成都平原地区城市湖泊生态需水计算方法研究——以锦城湖为例

覃春乔，钟晓凤，李俊浪

（中国电建集团成都勘测设计研究院有限公司，四川成都，610072）

1 前言

成都因水而生、因水而兴，成都的治水史就是成都发展的文明史。两千多年前兴建的都江堰，成就了成都“水旱从人，不知饥馑”的天府之国，一千年前唐朝造就“二江环抱”城市格局，成就了“九天开出一成都，万户千门入画图”的优美画卷，二十年前府河、南河、沙河治理，三获联合国奖项，谱写了新篇章。

成都市由于其独特的地形条件，城市湖泊多形成于低洼滞洪区，属于城市中地形条件较的低区域，例如兴隆湖、东安湖、北湖等，多利用地形条件顺势成湖。基于上述原因，低洼区修建的城市湖泊普遍会存在沿河污染物直接入湖、初期雨水渗流、支流水系洪期泥沙不断入湖等水质安全隐患。

河湖生态补水是保障成都市河湖生态水质重要的措施[1]，根据《四川省都江堰灌区续建配套与节水改造规划》，目前成都市主要分配的生态用水量5亿m3，用于平原灌区的生态环境用水，枯期可保证流量为5m3/s，其余水量各月平均分配。城市湖泊作为重要的水量汇集点，其水质和水量的保障就显得尤为重要，如何从需水层面，厘清其生态需水过程，需作一定深入研究。

2 成都市湖泊补水策略分析

按湖泊水体交换条件，可将其分为清水型(或封闭型)和换水型两种类型。清水型湖泊通常不与外界水源进行水体交换，依靠地表雨水径流、地下水等进行水量补给，该类湖泊水质易受周围营养盐输入的影响；而换水型湖泊具有一定的过水型特征，通常具有一定的换水周期，过流水质及水力停留时间显著影响着换水型湖泊的水质，当过流水质较好或水力停留时间较短时，可显著维持和改善该类湖泊的水质。然而，当氮、磷等营养物质大量进入封闭性、半封闭性水体或某些滞留(流速小于1 m/min)河流水体中时，会导致水体初级生产力异常增殖，致使水体透明度下降，溶解氧降低，水生生物随之大批死亡，水味变得腥臭难闻。因此，无论清水型湖泊还是换水型湖泊，均需要结合实际情况适当换水，并控制营养物质的过量输入，防止水体富营养化的发生。

对于新建湖泊，往往因湖泊底泥的营养元素释放、湖滨生态系统十分脆弱及外界污染物的持续输入，往往会导致水体严重富营养化。就目前成都市环城生态区已建成的北湖、锦城湖水质来看，由于初期冲水水质较差，加之水体换水频率极低，环湖营养物质在湖内大量聚集，目前富营养化特征明显，水体感官较差，如不进行换水和控制水源水质，很难维持湖泊水质稳定、生态系统健康持续发展。通过调研国内湖泊治理的一些案例也表明，通过水体置换，外流引水，可有效稀释水体营养物浓度，并增加水体流动性，从而抑制水体变差，防止富营养化。

因此，参考国内湖泊水环境治理成功案例[2]，在近期成都市城市湖泊按换水型湖泊建设和运行管理。在远期整个成都市水源水质条件得到实质性改善，湖周入湖污染源得到全面控制以后，可逐渐降低湖泊的换水频率，直至转换成清水型湖泊。

3 成都市典型湖泊需水计算

本次以锦城湖作为典型湖泊计算其生态需水量。锦城湖项目区范围涉及环城生态区内的高新区，面积约1.67km2，湖泊总体库容为133.3 万m3，常水位水面面积为67万m3。

3.1 换水型湖泊需水量计算

换水型湖泊的需水量主要取决于换水周期，通常采用湖库完全混合的零维水质模型，估算湖泊的年适宜需水量。换水周期指全部湖水交换更新一次所需时间长短，是判断某一湖泊水资源能否持续利用和能否保持良好水质的一项重要指标。计算公式为：

