劉亭役

(1.重慶市市政設(shè)計(jì)研究院有限公司,重慶 400030；2.重慶市海綿城市建設(shè)工程技術(shù)研究中心,重慶 400030)

1 引言

近年來(lái)，我國(guó)洪澇災(zāi)害頻發(fā)，作為應(yīng)對(duì)策略，國(guó)家提出了海綿城市建設(shè)發(fā)展戰(zhàn)略。海綿城市建設(shè)與黑臭水體整治有著十分緊密的關(guān)系，“水體不黑臭”是海綿城市建設(shè)的主要目標(biāo)之一。黑臭水體整治是已建成區(qū)海綿城市建設(shè)的突破口和推進(jìn)的重要抓手，且黑臭水體整治中的面源污染削減可以通過(guò)海綿城市建設(shè)實(shí)現(xiàn)[1]。

生態(tài)補(bǔ)水是黑臭水體主要整治技術(shù)之一。生態(tài)需水量的確定對(duì)于實(shí)現(xiàn)流域水環(huán)境合理開(kāi)發(fā)、配置及維持河流生態(tài)健康具有重要意義，其計(jì)算結(jié)果可為河流生態(tài)補(bǔ)水量的確定提供科學(xué)依據(jù)。河流生態(tài)需水為維持河流生物群落穩(wěn)定和可再生維持的棲息地的環(huán)境需水量。河流生態(tài)需水分為生物棲息地需水、維持河床形態(tài)需水、水質(zhì)需水、景觀娛樂(lè)需水等類[2]。本文對(duì)海綿城市建設(shè)中城區(qū)河流生態(tài)需水量的計(jì)算方法進(jìn)行了探討與研究，并計(jì)算了重慶主城區(qū)黑臭水體盤(pán)溪河的生態(tài)需水量。

2 盤(pán)溪河流域概況及徑流量計(jì)算

2.1 盤(pán)溪河流域概況

盤(pán)溪河為嘉陵江一級(jí)支流，全長(zhǎng)16.7 km。盤(pán)溪河河床平均比降1.41%。盤(pán)溪河流域排水分區(qū)西靠嘉陵江，北以照母山為界，西接盤(pán)溪大道，東接新牌坊、嘉州片區(qū)。流域排水分區(qū)縱跨江北、渝北、兩江新區(qū)，總流域排水分區(qū)面積為29.68 km2。根據(jù)渝北區(qū)氣象站氣象資料統(tǒng)計(jì)，盤(pán)溪河多年平均年降雨量為1150 mm，多年平均年蒸發(fā)量為664.0 mm。盤(pán)溪河流域示意圖見(jiàn)圖1。

圖1 盤(pán)溪河流域示意

2.2 盤(pán)溪河徑流量計(jì)算

采用徑流系數(shù)法推求多年平均徑流總量，計(jì)算公式如式(1)所示[3]。

W=1000CPF

(1)

式(1)中：W為研究流域的多年平均徑流總量，m3；C為研究流域的徑流系數(shù)，主要受研究流域的地形、平均坡度、地表植被情況及土壤特性等的影響。P為研究流域的多年平均降雨量，mm；F為研究流域的集水面積，km2。

根據(jù)盤(pán)溪河流域排水分區(qū)土地利用情況，盤(pán)溪河流域年徑流系數(shù)C為0.512。由(1)式計(jì)算得出盤(pán)溪河多年平均年徑流總量為1.748×107m3/a。

3 盤(pán)溪河生態(tài)需水量計(jì)算

河流生態(tài)需水包括基本生態(tài)需水、自凈需水等，通過(guò)對(duì)生態(tài)需水的內(nèi)涵進(jìn)行分析，可建立盤(pán)溪河生態(tài)需水量計(jì)算模型如式(2)所示[4]。

W=max{Wa，Wb}+Wc

(2)

