萬 m³ 。

1.1 圓明園水域及其他地類土地利用狀況

根據(jù)圓明園官網(wǎng)介紹，圓明園共有歷史圍墻遺址、現(xiàn)狀管理范圍和圓明園國家考古遺址公園范圍三種紅線范圍。通過Bigemap軟件分別下載了2020年8月28日、2019年11月24日、2019年5月13日三個時段的谷歌地球19級高清衛(wèi)星影像，將衛(wèi)星影像進行投影轉(zhuǎn)換后導(dǎo)人AutoCAD中作為底圖進行矢量化處理。根據(jù)對灌溉需求、蒸發(fā)和徑流產(chǎn)生的不同，將圓明園用地劃分為水域、道路、草地、林地、裸地、農(nóng)田、建筑共7種用地類型。根據(jù)不同用地類型的特征差異，結(jié)合不同時段的影像變化，對圓明園內(nèi)的不同用地類型及其占地面積進行了細致的判讀和校驗。結(jié)果表明，圓明園現(xiàn)狀管理范圍總占地面積為332.86公頃，其中，圓明園（本園）占地200.77公頃，長春園75.67公頃，綺春園56.43公頃。水域總面積為95.15公頃，為總占地面積的 28.59% 。

1.2降水對圓明園水源的補充

1.2.1北京市降水特征分析

根據(jù)北京市1987年－2016年30年逐日降水數(shù)據(jù)，分析了北京市近30年降水特征。北京市降水分布年際之間和年內(nèi)各月之間都有很大變化。30年平均降水量為 542.73mm ，最大值為 813.20mm ，最小值為 266.90mm 。降水各月分布極不均衡，6、7、8月降水量最多，占全年的 67. 28% ，3個月總量達365.14mm 。其中，7月降水量最高，為 174.80mm ，占全年 32.21% 。暴雨發(fā)生情況分析表明，30年中，有20年發(fā)生過暴雨，共出現(xiàn)暴雨46次，其中特大暴雨1次、大暴雨3次、暴雨42次。暴雨出現(xiàn)時段最主要集中在7月，有25次，占總數(shù)的 54.36% 。7月中、下旬暴雨次數(shù)最多，為9次，占總數(shù)的 19.57% 。

1.2.2降水對圓明園水域及地表徑流的補充

降水除直接降落到水域內(nèi)提供水源補充外，地表徑流也是圓明園水系的重要水源。根據(jù)降水量數(shù)據(jù)及圓明園各地類面積的判讀結(jié)果，結(jié)合《室外排水設(shè)計規(guī)范（2016年版）》及《雨水控制與利用工程設(shè)計規(guī)范》（DB11/685-2013）中各類土地的徑流系數(shù)取值，可以計算圓明園水域降水直接補給及地表 徑流補給量，見表1。

不同年型收集到的雨水有一定變幅，為58.04＼～119.12萬 m³ ，平均為87.96萬 m³ 。其中，降水直接落入圓明園水域的年補充量為 34.08～69.93 萬 m³ ，平均為51.64萬 m³ 。枯水年雨水徑流量為23.97萬 m³ ，平水年為36.10萬 m³ ，豐水年為49.19萬 m³ ，平均為36.32萬 m³ 。

1.3 圓明園水系的蒸發(fā)耗水

水面蒸發(fā)也是園內(nèi)水系重要的耗水途徑，可以通過潛在蒸散值估算，此研究按聯(lián)合國糧農(nóng)組織推薦的標準方法彭曼－蒙蒂斯公式計算[7-8]

30年平均水面蒸發(fā)量為 1088.1mm ，最大值為1149.7mm ，最小值為 978.9mm 。水面蒸發(fā)量年際變化不如降水年際變化大。按照豐、平、枯年劃分，豐水年平均水面蒸發(fā)量為 1061.5mm ，平水年為1089.4mm ，枯水年為 1111.6mm ，相差不大。30年平均各月水面蒸發(fā)量及降水量如圖1所示。以全水域面積95.15公頃計，圓明園平均水面蒸發(fā)量為103.5萬 m³ 。

對暴雨發(fā)生及降水蒸發(fā)特征的分析，有助于指導(dǎo)圓明園補水調(diào)度。每年12、1、2月冰期不用補水。4、5、9、10及11月是主要的補水時段。6月底以前要保持較低水位，為7月暴雨期雨水收集騰出庫容。

1.4 圓明園灌溉耗水

為保證園內(nèi)林地、草地及花卉等植物的正常生長，需要進行灌溉。單位面積草地灌溉耗水根據(jù)《北京市草坪節(jié)水灌溉技術(shù)規(guī)定》（DB11/T349-2006）確定;林地、農(nóng)地灌溉耗水根據(jù)《北京市主要行業(yè)用水定額》確定。道路、建筑和裸地無需灌溉耗水。以上標準規(guī)定中的灌溉定額取值，代表較先進節(jié)水水平下的灌溉耗水量。由于管網(wǎng)原因沒有普遍采用滴灌、微噴等節(jié)水方式，加上園林工人的節(jié)水意識和操作水平所限，實際灌溉用水比定額要高，一般要大 20%～30% ，甚至更高。此研究以定額值的1.2倍作為實際灌溉需水，估算圓明園不同情形下的灌溉耗水量。結(jié)果見表2。

不同年型，圓明園灌溉耗水用水量有一定差別，枯水年灌溉耗水量最多，為72.28萬 m³ ，平水年為56.37萬 m³ ，豐水年為49.61萬 m³ ，平均為59.42萬 m³ 。

