川南地区河道生态需水量计算方法研讨

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）

0 前 言

水是地球生物赖以生存的源泉，是生命系统的基础。河湖水系是水资源的载体，是生态环境的重要组成部分，也是经济社会发展的基础，伴随着城市的快速发展，人民追求美好生活的需求日益迫切，水资源的使用分配在注重生活用水、生产用水开发与研究的同时，对生态需水的关注度也越来越强。河湖生态需水研究在世界许多国家的研究已较为广泛，目前已经成为生态学、水文学和水资源学研究的前沿问题［1］。

河道内生态需水量是生态环境需水的组成部分，是指维系河道生态系统健康所必须的水量，其对河流生态系统的结构、功能、形态的维护具有重要的意义。从结构功能上看，河道生态需水是由多元变量组成的一个有机整体，包含河道基流量、河道输沙需水、下渗与蒸发需水、净化需水、河滨带湿地需水、生态景观需水等各个结构功能需水量。

现在国内外对生态环境需水量的研究已经达到了比较先进的水平，计算方法多样且较为成熟。目前生态环境需水量的种类很多，包括城市生态环境需水量，湿地环境需水量，流域生态环境需水量等等。生态环境需水量的估算方法很多，有侧重水文学方面的，也有侧重水力学方面或生态学方面的方法。常用的有：Tennant法、水生物基流法、可变范围法、7Q10法、年最小流量法、流量持续时间曲线分析法、湿周法等［2］。

从发展趋势而言，河湖需水量计算从单纯的河道自身逐渐演变为关联河道周边环境的多因素条件下的计算，受到人为影响的调度越来越多。河道生态水量的考虑从保障河道自身用水需求之余，还应满足日常城市形象等需求，其扮演的角色越来越重要。随着城市水系连通的兴起，在进行城市河道生态景观的建设过程中，一方面会考虑设置跌水堰坝、水闸、丁坝等设施来形成雍水格局，形成良好的生态景观效果，另一方面，由于水系连通往往打破原有的汇水格局，使得河道无法按照天然河道来分析计算。

川南地区河道流程短、坡降大、河道汇流面积小，河道水资源条件丰枯期差别明显，汛期峰高浪急，枯期河道干涸，滩地裸露。从目前川南地区城市河道运行经验来看，既不能完全参考天然河道计算方法，也不能按照大江大河计算模式，亟需寻找一种匹配川南地区水源特点以及满足城市生态用水需求的需水量计算方法。

1计算方法探索

结合川南地区树枝状水系特征，为了确保河道维持一定的水位，经济合理的利用水资源，实现汛枯期的水量配置，通常采用构架梯级城市生态景观堰形式，实现河道自身蓄水和外部调水的屯蓄，通过结合地形条件特征与规划要求，形成宜宽则宽、宜浅则浅、宜深则深、宜窄则窄的丰富多样的水系形态，最大限度实现保留水系空间自然属性。

本次通过调研和分析，川南地区地形条件决定其引调水水源选择空间不足，河道需选取较为经济合理的运行与调度模式，保障河湖生态安全。川南河道在高坡降条件下，一般维持其微小流态，以确保河道水质满足要求，拟定的计算方法如下：

式中，W需水为计算得到的河湖生态需水量，万m3；W蒸发为计算得到的河湖水面蒸发量，万m3；W渗漏为计算得到的河湖水面渗漏量，万m3；W基流为计算得到的河湖水面基流量，万m3。

生态需水量考虑主要有三部分。第一部分为河道水面蒸发，河道水面蒸发主要的影响因子为有水体表面的面积和形状、水深、水质和水面的状况等因素。其中核心的因子为水面面积，本次简化考虑，把水面面积作为单因子考虑；第二部分为河道渗漏，本次河道由于河底常水位底部常年在淹没范围内，且工程施工一般会考虑防渗等因素的影响，河道基本可以看作为众多个梯级堰坝形成串联式水库，主要受到河床质和土壤岩性的影响，按照水库计算方法简化计算，主要的参数为河库库容和渗漏系数；第三部分为河道生态基流，由于河道受到堰坝控制，河道常年维持微小流动状态，水质作为控制因素，往往是河湖生态环境健康体系中最为关键的指标，本次河湖需水以水体水质作为控制因素总体确保其生态基流。

