重庆市盘溪河生态需水量初探

刘亭役

(1.重庆市市政设计研究院有限公司,重庆 400030；2.重庆市海绵城市建设工程技术研究中心,重庆 400030)

1 引言

近年来，我国洪涝灾害频发，作为应对策略，国家提出了海绵城市建设发展战略。海绵城市建设与黑臭水体整治有着十分紧密的关系，“水体不黑臭”是海绵城市建设的主要目标之一。黑臭水体整治是已建成区海绵城市建设的突破口和推进的重要抓手，且黑臭水体整治中的面源污染削减可以通过海绵城市建设实现[1]。

生态补水是黑臭水体主要整治技术之一。生态需水量的确定对于实现流域水环境合理开发、配置及维持河流生态健康具有重要意义，其计算结果可为河流生态补水量的确定提供科学依据。河流生态需水为维持河流生物群落稳定和可再生维持的栖息地的环境需水量。河流生态需水分为生物栖息地需水、维持河床形态需水、水质需水、景观娱乐需水等类[2]。本文对海绵城市建设中城区河流生态需水量的计算方法进行了探讨与研究，并计算了重庆主城区黑臭水体盘溪河的生态需水量。

2 盘溪河流域概况及径流量计算

2.1 盘溪河流域概况

盘溪河为嘉陵江一级支流，全长16.7 km。盘溪河河床平均比降1.41%。盘溪河流域排水分区西靠嘉陵江，北以照母山为界，西接盘溪大道，东接新牌坊、嘉州片区。流域排水分区纵跨江北、渝北、两江新区，总流域排水分区面积为29.68 km2。根据渝北区气象站气象资料统计，盘溪河多年平均年降雨量为1150 mm，多年平均年蒸发量为664.0 mm。盘溪河流域示意图见图1。

图1 盘溪河流域示意

2.2 盘溪河径流量计算

采用径流系数法推求多年平均径流总量，计算公式如式(1)所示[3]。

W=1000CPF

(1)

式(1)中：W为研究流域的多年平均径流总量，m3；C为研究流域的径流系数，主要受研究流域的地形、平均坡度、地表植被情况及土壤特性等的影响。P为研究流域的多年平均降雨量，mm；F为研究流域的集水面积，km2。

根据盘溪河流域排水分区土地利用情况，盘溪河流域年径流系数C为0.512。由(1)式计算得出盘溪河多年平均年径流总量为1.748×107m3/a。

3 盘溪河生态需水量计算

河流生态需水包括基本生态需水、自净需水等，通过对生态需水的内涵进行分析，可建立盘溪河生态需水量计算模型如式(2)所示[4]。

W=max{Wa，Wb}+Wc

(2)

式(2)中：W为河流生态需水量，m3;Wa为河流基本生态需水量，m3;Wb为河流自净需水量，m3;Wc为河流蒸发渗漏需水量，m3。

3.1 基本生态需水

河流生态需水计算方法包括水文学法、水力学法、生境法、综合法、环境功能设定法法等。水文学法是依赖历史河流流量等水文数据估算生态需水的方法，其使用简单、方便，不用进行现场监测，能反映年平均流量相同的季节性河流和非季节性河流的差别，可以在生态资料缺乏且拥有长期水文数据河流的地区使用。其中代表性的方法为蒙大拿法、最小月平均径流法。

3.1.1 蒙大拿法(Tennant Method)

蒙大拿法以河流历史流量为基础，建立了河流流量和河流生态环境状况之间的关系，其采用年平均天然径流量的百分比作为推荐生态流量，设有8个不同等级，推荐的流量标准分为一般用水期、鱼类产卵育幼期，具体见表1[5]。对水生生物群落来说，10%的平均流量是推荐的支撑短期生存栖息地的最小瞬时流量。因此，以多年平均年径流量的10%作为河道基本生态需水量，则得出基本需水量为1.748×106m3/a。

表1 河内流量与河流生态环境状况关系

3.1.2 最小月平均径流法

最小月平均径流法以维持河流的基本生态环境功能不受破坏，如不出现断流为基础，以河流最小月平均实测径流量的多年平均值作为推荐的河流生态需水量，计算公式如式(3)所示[6]。

(3)

