城市渠化河流生態(tài)流量核算方法

一、引言逐漸加劇的人類活動使河流生態(tài)退化問題日益嚴(yán)重。水資源短缺是導(dǎo)致河流生態(tài)退化的重要原因。在世界范圍內(nèi)，水資源需求量的不斷增加，造成河道外用水（滿足社會經(jīng)濟發(fā)展需求）與河道內(nèi)用水（滿足河道自身生態(tài)環(huán)境需求）之間的競爭與沖突不斷加劇。隨著人類對生態(tài)環(huán)境重視程度的增加，滿足河流自身的用水需求已成為河流保護(hù)和管理中的一項基本原則。核算河流自身的用水需求，即河流生態(tài)流量（或生態(tài)需水），已成為水資源研究人員和管理人員的重要工作。研究者已提出了多種生態(tài)流量核算方法，大致可以分為4類：水文學(xué)法、水力定額法、生境模擬法和整體法。其中水文學(xué)法最為簡單，它是基于歷史的水文數(shù)據(jù)，通常采用多年平均流量的某個特定百分比作為生態(tài)流量，用來將河流維持在某種可接受的生態(tài)狀態(tài)。由于水文學(xué)法沒有考慮河流的地形地貌，在不同河流中采用相同百分比來確定生態(tài)流量，因此所保護(hù)的棲息地數(shù)量會出現(xiàn)顯著差別。為了納入河流地形地貌因素，研究者提出了水力定額法。這類方法將簡單的水力學(xué)變量（如濕周）作為生態(tài)系統(tǒng)中棲息地的替代性指標(biāo)，并將水力變量-流量曲線上某一拐點所對應(yīng)的流量作為生態(tài)流量。生境模擬法是水力學(xué)方法的進(jìn)一步發(fā)展，它考慮到了目標(biāo)物種的棲息地偏好（如河流深度和水流速度）。該方法以目標(biāo)物種的生境-流量曲線來預(yù)測河流的最佳流量并以此確定生態(tài)流量。整體法強調(diào)河流自然流態(tài)對整個河流生態(tài)系統(tǒng)的重要性，試圖維持河流自然的流態(tài)和流動變異性，并通過考慮實際流態(tài)與自然流態(tài)的偏離程度來確定生態(tài)流量。上述生態(tài)流量核算方法強調(diào)物種生境需求，適用于物種多樣性程度較高的自然或半自然河流。這些河流通常存在易于鑒別的保護(hù)物種。但對于人工河流尤其是渠化后的城市河流，上述方法并不十分適用?，F(xiàn)實中為了防洪的需要，許多城市河流已被人為地裁彎取直，改造成了橫截面為梯形的混凝土渠道。具有高度棲息地多樣性的自然河流從而逐漸轉(zhuǎn)變成多樣性較低、具有同質(zhì)棲息地的城市河流。河流渠化也會進(jìn)一步引起河床沉積物的減少以及水流流速的增加。因此由于河道渠化，河流物種組成發(fā)生顯著變化，一些生態(tài)保護(hù)價值高的物種，如魚類等種群將逐漸衰落。改變后的物種組成以普通的浮游植物和浮游動物為主，這些物種的生態(tài)保護(hù)價值并不高。以這些保護(hù)價值較低的物種作為生態(tài)流量核算的指示性物種，并維持其棲息地所需的水流特性是不科學(xué)的，綜上，在渠化城市河流的生態(tài)流量核算中不再需要重點考慮生境維持功能。除了生境維持功能之外，在以往的城市河流生態(tài)流量核算方法中通常還會考慮另外兩種生態(tài)功能：污染物稀釋功能和美學(xué)功能。與生境維持相比，滿足這些功能的生態(tài)流量核算方法相對容易實現(xiàn)。污染物稀釋所需的水量可以基于質(zhì)量平衡方程確定。對于美學(xué)而言，生態(tài)流量的評估方法相對簡化。