串聯型水體生態需水補水方案研究

米玉華+劉佳+劉克巖+劉慧霞+王海寧

摘要：在水資源長期短缺的北方地區，攔河蓄水形成的串聯型河流壩式景觀水體幾乎在每個城市都可以看到。為計算維持這種以水景觀為主的人工河流生態系統基本健康的最小需水量，以滹沱河水環境修復段為例，構造描述“串聯型壩式景觀水體”水質、水量變化的綜合數學模型，提出了水質、水量相結合的河流壩式景觀水體生態需水補水方案。結果顯示：75%頻率降水情況下，滹沱河水環境修復段現狀水平年最小需水量為3 450萬m3，并給出了明確的補水時機和補水量，為北方串聯型河流壩式景觀水體的生態保護提供了支撐。

關鍵詞：河流；生態需水；串聯型水體；水質水量結合；綜合數學模

中圖分類號：X52 文獻標識碼：A 文章編號：1672-1683（2017）04-0054-05

Abstract：[JP+3]In northern China，where water resources are in long-term shortage，it is common in nearly every city to see serial river-dam-type landscape water bodies built to obstruct rivers and retain water.To calculate the minimum water required to sustain the basic health of such an artificial river ecological system consisting mostly of water landscape，this paper studied the case of a segment of Hutuo River needing remediation of water environment，built an integrated mathematical model that describes the water quality and quantity changes of the "serial dam-type landscape water body"，and proposed a scheme to meet the ecological water demand of river-dam-type landscape water bodies with consideration to both water quality and quantity.The results showed that under the circumstance of 75% frequency of rainfall，the minimum water required by this segment of Hutuo River needing remediation of water environment is 34 500 thousand m3/a.This paper also provided the explicit dates and amount of water supply，and provided support for the ecological protection of northern serial river-dam-type landscape water bodies.

Key words：[JP+3]river；ecological water demand；serial water body；combining water quantity and quality；integrated mathematical model

生態需水是在特定時間和空間滿足生態系統某種生態功能和保護目標所需保持的一定水質目標下的水量[1-2]。河流生態需水量的概念是在生態需水量的基礎上根據研究對象的側重不同而有所不同。廣義上講，河流生態需水量不僅包括滿足水生生物需要的最小水量還包含維持環境現狀所需的一定水質的水量。狹義上，河流生態需水量指河流最小或適宜的生態需水量。國外河流生態需水量計算方法大致可以分為4類：歷史流量法、水力學法、棲息地法和整體分析法；國內河流生態需水計算方法主要有歷史流量法和防治河流水質污染的計算方法[3]。雖然河流生態環境需水量的量化研究已經形成了比較成熟的體系，但研究多聚焦在天然河、湖，對攔河蓄水形成的串聯型水體生態需水量的研究卻少有報道。串聯型水體的水循環及物質循環既不同于湖庫又不同于天然河流，串聯型水體的水質、水量的獨立性與關聯性并存，平時由于水壩的阻隔，串聯的各水體相對獨立；補水時上游水體的水質又會影響下游水體的水質。筆者以滹沱河水環境修復段為例，考慮水的自然循環與水在人類活動影響下的循環，構造描述串聯型水體水質、水量變化的綜合數學模型，給出該串聯水體的生態需水量，以期對在水資源長期短缺地區廣泛存在的串聯型河流壩式景觀水體的生態保護、水資源管理和有效利用提供參考。

1 滹沱河水環境修復段概況

滹沱河流經石家莊市區北部，是石家莊市唯一的地表水來源。經過幾十年的演變，滹沱河的生態環境問題越來越突出，河道干涸、植被退化、生態環境惡化。改善滹沱河區域生態環境狀況成為石家莊市實施可持續發展戰略的關鍵[4]。 因此，2007年石家莊市開始了滹沱河綜合整治工程。目前，從南水北調中線到太行大街，全長16 km的一期工程已經基本建成，通過橡膠壩和擋水堰，沿河道走勢自上游至下游依次形成了1號、2號、3號、4號和5號五個水面工程近800萬m2的水面，水面寬度為600～800 m，水深1.5～2.5 m[5-6]（見圖1）。

