基于北方干旱地区河道生态景观需水研究

王成言，赵星伟

（中水北方勘测设计研究有限责任公司，天津 300222）

在传统水利与景观融合不断深化的新阶段，如何科学合理确定生态需水量、景观需水量是困扰设计工作者的难题。西洋河生态治理工程通过新建扬水泵站和引水管道自东洋河引水，对西洋河城区段河道打造流水的水面景观。本文以具有北方干旱河流特征的西洋河生态治理工程为例，研究其生态需水量、景观需水量问题。

1 工程概况

西洋河生态治理工程位于河北省张家口市怀安县西洋河城区段河道，西起西洋河G110西洋河大桥上游350 m，东至西洋河与南洋河汇河口处下游约500 m，总长7.1 km。引水水源为东洋河河道来水。工程的主要任务是在满足河道防洪要求的基础上，通过实施输水、蓄水闸坝、生态廊道等工程建设，实现西洋河怀安县城段水生态修复和水环境改善。工程主要内容包括生态廊道建设工程、输水工程、蓄水闸坝工程等。该工程是怀安县打造水生态、水景观、水文化和水经济的重要生态治理工程。

工程区属东亚大陆性季风气候，多年平均气温7.4℃，平均无霜期130 d，冰冻期一般为1、2月和12月，多年平均水面蒸发量935 mm，多年平均降雨量390 mm。西洋河属于永定河流域，是洋河的一级支流，控制流域面积927 km2。东洋河控制流域面积2250 km2。根据东洋河柴沟堡河道站1951—2013年实测逐月径流系列统计，多年平均流量为2.12 m3/s，其中1951—2000年多年平均流量2.50 m3/s、2001—2005年多年平均流量0.68 m3/s、2006—2013年多年平均流量0.6 m3/s。西洋河上游建有西洋河水库，水库以上控制流域面积为617.6 km2。西洋河水库近年下泄水量为0，经实地调查，西洋河近年来为干河。

2 生态流量计算

2.1 对象及目标确定

计算生态流量，最关键是确定其生态保护的对象和目标，从而确定适宜的计算方法，进而得到符合河湖自身特点和发展需求的科学的生态流量。

人们对生态流量的认识是逐步深化的过程[1]，有关实践探索在逐步深入推进[2]，确定方法、技术标准、监管规范等正在逐步完善[3]。2018年水利部组织的河湖生态水量（流量）专项研究工作提出，季节性河流设定不人为加剧断流程度的要求，且可以暂不考虑生态流量目标问题。彭文启[4]提出回归“自然水流”的可能性很低的河湖，需要适度放弃对自然水流流态的固守，合理确定面向维持新型河湖生态系统结构与功能的水文状态。西洋河近年来为干河，周围缺少稳定、充足的引水水源，因此生态流量不以回归其“自然水流”为目标，而以维持河道正常蓄水位为目标。工程需水对象为西洋河城区段河道。

2.2 生态需水量计算

生态需水量分为蓄水河道水面蒸发损失水量、渗漏损失水量、生态林草灌溉水量、换水量。

2.2.1 水面蒸发损失水量

西洋河现状河道常年无水，工程实施后将形成连续的生态水面，蒸发损失增大。根据水面面积、降水量、水面蒸发量计算各月的蒸发生态需水量。设计河道正常蓄水位对应的水面面积为13.98 hm2。根据友谊水库蒸发站观测资料统计，多年平均水面蒸发量为859.90 mm。根据柴沟堡雨量站观测资料统计，多年平均降雨量为430.00 mm。经计算，西洋河本河段年蒸发损失水量为6.15万m3。

2.2.2 渗漏损失水量

根据河床水文地质条件以及采取的工程防渗措施，渗漏量按年平均蓄水量的2%考虑，工程蓄水量为16.28万m3，因此本河段渗漏损失水量为0.32万m3。

2.2.3 生态林草灌溉水量

本工程在河道滩地建设柳滩，柳滩植被由河道内取水灌溉。由于项目区1、2、12月为冰冻期，因此植物需水时间为每年3—11月。根据《河湖生态环境需水计算规范》（SL/Z712-2021），采用单位面积用水量法计算植物灌溉需水量。工程建设柳滩面积为12 hm2，根据《河北省用水定额》（2016年），城镇绿化用水取0.6 m3/（m2·a）。经计算，本工程植物灌溉需水量为7.2万m3。

2.2.4 换水量

为保证河道水质，每年春季集中换水1次。换水时间安排在每年4月下旬，换水量取设计蓄水量为16.28万m3。

2.2.5 总需水量

综上所述，西洋河本河段净生态需水量为水面蒸发损失水量、渗漏损失水量、生态林草灌溉水量以及换水量的合计，为29.95万m3。本工程引水方案为利用现有集成渠渠道引水，引水渠道主体为现浇混凝土结构，渠系水利用系数取0.90。因此，毛生态需水量合计33.28万m3/a，其中4月毛需水量最大为20.10万m3，详见表1。

