石定球

(上海市政工程設(shè)計(jì)研究總院集團(tuán)第六設(shè)計(jì)院有限公司，安徽 合肥 230031)

水是一座城市的歷史，是財(cái)富，是資源，是文明素質(zhì)和文化底蘊(yùn)的象征。離開了水，城市就沒有靈氣、沒有活力。隨著城市社會經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，工農(nóng)業(yè)點(diǎn)面源污染、工業(yè)及生活污水的排放、垃圾傾倒等，入河排污量呈增加趨勢，同時由于水系缺乏溝通，導(dǎo)致城市內(nèi)水生態(tài)系統(tǒng)脆弱[1]，水環(huán)境惡化，城市水景觀、水文化遭受破壞，急需改善城市水系水質(zhì)狀況。目前改善城市水系水質(zhì)的主要措施有：點(diǎn)源治理工程、面源治理工程、內(nèi)源治理工程、生態(tài)修復(fù)和活水補(bǔ)水工程等[2]，其中活水補(bǔ)水工程是水系水質(zhì)改善的保障，也是短期內(nèi)比較有效的措施。城市水系補(bǔ)水主要以外源補(bǔ)水為主，有自流補(bǔ)水和提水補(bǔ)水2種措施，在自流補(bǔ)水無法實(shí)現(xiàn)或無法得到保障時，城市補(bǔ)水以提水補(bǔ)水為主。

目前國內(nèi)泵站研究主要在排水、供水和灌溉3個方面，有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，其泵站規(guī)模的確定有相應(yīng)的規(guī)范，而城市補(bǔ)水泵站由于受城市景觀用水、河道生態(tài)需水等多方面因素的影響，需綜合考慮確定。本文分別從水景觀、水生態(tài)、水環(huán)境3方面的要求分析小南河補(bǔ)水泵站規(guī)模確定的幾種常用方法。

1 工程概況

三河鎮(zhèn)位于合肥市肥西縣東南部，地處合肥、六安2市交界處，北臨豐樂河，東南濱杭埠河與廬江縣隔河相望，西與舒城縣杭埠大圩接壤，東面是2河的退建堤段。三河鎮(zhèn)因豐樂河、杭埠河、小南河3水流貫其間而得名，鎮(zhèn)區(qū)建成區(qū)面積4.71km2，現(xiàn)狀水面積0.512km2，現(xiàn)狀水面率10.87%，鎮(zhèn)區(qū)遠(yuǎn)期規(guī)劃水面率為12.0%。

目前三河鎮(zhèn)補(bǔ)水主要通過小南河南閘從杭埠河補(bǔ)水，由于受外河水位變幅影響，外河水位較低時不能滿足鎮(zhèn)區(qū)景觀水位要求，為滿足鎮(zhèn)區(qū)5A級景區(qū)要求，同時結(jié)合鎮(zhèn)區(qū)防洪治理工程，小南河南閘拆除重建，重建后采用穿堤箱涵的形式，與小南河補(bǔ)水站合建，能滿足鎮(zhèn)區(qū)自流補(bǔ)水和提水補(bǔ)水雙重要求。

2 補(bǔ)水泵站計(jì)算方法

小南河補(bǔ)水泵站的新建能夠滿足鎮(zhèn)區(qū)水景觀、水環(huán)境和水生態(tài)的要求，分別從水景觀、水環(huán)境和河道水生態(tài)等3方面進(jìn)行泵站規(guī)模分析。

2.1 水景觀

以一定周期內(nèi)鎮(zhèn)區(qū)水體蒸發(fā)、滲漏和市政用水等水體損失量為鎮(zhèn)區(qū)補(bǔ)水水量，以此確定補(bǔ)水泵站的規(guī)模。

工程區(qū)域多年平均蒸發(fā)量為1040mm，多年平均日蒸發(fā)量2.85mm，考慮工程區(qū)域總體地勢相對較低，滲漏損失相對較小，參考工程周邊水文站的觀測資料，滲漏損失取1mm/d，水體每天的蒸發(fā)滲漏水量損失約2176m3，鎮(zhèn)區(qū)澆灑道路和綠地等市政用水日用水量約為3000m3，根據(jù)工程區(qū)域降雨規(guī)律和景觀要求，按15d補(bǔ)水一次，補(bǔ)水量為7.764萬m3(水位降低約0.2m)，補(bǔ)水開機(jī)運(yùn)行時間取10h，補(bǔ)水泵站設(shè)計(jì)流量為2.16m3/s。