2 耗水量分析

滹沱河水環境修復段的水量損耗主要包括：綠化澆灑取水、水面蒸發量和水體滲漏量三部分[7]。

滹沱河水環境修復段綠化用水時間為4月至10月，1號-4號水面沿岸綠化總面積約為255萬m2，4號水面沿岸林地面積90萬m2，5號水面沿岸沒有綠化。綠化用水定額依據《建筑給排水設計規范》（GB 50015-2003），綠化澆灑為1～3 L/（m2·d）[8]，本次分析取2 L/（m2·d），由此求得各水面日、月、年綠化用水量。

采用2010年-2013年四年實際蒸發量資料的平均值，并進行修正。通過對滹沱河水環境修復段河道內大型水面懸浮式蒸發皿與岸上常規監測站觀測試驗對比分析，得出寬敞河道內水面蒸發高于岸上常規監測站31.0%。參考氣候變化，3月-11月水面蒸發乘以1.3修正系數，12月至次年2月為封凍期，不進行修正[9]，計算出滹沱河水環境修復段各水面逐月蒸發量。

根據滹沱河水環境修復段近一年的資料及每個河段的性質，采用《渠道防滲技術規范》SL18-91推薦的靜水法[10]進行滲漏量分析計算。選擇無補水、放水過程的水深資料對滲漏量進行計算分析。由此求得各水面日、月、年綠化用水量。

通過對實際觀測資料進行分析，1號-5號水面現狀水平年的耗水量分別為：446萬m3、270萬m3、456萬m3、834萬m3和751萬m3，合計為2 757萬m3。

3 補水方案確定

3.1 最佳補水時段確定

根據滹沱河生態修復段的蒸發、滲漏、綠化耗水量情況、補水情況以及“五一”、“十一”及盛夏度假需要，確定最佳的補水時間為3月底、5月底、8月底、9月底及11月底（封凍前）。

3.2 生態需水量的確定

基于物質守恒定律和化學反應動力學原理，構建描述北方壩式景觀水體水質、水量變化的綜合數學模型。依據實際觀測資料率定模型參數，建立水體水質與補水量的定量關系。利用模型對串聯水體聯合推演，提出維持以景觀為主人工河流水生態系統基本健康最小需水量的計算方法。

3.2.1 水質狀況分析

滹沱河水環境修復段，屬于受人類活動影響頻繁的、寬淺型壩前蓄水景觀水體。為了掌握滹沱河水環境修復段的水質狀況，在1號、3號-5號水面各布設1個水質采樣點；2號水面由于工程原因，僅一土坎前間斷蓄水，蓄水量很少，故與1號水體作為一體處理；3號水面有排污口，所排污水影響3號-5號水面水質，在排污口設置1個監測點，共布設水質采樣點5處。

為了掌握其水質的年內變化規律從2014年1月開始逐月監測。

監測項目選擇寬淺靜止水體水質易變項目，結合《景觀娛樂用水水質標準》（GB 12941-91）[11]的評價指標，選取水溫、pH、電導率、溶解氧、礦化度、高錳酸鹽指數、非離子氨、氨氮、總磷、總氮、葉綠素等11項水質指標[12]。

按照《景觀娛樂用水水質標準》（GB 12941-91）中主要適用于一般景觀用水水體的C類標準進行評價：

1號水面水質良好，各測次的監測指標均不超標。3號-5號水面水質較差，超標項目主要為總磷，超標率分別為58%、75%和83%，最高超標倍數為6.4倍；其次為氨氮，超標率分別為17%、17%和25%，最高超標倍數為0.9倍。

3號水面污水排入口處水質很差，各測次水質均超標。且超標倍數很大。主要超標項目是總磷，超標率為100%，最高超標倍數為21倍；氨氮超標率為100%，最高超標倍數為6.7倍；其次為高錳酸鹽指數，超標率為36%，最高超標倍數為1.2倍；溶解氧超標率為50%，甚至有兩次溶解氧含量為零。

