李媛

（商洛市城區(qū)河道與灌區(qū)管理站，陜西商洛 726000）

1 引言

隨著城市化進程的加快，城市河道面臨著日益嚴重的水資源短缺、水污染和河道生態(tài)系統(tǒng)破壞等問題。因此，研究城市河道生態(tài)補水技術，對于解決城市水環(huán)境問題，維護河道生態(tài)平衡具有重要意義。王健等[1]人針對生態(tài)河道水資源質(zhì)量差的問題，通過多級好氧強化除磷的化學凈化技術來達到改善補水質(zhì)量的目的，為城市河道的補水凈化提供了技術支持。此外，李曉琳等[2]人為了提高永定河河流水量的穩(wěn)定性，通過分析水文循環(huán)規(guī)律提出了一種新型生態(tài)補水技術。結(jié)果表明，該技術對現(xiàn)狀條件下河道徑流起到了積極作用。此次研究以SWAT（Soil and Water Assessment Tool）模型為出發(fā)點，通過數(shù)據(jù)分析和預測來指導一種新型生態(tài)補水技術，針對性地為保護和恢復河道生態(tài)系統(tǒng)的健康，改善河道水質(zhì)狀況提出解決方案。

2 城市河道生態(tài)補水技術現(xiàn)狀及難點分析

現(xiàn)有的生態(tài)補水技術是利用植物、微生物等生物修復技術來提高河道水體的自凈能力，保持水質(zhì)的清潔和凈化。例如，采用植物人工濕地技術、構(gòu)建植物污泥體系等生態(tài)修復手段來改善河道水環(huán)境[3]。這些生態(tài)補水技術能夠改善河道水體的水質(zhì)和生態(tài)系統(tǒng)的服務功能，但是對水量的補充效果較弱。城市河道生態(tài)補水是指通過補充水源，改善城市河道的水質(zhì)和水量，提升河道的生態(tài)環(huán)境。然而，實施城市河道生態(tài)補水也面臨著一些難點和挑戰(zhàn)。生態(tài)補水技術難點如圖1所示。

圖1 城市河道生態(tài)補水技術難點

第一，城市河道的生態(tài)補水需要充足的水源。在城市河道生態(tài)補水中，需要考慮從何處獲取水源。如果直接引水自然河流或湖泊，可能會對原水體造成損害，甚至引發(fā)水資源爭奪。

第二，城市河道生態(tài)補水需要處理水質(zhì)問題。要有效改善河道水質(zhì)，需要建立完善的污水處理系統(tǒng)，確保排放的水質(zhì)符合標準。

第三，城市河道生態(tài)補水需要解決水資源分配問題。例如，一些地區(qū)可能面臨缺水問題，而另一些地區(qū)則水資源充足。

第四，城市河道生態(tài)補水需要解決工程技術問題。河道的生態(tài)補水需要進行一系列的工程改造，包括引水工程、水處理工程、建設濕地等。

綜上所述，城市河道生態(tài)補水面臨著水源短缺、水質(zhì)處理、水資源分配和工程技術等多個方面的難點。在研究實際需要和技術難點后，確定以水資源短缺和水資源分配為主要研究方向，進行相關補水技術的深入探索。

3 基于SWAT水文模型的生態(tài)補水技術

SWAT 是一種用于流域尺度水文模擬的模型，廣泛用于分析和模擬水資源管理、土地利用變化對水文過程的影響。結(jié)合以上得出的城市河道生態(tài)補水四大難點，研究嘗試以SWAT 分布式水文模型分別進行深入探索。SWAT 的結(jié)構(gòu)圖如圖2 所示。

圖2 SWAT模型結(jié)構(gòu)圖

由圖2 可知，整個SWAT 模型可分為5 個子模型，包括蒸發(fā)蒸騰子模型、土壤水分平衡子模型、地表徑流和地下徑流子模型、植被生長子模型和水質(zhì)子模型。蒸發(fā)蒸騰子模型用于模擬流域內(nèi)蒸發(fā)蒸騰的過程，該模塊考慮了植被覆蓋率、土壤含水量、氣象條件等因素對蒸發(fā)蒸騰過程的影響。土壤水分平衡子模型考慮了降水、蒸發(fā)蒸騰、徑流、地下水等因素對土壤水分平衡的影響，從而模擬土壤水分的動態(tài)變化。地表徑流和地下徑流子模型考慮了地形、土壤類型、土地利用、降水等因素對徑流的影響，并模擬了不同形式徑流的生成和輸送過程。植被生長子模型考慮了植被類型、氣候條件、土壤水分等因素對植被生長的影響，從而模擬了流域內(nèi)不同植被類型的生長情況。水質(zhì)子模型用于模擬流域內(nèi)水質(zhì)的變化。該模塊考慮了土地利用類型、管理措施、土壤侵蝕、溶解質(zhì)輸運等因素對水質(zhì)的影響。

