王成言，趙星偉

（中水北方勘測(cè)設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司，天津 300222）

在傳統(tǒng)水利與景觀融合不斷深化的新階段，如何科學(xué)合理確定生態(tài)需水量、景觀需水量是困擾設(shè)計(jì)工作者的難題。西洋河生態(tài)治理工程通過(guò)新建揚(yáng)水泵站和引水管道自東洋河引水，對(duì)西洋河城區(qū)段河道打造流水的水面景觀。本文以具有北方干旱河流特征的西洋河生態(tài)治理工程為例，研究其生態(tài)需水量、景觀需水量問(wèn)題。

1 工程概況

西洋河生態(tài)治理工程位于河北省張家口市懷安縣西洋河城區(qū)段河道，西起西洋河G110西洋河大橋上游350 m，東至西洋河與南洋河匯河口處下游約500 m，總長(zhǎng)7.1 km。引水水源為東洋河河道來(lái)水。工程的主要任務(wù)是在滿足河道防洪要求的基礎(chǔ)上，通過(guò)實(shí)施輸水、蓄水閘壩、生態(tài)廊道等工程建設(shè)，實(shí)現(xiàn)西洋河懷安縣城段水生態(tài)修復(fù)和水環(huán)境改善。工程主要內(nèi)容包括生態(tài)廊道建設(shè)工程、輸水工程、蓄水閘壩工程等。該工程是懷安縣打造水生態(tài)、水景觀、水文化和水經(jīng)濟(jì)的重要生態(tài)治理工程。

工程區(qū)屬東亞大陸性季風(fēng)氣候，多年平均氣溫7.4℃，平均無(wú)霜期130 d，冰凍期一般為1、2月和12月，多年平均水面蒸發(fā)量935 mm，多年平均降雨量390 mm。西洋河屬于永定河流域，是洋河的一級(jí)支流，控制流域面積927 km2。東洋河控制流域面積2250 km2。根據(jù)東洋河柴溝堡河道站1951—2013年實(shí)測(cè)逐月徑流系列統(tǒng)計(jì)，多年平均流量為2.12 m3/s，其中1951—2000年多年平均流量2.50 m3/s、2001—2005年多年平均流量0.68 m3/s、2006—2013年多年平均流量0.6 m3/s。西洋河上游建有西洋河水庫(kù)，水庫(kù)以上控制流域面積為617.6 km2。西洋河水庫(kù)近年下泄水量為0，經(jīng)實(shí)地調(diào)查，西洋河近年來(lái)為干河。

2 生態(tài)流量計(jì)算

2.1 對(duì)象及目標(biāo)確定

計(jì)算生態(tài)流量，最關(guān)鍵是確定其生態(tài)保護(hù)的對(duì)象和目標(biāo)，從而確定適宜的計(jì)算方法，進(jìn)而得到符合河湖自身特點(diǎn)和發(fā)展需求的科學(xué)的生態(tài)流量。

人們對(duì)生態(tài)流量的認(rèn)識(shí)是逐步深化的過(guò)程[1]，有關(guān)實(shí)踐探索在逐步深入推進(jìn)[2]，確定方法、技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、監(jiān)管規(guī)范等正在逐步完善[3]。2018年水利部組織的河湖生態(tài)水量（流量）專項(xiàng)研究工作提出，季節(jié)性河流設(shè)定不人為加劇斷流程度的要求，且可以暫不考慮生態(tài)流量目標(biāo)問(wèn)題。彭文啟[4]提出回歸“自然水流”的可能性很低的河湖，需要適度放棄對(duì)自然水流流態(tài)的固守，合理確定面向維持新型河湖生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與功能的水文狀態(tài)。西洋河近年來(lái)為干河，周圍缺少穩(wěn)定、充足的引水水源，因此生態(tài)流量不以回歸其“自然水流”為目標(biāo)，而以維持河道正常蓄水位為目標(biāo)。工程需水對(duì)象為西洋河城區(qū)段河道。

2.2 生態(tài)需水量計(jì)算

生態(tài)需水量分為蓄水河道水面蒸發(fā)損失水量、滲漏損失水量、生態(tài)林草灌溉水量、換水量。

2.2.1 水面蒸發(fā)損失水量

西洋河現(xiàn)狀河道常年無(wú)水，工程實(shí)施后將形成連續(xù)的生態(tài)水面，蒸發(fā)損失增大。根據(jù)水面面積、降水量、水面蒸發(fā)量計(jì)算各月的蒸發(fā)生態(tài)需水量。設(shè)計(jì)河道正常蓄水位對(duì)應(yīng)的水面面積為13.98 hm2。根據(jù)友誼水庫(kù)蒸發(fā)站觀測(cè)資料統(tǒng)計(jì)，多年平均水面蒸發(fā)量為859.90 mm。根據(jù)柴溝堡雨量站觀測(cè)資料統(tǒng)計(jì)，多年平均降雨量為430.00 mm。經(jīng)計(jì)算，西洋河本河段年蒸發(fā)損失水量為6.15萬(wàn)m3。

