城市生态环境需水量计算方法与应用

胡东起 徐 慧

(1．中电建水环境治理技术有限公司， 广东 深圳 518107； 2．河海大学 水文水资源学院， 南京 210098)

城镇化发展使得生态环境日益恶化，水资源与生态环境矛盾突出，合理计算城市生态环境需水量，优化水资源配置是缓解二者矛盾的基础性工作．城镇化过程中，以经济发展为核心开发利用水资源的指导理念，导致城市水资源配置利用侧重功利性用水忽略生态环境用水，致使城市水问题突出，体现为城市河湖水质恶劣、面积萎缩，植被结构简单、群落系统退化，城市景观破碎化、地下水漏斗严重等．生态环境需水量作为水资源配置中必须考虑的重要一环，已成为水资源与生态环境研究领域中的热点．

早期人们用水质、水量和水面来表征城市环境用水，具体指城市河湖用水、绿化用水和污水稀释用水等[1-3]，主要针对于城市中的单一生态系统类型，而城市生态环境需水量的综合性研究却处于起步阶段．田英等以黄淮海地区为例，对城市生态环境需水量的概念、类别及其计算方法进行了定义与运用[4]；杨志峰等以降水量和水资源量为出发点，建立了城市生态环境需水量的方法体系[5]．但研究均存在：概念与内涵尚不明确；缺乏生态环境需水本质水分——生态环境相互影响关系的研究，生态合理性不强；研究工作多从水资源人为配置出发，较少考虑城市生态系统自身对水量和水质的需求；较多考虑水量的多少，忽略水质的要求．目前，城市生态环境需水量的概念、内涵、计算方法尚未得到统一的认知，有必要对其进行深入研究，完善其计算方法体系，以期为城市水资源的科学合理配置提供理论支持．

1 城市生态环境需水量内涵、特征与类型

1.1 内涵与特征

城市生态环境需水量针对城市自然生态系统而言，是在一定的人为控制下，由城市自然生态系统的结构状态和生态过程所决定．其内涵有广义与狭义之分，广义的城市生态环境需水量是维持整个城市生态系统发挥正常功能(能量流动、信息交换和物质循环)所需的水量[6]，狭义的城市生态环境需水量是指在可预见的时间范围与经济条件下城市生态系统用于消耗或置换而需要人工补充的满足一定标准的水量．两者对比，狭义的城市生态环境需水量对城市水资源配置与管理更具指导作用．

城市生态系统是以人类生活和生产为中心的包括自然、经济与社会的复合人工生态系统[7]．复合型的人工生态系统决定了城市生态环境需水量受其生态系统结构与过程控制同时的人控性特征．城市生态环境需水量具有时间性、空间性、阈值性、水质水量统一性与人为性相结合的特点．

1.2 需水量类型

从城市自然生态系统的类型而言，城市生态环境需水量包括城市河湖生态系统、绿地生态系统及湿地生态系统的需水量．

2 城市生态环境需水量计算方法

本文从城市自然生态系统的类型来确定需水量类型．由于城市湿地为少量的河湖岸滨发育带或面积较小的人工湿地，实际操作难以区分，故不予考虑，既城市生态环境需水量由城市河流、湖泊及绿地生态环境需水量3部分组成．在完整的自然生态系统内，3个生态系统相互依存，互为依托，共同发展．

2.1 城市河道生态环境需水量

有学者认为，在当前及今后的很长时间里，排水、景观以及娱乐功能将是绝大多数城市河道的主要生态功能定位[8]．城市河道主要功能的发挥须有一个能满足城市河道生态环境功能的基础流量，该流量将保证城市河流的生态环境功能不致丧失[8]．城市河道水量平衡方程为

Wh=Wz+Ws+Wv+Wq(1)

式中，Wh为河流总水量；Wz为河道蒸发损失量；Ws为河道渗漏损失量；Wv为河道的基础流量；Wq为可供功利性目的使用的水量[9]．

蒸发、渗漏不可避免，基础流量是河流自身存在及景观娱乐需水的前提，因此，河道生态环境需水量Wl应为这3部分水量之和：

Wl=Wz+Ws+Wv(2)

