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城市河道生态环境需水研究
____以湖南省常德市穿紫河为例

曾维华, 宋其龙, 陈荣昌
北京师范大学环境学院, 环境污染控制与模拟国家重点实验室, 北京 100875

摘要: 在系统归纳总结国内外河道生态环境需水理论研究成果的基础上, 结合穿紫河作为一条城市河流的实际情况, 应用生态学、 环境学和水文学理论, 系统分析了穿紫河河道生态环境需水的研究范畴和影响因素, 对穿紫河不同时段下的河道生态环境需水进行定量研究。研究得出穿紫河河道生态环境需水平均为2.92 m3/s, 城市河道生态环境需水与来水水质和河道沿岸的污染物排放情况关系最为密切。一方面, 为穿紫河流域水资源的合理调配提供科学依据, 有利于穿紫河生态环境的稳定和良性循环; 另一方面, 对城市河道生态环境需水理论进行一些探索。
关键词: 生态环境需水; 城市河道; 穿紫河
中图分类号: X143 文献标识码: A 文章编号: 1672-2175( ) 04-0528-04
水是维持河流系统和谐结构和使之发挥正常功能的介质和动力[1]。处理好河流中水与生态、 环境之间的相互作用关系, 保证河道内有足够的水量以满足河道生态系统与环境的需求十分重要。当前, 国内外对常年性天然河流的生态环境需水研究很多[1~4], 一般认为,河流系统生态环境需水量是为了维护河流生态环境的天然结构与功能,主要应该包括: ( 1) 河流系统中天然和人工植被耗水量, 包括水源涵养林、 水土保持措施及天然植被和绿洲防护林带的耗水量; ( 2) 维持水生生物栖息地所需的水量; ( 3) 维持河口地区生态平衡所需的水量; ( 4) 维持河流系统水沙平衡的输沙入海水量; ( 5) 维持河流系统水盐平衡的入海水量; ( 6) 保持河流系统一定的稀释净化能力的水量; ( 7) 保持水体调节气候、 美化景观等功能所损耗的蒸发量; ( 8) 维持合理的地下水位所必须的入渗补给水量等[2]。以往生态环境需水研究的河流基本上是有上游和沿途汇集的天然来水来满足需水要求; 而城市河流由于人工控制设施众多, 基本没有上游天然来水, 大部分靠人工引水满足生态环境需水要求。国内对城市河流的生态环境需水研究还比较少[5], 特别是专门针对城市河道生态环境需水研究还没有。随着社会城市化进程的加快, 城市河流的水环境问题日益成为城市进一步发展中需要重点解决的问题, 研究城市河道生态环境需水对于城市的水环境安全和城市的可持续发展具有十分重要的意义。
本文将基于生态环境需水理论, 结合穿紫河沿岸污水排放的实际情况, 对穿紫河不同时段下河道的生态环境需水进行定量研究。一方面为穿紫河流域水资源的合理调配提供科学依据, 有利于穿紫河生态环境的稳定和良性循环; 另一方面, 对城市河道生态需水理论进行一些探索。
1 城市河道生态环境需水研究
河道生态环境需水与河流生态环境需水是两个不同的概念, 郑冬燕等认为: 河流生态环境需水主要包括河道内需水与河道外需水两大部分, 两者相互影响[3]。本文所说的河道生态环境需水, 可定义为河道内生态环境需水, 只是河流生态环境需水的一部分, 对于常年性天然河流, 更应该强调河流的生态环境需水; 而对于基本无上游天然来水的城市河流, 则更应该强调河道的生态环境需水。城市河道生态环境需水量作为城市生态环境需水的一部分, 其研究可为城市水资源科学配置提供理论依据[6]。
1.1 城市河流生态环境功能分析
河流的功能有两个方面[7]: 一是功利性功能, 如为生产、 生活提供用水, 为航运、 水上娱乐、 养殖等提供水域, 为水力发电提供能源等; 二是生态环境功能, 如为水生生物提供生存环境, 对污染物的稀释和自净作用, 保证河口地区生态系统稳定, 以及输沙排盐、 湿润空气、 补充土壤含水等功能。功利最大性原理驱动人们只注重河流的经济功能, 而忽视其本身所具有的生态环境功能; 其结果必然导致水资源利用率不断升高, 水资源利用效率不断降低, 使得河道水量日益减少, 污染日重, 环境质量日差。
河道的生态环境需水应该根据河流的主要生态环境功能确定。在河流多种功能并存的情况下, 应按水资源的自然属性、 河流特点等, 确定河流的主要( 主导) 功能, 优先满足主导生态环境功能。近几年, 随着城市的逐步发展, 大部分城市水系原有的灌溉、 饮用与航运等功能都已消失。在当前和将来很长一段时间, 绝大多数城市水系主要功能将定位于排水和景观河道以及娱乐等功能。
1.2 城市河道生态环境需水研究范畴
