許 彬

(上海市政工程設(shè)計(jì)研究總院(集團(tuán))有限公司合肥分公司，合肥 230031)

0 引 言

合肥市多年平均水資源總量為38.85億m3，現(xiàn)狀人均水資源量僅為474m3，僅為全省的47%，全國的23%，屬于嚴(yán)重缺水城市。隨著合肥都市圈發(fā)展和長三角一體化推進(jìn)，城區(qū)人口和高新產(chǎn)業(yè)快速集聚，對水資源需求量日益增加，受天然來水不足影響，水源性缺水問題日益嚴(yán)峻，干旱年份生活、生產(chǎn)和生態(tài)用水難以保障。

合肥市城區(qū)南淝河、十五里河、二十埠河等大部分河道除降雨外基本都來自區(qū)域外淠河灌區(qū)和杭埠河灌區(qū)經(jīng)滁河干渠的調(diào)水，補(bǔ)水水源較為單一，一旦遭遇大旱河道補(bǔ)水將難以保障，引發(fā)生態(tài)環(huán)境問題。由于清潔水源不足和生態(tài)基流減少，目前合肥市主要河流水質(zhì)為V類或劣V類，受河湖污染制約，水質(zhì)型缺水問題日益突出。為實(shí)現(xiàn)水資源可持續(xù)利用，支撐經(jīng)濟(jì)社會高質(zhì)量發(fā)展，維系生態(tài)環(huán)境良性循環(huán)提供水利保障，解決日益突出的用水矛盾，明確城市河道的生態(tài)需水量，需做好城市河道的水量分配工作。

目前合肥市城市河道存在水量小、水質(zhì)差、生態(tài)環(huán)境功能喪失的現(xiàn)象，水資源供需矛盾日益尖銳，水環(huán)境污染問題日益嚴(yán)重，水生態(tài)破壞影響日益突出。面對嚴(yán)峻的水資源、水環(huán)境與水生態(tài)問題，要求實(shí)行最嚴(yán)格水資源管理制度，確立水資源開發(fā)利用控制、用水效率控制和水功能區(qū)限制納污“三條紅線”和用水總量控制、用水效率控制制度、水功能區(qū)限制納污制度、水資源管理責(zé)任和考核制度“四項(xiàng)制度”。

河流生態(tài)環(huán)境問題愈加凸顯，水資源合理分配與生態(tài)保護(hù)日漸成為突出的水問題，人們開始對生態(tài)需水有了更多的重視，生態(tài)需水需求在河流生態(tài)系統(tǒng)中愈加重要。城市河道在進(jìn)行水量分配工作時，既要滿足河道生態(tài)基本流量的要求，也要保證河道水質(zhì)改善目標(biāo)的要求。實(shí)現(xiàn)城市河道“水清、岸綠、景美、河暢”的目標(biāo)[1]。

1 生態(tài)需水量概念

生態(tài)需水量是指一個流域內(nèi)的生態(tài)系統(tǒng)的需水量。生態(tài)需水量是指維持區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)和諧穩(wěn)定和良性循環(huán)，并能最大發(fā)揮其有益功能使其提供最大生態(tài)服務(wù)，達(dá)到生態(tài)平衡，并在單位生態(tài)用水提供最大生態(tài)服務(wù)條件下所需要消耗的最小水量。

生態(tài)需水量概念分為廣義和狹義。廣義的生態(tài)需水量是指河道內(nèi)的生態(tài)系統(tǒng)達(dá)到生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定或者維持生態(tài)系統(tǒng)各種能量交換穩(wěn)定所需要的河道內(nèi)最小水量，主要為滿足河道生態(tài)基流、蒸發(fā)滲漏以及活水等方面的要求，狹義的生態(tài)需水量是指為維護(hù)生態(tài)環(huán)境各項(xiàng)功能所需要的水資源總量。

生態(tài)需水量的計(jì)算依賴于不同的邊界條件：①河道內(nèi)最優(yōu)的生態(tài)系統(tǒng)組合；②最優(yōu)的地下水補(bǔ)給；③用水最低的生態(tài)系統(tǒng)；④維持水生系統(tǒng)的平衡；⑤滿足流域生態(tài)系統(tǒng)良性循環(huán)的需要；⑥有不同水文年型和年內(nèi)季節(jié)的變化?；谝陨锨疤釛l件，計(jì)算生態(tài)系統(tǒng)需水量，進(jìn)行生態(tài)需水的水資源優(yōu)化配置。

