再生水为水源的城市湖池生态环境需水量计算

吴秋琴，宋孝玉，秦 毅(西安理工大学 西北旱区生态水利工程国家重点实验室培育基地， 陕西 西安 710048)

再生水为水源的城市湖池生态环境需水量计算

吴秋琴，宋孝玉，秦 毅
(西安理工大学 西北旱区生态水利工程国家重点实验室培育基地， 陕西 西安 710048)

以再生水为湖池水源可缓解城市水资源紧缺现状，但存在因再生水水质标准低、易发生水体富营养化的问题。计算湖池生态环境需水量，定期对湖池进行补水和换水，以保证湖池生态环境的健康。基于污染物质平衡原理，采用换水周期法，建立兼顾水量和水质生态环境需水计算模型。以西安市沣庆湖为例，估算生态环境需水量，计算结果为：沣庆湖换水周期冬季为125 d、夏季为53 d。沣庆湖年平均生态环境需水量为24.37 万m3。

再生水；换水周期；生态环境需水量；城市湖池

西安市实施“八水润西安”重点工程，但西安市河湖生态系统健康已受损，要想达到城美、八水环绕的怡人景观，水资源是目标实现的基本条件。然而，西安作为一个缺水城市，水资源供需矛盾尖锐，如何基于有限的水资源总量，实现城市水资源的合理配置，维持合理的生态需水量，以满足水资源永续利用和生态平衡的需要，是城市水景观建设中亟待解决的重要问题[1]。近些年，国内外学者对湖泊生态需水做有大量研究，主要是对资源型天然湖泊的研究，特别是近两年，RS和GIS技术应用到生态需水量计算越来越成熟，取得一些可喜的研究成果[2-6]。但针对缺水城市，基于优化城市景观为目标、水面面积较小的城市人工湖池所需生态需水量的估算等解决城市实际问题研究还有所欠缺。若问题处理不当，城市人工景观水体很容易出现浑浊、黑臭以及富营养化现象，不仅起不到美化城市作用，还恶化城市面貌。

城市湖池的生态环境需水量一般是指为保证其作为景观水体发挥正常景观功能，维持生态系统环境健康而必需的一定数量和质量的水[7]。目前，水资源供需矛盾尖锐，城市生活污水经适当处理再生后回用，可在很大程度上缓解水资源紧缺的状况[8-9]，再生水回用于景观水体在国内外得到有效实施和认可，污水处理技术也趋于成熟，但我国再生水景观利用还存在些问题[10-11]。采用再生水作城市湖池的水源首要前提是其水质达标，满足湖池生态系统健康，在系统遭破坏前将水体处理，采用对湖体周期性换水的办法——当进入湖体的再生水恶化到一定程度就换掉，注入新鲜的再生水体——目前来说是可行的[12]。故采用换水周期法计算以再生水为水源的城市湖池生态需水量。目前国内缺少对这一问题的专门研究，但也有一些进展，对于不同的湖泊，提出了一些计算方法。以河道生态为保护目标，对河流生态需水量进行计算，计算方法大同小异，都是基于功能性需求原则，在考虑河道渗漏补给，蒸发需水基础上利用遥感与GIS技术进行生态分区计算生态需水量[4]。许文杰[11]按湖泊取水标准提出水质目标浓度的水质耦合模型，郭武等[12]按湖(库)纳污能力给出了换水周期的理论计算方法，但对水质目标浓度如何确定、具体如何计算一个湖的换水周期没有深入，都不适合以再生水为水源的城市湖池的换水周期计算。本文总结前人的理论模型研究——采用与水质目标、纳污能力关联的换水周期法，并针对以再生水为水源的城市湖池，提出换水周期的计算方法。

1 以再生水为水源的城市湖池水质特征分析

再生水是城市污水经过一定处理后可回用的水，再生水给人工景观水体补水，已经成为解决城市用水紧缺、提高用水效率、建设美丽城市的一条重要途径。但和清洁水源相比，再生水的污染物本底值较高，自净能力差，加上大部分城市湖池如西安的沣庆湖为闭合湖，水体流动性差，因此以再生水为水源的景观水体更容易发生富营养化的情况[15]。

1.1 景观水体富营养化的原因

水体发生富营养化需要三个条件：高富含N、P盐等营养物质；水体流动缓慢或静止；适宜的温度条件[16]。以再生水为水源的景观水体易发生水体富营养化的原因有：

(1) 再生水回用于景观水体的水质标准尚不够严格。国际爆发水华临界值[17]：总氮TN=0.2 mg/l，总磷TP=0.02 mg/l。而我国2002年实施的《城市污水再生利用景观环境用水水质》[18](GB/T18921-2002)，总氮和总磷的控制标准分别为15 mg/l、0.5 mg/l～1 mg/l，远大于藻类生长的氮磷临界值。所以以再生水为水源的景观水体容易爆发水华，影响景观效果。

