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        延河河道內(nèi)生態(tài)環(huán)境需水量估算

        2017-08-09 01:38:13陳曉歌雪靜
        陜西水利 2017年4期
        關(guān)鍵詞:延河輸沙橡膠壩

        陳曉歌,雪靜

        (水利部陜西省水利電力勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院,陜西西安700001)

        延河河道內(nèi)生態(tài)環(huán)境需水量估算

        陳曉歌,雪靜

        (水利部陜西省水利電力勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院,陜西西安700001)

        近年來,延河流量明顯減少,非汛期常流量?jī)H為1 m3/s左右,2014年5月份平均流量為0.8 m3/s,月最小流量?jī)H為0.2 m3/s,甚至出現(xiàn)斷流現(xiàn)象。根據(jù)延安水文站1973~2014年長(zhǎng)系列天然徑流資料,對(duì)河道內(nèi)基本生態(tài)環(huán)境需水量和目標(biāo)生態(tài)環(huán)境需水量進(jìn)行估算,建議以輸沙需水量7775.6萬m3為河道內(nèi)生態(tài)環(huán)境需水量,既能滿足河道基本生態(tài)功能,又可以滿足河道沖淤平衡的輸沙需求。

        延河;生態(tài)環(huán)境;河道內(nèi);需水量

        目前,生態(tài)環(huán)境需水量的計(jì)算方法多樣且不成熟,水資源可利用量的確定應(yīng)根據(jù)我國(guó)不同地區(qū)水資源條件和生態(tài)環(huán)境狀況的差異,從不同角度,運(yùn)用多種方法進(jìn)行綜合分析,并注意完整的流域和局部區(qū)域在具體計(jì)算時(shí)的差別和聯(lián)系。北方水資源短缺地區(qū)水資源可利用量計(jì)算的主要控制因素是河道內(nèi)生態(tài)環(huán)境需水量。以延河為研究對(duì)象,利用延安水文站1973~2014年長(zhǎng)系列水沙資料,采用不同方法對(duì)延河河道內(nèi)基本生態(tài)環(huán)境需水量和目標(biāo)生態(tài)環(huán)境需水量進(jìn)行計(jì)算。

        1 流域概況

        延河屬黃河一級(jí)支流,水資源總量14.78億m3,人均水資源量718.84 m3,占全省平均水平1221 m3的58.87%;人均地表水資源量為697.44 m3,為全省平均水平1168 m3的59.7%,遠(yuǎn)低于全國(guó)人均2714 m3的水平,是全省、全國(guó)水資源最貧乏的地區(qū)之一。近年來,延河流量明顯減少,非汛期常流量?jī)H為1 m3/s左右,2014年5月份平均流量為0.8 m3/s,月最小流量?jī)H為0.2 m3/s,甚至出現(xiàn)斷流現(xiàn)象。需要采用一定的工程措施,提高延河生態(tài)用水量,改善河道的水景觀效果。

        2 延河河道內(nèi)生態(tài)環(huán)境需水量計(jì)算

        河道內(nèi)生態(tài)環(huán)境保護(hù)目標(biāo)所對(duì)應(yīng)的生態(tài)環(huán)境功能對(duì)水量的需求,應(yīng)分別用基本生態(tài)環(huán)境需水量和目標(biāo)生態(tài)環(huán)境需水量表示?;旧鷳B(tài)環(huán)境需水量計(jì)算方法有Qp法、近10年最枯月平均流量法及Tennant法等。

        目標(biāo)生態(tài)環(huán)境需水量計(jì)算方法有水生生物需水量的“生物需求法”,輸沙需水量計(jì)算的“輸沙需水計(jì)算”,自凈功能需水量可根據(jù)河流水功能區(qū)不同時(shí)段或不同時(shí)期的水質(zhì)要求,選擇與之相匹配的水文設(shè)計(jì)條件進(jìn)行計(jì)算。

