重慶市盤溪河生態需水量初探

劉亭役

(1.重慶市市政設計研究院有限公司,重慶 400030；2.重慶市海綿城市建設工程技術研究中心,重慶 400030)

1 引言

近年來，我國洪澇災害頻發，作為應對策略，國家提出了海綿城市建設發展戰略。海綿城市建設與黑臭水體整治有著十分緊密的關系，“水體不黑臭”是海綿城市建設的主要目標之一。黑臭水體整治是已建成區海綿城市建設的突破口和推進的重要抓手，且黑臭水體整治中的面源污染削減可以通過海綿城市建設實現[1]。

生態補水是黑臭水體主要整治技術之一。生態需水量的確定對于實現流域水環境合理開發、配置及維持河流生態健康具有重要意義，其計算結果可為河流生態補水量的確定提供科學依據。河流生態需水為維持河流生物群落穩定和可再生維持的棲息地的環境需水量。河流生態需水分為生物棲息地需水、維持河床形態需水、水質需水、景觀娛樂需水等類[2]。本文對海綿城市建設中城區河流生態需水量的計算方法進行了探討與研究，并計算了重慶主城區黑臭水體盤溪河的生態需水量。

2 盤溪河流域概況及徑流量計算

2.1 盤溪河流域概況

盤溪河為嘉陵江一級支流，全長16.7 km。盤溪河河床平均比降1.41%。盤溪河流域排水分區西靠嘉陵江，北以照母山為界，西接盤溪大道，東接新牌坊、嘉州片區。流域排水分區縱跨江北、渝北、兩江新區，總流域排水分區面積為29.68 km2。根據渝北區氣象站氣象資料統計，盤溪河多年平均年降雨量為1150 mm，多年平均年蒸發量為664.0 mm。盤溪河流域示意圖見圖1。

圖1 盤溪河流域示意

2.2 盤溪河徑流量計算

采用徑流系數法推求多年平均徑流總量，計算公式如式(1)所示[3]。

W=1000CPF

(1)

式(1)中：W為研究流域的多年平均徑流總量，m3；C為研究流域的徑流系數，主要受研究流域的地形、平均坡度、地表植被情況及土壤特性等的影響。P為研究流域的多年平均降雨量，mm；F為研究流域的集水面積，km2。

根據盤溪河流域排水分區土地利用情況，盤溪河流域年徑流系數C為0.512。由(1)式計算得出盤溪河多年平均年徑流總量為1.748×107m3/a。

3 盤溪河生態需水量計算

河流生態需水包括基本生態需水、自凈需水等，通過對生態需水的內涵進行分析，可建立盤溪河生態需水量計算模型如式(2)所示[4]。

W=max{Wa，Wb}+Wc

(2)

式(2)中：W為河流生態需水量，m3;Wa為河流基本生態需水量，m3;Wb為河流自凈需水量，m3;Wc為河流蒸發滲漏需水量，m3。

3.1 基本生態需水

河流生態需水計算方法包括水文學法、水力學法、生境法、綜合法、環境功能設定法法等。水文學法是依賴歷史河流流量等水文數據估算生態需水的方法，其使用簡單、方便，不用進行現場監測，能反映年平均流量相同的季節性河流和非季節性河流的差別，可以在生態資料缺乏且擁有長期水文數據河流的地區使用。其中代表性的方法為蒙大拿法、最小月平均徑流法。

3.1.1 蒙大拿法(Tennant Method)

蒙大拿法以河流歷史流量為基礎，建立了河流流量和河流生態環境狀況之間的關系，其采用年平均天然徑流量的百分比作為推薦生態流量，設有8個不同等級，推薦的流量標準分為一般用水期、魚類產卵育幼期，具體見表1[5]。對水生生物群落來說，10%的平均流量是推薦的支撐短期生存棲息地的最小瞬時流量。因此，以多年平均年徑流量的10%作為河道基本生態需水量，則得出基本需水量為1.748×106m3/a。

表1 河內流量與河流生態環境狀況關系

3.1.2 最小月平均徑流法

最小月平均徑流法以維持河流的基本生態環境功能不受破壞，如不出現斷流為基礎，以河流最小月平均實測徑流量的多年平均值作為推薦的河流生態需水量，計算公式如式(3)所示[6]。

(3)

