城市河流生态需水量计算方法研究

杜龙飞 侯泽林 李彦彬 张泽中 徐建新

摘 要：随着社会经济的快速发展，城市加速扩张，人类活动加剧，致使城市河流水生态系统受损和水资源紧缺的问题愈加突出，因此对城市河流的生态需水进行研究具有重要意义。城市河流的生态需水不同于自然河流，在梳理已有生态需水量计算方法的基础上，考虑人类活动和城市化进程对城市河流的显著影响，应用Tennant法计算河道基流生态需水量，同时用经验公式法计算城市河流的水面蒸发量、渗漏量以及河道外绿化带景观用水量作为补充，并以郑州市为例验证了该方法的合理性和实用性。

关键词：城市河流;水资源;生态需水量;郑州市

中图分类号：TV213.4 文献标志码：A

doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2020.02.007

Abstract：The damage to water ecosystems of urban rivers and the shortage of water resources have become more prominent with the rapid development of social economy， the accelerated expansion of cities and the intensification of human activities. As a result， it is of great significance to study the ecological water demand of urban rivers. Based on the existing calculation methods of ecological water demand， Tennant method was used to calculate the basic ecological water demand of urban rivers， considering that the ecological water demand of urban rivers is different from that of natural rivers. As a supplement， the empirical formula methods were respectively used to calculate the ecological water demand from the evaporation and leakage of urban rivers and the ecological water demand from riparian landscape， in consideration of the significant impact of human activities and urbanization on urban rivers. The rationality and practicability of this calculation method was proved by taking Zhengzhou City as an example.

Key words： urban rivers; water resources; ecological water requirement; Zhengzhou City

在全球氣候变化和人类活动影响下，水循环过程及其伴生的水生态和水环境发生了深刻的变化[1]。从全球范围来看，水资源过度利用的状况从根本上改变了原有的水循环过程和条件，导致淡水生态系统发生了显著的退化[2]。人类对水生态系统服务功能需求不断增加和水生态系统退化之间的矛盾，使社会经济、水资源和生态安全受到威胁[3-4]。城市河流受人类活动的强烈干扰，对城市河流水资源利用时必须考虑生态需水，才能维持河流生态系统健康和保证水资源的可持续利用[5]。生态需水已成为国内外水资源利用和生态保护领域的研究热点[6]。澳大利亚、南非、美国和加拿大等40多个国家产生了大量生态需水计算方法，如基于水文数据的Tennant法[7-8]、综合考虑水质水量的BBM法[9]、结合水力和生物模型的IFIM法[10]等。20世纪末，人类认识到水资源与生态系统的互动性，从而关注两者的内在联系，在水资源管理中逐渐重视生态需水和生态系统保护[11-13]。但以往的生态需水研究主要集中在自然河道和流域范围，对受城市化影响和人类活动干扰较强的城市河流生态需水研究相对较少[14]，因此对城市河流生态需水量计算方法进行研究很有必要。

“城市河流”是指发源于城区或流经城区的河流或河段，也包含历史上属人工开挖但经多年演变已具有自然河流特征的河道或渠系[15-16]。城市河流受人类活动干扰强烈：①被人为渠道化严重，破坏了原有的河岸河道生态系统;②城市河道底质类型单一化，生物栖息环境复杂性降低，物种数减少，生物多样性受损;③生产生活污水和工业废水使水质变差，河流生态环境被破坏，生态功能退化;④人工闸坝等控制性设施增多，城市景观用水等使河流水资源量过度使用[17]。随着我国城市化进程加快，人类活动和城市河流之间的相互作用更为强烈[15]，高强度的人类活动使得城市河流生态需水研究工作面临新的挑战[18]。笔者对城市河流生态需水量计算方法进行探讨，并以郑州市为例验证该方法的合理性和实用性，以期为城市河流的生态健康保护及水资源合理配置提供参考。

1 城市河流生态需水量基本概念

城市河流生态需水量是为维护城市生态环境发挥正常物质循环、能量流动和信息交换所需的水资源总量[14，19]，以及为保护河流水生生物、维持生态系统健康和满足水资源可持续利用所需要的水资源量。

