宜昌沙河河道整治引水水源及环境需水量研究

李海东，尹倩瑜，游立新

(中交第二航务工程勘察设计院有限公司，武汉 430060)

河道引水主要是通过重力流或压力流将水源地水引至需要改善水质的河流或湖泊等水体的过程。通过引水可以改善既有河道的水体流动性，增加水体活力，提高水体对污染物的稀释、降解能力，同时对维持河道生态系统健康[1]、应急情况下水质改善等均具有重要作用。

宜昌市沙河为城市内河，河流长度约4.5 km，流域面积12.7 km2，是黄柏河左岸支流，汇入黄柏河口处距葛洲坝三江上引航道约1.25 km。由于受下游葛洲坝库区水位顶托作用，沙河水体流速慢，河道淤积严重，同时周边污水、废水、生活垃圾的随意排放使沙河水体发黑、发臭，现状水质超过《地表水环境质量标准》(GB3838-2002)中Ⅴ类标准，河流生态环境功能基本丧失，成为宜昌市城市内河黑臭水体之一，严重影响周边居民的生活。

根据宜昌市城市总体规划、宜昌市十三五环境保护规划要求，宜昌市政府提出对沙河及周边进行环境综合整治工程。工程包括截污、河道治理、污水厂提标改造、生态修复和引水工程等内容，整治目标是近期2020年提升至Ⅴ类，远期2030年达到Ⅳ类水质，并构建良好的生态系统，消除沙河水体黑臭现象。

影响城市地区生态引水效果的主要因素包括引水水量、引水水质、工程实施难度、引水布局和调度方案等[2]。以宜昌市沙河河道综合整治中引水工程设计为例，从水量、水质、管道布局等对水源的选择进行分析研究，并在分析目前国内外河道环境需水量计算方法基础上，基于河道水质控制因子，选择环境功能设定法和稳态水质模型法对河道引水量进行计算，从而提出环境需水量指标。

1 沙河引水工程概况

沙河引水工程位于湖北省宜昌市西陵区境内，主要目标是实施引清水入河，增加沙河河道水体的流动性，提升水体自净能力，降低雨季面源污染对水质的影响，维持河道基本生态用水功能需求，远期实现沙河水质指标不低于地表Ⅳ类标准。

1.1 沙河水文条件

沙河属典型的山区性河流，受流域气候影响较大，年内流量分配极为不均。沙河河道平均坡降约8%，上游来水在枯水期、平水期流量约为0.05～1.32 m3/s，在洪水期流量约为0.1～3.5 m3/s。沙河水位变化与葛洲坝坝前水位基本同步，平水期水位实测为63.46～64.53 m，枯水期水位实测为63.43～64.58 m。沙河来水主要是上游部分支流降雨、沙河沿岸的污水处理厂尾水、部分城市排水管道溢流污水及下游黄柏河回水等，基本无连续补给水源。

1.2 引水必要性

沙河综合整治工程对沙河周边排污口进行了截污，有效截留和控制了入河点源，但沙河周边仍存在部分农田、城市道路等，地面径流排入沙河水域，同时因雨季部分合流制排水管道污水会溢流至沙河，影响沙河水质的稳定性，为保证沙河综合整治工程实施后效果需同步实施引水工程。

引水工程的实施一方面可改善河道水文条件、增强水体流动性[3]，降低雨季面源污染，为生态修复工程的水生植物群落、水生动物群落提供良好的生长和繁殖环境，维护水体生态功能；另一方面也可以保证沙河河道正常水位条件，提供亲水空间，提升沿岸居民的生活幸福指数。

2 沙河引水水源研究

引水水源的选择关系到河流水质的改善程度和日常运行费用等，需综合考虑水源地的水量、水质和引水管线布置等因素确定。

2.1 水源地和水量

图1 宜昌沙河周边水系分布图Fig.1 Shahe river and nearby river system distribution in Yichang

沙河水域上游的河流和水库主要有黄柏河、运河、官庄河及上述河流上游的汤家渡水库、梅子垭水库和官庄水库等水体。沙河周边水系分布见图1。

沙河周边丰富的水资源为沙河引水提供了良好的水源条件，综合周边水系分布、引水工程管线投资等因素，水源的选择优先考虑上游分布的水库、河流。上游汤家渡、官庄等水库距离沙河最近约20 km，最远甚至达40 km左右，虽然水库水质较好，但存在引水管道长、投资费用高等问题。黄柏河和运河分别位于上述水库的下游，水质和水库水质接近，同时引水距离可控制在距沙河3 km以内，管道投资费用低，因此重点对黄柏河和运河两条河流作为引水水源进行详细比较研究。

