福州市江北城区内河水系生态环境需水量计算

李 烜 魏丽真

（福建省福州第十八中学 福建福州 350003）

引言

2018年6 月，国务院发布《关于全面加强生态环境保护坚决打好污染防治攻坚战的意见》，要求打好城市黑臭水体治理攻坚战。

近年来，福州市的经济和社会都得到了长足的发展，但内河污染问题仍较为突出，严重制约了社会经济的可持续健康发展。为了改善福州市内河水环境，市政府加大了投入力度，大力推进内河综合整治工作。其中一项重要工作是打造城市水系良好的水生态系统，才能保障内河水环境长治久清。

打造水系的水生态系统，需要明确内河生态环境需水量。但是，福州市内河生态环境需水量的确定，目前依然是个难点，主要体现在：①国内外目前对内河生态环境需水量尚未形成明确统一的界定，故无统一的计算方法；②福州市江北城区水系发达，水情、工情条件、水质边界条件等影响因素复杂，难以按简单的稀释扩散理论来确定为满足一定生态环境功能的需水量。

1 福州市江北城区概况

福州位于福建省东部沿海，闽江下游。江北城区位于福州盆地的中心地带，西北东三面环山，南临闽江北港，总面积约160平方公里。城区内近70条内河，分属白马河水系、晋安河水系、光明港水系、磨洋河水系和新店片水系（如图1所示）。江北城区内河水系的河道河宽不等，最小5米，最大近50米。

图1 江北城区内河水系图

2 河道生态环境需水量组成部分及其计算方法

2.1 组成部分

本次研究中的需水量主要是指河道的生态环境需水量[1]，但目前河道生态环境需水量尚未形成统一的定义。一般情况下，内河生态环境需水量应综合考虑以下几个方面的内容：（1）维持水生生物生存需水量。（2）为保证大部分河道的主要水质指标达到Ⅴ类水标准的稀释自净需水量。（3）为满足一定的景观需求需要的水量。（4）河道蒸发渗漏需水量。

2.2 计算方法

2.2.1 维持水生生物生存需水量

维持水生生物生存需水量的计算方法主要有：Tennant法、湿周法、R2CROSS 法等[2-4]。

（1）Tennant法

Tennant法是估算河道维持水生生物生存需水量较为常用的方法。其计算公式如下：

式中：W河流—为多年平均条件下维持河道一定功能的需水量（m3）；

Mi—为第i月的天数（天）；

Qi—为第 i月多年平均流量（m3/s）；

Pi—为第i月生态环境需水百分比。

（2）湿周法

河道湿周法的重点是保护临界湿周，一般就能够满足临界状态以下的河流水生生物栖息地的最低要求。湿周法一般通过确定湿周与流量之间的关系确定河道的流量推荐值。

（3）R2CROSS法

R2CROSS法是以曼宁公式为基础的计算方法，该法适用于浅滩式的河流栖息地类型。该方法建议将所有河流的平均流速设为一个常数值，采用0.3048m/s，根据河道宽度和平均水深即可计算河道的维持水生生物生存需水量。