2 城市河流生态需水量计算方法

城市河流水资源通常不会用来灌溉农田，而作为城市生产生活及景观用水。考虑到城市化和人类活动干扰的影响，仅计算河道基流生态需水量是不充分的。为保障城市河流基本的生态功能健康，城市河流的生态需水量计算与自然河流相比，不仅需要考虑河道基流来维持水生生物正常生长，而且要考虑城市热岛效应增加的更多水面蒸发量、人类生产生活过度开发地下水产生的渗漏量和河道外城市景观用水量等。

2.1 河道基本生态需水量

早先美国的水资源管理部门对河道内基流进行研究，提出了河流最小生态需水量的概念，主要是为了改善生物栖息环境与河流生态系统、实现水资源的可持续利用[11-12，20-22]。目前国内外有关生态需水量的计算方法有200多种，国外最早于19世纪开始研究河道最小需水量，20世纪40年代开始大量研究生态需水量。国外河道生态需水量计算方法大致可以分为5类：①历史流量法，如Tennant法、7Q10法、流量历时曲線法、ABF法;②水力定额法，如WSP水力模拟法、湿周法、CASIMIR法、R2CROSS法;③栖息地定额法，如有效宽度法（UW）、加权有效宽度法（WUW）、河道内流量增加法（IFIM）;④整体分析法，如南非的BBM法、澳大利亚的整体评价法;⑤生态环境模型法，如IFIM/PHABSI法、EVHA法、CASIMIR法。国内河道生态需水量计算方法大致可以分为3类：①历史流量法，如枯水年天然径流估算法、最枯月平均流量法;②防治河流水质污染的生态需水量计算方法，如10 a最枯月平均流量法、水质目标法;③缺资料地区生态需水量计算方法，如水力半径法[11-12，23-25]。上述方法总体可概述为水文学方法、水力学方法、栖息地法和综合法。考虑到城市河流受区域地形条件限制，基本上属小河流，有较为显著的人类干扰特征，而在众多方法中Tennant法较为常用，应用范围广，适用于计算有水文站点的季节性河流，即使无水文站点的河流也可以通过水文技术获得平均流量来进行计算[7]，可应用于计算城市河流的河道基本生态流量。

Tennant法也称Montana法，是一种不需要现场测量数值的标准设定法。将多年平均径流量的简单百分比作为河道基流的推荐值，适应河道季节性变化的需求，能够解决水生生物、河流景观娱乐与河流流量之间适应性的问题，具有宏观的定性指导意义。Tennant法在美国维吉尼亚区域的河流中证实，年均径流量的10%、20%、30%分别是保障河流水生生物正常生长的栖息地最低、适宜和最佳生态需水量标准[23-27]。城市河流中河道基流须满足河流水生生物正常生长的最低水量需求，来维持城市河流最基本的水生态系统功能健康。应用Tennant法计算城市河流河道基本生态需水量Wt的公式为

2.2 河流水面蒸发需水量

河流水面蒸发需水量是指在河流内的降水量小于蒸发量时，需要通过水资源配置来补充这部分损失，来保障河流的正常生态功能。河流的水面蒸发是城市河流水量损失的主要途径之一，必须将这部分水量损耗进行补充，才能保证出入水平衡，保持水位基本不受影响，水量不缩减。通常采用理论公式法，依据河段的断面形状、河段长度、设计水深和当地气象资料计算城市河流的水面蒸发需水量Ww，计算公式为

2.3 河流渗漏需水量

一般当河流中的水位升高、水压增大，而地下水位较低时会产生渗漏，计算城市河流渗漏量Wu的经验公式为

式中：Wu为河流年渗漏损失量，m3;Ar为河流年均水面面积，m2;k为经验系数，根据河道是否进行防渗处理、河床底质类型与厚度、河道断面形状等，综合河流水文特征和河床地质条件分析确定，并划分成3个等级（见表1）。

2.4 河道外绿化带的城市景观需水量

采用面积定额法计算河道外绿化带的城市景观需水量Wp，公式为

式中：Wp为城市绿地景观生态需水量，m3/a;ψ为绿化用水定额，m3/（m2·a），综合考虑绿地的净灌溉定额、维持绿地蒸发所需水量和植被生长所需水量来确定[5，28];F为绿化带覆盖面积，m2。