2.2 水環(huán)境

由于鎮(zhèn)區(qū)地勢較低，水體無法自流排出，水體流動性較差，水體自凈能力和水質(zhì)維持能力下降，同時鎮(zhèn)區(qū)匯水范圍內(nèi)還有富光廠等工農(nóng)產(chǎn)業(yè)，鎮(zhèn)區(qū)水體存在受污染風(fēng)險(xiǎn)，水體易出現(xiàn)富營養(yǎng)化等現(xiàn)象，需對水體水質(zhì)進(jìn)行治理，同時鎮(zhèn)區(qū)還無法做到真正的雨污分流，目前國內(nèi)較多利用水體的納污稀釋功能緩解河道內(nèi)水環(huán)境，通過補(bǔ)水的方式增加水環(huán)境容量[3]。

水體稀釋是指廢水排入水體后，使其逐漸與數(shù)十倍、數(shù)百倍的天然水相混合，廢水中污染物質(zhì)濃度隨之降低，水質(zhì)逐步獲得改善[4]。河道需水量的確定通過河道污水稀釋水量法計(jì)算，由排入河道內(nèi)的污水通過河道自身的自凈能力稀釋受污染的水體，達(dá)到擬定的水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，河道稀釋水量一般為受污水量的20倍左右。三河鎮(zhèn)現(xiàn)有一座自來水廠，日供水6200t，根據(jù)國內(nèi)給排水專業(yè)相關(guān)規(guī)劃和行業(yè)調(diào)查數(shù)據(jù)，區(qū)域產(chǎn)生污水量基本為供水量的70%左右，即本區(qū)域污水量約為4340t/d，鎮(zhèn)區(qū)水體水質(zhì)恢復(fù)正常，用于稀釋污水的水量為8.68萬t，按10h完成一次水體的稀釋，補(bǔ)水流量為2.41m3/s。

2.3 水生態(tài)

河流生態(tài)需水計(jì)算方法包括水文學(xué)法、水力學(xué)法、棲息地評價法、整體分析法[3]，棲息地評價法主要用生態(tài)保護(hù)目標(biāo)為確定的物種及其棲息地，整體分析法適用于流域整體的生態(tài)需水評估，目前工程中河流生態(tài)需水量計(jì)算應(yīng)用較多的有蒙大拿法(水文學(xué)法)和濕周法(水力學(xué)法)。

2.3.1 蒙大拿法

蒙大拿法通過建立河流流量與水生生物、河流景觀及娛樂之間的關(guān)系，確定河道某斷面的生態(tài)需水量，可以在生態(tài)資料缺乏的地區(qū)使用。工程區(qū)域水資源相對豐沛，根據(jù)Tennant法將全年分為2個計(jì)算時段，非汛期和汛期生態(tài)環(huán)境流量分別占同時段多年年均天然流量的20%、40%[5]。工程區(qū)域多年平均降雨量為1010mm，多年平均徑流深為455mm，工程區(qū)域匯水面積6.39km2，多年平均徑流量為290.7萬m3，徑流的年內(nèi)變化與流域降雨的時空變化基本一致，地區(qū)汛期降雨量約占全年降雨量的80%以上，非汛期不到20%，汛期河道生態(tài)環(huán)境蓄水量為93.02萬m3，非汛期河道生態(tài)環(huán)境蓄水量為11.63萬m3，汛期日平均生態(tài)需水流量為0.06m3/s，非汛期日平均生態(tài)需水流量為0.01m3/s。

根據(jù)工程區(qū)域降雨特性，河道生態(tài)補(bǔ)水主要在非汛期，同時考慮工程區(qū)域?qū)俾糜尉皡^(qū)，按汛期要求確定生態(tài)需水量，按15d補(bǔ)水一次，補(bǔ)水量為7.78萬m3，補(bǔ)水開機(jī)運(yùn)行時間取10h，補(bǔ)水泵站設(shè)計(jì)流量為2.16m3/s。

