米玉華+劉佳+劉克巖+劉慧霞+王海寧

摘要：在水資源長(zhǎng)期短缺的北方地區(qū)，攔河蓄水形成的串聯(lián)型河流壩式景觀水體幾乎在每個(gè)城市都可以看到。為計(jì)算維持這種以水景觀為主的人工河流生態(tài)系統(tǒng)基本健康的最小需水量，以滹沱河水環(huán)境修復(fù)段為例，構(gòu)造描述“串聯(lián)型壩式景觀水體”水質(zhì)、水量變化的綜合數(shù)學(xué)模型，提出了水質(zhì)、水量相結(jié)合的河流壩式景觀水體生態(tài)需水補(bǔ)水方案。結(jié)果顯示：75%頻率降水情況下，滹沱河水環(huán)境修復(fù)段現(xiàn)狀水平年最小需水量為3 450萬(wàn)m3，并給出了明確的補(bǔ)水時(shí)機(jī)和補(bǔ)水量，為北方串聯(lián)型河流壩式景觀水體的生態(tài)保護(hù)提供了支撐。

關(guān)鍵詞：河流；生態(tài)需水；串聯(lián)型水體；水質(zhì)水量結(jié)合；綜合數(shù)學(xué)模

中圖分類號(hào)：X52 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-1683（2017）04-0054-05

Abstract：[JP+3]In northern China，where water resources are in long-term shortage，it is common in nearly every city to see serial river-dam-type landscape water bodies built to obstruct rivers and retain water.To calculate the minimum water required to sustain the basic health of such an artificial river ecological system consisting mostly of water landscape，this paper studied the case of a segment of Hutuo River needing remediation of water environment，built an integrated mathematical model that describes the water quality and quantity changes of the "serial dam-type landscape water body"，and proposed a scheme to meet the ecological water demand of river-dam-type landscape water bodies with consideration to both water quality and quantity.The results showed that under the circumstance of 75% frequency of rainfall，the minimum water required by this segment of Hutuo River needing remediation of water environment is 34 500 thousand m3/a.This paper also provided the explicit dates and amount of water supply，and provided support for the ecological protection of northern serial river-dam-type landscape water bodies.

Key words：[JP+3]river；ecological water demand；serial water body；combining water quantity and quality；integrated mathematical model

生態(tài)需水是在特定時(shí)間和空間滿足生態(tài)系統(tǒng)某種生態(tài)功能和保護(hù)目標(biāo)所需保持的一定水質(zhì)目標(biāo)下的水量[1-2]。河流生態(tài)需水量的概念是在生態(tài)需水量的基礎(chǔ)上根據(jù)研究對(duì)象的側(cè)重不同而有所不同。廣義上講，河流生態(tài)需水量不僅包括滿足水生生物需要的最小水量還包含維持環(huán)境現(xiàn)狀所需的一定水質(zhì)的水量。狹義上，河流生態(tài)需水量指河流最小或適宜的生態(tài)需水量。國(guó)外河流生態(tài)需水量計(jì)算方法大致可以分為4類：歷史流量法、水力學(xué)法、棲息地法和整體分析法；國(guó)內(nèi)河流生態(tài)需水計(jì)算方法主要有歷史流量法和防治河流水質(zhì)污染的計(jì)算方法[3]。雖然河流生態(tài)環(huán)境需水量的量化研究已經(jīng)形成了比較成熟的體系，但研究多聚焦在天然河、湖，對(duì)攔河蓄水形成的串聯(lián)型水體生態(tài)需水量的研究卻少有報(bào)道。串聯(lián)型水體的水循環(huán)及物質(zhì)循環(huán)既不同于湖庫(kù)又不同于天然河流，串聯(lián)型水體的水質(zhì)、水量的獨(dú)立性與關(guān)聯(lián)性并存，平時(shí)由于水壩的阻隔，串聯(lián)的各水體相對(duì)獨(dú)立；補(bǔ)水時(shí)上游水體的水質(zhì)又會(huì)影響下游水體的水質(zhì)。筆者以滹沱河水環(huán)境修復(fù)段為例，考慮水的自然循環(huán)與水在人類活動(dòng)影響下的循環(huán)，構(gòu)造描述串聯(lián)型水體水質(zhì)、水量變化的綜合數(shù)學(xué)模型，給出該串聯(lián)水體的生態(tài)需水量，以期對(duì)在水資源長(zhǎng)期短缺地區(qū)廣泛存在的串聯(lián)型河流壩式景觀水體的生態(tài)保護(hù)、水資源管理和有效利用提供參考。