城市河道生态环境需水主要受两类因素的影响: 一类是河道生态系统本身的结构特征, 如植被类型、 水生生物数量、 空间结构、 格局、 配置等因素, 以及相应于河道生态系统所固有的结构特征、 其自身存在着特定的生态环境需水阈值; 另一类是影响河道生态系统的外界环境因子, 诸如气候、 日照、 气温、 降水、 蒸发、 风速、 水文气象因子、 以及城市河道沿岸排污口的排污均对河道的生态环境需水产生影响。在这些影响因素中, 以河道自身的空间格局和外界排入河道的污水对河道的生态环境需水影响最大。
根据水量平衡原理[8], 如果河段河道一定, 并按照年平均状况计算, 则任一河段的河道水量平衡方程可表示为:
Qt=Qm ± Qg＋QR＋Qb＋QW－Qe－Qn ± ΔW ( 1)
上式中, Qt为任一河段河道中的总水量, m3/s; Qm为上游进入该河段河道中的来水量, m3/s; Qg为该河段地下水进入该河段河道的水量, m3/s; QR为该河段降水量, m3/s; Qb为该河段支流汇入的水量, m3/s; QW为河段废污水的排入量, m3/s; Qe为该河段河道的水面蒸发损失量, m3/s; Qn为该河段河道两岸引用水量, m3/s; ΔW为该河段某一时段始末河道中储水量差值, m3/s。
从当前各城市河流的实际情况来看, 城市河流一般不作为两岸的灌溉水源, 上游来水主要经过人工调控进入河道, 其河道生态环境需水主要由: 水生生物栖息; 维持水沙平衡、 水盐平衡以及河道的稀释和自净能力、 河面蒸发、 景观效应和保持一定的地下水位等方面的需水组成。分析影响城市河道生态环境需水的各因素见表1。由于外界环境因子不断变化, 具有不确定性, 为了适应这种不确定性, 河道本身需要调节生态环境需水的阈值以响应外界环境的变化。
城市河道生态环境需水量能够界定为在一定水环境功能标准下, 特别是在干旱年份, 为了维持河流生态系统正常的生态结构与基本的水生生态环境功能不受破坏, 河流所必须保障的最小需水量[4]。河道生态环境需水量所要满足的环境功能主要包括[9]: ( 1) 保持水体一定的稀释能力; ( 2) 保持水体一定的自净能力。需要指出的是, 河流稀释能力主要指的是河水稀释污染物, 使其质量浓度降低的能力; 而河流自净能力主要是指河流经过一系列物理化学作用将水体中污染物分解转化的能力, 在整个河道生态环境需水量中, 除保持水盐平衡所需水量是不定期需要保证的水量, 其它各需水组成部分均要求全年各个时段都要有相应的水量保证。在特定时间和空间内, 城市河道生态环境需水是满足水环境功能目标的变量, 其更注重的是河道的水环境需水, 即维持河流水环境功能所需要的水量。在人类活动频发的城市河段, 往往要求河道具有一定的纳污稀释功能, 因此在综合考虑水质保护与水量维持关系情况下, 确定城市河道生态环境需水量更具有实际的意义。
由于城市河道自身空间格局、 外界影响因子和水资源调度的复杂性, 进行城市河道生态环境需水的计算时, 应该根据各主要影响因素, 计算出河道生态环境需水的各组成部分, 并分析各项水量之间相互满足的关系, 整合出一个合适的水量作为城市河道生态环境需水量, 而不是对各项水量进行简单的相加。本文认为, 在城市河道生态环境需水各组成部分容易得知的情况下, 其总的河道生态环境需水量能够采用如下公式进行计算:
QY=Ql＋Qs＋Qf＋Qd＋Qe＋Qc＋Qu－QR－∑Q0 ( 2)
上式中, QY为河道生态环境需水量, m3/s; Ql为维持河道中水生生物栖息所需水量, m3/s; Qs为维持河口水沙平衡所需水量量, m3/s; Qf为维持水盐平衡所需水量, m3/s; Qd为稀释水体中污染物所需水量, m3/s; Qe为维持河段水面蒸发所需水量, m3/s; Qc为维持河道景观所需水量, m3/s; Qu为维持当地地下水位所需水量, m3/s; QR为河段水面降雨量折合流量, m3/s; ∑Q0为以上各项需水重复量之和, m3/s。
1.3 城市河道生态环境需水的特征
1.3.1 时间变化性
表1 城市河道生态环境需水主要影响因素分析
河道生态环境需水组成
城市河道生态环境需水
水生生物栖息
水生生物数量受人工控制明显
水沙平衡
基本无上游来沙, 两岸冲刷较小, 泥沙含量小
水盐平衡
不是沿海城市不用考虑
维持河流稀释和自净能力
河水流速慢, 流量随人工控制, 水质受沿岸污染物排放影响大
河面蒸发
较当地天然河流稍大
景观效应
景观效应明显, 一般为景观河道
维持地下水位
根据河底和护坡衬砌情况及当地地下水位而确定

