山區型城市河道生態需水計算方法研究

榮 燁，肖婷婷

(1. 貴州省水利水電勘測設計研究院有限公司，貴州 貴陽 550000；2. 貴州水利水電職業技術學院，貴州 貴陽 550000)

國內外生態需水研究主要針對干旱地區或受水庫梯級影響較大區域，近年來城市區域的河流生態需水問題逐漸受到重視，但對南方河源型的山區城市河流相關研究較少[1-3]。為合理利用有限水資源，保障河流生態流量，對山區城市河道生態需水的研究迫在眉睫。

1 工程概況

南明河是長江流域烏江水系清水河的源頭河流，也是貴陽的母親河，發源于貴州省平壩區馬場鎮白泥田。由西南向東北流，在兩岔河附近與右支流獨木河匯合，匯口以上稱南明河，以下為清水河干流。南明河全流域集水面積2182 km2，主河道河長148 km，平均比降5.29‰。南明河水環境從20世紀80年代開始退化，到90年代污染狀況已經十分嚴重。近年來，貴陽市加大了水環境綜合整治力度，取得了顯著成效，但受到南明河徑流量偏少、城區污染排放集中等多種因素影響，水污染情勢依然嚴峻。其面臨的生態需水問題主要包括：

(1)貴陽市城市化發展速度加快，人口密度大，但城市管網的建設是幾十年間逐步形成的，不同建設時期的建設標準不同，在核心區老城區雨污分流難度非常大，污水溢流對南明河水環境影響較大。

(2)隨著城市下墊面的改變，城市河道的基流減少，周邊主要水源主要保障城市生活和工業、農業用水，河流生態及景觀用水缺口較大。

(3)貴陽市的人均降雨量為1200 mm，遠低于國際紅線1700 mm標準，屬于中度缺水，且時空分布不均勻，對河道穩定的徑流帶來更大壓力。

(4)貴陽市的特殊喀斯特地貌特征，其土壤調蓄能力較差，降雨期過后雨洪水留不住，枯水期河道流量偏小。

2 生態需水的計算方法

2.1 基本生態需水

基本生態需水的計算方法很多，總數超過200種[4-6]。目前常用的計算方法主要分為四類，即：水力學法、水文學法、棲息地法以及整體分析法。

(1)水力學法。比較常用的水力學法為R2-Cross法和濕周法。

(2)水文學法。水文學法主要代表有：流量歷時曲線法、Tennant法、7Q10法、NGPRP法等。

(3)棲息地法。棲息地法指基于生態水力學確定不同時段(汛期、非汛期等)適合水生生物生存環境的推薦流量，是水力學法在生態方面的延伸。由于棲息地法可以具體量化水生生物棲息地可利用性與生態流量之間的關系，且具有一定的水力學與生物學基礎，因而成為河流生態需水量研究熱點之一，其最具代表性的是河道內流量增量法。

(4)整體分析法。常見的整體分析法主要包括澳大利亞的基準測量法和南非的建塊法(BBM)。

2.2 河流環境需水

河流水體被污染，自凈能力下降，使河流生態環境功能遭受最為直接的破壞。故河道內須維持一定的水量，以此維系水體的自凈功能，這部分水量的研究廣受國內外學者的關注。天然河流的流場計算較為復雜，選擇適當的計算模型對最終計算結果的精準性尤其重要[7]。本次研究采用一維水質數學模型，對河段內的污染物濃度變化進行模擬分析，見式(1)。

C1=Cpexp(-kx/(86 400u))

(1)

式中：C1為預測斷面污染物濃度，mg/L；Cp為河道污染物背景濃度，mg/L；k為衰減系數；x為預測污染源至預測點的距離，m；u為河道流速，m/s。

采用河流完全混合模式，解方程可計算河道需要補充的清水量Q，見式(2)：

C2=(C1Q1+C0Q)/(Q1+Q)

(2)

式中：C2為目標水質濃度，mg/L；Q1為河道水量，m3/s；C0為補水水源相應指標濃度，mg/L；Q為補水量，m3/s。

2.3 河流景觀需水

滾水壩、景觀壩等水頭建筑物，為使其達到景觀效果，要求水流在壩體之上形成一定的流動水體。結合水景觀設計的有關要求，形成的堰上水深需達到5～10 cm，采用堰流式(3)進行計算[8-10]：

Q=MB(Z-Z堰頂)1.5

(3)

式中：M為堰流流量系數，取1.5；B為過流寬度，m；Z-Z堰頂為堰頂水深，m。

3 貴陽市南明河生態需水量計算

3.1 基本生態需水量

根據《河湖生態環境需水計算規范》(SL/T 712—2021)，采用Tennant法計算基本生態需水量，此方法建立了河流流量與河流生態環境狀況之間的經驗關系?？菟诤恿魃鷳B流量占年平均流量的10%時，生態處于較差水平且生態開始退化，此流量為生態需水的最低標準；枯水期河流生態流量占年平均流量的20%，生態處于好的狀態；當河流枯水期生態流量占年平均流量的30%以上時，河流生態狀況為非常好。

結合貴陽市南明河城區河段的實際情況，為進一步改善城區河段的生態狀況，枯水期取值20%～30%，對應的豐水期取值40%～50%。其中：花溪水庫下游的十里河灘濕地公園、小車河濕地公園、頭堡河雙龍生態公園及城區河段涉及水生生物的生態需水，對應控制斷面取上限比例，其他控制斷面取下限比例，各典型斷面生態需水量占比見圖1。

圖1 南明河各控制斷面生態水量占比

3.2 河流環境需水量

以2020年各斷面監測數據為河道本底值，考慮各污水處理廠現狀處理規模、污水管網收集率以及再生水廠規模等，計算南明河流域污染物總量，預測南明河環境需水量。經查詢相關文獻資料，本次分析計算COD衰減系數K1取0.1 L/d、NH3-N衰減系數K2取0.1 L/d、總磷衰減系數K3取0.02 L/d。

3.3 河流景觀需水量

經調查，南明河有景觀需求的斷面包括山水黔城、甲秀樓、小車河匯口、市西河匯口、貫城河匯口、松溪河匯口等，各斷面過流寬度分別為55 m、80 m、20 m、18 m、12 m、8 m。由于城區河段對水景觀要求較高，考慮形成的堰上水深為10 cm。

3.4 生態總需水量

通過以上參數確定，結合南明河上貴陽(三)水文站長系列水文監測資料，可計算得到各控制斷面的基本生態需水量、河流環境需水量、河流景觀需水量，三者取外包最大值，可得到各控制斷面生態需水量。經計算，南明河的年生態需水量為99 286萬m3，見表1。

表1 南明河生態需水量計算結果 萬m3·a-1

4 結 論

研究成果為維護城市水生態環境良好狀況、發揮其正常生態環境服務功能，使其能更好持續穩定運行所需的水量，即水生生物能夠正常生存且滿足水質持續改善、生態流量穩定保障、景觀娛樂不斷提升等不同目標需求所需的水資源總量。在分析總結南方地區山區城市河道水文、水環境、水景觀特點的基礎上，對貴陽市南明河生態需水進行計算及應用分析。

根據貴陽市南明河生態需水量的計算結果，各控制斷面生態需水量扣除區間來水、豐水期水庫棄水、污水再生利用量等可利用水量后，得到各控制斷面的生態補水量，結合貴陽市城區周邊水資源配置方案，可制定南明河生態補水方案，切實改善城市水體水生態狀況。