李咏红，刘 旭,3,*，李盼盼，陈利顶，朱庆平，王 彤

1 北京东方园林环境股份有限公司,北京 100015 2 湖泊水污染治理与生态修复技术国家工程实验室,北京 100015 3 清华大学环境学院,北京 100084 4 中国科学院生态环境研究中心 城市与区域生态国家重点实验室, 北京 100085

河道内生态需水量是河道内、漫滩内用以维护河道生态系统稳定的水量,对于改善水质、协调生态系统、回补地下水、美化环境等具有重要作用[1- 3]。生态需水量的研究是合理配置水资源、实现水资源可持续利用的基础[4]。关于生态需水量的研究可追溯到20世纪40年代,美国渔业与野生动物保护组织规定了河流最小生态流量[5-6],60—70年代,一些研究者提出了用河道内历年流量来确定自然和景观河流基本流量的方法,80年代,随着美国在流域的开发和探索,初步形成了生态需水量的理论,并提出了生态需水量计算的方法[7-10]。我国在80—90年代,为了解决河流断流、污染问题,一些专家开始对河道在水资源配置中考虑生态需水量,但在实施、管理应用中仍处于探索阶段[4]。目前,生态需水量国内外未形成统一的定义,出现了诸如环境需水、生态用水等相互联系、但又各有区别的概念[11-12]。在生态需水量包含的项目方面,仍未有统一的定论,一般认为河道内生态需水量主要包括:河道栖息地需水量;维持河流输沙平衡的最小流动水量;改善水环境质量的最小稀释净化水量;河道渗透、蒸发水量;土壤储水量;景观需水量;航运需水量[13-18]。

本文认为生态需水量是维持河道正常生态系统所需的需水量,环境需水量是改善水环境使之符合水质目标同时能维持河道正常生态系统的水量。目前,关于生态需水量的研究主要集中在生态需水量理论模型、计算方法等方面,对于区分环境需水量和生态需水量的研究极少。本文在不同阶段不同保护目标下的同一工程项目,运用两种计算方法,使计算结果更符合工程实际。研究不同目标下环境需水量和生态需水量的变化对于河道水资源可持续利用意义重大,也是未来河道生态水文的重要研究方向。

北京市属于水资源紧缺型城市,近年来水资源供需矛盾、河流生态环境问题日益严重。河道内生态需水量研究对于节约水资源、提高水资源利用效率、控制河道污染、提高河道生态环境具有重要实用价值。研究区位于北京市房山区,该区内琉璃河河道萎缩,两岸居民区及工业区污水直排入河,污染严重。研究区内,由于市政管线铺设、污水厂建设等不能与琉璃河项目同时完工,因此在项目运营前期,琉璃河内仍有污水排入,项目以消纳污水、水质达标为主,后期污水配套设施完工后,以生态修复及维系为目标。本文拟以截污完成前和截污完成后的生态需水量为研究目标,定义了环境需水量、生态需水量两种概念。环境需水量是计算在有污水排入时,为维持水质目标而所需的水量,生态需水量是计算无外源污染排入时,河道基本的生态环境需水量。本文首次在同一工程中对环境需水量、生态需水量两个值进行计算,创新性的将两个概念对比,对其他类似工程具有一定的指导意义。

1 研究区概况

北京琉璃河湿地公园位于北京市房山区琉璃河镇,总面积528.58 hm2,涉及房山区大石河及其支沟白草洼沟等多条水系。项目区位于大石河下游,自琉璃河镇边界至兴礼桥长约10.6 km(图1)。

图1 研究区位置图Fig.1 Location of the project

房山区属暖温带半湿润大陆性气候,四季分明。全区多年平均降水量590 mm,其中山区为595 mm,平原区578 mm;多年平均气温12.1℃,多年平均降水量590 mm,降水年际变化大,年最大降水量为1069.2 mm(1956年),年最小降水量为316.2 mm(1965年)。降水年内分布不均,多集中在6—9月份。多年平均蒸发量1080—1140 mm。

由于人类不合理的开发利用,城市及人口规模扩张加快,造成了水资源短缺,河道萎缩,洪涝灾害频发,水体污染严重。现状区域内为麦田、藕塘、林地等。在《京津冀地区生态环境保护整体方案》中,重点保护首都及周边地区生态等原则,确定了琉璃河湿地工程建设的必要性。房山区可依托琉璃河湿地工程提升河槽防洪标准,满足下游河道防洪要求,改善生态环境。