依据健康河流及河流可持续发展理论中不以牺牲环境发展社会经济的原则，河流生态环境需水量应优于功利性用水量考虑．

河道蒸发损失量Wz：

(3)

式中，Wz为蒸发需水量；A为月平均水面面积；P为月平均降水量；E为月平均蒸发量．

河道渗漏损失量Ws：当河道水位高于地下水位时，重力作用，河水会补给地下水．渗漏损失量按达西定律计算．

河道基础流量Wv的计算方法可分为以流量为基础的非现场类型标准设定法、栖息地保持类型标准设定法和增量法[10]．本文使用保护水生物栖息地的栖息地保持类型标准设定法中的湿周法．湿周法基于这样一种假设：保护好临界区域作为水生生物栖息地的湿周，则非临界区域的栖息地也会得到足够的保护[11]．湿周法的关键在于建立河道湿周与河道流量之间的关系，可以采取的方法有：①通过多个河道断面的几何尺寸-流量关系的实测数据推求．②由某个河道断面的一系列几何尺寸-流量数据中计算得出，也可以通过曼宁公式间接得出[12]．河道基础流量推荐值依据湿周-流量关系中转折点的位置而确定．

2.2 城市湖泊生态环境需水量

保障城市湖泊自身的存在及其基本功能的正常发挥，城市湖泊生态环境需水量包括：①蒸发需水量W1；②渗漏需水量W2；③自身存在需水量W3；④换水需水量W4；⑤娱乐景观需水量W5．

2.2.1 湖泊蒸发需水量

此项需水量包括湖泊水面蒸发需水量和湖泊水生植物蒸散发需水量．

湖泊水面蒸发需水量计算公式同河道水面蒸发需水量公式(3)．湖泊水生植物蒸散发需水量：

式中，WP为湖泊水生植物蒸散需水量；t1为计算时段长度；ETm为植物的蒸散发量[13]．一般城市湖泊水生植物稀少，水生植物蒸散发需水量可忽略不计．

2.2.2 湖泊渗漏需水量

湖泊渗漏需水量按达西定律计算．一般也可以用研究区渗漏系数与湖泊面积的乘积简化计算．

2.2.3 湖泊自身存在需水量

为保证湖泊维持自身的存在及正常功能的发挥，要求湖泊具有的最小水深

W3min=Hmin×A(5)

式中，W3min为湖泊存在最小生态需水量(m3)；Hmin为满足城市湖泊主要生态环境功能和维持湖泊生态系统各组分稳定的最小水位最大值(m)；A为湖泊水面面积(m2)．

2.2.4 湖泊换水需水量

湖泊换水周期指湖泊湖水交换更新一次所需要的时间，是衡量湖泊生态系统是否可持续发展，湖泊水质是否良好的重要指标．湖泊换水周期公式如下：

T=W/Qt(6)

T=W/Wq(7)

式中，T为湖泊换水周期(d)；W为湖泊多年平均蓄水量(108m3)；Qt为多年平均出湖流量(m3/s)；Wq为多年平均出湖水量(108m3)．

湖泊换水需水量W4：

W4=W/T(8)

当W取湖泊枯水期的出湖水量，T为换水周期，则W4为湖泊的最小生态需水量．

2.2.5 娱乐景观需水量

城市湖泊娱乐景观需水量非实际耗水量，主要考虑在湖泊自身存在的基础上，满足景观、娱乐的要求，起到校核的作用．因此湖泊生态环境需水量Ws：

Ws=W1+W2W+W4+max(W3，W5)：(9)

2.3 城市绿地生态环境需水量

城市绿地生态环境需水量一般包括植被蒸散发需水量、植被生长需水量、维持植被生长的土壤含水量．

植被蒸散发需水量Wge：

(10)

式中，Ai为第i种绿化植被的面积(m2)；Epi为第i种绿化植被的植被蒸散量(mm/a)；n为植物种类数．

在不需要精确计算时，可简化为下式：

Wge=AgEp(11)

