城市河道生态补水技术研究

李媛

（商洛市城区河道与灌区管理站，陕西商洛 726000）

1 引言

随着城市化进程的加快，城市河道面临着日益严重的水资源短缺、水污染和河道生态系统破坏等问题。因此，研究城市河道生态补水技术，对于解决城市水环境问题，维护河道生态平衡具有重要意义。王健等[1]人针对生态河道水资源质量差的问题，通过多级好氧强化除磷的化学净化技术来达到改善补水质量的目的，为城市河道的补水净化提供了技术支持。此外，李晓琳等[2]人为了提高永定河河流水量的稳定性，通过分析水文循环规律提出了一种新型生态补水技术。结果表明，该技术对现状条件下河道径流起到了积极作用。此次研究以SWAT（Soil and Water Assessment Tool）模型为出发点，通过数据分析和预测来指导一种新型生态补水技术，针对性地为保护和恢复河道生态系统的健康，改善河道水质状况提出解决方案。

2 城市河道生态补水技术现状及难点分析

现有的生态补水技术是利用植物、微生物等生物修复技术来提高河道水体的自净能力，保持水质的清洁和净化。例如，采用植物人工湿地技术、构建植物污泥体系等生态修复手段来改善河道水环境[3]。这些生态补水技术能够改善河道水体的水质和生态系统的服务功能，但是对水量的补充效果较弱。城市河道生态补水是指通过补充水源，改善城市河道的水质和水量，提升河道的生态环境。然而，实施城市河道生态补水也面临着一些难点和挑战。生态补水技术难点如图1所示。

图1 城市河道生态补水技术难点

第一，城市河道的生态补水需要充足的水源。在城市河道生态补水中，需要考虑从何处获取水源。如果直接引水自然河流或湖泊，可能会对原水体造成损害，甚至引发水资源争夺。

第二，城市河道生态补水需要处理水质问题。要有效改善河道水质，需要建立完善的污水处理系统，确保排放的水质符合标准。

第三，城市河道生态补水需要解决水资源分配问题。例如，一些地区可能面临缺水问题，而另一些地区则水资源充足。

第四，城市河道生态补水需要解决工程技术问题。河道的生态补水需要进行一系列的工程改造，包括引水工程、水处理工程、建设湿地等。

综上所述，城市河道生态补水面临着水源短缺、水质处理、水资源分配和工程技术等多个方面的难点。在研究实际需要和技术难点后，确定以水资源短缺和水资源分配为主要研究方向，进行相关补水技术的深入探索。

3 基于SWAT水文模型的生态补水技术

SWAT 是一种用于流域尺度水文模拟的模型，广泛用于分析和模拟水资源管理、土地利用变化对水文过程的影响。结合以上得出的城市河道生态补水四大难点，研究尝试以SWAT 分布式水文模型分别进行深入探索。SWAT 的结构图如图2 所示。

图2 SWAT模型结构图

由图2 可知，整个SWAT 模型可分为5 个子模型，包括蒸发蒸腾子模型、土壤水分平衡子模型、地表径流和地下径流子模型、植被生长子模型和水质子模型。蒸发蒸腾子模型用于模拟流域内蒸发蒸腾的过程，该模块考虑了植被覆盖率、土壤含水量、气象条件等因素对蒸发蒸腾过程的影响。土壤水分平衡子模型考虑了降水、蒸发蒸腾、径流、地下水等因素对土壤水分平衡的影响，从而模拟土壤水分的动态变化。地表径流和地下径流子模型考虑了地形、土壤类型、土地利用、降水等因素对径流的影响，并模拟了不同形式径流的生成和输送过程。植被生长子模型考虑了植被类型、气候条件、土壤水分等因素对植被生长的影响，从而模拟了流域内不同植被类型的生长情况。水质子模型用于模拟流域内水质的变化。该模块考虑了土地利用类型、管理措施、土壤侵蚀、溶解质输运等因素对水质的影响。

在以上各个子模型的基础上，SWAT 模型将各个过程以及其相互作用整合在一起，通过复杂的模型计算实现对流域尺度水文过程、水资源利用、土壤侵蚀和水质变化等综合的模拟和预测。结合以上对SWAT 模型的框架分析，研究利用Archis 系统搭载了SWAT 模型，通过数据驱动的方式进行补水方案策划，数据类型包括了来源于资源环境数据云平台的Grid 格式；精度为90 m×90 m 的高程数据；来源于环境规划院的Shape 格式1～5 级河流矢量图；来源于中华人民共和国自然资源部的Grid 格式；精度为1 km 的土地遥感检测数据；来源于中国气象数据国家气象信息中心的Txt 格式；精度为日尺度的气象同化数据等。其中，土地数据和土壤数据皆用于确定SWAT 模型的垫面条件，气象数据应用于河道流域的降水过程模拟，水文数据用于河道流域的水文模拟。

4 面向商洛市城市河道的SWAT 模型生态补水技术

4.1 地域概况

商洛市位于陕西省中西部，是一个历史文化名城。商洛市城区内有一条主要河道，即洛河，该河是商洛市的母亲河，也是商洛市城区的重要景观之一。洛河发源于商洛市山阳县南部的陈巴峪，流经山阳县、商州区和洛南县，最终在洛南县与渭河汇合。洛河全长约145.1 km，流域面积约2 182 km2。洛河河道在城区内呈弯曲状，沿途有多处景点和公园。针对以上数据背景，研究结合商洛市水利局2016—2021 年河流数据记录分别以水源短缺和水资源分配提出了地域性解决方案。