(2) 由城市湖池的特点决定。城市湖池大多水域面积较小，且多为闭合湖，水体流动性差，水体自净能力低。水深多在1 m～2 m，水体较浅，阳光易投射至池底，有助于藻类生长，爆发水华。

1.2 水体富营养化的主要限制因子

水体富营养化的影响因素很多，在春夏秋季，温度、光照较适合，影响再生水藻类生长的主要因素是总磷浓度[19]。

2 以再生水为水源的城市湖池生态环境需水量计算方法

依据湖池生态环境需水量的概念，认为城市湖池需水包括三部分：水面蒸发需水、湖池渗漏需水和湖池循环更新需水量。

2.1 水面蒸发需水量计算

城市生态景观水面的蓄水湖池一般为宽浅的盆状，不同水位下的水面面积变幅不大，因此可用水面面积乘以净蒸发深度估算其蒸发损失量，计算公式如下[20]：

WE=A×E×10-7

(1)

式中：WE为景观水体的年水面蒸发损失量，万m3/a；A为景观水面的水面面积，m2；E为年水面蒸发量，mm。

2.2 河湖渗漏需水量计算

人工湖池的渗漏损失水量计算尚没有规范的计算方法，采用以下经验公式计算[21]：

Ws=γ×V

(2)

式中：Ws为湖池的年渗漏损失水量，万m3/a；V为湖池的平均蓄水量，万m3；γ为不同地质条件下的渗漏损失系数，一般取0.01～0.015。

2.3 湖池循环更新水量计算

对于闭合湖，污染物浓度增加主要原因是湖池蒸发渗漏使原水体积变小，可如下考虑计算其换水周期，以防止湖池发生水华现象：

原有水体污染物浓度C0随着湖池蒸发渗漏，污染物浓度逐渐增加，当污染物浓度增加到一定值CN(水体纳污能力，湖中污染物浓度超过此值有爆发水华的危险)时，将原湖池水全部换掉，这期间的时间即为一个换水周期。根据质量守恒原理，用水量平衡法计算换水周期T(天)，计算方法如下：

污染物质的质量守恒方程：

W×C0=(W-WE-Ws)×CN

(3)

(4)

(5)

以再生水回用于景观用水水质标准，选择磷作参考指标，确定C0、CN。因水体富营养化在温度较高的夏季会比冬季更容易发生，且夏季水面蒸发损失量也明显高于冬季，故把湖池换水周期分冬、夏期(西安)两种情况考虑：冬期为1月、2月、3月、4月、10月、11月、12月；夏期即为5月、6月、7月、8月、9月。

由换水周期T可求得更新水量：

(6)

(7)

Wg=Wg夏+Wg冬

(8)

其中：Wg夏为夏期更新水量；Wg冬为冬期更新水量；Wg为年更新水量。

湖池生态环境需水量Wh即为：

Wh=WE+Ws+Wg

(9)

其中：Wh为湖池生态环境需水量，万m3/a；其他符号与前述公式含义相同。

3 沣庆湖的生态环境需水量计算

3.1 研究区概况

沣庆湖位于西安市沣庆公园，为闭合湖。湖底为粉砂、黏土类土质，湖面面积3.6万m2，年平均蓄水量为5万m3，平均水深1.4 m，是典型的城市景观水体，具有景观水面面积小、水深较浅的特点。水源为城市再生水，由西安市第二污水处理厂再生水供给，水质可满足《再生水回用于景观水体的水质标准》[22](CJ/T 95-2000)，退水至城市排水管道。引入再生水注入沣庆湖作为景观用水，替代长期采用的自来水。以修复改善沣庆湖湖体水生态环境为核心，实现湖水生态与环境的保护，重点保护水质，促进水循环，防止藻类污染。

3.2 水面蒸发损失量计算

依据《西安市实用水文手册》，通过西安市多年平均水面蒸发等值线图，根据公式(1)，可计算出年水面蒸发损失量为1.22万m3。

3.3 渗漏损失量计算

沣庆湖区域地质以粉砂、黏土类为主，渗漏损失系数γ取0.01，根据公式(2)，可计算出年渗漏损失量为0.6万m3。

3.4 循环更新水量计算

王怡等[23]在沣庆湖围建小型人工湖，作了以再生水为唯一水源的水质研究。分析证实当污染物浓度增加到超过原浓度的20%时，湖池就有爆发水华的危险。分别计算沣庆湖冬、夏期的日平均蒸发渗漏损失量，由此计算出：沣庆湖冬期换水周期T冬=125 d，夏期换水周期T夏=53 d。

根据沣庆湖蓄水量和换水周期制定沣庆湖换水制度，沣庆湖循环年更新水量为22.55万m3。

沣庆湖水面蒸发损失量、渗漏损失量和循环更新水量三者之和即为沣庆湖生态环境需水量，沣庆湖年平均生态环境需水量为24.37万m3。逐月平均生态环境需水量如表1。

表1 沣庆湖逐月需水量统计表 单位：万m3

4 结 论

本文以沣庆湖为例对以再生水为水源的城市湖池生态需水量的计算提供了一个方法，此方法综合考虑了水量和水质对湖池生态环境的影响，对解决再生水回用景观水体水质易恶化问题有重要的参考价值。