黄柏河为长江支流，发源于夷陵区黑良山，于葛洲坝电厂大坝上游注入长江，多年平均径流量8.95亿m3；运河为人工开挖半自然性河流，上起汤渡河水库，流经夷陵区、西陵区、宜昌高新区和伍家岗区等四个辖区，下至万寿桥长江入口。根据长江三峡水文水资源勘测局黄柏河历年(1935～2016)水文资料和2016～2017年运河实测水文数据，黄柏河和运河水文参数见表1。

表1 引水水源地水文参数Tab.1 Hydrological parameters of water source region

根据沙河现状流量及整治后的库容(约80万m3)，运河和黄柏河水体流量均远大于沙河河道径流量及库容容量，可满足引水总量需求。但运河下游建有东山电站，每年的12月到1月电站检修期间，对运河流量有一定限制，会对引水带来不同程度的影响。

2.2 水质对比分析

水源地河流的水质决定了对河流水体水质改善作用的大小，同时也决定了引水量的多少，因此水源地的水质分析是引水工程中水源选择的必要条件之一。

表2 《地表水环境质量标准》(GB3838-2002)Tab.2 Environmental quality standards for surface water mg/L

根据宜昌市2014～2016年黄柏河、运河水质例行监测数据，黄柏河(黄柏河大桥断面)水质监测指标基本满足《地表水环境质量标准》(GB3838-2002)Ⅲ类标准，但不同月份氨氮等部分指标超过Ⅲ类标准，BOD5接近Ⅴ类标准；运河(石板村断面)水质总体较好，水体BOD5、COD、NH3-N等指标均优于《地表水环境质量标准》(GB3838-2002)Ⅲ类标准，部分指标满足Ⅱ类标准要求。为进一步确定黄柏河、运河水质对引水工程的影响，2017年对沙河下游沙河入黄柏河口上下游、运河水质进行了实测。其中黄柏河水质监测断面位于黄柏河大桥例行监测断面下游约1.5 km，沙河入黄柏河口上游500 m；运河水质监测断面和例行监测断面一致，补充监测可以较好反映上述两个河流水质现状，特别是引水点附近河流水质。《地表水环境质量标准》(GB3838-2002)中Ⅱ、Ⅲ和Ⅳ类标准值见表2。

黄柏河、运河水质指标与沙河目标水质对比情况见表3。

表3 水源地河流水质现状及目标值Tab.3 Status and target values of water source river mg/L

由表3对比可知，运河水质要优于黄柏河水质。根据河道引水需求，针对河道控制特征污染因子COD、氨氮，黄柏河虽然大部分水质因子指标满足引水要求，但因个别月份超标，若从黄柏河引水易造成水质累积影响。而运河水质不存在超标叠加影响问题，总体水质较好。

因此，从水质角度分析，运河引水能更好满足工程需要。

2.3 引水管线布置

引水管线布置主要考虑水源地和目标水体之间地形条件、城市规划布局特别是道路布局等因素，确定引水管线长度、供水方式和铺设路径。黄柏河位于目标水体下游，水位高程低于沙河，根据现状地形和道路情况，需沿沙河驳岸新建供水管道，并设提升泵房至沙河引水点，引水管道约3.22 km，管道投资费用较高。

而运河位因位于沙河上游，结合上游地形特点和城市规划布局，管道可采用沿现有高压走廊和城市规划道路布设，并且可以采用重力流进行水力输送，管道长度约3.24 km，虽然较黄柏河引水略长，但工程费用低，从工程投资角度远远优于从黄柏河取水。

