山区型城市河道生态需水计算方法研究

荣 烨，肖婷婷

(1. 贵州省水利水电勘测设计研究院有限公司，贵州 贵阳 550000；2. 贵州水利水电职业技术学院，贵州 贵阳 550000)

国内外生态需水研究主要针对干旱地区或受水库梯级影响较大区域，近年来城市区域的河流生态需水问题逐渐受到重视，但对南方河源型的山区城市河流相关研究较少[1-3]。为合理利用有限水资源，保障河流生态流量，对山区城市河道生态需水的研究迫在眉睫。

1 工程概况

南明河是长江流域乌江水系清水河的源头河流，也是贵阳的母亲河，发源于贵州省平坝区马场镇白泥田。由西南向东北流，在两岔河附近与右支流独木河汇合，汇口以上称南明河，以下为清水河干流。南明河全流域集水面积2182 km2，主河道河长148 km，平均比降5.29‰。南明河水环境从20世纪80年代开始退化，到90年代污染状况已经十分严重。近年来，贵阳市加大了水环境综合整治力度，取得了显著成效，但受到南明河径流量偏少、城区污染排放集中等多种因素影响，水污染情势依然严峻。其面临的生态需水问题主要包括：

(1)贵阳市城市化发展速度加快，人口密度大，但城市管网的建设是几十年间逐步形成的，不同建设时期的建设标准不同，在核心区老城区雨污分流难度非常大，污水溢流对南明河水环境影响较大。

(2)随着城市下垫面的改变，城市河道的基流减少，周边主要水源主要保障城市生活和工业、农业用水，河流生态及景观用水缺口较大。

(3)贵阳市的人均降雨量为1200 mm，远低于国际红线1700 mm标准，属于中度缺水，且时空分布不均匀，对河道稳定的径流带来更大压力。

(4)贵阳市的特殊喀斯特地貌特征，其土壤调蓄能力较差，降雨期过后雨洪水留不住，枯水期河道流量偏小。

2 生态需水的计算方法

2.1 基本生态需水

基本生态需水的计算方法很多，总数超过200种[4-6]。目前常用的计算方法主要分为四类，即：水力学法、水文学法、栖息地法以及整体分析法。

(1)水力学法。比较常用的水力学法为R2-Cross法和湿周法。

(2)水文学法。水文学法主要代表有：流量历时曲线法、Tennant法、7Q10法、NGPRP法等。

(3)栖息地法。栖息地法指基于生态水力学确定不同时段(汛期、非汛期等)适合水生生物生存环境的推荐流量，是水力学法在生态方面的延伸。由于栖息地法可以具体量化水生生物栖息地可利用性与生态流量之间的关系，且具有一定的水力学与生物学基础，因而成为河流生态需水量研究热点之一，其最具代表性的是河道内流量增量法。

(4)整体分析法。常见的整体分析法主要包括澳大利亚的基准测量法和南非的建块法(BBM)。

2.2 河流环境需水

河流水体被污染，自净能力下降，使河流生态环境功能遭受最为直接的破坏。故河道内须维持一定的水量，以此维系水体的自净功能，这部分水量的研究广受国内外学者的关注。天然河流的流场计算较为复杂，选择适当的计算模型对最终计算结果的精准性尤其重要[7]。本次研究采用一维水质数学模型，对河段内的污染物浓度变化进行模拟分析，见式(1)。

C1=Cpexp(-kx/(86 400u))

(1)

式中：C1为预测断面污染物浓度，mg/L；Cp为河道污染物背景浓度，mg/L；k为衰减系数；x为预测污染源至预测点的距离，m；u为河道流速，m/s。

采用河流完全混合模式，解方程可计算河道需要补充的清水量Q，见式(2)：

C2=(C1Q1+C0Q)/(Q1+Q)

(2)

式中：C2为目标水质浓度，mg/L；Q1为河道水量，m3/s；C0为补水水源相应指标浓度，mg/L；Q为补水量，m3/s。

2.3 河流景观需水

滚水坝、景观坝等水头建筑物，为使其达到景观效果，要求水流在坝体之上形成一定的流动水体。结合水景观设计的有关要求，形成的堰上水深需达到5～10 cm，采用堰流式(3)进行计算[8-10]：

Q=MB(Z-Z堰顶)1.5

(3)

式中：M为堰流流量系数，取1.5；B为过流宽度，m；Z-Z堰顶为堰顶水深，m。

3 贵阳市南明河生态需水量计算

3.1 基本生态需水量

根据《河湖生态环境需水计算规范》(SL/T 712—2021)，采用Tennant法计算基本生态需水量，此方法建立了河流流量与河流生态环境状况之间的经验关系。枯水期河流生态流量占年平均流量的10%时，生态处于较差水平且生态开始退化，此流量为生态需水的最低标准；枯水期河流生态流量占年平均流量的20%，生态处于好的状态；当河流枯水期生态流量占年平均流量的30%以上时，河流生态状况为非常好。

结合贵阳市南明河城区河段的实际情况，为进一步改善城区河段的生态状况，枯水期取值20%～30%，对应的丰水期取值40%～50%。其中：花溪水库下游的十里河滩湿地公园、小车河湿地公园、头堡河双龙生态公园及城区河段涉及水生生物的生态需水，对应控制断面取上限比例，其他控制断面取下限比例，各典型断面生态需水量占比见图1。

图1 南明河各控制断面生态水量占比

3.2 河流环境需水量

以2020年各断面监测数据为河道本底值，考虑各污水处理厂现状处理规模、污水管网收集率以及再生水厂规模等，计算南明河流域污染物总量，预测南明河环境需水量。经查询相关文献资料，本次分析计算COD衰减系数K1取0.1 L/d、NH3-N衰减系数K2取0.1 L/d、总磷衰减系数K3取0.02 L/d。

3.3 河流景观需水量

经调查，南明河有景观需求的断面包括山水黔城、甲秀楼、小车河汇口、市西河汇口、贯城河汇口、松溪河汇口等，各断面过流宽度分别为55 m、80 m、20 m、18 m、12 m、8 m。由于城区河段对水景观要求较高，考虑形成的堰上水深为10 cm。

3.4 生态总需水量

通过以上参数确定，结合南明河上贵阳(三)水文站长系列水文监测资料，可计算得到各控制断面的基本生态需水量、河流环境需水量、河流景观需水量，三者取外包最大值，可得到各控制断面生态需水量。经计算，南明河的年生态需水量为99 286万m3，见表1。

表1 南明河生态需水量计算结果 万m3·a-1

4 结 论

研究成果为维护城市水生态环境良好状况、发挥其正常生态环境服务功能，使其能更好持续稳定运行所需的水量，即水生生物能够正常生存且满足水质持续改善、生态流量稳定保障、景观娱乐不断提升等不同目标需求所需的水资源总量。在分析总结南方地区山区城市河道水文、水环境、水景观特点的基础上，对贵阳市南明河生态需水进行计算及应用分析。

根据贵阳市南明河生态需水量的计算结果，各控制断面生态需水量扣除区间来水、丰水期水库弃水、污水再生利用量等可利用水量后，得到各控制断面的生态补水量，结合贵阳市城区周边水资源配置方案，可制定南明河生态补水方案，切实改善城市水体水生态状况。