式中，Ag为城市绿化植被总面积(m2)；Ep为典型植物的植物蒸散发量(mm/a)．

研究表明，植被制造有机物和植被蒸散量的比例大约为1∶99[14]，植被生长需水量Wgp为：

Wgp=Wge/99(12)

维持植被生长的土壤含水量Wgs：

Wgs=Aghρξ(13)

式中，h为土壤深度(m)；ρ为土壤的密度(g/cm3)；ξ为土壤含水量系数(%)．

城市绿地生态环境总需水量Wg：

Wg=Wge+Wgp+Wgs(14)

城市绿地具有需要人工灌溉的特点，依此特点可用定额法进行简化计算：

Wg=φ×Ag(15)

式中，φ为城市绿地需水定额[m3/(a·m2)]，Ag为城市绿地总面积．

综上所述城市生态环境总需水量为城市河湖及绿地生态环境需水量之和，计算公式如下：

W=Wl+Ws+Wg(16)

2.4 水质水量模型

水量和水质是生态环境需水的两个属性，上文计算满足了生态环境需水量"量"的要求，"质"的保障也是生态环境需水量的重要组成部分．通过建立水质水量模型研究区域水质状况及分析引调水及截污工程等治水工程的水质改善效果，更好的达到水质标准．水质水量模型可模拟在水动力、污染源变化的情况下水量水质的变化情况．

2.4.1 水量模型基本方程

以质量和动量守恒定律为基础，建立圣维南方程组

(17)

式中，Q为流量(m2)；x为沿水流方向距离(m)；Z为水位(m)；BT为调蓄宽度，指包括滩地在内的全部河宽(m)；t为时间(s)；K为流量模数(1/s)；q为单位河长旁侧入流(m2/s)；A为主槽过水断面面积(m2)；g为重力加速度(m/s2)．

2.4.2 水质模型基本方程

河道方程：

(19)

河道叉点方程：

(20)

式中，A是河道面积(m2)；Ex是纵向分散系数(cm2/s)；C是水流输送的物质浓度(mg/L)；jj是节点编号；I是与节点j相联接的河道编号；sc是与输送物质浓度有关的衰减项，例如可写为sc=KdAC；Kd是衰减因子；S是外部的源或汇项；Ω是河道叉点的水面面积．

3 计算实例

常熟市位于太湖流域下游，境内湖荡密布，河港交织，总面积1 264.39 km2，城区面积约163.48 km2．常熟气候为北亚热带季风气候，气候温和，雨量充沛．根据常熟水文站1956～2002年的雨量数据，多年平均降雨量为1 052.7 mm，枫桥站数据，多年平均水面蒸发量为927.1 mm．常熟市水资源包括地表径流量、降雨入渗补给量和长江侧向补给量，多年平均水资源总量为55 147.3万m3．城区水系由放射形河道和环状河道组成，环形河有环城河、护城河和东环河3条，放射形河道有南福山塘、横泾塘、青墩塘、元和塘、海洋泾、太平港、常浒河、耿泾、白茆塘、山前塘和辛安塘11条河道．常熟城区湖泊有尚湖、琴湖；昆承湖大部分水域不在城区，不做计算．尚湖属望虞河水系，为封闭式湖泊，湖区水域面积7.47 km2，平均水深2 m．琴湖地处常熟城区东南部，湖泊面积约为0.5 km2，是城市建成区水域面积最大的自然湖泊．常熟主城区绿化总面积11.88 km2．

3.1 常熟市城区生态环境需水量计算

参考苏州市拓展河流基本情况清查表中的数据，常熟城区河道底高程范围在-0.5～0.5 m(吴淞高程)之间，河道纵比降为10万分之一，边坡系数为1∶2．利用湿周法计算市区内14条主要河道的基础流量，由曼宁公式和谢才公式推导等腰梯形湿周P与流量Q之间的关系：

(21)