2.2.2 滲漏損失水量

根據(jù)河床水文地質(zhì)條件以及采取的工程防滲措施，滲漏量按年平均蓄水量的2%考慮，工程蓄水量為16.28萬(wàn)m3，因此本河段滲漏損失水量為0.32萬(wàn)m3。

2.2.3 生態(tài)林草灌溉水量

本工程在河道灘地建設(shè)柳灘，柳灘植被由河道內(nèi)取水灌溉。由于項(xiàng)目區(qū)1、2、12月為冰凍期，因此植物需水時(shí)間為每年3—11月。根據(jù)《河湖生態(tài)環(huán)境需水計(jì)算規(guī)范》（SL/Z712-2021），采用單位面積用水量法計(jì)算植物灌溉需水量。工程建設(shè)柳灘面積為12 hm2，根據(jù)《河北省用水定額》（2016年），城鎮(zhèn)綠化用水取0.6 m3/（m2·a）。經(jīng)計(jì)算，本工程植物灌溉需水量為7.2萬(wàn)m3。

2.2.4 換水量

為保證河道水質(zhì)，每年春季集中換水1次。換水時(shí)間安排在每年4月下旬，換水量取設(shè)計(jì)蓄水量為16.28萬(wàn)m3。

2.2.5 總需水量

綜上所述，西洋河本河段凈生態(tài)需水量為水面蒸發(fā)損失水量、滲漏損失水量、生態(tài)林草灌溉水量以及換水量的合計(jì)，為29.95萬(wàn)m3。本工程引水方案為利用現(xiàn)有集成渠渠道引水，引水渠道主體為現(xiàn)澆混凝土結(jié)構(gòu)，渠系水利用系數(shù)取0.90。因此，毛生態(tài)需水量合計(jì)33.28萬(wàn)m3/a，其中4月毛需水量最大為20.10萬(wàn)m3，詳見(jiàn)表1。

表1 生態(tài)需水量計(jì)算成果萬(wàn)m3

2.3 引水流量計(jì)算

引水流量是工程設(shè)計(jì)的重要指標(biāo)，可以直接影響到工程規(guī)模的大小。引水量即總需水量，包括水面蒸發(fā)損失水量、滲漏損失水量、生態(tài)林草灌溉水量以及換水量。對(duì)于引水時(shí)間，并沒(méi)有標(biāo)準(zhǔn)參考，只有一些課題研究類項(xiàng)目通過(guò)模型模擬方法做過(guò)相應(yīng)分析，如李云良[5]等運(yùn)用數(shù)值模擬方法，采用MIKE21定量研究了季節(jié)水情動(dòng)態(tài)下鄱陽(yáng)湖換水周期和示蹤劑傳輸時(shí)間的空間分布等。本文在研究引水時(shí)間與引水流量、工程投資變化趨勢(shì)的基礎(chǔ)上，擬定引水時(shí)間的合理范圍，最終考慮景觀流量、制約條件等因素綜合確定引水時(shí)間。引水量除以引水時(shí)間即為引水流量。

2.3.1 引水時(shí)間與引水流量的關(guān)系分析

擬定引水時(shí)長(zhǎng)分別為1、2、3……8、9、10 d，共10種方案。引水流量最大值按引水量最大月份4月確定。4月份引水量包括一次性換水量以及當(dāng)月的河道蒸發(fā)損失、滲漏損失、生態(tài)林草灌溉用水、引水渠道損失等水量，共計(jì)20.10萬(wàn)m3。引水時(shí)長(zhǎng)與引水流量關(guān)系，如圖1所示。

圖1 引水時(shí)間與引水流量關(guān)系

由圖1可見(jiàn)，引水時(shí)長(zhǎng)與引水流量成非線性變化關(guān)系。引水時(shí)長(zhǎng)1、2、3、4、5 d時(shí)引水流量減幅較大，每增加1 d，流量下降較快，增加引水時(shí)長(zhǎng)所換來(lái)的流量下降效益明顯。引水時(shí)長(zhǎng)6、7、8、9、10 d時(shí)引水流量減幅較小，說(shuō)明延長(zhǎng)引水時(shí)間流量下降不顯著，尤其是引水時(shí)長(zhǎng)9、10 d以后流量下降緩慢。由于流量大小決定了工程規(guī)模，所以流量降幅快速下降后至趨于平緩之間的引水時(shí)長(zhǎng)理論上是工程規(guī)模相對(duì)經(jīng)濟(jì)的情況。本工程理論引水時(shí)長(zhǎng)推薦5、6、7、8 d。