图2 琉璃河补水水源示意图Fig.2 Water source of Liuli river

琉璃河湿地目标水质为地表Ⅲ类水,常规补水水源如图2所示:为城关镇再生水厂、韩村河镇再生水厂、窦店工业基地再生水厂、琉璃河再生水厂。补水水源出水水质为一级A,经河边湿地处理后,水质可满足地表Ⅲ类水要求,用以补充琉璃河。本工程涉及大石河段来水主要为上游周口店河、夹括河、窦店白草洼沟污水。

2 研究方法

2.1 生态需水概念

对于河道而言,生态需水量是维持其正常生态系统平衡稳定所需的水量,其值有一个阈值范围,超过其上限或者下限均会对生态系统造成破坏[19]。本文研究的是河道生态需水的最小值,其值并不是简单的各项加和,应根据各项之间相互关系来确定[20]。本文将河道生态需水量分为关联因素Q1和必须因素Q2、Q3、Q4。关联因素Q1是指的作用有交叉重合的因素,Q1包含河道栖息地需水量;维持河流输沙平衡的最小流动水量;改善江河水环境质量的最小稀释净化水量;景观需水量;航运需水量。必须因素如Q2为河道渗透水量、Q3为蒸发水量、Q4为土壤储水量。

生态需水量的内涵包括水量和水质双重含义[21],崔保山等认为可分为生态需水量和环境需水量两部分[22]。环境需水侧重于环境方面,是为了解决水污染、保护水环境所需要的水量[23]。生态需水量侧重于生态方面,主要是解决生物群落所消耗的水量。虽然生态需水与环境需水两者之间存在着交叉与重合的部分,但从目标上讲两个使用方向不同的。本文按照其侧重不同将其做如下区分:

环境需水量的Q1中含有稀释净化水量,不含生物栖息地需水量;

生态需水量的Q1中含有生物栖息地需水量,不含稀释净化水量;

本文以北京市房山区琉璃河湿地公园为例,分别计算以排污为主的河道环境需水量,以生态系统构建为主的河道生态需水量。

2.2 生态需水量计算

(1)环境需水计算方法

环境需水量可以定义为在一定的污染负荷水平下河流水质达到环境功能要求和相应的水质标准所需的最小流量[24]。河道最小环境需水量要满足的环境功能主要包括两个:保持水体一定的稀释能力,保持水体一定的自净能力[25]。环境需水量计算方法主要有:7Q10法、水质目标法[26]、稳态水质模型法[26]等。本文认为环境需水计算方法为:

河道内环境需水=Q1+Q2+Q3+Q4

式中,Q1:关联因素水量(万m3),Q2:河道渗透水量(万m3),Q3:蒸发水量(万m3),Q4:土壤储水量(万m3)。

河道水质应从控制污染源入手,不能依靠增加生态用水实现[27],由于项目的两侧的污水排放点需进行污水管道铺设后排入污水厂,污水厂开始运行时间晚于琉璃河完工时间,故在项目初期需要考虑两侧污水的排入后净化水质所需的水量,待琉璃河两侧污水截污工作完成后,可不考虑此水量。

(2)生态需水量计算方法

生态需水量指维护生态系统正常结构、功能与完整性所需要的水分,强调的是满足不同生态环境体系,维持其正常生态体系健康的基本水量需求[13]。根据研究表明河道内水生生物栖息地需水量计算方法主要方法有:湿周法、R2cross法、增量法[28]、组合法、生境模拟法[29]。本文认为生态需水计算方法为:

河道内生态需水=Q1+Q2+Q3+Q4

2.3 数据计算方法

(1)景观娱乐水量

目前对保持景观水量和水上娱乐功能所需的水面面积及流量等需水量计算方法还没有统一的计算方法和标准。在我国部分城市进行规划时,常采用人均水面面积指标来衡量和确定维持景观、娱乐的水面面积和景观需水量。

本项目中为满足景观需要,在河道桩号25+000处(兴礼桥上游100 m)修建气盾坝,坝高3.5 m,边坡坡度为1∶3,河底宽度70 m。河道内景观蓄水量采用槽蓄法计算:

Ai=3hi+70hi

式中,Wq:琉璃河主河槽蓄水量(万m3),i:河段序数,Li:第i个河段的长度(m),Ai:第i个河段距上游li米处的截面积(m2),li:第i个河段距上游li米处的长度(m),ΔHi:第i个河段上下游水位差(m),hi:第i个河段距上游li米处的深度(m),Hi,上:第i个河段上游起始处的深度(m),Hi,下:第i个河段下游终止处的深度(m)。