渠道化的河流橫截面多為梯形，其水面面積通常不會隨著深度的增加而顯著增加，在水面面積-流量曲線上也不存在拐點。因此，對于渠化的城市河流，生態(tài)流量需要考慮美學(xué)價值來確保河床不發(fā)生裸露，并且通常最低的水深需要控制在0.2~0.5m。對于不同的河流，避免河床裸露所需維持的水深可能會有所不同，實踐中應(yīng)相應(yīng)地設(shè)定需要保證的最低水位。隨著河流治理中對污染防治工作重視程度的提高，許多城市河流的點源（生活污水和工業(yè)污水）和非點源污染（初期雨水）可得到有效控制。在這些城市河流中，滿足污染物稀釋的這部分水量需求并不十分迫切。對于這些只有少量污染物輸入的渠化城市河流，如果仍將污染物稀釋作為生態(tài)流量核算的重點，將導(dǎo)致核算結(jié)果偏小，進(jìn)而潛在降低了未來水資源規(guī)劃配置中河流生態(tài)系統(tǒng)保護(hù)的優(yōu)先程度。除了以上提到的生態(tài)流量需要考慮的3個功能需求（生境維持、污染物稀釋和美學(xué)）外，在生態(tài)流量核算中還應(yīng)考慮水文連通性。在河流生態(tài)系統(tǒng)的保護(hù)和恢復(fù)中，水文連通性是指生物、物質(zhì)或能量穿越相鄰生態(tài)單元之間的生態(tài)區(qū)的難易程度。水文連通性包括河流的橫向、縱向和垂直連通性。橫向連通性側(cè)重于河道與河道外之間的營養(yǎng)物質(zhì)、土壤、碎片和生物體傳遞；縱向連通性側(cè)重于河流上下游有機和無機物質(zhì)的輸送；垂直連通性側(cè)重于河流與地下水之間的交換。對于被攔水堰隔離的渠化城市河流，縱向連通性是需要解決的關(guān)鍵問題。本研究將通過納入河流水文連通性，以發(fā)展城市渠化河流生態(tài)流量核算方法。本研究以典型的渠化城市河流十五里河為研究案例。在本文以下部分中，我們提出3種水文連通性情景，并給出相應(yīng)的生態(tài)流量的計算公式。最后將生態(tài)流量核算結(jié)果與污染物稀釋用水需求進(jìn)行比較，以檢驗污染治理對生態(tài)流量的影響。二、材料和方法（一）研究地點十五里河作為中國第二大內(nèi)陸湖巢湖的一條重要入湖河流，貫穿了整個合肥市市區(qū)。十五里河全長22.64km，流域面積達(dá)到了111.25km2。為了提高十五里河河道的洪水排泄能力，河道被改建成混凝土襯砌的梯形渠道。河道的渠化導(dǎo)致原有的天然河床發(fā)生了改變，河流的生態(tài)系統(tǒng)也相應(yīng)地發(fā)生了顯著變化。目前，十五里河的生物多樣性非常有限。河流中存在49種浮游植物，其中常見的主要物種是藍(lán)藻。浮游動物主要由耐污染的輪形動物和原生動物組成，也存在數(shù)量極為有限且適應(yīng)于水質(zhì)較好水體的水蚤。十五里河中只有6種底棲動物，其中以耐污有機體如霍甫水絲蚓（LimodrilushoffmeisterClaparède）為主。河流中沉水植物的數(shù)量也較少。綜上，河流中并沒有特定的具有生態(tài)保護(hù)價值的物種。生活污水、工業(yè)廢水以及雨水是十五里河的主要水源。由于來水量十分有限，河流的流動呈現(xiàn)間歇性。為了恢復(fù)河流的景觀，也為了給市民營造一個優(yōu)美的公共場所，政府計劃改善十五里河水質(zhì)并著手保障河流的生態(tài)流量。其中為了控制污染物進(jìn)入十五里河，修復(fù)和新建了一批城市污水管道及雨水管道。政府還規(guī)劃在2020年之前新建一座污水處理廠，即日處理能力達(dá)105