        本次目標(biāo)生態(tài)環(huán)境需水考慮輸沙需水計(jì)算,自凈功能需水,水面蒸發(fā)損失等。

        2.1 基本生態(tài)環(huán)境需水量估算

        (1)Qp法。又稱不同頻率最枯月平均值法,以長(zhǎng)系列天然月平均流量為基礎(chǔ),用每年最枯月排頻,選擇不同頻率下的最枯月平均流量為基本生態(tài)環(huán)境需水量的最小值。

        將延安水文站1973~2014年最枯月平均流量進(jìn)行頻率計(jì)算,其90%頻率下的最枯月平均流量為0.678 m3/s,水量2527萬m3。

        (2)近10年最枯月平均流量法,即10年中的最小值,作為基本生態(tài)環(huán)境需水量的最小值。

        根據(jù)延安水文站1973~2014年42年長(zhǎng)系列徑流資料計(jì)算的生態(tài)基流量為0.627 m3/s,水量1490萬m3。

        (3)Tennant法。對(duì)北方地區(qū),生態(tài)基流應(yīng)分非汛期和汛期兩個(gè)水期分別確定,一般情況下,非汛期生態(tài)基流應(yīng)不低于多年平均天然徑流量的10%;汛期生態(tài)基流可按多年平均天然徑流量20-30%。非汛期流量0.48 m3/s,水量1141萬m3、汛期流量1.45 m3/s,水量3445萬m3。

        根據(jù)以上三種方法的計(jì)算結(jié)果,綜合確定采用近10年最枯月平均流量法計(jì)算成果,即0.627 m3/s作為延河河道生態(tài)基流。

        2.2 目標(biāo)生態(tài)環(huán)境需水量估算

        河流控制斷面目標(biāo)生態(tài)環(huán)境需水量,應(yīng)按照保護(hù)目標(biāo)對(duì)應(yīng)的生態(tài)環(huán)境功能維持在正常水平的需水要求。

        表1 輸沙需水量計(jì)算

        (1)輸沙需水量計(jì)算

        輸沙需水量指河道內(nèi)處于沖淤平衡時(shí)的臨界水量,由于延河屬多沙河流,必須有一定的河道來水量才能保持沖淤平衡。河流的輸沙能力主要取決于河道來水量與含沙量,通常來水量越大輸沙量越大。

        式中:Ws為輸沙需水量,m3;Qs為單位泥沙輸沙需水量,m3/t;S為來沙量,t;Z為淤積量,t。

        單位泥沙輸沙需水量Qs可采用下式計(jì)算:

        式中:Qs為單位泥沙輸沙需水量,m3/t;s為河流某斷面的平均含沙量,kg/m3;ρs為河流泥沙密度,kg/m3。

        (2)自凈功能需水量

        延安主城區(qū)除去南川河上部分排污口并未通過污水截流閘截污進(jìn)入污水管網(wǎng)外,各排污口已經(jīng)基本被管網(wǎng)覆蓋,通過延河綜合治理城鎮(zhèn)污水處理廠工程,將現(xiàn)有管網(wǎng)系統(tǒng)提升改造,延伸管網(wǎng)敷設(shè)距離,并實(shí)現(xiàn)雨污分流,確保城區(qū)污水全部進(jìn)入污水處理廠,延河水質(zhì)將有很大改善。

        自凈功能需水量要根據(jù)對(duì)河流自凈功能的要求,合理確定不同時(shí)段或水期的設(shè)計(jì)水量,作為維持水體自凈功能的需水量。延河自凈水量采用河流完全混合模型計(jì)算水量與一維穩(wěn)態(tài)水質(zhì)模型,在忽略縱向彌散作用下,模型公式如下:

        ①完全混合模型計(jì)算公式:

        式中:C為完全混合的水質(zhì)濃度,mg/L;Qp為污水排放量,m3/s;Cp為污染物排放濃度,mg/L;Qh為上游來水流量,m3/s;Ch為上游來水污染物濃度,mg/L。

        ②一維穩(wěn)態(tài)水質(zhì)模型公式:

        式中:C0為初始濃度,mg/L;K為階動(dòng)力學(xué)反應(yīng)速度,1/d;X為沿河流方向距離,m;C為位于污染源下游x處的水質(zhì)濃度,mg/L。

