城市内河黑臭治理补水及环境效益初探

郭晓涛 罗佳文 钟良生 赖杜锋

摘要：城市内河水量主要来自降雨和沿岸排口的排水，缺乏长期稳定的天然水源，因而在实施黑臭整治后往往会面临河道旱季断流、景观功能丧失的困境。针对雨源型城市内河，以株洲市建宁港为例，应用水文学、水力学等方法建立了河道黑臭治理补水量的计算模型，并采用环境容量法初步评估了补水工程实施前后的环境效益。结果表明：以污水厂再生水作为补水水源，建宁港补水总量约为1.91万m3/d;补水后，河道水体污染物COD、氨氮和总磷的环境容量同步得到显著提升。研究成果可为城市内河黑臭治理后的河道补水量计算和实施效果评估提供借鉴与参考。

关 键 词：生态补水; 黑臭河道; 环境效益; 城市内河; 建宁港; 湖南省

中图法分类号： X522   文献标志码： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2022.01.011

0 引 言

近20 a来，中国不断加快城市建设进程，城镇污水排放量逐年攀升。城市内河长期作为城市污染的受纳水体，近些年出现黑臭现象的频率愈来愈高[1-2]。与之相反，随着经济社会的发展，城市居民对城市河道的景观环境、休闲娱乐等功能提出了更高的需求，日益期盼城市水环境质量得到明显改善。为此，2015年《水污染防治行动计划》颁布后，各地先后开展了多批城市黑臭水体整治工程。其中，由于部分城市内河为人工开挖的明渠，河道底部及驳岸全部或部分实施了浆砌硬化[3]，已基本无自然汇水来源，这部分河道径流量主要来自季节性降水及流域内雨污排口的排水。当实施控源截污工程后，河道来水明显减少，旱季断流现象时有发生，因而面临着水质返黑返臭、河流景观功能丧失、水生态退化等威胁[4]。

河道汇水源头的缺失使河流旱季径流量大幅减少，河流水动力条件显著下降，复氧能力大大削弱，治理后的河流容易再次黑臭。因此，对这一类雨源型城市内河进行补水，恢复其景观生态功能，是保障黑臭水体治理效果的关键之一[5]。在国内外河流治理实践中，生态补水是必不可少的工程措施，比如，韩国清溪川和光州川通过实施上游引水来强化河流的生态功能[6]。英国遵循“最小可接受流量”的河道治理理念[7]。中国的深圳茅洲河流域水环境整治[8]、北京永定河治理[9]、辽河流域水环境治理[10]等河流治理范例，也将调水补水作为河流生态修复的重要手段。然而，当前对雨源型城市内河生态补水的研究仍较少。

建宁港位于湖南省株洲市，发源于石子岭，干流长为12.2 km，总流域面积为36.9 km2，是湘江的一级支流。建宁港流域所在区域地表开发程度较高，上游缺乏足量的天然补给水源，雨季旱季径流量差异大，是典型的雨源型城市内河。同时，作为城区的主要排水通道，建宁港长期接纳片区的生活污水和工业废水，现状已恶化为黑臭水体。自2018年起，株洲市开展了建宁港黑臭水体綜合整治工程，通过采取控源截污、内源治理、水系修复、植物生态系统构建、活水循环等工程措施，力争在规定期限内消除建宁港黑臭水体。

本文以株洲市建宁港为例，着重介绍黑臭水体治理工程中雨源型城市内河生态环境需水量的计算方法以及实施补水后环境效益的评估，以期为雨源型城市内河黑臭治理后的保质提供借鉴。

1 研究区概况

建宁港流域除建宁港主渠道外，还有10条支流水系，包括天台支流、荷塘铺水系、太阳水系、大坪路水系、电焊条水系、新屋街水系、果园支渠、三角叉水系、建宁新村水系、龙泉高排渠等。流域水系区位如图1所示。

建宁港流域大部分水系位于城市建成区内，现状多为暗渠或人工明渠，渠化严重，旱季径流量小，水流流速缓慢，水质轻度黑臭，已基本丧失了生态自净功能。水系主要特征参数如表1所列。

由于荷塘铺水系、太阳支流等微小水系已纳入其他工程实施范围内，因此，将本文研究对象限定为建宁港主渠及果园支渠。

2 河道生态环境需水量计算

河道生态环境需水量是指为了维持河流水生态系统平衡，使其具有最基本的水体自净能力所需的最小径流量，主要涵括了满足河流生态基流、保持水体稀释自净能力的功能型需水量，以及参与蒸发、下渗等水文循环过程的消耗型需水量[11]。河道生态环境需水量的计算可为城市内河黑臭水体整治补水量的确定提供设计依据，对巩固雨源型城市内河黑臭治理成果具有重要意义。