在以上各個子模型的基礎上，SWAT 模型將各個過程以及其相互作用整合在一起，通過復雜的模型計算實現(xiàn)對流域尺度水文過程、水資源利用、土壤侵蝕和水質(zhì)變化等綜合的模擬和預測。結(jié)合以上對SWAT 模型的框架分析，研究利用Archis 系統(tǒng)搭載了SWAT 模型，通過數(shù)據(jù)驅(qū)動的方式進行補水方案策劃，數(shù)據(jù)類型包括了來源于資源環(huán)境數(shù)據(jù)云平臺的Grid 格式；精度為90 m×90 m 的高程數(shù)據(jù)；來源于環(huán)境規(guī)劃院的Shape 格式1～5 級河流矢量圖；來源于中華人民共和國自然資源部的Grid 格式；精度為1 km 的土地遙感檢測數(shù)據(jù)；來源于中國氣象數(shù)據(jù)國家氣象信息中心的Txt 格式；精度為日尺度的氣象同化數(shù)據(jù)等。其中，土地數(shù)據(jù)和土壤數(shù)據(jù)皆用于確定SWAT 模型的墊面條件，氣象數(shù)據(jù)應用于河道流域的降水過程模擬，水文數(shù)據(jù)用于河道流域的水文模擬。

4 面向商洛市城市河道的SWAT 模型生態(tài)補水技術

4.1 地域概況

商洛市位于陜西省中西部，是一個歷史文化名城。商洛市城區(qū)內(nèi)有一條主要河道，即洛河，該河是商洛市的母親河，也是商洛市城區(qū)的重要景觀之一。洛河發(fā)源于商洛市山陽縣南部的陳巴峪，流經(jīng)山陽縣、商州區(qū)和洛南縣，最終在洛南縣與渭河匯合。洛河全長約145.1 km，流域面積約2 182 km2。洛河河道在城區(qū)內(nèi)呈彎曲狀，沿途有多處景點和公園。針對以上數(shù)據(jù)背景，研究結(jié)合商洛市水利局2016—2021 年河流數(shù)據(jù)記錄分別以水源短缺和水資源分配提出了地域性解決方案。

4.2 生態(tài)補水中水源短缺處理技術

由于商洛市城市化、氣候變化和人類活動等因素，很多地方的河流水源面臨減少。SWAT 模型下的生態(tài)補水水源短缺處理技術大致分7 步。

第一步為數(shù)據(jù)準備。收集商洛市所需的水文數(shù)據(jù)、氣象數(shù)據(jù)、土地利用數(shù)據(jù)等，準備建立SWAT 模型所需的輸入數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)將包括河流徑流、地下水位、降雨、蒸發(fā)、植被覆蓋、土壤類型等信息。

第二步，建立商洛市流域模型圖和模型所需的匯水面和子匯水面，設置模型的參數(shù)，包括河流參數(shù)、土壤參數(shù)、植被參數(shù)等。

第三步，通過SWAT 模擬商洛市河道水資源狀況，包括徑流、蒸發(fā)蒸騰、地下水位等，以了解城市河道的供水狀況。

第四步，利用SWAT 模型對水資源管理措施進行模擬，例如水庫調(diào)度、灌溉管理、水源保護區(qū)劃等。

第五步，選定合理的方案，結(jié)合SWAT 模型模擬的結(jié)果，制定適合商洛市的水資源管理政策，包括節(jié)約用水措施、水資源配置、水資源保護等措施。

