大凌河生態(tài)環(huán)境需水量計(jì)算模型研究

大凌河生態(tài)環(huán)境需水量計(jì)算模型研究

水資源的缺乏和水質(zhì)的惡化已經(jīng)成為一個全球問題。其根本原因是人類對生態(tài)系統(tǒng)的全面了解，尤其是對生態(tài)環(huán)境需水規(guī)律的研究不夠。在資源配置中，對生態(tài)環(huán)境需水的考慮不足。因此,人們越來越清楚地認(rèn)識到,要解決水資源問題、緩解可能出現(xiàn)的全球性水危機(jī),就必須深化研究生態(tài)環(huán)境需水量問題。目前,國內(nèi)學(xué)者主要以干旱區(qū)、河流及濕地生態(tài)系統(tǒng)為對象進(jìn)行宏觀生態(tài)環(huán)境需水量的研究,其計(jì)算方法也日趨成熟;國外的研究強(qiáng)調(diào)水資源在整個生態(tài)系統(tǒng)中的地位和作用,并注重生態(tài)系統(tǒng)中與水有關(guān)的因素之間的綜合研究。本研究以水資源短缺、污染較重的遼寧省大凌河為研究背景,探討生態(tài)環(huán)境需水量理論、方法與技術(shù),解決水資源規(guī)劃和管理的關(guān)鍵基礎(chǔ)性問題。1多泥沙河流大凌河是遼寧省第三大河流,全長398km,流域面積為23263km2,為多泥沙河流。根據(jù)生態(tài)環(huán)境需水分類規(guī)定和大凌河特點(diǎn),其河道生態(tài)環(huán)境需水計(jì)算類型包括非消耗型需水量(包括河流基本生態(tài)環(huán)境需水量、保持水體自凈能力需水量、輸沙需水量)和消耗型需水量(包括蒸發(fā)、滲漏需水量)。1.1非消耗型需水量1.1.1計(jì)算河流的基本生態(tài)環(huán)境所需的水資源總量將以多年平均流量的100%北方的10%20%作為河流的最小生態(tài)環(huán)境所需的量。計(jì)算方法如下式中:Wr為河流最小生態(tài)環(huán)境需水量;Wi為第i年的地表水資源量;K為選取的百分?jǐn)?shù);n為統(tǒng)計(jì)年數(shù)。1.1.2分水體的混合模型水體對污染物質(zhì)具有一定的稀釋和凈化能力,它能通過一系列物理、化學(xué)和生物作用,使污染物濃度逐漸降低,水質(zhì)恢復(fù)到原來狀態(tài)或滿足水體功能要求,保持水域生態(tài)平衡,這部分水體叫做河流稀釋凈化需水。由于大凌河河槽較窄,流量較小,河道流速隨時間變化不大,容易充分混合,因此,可用混合模型預(yù)測,再利用混合模型的反推得到式(2)。式中:Q0為第一河段稀釋自凈需水量(m3);WP為河段允許納污量(mg·s-1);q1為排污斷面污水量(mg·L-1);CS為目標(biāo)水質(zhì)污染物濃度(mg·L-1);C0為上游河段污染物濃度(mg·s-1);x1為第一河段長度(m);u為設(shè)計(jì)流量下的平均流速(m·s-1);k為污染物綜合系數(shù)(d-1),計(jì)算時換算成(s-1)。1.1.3在bbm法、綜合分析法和水砂凈平衡法的基礎(chǔ)上，開發(fā)了多年平均含沙量法、輸沙量法和單位砂輸沙量法。在本研究中，采用多年平均輸沙量法計(jì)算了大凌河航道的輸沙需求式中:Ws為輸沙需水量;η為輸沙效率;α為指數(shù);W為流量;S為輸沙量;γs為泥沙容重。1.2消耗型需水量1.2.1水體蒸發(fā)量計(jì)算為了維持河流的正常生態(tài)功能,當(dāng)水面蒸發(fā)量大于降水量時,必須利用河流水面接納系統(tǒng)以外的水體來彌補(bǔ),把這部分水量稱為河流蒸發(fā)需水量,當(dāng)水面蒸發(fā)小于降雨時,認(rèn)為河流蒸發(fā)需水量為0。計(jì)算公式為:式中:WE為計(jì)算時段內(nèi)水體的凈蒸發(fā)量(m3);A為計(jì)算時段內(nèi)水體平均水面面積(m2);E為計(jì)算時段內(nèi)水體蒸發(fā)量(mm);P為計(jì)算時段內(nèi)水體降水量(mm)。1.2.2河段長度計(jì)算式中:Q為滲漏消耗水量(m3);L為計(jì)算河段長度(m);K為含水層滲透系數(shù);I為力坡度;H為含水層厚度(m);t為計(jì)算時段長度(d)。2大凌河河流生態(tài)環(huán)境需要水量計(jì)算2.1生態(tài)環(huán)境需水分區(qū)考慮到大尺度流域下生態(tài)環(huán)境需水量研究的復(fù)雜性和時空變化性,對大凌河生態(tài)環(huán)境需水量進(jìn)行分區(qū)。