计算公式及其中分项计算方法如下所示。

（1）蒸发量计算

水面蒸发生态需水量是指为弥补由于水面蒸发所消耗的水量，通过河道的水位计算其水面面积，由水面蒸发量和河道水面面积计算河湖的蒸发水量。河流的水面蒸发是河流水量消耗的重要方式之一，这需要一定的水量用于维持系统正常的环境功能。当水面蒸发高于降雨量时，通过水面蒸发量与降水量差值所计算的消耗与蒸发的净水量。

通过收集区域内典型的蒸发降雨过程，计算河道雍水之后形成的水面面积，以日、月为单位，计算每日或者每月的蒸发量和降雨量，最后按公式计算蒸发量。公式为：

式中，W蒸发为河湖水面蒸发量，万m3；F为常态下河湖水面面积，万m2；Ej为河道逐月蒸发量，mm；Pj为河道逐月降雨量，mm。

（2）渗漏量计算

渗漏量采用库损法或者逐月渗漏量计算法进行计算。其中库损法公式为：

式中，W渗漏为河湖水面渗漏量，万m3；V为常年平均河湖库容，万m3；α为河道逐月库损系数，结合水库设计要求，α的值取为1%～5%。

（3）基流量计算

由于川南地区河道属于宽深比不大的中小河流，故认为污染物质在较短的河道断面内基本能均匀混合，断面污染物浓度横向变化不大，则可采用一维水质模型计算纳污能力。考虑到污染物一般是沿河多处排放的，即每个河段内可能存在多个入河排污口，为了简化计算，可将计算河段内的雨水径流污染概化为一个集中的排污口，且位于河段中点处，相当于一个集中点源，这样得到如下一维水质模型：

式中，k为污染物的综合衰减系数，1／d；u为河流的设计平均流速，m／s；CS为功能区水质目标值，mg／L；C0为功能区水质初始浓度值，mg／L；L为沿河流经的距离，km；Q为设计流量，m3／s；W为污染物最大允许入河速率，t／a。

2 工程区域概况

自贡市位于四川盆地西南部，沱江穿境而过，地理位置优越，交通便利，物产丰富，是四川省经济发达地区。自贡东部新城位于中心城区东部，北接内宜高速公路大山铺片区，东连成自泸赤高速公路，西临鸿鹤片区，南临釜溪河，规划总面积34 km2，规划人口规模29万人。

自贡市是全国50个严重缺水城市之一，人均水资源455 m3，釜溪河为四川省水质最差的河流之一，生态系统退化，环境污染严重。治理水环境、加强生态文明建设、建设美丽自贡，对于全面建成小康社会，具有极其重要的意义。

河湖水系连通是以江河、湖泊、水库等为基础，采取合理的疏导、沟通、引排、调度等工程和非工程措施，建立或改善江河湖库水体之间的水力联系，有助于改善东部新城城市面貌。目前部分流域和区域已初步形成了以自然水系为主、人工水系为辅、具有一定调控能力的江河湖库水系及其连通格局，为促进经济社会发展发挥了重要作用。

自贡市东部新城河道连通具体包括新建宜昆河、宜家河、宜陈河和农印河，总长14.02 km，泗河均位于规划绿地内，宜宽则宽，宜窄则窄，建设后水面面积达60.89万m2，其中原有塘堰水面（杨柳塘水库／青莲寺水库）面积8.22万m2。