式(2)中：W為河流生態(tài)需水量，m3;Wa為河流基本生態(tài)需水量，m3;Wb為河流自凈需水量，m3;Wc為河流蒸發(fā)滲漏需水量，m3。

3.1 基本生態(tài)需水

河流生態(tài)需水計(jì)算方法包括水文學(xué)法、水力學(xué)法、生境法、綜合法、環(huán)境功能設(shè)定法法等。水文學(xué)法是依賴歷史河流流量等水文數(shù)據(jù)估算生態(tài)需水的方法，其使用簡(jiǎn)單、方便，不用進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)，能反映年平均流量相同的季節(jié)性河流和非季節(jié)性河流的差別，可以在生態(tài)資料缺乏且擁有長(zhǎng)期水文數(shù)據(jù)河流的地區(qū)使用。其中代表性的方法為蒙大拿法、最小月平均徑流法。

3.1.1 蒙大拿法(Tennant Method)

蒙大拿法以河流歷史流量為基礎(chǔ)，建立了河流流量和河流生態(tài)環(huán)境狀況之間的關(guān)系，其采用年平均天然徑流量的百分比作為推薦生態(tài)流量，設(shè)有8個(gè)不同等級(jí)，推薦的流量標(biāo)準(zhǔn)分為一般用水期、魚(yú)類產(chǎn)卵育幼期，具體見(jiàn)表1[5]。對(duì)水生生物群落來(lái)說(shuō)，10%的平均流量是推薦的支撐短期生存棲息地的最小瞬時(shí)流量。因此，以多年平均年徑流量的10%作為河道基本生態(tài)需水量，則得出基本需水量為1.748×106m3/a。

表1 河內(nèi)流量與河流生態(tài)環(huán)境狀況關(guān)系

3.1.2 最小月平均徑流法

最小月平均徑流法以維持河流的基本生態(tài)環(huán)境功能不受破壞，如不出現(xiàn)斷流為基礎(chǔ)，以河流最小月平均實(shí)測(cè)徑流量的多年平均值作為推薦的河流生態(tài)需水量，計(jì)算公式如式(3)所示[6]。

(3)

式(3)中Wjl為河道內(nèi)基本生態(tài)需水量，億m3;Qimin為第i年實(shí)測(cè)最小月平均徑流量，m3/s;T為換算系數(shù)，其值為31.536×106s;n為統(tǒng)計(jì)年數(shù)。

由(3)式計(jì)算得出Wjl為1.234×106m3/a。

綜上，分別采用蒙大拿法、最小月平均徑流法計(jì)算基本生態(tài)需水量，取其較大值作為盤(pán)溪河基本生態(tài)需水量，即1.748×106m3/a。

3.2 自凈需水

與國(guó)外河流不同，我國(guó)河流污染問(wèn)題十分突出，對(duì)于大多數(shù)河流，如何解決污染問(wèn)題是當(dāng)務(wù)之急。水質(zhì)凈化是盤(pán)溪河黑臭水體整治工作的技術(shù)要點(diǎn)，其關(guān)鍵點(diǎn)為確定自凈需水量。以水質(zhì)為約束的水質(zhì)需水應(yīng)根據(jù)污染負(fù)荷，計(jì)算達(dá)到水質(zhì)目標(biāo)所需要的水量，此需要的水量為自凈需水量。盤(pán)溪河流域河流、湖泊等水體交錯(cuò)連接，假設(shè)污染物在河段內(nèi)均勻混合，采用河流零維模型，根據(jù)現(xiàn)狀污染物總負(fù)荷與目標(biāo)污染物總負(fù)荷的差值計(jì)算盤(pán)溪河流域的自凈需水量，見(jiàn)式(4)～(7)[7]。海綿城市建設(shè)中，一方面，針對(duì)河流本身采取排污口截流的方式控制點(diǎn)源污染，削減點(diǎn)源污染負(fù)荷；另一方面，通過(guò)下沉式綠地、透水鋪裝等低影響開(kāi)發(fā)設(shè)施改造下墊面，削減進(jìn)入河流的面源污染負(fù)荷。本研究選擇了3種典型情況分別進(jìn)行自凈需水量計(jì)算，計(jì)算結(jié)果如圖2所示。情境1：城市按傳統(tǒng)模式開(kāi)發(fā)后，河道沿程現(xiàn)有排污口不截流，且不控制面源污染。情境2：河道沿程現(xiàn)有排污口全部截流，不控制面源污染。情境3：城市按海綿城市理念開(kāi)發(fā)后，河道沿程現(xiàn)有排污口全部截流，通過(guò)海綿措施控制面源污染。由《重慶市主城區(qū)海綿城市專項(xiàng)規(guī)劃》可知，盤(pán)溪河流域按海綿城市理念開(kāi)發(fā)后的面源污染削減率為45.18%。

