再生水补给城市河道的生态服务价值预测

李 莉

(上海市水务规划设计研究院，上海 200232)

1 研究背景

河流是城市生态空间的重要组成部分，针对天然水资源禀赋较差的地区，在城市环境中建造生态景观河流存在相当的难度，因此合理规划水系布局、调节水资源配置、改善水质情况是支撑生态文明城市建设的重要举措之一[1]。缺水地区受水量条件制约往往需要通过向河流补水来满足水系规划对水面率或生态基流的要求，生态补水工程作为改善水量水质条件的重要措施，在国内外均有不少成功的案例[2]。近年来再生水也逐渐成为河流补水的重要水源之一，但由于再生水的水量和成本制约，有必要对规划阶段水系的再生水补水效果进行模拟与评价，量化再生水用于河道补水所创造的价值，以表征其对环境带来的正面效益。

20世纪70年代以来，国内外关于生态系统服务价值、水生态系统评价等方面的研究进展显著[3-4]。从性质上可分为功能评价和服务价值评价两个范畴，前者指系统本身具有的能力和属性，后者则强调以人类为主体获得的福利，前者为后者存在的基础。在服务价值评价的范畴内，联合国于2003年发布千年生态系统评估报告，将生态服务定义为人类从生态系统中获得的产品和服务[5]，包括支持、供给、调节和文化服务4类，该方法形成了至今广泛认可并使用的生态系统服务价值评价框架。价值评价的重点在于其量化方法，现有的主流方法有实物量、价值量(货币)、能值这三类量化媒介[6-7]。

由于规划阶段数据的稀缺性，本研究通过将生态系统服务价值评价理论体系与规划水系模型相耦合的方法，以模型模拟结果作为评价的数据基础，利用替代工程法、市场价值法等货币化方法预测不同再生水补水量条件下河流能为人类社会提供的服务价值，并以某城市规划待建水系为案例开展应用研究，预测得到一定的响应关系，为规划方案的可行性提供一定的科学依据。由于河流生态服务价值评价旨在关注水系规划方案实施后可能对人类社会提供的潜在价值，因此可用于进一步区分不同方案间的差异并进行趋势性分析，同时赋予河流这一类自然资源更具象直观的价值意义。

2 研究方法

2.1 案例区概况

本研究选取的案例区位于我国北方缺水地区，处于规划改建阶段的某城市，相关规划正在编制中。案例区总面积约为200km2，地势低洼平坦，规划新建河道共二十余条，总长度约144.2 km，呈纵横交错的环状河网布局。天然河流的消落导致规划中的水系多为非天然的人工河道，需从零开挖与修建，且现状下垫面仍以农田耕地、村镇建筑等为主，在此条件下新建人工水系并期望恢复河流的生态特性、营造良好的景观效果不仅在规划上具有较高的不确定性，在实际工程上也缺乏完整可靠的方案。因此急需对不同补水条件下的水量水质响应情况进行预测模拟，为营造良好的生态景观水系提供技术支撑。由于案例区内水量水质条件的限制，因此考虑采用再生水、雨水、上游来水等多水源补水的形式来维持常时水量，其中再生水为优先考虑的水源，规划由8座新建再生水厂供给。

2.2 河道模型构建

2.2.1 模型简介

本研究选用DHI公司的水环境模型软件Mike Hydro River来模拟案例区水系的水动力水质演变过程，涉及RR降雨径流、HD水动力和ECO lab水质共3个模块。其中，水动力模块采用隐式差分法求解一维非恒定流圣维南方程组，输出河道流量、水深、流速等结果；水质模块考虑污染物的稀释扩散及大气复氧、有机物降解、硝化/反硝化等生化反应过程。

2.2.2 计算条件与输入数据

模型的边界条件涉及水量和水质两方面，本研究的输入数据主要来源于案例区2019年的初步规划方案和历史30年的气象、水文 、水质资料以及城市统计年鉴等，由于实测数据稀缺，部分数据通过查阅标准或华北相似地区的经验值作为参考。

2.2.2.1 水量边界：上游来水和再生水均以点源的形式输入模型。通过分析上游天然河流的历史流量数据，设上游来水水量为0.5 m3/s；再生水水量分配参照案例区再生水厂规划出水规模和回用于河道的比例，规划补水总量为2 000万m3/a，补水时间均简化为连续式补水的形式；由于案例区水系下游最终汇入受纳水体B，故下游边界采用该水体的实际历史监测数据。降雨径流以分布式面源的形式加入模型，通过统计分析近30年的逐日降雨序列，选取2002、2009、2008年作为枯、平、丰水年，用运动波法进行模拟。考虑案例区用地类型和海绵城市建设要求，将不同水文年的年径流总量控制率分别设为80%、75%、70%。通过对比不同水文年的模拟结果，分析得知降雨径流在经过控制措施后对案例区河道的整体影响较小，因此在后续模拟中以相对最不利的枯水年作为基础背景进行模拟，不再对不同水文年做讨论。除此以外，蒸发量参考临近气象站的逐日统计数据；河道下渗量结合当地地质资料中的含水层岩性和土质类型，参考不同土壤的经验渗透系数，取下渗系数为0.005 m/d。