城市河道生态环境需水在年内随季节的变化而有所差异, 仅以水面蒸发来说, 受到年内太阳辐射的变化、 空气湿度、 气温、 风速等季节变化的影响, 其水面蒸发也有明显的变化; 河道内的生物在不同的生长期内对水分的要求也有明显的不同。
1.3.2 空间变化性
由于河道不同地段空间参数的差异, 导致不同地段的河道环境承载力不同, 地下水位、 水生生物数量等也不一样, 在不同的区段上, 河道生态环境需水自然也就不一样。
1.3.3 功能目标变化性
城市河道生态环境需水受河流系统所起到的生态功能的制约。对生态环境的功能要求越高, 河道的生态环境需水量也就越大, 而根据生态功能区划, 即使是属于同一河流系统, 在不同的区段起到的生态功能也不同, 因而其河道在不同的区段上, 其生态环境需水也就不同。
2 穿紫河河道生态环境需水研究
2.1 穿紫河概况
穿紫河水系位于湖南省常德市城区北部, 全长17.3 km, 是常德市的一条环城景观水系。穿紫河沿岸有船码头、 夏家垱、 尼姑桥、 柏子园、 杨武垱、 三闾、 楠竹山、 建设桥一机埠、 建设桥二机埠、 粟家垱和余家垱等共11个机埠( 见图1) 向河道内排放雨水和生活污水, 各机埠现状均已经基本实现截污。穿紫河基本无上游天然来水, 水污染严重, 无法达到景观用水要求, 需要采用引相邻的渐河河水入河道满足生态环境需水要求。
分析穿紫河河道来水, 在没有降雨时, 机埠收集的80%的生活污水经过污水管道输送至污水处理厂, 但仍有20%的生活污水直接排入穿紫河中; 暴雨期各机埠所有的雨水都经机埠直接排入穿紫河, 分别在柳叶闸和南碈处排入柳叶湖和沅江。因此, 穿紫河河道来水主要由渐河河水、 穿紫河沿岸各机埠排放的生活污水和雨水的混合水等组成。
2.2 穿紫河河道生态环境需水界定
穿紫河属内陆城市的一条穿城河流, 不存在入海河流的水沙、 水盐问题; 河道内水生动植物极少, 水生生物栖息所需的水量能够忽略; 同时, 该河流属于典型的南方水网地区河流, 雨量充沛, 空气湿润, 河水水位和地下水位较高, 用于保持水体调节气候、 美化景观等功能所损耗的水量, 以及维持合理的地下水位所必须的入渗补给水量等相对容易得到满足。因此, 穿紫河河道生态环境需水的主要矛盾集中在用于维持河流系统一定的稀释净化能力使水质达标和水面蒸发所需要的水量。
综上所述, 穿紫河河道生态环境需水量可界定为在不同时段内, 为使穿紫河水质达到相应水环境功能标准( GB 3838－ IV类水质标准) , 最少所需要的一定水质的水量。
2.3 穿紫河河道生态环境需水计算
2.3.1 控制污染物的选取
表2 各类水体污染负荷质量浓度比较 mg/L
污染物名称
生活污水
IV类水标准
渐河水
降雨地表径流
CODcr
208
30
15
90.8
BOD5
100
6
4
11.9
氨氮
32.5
1.5
0.159
—
说明: 降雨地表径流污染物质量浓度因无实测值, 参考采用美国国家NURP研究的平均值[10]。

