吳秋琴，宋孝玉，秦 毅(西安理工大學(xué) 西北旱區(qū)生態(tài)水利工程國家重點實驗室培育基地， 陜西 西安 710048)

再生水為水源的城市湖池生態(tài)環(huán)境需水量計算

吳秋琴，宋孝玉，秦 毅
(西安理工大學(xué) 西北旱區(qū)生態(tài)水利工程國家重點實驗室培育基地， 陜西 西安 710048)

以再生水為湖池水源可緩解城市水資源緊缺現(xiàn)狀，但存在因再生水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)低、易發(fā)生水體富營養(yǎng)化的問題。計算湖池生態(tài)環(huán)境需水量，定期對湖池進(jìn)行補水和換水，以保證湖池生態(tài)環(huán)境的健康?；谖廴疚镔|(zhì)平衡原理，采用換水周期法，建立兼顧水量和水質(zhì)生態(tài)環(huán)境需水計算模型。以西安市灃慶湖為例，估算生態(tài)環(huán)境需水量，計算結(jié)果為：灃慶湖換水周期冬季為125 d、夏季為53 d。灃慶湖年平均生態(tài)環(huán)境需水量為24.37 萬m3。

再生水；換水周期；生態(tài)環(huán)境需水量；城市湖池

西安市實施“八水潤西安”重點工程，但西安市河湖生態(tài)系統(tǒng)健康已受損，要想達(dá)到城美、八水環(huán)繞的怡人景觀，水資源是目標(biāo)實現(xiàn)的基本條件。然而，西安作為一個缺水城市，水資源供需矛盾尖銳，如何基于有限的水資源總量，實現(xiàn)城市水資源的合理配置，維持合理的生態(tài)需水量，以滿足水資源永續(xù)利用和生態(tài)平衡的需要，是城市水景觀建設(shè)中亟待解決的重要問題[1]。近些年，國內(nèi)外學(xué)者對湖泊生態(tài)需水做有大量研究，主要是對資源型天然湖泊的研究，特別是近兩年，RS和GIS技術(shù)應(yīng)用到生態(tài)需水量計算越來越成熟，取得一些可喜的研究成果[2-6]。但針對缺水城市，基于優(yōu)化城市景觀為目標(biāo)、水面面積較小的城市人工湖池所需生態(tài)需水量的估算等解決城市實際問題研究還有所欠缺。若問題處理不當(dāng)，城市人工景觀水體很容易出現(xiàn)渾濁、黑臭以及富營養(yǎng)化現(xiàn)象，不僅起不到美化城市作用，還惡化城市面貌。

城市湖池的生態(tài)環(huán)境需水量一般是指為保證其作為景觀水體發(fā)揮正常景觀功能，維持生態(tài)系統(tǒng)環(huán)境健康而必需的一定數(shù)量和質(zhì)量的水[7]。目前，水資源供需矛盾尖銳，城市生活污水經(jīng)適當(dāng)處理再生后回用，可在很大程度上緩解水資源緊缺的狀況[8-9]，再生水回用于景觀水體在國內(nèi)外得到有效實施和認(rèn)可，污水處理技術(shù)也趨于成熟，但我國再生水景觀利用還存在些問題[10-11]。采用再生水作城市湖池的水源首要前提是其水質(zhì)達(dá)標(biāo)，滿足湖池生態(tài)系統(tǒng)健康，在系統(tǒng)遭破壞前將水體處理，采用對湖體周期性換水的辦法——當(dāng)進(jìn)入湖體的再生水惡化到一定程度就換掉，注入新鮮的再生水體——目前來說是可行的[12]。故采用換水周期法計算以再生水為水源的城市湖池生態(tài)需水量。目前國內(nèi)缺少對這一問題的專門研究，但也有一些進(jìn)展，對于不同的湖泊，提出了一些計算方法。以河道生態(tài)為保護(hù)目標(biāo)，對河流生態(tài)需水量進(jìn)行計算，計算方法大同小異，都是基于功能性需求原則，在考慮河道滲漏補給，蒸發(fā)需水基礎(chǔ)上利用遙感與GIS技術(shù)進(jìn)行生態(tài)分區(qū)計算生態(tài)需水量[4]。許文杰[11]按湖泊取水標(biāo)準(zhǔn)提出水質(zhì)目標(biāo)濃度的水質(zhì)耦合模型，郭武等[12]按湖(庫)納污能力給出了換水周期的理論計算方法，但對水質(zhì)目標(biāo)濃度如何確定、具體如何計算一個湖的換水周期沒有深入，都不適合以再生水為水源的城市湖池的換水周期計算。本文總結(jié)前人的理論模型研究——采用與水質(zhì)目標(biāo)、納污能力關(guān)聯(lián)的換水周期法，并針對以再生水為水源的城市湖池，提出換水周期的計算方法。