2.3.2 引水時(shí)間與工程投資的關(guān)系分析

引水流量決定了工程揚(yáng)水泵站及引水渠道的工程投資。引水時(shí)間與工程投資的關(guān)系，如圖2所示。由圖2可見(jiàn)，3、5 d引水方案工程投資顯著增加，7、10 d工程投資增加幅度不大。因此，引水時(shí)間理論上推薦7、10 d。

圖2 引水時(shí)間與投資關(guān)系

綜合以上分析，引水時(shí)間采用7 d。

3 景觀流量計(jì)算

本工程利用泵站提水至上游后逐級(jí)溢流，形成跌水形式的流水景觀，營(yíng)造河道水流景觀效果。目前城市水景觀建設(shè)的理論研究較為缺少，而水景觀自身屬性亦更偏重于美學(xué)范疇，較難量化表達(dá)。水量大小會(huì)展示出或氣勢(shì)磅礴或涓涓細(xì)流的不同視覺(jué)效果，以此滿足不同的審美需求。因此，需要分別計(jì)算不同堰上水頭的理論流量值，綜合分析引水水源、流量及投資等因素后，再與生態(tài)流量數(shù)值共同擬定。

景觀流量按堰上水頭的不同，分為幾種溢流方案。計(jì)算方法采用《水力計(jì)算手冊(cè)》堰流流量計(jì)算公式。堰的設(shè)計(jì)寬度135 m，堰高2.5 m。堰上水頭與景觀流量關(guān)系，如圖3所示。由圖3可以看出，堰上水頭隨流量增大而增大。

圖3 堰上水頭與景觀流量關(guān)系

4 制約條件分析

水源的可引水量大小是本工程的制約條件。

西洋河生態(tài)景觀用水主要引水源為東洋河河道來(lái)水。采用2006—2013年?yáng)|洋河柴溝堡河道站的逐日徑流系列，扣除非灌溉期灌溉引水日流量以及東洋河生態(tài)基流，經(jīng)長(zhǎng)系列調(diào)算后，得到東洋河2006—2013年多年平均非灌溉期各月可引水流量。對(duì)2006—2013年?yáng)|洋河非灌溉期逐日可引水量進(jìn)行排頻分析，繪制流量保證率曲線。分析保證率曲線可知，東洋河可引水量大于0.3 m3/s的保證率為28.4%，即71.6%情況下東洋河可引水量不足0.3 m3/s，需要通過(guò)其他方式引水以滿足生態(tài)用水需求；若引水規(guī)模進(jìn)一步加大至0.6 m3/s，東洋河可引水量大于該流量的保證率僅為17.4%，即82.6%情況下東洋河可引水量不足0.6 m3/s，不能滿足景觀及生態(tài)用水需求。從可引水量保證率分析可知，工程引水流量宜控制在0.3 m3/s左右，若引水流量繼續(xù)增大，將導(dǎo)致水源保證率過(guò)低。

5 引水規(guī)模確定

生態(tài)需水與景觀需水采用錯(cuò)時(shí)錯(cuò)峰用水原則進(jìn)行調(diào)度，引水規(guī)模取兩者的外包線。綜合以上分析，考慮生態(tài)需水要求、景觀流量要求、水源可引水量、工程經(jīng)濟(jì)性、引水時(shí)間等多項(xiàng)因素，最終確定引水規(guī)模為0.33 m3/s，引水保證率約為28.4%。7 d可完成生態(tài)流量最大的4月份引水量（20.10萬(wàn)m3），滿足景觀流量堰上水頭1 cm溢流量。

6 結(jié)語(yǔ)

從西洋河生態(tài)治理工程實(shí)際需求出發(fā)，對(duì)河道生態(tài)需水量、景觀需水量分別計(jì)算。針對(duì)西洋河常年為干河的實(shí)際情況，生態(tài)流量目標(biāo)為保證河道正常蓄水位，生態(tài)需水量包括水面蒸發(fā)損失水量、滲漏損失水量、生態(tài)林草灌溉水量和換水量。對(duì)于景觀需水量，通過(guò)擬定多種景觀水量設(shè)計(jì)方案，綜合分析引水水源、可引水量、投資等制約因素后，與生態(tài)流量共同擬定最終合理數(shù)值。