t的胡大郢污水處理廠，并規(guī)劃于2020年之前將現(xiàn)有的十五里河污水處理廠的日處理能力由1×105

t提升至2.5×105

t。屆時，所有排放到河中的工業(yè)和生活污水都要先經(jīng)這兩個污水處理廠處理，以達(dá)到地表水IV類標(biāo)準(zhǔn)。地表水IV類標(biāo)準(zhǔn)對于污水處理廠是一個較高的污水處理標(biāo)準(zhǔn)。此外，為了控制雨水引起的非點源污染，政府還將建造多個雨水調(diào)蓄池，以便雨水在匯入河流之前，能夠先經(jīng)過雨水調(diào)蓄池調(diào)蓄并處理，最終達(dá)到地表水IV類水的排放標(biāo)準(zhǔn)。通過上述污水防治措施，入河污染物可以得到有效控制。預(yù)計所有工程建成后十五里河水質(zhì)將優(yōu)于地表水V類標(biāo)準(zhǔn)。為了保障十五里河生態(tài)流量對水量的需求，經(jīng)胡大郢和十五里河兩個污水處理廠處理后的中水將被作為十五里河的常規(guī)補水水源。調(diào)蓄池收集到的雨水和上游天鵝湖來水將作為非常規(guī)補水水源。為了保護(hù)河流的生態(tài)環(huán)境，河道中還建造了8個攔水堰，攔水堰的分布如圖1所示。攔水堰的存在會降低水流速度，增加水體的滯留時間，因此會降低生態(tài)流量對水量的需求。此外，在十五里河巢湖入湖口上游2km處還將興建十五里河人工濕地。由于十五里人工河濕地尚在建設(shè)之中，因此在本研究中濕地的生態(tài)流量不作為研究重點，只對濕地上游城市河流部分的生態(tài)流量進(jìn)行了核算。