(1) 将生态环境需水量分为三部分：水面蒸发损失量、湖池渗漏需水量和循环更新需水量。对沣庆湖多年平均生态环境需水量计算结果表明，沣庆湖年平均生态环境需水量为24.37万m3，本文对沣庆湖循环更新水量计算分冬夏期考虑，更有效利用和合理配置水资源。计算虽然方法简单，却可为城市景观水体用水提供参考。

(2) 由沣庆湖夏期换水周期T夏=53 d，冬期换水周期T冬=125 d，可制定沣庆湖换水制度，这种将一年分两期考虑的研究方法，林慧等[24]也有研究，分期研究计算更符合实际情况。计算结果中夏期生态环境需水量要高于冬期，这是由夏期温度较高，水体蒸发损失量值增大，水体更易爆发水华决定的。

(3) 水质目标浓度CN的取值应根据湖池水体水质、水源、光照、温度和地区降雨情况等综合确定，最好能进行实验研究。

[1] 刘 凌，董增川，崔广柏，等.内陆河流生态环境需水量定量研究[J].湖泊科学，2002，14(1)：25-31.

[2] 孙栋元，杨 俊，胡想全，等.基于生态保护目标的疏勒河中游绿洲生态环境需水研究[J].生态学报，2017,37(3)：1-13.网络出版时间：2016-06-14 10:03:49 网络出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/11.2031.Q.20160614.1003.032.html

[3] 张 华，张 兰，赵传燕.极端干旱区尾闾湖生态需水估算[J].生态学报，2014,34(8)：2102-2108.

[4] 冯夏清，章光新，尹雄瑞.基于生态保护目标的太子河下游河道生态需水量计算[J].环境科学学报，2012,30(7)：1466-1471.

[5] 董继先，袁 帅，高 薇，等.基于GIS的城市水资源与生态需水量的研[J].东北水利水电，2009,27(3)：43-44.

[6] 姜亮亮，焦 键，程 艳，等.艾里克湖流域湖泊及植被生态需水研究[J].干旱资源与环境，2016，30(4)：108-114.

[7] 刘静玲，杨志峰.湖泊生态环境需水量计算方法研究[J].自然资源学报，2002，17(5)：604-609.

[8] 李燕群，何通国，刘 刚，等.城市再生水回用现状及利用前景[J].资源开发与市场，2011，27(12)：1096-1100.

[9] 陈鹏飞，王晓峰.缺水型城市水资源利用探讨[J].水利与建筑工程学报，2010，8(6)：84-86．

[10] 吴 霜，陈 宇，罗秋滚.中水景观国外利用现状及对我国的启示[J].价值工程，2014(28)：79-80.

[11] 胥书霞.臭氧—曝气生物滤池处理难生物降解废水的试验研究[J].水利与建筑工程学报，2011，9(4)：93-99.

[12] 金相灿.中国湖泊环境[M].北京：海洋出版社，1995.

[13] 许文杰，曹升乐.城市湖泊生态环境需水量计算方法研究——以东昌湖为例[J].水力发电学报，2009,28(1)：102-107.

[14] 郭 武，钱 湛.湖南湘阴东湖水体生态流量及换水周期计算方法[J].中南林业科技大学学报，2011,31(9)：66-69.

[15] 孙铁晰，周启星.污染生态学[M].北京：科学出版社，2001.

[16] 王 坦，李 昊.再生水回用于景观水体的富营养化问题和生态修复[J].环境科学与管理，2011，36(3)：134-137.

[17] 王宝贞，王 琳．污水污染治理新技术一新工艺、新概念、新理论[M].科学出版社，2004：15-24．

[18] 中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局.城市污水再生利用景观环境用水水质：GB/T 18921-2002[S].北京：中国标准出版社，2002.

[19] 刘 莉.再生水景观水体中富营养化的时空变化[D].重庆：西南大学，2008.

[20] 肖 芳，刘静玲，杨志峰.城市湖泊生态环境需水量计算——以北京市六海为例[J].水科学进展，2004，15(6)：781-786.

[21] 杨 薇.城市河流生态环境需水优化配置理论及应用研究[D].哈尔滨：哈尔滨工业大学，2007.

[22] 中华人民共和国建设部.再生水回用于景观水体的水质标准：CJ/T 95-2000[S]. 北京：中国标准出版社，2000.

[23] 王 怡，张永春，袁 园.再生水作为人工湖唯一水源的小试研究[J].西安理工大学学报，2013,29(4)：411-415.

[24] 林 慧，孟兆武.供水工程最小生态环境需水量实例分析[J].水利科技与经济，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

陕西省教育厅服务地方专项计划项目(2013JC18)

吴秋琴(1992—)，女，江西鹰潭人，硕士研究生，研究方向为水资源、水力学及河流动力学。 E-mail:451600822@qq.com

X143

A

1672—1144(2016)06—0092—04