2.2.2.2 水质边界：模型中水质变量包括生化需氧量、氨氮、总氮、总磷和溶解氧，污染源包括点源和径流面源。再生水的水质输入负荷参考各类排放标准中的限值并从严选择，包括《再生水水质标准》(SL 368-2006)、《地表水环境质量标准》(GB 3838-2002)、《北京市水污染综合排放标准》(DB 11/ 307-2013)；雨水径流污染物浓度参考同省相近区域的监测数据，LID设施对径流污染物的削减率设为50%；外部水质边界则分别参考上游天然河流和下游受纳水体的历史水质监测数据。

2.3 再生水补水量方案设计

初步规划中，再生水向水系的补水总量为2 000万m3/a，由于模型模拟结果表明该规划补水量无法支撑水系整体达到较为健康的水平，因此在该基础上合理增加补水量，通过模拟若干高补水量的情景，来分析补水量的增加对提升河流生态服务价值的作用和相互关系。由于8座规划新建再生水厂的出水总量约为9 205万m3/ a，扣除供给市政杂用的水量后，剩余可利用量为6 085万m3/ a。故在规划补水量的基础上，设计2倍、3倍补水量情景，作为现阶段再生水可供给水系的最高补水量限值；另外，为了充分了解上升趋势，增加10倍补水量情景作为极端情景进行分析。规划共设4处补水点，将不同补水量情景下分配至各个点的流量输入折算为均值后参见表1。

表1 补水量情景方案设计

2.4 评价指标体系

国内对于水生态服务的研究中，较具有代表性的是欧阳志云等人所建立的理论体系以及由此延伸出的对于河流、水库、湖泊、沼泽的分类评价方法[8]。本研究参考现有的评价框架[9-10]，以规划待建的景观生态河流作为评价对象，识别其主要功能与潜在服务价值类型，对指标进行重新筛选，主要原则包括：数据可得性、可量化性、必要性、相对独立性和完整性，最后得到共7项指标Bij(参见表2)。采用河流生态系统的服务价值总量B来描述服务价值评价指标的集成结果，B值越高，说明规划水系潜在的创造服务价值的潜力越高。计算公式如下：

B=∑Bij

Bij为各单项指标。

将指标体系应用于案例区评价时，计算各个单项指标所需的参数主要来源于案例区环境统计数据、相关国家标准、相近地区的研究经验或全球统计数据等[11～13]。

表2 案例区河流生态服务价值评价体系

续表2

3 结果与分析

3.1 河流生态服务价值计算结果

通过不同补水量情景下案例区水系的模型模拟结果，对其潜在生态服务价值进行计算，结果如表3所示，在规划补水量情景下，现阶段可计算的河流生态系统服务价值总量约为1.995亿元。补水量的增加可提升水系常态下对其水深和水面率等条件的维持能力，因此河流生态系统的服务价值总量将得到明显的提高。对不同补水量情景下的计算结果进行分析后，可见在规划补水量的基础上平均每增加1倍补水量可增加约0.4～0.5亿元的服务价值。

表3 不同补水量情景下河流潜在服务价值计算结果

3.2 河流生态服务价值占比分析

景观生态河流的生态服务价值类型主要涉及调节服务与文化服务两大类，分别对规划补水量和3倍补水量情景下不同服务价值指标的占比进行分析，如图1所示，可知气候调节、洪水调蓄和水量存贮始终是占比最高的前三位指标，在规划情景下分别占总量的43.2%、41.6%、15.0%；由于水量存贮和洪水调蓄都是针对水资源调节的指标，因此二者对补水量增加而产生的变化较为敏感，在3倍补水量情景下，气候调节、洪水调蓄和水量存贮的占比分别为56.4%、23.2%、20.1%。除此之外，文化服务对补水量变化的敏感性较低。

图1 案例区水系服务价值指标占比

3.3 河流生态服务价值与补水量的响应关系

对服务价值总量以及3个重要指标与再生水补水量的数值关系分别进行拟合，如图2所示，各指标曲线的拟合程度均较高，且案例区河流生态系统的服务价值总量与补水量有较好的正相关关系，充分说明再生水用于河道补水可以带来的正面价值，也为预测评估不同补水量条件下的服务价值总量提供了一定的依据。

图2 服务价值与补水量关系曲线

4 结 论

本文通过构建规划水系模型与生态服务价值评价相耦合的方法，为数据稀缺条件下的服务价值评价提供了数据基础，也通过对案例区规划河流生态系统服务价值与再生水补水量关系的分析得到了一定的响应关系。研究结果表明，在规划补水情景下案例区潜在的河流服务价值总量约为1.995亿元；其中气候调节、水量存贮和洪水调蓄是服务价值占比最高的前三位指标，同时也是受补水量影响最敏感的指标。补水量增加可使河流拥有更高的服务价值，并且随着各指标敏感性的差异其占比情况也会发生相应改变。案例区服务价值总量和关键指标对再生水补水量均具有较好的响应关系，在数据获得难度较大的情况下，可为规划补水量的调整提供一定的参考价值。