圖1.十五里河上堰位置示意圖

（二）方法構(gòu)建由于攔水堰的興建，十五里河被分割成了多個河段。河段間水文連通程度的高低取決于所能供應(yīng)生態(tài)流量的水量多少。當(dāng)供應(yīng)生態(tài)流量的水量為中等時，該水量可以將隔離的河段連通起來；當(dāng)有更多的水量供應(yīng)生態(tài)流量時，河流的流速增加，河流的水文連通程度更高；當(dāng)生態(tài)流量的可供水量較少時，被隔離的河段之間不能永久連通，而是處于間歇性的連通狀態(tài)。本研究提出3種不同的生態(tài)流量情景，分別對應(yīng)高、中、低3個水文連通程度。其中高水文連通情景和中水文連通情景試圖保持河段之間的永久連通，而低水文連通情景旨在間歇性地連通被攔水堰分割的河段。高水文連通情景能夠維持一定的水流流速，確保河流的自凈能力并有效減少藻華的爆發(fā)。中水文連通情景旨在維持由攔水堰隔開的河段間的縱向水力連通性，進(jìn)而確保河流中物質(zhì)、能量和信息的連通與交換；低水文連通情景旨在定期地為河流提供間歇性連通，該情景可以在避免水質(zhì)發(fā)生嚴(yán)重惡化的前提下，進(jìn)一步減少生態(tài)流量對水量的需求。1.高水文連通情景下的生態(tài)流量核算研究表明流速可以顯著地影響河流的自凈能力。流速與流量及湍流擴散系數(shù)呈現(xiàn)正相關(guān)關(guān)系，在水體混合與擴散的作用下，污染物濃度會下降。高流速還可以顯著提高水中溶解氧的補給速度，從而維持河流中高氧化還原電位，進(jìn)而增加氧化環(huán)境下污染物的降解。另外，高流速還可以降低藻華發(fā)生的可能性。城市河流面臨的一個嚴(yán)重的環(huán)境問題就是藻華發(fā)生。藻華發(fā)生的機理非常復(fù)雜，目前仍在研究中。但有研究成果表明流速、水溫和養(yǎng)分是導(dǎo)致藻華發(fā)生的主要因素。其中，河流較低的流速是藻華發(fā)生的一個必要條件。因此，在高水文連通情景中，本研究試圖確保水流速度不低于一個指定的速度，以減少藻華的發(fā)生。被攔水堰分割的各個河段的流速不盡相同，每個河段內(nèi)的水流速度也不一樣，因此河流的生態(tài)流量需要逐段確定。根據(jù)觀測結(jié)果，對于每個河段，通常在河段下游攔水堰的上游側(cè)水深最大，平均流速也最低。因此為了確保該河段內(nèi)的速度高于指定的流速v0，我們只需要保證河段下游攔水堰上游側(cè)的水流流速高于v0即可。所需的流量可以根據(jù)以下公式確定：式中，Q是流量；σ是淹沒系數(shù)；ε是側(cè)向收縮系數(shù)；Cd是堰流的流量系數(shù)；b是攔水堰的長度；g是重力加速度；h0堰上水頭；Δh是堰頂高度以上的水頭高度；a0是動能修正系數(shù)；v是流速，這里設(shè)為v0。2.中水文連通情景下的生態(tài)流量核算對于被攔水堰隔離的渠化城市河流，維持各河段之間的縱向連通性是一個關(guān)鍵問題。第二種生態(tài)流量情景試圖確保以下兩點：①下游攔水堰上游側(cè)的水位高于此攔水堰的堰高；②在一個河段內(nèi)，為了避免河床裸露，最低水深不得低于0.2m。在水位高于下游攔水堰之后，任何水量的水體持續(xù)進(jìn)入到該河段，都能保證水位持續(xù)維持在攔水堰之上。因此，為了保持縱向連通，我們只需確保河流最低水深不低于0.2m。對于其他一些城市河流，該情景所需的水深可能不同，可以相應(yīng)地設(shè)置不同的最低水深。曼寧公式是明渠水流中最常用的公式之一，該經(jīng)驗公式適用于明渠均勻流，是描述渠道流速、水流面積和河道水力坡度之間關(guān)系的函數(shù)。本研究中利用曼寧公式來確定中水文連通情景下的生態(tài)流量，該生態(tài)流量可以確保河流的最低水深不低于指定值，即本研究中設(shè)置的0.2m。在河段內(nèi)，上游處的水深通常最低，因此河段內(nèi)上游處滿足水深要求時所對應(yīng)的流量即為該河段的生態(tài)流量：式中，n是曼寧糙率系數(shù)；A是河道橫截面中的過水面積；R是水力半徑；S是河道比降；m是邊坡系數(shù)；h是水深；a是河道底部寬度。3.低水文連通情景下的生態(tài)流量核算前兩種情景中，河流的水文連通能夠得到長期維持。如果生態(tài)流量的可用水量很少，河流就不能保持永久的縱向連通，而是被攔水堰隔離成幾個蓄水河段。由于不斷有污染物的進(jìn)入和溶解氧的消耗，河段內(nèi)的水質(zhì)將逐漸下降。在這樣的條件下，各個河段需要周期性換水。第三個生態(tài)流量情景尋求在給定周期內(nèi)能夠有足夠水量用來替換掉河段中原有的存蓄水，以確保水質(zhì)不發(fā)生顯著惡化。該情景的一個換水周期分為水流滯留和水流排泄兩個階段。隨著各個孤立河段的水質(zhì)下降，需要在給定的周期進(jìn)行換水。在本研究中，我們建議將水滯留在河段中的時間設(shè)置為某個特定天數(shù)T0，然后以指定的速度v1排泄掉存蓄的水體。式中，E是河段內(nèi)的水體體積，當(dāng)水不流動時，下游攔水堰上游側(cè)的水深等于該堰的高度；T1是排泄河流段中所有存蓄水所需的時間；v1是水流排泄水體時的特定水流速度，這里為了避免藻華暴發(fā)，速度設(shè)置為0.2m·s–1。對于其他河流，需要的流速可能不同，因此可以相應(yīng)地設(shè)置速度值。4.總體生態(tài)流量的確定除了保持水文連通所需的水量之外，生態(tài)流量還需要考慮污染物稀釋和蒸發(fā)滲漏水所需的水量。污染物稀釋所需水量可以通過質(zhì)量平衡方程確定，如下所示：