1 滹沱河水環(huán)境修復(fù)段概況

滹沱河流經(jīng)石家莊市區(qū)北部，是石家莊市唯一的地表水來(lái)源。經(jīng)過(guò)幾十年的演變，滹沱河的生態(tài)環(huán)境問(wèn)題越來(lái)越突出，河道干涸、植被退化、生態(tài)環(huán)境惡化。改善滹沱河區(qū)域生態(tài)環(huán)境狀況成為石家莊市實(shí)施可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的關(guān)鍵[4]。 因此，2007年石家莊市開(kāi)始了滹沱河綜合整治工程。目前，從南水北調(diào)中線到太行大街，全長(zhǎng)16 km的一期工程已經(jīng)基本建成，通過(guò)橡膠壩和擋水堰，沿河道走勢(shì)自上游至下游依次形成了1號(hào)、2號(hào)、3號(hào)、4號(hào)和5號(hào)五個(gè)水面工程近800萬(wàn)m2的水面，水面寬度為600～800 m，水深1.5～2.5 m[5-6]（見(jiàn)圖1）。

2 耗水量分析

滹沱河水環(huán)境修復(fù)段的水量損耗主要包括：綠化澆灑取水、水面蒸發(fā)量和水體滲漏量三部分[7]。

滹沱河水環(huán)境修復(fù)段綠化用水時(shí)間為4月至10月，1號(hào)-4號(hào)水面沿岸綠化總面積約為255萬(wàn)m2，4號(hào)水面沿岸林地面積90萬(wàn)m2，5號(hào)水面沿岸沒(méi)有綠化。綠化用水定額依據(jù)《建筑給排水設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50015-2003），綠化澆灑為1～3 L/（m2·d）[8]，本次分析取2 L/（m2·d），由此求得各水面日、月、年綠化用水量。

采用2010年-2013年四年實(shí)際蒸發(fā)量資料的平均值，并進(jìn)行修正。通過(guò)對(duì)滹沱河水環(huán)境修復(fù)段河道內(nèi)大型水面懸浮式蒸發(fā)皿與岸上常規(guī)監(jiān)測(cè)站觀測(cè)試驗(yàn)對(duì)比分析，得出寬敞河道內(nèi)水面蒸發(fā)高于岸上常規(guī)監(jiān)測(cè)站31.0%。參考?xì)夂蜃兓?月-11月水面蒸發(fā)乘以1.3修正系數(shù)，12月至次年2月為封凍期，不進(jìn)行修正[9]，計(jì)算出滹沱河水環(huán)境修復(fù)段各水面逐月蒸發(fā)量。

根據(jù)滹沱河水環(huán)境修復(fù)段近一年的資料及每個(gè)河段的性質(zhì)，采用《渠道防滲技術(shù)規(guī)范》SL18-91推薦的靜水法[10]進(jìn)行滲漏量分析計(jì)算。選擇無(wú)補(bǔ)水、放水過(guò)程的水深資料對(duì)滲漏量進(jìn)行計(jì)算分析。由此求得各水面日、月、年綠化用水量。

通過(guò)對(duì)實(shí)際觀測(cè)資料進(jìn)行分析，1號(hào)-5號(hào)水面現(xiàn)狀水平年的耗水量分別為：446萬(wàn)m3、270萬(wàn)m3、456萬(wàn)m3、834萬(wàn)m3和751萬(wàn)m3，合計(jì)為2 757萬(wàn)m3。

3 補(bǔ)水方案確定

3.1 最佳補(bǔ)水時(shí)段確定

根據(jù)滹沱河生態(tài)修復(fù)段的蒸發(fā)、滲漏、綠化耗水量情況、補(bǔ)水情況以及“五一”、“十一”及盛夏度假需要，確定最佳的補(bǔ)水時(shí)間為3月底、5月底、8月底、9月底及11月底（封凍前）。

3.2 生態(tài)需水量的確定

基于物質(zhì)守恒定律和化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)原理，構(gòu)建描述北方壩式景觀水體水質(zhì)、水量變化的綜合數(shù)學(xué)模型。依據(jù)實(shí)際觀測(cè)資料率定模型參數(shù)，建立水體水質(zhì)與補(bǔ)水量的定量關(guān)系。利用模型對(duì)串聯(lián)水體聯(lián)合推演，提出維持以景觀為主人工河流水生態(tài)系統(tǒng)基本健康最小需水量的計(jì)算方法。

3.2.1 水質(zhì)狀況分析

滹沱河水環(huán)境修復(fù)段，屬于受人類活動(dòng)影響頻繁的、寬淺型壩前蓄水景觀水體。為了掌握滹沱河水環(huán)境修復(fù)段的水質(zhì)狀況，在1號(hào)、3號(hào)-5號(hào)水面各布設(shè)1個(gè)水質(zhì)采樣點(diǎn)；2號(hào)水面由于工程原因，僅一土坎前間斷蓄水，蓄水量很少，故與1號(hào)水體作為一體處理；3號(hào)水面有排污口，所排污水影響3號(hào)-5號(hào)水面水質(zhì)，在排污口設(shè)置1個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，共布設(shè)水質(zhì)采樣點(diǎn)5處。