湿周与流量有着非常复杂的关系，为了求出湿周-流量关系的临界值，采用对数函数来拟合湿周-流量的关系．确定了湿周-流量关系以后，寻找湿周与流量关系的突变点，在突变点之上，流量的增加只能引起湿周较小的增大，并且第一个突变点对应的流量即为河道基础流量，基础流量总计183 494万m3．常熟多年年平均降水量大于年平均蒸发量，河湖年蒸发需水量为零，个别月份会有差别．常熟属平原河网地区，降水充足，土壤常年处于饱和状态，地下水位较高，可不考虑渗漏需水；依据当地水生植物情况调查，确定市区尚湖和琴湖的最小水深分别为1 m和0.8 m，湖泊自身存在需水量共806万m3．湖泊换水周期为1.25年，换水需水量为629万m3．常熟绿地生态环境需水量采用面积定额法计算，参考当地资料，按每平方米绿地每月用水2 L估算，常熟城区绿地生态环境需水量为28.5万m3．用于消耗或者置换的河湖蒸发需水量、湖泊换水需水量和绿地蒸散发生态环境需水量总计657.5万m3．常熟市城区生态环境需水量计算结果见表1．

表1 常熟市城区生态环境需水量

3.2 常熟市城区水质水量模型

参考常熟市水功能区的水质标准，选取CODMn和NH3-N为水质指标，按照水功能区标准，城区各河道生态需水标准为Ⅳ类，即CODMn和NH3-N的限值分别为10mg/L和1.5mg/L，河道本身CODMN浓度较低，满足生态需水的要求，大部分断面NH3-N的浓度高，不满足生态需水的要求．运用常熟市水利普查中的河道参数数据建立模型所需的河网文件和断面文件，利用常熟地区野外原型调水试验中城区断面(见图1)的实测水位、水量和水质数据建立模型所需的边界条件．

图1 检测断面位置图

所建水量水质模型需要率定与验证的参数有河床糙率系数和水质指标的降解系数．率定河道糙率时采用试错法，率定结果为：糙率系数n=0.01～0.03．监测断面实测、计算流量的比较见图2．水质模型参数进行参数估计验证，CODMn降解系数率定验证结果为0.08～0.15/d，NH3-N降解系数为0.08～0.2/d．监测断面水质变化过程计算结果与实测结果的比较见图3．通过分析可以看出，各监测断面模型计算与实测流量、水质变化过程较为吻合，满足精度要求．模型模拟计算在常熟市城区废水污水纳管截污后城区水环境的改变以及采用从海洋泾引20 m3/s、30 m3/s、40 m3/s补水流量对城区河道水质的改善效果．两种情况下CODMn、NH3-N的计算值(取部分代表断面值)见图4．

图2 流量监测与计算值对比图

图3 CODMN、NH3-N监测与计算值对比图

图4 在截污和引水情况下CODMN、NH3-N的改善效果图

全面截污后下，河道CODMn、NH3-N平均改善值分别为2.83 mg/L和3.34 mg/L，改善幅度分别为66.7%和64.5%．从海洋泾补水20 m3/s、30 m3/s、40 m3/s流量时，CODMn改善程度分别为30.3%、35.1%、42%；河道内NH3-N浓度超标严重，从海洋泾补水20 m3/s、30 m3/s、40 m3/s的流量时，NH3-N改善程度分别为19.7%、28%、36.7%．两种措施对于水质改善效果显著，但部分NH3-N依然未达标，应实现截污与引水相结合实现水质改善．

4 结 语

本文从城市生态环境需水的内涵、特征、分类及水质水量相结合出发，得出了城市生态环境需水量计算体系．以常熟市城区为例，计算该市城区生态环境需水量约为18.5亿m3，其中用于消耗或者置换的河湖蒸发需水量、湖泊换水需水量和绿地蒸散发生态需水量总计657.5万m3，并通过常熟市水质水量模型，研究了常熟市水质现状及在不同补水流量和全面截污下水环境的改善效果，从水量需求和水质保障两方面，研究了常熟市城区的生态环境需水量．为常熟市水资源配置做出基础性指导作用，以实现常熟市生态环境保护与经济发展相协调，走水资源可持续发展之路．

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