式(3)中Wjl为河道内基本生态需水量，亿m3;Qimin为第i年实测最小月平均径流量，m3/s;T为换算系数，其值为31.536×106s;n为统计年数。

由(3)式计算得出Wjl为1.234×106m3/a。

综上，分别采用蒙大拿法、最小月平均径流法计算基本生态需水量，取其较大值作为盘溪河基本生态需水量，即1.748×106m3/a。

3.2 自净需水

与国外河流不同，我国河流污染问题十分突出，对于大多数河流，如何解决污染问题是当务之急。水质净化是盘溪河黑臭水体整治工作的技术要点，其关键点为确定自净需水量。以水质为约束的水质需水应根据污染负荷，计算达到水质目标所需要的水量，此需要的水量为自净需水量。盘溪河流域河流、湖泊等水体交错连接，假设污染物在河段内均匀混合，采用河流零维模型，根据现状污染物总负荷与目标污染物总负荷的差值计算盘溪河流域的自净需水量，见式(4)～(7)[7]。海绵城市建设中，一方面，针对河流本身采取排污口截流的方式控制点源污染，削减点源污染负荷；另一方面，通过下沉式绿地、透水铺装等低影响开发设施改造下垫面，削减进入河流的面源污染负荷。本研究选择了3种典型情况分别进行自净需水量计算，计算结果如图2所示。情境1：城市按传统模式开发后，河道沿程现有排污口不截流，且不控制面源污染。情境2：河道沿程现有排污口全部截流，不控制面源污染。情境3：城市按海绵城市理念开发后，河道沿程现有排污口全部截流，通过海绵措施控制面源污染。由《重庆市主城区海绵城市专项规划》可知，盘溪河流域按海绵城市理念开发后的面源污染削减率为45.18%。

选择化学需氧量(COD)、氨氮(NH3-N)和总磷(TP)为盘溪河环境需水量计算的主要控制污染物，分别计算使该三项污染物达到V类水质标准的稀释水量，取其最大值。在3个情境下的自净需水量如表2、图2所示，其中，COD达到《地表水环境质量标准》(GB3838)V类的所需自净需水量最大。

图2 盘溪河不同污染物的自净需水量

P1=η3.65NFp

(4)

P=P1+P2

(5)

Wi=P/Ci

(6)

Wc=max{WCOD，WNH3-N,WTP}

(7)

式(4)～(7)中P为现状年污染负荷，t/a;P1为点源污染负荷，t/a;N为城镇居民常住人口，单位：万人;η为排污比，指直接排入河湖的污水占生活污水量的比例，取10%;FP为城镇居民生活污水或污染物排放系数，其中污水量系数单位：L/d·人，污染物系数单位：g/人·d，参考《第一次全国污染源普查城镇生活源产排污系数手册》确定污水量及污染物系数，见表2。

表2 污染物排放系数

P2为面源污染负荷，t/a，通过不同下垫面产生的径流量和径流污染物浓度计算得出，面源污染参数见表3[8～13];Ci为污染物允许浓度，mg/L;Wi为第i种污染物达到规划水质目标所需水量，m3;Wc为河流自净需水量，m3。

表3 重庆地区雨水径流污染物指标

3.3 蒸发渗漏需水

盘溪河流域水体面积约0.817 km2，多年平均年蒸发量为664.0 mm，即每年蒸发需水量为544068 m3/a。流域渗漏量取全流域多年水量的1.5%[14]，即盘溪河流域渗漏量为223300 m3/a。由此得到盘溪河流域蒸发渗漏需水量为767368 m3/a。

根据以上分析、计算，得到盘溪河生态需水量计算结果如表4所示。从表4可以看出，盘溪河生态需水量与排入河流的污染负荷有关，城市按海绵城市理念开发后，点源及面源污染得到控制，盘溪河流域生态需水量为1.297×107m3/a，小于城市按传统模式开发后的生态需水量。

表4 盘溪河生态需水量计算表

4 结论

本文对海绵城市建设中城区河流生态需水量的计算方法进行了探讨与研究。通过建立盘溪河生态需水量的计算模型，计算了盘溪河流域的生态需水量，主要考虑了河流基本生态需水、自净需水及蒸发渗漏需水。城市按海绵城市理念开发后，点源及面源污染得到控制，盘溪河生态需水量为1.297×107m3/a，小于城市按传统模式开发后的生态需水量。