為了掌握其水質(zhì)的年內(nèi)變化規(guī)律從2014年1月開(kāi)始逐月監(jiān)測(cè)。

監(jiān)測(cè)項(xiàng)目選擇寬淺靜止水體水質(zhì)易變項(xiàng)目，結(jié)合《景觀娛樂(lè)用水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)》（GB 12941-91）[11]的評(píng)價(jià)指標(biāo)，選取水溫、pH、電導(dǎo)率、溶解氧、礦化度、高錳酸鹽指數(shù)、非離子氨、氨氮、總磷、總氮、葉綠素等11項(xiàng)水質(zhì)指標(biāo)[12]。

按照《景觀娛樂(lè)用水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)》（GB 12941-91）中主要適用于一般景觀用水水體的C類標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行評(píng)價(jià)：

1號(hào)水面水質(zhì)良好，各測(cè)次的監(jiān)測(cè)指標(biāo)均不超標(biāo)。3號(hào)-5號(hào)水面水質(zhì)較差，超標(biāo)項(xiàng)目主要為總磷，超標(biāo)率分別為58%、75%和83%，最高超標(biāo)倍數(shù)為6.4倍；其次為氨氮，超標(biāo)率分別為17%、17%和25%，最高超標(biāo)倍數(shù)為0.9倍。

3號(hào)水面污水排入口處水質(zhì)很差，各測(cè)次水質(zhì)均超標(biāo)。且超標(biāo)倍數(shù)很大。主要超標(biāo)項(xiàng)目是總磷，超標(biāo)率為100%，最高超標(biāo)倍數(shù)為21倍；氨氮超標(biāo)率為100%，最高超標(biāo)倍數(shù)為6.7倍；其次為高錳酸鹽指數(shù)，超標(biāo)率為36%，最高超標(biāo)倍數(shù)為1.2倍；溶解氧超標(biāo)率為50%，甚至有兩次溶解氧含量為零。

3號(hào)、4號(hào)、5號(hào)水面是串聯(lián)補(bǔ)水，可見(jiàn)，3號(hào)、4號(hào)、5號(hào)水面的水質(zhì)超標(biāo)與3號(hào)水面排污口的污水排入關(guān)系密切。

3.2.2 水質(zhì)水量綜合數(shù)學(xué)模型建造

根據(jù)物質(zhì)守恒定律和化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)原理[13-14]，構(gòu)造描述“壩式景觀水體”水質(zhì)、水量變化的綜合數(shù)學(xué)模型，為其水質(zhì)和補(bǔ)水量建立定量關(guān)系，公式見(jiàn)（1）-（4），并據(jù)此推求各水面逐時(shí)段維持水質(zhì)達(dá)標(biāo)所需的最小補(bǔ)水量Wij（t）。其中，上游來(lái)水、水面承接的降水及排污口匯入的水量及物質(zhì)量為源項(xiàng)，蒸發(fā)、滲漏及向下游水面放水減少的水量及物質(zhì)量為匯項(xiàng)。

在來(lái)水和下泄水量、水質(zhì)已知的情況下，利用式（3）和式（4）聯(lián)立求解，可推求j號(hào)水面t+1時(shí)刻的蓄水量及水質(zhì)指標(biāo)濃度值。給j賦予不同的值，就可根據(jù)t時(shí)刻的水質(zhì)、水量資料，預(yù)測(cè)出串聯(lián)水體各水面t+1時(shí)刻的蓄水量及水質(zhì)狀況，以便管理部門根據(jù)預(yù)測(cè)的水質(zhì)水量狀況及早采取應(yīng)對(duì)措施。

當(dāng)為了某一目的，如水體的景觀娛樂(lè)需求，要求各水面t+1時(shí)刻的蓄水量及水質(zhì)必需達(dá)到一個(gè)給定值時(shí)，也可利用式（3）和式（4）聯(lián)立求解，推求滿足各水面水質(zhì)、水量要求的最小補(bǔ)水量，為管理部門補(bǔ)水調(diào)度提供科學(xué)依據(jù)。

以滹沱河水環(huán)境修復(fù)段的主要超標(biāo)項(xiàng)目總磷為例，采用實(shí)測(cè)資料率定法[15-16]，模型計(jì)算與實(shí)測(cè)值之間允許誤差規(guī)定為不大于35%。經(jīng)參數(shù)率定及驗(yàn)證，1-4號(hào)水面總磷的綜合衰減系數(shù)為0.06 1/d，5號(hào)水面總磷的綜合衰減系數(shù)為0.05 1/d。