1 以再生水為水源的城市湖池水質(zhì)特征分析

再生水是城市污水經(jīng)過一定處理后可回用的水，再生水給人工景觀水體補水，已經(jīng)成為解決城市用水緊缺、提高用水效率、建設(shè)美麗城市的一條重要途徑。但和清潔水源相比，再生水的污染物本底值較高，自凈能力差，加上大部分城市湖池如西安的灃慶湖為閉合湖，水體流動性差，因此以再生水為水源的景觀水體更容易發(fā)生富營養(yǎng)化的情況[15]。

1.1 景觀水體富營養(yǎng)化的原因

水體發(fā)生富營養(yǎng)化需要三個條件：高富含N、P鹽等營養(yǎng)物質(zhì)；水體流動緩慢或靜止；適宜的溫度條件[16]。以再生水為水源的景觀水體易發(fā)生水體富營養(yǎng)化的原因有：

(1) 再生水回用于景觀水體的水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)尚不夠嚴(yán)格。國際爆發(fā)水華臨界值[17]：總氮TN=0.2 mg/l，總磷TP=0.02 mg/l。而我國2002年實施的《城市污水再生利用景觀環(huán)境用水水質(zhì)》[18](GB/T18921-2002)，總氮和總磷的控制標(biāo)準(zhǔn)分別為15 mg/l、0.5 mg/l～1 mg/l，遠(yuǎn)大于藻類生長的氮磷臨界值。所以以再生水為水源的景觀水體容易爆發(fā)水華，影響景觀效果。

(2) 由城市湖池的特點決定。城市湖池大多水域面積較小，且多為閉合湖，水體流動性差，水體自凈能力低。水深多在1 m～2 m，水體較淺，陽光易投射至池底，有助于藻類生長，爆發(fā)水華。

1.2 水體富營養(yǎng)化的主要限制因子

水體富營養(yǎng)化的影響因素很多，在春夏秋季，溫度、光照較適合，影響再生水藻類生長的主要因素是總磷濃度[19]。

2 以再生水為水源的城市湖池生態(tài)環(huán)境需水量計算方法

依據(jù)湖池生態(tài)環(huán)境需水量的概念，認(rèn)為城市湖池需水包括三部分：水面蒸發(fā)需水、湖池滲漏需水和湖池循環(huán)更新需水量。

2.1 水面蒸發(fā)需水量計算

城市生態(tài)景觀水面的蓄水湖池一般為寬淺的盆狀，不同水位下的水面面積變幅不大，因此可用水面面積乘以凈蒸發(fā)深度估算其蒸發(fā)損失量，計算公式如下[20]：

WE=A×E×10-7

(1)

式中：WE為景觀水體的年水面蒸發(fā)損失量，萬m3/a；A為景觀水面的水面面積，m2；E為年水面蒸發(fā)量，mm。

2.2 河湖滲漏需水量計算

人工湖池的滲漏損失水量計算尚沒有規(guī)范的計算方法，采用以下經(jīng)驗公式計算[21]：

Ws=γ×V

(2)