对可能排入河道的不同来水的水质进行比较( 见表2) , 结合不同污染物在河道中的消解特性, 分析得出影响穿紫河水体达到IV类水水质标准的最大控制因子为CODcr。因此, 本研究选择CODcr作为穿紫河河道生态环境需水量计算的主要控制污染物。由于CODcr为保守性污染物, 研究河道长度相对较短, 在此只考虑CODcr稀释作用, 而不考虑其降解作用, 即不考虑河水对污染物的自净作用。
2.3.2 计算方法

图1 穿紫河水系及沿岸机埠分布

穿紫河沿岸各机埠在一定时段内, 向河道排放CODcr的总量采用生活污水中CODcr总量和降雨期由雨水带入河道内但尚未及时排走的CODcr总量叠加得出。生活污水排放污染物总量采用城市规划预测的生活污水总量乘以污染物质量浓度得出。本文降雨地表径流中污染物总量的确定采用的是美国学者Schueler在1987年基于美国NURP推荐的一种称为简便方法的计算模型[10]:
Lt=[CF×Ψ×A×P×C]×0.01 ( 3)
上式中, Lt为计算时段t内径流排放污染负荷, kg; CF为用于对不产生地表径流的降雨进行校正的因子( 产生径流的降雨事件占总降雨事件的比例) , 一般为0.9; Ψ为径流区平均径流系数, 即径流量/降雨量, m3/m3; A为径流集雨面积, hm2; P为计算时段t内的降雨量, mm; C为污染物的径流加权平均质量浓度, mg/L; 0.01为单位换算因子。
区域平均径流系数Ψ取决于多方面的因素, 其中区域地表不透水率I是最重要的因素。Ψ和I的经验关系式为:
Ψ＝0.05＋0.009×I ( 4)
上式中, I为区域地表不透水百分数。
由于穿紫河在降雨时对河水进行抽排, 降雨被及时排走, 因此流域及水面上的降雨在降雨前后不对穿紫河河道内的水体总量产生影响, 只是有一部分由地表径流带入的污染物残留在河道内; 降雨期由雨水带入河道内但尚未及时排走的CODcr总量可由下公式计算:
Lr=λr×Lt ( 5)
上式中, λr为降雨径流污染物残留系数, 由当地排水管理部门提供; Lr为计算时段t内降雨径流残留在河道内的污染物总量, kg。
降雨采用常德站保证率为95%的代表年份1972年的月平均降雨资料, 水面蒸发采用最近25年常德站平均水面蒸发资料, 利用式( 7) 计算, 计算结果见表3。
Qe=E×A×3.86×10-10 ( 6)
上式中, E为蒸发量, mm; A为河道水面面积, m2。
选择在CODcr完全混合情况下, 使穿紫河水体达到IV类水水质标准, 所需要调用一定水质的水量, 作为穿紫河河道生态环境需水量, 计算公式如下:
QY = Qe＋Qd ( 7)
Qd = [QY×Qe＋λr×Cr×＋Ci×－C0×
]/(C0－CY) ( 8)
上式中, QY为河道生态环境需水量, m3/s; Qi为第i个机埠月平均排入河中的生活污水流量, m3/s; Qr为第r个机埠月平均排入河中的降雨地表径流量, m3/s; C0为污染物达标质量浓度, mg/L; CY为引水污染物质量浓度, mg/L; Cr为降雨地表径流污染物质量浓度, mg/L; Ci为生活污水污染物质量浓度, mg/L; n为排污机埠个数。
2.3.3 计算结果及分析
计算不同时段穿紫河河道生态环境需水量, 结果见表3和图2。
为满足河道生态环境需水要求, 穿紫河平均需要引渐河河水流量为2.92 m3/s, 也就是说穿紫河河道生态环境需水量平均为2.92 m3/s。从表3和图2结果能够看出, 穿紫河河道月际间生态环境需水量的变化与月际间水面蒸发量的变化以及沿岸各机埠的排污情况密切相关。能够看出, 月际间穿紫河河道生态环境需水量变化较大, 在沿岸各机埠基本实现截污的情况下, 排入河中的生活污水量大大减少, 降雨地表径流中的污染物成为影响穿紫河河道生态环境需水的另一个主要因素。
3 结论
( 1) 城市河道生态环境需水对于河道周边城区的发展具有十分重要的影响。穿紫河河道生态环境需水的满足程度对常德市城市景观及经济发展都有着举足轻重的作用。
( 2) 城市河道生态环境需水量具有时空变化的特征, 随水环境功能定位和时间、 空间而变化。南方水网地区, 降雨丰沛, 城市河道生态环境需水主要用来满足改进环境( 水质) 的要求。
表3 不同时段穿紫河河道生态需水量
月份
降雨量
/mm
蒸发量
/mm
λr
Qe/(m3·s-1)
Qd/(m3·s-1)
需水量
/(m3·s-1)
1
20.6
37.6
0.5
0.01
1.99
2.00
2
122.3
39.8
0.5
0.01
4.07
4.09
3
91.6
60.4
0.5
0.02
3.45
3.48
4
114.0
92.6
0.5
0.03
3.92
3.96
5
116.5
114.3
0.5
0.04
3.98
4.03
6
62.3
136.5
0.2
0.05
2.12
2.17
7
67.4
207.8
0.2
0.08
2.18
2.26
8
6.9
180.7
0.2
0.07
1.68
1.75
9
84.6
125.7
0.2
0.05
2.29
2.34
10
151.2
92.1
0.2
0.03
2.83
2.86
11
101.0
57.4
0.5
0.02
3.65
3.67
12
36.9
43.2
0.5
0.02
2.33
2.34
月平均
81.3
99.0