3號、4號、5號水面是串聯補水，可見，3號、4號、5號水面的水質超標與3號水面排污口的污水排入關系密切。

3.2.2 水質水量綜合數學模型建造

根據物質守恒定律和化學反應動力學原理[13-14]，構造描述“壩式景觀水體”水質、水量變化的綜合數學模型，為其水質和補水量建立定量關系，公式見（1）-（4），并據此推求各水面逐時段維持水質達標所需的最小補水量Wij（t）。其中，上游來水、水面承接的降水及排污口匯入的水量及物質量為源項，蒸發、滲漏及向下游水面放水減少的水量及物質量為匯項。

在來水和下泄水量、水質已知的情況下，利用式（3）和式（4）聯立求解，可推求j號水面t+1時刻的蓄水量及水質指標濃度值。給j賦予不同的值，就可根據t時刻的水質、水量資料，預測出串聯水體各水面t+1時刻的蓄水量及水質狀況，以便管理部門根據預測的水質水量狀況及早采取應對措施。

當為了某一目的，如水體的景觀娛樂需求，要求各水面t+1時刻的蓄水量及水質必需達到一個給定值時，也可利用式（3）和式（4）聯立求解，推求滿足各水面水質、水量要求的最小補水量，為管理部門補水調度提供科學依據。

以滹沱河水環境修復段的主要超標項目總磷為例，采用實測資料率定法[15-16]，模型計算與實測值之間允許誤差規定為不大于35%。經參數率定及驗證，1-4號水面總磷的綜合衰減系數為0.06 1/d，5號水面總磷的綜合衰減系數為0.05 1/d。

3.2.3 綜合需水量的確定

以補水節點劃分的5個時段為計算時段，取各時段、各水面的補水等于相應的蒸發、滲漏、綠化需水與相應時段水面降水量之和，且水源從1號水面至5號水面串聯補水，75%保證率降雨量補給量選用正定站作為代表站，月分配采用典型年同倍比縮放求得。各水面補給量見表1。

以各水面各時段末75%保證率補水情況下的水質不超標為邊界條件，運用式（3）與式（4）對各水面各時段進行聯合推演，推求滿足邊界條件的75%保證率補水情況下，各水面、各時段最小需水量見表2。

由水質、水量綜合數學模型，推求出在總磷達標時，75%頻率降水情況下，1號-5號水面的最小需水量為3 450萬m3。3月、5月、8月、9月及11月各補水節點現狀水平年75%保證率補水量分別為1 047萬m3、563萬m3、868萬m3、259萬m3、713萬m3。

4 結論與建議

4.1 結論

按照《景觀娛樂用水水質標準》（GB 12941-91）的C類標準評價，各水面水質均時有超標。為計算維持水質達標的最低需水量，根據物質守恒定律和化學反應動力學原理，對5個串聯水體，構造了描述“壩式景觀水體”水質、水量變化的綜合數學模型，依據水體蒸發、滲漏及水質監測資料，率定污染物綜合衰減系數，從而建立起“壩式景觀水體”水質和補水量的定量關系，進而對串聯景觀水體聯合推演，確定了現狀水平年75%保證率條件下，1號-5號水面年最小需水量為3 450萬m3。水量補充時間應為3月、5月、8月、9月及11月。各補水節點現狀水平年75%保證率補水水量分別為1 047萬m3、563萬m3、868萬m3、259萬m3、713萬m3。

4.2 建議

滹沱河水環境修復段為改善河流環境狀況邁出了第一步，但是通過對滹沱河水環境修復段的水位、水質進行跟蹤監測，也發現了其在供水、用水管理中的一些問題。一是多水源供水保障機制尚未建立，工程用水保障程度不高。應盡快建立南水北調中線環境供水機制，對于像滹沱河水環境修復段這樣的重要環境用水戶，納入供水目標，提高供水保證率。二是水量水質監測設施不完備，來水、退水、耗水水質等缺乏監測，尤其是對入河排污口的監測，據本次監測資料分析，三號水面以下水體水質受右岸排污口污水排放的影響很大，市政府應協調相關部門，徹底封堵右岸排污口。水質水量監測是保障工程長期穩定運行的基礎，運行管理部門應當盡早立項，建立起完備的水質水量監測體系。