城市河道生态需水量探讨

王 凯，安航永

（华北水利水电大学，河南 郑州450011）

由于我国人口的增加和城镇化建设的快速发展，水资源短缺和水资源规划利用等问题越来越为世人重视。近50a来，我国在水资源开发利用中，重视工业、农业和生活用水，忽视了生态环境保护和生态环境建设对水资源的需求［1］，而城市水资源开发利用，同样只注重生产、生活用水，忽视生态环境用水，最终致使城市的河流成为排污河流［2］。针对城市生态环境不断遭到破坏，城市生态需水量严重不足等问题，田英［3］等人总结出两个主要原因：对城市生态环境需水认识不足以及缺乏相应的理论体系支持。因此，人们在进行城市规划建设时应同时考虑城市河道生态需水问题，加深对生态环境需水的认识，根据城市实际情况合理分配水资源，促进城市可持续发展。

1 城市河道生态需水

关于生态需水量的相关问题，国外在20世纪40年代就开始有所研究，提出了河流最小环境（或生物）流量的概念［4］，即维持河道功能不退化、特征水生生物物种能正常繁衍生息所必须维持的河道最小流量。随后又出现了最小可接受流量的研究［5－6］。Gleick［7］在1995年率先提出了生态需水的概念，构建了生态需水研究的理论框架。我国关于生态需水的研究起步较晚，20世纪80年代才由汤成奇［8］等人提出了“生态环境用水”的概念。但国内外学者研究对象大都是天然河道及其所属流域范围，以鱼类等水生物的栖息环境为限制条件得出的河道生态需水量，针对城市河道生态需水量的研究并不多，缺乏相应的理论与方法，城市河道生态需水量研究仍处于起步阶段。

要研究城市河道生态需水量首先应该了解城市生态环境需水量，即在一定时间和空间范围内，为维护城市生态环境发挥正常物质循环、能量流动和信息交换功能所需的水资源总量［9］。城市生态需水量按照生态系统分类包括城市绿地生态环境需水量、城市河道生态环境需水量、城市湖泊生态环境需水量和城市湿地生态环境需水量［10］。针对城市河道生态需水量郑冬燕［11］等提出：城市河道生态需水分为河道内需水和河道外需水两部分。本文所研究的城市河道生态需水可定义为河道内生态需水，而影响城市河道内生态需水量的主要因素有两个［12］：一个是河道生态系统本身的结构特征，如植被、空间格局等因素；另一个是生态环境的外界环境因子，如日照、蒸发等因素。以上诸多影响因素中，以外界对河道排污影响最大。本文研究对象为贾鲁河过郑州市段河道，该段河道的主要功能为城市排污，在资料收集和理论研究的基础上针对该段排污河道的特点，分析、计算了该段河道生态需水量。

2 贾鲁河城市河道生态需水研究

2．1 贾鲁河概况

贾鲁河是河南省境内除黄河以外最长、流域面积最广的河流。贾鲁河全长255．8km，发源于新密市，向东北流经郑州，最终至周口汇入沙颍河。贾鲁河是城市的主要排污河道，河道沿程生活污水排放量较大，污染严重，水质极差，无法满足灌溉、景观等用水需求。综合分析河道来水，流域内降雨量较少，支流、干流上有大量排污口向河道内排泄生活污水，在自然条件下无多余来水。考虑河道上游有尖岗水库，水库可以通过下泄基流的方式为下游河道提供生态用水。贾鲁河河道作为排污河道，基本没有河道携沙问题；河道内动植物稀少，动植物生态需水可忽略不计；因此贾鲁河城市河道生态需水量主要由稀释生活污水所需水量和河道蒸发量两部分组成。

2．2 河道生态需水量分析

2．2．1 排污量及污染物指标

针对排污河道的生态需水量计算，首先，应该明确河道内总排污量，河道内总排污量由河段自身排污量、支流排污量和沿程入汇河流的排污量组成，贾鲁河支流为贾鲁支河，沿程入汇河流有索须河、七里河、潮河、熊耳河、金水河、东风渠等，以上河流均设有不同数目的排污口，对其排污口数和排污量进行整理，结果见表1；其次，应明确污染物指标，污染物指标是影响水体水质的控制因素，水体根据水中污染物浓度分为I－V类，污染物浓度超过V类水的为劣V类。由于生活污水污染物浓度远超V类水，因此生活污水属劣V类水，水库引水为II类水，拟定稀释后河道内为IV类水。水中污染物指标对水质影响最大的是化学需氧量（COD）和氨氮（NH3－N）。对各类水的水质及污染物浓度进行整理，结果见表2。

表1 贾鲁河河道排污表

表2 水体污染物指标浓度 mg／L

2．2．2 河道生态需水量

研究表明影响水质的最主要因素是COD浓度。因此选取COD为主要控制污染物，计算河道生态需水量。在一定时间段内排入河道内的COD总量为生活污水中COD总量和降雨带入河道内的COD总量。其中，生活污水COD总量由生活污水总量乘以生活污水COD浓度得出，降雨COD总量采用美国Schueler在1987年美国NURP（国家城市径流污染物研究计划）中开发的一种计算模型［13］。

式中：Lt为t时段内径流排污量，kg；CF为用于对不产生地表径流的降雨进行校正的因子（产生径流的降雨事件占总降雨事件比例），一般取为0．9；φ为径流区平均径流系数；A为径流集雨面积，hm2；P为t时段的降雨量，mm；C为污染物的径流加权平均质量浓度，mg／L；0．01为单位换算因子；I为地表不透水率。

在计算生态需水量时，选取一个月时间为计算标准，按照以下公式，计算不同月份的生态需水量。

式中：Q为河道生态需水量，m3／s；Qe为水面蒸发量，m3／s；Q1为尖岗水库引水量，m3／s；E为蒸发量，mm；A为河道水面面积，m2；Q2为月平均排入河道的生活污水量，m3／s；Q3为月平均排入河道的降雨地表径流量，m3／s；C0为目标水COD质量浓度，mg／L；C1为引水COD质量浓度，mg／L；C2为生活污水COD质量浓度，mg／L；C3为降雨地表径流COD质量浓度，mg／L。

取1951—2008年月平均降雨、蒸发资料对贾鲁河河道生态需水量进行计算，计算结果见表3。

表3 贾鲁河河道生态需水量

由表3可以看出，生态需水量随月份有所变化，1月最小为1．25m3／s，4月最大为2．57m3／s，其余月份多在1．70～2．00m3／s范围内，年平均生态需水量为1．85m3／s。虽然需水量在年际内总体变化不大，但仍可以看出，4月至9月需水量偏高，10月至3月需水量偏低。综合分析其原因：4月至9月虽降雨量较大，但温度偏高，蒸发量及排污量较大，生态需水量较大；反之，10月至3月降雨较少，径流量小汇入的排污量较少，温度较低，蒸发量小，生态需水量较小。由此可看出影响城市排污河道生态需水量的主要因素有：排污量、蒸发量以及地表径流量。

3 结 论

城市河道生态需水量的研究至今为止还没有一套相对完整、成熟的体系。本文针对城市排污河道的特性，首先对河道来水进行分析，制定了由水库引水提供河道生态用水，改善河道生态环境的方案。而后对河道内污水的来源进行了分析，明确了污水主要为排入河道内的生活污水和由降雨径流带入河道内的污水，并以COD浓度为控制条件，计算了该段河道的生态需水量。最终得出：河道生态需水量随月份有所变化，但总体变化不大；影响城市排污河道生态需水量的主要因素是排污量、蒸发量以及地表径流量。

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