2 生態(tài)需水量計(jì)算

河湖生態(tài)環(huán)境需水為維系城市河流等水生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與功能，河道內(nèi)所需要的符合水質(zhì)要求的生態(tài)流量、生態(tài)流速和生態(tài)水深。河湖生態(tài)環(huán)境需水包括河道內(nèi)生態(tài)環(huán)境需水和河道外生態(tài)環(huán)境需水，城區(qū)河道只考慮河道內(nèi)的生態(tài)需水，河道內(nèi)生態(tài)需水分為基本需水量和目標(biāo)需水量。基本需水量系指維持河湖基本形態(tài)、生物基本棲息地和基本自凈能力的需水量及過程所需要的最小需水量，主要為河道內(nèi)的生態(tài)基流和蒸發(fā)滲流。目標(biāo)需水量是指為了維持河道水質(zhì)目標(biāo)、親水功能以及景觀目標(biāo)等要求所需要的最大需水量。

河道內(nèi)生態(tài)需水量需滿足水量和水質(zhì)兩個方面的要求，包括消耗性需水量和非消耗性需水量兩部分。其中消耗性需水量主要包括滲漏需水量與水面蒸發(fā)量，非消耗性需水量主要指為維持水體的生態(tài)環(huán)境功能而需要預(yù)留的水量[2]。

城市河道內(nèi)生態(tài)環(huán)境需水包括：維持河流控制斷面生態(tài)環(huán)境用水最小水量(生態(tài)基流)、河流水面蒸發(fā)需水量、河流滲漏需水量以及公園水體的環(huán)境改善水量等。

2.1 生態(tài)基流

生態(tài)基流可采用QP法、Tennant法等方法計(jì)算，Tennant法在計(jì)算河道生態(tài)需水量方面具有操作簡單、所需資料易得等特點(diǎn)，因而在國內(nèi)具有較廣泛的應(yīng)用。合肥市現(xiàn)狀已建成較為完備的調(diào)控設(shè)施及防洪體系，工程調(diào)控能力較強(qiáng)，生態(tài)流量計(jì)算可以采用Tennant法[3]。

Tennant法通過建立河流多年平均流量與河道內(nèi)動植物、生態(tài)流速、生態(tài)水深及景觀親水要求之間的關(guān)系，確定城市河道控制斷面的生態(tài)需水量。河流控制斷面的生態(tài)需水量的計(jì)算，應(yīng)根據(jù)河流生態(tài)環(huán)境功能所期望的河道內(nèi)生態(tài)狀態(tài)，確定相應(yīng)生態(tài)狀態(tài)下年內(nèi)非汛期和汛期生態(tài)流量占多年平均徑流量的百分比。河道多年平均徑流量根據(jù)1968-2020年降雨實(shí)測資料，結(jié)合降雨徑流關(guān)系，計(jì)算河道多年平均徑流量。合肥市年降雨量統(tǒng)計(jì)表，見圖1；合肥市年徑流深統(tǒng)計(jì)表，見圖2。

圖1 合肥市年降雨量統(tǒng)計(jì)表

圖2 合肥市年徑流深統(tǒng)計(jì)表

合肥市位于中國南北分界線以南區(qū)域，地處亞熱帶濕潤季風(fēng)氣候區(qū)，汛期時間為5-9月，非汛期時間為10-4月。合肥市現(xiàn)狀河流水資源短缺，用水較為緊張，考慮到巢湖流域生態(tài)保護(hù)目標(biāo)要求，合肥市生態(tài)基流標(biāo)準(zhǔn)分級為河道內(nèi)生態(tài)狀況“良好”。根據(jù)Tennant法推薦流量表，按照汛期時段平均流量的40%和非汛期時段平均流量的20%進(jìn)行生態(tài)基流計(jì)算[4]，Tennant法推薦流量表，見表1。

表1 Tennant法推薦流量表

2.2 蒸發(fā)滲漏量

生態(tài)環(huán)境用水量除滿足河道生態(tài)基流外，還應(yīng)保證河道蒸發(fā)滲漏等消耗性水量。根據(jù)合肥市水資源綜合規(guī)劃，合肥市多年平均蒸發(fā)量為900mm，滲漏量為500mm，根據(jù)河湖生態(tài)環(huán)境功能目標(biāo)，確定河湖生態(tài)水位，根據(jù)生態(tài)水位對應(yīng)的水面面積、水面蒸發(fā)量和滲漏量計(jì)算蒸發(fā)滲漏損失水量。