(2)维持河流输沙平衡的最小流动水量

根据《北京市水文年鉴(2012年)》,大石河年平均输沙率7.71 kg/s,其中汛期输砂率30.3 kg/s,非汛期输沙率0 kg/s。琉璃河位于房山区大石河下游段,无实测泥沙资料。根据实地调查分析,上游、中游大石河泥沙含量较高,项目区段河道来沙量较低。项目河道内对原有河道进行拓宽,河底重新翻新,且补水水源为再生水,不考虑河道输沙的水量。

(3)改善水环境质量的最小净化水量

由于7Q10法、水质目标法未考虑河道自净能力,仅考虑河道稀释作用,稳态水质模型法对于排污口概化问题尚不清晰,故本文采用水域纳污能力法计算。在计算最小净化需水量时,考虑到河道的稀释及自净作用,根据《全国水环境容量核定技术指南》,河道环境容量计算公式为:

R=86.4QCS-C0+0.001KVCS

式中,R:环境容量(kg/d),Q:河道流量(m3/s),CS:水质目标浓度(mg/L),C0:上方河段水质现状断面浓度(mg/L),K:污染物的降解系数(/d),V:蓄水量(m3)。

计算河道最小净化需水量,环境容量R等于排入河道污水负荷,即:

R=0.001C污水×Q污水

C污水为进入河道的污水浓度,mg/L

Q污水为进入河道的污水流量,m3/d

可得:

V为槽蓄量,即:

V=最小净化需水量+污水排入量

可得:

最小净化需水量=V-污水排入量

(4)土壤储水量

土壤储水量主要受土壤含水量、土壤层厚度和湿地土壤面积影响,可采用土壤重量含水量计算土壤储水量:

Ws=γ×αs×H1×A1+γ×αF×H2×A2/ρ

式中,Ws:河道内的土壤储水量(万m3),γ:土壤容重(g/cm3),ρ:水的密度(g/cm3),αs:土壤达到饱和含水量时对应的重量百分比含水量(%),αF:土壤达到田间持水量时对应的重量百分比含水量(%),H1:水面的土壤层厚度(m),H2:河道内非水面区域的土壤层厚度(m),A1:河道内水面面积(hm2),A2:河道内非水面区域面积(hm2)。

(5)河道内水面蒸发需水量

河道蒸发量由下式计算:

We=∑AT

式中,We:水体蒸发量(万m3),A:水面面积(hm2),T:平均水面蒸发量(m)。

(6)渗透需水量

考虑补水水源选取再生水,为更好保护地下水及景观蓄水,采取减渗措施降低渗漏量。

Qs=365×ks×A

式中,Qs:渗透量(万m3),ks:渗透系数(m/s),A:渗透剖面面积(hm2)。

(7)生物的栖息地需水量

水生生物的栖息地主要是由水面、沼泽植被等组成的,提供给鱼类、鸟类等繁殖场所、及生存所需的水量[30]。生物栖息地需水量就是根据不同的湿地类型,找到关键物种,根据正常年份鸟类及鱼类在该区栖息、繁殖的正常需水量[31]。琉璃河湿地生态恢复以鱼类、鸟类栖息地恢复为主,以期发展观鸟产业。一般认为,为保证野生生物栖息地的健康,湿地的水深应在0.3—2.0m之间[32]。

严军等认为栖息地需水量的计算方法为[33]:

W=βAjhi

式中,W:栖息地需水量(万m3),β:水面面积百分比%,Aj:湿地面积(m2),hi:平均水深(m)。

3 结果与讨论

3.1 计算结果

(1)景观娱乐需水量

各河段常水位水深范围如表1所示:

表1 琉璃河主河槽常水位水深

琉璃河常水位蓄水量计算结果如表2所示:

表2 琉璃河主河槽常水位蓄水量

经计算,得到琉璃河景观娱乐需水量为180.43万m3。

(2)改善水环境质量的最小净化水量

据现场踏勘及调查,项目区周边现状存在污水直接入河问题,现状污水入河情况可根据污水性质分为三类:

1)污水处理厂未达标出水:3处,分别为窦店污水处理厂出水、窦店沟污水、韩村河污水处理厂出水。

2)生活污水:6处,包括洄城村、依澜阳光小区、二街三街村、燕都立民附近小区的生活污水。

3)工业污水:3处,分别为琉璃河水泥厂、燕都立民屠宰场、中粮五谷道场排出的工业污水。

由于污水厂出水由湿地处理至达标后排入琉璃河,故此次污水厂出水不计入污染源。计入排污的污染点源分布如下。

经过现场勘查,污染点源的污染水质及水量见表3。

图3 污染点源分布Fig.3 Distribution of point pollution

位置Location化学需氧量(CODCr)Chemical oxygen demand/ (mg/L)氨氮(NH3-N)Ammonia nitrogen/(mg/L)总氮(TN)Total nitrogen/(mg/L)总磷(TP)Total phosphorus/(mg/L)水量Water quantity/(mg/L)洄城村(1)29711.4383.13104洄城村(2)26710.5352.43124依澜阳光小区15211.4382.97171二街村2267.8262.86162三街村2387.2242.52206燕都立民小区1627.5252.84342琉璃河水泥厂1103.0610.22.18206燕都立民屠宰场30811.1374.26142中粮五谷道场2536.1820.63.6262

有研究表明,影响水质的最主要因素是COD浓度[34],这适用于污染严重的阶段,在琉璃河水质目标情境下,其主要问题为春秋季富营养化,因此选取总氮、总磷作为主要控制污染物,计算河道生态需水量。总氮和总磷的降解系数分别取0.053/d、0.033/d[35]。根据《北京市水文年鉴(2012年)》,大石河漫水河水文站2012年平均径流量1.78 m3/s,其中汛期径流量6.93 m3/s,非汛期径流量0.04 m3/s,取非汛期径流量0.04 m3/s。河道目标水质为地表Ⅴ类,水质目标TN为2.0 mg/L,TP为0.4 mg/L,再生水厂水经湿地处理后出水水质TN为1.587 mg/L,TP为0.236 mg/L,以湿地出水水质为计算断面浓度,计算结果见表。

由表中可见,消纳TP的需水量大部分为负值,这是由于自湿地出水后,保持流量0.04 m/s的情况下,水体环境容量大于污水排入量,消纳TP的值总体为负值,不需考虑消纳TP的所需水量,只考虑TN水量即可。由计算可得,改善水环境质量的最小净化水量为30.39万m3/d。根据《房山琉璃河镇中心区控制性详细规划(2008年—2020年)》,琉璃河镇污水厂2020年开始运行。琉璃河湿地工程2018年完工,期间2019、2020年两年尚有污水排入,这两年需要考虑环境需水。

表4 最小净化水量计算表

(4)土壤储水量

本项目中,土壤容重取1.25 g/cm3;水的密度取1.0 g/cm3;根据研究,αs、αF分别介于50%—60%和30%—50%[36],本文取αs=50%和αF=30%;水面的土壤层厚度H1为0.3 m,非水面区域的土壤层厚度H2为0.5 m;河道内水面面积A1为79.7 hm2,非水面区域面积A2为6.36 hm2,计算得到河道内的土壤储水量为16.136万m3。

(5)河道内水面蒸发需水量

河道内水面面积为79.7 hm2,根据国家气象局网站资料(站台54511),蒸发量如图4、5所示,计算得到每个月的蒸发量如所示:

图4 月平均蒸发量Fig.4 Monthly evaporation of water surface

图5 琉璃河月蒸发需水量Fig.5 Monthly evaporation water requirement of Liuli river

经计算水体年蒸发量为78.03万m3,日均2138 m3。

(6)渗透需水量

减渗材料采用膨润土防水毯,渗透系数5×10-8cm/s(4.32×10-4m/d),计算可得,水体渗透量21.69万m3,日均渗漏量0.034万m3。

(7)河道栖息地需水量计算

根据周维博等人的研究,湿地指示鸟类的需水水深如表5所示[31]。

表5 湿地指示鸟类需水规律

北方一般淡水鱼品种为草鱼、鲤鱼、鲢鱼等,本文以生活在水体底层且活力较强的鲤鱼为例,以此计算琉璃河的生态需水。张文鸽认为鲤鱼适宜水深为1.0—1.5 m[37],而韩振华认为,鲤鱼适宜水深为0.45 m[38],国内外对鱼道的研究表明,鱼道所需的最小深度是鱼类身高的3倍[39],取鲤鱼身高30 cm,则鲤鱼所需水深为0.9 m。