4.2 生态补水中水源短缺处理技术

由于商洛市城市化、气候变化和人类活动等因素，很多地方的河流水源面临减少。SWAT 模型下的生态补水水源短缺处理技术大致分7 步。

第一步为数据准备。收集商洛市所需的水文数据、气象数据、土地利用数据等，准备建立SWAT 模型所需的输入数据。这些数据将包括河流径流、地下水位、降雨、蒸发、植被覆盖、土壤类型等信息。

第二步，建立商洛市流域模型图和模型所需的汇水面和子汇水面，设置模型的参数，包括河流参数、土壤参数、植被参数等。

第三步，通过SWAT 模拟商洛市河道水资源状况，包括径流、蒸发蒸腾、地下水位等，以了解城市河道的供水状况。

第四步，利用SWAT 模型对水资源管理措施进行模拟，例如水库调度、灌溉管理、水源保护区划等。

第五步，选定合理的方案，结合SWAT 模型模拟的结果，制定适合商洛市的水资源管理政策，包括节约用水措施、水资源配置、水资源保护等措施。

第六步为方案评估，包括对水资源供需平衡、水质改善、生态系统恢复等方面进行评估，以确定最佳的水资源管理方案。

第七步为实施和监测，利用SWAT 模型对实施方案的效果进行监测和评估，随时调整和优化管理策略。

4.3 生态补水中水资源分配技术

城市河道生态补水中的水资源分配技术是为了合理配置水资源，以满足河道的生态需求，同时兼顾城市用水和农业灌溉等多重需求。结合SWAT 模型下的商洛市生态补水水资源分配技术同样大致分为7 步。

第一步为数据准备。收集商洛市城市河道水资源使用数据、水文数据、气象数据、土地利用数据等，作为建立SWAT 模型的输入数据。这些数据包括城市用水需求、水资源供需情况、河流流量、降雨量、蒸发等信息。

第二步为SWAT 模型建立。设置模型的参数，包括水资源分配参数、河流参数、土壤参数、植被参数等，以及模型的水文、气象、土地利用等输入数据。

第三步为模拟水资源分配。模拟河道的水文过程，包括径流、蒸发、地下水位等，了解城市河道的水资源分配情况。

第四步为水资源管理模拟。例如，模拟不同的水资源分配方案，包括水库蓄水调度、灌溉管理、城市供水管网管理等，以评估这些措施对城市河道水资源供需平衡的影响。

第五步～第七步与之前一致。

5 生态补水技术应用分析

研究首先从商洛市水利局收集了洛河以近5 年的相关数据。其年均径流量为10.52 m3/s、生态基流量3.21 m3/s、平均生态需水量9.998×107m3。以Archis 系统为基准模拟搭建了SWAT 测试平台，设置补水量参数为0.7。同时由于该河流的历年平均流量比例相差较大，为了统一标准进行测试，研究按每月灌溉和集中月份灌溉的时间分配模式，设置了4 种不同情况的补水方案。其中，方案1 为每月灌溉模式下的水源短缺处理技术；方案2 为集中月份灌溉下的水源短缺处理技术；方案3 为每月灌溉下的水资源分配技术；方案4 为集中月份灌溉下水资源分配技术。测试每种技术在补水前和补水后的河流径流量变化，结果如图3 所示。

图3 不同方案下的洛河补水径流量变化曲线

图3a 为方案1 下的洛河补水前后对比结果，图3b 为方案2 下的洛河补水前后对比结果，图3c 为方案3 下的洛河补水前后对比结果，图3d 为方案4 下的洛河补水前后对比结果。由图3 可知，整体而言，补水后的4 种方案中，方案4 的月均流量最高为9.4 m3/s，其次为方案1 的8.7 m3/s、方案3 的8.5 m3/s 和方案2 的7.6 m3/s。说明根据洛河的枯水季和旺水季进行合理的水资源分配是十分可行的，同时每月使用水资源短缺技术来对洛河水流进行引入和引出，对于其月平均径流量也是有一定改善的。

综上所述，水资源短缺技术适合每月灌溉模式，而水资源分配技术适合集中月份灌溉模式，无论哪种模式和技术都利于商洛市洛河的河道生态保护和水资源利用补给。

6 结语

随着城市的快速发展，河道生态环境也面临诸多挑战，如水质污染、河道水量不足等。鉴于此，本文在分析现有河道补水技术的现状和难点后，通过SWAT 水文模型针对性提出了商洛市洛河的两大补水技术。结果表明，本文提出的水资源短缺技术适合每月灌溉模式，此时的洛河月平均流量为8.7 m3/s；水资源分配技术适合集中月份灌溉模式，此时的洛河月平均流量为9.4 m3/s，相较于补水前的河道水量起伏变化更趋于稳定。综上所述，本文提出的补水技术对商洛市城市河道水量有明显的改善效果。然而洛河涉及的流域水系较多，区域较大，为了增强实验结果的完整性，后续研究可沿该方向继续探索。