3.2.3 綜合需水量的確定

以補(bǔ)水節(jié)點(diǎn)劃分的5個(gè)時(shí)段為計(jì)算時(shí)段，取各時(shí)段、各水面的補(bǔ)水等于相應(yīng)的蒸發(fā)、滲漏、綠化需水與相應(yīng)時(shí)段水面降水量之和，且水源從1號(hào)水面至5號(hào)水面串聯(lián)補(bǔ)水，75%保證率降雨量補(bǔ)給量選用正定站作為代表站，月分配采用典型年同倍比縮放求得。各水面補(bǔ)給量見(jiàn)表1。

以各水面各時(shí)段末75%保證率補(bǔ)水情況下的水質(zhì)不超標(biāo)為邊界條件，運(yùn)用式（3）與式（4）對(duì)各水面各時(shí)段進(jìn)行聯(lián)合推演，推求滿足邊界條件的75%保證率補(bǔ)水情況下，各水面、各時(shí)段最小需水量見(jiàn)表2。

由水質(zhì)、水量綜合數(shù)學(xué)模型，推求出在總磷達(dá)標(biāo)時(shí)，75%頻率降水情況下，1號(hào)-5號(hào)水面的最小需水量為3 450萬(wàn)m3。3月、5月、8月、9月及11月各補(bǔ)水節(jié)點(diǎn)現(xiàn)狀水平年75%保證率補(bǔ)水量分別為1 047萬(wàn)m3、563萬(wàn)m3、868萬(wàn)m3、259萬(wàn)m3、713萬(wàn)m3。

4 結(jié)論與建議

4.1 結(jié)論

按照《景觀娛樂(lè)用水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)》（GB 12941-91）的C類標(biāo)準(zhǔn)評(píng)價(jià)，各水面水質(zhì)均時(shí)有超標(biāo)。為計(jì)算維持水質(zhì)達(dá)標(biāo)的最低需水量，根據(jù)物質(zhì)守恒定律和化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)原理，對(duì)5個(gè)串聯(lián)水體，構(gòu)造了描述“壩式景觀水體”水質(zhì)、水量變化的綜合數(shù)學(xué)模型，依據(jù)水體蒸發(fā)、滲漏及水質(zhì)監(jiān)測(cè)資料，率定污染物綜合衰減系數(shù)，從而建立起“壩式景觀水體”水質(zhì)和補(bǔ)水量的定量關(guān)系，進(jìn)而對(duì)串聯(lián)景觀水體聯(lián)合推演，確定了現(xiàn)狀水平年75%保證率條件下，1號(hào)-5號(hào)水面年最小需水量為3 450萬(wàn)m3。水量補(bǔ)充時(shí)間應(yīng)為3月、5月、8月、9月及11月。各補(bǔ)水節(jié)點(diǎn)現(xiàn)狀水平年75%保證率補(bǔ)水水量分別為1 047萬(wàn)m3、563萬(wàn)m3、868萬(wàn)m3、259萬(wàn)m3、713萬(wàn)m3。

4.2 建議

滹沱河水環(huán)境修復(fù)段為改善河流環(huán)境狀況邁出了第一步，但是通過(guò)對(duì)滹沱河水環(huán)境修復(fù)段的水位、水質(zhì)進(jìn)行跟蹤監(jiān)測(cè)，也發(fā)現(xiàn)了其在供水、用水管理中的一些問(wèn)題。一是多水源供水保障機(jī)制尚未建立，工程用水保障程度不高。應(yīng)盡快建立南水北調(diào)中線環(huán)境供水機(jī)制，對(duì)于像滹沱河水環(huán)境修復(fù)段這樣的重要環(huán)境用水戶，納入供水目標(biāo)，提高供水保證率。二是水量水質(zhì)監(jiān)測(cè)設(shè)施不完備，來(lái)水、退水、耗水水質(zhì)等缺乏監(jiān)測(cè)，尤其是對(duì)入河排污口的監(jiān)測(cè)，據(jù)本次監(jiān)測(cè)資料分析，三號(hào)水面以下水體水質(zhì)受右岸排污口污水排放的影響很大，市政府應(yīng)協(xié)調(diào)相關(guān)部門，徹底封堵右岸排污口。水質(zhì)水量監(jiān)測(cè)是保障工程長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行的基礎(chǔ)，運(yùn)行管理部門應(yīng)當(dāng)盡早立項(xiàng)，建立起完備的水質(zhì)水量監(jiān)測(cè)體系。