2.3 公園景觀水體環(huán)境改善量

公園景觀水體生態(tài)環(huán)境需水量按照環(huán)境改善水量需求進(jìn)行計(jì)算。根據(jù)合肥市再生水利用現(xiàn)狀，結(jié)合合肥市再生水利用規(guī)劃和公園景觀水體活水要求，公園景觀水體主要按照換水法進(jìn)行計(jì)算，換水次數(shù)1a為12次，換水平均水深約為1m。

3 生態(tài)需水量水源分析

3.1 城市再生水水源

根據(jù)安徽省水利廳發(fā)布的“2025年用水總量和用水效率控制指標(biāo)”，合肥市2025年城鄉(xiāng)生活及工業(yè)用水總量指標(biāo)為13.54億m3，實(shí)際使用量按總量指標(biāo)的90%計(jì)算，為12.19億m3。根據(jù)污水排放系數(shù)和地下水入滲量，預(yù)測2025年合肥市域污水處理總量為11.39億m3，日均處理規(guī)模約為312.16萬m3/d，再生水水源水量充足。

合肥市位于巢湖流域，為保證巢湖流域水質(zhì)，合肥市現(xiàn)狀污水廠出水水質(zhì)基本可達(dá)到類Ⅳ類水標(biāo)準(zhǔn)，水質(zhì)良好，合肥市區(qū)內(nèi)現(xiàn)狀污水處理廠均勻分布在河道沿線，較為均勻的分布在不同流域，污水處理廠尾水可就近排入城區(qū)河道，無需再設(shè)置輸配水管網(wǎng)，量大質(zhì)優(yōu)的再生水水源補(bǔ)給缺少生態(tài)基流的河道條件優(yōu)越[5]。

3.2 地表水水源

現(xiàn)狀合肥市中心城區(qū)生活供水水源主要靠內(nèi)部董鋪水庫等水庫蓄水和外部大別山引調(diào)水共同保障，其中本地水庫蓄水水源配置量約1億m3/a，大別山引調(diào)水水源配置量約5億m3/a，為滿足合肥市“十四五”時期發(fā)展，需要新增優(yōu)質(zhì)供水總量約1.5-2.0億m3/a。合肥市地表水資源供需較為緊張，河湖生態(tài)補(bǔ)水需要優(yōu)先配置再生水，保障合肥市經(jīng)濟(jì)社會可持續(xù)發(fā)展。

4 生態(tài)需水量配置

再生水水源作為河湖補(bǔ)水，需要按照河道中上游分別進(jìn)行配置。結(jié)合河道水環(huán)境功能區(qū)、水質(zhì)目標(biāo)、支流匯入口以及蓄水工程等分段進(jìn)行補(bǔ)水，優(yōu)先考慮河道上游補(bǔ)水，合理確定河道的最優(yōu)補(bǔ)水位置，通過蓄水工程等措施，實(shí)現(xiàn)整段河道的水動力。在合理分段并計(jì)算各河段生態(tài)需水量后，結(jié)合沿河污水處理廠的現(xiàn)況規(guī)模及遠(yuǎn)期規(guī)劃規(guī)模、已建的再生水回用工程，同時考慮一定支流的水量匯入，對各河段接納的水量進(jìn)行核算。

對于生態(tài)需水的河段，根據(jù)計(jì)算的最小生態(tài)需水量，將流域內(nèi)所有污水處理廠的尾水進(jìn)行調(diào)配，資源型缺水城市在優(yōu)先滿足工業(yè)回用和市政雜用后，剩余水量作為河湖生態(tài)環(huán)境用水。根據(jù)分配的生態(tài)環(huán)境水量，通過現(xiàn)場調(diào)研并結(jié)合大建設(shè)計(jì)劃確定管道路由的可行性，完善補(bǔ)水的輸配水設(shè)施。經(jīng)分析計(jì)算，合肥市河湖生態(tài)環(huán)境補(bǔ)水總規(guī)模為68.32萬m3/d，合肥市河湖生態(tài)環(huán)境需水規(guī)模表，見表2。

表2 合肥市河湖生態(tài)環(huán)境需水規(guī)模表

5 生態(tài)需水工程評價指標(biāo)