式中：Ws為湖池的年滲漏損失水量，萬m3/a；V為湖池的平均蓄水量，萬m3；γ為不同地質(zhì)條件下的滲漏損失系數(shù)，一般取0.01～0.015。

2.3 湖池循環(huán)更新水量計算

對于閉合湖，污染物濃度增加主要原因是湖池蒸發(fā)滲漏使原水體積變小，可如下考慮計算其換水周期，以防止湖池發(fā)生水華現(xiàn)象：

原有水體污染物濃度C0隨著湖池蒸發(fā)滲漏，污染物濃度逐漸增加，當(dāng)污染物濃度增加到一定值CN(水體納污能力，湖中污染物濃度超過此值有爆發(fā)水華的危險)時，將原湖池水全部換掉，這期間的時間即為一個換水周期。根據(jù)質(zhì)量守恒原理，用水量平衡法計算換水周期T(天)，計算方法如下：

污染物質(zhì)的質(zhì)量守恒方程：

W×C0=(W-WE-Ws)×CN

(3)

(4)

(5)

以再生水回用于景觀用水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，選擇磷作參考指標(biāo)，確定C0、CN。因水體富營養(yǎng)化在溫度較高的夏季會比冬季更容易發(fā)生，且夏季水面蒸發(fā)損失量也明顯高于冬季，故把湖池?fù)Q水周期分冬、夏期(西安)兩種情況考慮：冬期為1月、2月、3月、4月、10月、11月、12月；夏期即為5月、6月、7月、8月、9月。

由換水周期T可求得更新水量：

(6)

(7)

Wg=Wg夏+Wg冬

(8)

其中：Wg夏為夏期更新水量；Wg冬為冬期更新水量；Wg為年更新水量。

湖池生態(tài)環(huán)境需水量Wh即為：

Wh=WE+Ws+Wg

(9)

其中：Wh為湖池生態(tài)環(huán)境需水量，萬m3/a；其他符號與前述公式含義相同。

3 灃慶湖的生態(tài)環(huán)境需水量計算

3.1 研究區(qū)概況

灃慶湖位于西安市灃慶公園，為閉合湖。湖底為粉砂、黏土類土質(zhì)，湖面面積3.6萬m2，年平均蓄水量為5萬m3，平均水深1.4 m，是典型的城市景觀水體，具有景觀水面面積小、水深較淺的特點。水源為城市再生水，由西安市第二污水處理廠再生水供給，水質(zhì)可滿足《再生水回用于景觀水體的水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)》[22](CJ/T 95-2000)，退水至城市排水管道。引入再生水注入灃慶湖作為景觀用水，替代長期采用的自來水。以修復(fù)改善灃慶湖湖體水生態(tài)環(huán)境為核心，實現(xiàn)湖水生態(tài)與環(huán)境的保護(hù)，重點保護(hù)水質(zhì)，促進(jìn)水循環(huán)，防止藻類污染。

3.2 水面蒸發(fā)損失量計算

依據(jù)《西安市實用水文手冊》，通過西安市多年平均水面蒸發(fā)等值線圖，根據(jù)公式(1)，可計算出年水面蒸發(fā)損失量為1.22萬m3。

3.3 滲漏損失量計算

灃慶湖區(qū)域地質(zhì)以粉砂、黏土類為主，滲漏損失系數(shù)γ取0.01，根據(jù)公式(2)，可計算出年滲漏損失量為0.6萬m3。

3.4 循環(huán)更新水量計算

王怡等[23]在灃慶湖圍建小型人工湖，作了以再生水為唯一水源的水質(zhì)研究。分析證實當(dāng)污染物濃度增加到超過原濃度的20%時，湖池就有爆發(fā)水華的危險。分別計算灃慶湖冬、夏期的日平均蒸發(fā)滲漏損失量，由此計算出：灃慶湖冬期換水周期T冬=125 d，夏期換水周期T夏=53 d。