2.3.2 濕周法

濕周法利用濕周作為衡量棲息指標(biāo)的質(zhì)量，來估算河道內(nèi)流量的最小值，適用于河流橫截面較復(fù)雜的自然河道。該法假設(shè)濕周與水生生物棲息地的有效性有直接聯(lián)系，保證一定水生生物棲息地的濕周，也就滿足了水生生物正常生存的要求[3]。選取工程區(qū)域河道典型斷面，建立流量-濕周關(guān)系曲線，如圖1所示。根據(jù)關(guān)系曲線確定變化點(diǎn)的位置，估算河道最小生態(tài)流量，從而可知河道生態(tài)需水流量為2.40m3/s。

圖1 小南河濕周流量關(guān)系示意圖

2.4 成果比較

以上幾種計(jì)算方法，水量損失法和蒙大拿法計(jì)算成果基本相等，水體稀釋法(也稱“水環(huán)境容量法”)和濕周法成果基本相等，幾種方法計(jì)算成果總體相差不大。除濕周法，其他幾種方法與補(bǔ)水時間有密切的關(guān)系，補(bǔ)水流量與補(bǔ)水時間呈反比關(guān)系，補(bǔ)水時間與區(qū)域景觀、河道生態(tài)需水等需求相關(guān)。

水量損失法適用范圍相對較廣，河流、湖泊、濕地等水系都能應(yīng)用，該方法計(jì)算相對簡單，主要考慮水量的損失，可運(yùn)用于工程前期策劃階段，該方法可通過加入天然來水量，運(yùn)用水量平衡法分析計(jì)算。具有簡單快速的特點(diǎn)，同時需加入相關(guān)影響因素，提高成果的精度。

表1 小南河補(bǔ)水站不同計(jì)算方法補(bǔ)水流量統(tǒng)計(jì)成果

水體稀釋法是針對水環(huán)境污染相對嚴(yán)重狀況的，通過將水體水量和水質(zhì)保護(hù)結(jié)合，主要適用于水質(zhì)受污染風(fēng)險(xiǎn)較大的水體。該方法是通過污染排放濃度確定補(bǔ)水規(guī)模，由于水體中污染因子較多，污染物濃度各不相同，水體稀釋系數(shù)[5]為綜合值，其確定相對較復(fù)雜。

蒙大拿法和濕周法主要用于滿足河道基本生態(tài)需水[6]要求，主要適用于維持河流生物多樣性、水體自凈功能、疏通河道、維持河床形態(tài)等生態(tài)保護(hù)目標(biāo)的河湖。蒙大拿法對河流的實(shí)際情況作了過分簡化的處理，沒有直接考慮生物的需求和生物間的相互影響，只能在優(yōu)先度不高的河段使用，或者作為其他方法的一種粗略檢驗(yàn)，是一種相對粗略的方法。濕周法受河道形狀影響較大，適用于河床形狀穩(wěn)定的寬淺矩形和拋物線型河道，要求河床形狀穩(wěn)定，對于“V”字型等濕周～流量曲線增長變化點(diǎn)表現(xiàn)不明顯的河道不適用。

3 結(jié)語

通過以上幾種方法優(yōu)缺點(diǎn)的比較分析，水量損失法和蒙大拿法可作為區(qū)域和流域等較大范圍的宏觀研究手段，但需要對相關(guān)影響因子進(jìn)一步細(xì)化，而三河鎮(zhèn)鎮(zhèn)區(qū)內(nèi)匯水范圍相對較小，水量損失法和蒙大拿法計(jì)算精度相對不高。水體稀釋法適用于現(xiàn)狀三河鎮(zhèn)需水量研究，隨著鎮(zhèn)區(qū)水環(huán)境狀況的改善，需進(jìn)一步改進(jìn)。現(xiàn)狀三河鎮(zhèn)河床基本穩(wěn)定，河道基本為梯形斷面或復(fù)式斷面，濕周法能較好的適用鎮(zhèn)區(qū)水量分析計(jì)算。