东部新城水系布局上充分结合地形地貌，水系特性如表1所示。

表1 东部新城水系特性

本次河道总的流域面积为16.56 km2（宜昆河与农印河重合7.47 km2），河道总长度为14.02 km，河道水面面积69.12万m2，河道平均宽度37～56 m，总体河道库容为207.37万m3。

3 需水量计算

3.1 蒸发量计算

本次结合自贡站气象站为研究区的基站，因此采用自贡站的数据计算生态需水中的蒸发量。其中多年平均降雨量为1 024.7 mm，多年平均蒸发量1 019.3 mm（Ф20 cm蒸发皿）根据《四川省水文手册》，折算系数取0.6，多年水面蒸发量1 698.8 mm。通过计算全年蒸发量为57.66万m3。蒸发量计算结果见表2。

表2 蒸发量计算结果

3.2 渗漏量

假定渗漏段内损失均匀，参考相关数据，河道内对应各流量的渗漏补给系数。当河湖中有水存在，水位抬高，水压加大，在地下水位较低的情况下就会发生渗漏，产生渗漏损失，本次考虑目前河道采用黏土防渗，渗漏系数取1%。渗漏量为24.88万m3。渗透量结果见表3。

表3 渗漏量计算结果

3.3 污染降解需水量计算

根据《水域纳污能力计算规程》（GB／T 25173-2010），本次计算拟采用污染负荷法中的估算法计算年入河污染物量。

宜昆河、宜家河、宜陈河、农印河水体污染负荷来源于生活污水排放、工业废水、养殖废水、污水处理厂尾水污染等方面，结合污染物入河分析对各河流进行纳污能力核算。由于四条河流均为东部新城连通河道，区域内无养殖废水，在规划建设过程中，已对工业废水、生活污水、初期雨水进行完全截污，污水处理厂尾水也已完全提标升级。因此，东部新城流域内主要污染物是由降雨带入的污染量。

3.3.1 降雨带入的污染量概算

自贡市常年降雨量为1 024.7 mm，根据自贡市的雨水水质分析资料，确定该区域雨水水质为NH3-N、COD和TP，其浓度分别为0.50 mg／L、8.54 mg／L、0.05 mg／L。预计降雨带入的污染量见表4。

表4 连通河道降雨带入的污染量

3.3.2 水质模型的选择和概化

采用上文一维计算模型，其中参数选取如下：

（1）污染物的综合衰减系数k的确定

污染物综合衰减系数k是反映污染物沿河段长度变化的综合系数，是计算河段水系纳污能力的一个重要参数，与河流的水力学、水质污染程度、水温、河流本底质、河床粗糙率、流速等诸多因素有关。

据查，长江水资源保护科学研究所在南水北调中线工程可行性研究专题之八《环境影响评价》中，确定汉江中下游kCOD值为0.2～0.4；日本规定的k值为0.12～0.24。本次设计采用相关研究资料的数据，取kCOD、kNH3-N、kP值分别为0.2／d、0.05／d、0.1／d。

（2）河流参数确定

参考国内外人工湖泊水体流动流速控制要求，在水资源短缺的前提下，河道流速较低，基本维持微小流动状态。通过参考杭州西湖、武汉东湖、在建兴隆湖等成功案例，河道流速控制为0.02 m／s，一方面可确保水体微小流动，一方面可为水体自净能力提供良好的环境。同时结合本次河道设计，平均水深为3～4 m左右，通过跌水堰串联蓄水，可屯蓄207万m3，维持水体自净能力有水量保障。各河道相关设计参数见表5。

表5 河道相关设计参数

3.3.3计算条件

东部新城四条连通河道按GB3838中的Ⅳ类水标准执行，即出入口水质均按Ⅳ类水控制。具体河道水质控制指标见表6。

表6 河道水质控制要求

3.3.4 降雨量分析

本次考虑污染物主要来源为降雨携带污染物入河，而降雨量可划分为逐月过程，各月都有不同的降雨量，按照各月降雨量计算各月污染物含量，进而计算污染物浓度，作为模型输入参数，同时以COD、TP、NH3-N作为水质指标，根据水生态构建效果，制定合理降解系数，逐月计算河道水质达标所需要的生态补水流量，取三个指标中需水量作为当月生态水量。自贡市多年平均降雨量见表7。具体计算过程数据见表8。东部新城河道生态需水量见表9。