生態(tài)需水量評價指標(biāo)應(yīng)具有代表性，能夠獨(dú)立計(jì)算出較為穩(wěn)定的量化數(shù)值，并能夠真實(shí)反映生態(tài)補(bǔ)水后對水量、水質(zhì)和生態(tài)環(huán)境的影響效果，評價指標(biāo)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)應(yīng)較為明確且易獲取，方便計(jì)算和分析比較。

生態(tài)需水量增加河道水資源總量，改善河道水環(huán)境，構(gòu)建河道水生態(tài)，主要從水量、水質(zhì)和生態(tài)進(jìn)行評價，主要評價指標(biāo)包括生態(tài)補(bǔ)水量、水質(zhì)改善度、生態(tài)環(huán)境[6]。

5.1 生態(tài)補(bǔ)水量規(guī)模

河道生態(tài)補(bǔ)水量指標(biāo)應(yīng)按照黑臭水體治理考核的相關(guān)要求，河道內(nèi)基本生態(tài)環(huán)境需水量不低于生態(tài)基流，目標(biāo)生態(tài)環(huán)境需水量不能超過生態(tài)基流的2倍，逐步恢復(fù)河道生態(tài)環(huán)境。

5.2 生態(tài)補(bǔ)水量比例

生態(tài)補(bǔ)水量系數(shù)按照實(shí)際補(bǔ)水量與計(jì)算補(bǔ)水量的比值進(jìn)行計(jì)算，通過不同生態(tài)補(bǔ)水量對河道內(nèi)生態(tài)環(huán)境的影響來研究最適宜的的生態(tài)補(bǔ)水量規(guī)模。

5.3 最小換水周期

換水周期是指水體更換一次所需要的時間和周期，換水周期越小，換水次數(shù)越多，水動力條件越好，水體的自凈能力越好，換水周期可反應(yīng)河流的水動力條件，但頻繁的換水可能導(dǎo)致水資源的利用率的降低，通過不同的換水周期對河道生態(tài)的影響，研究河道最優(yōu)的換水周期[7]。

5.4 水質(zhì)改善百分比

水質(zhì)改善指標(biāo)是從河道內(nèi)不同段水質(zhì)指標(biāo)來反映，通過對不同河段的水質(zhì)進(jìn)行監(jiān)測，對比補(bǔ)水前的各項(xiàng)水質(zhì)指標(biāo)，分析水質(zhì)指標(biāo)改善的河段長度和面積占河湖總長度和面積的百分比，研究不同百分比下河流環(huán)境所需要的生態(tài)補(bǔ)水量，并結(jié)合補(bǔ)水的成本進(jìn)行經(jīng)濟(jì)效益比選，選擇水質(zhì)改善好，補(bǔ)水量最小的作為最優(yōu)補(bǔ)水量。

6 結(jié)論和建議

1)分析生態(tài)補(bǔ)水對河道水生態(tài)、水環(huán)境和水動力影響，從水文、水力、水質(zhì)角度提出了多個評價指標(biāo)體系，分析比選多指標(biāo)體系下分析生態(tài)補(bǔ)水方案對水環(huán)境的改善效果，為城市河道最優(yōu)生態(tài)補(bǔ)水方案提供理論依據(jù)。

2)指標(biāo)體系亦可用作不同生態(tài)補(bǔ)水模擬方案間的對比分析，選擇水環(huán)境改善效果佳、經(jīng)濟(jì)合理者作為實(shí)際應(yīng)用方案，合肥市目前生態(tài)補(bǔ)水工程暫未實(shí)施，本次只進(jìn)行需求分析，補(bǔ)水工程運(yùn)行后通過模型分析河網(wǎng)生態(tài)補(bǔ)水對河流水量、水環(huán)境的影響，結(jié)合構(gòu)建評價體系，通過水量水質(zhì)耦合模型分析最優(yōu)補(bǔ)水量與調(diào)度方案。

3)河道生態(tài)需水應(yīng)根據(jù)近遠(yuǎn)期水質(zhì)目標(biāo)和水功能區(qū)劃，保障近期水質(zhì)目標(biāo)要求，預(yù)留遠(yuǎn)期需水量。

4)生態(tài)補(bǔ)水應(yīng)系統(tǒng)考慮，統(tǒng)籌推進(jìn)，優(yōu)先實(shí)施缺水嚴(yán)重，急需改善的河道水體。

5)生態(tài)補(bǔ)水水源應(yīng)從經(jīng)濟(jì)、技術(shù)上進(jìn)行充分論證，確保補(bǔ)水水源的水量和水質(zhì)穩(wěn)定。