目前，河道生态环境需水量常用的计算方法可分为水文学法、水力学法、整体分析法和栖息地法四大类[12-13]。

水文学法是通过分析河流的历史径流量资料推导河道生态流量，主要采用水文指标对历史流量数据进行设定，取河流平均径流量的百分比来推算生态需水量，计算方法包括了蒙大拿法（Tennant）、景观需水量法、年最小流量法、7Q10法、德克萨斯法（Texas）等。水文学法无需现场实测数据，所需资料相对较少，但未考虑河流几何断面、河道形态和水量季节性变化对河道需水量的影响，因而通常将其用来计算优先度不高的河段需水量[14]。

水力学法认为，河流水生指示物种生存所需水量与维持河流生态系统平衡所需水量是一致的。因此可以通过采用河流宽度、流速等现场实测水力学数据，分析河流径流量与水生生物栖息地指示因子的关系，并计算出保护水生生物栖息地的所需水量。典型方法有湿周法[15]、拐点法[16-17]等，这些方法比较适用于河床宽浅的河流。

整体分析法主要指南非的建筑堆块法（BBM法）[13]，以维持河流的天然状态为基本指导原则，对包括源头、河道、驳岸、洪积平原、河口等整个河流生态系统的需水量进行评价，并将雨季流量、旱季流量、中小型洪水以及冲刷流量等纳入考虑范围。整体分析方法较为复杂。

栖息地法又称栖息地定额法，其核心在于建立以河流生境为生存空间的生物物种在不同生命阶段所利用的栖息地的空间变化与栖息地对应需水量之间的联系。该方法要求对河流生态环境有充足的认识和清晰的管理目标，多用于比较权衡资源所产生的生态环境效益与社会经济效益。

根据株洲市气象统计数据，当地气象站实测统计的多年平均蒸发量为1 369.8 mm/a。建宁港流域主渠水体面积约为7.68万m2，果园支渠水体面积约为0.90万m2，据此可计算得出建宁港流域主渠和果园支渠的多年平均蒸发量Wzf分别约为10.6万m3/a和1.3万m3/a，日均蒸发量分别为289 m3/d和34 m3/d。

2.2 河道下渗需水量

参考已有的研究资料[20]，对建宁港流域河道下渗量按全流域多年平均径流量的1.5%计，则建宁港流域主渠和果园支渠的年下渗量Wsl分别为39.6万m3/a和8.4万m3/a，日下渗量分别为1 085 m3/d和228 m3/d。

2.3 河道生态基流量

综上所述，将各分项需水量结果代入建宁港生态环境需水量计算模型，可得到建宁港流域主渠和果园支渠的河流补水量分别约为1.58万m3/d和0.33万m3/d，总补水量为1.91万m3/d。计算结果如表5所列。

由表6可知：在控源截污、底泥疏浚等工程措施实施后，通过调用龙泉污水处理厂三期再生水对建宁港进行水量补给，可以有效提高建宁港主要水体污染物的水环境容量，COD从18.33 t/a增加至200.63 t/a，NH3-N从0.77 t/a增加至13.01 t/a，TP从0.08 t/a增加至1.35 t/a，分别增长了10倍之多。综上所述，可认为建宁港再生水补给工程对提升建宁港河流水生态环境具有显著的环境效益。

4 结 论

由于缺乏长期稳定的天然水来源，雨源型城市内河黑臭治理后往往面临旱季断流、返黑返臭的困境，生态补水是保障此类河流治理效果的关键。本文以株洲市建宁港水环境治理为例，应用水文学、水力学等方法建立了河道生态补水量计算模型，将蒸发水量、下渗水量以及生态基流量、景观环境需水量、河流稀释自净水量等各项纳入模型参数中。在河流考核断面水质达标前提下，以污水厂再生水作为补水水源，计算得建宁港补水总量约为1.91万m3/d。

此外，本文采用环境容量法，初步分析了河流补水后的环境效益。通过建立河流一维模型，计算得生态补水后河流主要水质指标COD、NH3-N和TP的污染物环境容量均得到显著增加。实践证明：控源截污、内源治理以及面源污染控制措施仍是保障雨源型城市内河再生水补给效果的前提条件。

建宁港作为雨源型城市内河的典型代表，其河道生态补水量计算模型和补水环境效益评估方法对其他同类型河流具有较好的借鉴意义。但仍存在一些需要改进的地方，包括面源污染的量化、雨季排口溢流污染对河流治理效果的影响等。

参考文献：

[1] 徐敏，姚瑞华，宋玲玲，等.我国城市水体黑臭治理的基本思路研究[J].中国环境管理，2015，7（2）：74-78.

[2] 王浩，孟现勇，林晨.黑臭河道治理关键技术及其应用[J].人民长江，2020，51（11）：1-9.

