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?jī)H為474m3，僅為全省的47%，全國(guó)的23%，屬于嚴(yán)重缺水城市。隨著合肥都市圈發(fā)展和長(zhǎng)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(duì)水資源需求量日益增加，受天然來(lái)水不足影響，水源性缺水問(wèn)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(lái)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(wèn)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(lèi)或劣V類(lèi)，受河湖污染制約，水質(zhì)型缺水問(wèn)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(huì)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(wèn)題日益嚴(yán)重，水生態(tài)破壞影響日益突出。面對(duì)嚴(yán)峻的水資源、水環(huán)境與水生態(tài)問(wèn)題，要求實(shí)行最嚴(yán)格水資源管理制度，確立水資源開(kāi)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(wèn)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(wèn)題，人們開(kāi)始對(duì)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(shí)，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(gè)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(guò)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(gè)方面的要求，包括消耗性需水量和非消耗性需水量?jī)刹糠?。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(jiǎn)單、所需資料易得等特點(diǎn)，因而在國(guó)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(guò)建立河流多年平均流量與河道內(nèi)動(dòng)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(cè)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(jiàn)圖1；合肥市年徑流深統(tǒng)計(jì)表，見(jiàn)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(guó)南北分界線以南區(qū)域，地處亞熱帶濕潤(rùn)季風(fēng)氣候區(qū)，汛期時(shí)間為5-9月，非汛期時(shí)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(jí)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(shí)段平均流量的40%和非汛期時(shí)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(jiàn)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(duì)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(cè)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(wàn)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(lèi)Ⅳ類(lèi)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(wú)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?jī)?nèi)部董鋪水庫(kù)等水庫(kù)蓄水和外部大別山引調(diào)水共同保障，其中本地水庫(kù)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(shí)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(huì)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(guò)蓄水工程等措施，實(shí)現(xiàn)整段河道的水動(dòng)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(shí)考慮一定支流的水量匯入，對(duì)各河段接納的水量進(jìn)行核算。

對(duì)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(guò)現(xiàn)場(chǎng)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(wàn)m3/d，合肥市河湖生態(tài)環(huán)境需水規(guī)模表，見(jiàn)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(píng)價(jià)指標(biāo)

生態(tài)需水量評(píng)價(jià)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(duì)水量、水質(zhì)和生態(tài)環(huán)境的影響效果，評(píng)價(jià)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(píng)價(jià)，主要評(píng)價(jià)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(guò)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(guò)不同生態(tài)補(bǔ)水量對(duì)河道內(nèi)生態(tài)環(huán)境的影響來(lái)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(shí)間和周期，換水周期越小，換水次數(shù)越多，水動(dòng)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(dòng)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(guò)不同的換水周期對(duì)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(lái)反映，通過(guò)對(duì)不同河段的水質(zhì)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，對(duì)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(zhǎng)度和面積占河湖總長(zhǎng)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(duì)河道水生態(tài)、水環(huán)境和水動(dòng)力影響，從水文、水力、水質(zhì)角度提出了多個(gè)評(píng)價(jià)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(duì)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(duì)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(guò)模型分析河網(wǎng)生態(tài)補(bǔ)水對(duì)河流水量、水環(huán)境的影響，結(jié)合構(gòu)建評(píng)價(jià)體系，通過(guò)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。