式中，Qd是將污染物稀釋到允許或目標(biāo)水質(zhì)所需的水量；Qp是污染的水量或被稀釋的水量；Cp是進(jìn)入城市河流的水體的污染物濃度；Cmax是政府允許的目標(biāo)水質(zhì)；M是通過污染物降解作用減少的污染物量；C0是污染物稀釋用水中的污染物的濃度。蒸發(fā)滲漏所需水量由下式求得：式中，Qse是滲漏和蒸發(fā)所需要的水量；I是被水覆蓋的渠道面積或水面面積；Hse是滲漏和蒸發(fā)強度，即單位時間內(nèi)滲漏和蒸發(fā)消耗掉的水量對應(yīng)的水深?？傮w的生態(tài)流量Qe可以進(jìn)一步由下式求得：三、結(jié)果與討論（一）不同水文連通情景下的生態(tài)流量規(guī)劃中的污水防治工程建設(shè)完成并投入運行后，進(jìn)入河流的水體的水質(zhì)有望達(dá)到IV類標(biāo)準(zhǔn)，優(yōu)于地表水的V類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。在這種情況下，生態(tài)流量的核算不再需要額外考慮污染物稀釋的用水量。因此，水文連通性以及蒸發(fā)滲漏所需的水量是生態(tài)流量的主要構(gòu)成部分。在實際情況中，由于污水處理工程在運行過程中偶爾會發(fā)生運行事故，部分污染物也可能匯入河流從而污染水體。污染物進(jìn)入河流對生態(tài)流量的影響將在下文中作進(jìn)一步討論。在本節(jié)中，生態(tài)流量的核算主要考慮了水文連通性和蒸發(fā)滲漏的需水量。之前關(guān)于藻華的研究成果表明，當(dāng)流速大于0.1~0.2m·s–1時，藻華暴發(fā)事件很少發(fā)生。因此，對于高水文連通情景，最小流速分別設(shè)為0.1m·s–1和0.2m·s–1，相應(yīng)的流量核算結(jié)果如表1所示。中水文連通情景下的生態(tài)流量結(jié)果如表2所示。在低水文連通情景下，我們分別考慮了由1d逐漸增加到10d這10種不同的水流滯留時間，以揭示水流滯留時間對生態(tài)流量所需水量的影響，結(jié)果如表3所示。