0.04
2.88
2.92

( 3) 城市水系因为基本不受上游天然来水的影响, 其河道生态环境需水量与引水的水质和水量有着直接的关系, 能够直接采用一定水质的引水量作为河道生态环境需水量。
( 4) 城市水系的点源污染大大减少以后, 非点源( 城市地表径流污染) 正成为城市水环境污染的一个主要问题, 成为影响河道生态环境需水的主要因素。随着城市点源污染治理的逐步完成, 降雨形成的地表径流所造成的面源污染将成为城市污染治理的新的目标。
( 5) 在本研究中, 由于没有考虑河水流动产生的自净能力, 实际河道生态环境需水量将比计算值略小。城市水系沿线水利调控设施众多, 如何充分利用水利调控设施使河道里的水最大限度地”动”起来, 增加河水的自净能力, 应该是下一步城市河道生态环境需水研究的重点。

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图2 穿紫河河道生态环境需水变化

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Ecological and environmental water requirements of urban
river course: taking Chuanzihe river as an example

ZENG Wei-hua, SONG Qi-long, CHEN Rong-chang
School of Environment, Beijing Normal University, State Joint Key Laboratory of Environment Simulation and Pollution Control, Beijing 100875, China

Abstract: The ecological and environmental water requirement of Chuanzihe river course in different periods of time quantificationally was studied based on the theories of ecological and environmental water requirement of river course in domestic and overseas and on the actual situation of Chuanzihe river as an urban river. It was estimated that the average water requirement of Chuanzihe river course is 2.92 m3/s with the maximum value of 4.09 m3/s in Feb and the minimum value of 1.75 m3/s in Aug.
Key words: ecological and environmental water requirement; urban river course; Chuanzihe river