2.4 水源比选结果

综合考虑黄柏河、运河水源地水量、水质和引水管道投资等因素，选择运河作为引水水源。

3 环境需水量计算

河道环境需水量主要是满足河流系统特定的生态与环境功能(如输沙、防污、景观娱乐等)而消耗的水量，包括防止河道断流、湖库萎缩所需要的河道基流量、维持河流输沙平衡的最小流动水量和改善江河水环境质量的最小稀释净化水量等[4]。20世纪90年代，Gleick明确了基本生态需水量的概念[5]。根据Tharme[6]总结数据，截止2003年全球已有44个国家进行河流环境需水量计算研究，方法超过200种，大致分为水文学法、水力学法、生境模拟法及整体分析法等[7-10]。国外河道环境需水研究更侧重于河道生态系统的完整性，考虑河流生态系统可以接受的流量变化[7]。综合相关研究成果，河道环境需水量的计算主要考虑河道的具体需求，采用水力、综合、环境功能设定、水质模型等方法进行。

环境需水量是一个变量，受季节、气候、植被、土地利用等多种因素的影响，影响城市河道环境需水量的主要因素是排污量、蒸发量以及地表径流量[11-12]。沙河位于长江中上游，由宜昌降雨条件分析，蒸发量影响较小，环境需水量计算可忽略蒸发带来等影响，重点考虑排污量和地表径流汇入量。河流自净需水量的主要功能是保持水体具有一定的稀释能力和自净能力[13]，从水质模型角度出发，河道环境需水量考虑提高河流稀释和自净能力作为主要环境功能进行计算[14-16]。

根据沙河整治后水文及环境污染特征，影响沙河水质的主要因素是河道水体流动性差、污染物稀释降解能力低、雨季面源污染和合流制管道点源溢流等。沙河因位于三峡库区范围，受下游长江一级支流黄柏河水文顶托作用，河道具备一定的水库特征，因此将沙河作为一个闭合水体，采用环境功能设定法计算环境需水量。同时考虑沙河为城市内河，还具有一定河流特征，同时周边有集中雨水口、城市雨污合流制管道溢流口等点源排放，计算采取稳态水质模型法进一步确定合理的引水量指标。

根据《宜昌市环境总体规划(2013～2030年)》，沙河水体功能主要是娱乐用水，执行《地表水环境质量标准》(BG3838-2002)Ⅳ类标准。沙河综合整治后河道水质考核指标主要是化学需氧量(COD)、生化需氧量(BOD5)、氨氮(NH3-N)、总磷(TP)，为保证沙河整治后河道具有一定的环境容量，可以吸纳、消解周边面源、点源污染物，环境需水量的计算按满足远期水质控制目标要求确定水环境容量计算控制指标，并作为河道内水质控制目标值。

3.1 引水量计算

3.1.1 环境功能设定法

根据河流水质保护标准和入河污染物的排放量及排放浓度，计算满足河流稀释、自净等环境功能所需水量。沙河水质达到目标水质标准时可容纳的初期雨水量计算见如下公式

(1)

V3=q·Ψ·F·t

(2)

式中：V1为河道库容，m3；C1为沙河本底浓度，mg/L；V2为点源污染量，m3；C2为点源污染物浓度，mg/L；V3为计算降雨量，m3；C3为初期雨水污染物浓度，mg/L；C为目标水质浓度，mg/L。q为计算降雨强度，mm/h；Ψ为径流系数；F为汇水面积，km2，沙河流域汇水面积2 km2；t为初期雨水的降雨历时，取20 min。

当初期雨水的降雨强度Q高于计算降雨强度q时，初期雨水中污染负荷将超过水体的自净能力，考虑引水进行调节，河道环境需水量计算公式如下

(3)

(4)

3.1.2 稳态水质模型法

确定各计算河段污染物入河量，运用河流均匀混合模型计算河段满足水环境功能区水质保护目标要求的最小需水量[17]。计算中以河流的每一个排污口为河段分界线，将河流概化为多个河段，污染物允许排放量计算方法如下

Wi=CS·(Q0+qi)-C0·Q0·exp-Kxi/u

(5)

式中：Wi为河段i污染物允许排放量；CS为从某断面流出的污染物浓度必须满足的水环境质量标准，mg/L；Q0为上游来水流量，m3/s；qi为河段i污水流量，m3/s；C0为上游来水中的污染物浓度，mg/L；K为污染物衰减系数，d-1；xi为河段i混合过程段长度，m；u为无水体平均流速。