T=V/Q

上式中，T为换水周期，V为湖泊库容，Q为平衡时流入与流出湖库的年均径流量(即多年平均换水量)。

设湖泊仅由某水源补水并连续换水，换水过程中库容保持不变，污染物均匀混合，则可建立湖库完全混合零维水质模型：

上式中，V为湖库的水的体积，Q为多年平均换水量，Ic为入湖库的某污染物量，Ce为流入湖库的水量中污染物组分的浓度，C为湖库中污染物组分的浓度，s为污染物反应速率常数。令t＝0，C＝C0时，求得上式的解析解为：

假设以氨氮作为控制指标，某湖泊初始氨氮浓度为4mg/L(为Ⅴ类水体标准2mg/L的2倍，属劣Ⅴ类水体)，入湖水源氨氮浓度1 mg/L(Ⅲ类水质标准)，氨氮的污染物反应速率常数s按0.8/a计，则可计算出，在换水周期T=0.7a时，可满足t=1a、C≈1 mg/L，即按0.7年换水一次，可以使氨氮超标的劣Ⅴ类湖水在1年后达到Ⅲ类水质标准。

实际情况中，由于城市区域污水、雨水等的入湖，湖泊污染负荷较大，实际换水周期应远小于0.7年。

借鉴目前国内经验，要维持湖泊水质处于较好状态，城市湖泊换水周期应维持在20天至2个月的水平[3]。结合本项目湖泊补水水源水质现状较差和湖泊周围污染物负荷较高的现实，以“进入湖泊污染负荷越严重、湖泊面积越小，换水周期越短”的原则，合理确定换水周期。此外，成都市汛期(5月～10月)由于降雨丰富，水体置换较快，湖泊发生水体污染的可能性要低，因此换水周期可适当延长。非汛期(11月～次年4月)降雨量少，如没有外来水量更换水体，会出现水质变差，影响生态环境及景观等问题。因此，应在非汛期增加交换水量，以保证湖泊水质，满足生态环境及景观需要。基于此，确定各湖泊汛期（6个月）换水次数为2次，即交换周期90天；非汛期（6个月），换水次数为6次，即交换周期30天。

3.2 清水型湖泊及湿地需水量计算

成都市环城生态区的湖泊远期按清水型湖泊运行管理，根据国内湖泊运行管理经验，清水型湖泊仍需一定的水量，以维持湖泊形态、生态系统需求。这个水量称之为湖泊的年最小需水量。

根据水量平衡原理，湖泊的年最小需水量Vmin可按下式计算：

Vmin=Ve+Vt+Vf+Vo-Vr

上式中，Ve为湖泊水面年蒸发水量，Vt为水生植物和湖滨带植物年蒸腾水量，Vf为湖泊年渗漏水量，Vo为其它年耗水量(湖周边植被绿化、环境卫生耗水量)，Vr为湖泊的年降水水量。

按清水型湖泊运行的要求，为弥补湖泊蒸发、渗漏、植物蒸腾及其他耗水，同时为防止水体水质变差，确定各湖泊在非汛期(一般在12月份)换水1次，相关计算成果见表1。

表1 锦城湖近远期需水量计算表

根据上述分析和计算，推荐城市湖泊1～3年内近期采用换水型，年需水量为1050.4万m3，待水质以及湖泊自身生态系统得到成熟之后，转换为清水型模式，其补水频率以及需水量大幅度减少，年需水量为117.44万m3。

4 结语

本次需水量计算充分考虑了湖泊外部条件和自身水力结构对湖泊需水造成的影响，符合城市生态环境设计理念，可从生态补水层面做出对城市湖泊设计层面前瞻性要求，实现城市湖泊可持续发展具有一定的实践意义。

本次需水量计算重点分析了湖泊不同时期的运行特点，选择了清水型和换水型两种计算方法，计算了锦城湖近期在工程建设完工后与远期成熟运营条件下两种不同情境下的生态需水量，解决了受人为因素影响较多的湖泊生态需水量计算的问题。

结合目前城市水资源紧张的情况，生态需水量的计算越来越追求经济合理，生态需水量计算的过小和过大都无法满足城市和社会发展的要求，本方法对于实现城市湖泊建设近期与远期运营补水的相互协调，实现城市湖泊全生命周期的经济合理管控有一定的促进作用。