根據(jù)灃慶湖蓄水量和換水周期制定灃慶湖換水制度，灃慶湖循環(huán)年更新水量為22.55萬m3。

灃慶湖水面蒸發(fā)損失量、滲漏損失量和循環(huán)更新水量三者之和即為灃慶湖生態(tài)環(huán)境需水量，灃慶湖年平均生態(tài)環(huán)境需水量為24.37萬m3。逐月平均生態(tài)環(huán)境需水量如表1。

表1 灃慶湖逐月需水量統(tǒng)計表 單位：萬m3

4 結(jié) 論

本文以灃慶湖為例對以再生水為水源的城市湖池生態(tài)需水量的計算提供了一個方法，此方法綜合考慮了水量和水質(zhì)對湖池生態(tài)環(huán)境的影響，對解決再生水回用景觀水體水質(zhì)易惡化問題有重要的參考價值。

(1) 將生態(tài)環(huán)境需水量分為三部分：水面蒸發(fā)損失量、湖池滲漏需水量和循環(huán)更新需水量。對灃慶湖多年平均生態(tài)環(huán)境需水量計算結(jié)果表明，灃慶湖年平均生態(tài)環(huán)境需水量為24.37萬m3，本文對灃慶湖循環(huán)更新水量計算分冬夏期考慮，更有效利用和合理配置水資源。計算雖然方法簡單，卻可為城市景觀水體用水提供參考。

(2) 由灃慶湖夏期換水周期T夏=53 d，冬期換水周期T冬=125 d，可制定灃慶湖換水制度，這種將一年分兩期考慮的研究方法，林慧等[24]也有研究，分期研究計算更符合實際情況。計算結(jié)果中夏期生態(tài)環(huán)境需水量要高于冬期，這是由夏期溫度較高，水體蒸發(fā)損失量值增大，水體更易爆發(fā)水華決定的。

(3) 水質(zhì)目標(biāo)濃度CN的取值應(yīng)根據(jù)湖池水體水質(zhì)、水源、光照、溫度和地區(qū)降雨情況等綜合確定，最好能進(jìn)行實驗研究。

[1] 劉 凌，董增川，崔廣柏，等.內(nèi)陸河流生態(tài)環(huán)境需水量定量研究[J].湖泊科學(xué)，2002，14(1)：25-31.

[2] 孫棟元，楊 俊，胡想全，等.基于生態(tài)保護(hù)目標(biāo)的疏勒河中游綠洲生態(tài)環(huán)境需水研究[J].生態(tài)學(xué)報，2017,37(3)：1-13.網(wǎng)絡(luò)出版時間：2016-06-14 10:03:49 網(wǎng)絡(luò)出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/11.2031.Q.20160614.1003.032.html

[3] 張 華，張 蘭，趙傳燕.極端干旱區(qū)尾閭湖生態(tài)需水估算[J].生態(tài)學(xué)報，2014,34(8)：2102-2108.

[4] 馮夏清，章光新，尹雄瑞.基于生態(tài)保護(hù)目標(biāo)的太子河下游河道生態(tài)需水量計算[J].環(huán)境科學(xué)學(xué)報，2012,30(7)：1466-1471.

[5] 董繼先，袁 帥，高 薇，等.基于GIS的城市水資源與生態(tài)需水量的研[J].東北水利水電，2009,27(3)：43-44.

[6] 姜亮亮，焦 鍵，程 艷，等.艾里克湖流域湖泊及植被生態(tài)需水研究[J].干旱資源與環(huán)境，2016，30(4)：108-114.

[7] 劉靜玲，楊志峰.湖泊生態(tài)環(huán)境需水量計算方法研究[J].自然資源學(xué)報，2002，17(5)：604-609.

[8] 李燕群，何通國，劉 剛，等.城市再生水回用現(xiàn)狀及利用前景[J].資源開發(fā)與市場，2011，27(12)：1096-1100.

[9] 陳鵬飛，王曉峰.缺水型城市水資源利用探討[J].水利與建筑工程學(xué)報，2010，8(6)：84-86．

[10] 吳 霜，陳 宇，羅秋滾.中水景觀國外利用現(xiàn)狀及對我國的啟示[J].價值工程，2014(28)：79-80.