应用稳态水质模型，重点考虑面源污染、内源污染、沙河综合整治工程的影响，对整个沙河河段，计算工程实施后年总允许纳污量

W=流出的污染物量-∑(点源污染+面源污染+内源污染)+引水污染物削减量
W4=V4·(C-C4)

(6)

式中：W4为引水削减的年污染物量，t；V4为河道环境需水量，m3。

3.2 引水量计算结果

3.2.1 水质参数确定

表4 水体控制因子目标值Tab.4 Target values of controlling parameter in water body

沙河河道整治后总容量约80万m3，水质目标按远期达到《地表水环境质量标准》(BG3838-2002)Ⅳ类水质目标。引水量计算考虑引水实施后水体具备一定的环境容量设定各水质因子控制目标值，下游流出沙河水体浓度按考核目标地表水Ⅳ类标准预留10%余量，具体指标见表4。

表5 引水及点源污染因子参数值Tab.5 Reference values of pollution parameter for water diversion and point source

以运河作为引水水源地，引水水质标准按照Ⅱ类控制，水质指标见表4。沙河截污后，尚有6个雨污合流管道，取单日溢流量作为点源污染量，并按照雨季点源污染的10%作为入河污染物量，面源根据沙河所在区域历年降雨数据，取沙河汇水面积一次最大降雨初期径流的25%进行计算，污染物浓度参照上海市城市初期雨水实测污染物浓度，见表5。

按照环境功能设定法，根据沙河区域年均降雨数据统计，沙河所在西陵区降雨强度超过10.3 mm/h且两场雨之间的时间间隔超过24 h的降雨共有10次，据此计算10次降雨强度下的生态需水总量。

3.2.2 引水量计算结果

两种方法计算的不同预测因子环境需水量结果见表6，按环境功能设定法计算最大环境需水量225万m3/年，按稳态水质模型法计算最大需水量330万m3/年。

表6 环境需水量计算结果表Tab.6 Calculation results of environmental water demand

注：*表示不需要引水。

3.3 计算结果分析

根据沙河综合整治水体目标，2020年以前消除水体黑臭，主要水质指标达到V类水标准；2026年以前，主要水质指标达到Ⅳ类水标准。为维护沙河河道生态功能，保证污染控制因子满足标准要求，所需要的总引水量为330万m3/年，综合考虑管线及日引水量需求，确定最大引水流量为12万m3/d。

对上述计算结果分析表明，采用环境功能设定法计算引水量，影响预测结果的主要因子是生化需氧量、化学需氧量和氨氮；而采用稳态水质模型法计算引水量，主要影响因子为总磷和氨氮，不同预测因子的选取对引水量指标计算影响差异较大。

根据沙河引水量计算研究结果，在确定河道引水量计算方法时应根据河道特征、功能需求、考核指标要求等，尽量选择多种方法、多项水质控制因子进行预测计算，以确定合理的环境需水量指标。

4 结论

(1)河道引水可最大限度改善河流水流形态、增加城市内河水体活力和污染物对稀释降解的能力，改善河流水质，是城市内河黑臭水体治理中重要措施之一。

(2)河道引水水源的选择应综合考虑河流周边水系分布情况，从水源地水量、水质等方面进行综合论证，确定最佳水源地。水源选择时应关注引水河流季节性变化、控制性工程、城市供水等因素对水量的影响。引水管线布设应尽量结合城市规划布局、优先采用重力流方式以降低引水工程造价。

(3)河流环境需水量的计算应根据河流水文特征、环境功能需求、水质目标和污染状况，考虑不同预测水质因子对引水量的影响综合确定。对以改善河流水质、提升生态环境功能为主的兼具湖库和河流特征的城市内河，可采用环境功能设定法和稳态水质模型法等进行计算比较，确定最佳引水水量。

(4)对受城市面源、合流制排污口溢流等影响的内河河道，可根据年度降雨强度及影响程度，综合考虑河流的考核指标和引水指标，合理确定补水量和补水周期，从而保证河道水环境质量。

(5)建议对引水河道设置水质在线监测系统以便实时了解河道水质现状情况，并优化引水配水方案，做到合理引水，增加对水资源的合理利用。在上游引水水源水量充足情况下，可加强日常连续生态补水，提高水体活力和稀释、自净能力，提高河道环境容量，降低引水量。