比较鱼类、鸟类所需水深,取二者较大值鱼类需水水深0.9 m为栖息地所需平均水深,河道内水面面积为79.7 hm2,则河道内的水生生物栖息地需水量为71.73万m3。

经计算,环境需水量Q1取景观娱乐及航运需水量180.43万m3,土壤储水量为16.12万m3,琉璃河河道内一次环境需水量为196.78万m3,日均用水量2482 m3,高日用水量3374 m3。为保证水质不低于地表Ⅴ类,对污水进行稀释和自净,湿地处理后每天进入河道内的水量应不低于30.39万m3,琉璃河河道水循环周期为5.93 d。

生态需水量Q1取景观娱乐及航运需水量180.43万m3,琉璃河河道内一次环境需水量为196.78万m3,日均用水量2482 m3,高日用水量3374 m3。不考虑河道内污水排入,河道水循环周期可按照正常设计进行。

3.2 讨论

(1)由于琉璃河工程的独特,决定了不同时期生态需水量的特殊性,在生态需水量的讨论中,本文定义了一种新的计算方法:按照有无污水排入分为环境需水量和生态需水量,两种需水量计算中仅在Q1上有所区别。计算方法是Q1、河道渗透水量、蒸发量、土壤存水量之和。生态需水量还有Tennant法、枯水频率法(7Q10)、湿周法、R2CROSS法等其他水文学、水力学方法。不同计算方法侧重方向不同,生态需水量加和法侧重于生态需水量蒸发、渗透等环境功能,Tennant法侧重于保护河道健康环境的最小流量,7Q10法是美国考虑水质因素确定的河道内生态环境需水的方法,它从控制污染源的角度出发,采用90%保证率最枯连续7 d的平均水量作为河道生态需水最小流量值。不同的计算方法对结果产生一定影响。

(2)在最小净化需水量的计算中,计算方法采用的是零维环境容量法,零维模式是建立在河水完全混合的情况下,即不受时间、空间的约束,不考虑空间方向上的浓度梯度,而在实际水体中污水分布存在一定浓度梯度,因此,计算结果与实际情况有一定的出入。

(3)在最小净化需水量计算中,受温度、光照等环境因素的影响,不同地区河流污染物降解系数有所差别,如中国河流COD综合降解系数范围为0.009—0.47 d-1,氨氮的综合降解系数范围为0.105—0.350 d-1[40]。本文中选取的降解系数为平原河网典型污染物降解系数,此数据应与房山区实际降解系数有一定差距,对计算结果有一定的影响。

(4)本次生态需水量计算中,仅计算了平水期水量,并未考虑汛期来水的影响。琉璃河作为城市排涝河道,汛期流量为6.93 m/s,在最小净化需水量计算中,若考虑汛期流量,则每日无需湿地出水量即可保证水质。

4 结论与建议

(1)关于生态需水量的研究大多集中在理论模型、计算方法上,对于生态需水量和环境需水量的区分研究极少。本文基于不同阶段不同保护目标,在同一工程项目中分别计算生态需水量和环境需水量,以期对同类工程项目起到指导作用。

(2)研究结果表明:在Q1的比较中,景观娱乐需水量均为最大值,为180.43万m3。生态需水量和环境需水量中,景观娱乐用水量所占比例最大,为91.6%,土壤储水量占8.2%,水体蒸发量占0.1%,渗透量占0.1%。水体蒸发量和渗透量为消耗水量,平均每日消耗水量为0.24 m3,最高日为0.337 m3。保证水质不低于地表Ⅴ类,以消纳污水为主的河道,需每日进入不低于30.39万m3的湿地出水。在以生态修复为目标的河道内,没有污水注入,不须考虑此值。

(3)本工程中二者计算结果相同,但是在一些排污量较大,景观需水量较小的工程中,运用此方法二者的计算结果不同。在2020年琉璃河两岸截污工作完成后,点源污染完全消除,可不计算改善水环境质量的最小净化水量,直接应用生态需水量。在一些无污染排入的河流中,可忽略改善水环境质量的最小净化水量。

(4)目前在改善水环境质量的最小净化水量的研究中,只考虑了河道的稀释能力,计算结果偏大。在本文计算中引入河道纳污能力的概念,指出河道发挥稀释、自净两种作用,计算结果更贴近实际。计算方法与水力学、环境学相结合,从研究方法上向多学科拓展。

在北方地区水资源缺乏、水污染严重的现状下,河道的水资源供需矛盾更加尖锐,如何协调水污染,水生态,水资源之间平衡,将是未来研究的重点。