[11] 胥書霞.臭氧—曝氣生物濾池處理難生物降解廢水的試驗研究[J].水利與建筑工程學(xué)報，2011，9(4)：93-99.

[12] 金相燦.中國湖泊環(huán)境[M].北京：海洋出版社，1995.

[13] 許文杰，曹升樂.城市湖泊生態(tài)環(huán)境需水量計算方法研究——以東昌湖為例[J].水力發(fā)電學(xué)報，2009,28(1)：102-107.

[14] 郭 武，錢 湛.湖南湘陰東湖水體生態(tài)流量及換水周期計算方法[J].中南林業(yè)科技大學(xué)學(xué)報，2011,31(9)：66-69.

[15] 孫鐵晰，周啟星.污染生態(tài)學(xué)[M].北京：科學(xué)出版社，2001.

[16] 王 坦，李 昊.再生水回用于景觀水體的富營養(yǎng)化問題和生態(tài)修復(fù)[J].環(huán)境科學(xué)與管理，2011，36(3)：134-137.

[17] 王寶貞，王 琳．污水污染治理新技術(shù)一新工藝、新概念、新理論[M].科學(xué)出版社，2004：15-24．

[18] 中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局.城市污水再生利用景觀環(huán)境用水水質(zhì)：GB/T 18921-2002[S].北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2002.

[19] 劉 莉.再生水景觀水體中富營養(yǎng)化的時空變化[D].重慶：西南大學(xué)，2008.

[20] 肖 芳，劉靜玲，楊志峰.城市湖泊生態(tài)環(huán)境需水量計算——以北京市六海為例[J].水科學(xué)進(jìn)展，2004，15(6)：781-786.

[21] 楊 薇.城市河流生態(tài)環(huán)境需水優(yōu)化配置理論及應(yīng)用研究[D].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2007.

[22] 中華人民共和國建設(shè)部.再生水回用于景觀水體的水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)：CJ/T 95-2000[S]. 北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2000.

[23] 王 怡，張永春，袁 園.再生水作為人工湖唯一水源的小試研究[J].西安理工大學(xué)學(xué)報，2013,29(4)：411-415.

[24] 林 慧，孟兆武.供水工程最小生態(tài)環(huán)境需水量實例分析[J].水利科技與經(jīng)濟(jì)，2015，21(3)：4-5.

Calculation of Eco-environmental Water Demand of Urban Lake with Reclaimed Water as the Water Source

WU Qiuqin, SONG Xiaoyu, QIN Yi

(XianUniversityofTechnology,EcologicalWaterConservancyProjectin
AridNorthwestStateKeyLaboratoryBreedingBase,Xi'an,Shaanxi710048,China)

The current urban water resources shortage situation can be alleviated by using reclaimed water as the source of the lake. However, because of the low water quality standards, water eutrophication is prone to occur. In order to ensure the health of the lake's ecological environment, it is necessary to calculate the lake basin ecological water demand for replenishing and updating lake water regularly. According to the principle of pollutant balance, the model of calculating change water cycle was proposed, which considers both water quantity and quality. Take the Fengqing Lake in Xi'an as an example, we evaluated its ecological environmental water demand. The results are as follows: considering water exchange cycle in case of winter and summer separately,Tw=125 d,Ts=53 d. Fengqing Lake annual average ecological water requirement is 24.37×104m3.

reclaimed water; water exchange cycle; ecological environmental water demand; urban lakes

10.3969/j.issn.1672-1144.2016.06.019

2016-08-19

陜西省教育廳服務(wù)地方專項計劃項目(2013JC18)

吳秋琴(1992—)，女，江西鷹潭人，碩士研究生，研究方向為水資源、水力學(xué)及河流動力學(xué)。 E-mail:451600822@qq.com

X143

A

1672—1144(2016)06—0092—04