3 郑州市城市河流生态需水量计算

3.1 郑州市河流概况

郑州市城区（含建成区、周边郊县和规划区）现有河流9条，涉及黄河、淮河两大流域，其中枯河属于黄河流域，剩余8条属于淮河流域，为贾鲁河水系，包括贾鲁河干流及其一级支流索须河、东风渠、魏河、金水河、熊耳河、七里河、潮河等[5，28-30]。

3.2 郑州市河流生态需水量计算

3.2.1 河道基本生态需水量

郑州市9条河流中有8条属小河流，缺少相应的水文序列资料。仅贾鲁河干流的中牟水文站有部分监测水文序列资料，该水文站控制流域面积2 106 km2，其1965—2008年的年均径流量为42 989万m3。依据贾鲁河郑州市河段流域面积1 077 km2，推算出其多年平均径流量为21 984万m3。其他8条河流同样可通过流域控制面积间接推求出其对应的年均径流量（见表2）。郑州市河流均属季节性河流[29]，根据式（1），以多年平均径流量的20%作为河道适宜基本生态流量的推荐值，计算出河道基本生态需水量（见表2）。

3.2.2 水面蒸发需水量

参照《郑州市水资源公报》，计算得出1971—1980年郑州市年均降水量为637.0 mm，河流年均蒸发量为1 853.2 mm。年均蒸发量明显大于年均降水量，根据式（2）计算出郑州市河流的水面蒸发需水量（见表3）。

3.2.3 河流渗漏需水量

郑州市河流分渠化河段和自然河段，根据式（3），对自然河段经验系数k取1.0 m，渠化河道k取0.5 m，计算出河流渗漏需水量（见表3）。

3.2.4 河道外绿化带的城市景观需水量

郑州市河流大部分为河道外绿化带的城市景观用水河道[5]，郑州市河道外的绿化用水定额ψ取值为3 345 m3/hm2，根据式（4）计算出河道外绿化带的城市景观需水量（见表4）。

3.3 结果分析

鉴于郑州市水资源禀赋较差，河流基本生态流量的计算选取多年平均径流量的20%作为推荐值，同时计算郑州市河流的水面蒸发需水量、渗漏需水量和河道外绿化带的城市景观需水量，作为郑州市河流河道基流之外需要补充的水资源量，以保障河流水生生物正常生长的基本环境功能，维持河流生态系统健康。将郑州市河流河道及河道外各部分生态需水量的计算结果进行汇总，得出河流生态需水量为17 097万m3（见表5）。

将该计算结果与《郑州市生态水系规划》报告中河流生态需水量成果进行对比：索须河、七里河、潮河和枯河计算结果比报告中的稍大，贾鲁河和魏河计算结果与报告基本一致，而东风渠、金水河、熊耳河计算结果比报告中的偏小。东风渠、金水河、熊耳河从郑州市中心区穿过，考虑河流生态景观需要，为保障郑州市河流水生态系统健康，在水资源配置时可以适当加大生态补水，如采用Tennant法以多年平均径流量的30%作为推荐值计算河道基本生态需水量。总体对比结果有一定的差别，但相差不大，说明本文提出的城市河流生态需水量计算方法具有一定的实用价值。

4 结 语

城市河流受人类活动干扰强烈，水资源量匮乏，为保障城市河流水生生物正常生长和生态系统健康，对城市河流的生态需水量进行研究很有必要。本文梳理了自然河流生态需水量的计算方法，在此基础上探讨了城市河流生态需水量（河道基本生态需水量、河流水面蒸发需水量、河流渗漏需水量、河道外绿化带城市景观需水量）计算方法，并以郑州市为例验证了河流生态需水量计算方法的合理性和实用性。随着人类社会的快速发展，城市化进程和人类活动干扰对城市河流的影响会愈加显著，城市河流的生态需水量计算还应考虑城市生活需水、工业需水等。如何更加科学合理地计算城市河流的生态需水量，保障城市河流的水生态系统健康和水资源优化配置，需要进一步研究。

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【责任编辑 张华兴】