1.5 圓明園河湖滲漏耗水估算

不同年型每年降水可對圓明園水域補充水量（包括徑流）為 58.04～119.12 萬 m³ ，平均為88.19萬 m³ 。2016年至2022年每年圓明園實際再生水補水量為 475.2～832.9 萬 m³ ，平均為646.8萬 m³ ，是雨水補給量的約7倍。水面蒸發(fā)每年耗水 101～106 萬 m³ ，平均為103萬 m³ 。年灌溉耗水量為 49.61～72.28 萬 m³ ，平均為59.42萬 m³ 。河湖滲漏是耗水的最大項，平均每年為572.75 萬 m³ ，約占總耗水量的 78% 。

上述幾個層面共同構(gòu)成了圓明園水量的輸入和輸出過程，降水作為輸入項，補充了水體；而蒸發(fā)、灌溉和滲漏則是輸出項，代表了水體的消耗。通過綜合分析這些因素，可以實現(xiàn)水環(huán)境管理的優(yōu)化。例如，如果發(fā)現(xiàn)蒸發(fā)和滲漏耗水較高，可能需要采取措施減少水體暴露面積或改善土壤結(jié)構(gòu)以減少滲漏；如果灌溉耗水過大，則可能需要改進灌溉系統(tǒng)或選擇更節(jié)水的植被類型。

2 圓明園補水水質(zhì)及其凈化途徑

2.1 圓明園補水水質(zhì)特征及凈化要求

根據(jù)北京市排水集團的資料，清河再生水廠2015年7月至2021年7月出水水質(zhì)總氮7年間平均值為 10.48mg/L ，總磷平均值為 0.153mg/L 。根據(jù)圓明園水環(huán)境質(zhì)量要求，園內(nèi)水體水質(zhì)應(yīng)該達到《地表水環(huán)境標準》（GB3838－2002）中Ⅲ類水標準，至少要達到V類水質(zhì)標準。再生水作為圓明園的補水水源達不到水環(huán)境質(zhì)量要求。清河再生水廠出水指標中，總氮（TN）含量超標嚴重，總磷（TP）含量基本不超標。按照Ⅲ類水標準，TN超標近10倍，每 水中要去除 9.48mgTN ，按 IV 類水標準，需要去除 8.98mgTN ，即每100萬 m³ 再生水補水中，需要去除 TN8.98～9.48 噸。水質(zhì)凈化植物干物質(zhì)氮含量一般為 1.0%～3.0% ，如按 2% 計，需要收割移除 449～474 噸凈水植物的干物質(zhì)。圓明園內(nèi)不少區(qū)域水體流動緩慢，如果按湖、庫地表水質(zhì)量要求，TP含量Ⅲ類水要求 ?0.05mg/L ，V類水要求 ?0.1mg/L ，則清河再生水廠出水TP也有所超標。每100萬 m³ 再生水補水中，需要去除 TP53～ 103kg 。可見，TN的去除是目前圓明園水質(zhì)凈化最重要的任務(wù)。

2.2 圓明園水域水質(zhì)凈化的主要途徑

圓明園水域面積較大，水體流動性差，自我凈化能力弱。在再生水補水總氮嚴重超標的情況下，極易造成富營養(yǎng)化。圓明園水體水質(zhì)凈化，需要采取長期和綜合措施，主要的除氮脫磷、水質(zhì)凈化措施包括種植沉水植物、挺水植物、浮水植物，養(yǎng)殖特殊魚類，促進反硝化反應(yīng)，局部曝氣加氧等。沉水、挺水及浮水植物種植，不僅能夠凈化水質(zhì)，還能營造水景，有較高的觀賞價值。根據(jù)文獻及對圓明園現(xiàn)狀的實地調(diào)研，繪制了水質(zhì)凈化的主要機理和途徑，見圖2。

打撈沉水植物，可實現(xiàn)水體的部分凈化。挺水植物吸收水中及底泥中的氮、磷，用于自身的生長發(fā)育。通過收割地上部分能夠去除吸收的氮磷。浮水植物有的根系生長在水中、植物體完全漂浮在水面上，如浮萍、鳳眼蓮等;部分植物根系扎根于泥土中，植物體漂浮于水面，如王蓮、睡蓮等。鳳眼蓮對凈化水體效果顯著，北方水體凈化中應(yīng)用較少。

草魚、魚等魚類以水草的莖葉和幼芽為食，可間接地將水體中的氮、磷等物質(zhì)通過水草轉(zhuǎn)化為自身的蛋白質(zhì)。定期對魚類進行捕撈，可去除水中的氮、磷。目前，圓明園內(nèi)有草魚、鯽魚、白鰱魚、翹嘴等多種魚類。

3 結(jié)束語

圓明園現(xiàn)有水域總面積為95.16公頃，占全園總面積的 28.59% ，比歷史上水域面積有所減少。每年降水對圓明園水域補充水量平均為88.19萬 m³ ，再生水補水量平均為646.8萬 m³ 。每年水面蒸發(fā)耗水平均為103萬 m³ 。年灌溉耗水量平均為59.42萬 m³ ，滲漏是圓明園耗水的最大項，平均每年為572.75萬 m³ ，約占總耗水量的 78% 。從圓明園耗水及暴雨降水特征來看，圓明園補水的主要時段應(yīng)為4月初到6月底及9月到11月。圓明園再生水補水水質(zhì)不符合水生態(tài)環(huán)境質(zhì)量要求，主要問題為TN超標。每補充100萬 m³ 再生水，需要通過各種水質(zhì)凈化途徑去除 8.98～9.48 噸總氮，按平均補水646.8萬m³ 計，每年需要去除 58.1～61.3 噸TN。由此可見，圓明園水體水質(zhì)凈化是一項需要采取長期措施的艱巨任務(wù)。

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