        由于延河COD5、氨氮和總磷為主要超標(biāo)因子,因此選取COD5、氨氮和總磷作為計(jì)算自凈需水量的計(jì)算因子。污染因子計(jì)算自凈需水量達(dá)到延河水功能區(qū)劃要求Ⅲ類水質(zhì)。由表2知:2月、3月、4月和5月份分別需要調(diào)水量為1.187 m3/s、0.763 m3/s、1.255 m3/s和2.105 m3/s;其它月份不需要調(diào)水。自凈需水量取2.105 m3/s,即1374萬m3。

        (3)蒸發(fā)損失水量

        延安市延河梯級(jí)橡膠壩工程位于延安市市區(qū)延河干流及支流西川河、南川河上,共9座。除延大橡膠壩及寶塔山橡膠壩為已成工程,其它7座橡膠壩工程將分期實(shí)施。延河干支流城區(qū)段橡膠壩非汛期(9月~次年5月)可蓄水219.2萬m3,形成115.38萬m2的水面,蒸發(fā)損失水量30萬m3。梯級(jí)橡膠壩多年平均蒸發(fā)增損見表3。

        河道內(nèi)生態(tài)環(huán)境需水計(jì)算是以維護(hù)河湖生態(tài)環(huán)境功能的用水需求為基礎(chǔ),由于河湖各項(xiàng)生態(tài)環(huán)境功能是相互聯(lián)系的,很難嚴(yán)格區(qū)分、截然分開,各項(xiàng)生態(tài)環(huán)境功能的需水量可能有重復(fù),所以河道內(nèi)生態(tài)環(huán)境需水應(yīng)按各項(xiàng)生態(tài)環(huán)境功能的需水量的外包值計(jì)算[1],計(jì)算結(jié)果見表4。

        表2 延河斷面自凈需水量(m3/s)

        表3 梯級(jí)橡膠壩多年平均蒸發(fā)增損表(mm)

        表4 延河河道內(nèi)生態(tài)環(huán)境需水量計(jì)算成果(萬m3)

        3 結(jié)論

        對(duì)河道內(nèi)基本生態(tài)環(huán)境需水量與目標(biāo)生態(tài)環(huán)境需水量采用不同方法進(jìn)行計(jì)算,由表4可以看出,推薦的基本生態(tài)環(huán)境需水量2527萬m3,占天然徑流的16.6%,輸沙需水量7775.6萬m3,占天然徑流的51%。輸沙需水量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了基本生態(tài)需水量和自凈需水量,即輸沙需水量決定了延河河道內(nèi)生態(tài)環(huán)境需水量。原因在于延河徑流量較大,攜沙能力強(qiáng),同時(shí)延安地處黃河中游黃土高原丘陵溝壑侵蝕極強(qiáng)區(qū),水土流失嚴(yán)重,含沙量大[2]。

        推薦的基本生態(tài)環(huán)境需水量2527萬m3僅能滿足基本的河道生態(tài)功能和自凈功能的需求,即維持最低限度的河道中水生生物的健康和不同水期的水質(zhì)要求,但不能滿足河道沖淤平衡需求[3]。所以推薦輸沙需水量7775.6萬m3為河道內(nèi)生態(tài)環(huán)境需水量,既能滿足河道基本生態(tài)功能又可滿足河道沖淤平衡的輸沙需求。

        [1]SL/Z 712-2014,河湖生態(tài)環(huán)境需水計(jì)算規(guī)范[S].中華人民共和國(guó)水利部,2015.

        [2]衛(wèi)鳳蓮,王麗霞,延安市河流系統(tǒng)生態(tài)環(huán)境需水量測(cè)評(píng)與分析[J].陜西師范大學(xué)學(xué)報(bào)自然科學(xué)版,2008,36(5):86-90.

        [3]任美慶,李廣源,湘江最小生態(tài)環(huán)境需水量初步研究[J].湖南水利水電,2006(3):75-76.

        X26;X522

        B

        1673-9000(2017)04-0029-02

        2

        陳曉歌(1982-),女,漢族,陜西閻良人,工程師,從事水利水電工程規(guī)劃設(shè)計(jì)工作

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