式(3)中Wjl為河道內基本生態需水量，億m3;Qimin為第i年實測最小月平均徑流量，m3/s;T為換算系數，其值為31.536×106s;n為統計年數。

由(3)式計算得出Wjl為1.234×106m3/a。

綜上，分別采用蒙大拿法、最小月平均徑流法計算基本生態需水量，取其較大值作為盤溪河基本生態需水量，即1.748×106m3/a。

3.2 自凈需水

與國外河流不同，我國河流污染問題十分突出，對于大多數河流，如何解決污染問題是當務之急。水質凈化是盤溪河黑臭水體整治工作的技術要點，其關鍵點為確定自凈需水量。以水質為約束的水質需水應根據污染負荷，計算達到水質目標所需要的水量，此需要的水量為自凈需水量。盤溪河流域河流、湖泊等水體交錯連接，假設污染物在河段內均勻混合，采用河流零維模型，根據現狀污染物總負荷與目標污染物總負荷的差值計算盤溪河流域的自凈需水量，見式(4)～(7)[7]。海綿城市建設中，一方面，針對河流本身采取排污口截流的方式控制點源污染，削減點源污染負荷；另一方面，通過下沉式綠地、透水鋪裝等低影響開發設施改造下墊面，削減進入河流的面源污染負荷。本研究選擇了3種典型情況分別進行自凈需水量計算，計算結果如圖2所示。情境1：城市按傳統模式開發后，河道沿程現有排污口不截流，且不控制面源污染。情境2：河道沿程現有排污口全部截流，不控制面源污染。情境3：城市按海綿城市理念開發后，河道沿程現有排污口全部截流，通過海綿措施控制面源污染。由《重慶市主城區海綿城市專項規劃》可知，盤溪河流域按海綿城市理念開發后的面源污染削減率為45.18%。

選擇化學需氧量(COD)、氨氮(NH3-N)和總磷(TP)為盤溪河環境需水量計算的主要控制污染物，分別計算使該三項污染物達到V類水質標準的稀釋水量，取其最大值。在3個情境下的自凈需水量如表2、圖2所示，其中，COD達到《地表水環境質量標準》(GB3838)V類的所需自凈需水量最大。

圖2 盤溪河不同污染物的自凈需水量

P1=η3.65NFp

(4)

P=P1+P2

(5)

Wi=P/Ci

(6)

Wc=max{WCOD，WNH3-N,WTP}

(7)

式(4)～(7)中P為現狀年污染負荷，t/a;P1為點源污染負荷，t/a;N為城鎮居民常住人口，單位：萬人;η為排污比，指直接排入河湖的污水占生活污水量的比例，取10%;FP為城鎮居民生活污水或污染物排放系數，其中污水量系數單位：L/d·人，污染物系數單位：g/人·d，參考《第一次全國污染源普查城鎮生活源產排污系數手冊》確定污水量及污染物系數，見表2。

表2 污染物排放系數

P2為面源污染負荷，t/a，通過不同下墊面產生的徑流量和徑流污染物濃度計算得出，面源污染參數見表3[8～13];Ci為污染物允許濃度，mg/L;Wi為第i種污染物達到規劃水質目標所需水量，m3;Wc為河流自凈需水量，m3。

表3 重慶地區雨水徑流污染物指標

3.3 蒸發滲漏需水

盤溪河流域水體面積約0.817 km2，多年平均年蒸發量為664.0 mm，即每年蒸發需水量為544068 m3/a。流域滲漏量取全流域多年水量的1.5%[14]，即盤溪河流域滲漏量為223300 m3/a。由此得到盤溪河流域蒸發滲漏需水量為767368 m3/a。

根據以上分析、計算，得到盤溪河生態需水量計算結果如表4所示。從表4可以看出，盤溪河生態需水量與排入河流的污染負荷有關，城市按海綿城市理念開發后，點源及面源污染得到控制，盤溪河流域生態需水量為1.297×107m3/a，小于城市按傳統模式開發后的生態需水量。

表4 盤溪河生態需水量計算表

4 結論

本文對海綿城市建設中城區河流生態需水量的計算方法進行了探討與研究。通過建立盤溪河生態需水量的計算模型，計算了盤溪河流域的生態需水量，主要考慮了河流基本生態需水、自凈需水及蒸發滲漏需水。城市按海綿城市理念開發后，點源及面源污染得到控制，盤溪河生態需水量為1.297×107m3/a，小于城市按傳統模式開發后的生態需水量。