選擇化學(xué)需氧量(COD)、氨氮(NH3-N)和總磷(TP)為盤(pán)溪河環(huán)境需水量計(jì)算的主要控制污染物，分別計(jì)算使該三項(xiàng)污染物達(dá)到V類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)的稀釋水量，取其最大值。在3個(gè)情境下的自凈需水量如表2、圖2所示，其中，COD達(dá)到《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB3838)V類的所需自凈需水量最大。

圖2 盤(pán)溪河不同污染物的自凈需水量

P1=η3.65NFp

(4)

P=P1+P2

(5)

Wi=P/Ci

(6)

Wc=max{WCOD，WNH3-N,WTP}

(7)

式(4)～(7)中P為現(xiàn)狀年污染負(fù)荷，t/a;P1為點(diǎn)源污染負(fù)荷，t/a;N為城鎮(zhèn)居民常住人口，單位：萬(wàn)人;η為排污比，指直接排入河湖的污水占生活污水量的比例，取10%;FP為城鎮(zhèn)居民生活污水或污染物排放系數(shù)，其中污水量系數(shù)單位：L/d·人，污染物系數(shù)單位：g/人·d，參考《第一次全國(guó)污染源普查城鎮(zhèn)生活源產(chǎn)排污系數(shù)手冊(cè)》確定污水量及污染物系數(shù)，見(jiàn)表2。

表2 污染物排放系數(shù)

P2為面源污染負(fù)荷，t/a，通過(guò)不同下墊面產(chǎn)生的徑流量和徑流污染物濃度計(jì)算得出，面源污染參數(shù)見(jiàn)表3[8～13];Ci為污染物允許濃度，mg/L;Wi為第i種污染物達(dá)到規(guī)劃水質(zhì)目標(biāo)所需水量，m3;Wc為河流自凈需水量，m3。

表3 重慶地區(qū)雨水徑流污染物指標(biāo)

3.3 蒸發(fā)滲漏需水

盤(pán)溪河流域水體面積約0.817 km2，多年平均年蒸發(fā)量為664.0 mm，即每年蒸發(fā)需水量為544068 m3/a。流域滲漏量取全流域多年水量的1.5%[14]，即盤(pán)溪河流域滲漏量為223300 m3/a。由此得到盤(pán)溪河流域蒸發(fā)滲漏需水量為767368 m3/a。

根據(jù)以上分析、計(jì)算，得到盤(pán)溪河生態(tài)需水量計(jì)算結(jié)果如表4所示。從表4可以看出，盤(pán)溪河生態(tài)需水量與排入河流的污染負(fù)荷有關(guān)，城市按海綿城市理念開(kāi)發(fā)后，點(diǎn)源及面源污染得到控制，盤(pán)溪河流域生態(tài)需水量為1.297×107m3/a，小于城市按傳統(tǒng)模式開(kāi)發(fā)后的生態(tài)需水量。

表4 盤(pán)溪河生態(tài)需水量計(jì)算表

4 結(jié)論

本文對(duì)海綿城市建設(shè)中城區(qū)河流生態(tài)需水量的計(jì)算方法進(jìn)行了探討與研究。通過(guò)建立盤(pán)溪河生態(tài)需水量的計(jì)算模型，計(jì)算了盤(pán)溪河流域的生態(tài)需水量，主要考慮了河流基本生態(tài)需水、自凈需水及蒸發(fā)滲漏需水。城市按海綿城市理念開(kāi)發(fā)后，點(diǎn)源及面源污染得到控制，盤(pán)溪河生態(tài)需水量為1.297×107m3/a，小于城市按傳統(tǒng)模式開(kāi)發(fā)后的生態(tài)需水量。