第六步為方案評估，包括對水資源供需平衡、水質(zhì)改善、生態(tài)系統(tǒng)恢復等方面進行評估，以確定最佳的水資源管理方案。

第七步為實施和監(jiān)測，利用SWAT 模型對實施方案的效果進行監(jiān)測和評估，隨時調(diào)整和優(yōu)化管理策略。

4.3 生態(tài)補水中水資源分配技術

城市河道生態(tài)補水中的水資源分配技術是為了合理配置水資源，以滿足河道的生態(tài)需求，同時兼顧城市用水和農(nóng)業(yè)灌溉等多重需求。結(jié)合SWAT 模型下的商洛市生態(tài)補水水資源分配技術同樣大致分為7 步。

第一步為數(shù)據(jù)準備。收集商洛市城市河道水資源使用數(shù)據(jù)、水文數(shù)據(jù)、氣象數(shù)據(jù)、土地利用數(shù)據(jù)等，作為建立SWAT 模型的輸入數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)包括城市用水需求、水資源供需情況、河流流量、降雨量、蒸發(fā)等信息。

第二步為SWAT 模型建立。設置模型的參數(shù)，包括水資源分配參數(shù)、河流參數(shù)、土壤參數(shù)、植被參數(shù)等，以及模型的水文、氣象、土地利用等輸入數(shù)據(jù)。

第三步為模擬水資源分配。模擬河道的水文過程，包括徑流、蒸發(fā)、地下水位等，了解城市河道的水資源分配情況。

第四步為水資源管理模擬。例如，模擬不同的水資源分配方案，包括水庫蓄水調(diào)度、灌溉管理、城市供水管網(wǎng)管理等，以評估這些措施對城市河道水資源供需平衡的影響。

第五步～第七步與之前一致。

5 生態(tài)補水技術應用分析

研究首先從商洛市水利局收集了洛河以近5 年的相關數(shù)據(jù)。其年均徑流量為10.52 m3/s、生態(tài)基流量3.21 m3/s、平均生態(tài)需水量9.998×107m3。以Archis 系統(tǒng)為基準模擬搭建了SWAT 測試平臺，設置補水量參數(shù)為0.7。同時由于該河流的歷年平均流量比例相差較大，為了統(tǒng)一標準進行測試，研究按每月灌溉和集中月份灌溉的時間分配模式，設置了4 種不同情況的補水方案。其中，方案1 為每月灌溉模式下的水源短缺處理技術；方案2 為集中月份灌溉下的水源短缺處理技術；方案3 為每月灌溉下的水資源分配技術；方案4 為集中月份灌溉下水資源分配技術。測試每種技術在補水前和補水后的河流徑流量變化，結(jié)果如圖3 所示。

圖3 不同方案下的洛河補水徑流量變化曲線

圖3a 為方案1 下的洛河補水前后對比結(jié)果，圖3b 為方案2 下的洛河補水前后對比結(jié)果，圖3c 為方案3 下的洛河補水前后對比結(jié)果，圖3d 為方案4 下的洛河補水前后對比結(jié)果。由圖3 可知，整體而言，補水后的4 種方案中，方案4 的月均流量最高為9.4 m3/s，其次為方案1 的8.7 m3/s、方案3 的8.5 m3/s 和方案2 的7.6 m3/s。說明根據(jù)洛河的枯水季和旺水季進行合理的水資源分配是十分可行的，同時每月使用水資源短缺技術來對洛河水流進行引入和引出，對于其月平均徑流量也是有一定改善的。

綜上所述，水資源短缺技術適合每月灌溉模式，而水資源分配技術適合集中月份灌溉模式，無論哪種模式和技術都利于商洛市洛河的河道生態(tài)保護和水資源利用補給。

6 結(jié)語

隨著城市的快速發(fā)展，河道生態(tài)環(huán)境也面臨諸多挑戰(zhàn)，如水質(zhì)污染、河道水量不足等。鑒于此，本文在分析現(xiàn)有河道補水技術的現(xiàn)狀和難點后，通過SWAT 水文模型針對性提出了商洛市洛河的兩大補水技術。結(jié)果表明，本文提出的水資源短缺技術適合每月灌溉模式，此時的洛河月平均流量為8.7 m3/s；水資源分配技術適合集中月份灌溉模式，此時的洛河月平均流量為9.4 m3/s，相較于補水前的河道水量起伏變化更趨于穩(wěn)定。綜上所述，本文提出的補水技術對商洛市城市河道水量有明顯的改善效果。然而洛河涉及的流域水系較多，區(qū)域較大，為了增強實驗結(jié)果的完整性，后續(xù)研究可沿該方向繼續(xù)探索。