表1?高水文連通性情景下的生態(tài)流量

表2?中水文連通性情景下的生態(tài)流量

表3?低水文連通性情景下的生態(tài)流量十五里河各河段（其中河段1指位于源頭天鵝湖和最上游的攔水堰之間的河段；河段2指位于最上游的攔水堰和上游第二座攔水堰之間的河段……河段9指位于最下游攔水堰和十五里河濕地之間的河段）對應(yīng)的最大或最小生態(tài)流量在不同的情景下不盡相同。在高水文連通情景下（表1），最大的生態(tài)流量發(fā)生在第7段河段，即流速為0.1m·s–1時所對應(yīng)的流量為6.02m3·s–1，流速為0.2m3·s–1時所對應(yīng)的流量13.02m3·s–1。該情景下的最小生態(tài)流量發(fā)生在河段6處，即流速在0.1m·s–1時對應(yīng)的流量1.02m3·s–1，流速在0.2m·s–1時對應(yīng)的流量2.02m3·s–1。在中水文連通情景下，核算的最大生態(tài)流量位于河段2和河段4，為1.34m3·s–1，而最小生態(tài)流量位于河段6，為0.52m3·s–1（表2）。在低水文連通情景下，最大生態(tài)流量位于河段9，而最小生態(tài)流量位于河段3（表3）。在不同生態(tài)流量情景下，各河段對水量的需求受不同的主要因素影響，因此各河段最大（或最?。┥鷳B(tài)流量之間存在差異。在高水文連通情景下，堰高和河道寬度是影響生態(tài)流量的主要因素；在中水文連通情景下，河流斷面形狀和河道坡度是影響生態(tài)流量的主要因素；在低水文連通情景下，河段長度是主要影響因素。與河道的物理特征（如河道橫截面形狀、河底坡度和河道長度）相比，攔水堰的高度在河道的設(shè)計過程中相對容易修改。在高水文連通情景下，如果河流管理者計劃降低生態(tài)流量對水量的需求，低堰應(yīng)作為首選。此外，在高水文連通情景下生態(tài)流量最大，而在低水文連通情景下，盡管流量是間歇性釋放的，但該情景下的生態(tài)流量在3種情景中卻并不總是最小的。例如，在河段1的流量存蓄時間小于6d、河段8的流量存蓄時間為1d或河段9的流量存蓄時間少于4d這幾種情況下，低水文連通情景下的生態(tài)流量會大于中水文連通情景下的生態(tài)流量。低水文連通情景下的生態(tài)流量與河段的蓄水能力密切相關(guān)。對于特定的存蓄天數(shù)，具有較大存蓄能力的河段在換水時需要更大的流量來向河道補水，這可能導(dǎo)致低水文連通情景下的平均流量比中水文連通情景下的平均流量更大。（二）污染物控制對生態(tài)流量的影響在十五里河流域，為了向十五里河和胡大郢兩個污水處理廠輸送污水，政府對污水管道和雨水管道進(jìn)行了重建或翻修。通過污水處理廠對雨水和污水的處理來控制區(qū)域的點源和非點源的污染，以確保沒有未經(jīng)處理的污染物直接排入河道。但是，在雨水和污水得到收集和處理后，仍然可能會有一部分雨水或家庭及工業(yè)廢水進(jìn)入河道從而污染水體。在這些污水治理項目啟動前，每個河段的化學(xué)需氧量（COD）濃度和每日污染物輸入量（原狀況下）如表4所示。由于難以精確預(yù)測污染物控制后未經(jīng)處理的污染物輸入，我們將各河段污染物控制前的污水輸入量的10%~50%作為未來未經(jīng)處理直接進(jìn)入河道的污水輸入量，分析未經(jīng)處理的污染物進(jìn)入河道對生態(tài)流量大小的影響。

表4在原狀況下輸入到每個河段的污水情況

河流允許的水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)為地表水V類標(biāo)準(zhǔn)，相應(yīng)的COD濃度為40mg·L–1。污水處理廠排放的中水為地表水IV類水，相應(yīng)的COD濃度為30mg·L–1。為了將未經(jīng)處理的污水稀釋到允許的水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，所需要的水量見表5。結(jié)果表明，只有河段7不需要額外水量來稀釋污染物，因為該河段在未處理污染物進(jìn)入河段后濃度已經(jīng)低于地表水V類標(biāo)準(zhǔn)。而對于其他河段，為了達(dá)到所需的水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)都需要對污染物進(jìn)行再稀釋。由于河段1和河段9進(jìn)入的污染物濃度最大，這些河段稀釋所需的水量也最大。

表5?在不同的未處理污染物輸入狀況下的污染物稀釋所需水量由于用于維持水文連通的這部分水也可以作為污染物稀釋用水，污染物稀釋所需的這部分水量可能不會增加原始根據(jù)水文連通性、滲漏和蒸發(fā)核算出的生態(tài)流量大小。因此，我們進(jìn)一步比較了