2.2.2 河流稀释自净需水

河流稀释自净需水是指在控源截污的基础上，河流水体满足所在水功能区水质目标所需要的最小水量。

（1）7Q10法

7Q10法是指采用90%保证率最枯连续7日的平均水量作为河流最小流量设计值。目前该方法在国内主要用于计算污染物允许排放量。

（2）水质目标法

水质目标法是依据河流水功能区划及其相应的水质目标，通过水量平衡和污染物质的质量平衡原理，计算其稀释自净需水量。其计算方法如下：

①首先研究区域水体污染水平、污染物排放负荷、区域水质控制目标三大要素：

分析确定水系河流污染的主要种类和主要污染物浓度水平。

研究区域污染物排放的种类和性质，调查污染物排放总量（污水量q，主要污染物浓度C）。

根据区域水体功能确定水系水质控制目标Clim。

②计算排入河流中的污染物达到安全浓度水平需要的河流流量Qlim，假设沉淀和降解还没有发生或其效应忽略不计，则

③假设现有河流的流量为Q1，则完成稀释需要调度的流量为Qs：

2.2.3 景观需水量

景观需水量的计算，暂无统一的方法和标准。一般可根据景观水深、断面形状进行确定。

解 如图11所示，由于不妨看作点F由C运动到B，且速度为15，并将其用平行四边形法则可分解为向左9，向上12的速度，而D有向右16的速度，因为点H为DF的中点，那么点H就有了一个向右3.5的速度以及向上6的速度，所以运动方向与水平向右方向夹角θ有轨迹为一条线段，如图10，从AC中点到斜边AC上高线中点的一条线段MN.所以线段CH长度的最小值即为点C到MN的垂线段长为

2.2.4 河流蒸发渗漏需水量

（1）河流蒸发需水量

根据河流的断面形状，水深、河长和气象资料计算河流水面蒸发量。

式中，Wre——河流水面蒸发需水量，mm/a；

Ar——河流水面面积，km2；

Ep——水面蒸发量，mm/a；

（2）河流渗漏需水量

河流渗漏需水量是指当河流水位高于地下水位时，通过河流底部渗漏和岸边侧漏形式向地下水补充的水量，其计算公式如下：

I——水力坡度；

W——过水断面面积，m2；

T——补给时间，d。

3 江北城区内河水系生态环境需水量计算

3.1 维持水生生物生存需水量

Tennant法和湿周法均基于长时间序列的流量观测资料，而福州内河缺乏相应资料，因此无法采用。福州市内河的驳岸高度较小，可视为浅滩式的河流，故采用R2CROSS法计算福州内河维持水生生物生存需水量。

利用R2CROSS法计算江北城区维持水生生物生存需水量，内河总需水量为9559.5m3/月。

3.2 河流稀释自净需水

7Q10法需要长期的流量监测资料，无法应用于福州市内河稀释自净需水量的计算。因此，采用水质目标法计算福州市江北城区内河的稀释自净需水量。

江北城区内河污水量取为67.08万m3/d，截污率按偏不利情况取70%，排放污水的氨氮浓度按25mg/L计算。内河总稀释自净需水量为7503.8万m3/月。

3.3 景观需水量

福州市江北城区一般内河的景观水位为0.5～0.8米，重要内河的景观水位为1.0～2.0米。本研究在计算维持水生生物生存需水量时已考虑了水位要求，所有河道的水位均不低于1米，因此，可以认为内河在满足维持水生生物生存需水的同时可以满足内河的景观需水量。

3.4 河流蒸发渗漏需水量

福州市地下水位较高，因此可不考虑河流的渗漏需水量。

根据河流水面蒸发需水量公式计算，江北城区内河水系总蒸发需水量为白马河水系、晋安河水系、磨洋河水系、新店水系和光明港每年用于平衡水面蒸发的需水量分别为：257.38×104m3/年。

3.5 生态环境需水量计算

针对江北城区的内河，在计算生态环境需水量时，维持水生生物生存需水量、河流稀释自净需水量以及河流蒸发需水量三者是重点考虑的对象。

由于维持水生生物生存需水和河流稀释自净需水之间存在重叠部分，因此，本研究采用以下公式计算内河生态环境需水量：

内河生态环境需水量＝Max（维持水生生物生存需水量，河流稀释自净需水量）+河流蒸发需水量。

根据上式计算，福州市江北城区内河生态环境需水量为9816.9 万 m3/月。

结语

综合考虑内河维持水生生物生存需水量、稀释自净需水量、景观需水量和蒸发渗漏需水量，江北城区内河总需水量为9816.9 万 m3/月。

（1）在本研究的基础上，建议进一步开展江北城区可供水量的研究，进而进行供需平衡分析。

（2）福州市江北城区水系是典型的感潮河段，拥有宝贵的潮汐资源。早在古时代，古人们就充分利用了闽江资源引水入城，造就了水城福州的美景。建议充分发挥福州地理优势，充分利用潮汐资源，将潮水资源引入城区内河，可为打造水系水生态提供充足的水资源。