城市河道生態需水量探討

王 凱，安航永

（華北水利水電大學，河南 鄭州450011）

由于我國人口的增加和城鎮化建設的快速發展，水資源短缺和水資源規劃利用等問題越來越為世人重視。近50a來，我國在水資源開發利用中，重視工業、農業和生活用水，忽視了生態環境保護和生態環境建設對水資源的需求［1］，而城市水資源開發利用，同樣只注重生產、生活用水，忽視生態環境用水，最終致使城市的河流成為排污河流［2］。針對城市生態環境不斷遭到破壞，城市生態需水量嚴重不足等問題，田英［3］等人總結出兩個主要原因：對城市生態環境需水認識不足以及缺乏相應的理論體系支持。因此，人們在進行城市規劃建設時應同時考慮城市河道生態需水問題，加深對生態環境需水的認識，根據城市實際情況合理分配水資源，促進城市可持續發展。

1 城市河道生態需水

關于生態需水量的相關問題，國外在20世紀40年代就開始有所研究，提出了河流最小環境（或生物）流量的概念［4］，即維持河道功能不退化、特征水生生物物種能正常繁衍生息所必須維持的河道最小流量。隨后又出現了最小可接受流量的研究［5－6］。Gleick［7］在1995年率先提出了生態需水的概念，構建了生態需水研究的理論框架。我國關于生態需水的研究起步較晚，20世紀80年代才由湯成奇［8］等人提出了“生態環境用水”的概念。但國內外學者研究對象大都是天然河道及其所屬流域范圍，以魚類等水生物的棲息環境為限制條件得出的河道生態需水量，針對城市河道生態需水量的研究并不多，缺乏相應的理論與方法，城市河道生態需水量研究仍處于起步階段。

要研究城市河道生態需水量首先應該了解城市生態環境需水量，即在一定時間和空間范圍內，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功能所需的水資源總量［9］。城市生態需水量按照生態系統分類包括城市綠地生態環境需水量、城市河道生態環境需水量、城市湖泊生態環境需水量和城市濕地生態環境需水量［10］。針對城市河道生態需水量鄭冬燕［11］等提出：城市河道生態需水分為河道內需水和河道外需水兩部分。本文所研究的城市河道生態需水可定義為河道內生態需水，而影響城市河道內生態需水量的主要因素有兩個［12］：一個是河道生態系統本身的結構特征，如植被、空間格局等因素；另一個是生態環境的外界環境因子，如日照、蒸發等因素。以上諸多影響因素中，以外界對河道排污影響最大。本文研究對象為賈魯河過鄭州市段河道，該段河道的主要功能為城市排污，在資料收集和理論研究的基礎上針對該段排污河道的特點，分析、計算了該段河道生態需水量。

2 賈魯河城市河道生態需水研究

2．1 賈魯河概況

賈魯河是河南省境內除黃河以外最長、流域面積最廣的河流。賈魯河全長255．8km，發源于新密市，向東北流經鄭州，最終至周口匯入沙潁河。賈魯河是城市的主要排污河道，河道沿程生活污水排放量較大，污染嚴重，水質極差，無法滿足灌溉、景觀等用水需求。綜合分析河道來水，流域內降雨量較少，支流、干流上有大量排污口向河道內排泄生活污水，在自然條件下無多余來水。考慮河道上游有尖崗水庫，水庫可以通過下泄基流的方式為下游河道提供生態用水。賈魯河河道作為排污河道，基本沒有河道攜沙問題；河道內動植物稀少，動植物生態需水可忽略不計；因此賈魯河城市河道生態需水量主要由稀釋生活污水所需水量和河道蒸發量兩部分組成。

2．2 河道生態需水量分析

2．2．1 排污量及污染物指標

針對排污河道的生態需水量計算，首先，應該明確河道內總排污量，河道內總排污量由河段自身排污量、支流排污量和沿程入匯河流的排污量組成，賈魯河支流為賈魯支河，沿程入匯河流有索須河、七里河、潮河、熊耳河、金水河、東風渠等，以上河流均設有不同數目的排污口，對其排污口數和排污量進行整理，結果見表1；其次，應明確污染物指標，污染物指標是影響水體水質的控制因素，水體根據水中污染物濃度分為I－V類，污染物濃度超過V類水的為劣V類。由于生活污水污染物濃度遠超V類水，因此生活污水屬劣V類水，水庫引水為II類水，擬定稀釋后河道內為IV類水。水中污染物指標對水質影響最大的是化學需氧量（COD）和氨氮（NH3－N）。對各類水的水質及污染物濃度進行整理，結果見表2。

表1 賈魯河河道排污表

表2 水體污染物指標濃度 mg／L

2．2．2 河道生態需水量

研究表明影響水質的最主要因素是COD濃度。因此選取COD為主要控制污染物，計算河道生態需水量。在一定時間段內排入河道內的COD總量為生活污水中COD總量和降雨帶入河道內的COD總量。其中，生活污水COD總量由生活污水總量乘以生活污水COD濃度得出，降雨COD總量采用美國Schueler在1987年美國NURP（國家城市徑流污染物研究計劃）中開發的一種計算模型［13］。

式中：Lt為t時段內徑流排污量，kg；CF為用于對不產生地表徑流的降雨進行校正的因子（產生徑流的降雨事件占總降雨事件比例），一般取為0．9；φ為徑流區平均徑流系數；A為徑流集雨面積，hm2；P為t時段的降雨量，mm；C為污染物的徑流加權平均質量濃度，mg／L；0．01為單位換算因子；I為地表不透水率。

在計算生態需水量時，選取一個月時間為計算標準，按照以下公式，計算不同月份的生態需水量。

式中：Q為河道生態需水量，m3／s；Qe為水面蒸發量，m3／s；Q1為尖崗水庫引水量，m3／s；E為蒸發量，mm；A為河道水面面積，m2；Q2為月平均排入河道的生活污水量，m3／s；Q3為月平均排入河道的降雨地表徑流量，m3／s；C0為目標水COD質量濃度，mg／L；C1為引水COD質量濃度，mg／L；C2為生活污水COD質量濃度，mg／L；C3為降雨地表徑流COD質量濃度，mg／L。

取1951—2008年月平均降雨、蒸發資料對賈魯河河道生態需水量進行計算，計算結果見表3。

表3 賈魯河河道生態需水量

由表3可以看出，生態需水量隨月份有所變化，1月最小為1．25m3／s，4月最大為2．57m3／s，其余月份多在1．70～2．00m3／s范圍內，年平均生態需水量為1．85m3／s。雖然需水量在年際內總體變化不大，但仍可以看出，4月至9月需水量偏高，10月至3月需水量偏低。綜合分析其原因：4月至9月雖降雨量較大，但溫度偏高，蒸發量及排污量較大，生態需水量較大；反之，10月至3月降雨較少，徑流量小匯入的排污量較少，溫度較低，蒸發量小，生態需水量較小。由此可看出影響城市排污河道生態需水量的主要因素有：排污量、蒸發量以及地表徑流量。

3 結 論

城市河道生態需水量的研究至今為止還沒有一套相對完整、成熟的體系。本文針對城市排污河道的特性，首先對河道來水進行分析，制定了由水庫引水提供河道生態用水，改善河道生態環境的方案。而后對河道內污水的來源進行了分析，明確了污水主要為排入河道內的生活污水和由降雨徑流帶入河道內的污水，并以COD濃度為控制條件，計算了該段河道的生態需水量。最終得出：河道生態需水量隨月份有所變化，但總體變化不大；影響城市排污河道生態需水量的主要因素是排污量、蒸發量以及地表徑流量。

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