表7 自贡市多年平均降雨过程

表8 降解水量计算成果情况

表9 东部新城河道生态需水流量计算情况 单位：万m3

4 结果分析

4.1 本次河道需水计算结果分析

本次计算河道需水量包含蒸发、渗漏和河道水质保障基本需求水量，其中河道水质保障基本需求水量主要与降雨关联，河道总体补水量呈汛期多、枯期少的情况，符合川南地区河道时空不均的特性，为城市补水水源选取的多样化空间，也基本符合川南地区水量调配的总体规律。

本次针对水源的需求过程和水源自身的特点类似，枯期不会占据水源过多的水量，对水源点自身河道需水以及生态系统的保障具有一定的保护价值，且不会因为枯期大量引水造成跌水堰范围内底泥上翻，造成水体浑浊。汛期时期调配水资源量，有助于实现河库联合调度的水资源综合利用，扩大城市汛期河道流量。形成跌水瀑布等城市景观，对城市的环境美化和活力提升具有较强的助力。

本次需水量中蒸发渗漏占有的比例不多，满足河道蒸发渗漏需水不多，河道需水主要是考虑河道水质总体得到保障，基本维持河道具有一定微小流动性，避免河道常年存在死水状态。

4.2 与其他方法计算成果对比

本次按照Tennant法、湿周法等方法做同步计算。

4.2.1 Tennant法

根据凌家场站径流资料分析计算，多年平均径流深为279 mm，本次河道流域面积为16.56 km2，按照Tennant法计算结果河道需水量为45.5万m3。

4.2.2 湿周法

本次断面采用生态断面形式，按照湿周法计算结果为1 539万m3，逐月计算结果如表10所示。

表10 东部新城河道生态需水流量计算情况 单位：万m3

Tennant法和湿周法计算的结果都为月均固定值，其中Tennant法计算结果不考虑周边降雨蒸发等环境对水体造成的影响，也无法针对河道自身水力结构在需水量层面的影响做相应差别计算；湿周法仅考虑结构影响，针对周边降雨蒸发等环境对水体造成的影响难以量化；本方法蒸发和降解都考虑了降雨蒸发对水体造成的影响，渗漏和蒸发部分也结合河道自身形态做了相应需水量的调整，具备动态调整性。

5 结论与展望

（1）本次方法解决了受人为影响较多的河道生态需水量计算的问题，生态需水量保障了自身的蒸发渗漏，同时也提高了水系的流动性。解决了汇流面积小的河道生态水量计算的问题，使计算的河道蓄水量既能满足城市生态景观需求，同时也能经济利用水资源。

（2）本次需水量主要从蒸发、渗漏和污染降解三个维度针对川南地区堰坝结构下河湖需水量做了详细的计算，主要解决川南地区河道汇流面积小、河道来水不足、水资源时空分布不均、水污染承载能力低、水源条件不足等问题。河道需水量计算既满足了符合区川南地区河道时空不均的特性，推高了水源选取的多样化空间，也基本符合川南地区水量调配的总体规律，在河湖生态补水层面设计上具有较强的可操作性。

（3）本次需水量计算充分考虑了外部条件和自身水力结构对河道需水造成的影响，河道需水根据区域条件以及河道自身设计有了动态的调整，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河道设计层面前瞻性要求，对实现城市河道可持续发展具有一定的指导意义。

（4）结合目前城市水系连通的建设，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，本方法可实现城市河道设计与后期运营相互协调，实现河道全生命周期的经济合理管控。