分析水文氣象、地形地貌、環(huán)境功能、生態(tài)功能、河湖特征、水利工程等要素的特征,本研究通過上窩堡站、朝陽站、義縣站、凌海站將大凌河河道分為4個區(qū)域。2.2非消耗型需水量2.2.1河流水文環(huán)境需水量計(jì)算大凌河河流基本生態(tài)環(huán)境需水量采用上窩堡、朝陽、義縣、凌海4個水文站1968~2001年34年長系列逐月徑流量進(jìn)行分析計(jì)算。大凌河河流基本生態(tài)環(huán)境需水量計(jì)算采用式(1),其中K取20%。結(jié)果表明,每年上窩堡、朝陽、義縣、凌海處河流基本生態(tài)需水量分別為0.741×108m3,1.153×108m3,2.063×108m3,2.627×108m3。以上計(jì)算結(jié)果為最小生態(tài)環(huán)境需水量,為保證大凌河生態(tài)功能正常運(yùn)行,河道內(nèi)水量不得小于以上數(shù)值。2.2.2保持水體自凈能力需水量經(jīng)分析COD、NH3-N為主要污染物,針對COD、NH3-N的監(jiān)測結(jié)果(表1)計(jì)算自凈需水量。各河段污染物綜合系數(shù)是通過類比分析法確定的,COD、NH3-N分別為0.2,0.25。將相應(yīng)數(shù)據(jù)代入式(2),根據(jù)取大原則,每年上窩堡、朝陽、義縣、凌海處保持水體自凈能力需水量分別為1.0×108m3,39.8×108m3,4.6×108m3,78.6×108m3。其中,朝陽、凌海處保持水體自凈能力需水量均大于該處多年平均流量,超過河流承載能力。因此,單純依靠增加流量來凈化污染物是不現(xiàn)實(shí)的,必須對企業(yè)排放污水進(jìn)行管理監(jiān)督,使其排放標(biāo)準(zhǔn)達(dá)到GB8978-1996《污水綜合排放標(biāo)準(zhǔn)》的規(guī)定。在達(dá)標(biāo)的條件下,上窩堡、朝陽、義縣、凌海每年保持水體自凈需水量別為0.673×108m3,4.447×108m3,4.588×108m3,4.311×108m3。2.2.3河流輸沙需水量上窩堡、朝陽、義縣、凌海站采用1968~2001年34年長系列輸沙量成果進(jìn)行計(jì)算。河流輸沙需水量計(jì)算采用式(3),計(jì)算結(jié)果表明,每年上窩堡、朝陽、義縣、凌海處河流輸沙需水量分別為0.079×108m3,1.497×108m3,3.293×108m3,13.092×108m3,各站的輸沙需水量均小于多年平均徑流,均能滿足輸沙需水要求。2.2.4各斷面生態(tài)環(huán)境需水量由于生態(tài)環(huán)境需水量季節(jié)差異很大,年內(nèi)總生態(tài)環(huán)境需水量計(jì)算已經(jīng)不能滿足水資源配置的需求。因此,對大凌河非消耗型需水量進(jìn)行逐月需水過程分析,結(jié)果表明(表2):各斷面非消耗型生態(tài)環(huán)境需水量是根據(jù)取大原則進(jìn)行整合的,上窩堡為0.741×108m3,朝陽為4.447×108m3,義縣為4.588×108m3,凌海為13.092×108m3。朝陽、義縣、凌海4站豐水期的生態(tài)環(huán)境需水量分別為0.047×108m3,0.839×108m3,1.976×108m3,8.333×108m3;枯水期的生態(tài)環(huán)境需水量分別為0.033×108m3,0.656×108m3,1.319×108m3,4.759×108m3。2.3蒸發(fā)資料處理大凌河消耗型需水量包括蒸發(fā)需水量和滲漏需水量。蒸發(fā)需水量的計(jì)算采用式(4),蒸發(fā)資料采用多年平均蒸發(fā)量,利用3S技術(shù)收集其水面面積資料,得到年蒸發(fā)需水量為0.019×108m3。滲漏需水量采用式(5),由于大凌河河道常年無明顯斷流現(xiàn)象,一般不對地下水進(jìn)行補(bǔ)給,因此,不對滲漏需水量進(jìn)行考慮。3非消耗型需水量將大凌河河道生態(tài)環(huán)境需水計(jì)算類型分為非消耗型需水量和消耗型需水量,并對其進(jìn)行分期和分區(qū)計(jì)算。結(jié)果表明:上窩堡站非消耗型需水量為0.741×108m3,朝陽站非消耗型需水