表1 生态需水量计算成果万m3

2.3 引水流量计算

引水流量是工程设计的重要指标，可以直接影响到工程规模的大小。引水量即总需水量，包括水面蒸发损失水量、渗漏损失水量、生态林草灌溉水量以及换水量。对于引水时间，并没有标准参考，只有一些课题研究类项目通过模型模拟方法做过相应分析，如李云良[5]等运用数值模拟方法，采用MIKE21定量研究了季节水情动态下鄱阳湖换水周期和示踪剂传输时间的空间分布等。本文在研究引水时间与引水流量、工程投资变化趋势的基础上，拟定引水时间的合理范围，最终考虑景观流量、制约条件等因素综合确定引水时间。引水量除以引水时间即为引水流量。

2.3.1 引水时间与引水流量的关系分析

拟定引水时长分别为1、2、3……8、9、10 d，共10种方案。引水流量最大值按引水量最大月份4月确定。4月份引水量包括一次性换水量以及当月的河道蒸发损失、渗漏损失、生态林草灌溉用水、引水渠道损失等水量，共计20.10万m3。引水时长与引水流量关系，如图1所示。

图1 引水时间与引水流量关系

由图1可见，引水时长与引水流量成非线性变化关系。引水时长1、2、3、4、5 d时引水流量减幅较大，每增加1 d，流量下降较快，增加引水时长所换来的流量下降效益明显。引水时长6、7、8、9、10 d时引水流量减幅较小，说明延长引水时间流量下降不显著，尤其是引水时长9、10 d以后流量下降缓慢。由于流量大小决定了工程规模，所以流量降幅快速下降后至趋于平缓之间的引水时长理论上是工程规模相对经济的情况。本工程理论引水时长推荐5、6、7、8 d。

2.3.2 引水时间与工程投资的关系分析

引水流量决定了工程扬水泵站及引水渠道的工程投资。引水时间与工程投资的关系，如图2所示。由图2可见，3、5 d引水方案工程投资显著增加，7、10 d工程投资增加幅度不大。因此，引水时间理论上推荐7、10 d。

图2 引水时间与投资关系

综合以上分析，引水时间采用7 d。

3 景观流量计算

本工程利用泵站提水至上游后逐级溢流，形成跌水形式的流水景观，营造河道水流景观效果。目前城市水景观建设的理论研究较为缺少，而水景观自身属性亦更偏重于美学范畴，较难量化表达。水量大小会展示出或气势磅礴或涓涓细流的不同视觉效果，以此满足不同的审美需求。因此，需要分别计算不同堰上水头的理论流量值，综合分析引水水源、流量及投资等因素后，再与生态流量数值共同拟定。

景观流量按堰上水头的不同，分为几种溢流方案。计算方法采用《水力计算手册》堰流流量计算公式。堰的设计宽度135 m，堰高2.5 m。堰上水头与景观流量关系，如图3所示。由图3可以看出，堰上水头随流量增大而增大。

图3 堰上水头与景观流量关系

4 制约条件分析

水源的可引水量大小是本工程的制约条件。

西洋河生态景观用水主要引水源为东洋河河道来水。采用2006—2013年东洋河柴沟堡河道站的逐日径流系列，扣除非灌溉期灌溉引水日流量以及东洋河生态基流，经长系列调算后，得到东洋河2006—2013年多年平均非灌溉期各月可引水流量。对2006—2013年东洋河非灌溉期逐日可引水量进行排频分析，绘制流量保证率曲线。分析保证率曲线可知，东洋河可引水量大于0.3 m3/s的保证率为28.4%，即71.6%情况下东洋河可引水量不足0.3 m3/s，需要通过其他方式引水以满足生态用水需求；若引水规模进一步加大至0.6 m3/s，东洋河可引水量大于该流量的保证率仅为17.4%，即82.6%情况下东洋河可引水量不足0.6 m3/s，不能满足景观及生态用水需求。从可引水量保证率分析可知，工程引水流量宜控制在0.3 m3/s左右，若引水流量继续增大，将导致水源保证率过低。

5 引水规模确定

生态需水与景观需水采用错时错峰用水原则进行调度，引水规模取两者的外包线。综合以上分析，考虑生态需水要求、景观流量要求、水源可引水量、工程经济性、引水时间等多项因素，最终确定引水规模为0.33 m3/s，引水保证率约为28.4%。7 d可完成生态流量最大的4月份引水量（20.10万m3），满足景观流量堰上水头1 cm溢流量。

6 结语

从西洋河生态治理工程实际需求出发，对河道生态需水量、景观需水量分别计算。针对西洋河常年为干河的实际情况，生态流量目标为保证河道正常蓄水位，生态需水量包括水面蒸发损失水量、渗漏损失水量、生态林草灌溉水量和换水量。对于景观需水量，通过拟定多种景观水量设计方案，综合分析引水水源、可引水量、投资等制约因素后，与生态流量共同拟定最终合理数值。