[3] 栗玉鸿，王家卓，胡应均，等.城市明渠生态补水方法初探：以石家庄海绵城市规划中水环境提升为例[J].给水排水，2019，55（2）：64-69.

[4] 易皓，邴永鑫，虢清伟，等.城市雨源型河道原位水质净化系统设计与特点分析[J].中国给水排水，2015，31（22）：54-57.

[5] 史贵君，仝晓辉，汪银龙，等.城市高度建成区河道生态补水治理方案研究[J].人民长江，2020，51（4）：75-80.

[6] 梁耀元，陈小奎，李洪远，等.韩国城市河流生态恢复的案例与经验[J].水资源保护，2010，26（6）：93-96.

[7] 陳兴茹.国内外城市河流治理现状[J].水利水电科技进展，2012，32（2）：83-88.

[8] 楼少华，唐颖栋，陶明，等.深圳市茅洲河流域水环境综合治理方法与实践[J].中国给水排水，2020，36（10）：1-6.

[9] 石维，徐鹤，高圆圆，等.永定河综合治理与生态修复评估之水质状况评估[J].环境生态学，2020，2（10）：59-63.

[10] 钱锋，魏健，袁哲，等.辽河流域水环境治理模式与“十四五”规划思考[J].环境工程技术学报，2020，10（6）：1022-1028.

[11] 王谦，王秋茹，王秀蘅，等.城市雨源型河流生态补水治理案例研究[J].给水排水，2017，43（10）：47-53.

[12] 周振民，刘俊秀，范秀.河道生态需水量计算方法及应用研究[J].中国农村水利水电，2015（11）：126-128.

[13] 钟华平，刘恒，耿雷华，等.河道内生态需水估算方法及其评述[J].水科学进展，2006（3）：430-434.

[14] 张代青，高军省.河道内生态环境需水量计算方法的研究现状及其改进探讨[J].水资源与水工程学报，2006（4）：68-73.

[15] 崔起，于颖.河道生态需水量计算方法综述[J].东北水利水电，2008（1）：44-47.

[16] 刘丹，邢琼琼，郭欣欣，等.基于生态水力半径法的贾鲁河生态需水量计算[J].水资源与水工程学报，2018，29（1）：105-110.

[17] 吴春华，刘昌明.生态水力半径法计算河道内生态需水量研究[J].人民黄河，2008（10）：52-54.

[18] 徐志侠，陈敏建，董增川.河流生态需水计算方法评述[J].河海大学学报（自然科学版），2004（1）：5-9.

[19] 卿晓霞，郭庆辉，周健，等.小型季节性河流生态补水需水量及调度方案研究[J].长江流域资源与环境，2015，24（5）：876-881.

[20] 杨志峰，崔保山，刘静玲.生态环境需水量理论、方法与实践[M].北京：科学出版社，2003.

[21] 徐志侠，董增川，周健康，等.生态需水计算的蒙大拿法及其应用[J].水利水电技术，2003（11）：15-17.

[22] 刘中培，李鑫，窦明，等.淮河干流河南段基本生态流量保证率研究[J].华北水利水电大学学报（自然科学版），2020，41（2）：50-54.

[23] 郑菲，程寒飞，杨运.城市河道内生态需水分析及多水源生态补水：以深圳市为例[J].水利发展研究，2018，18（10）：27-31.

[24] 刘光莲.河口湿地公园景观需水量及置换周期研究[D].济南：山东建筑大学，2010.

[25] 钱嫦萍.中国南方城市河流污染治理共性技术集成与工程绩效评估[D].上海：华东师范大学，2014.

[26] 张洪斌，李兰，甘衍军.荆门市竹皮河的生态补水方案研究[J].人民长江，2010，41（10）：83-85.

[27] 刘晓东，杨婷，石佳佳，等.关于现行水域纳污能力计算规程中河流计算模型的探讨[J].环境保护科学，2018，44（2）：32-36.

[28] 褚俊英，严登华，周祖昊，等.基于综合功能辨识的城市河湖生态流量计算模型及应用[J].水利学报，2018，49（11）：1357-1368.

[29] 郭儒，李宇斌，富国.河流中污染物衰减系数影响因素分析[J].气象与环境学报，2008（1）：56-59.

[30] 史常乐，牛兰花，成金海.水质模型中污染物衰减系数敏感性分析[J].水资源与水工程学报，2018，29（4）：91-96.

[31] 曹敏.大沽河污染物衰减系数分析研究[J].水资源与水工程学报，2016，27（3）：128-132.

[32] 郎子龙，刘英学.河流污染总量控制分析[J].地下水，2015，37（5）：142-143.

[33] 陈栋，梁敏，仇春光，等.基于水质模拟分析的生态补水方案研究[J].人民长江，2018，49（增1）：34-37.

（编辑：赵秋云）