丹山河生态补水的需水量分析报告1

丹山河生态补水的生态需水量分析傅心铎（黑龙江农垦勘测设计研究院广州分院广州番禺）摘要：丹山河为市桥城区主干河道，沿河两侧人口居住密度相当大，现状河涌的恶劣环境早已引起市民强烈不满，同时也严重制约了两岸经济持续发展。随着十六届亚运会明年在广州召开，丹山河东岸英东体育馆届时将成为赛会主赛场之一，亚洲各国体育健儿及各国记者云集丹山河，如果水环境得不到改善将严重影响番禺区形象，因此，通过调水改善河涌水质，美化水环境是十分必要的。关键词：丹山河生态补水生态需水量0前言丹山河为市桥城区主干河道，沿河两侧人口居住密度相当大，现状河涌的恶劣环境早已引起市民强烈不满，同时也严重制约了两岸经济持续发展。随着十六届亚运会明年在广州召开，丹山河东岸英东体育馆届时将成为赛会主赛场之一，亚洲各国体育健儿及各国记者云集丹山河，如果水环境得不到改善将严重影响番禺区形象，因此，通过调水改善河涌水质，美化水环境是十分必要的。河涌生态需水量从两方面考虑：一方面分析现状天然径流情况；二是计算维持河涌稀释自净能力和河涌景观所需的生态需水量。从这两方面定量分析评价，为了满足河涌生态环境功能所需的生态补水量。1河涌生态系统的最小需水量1、丹山河水文分析河流生态环境用水量是河流系统中各类生物赖以生存的物质基础，为了保持良好的生态环境，河流维持一定数值大小的流量是必须的。计算河道生态流量时往往要首先了解河道的径流特性，由于丹山河无水文站，本次以番禺气象站1960～2007年的逐月降雨资料为依据进行计算。1.采用径流系数法计算丹山河逐月流量PR（式2-1）TFRQ（式2-2）式中，R——径流深，mm；P——降雨量，mm；α——径流系数，采用番禺区径流系数0.475；F——流域面积，km2；T——时段，s；Q——流量，m3/s。代入番禺气象站1960～2007年的逐月降雨计算，结果如表2-1。表2-1丹山河1960～2007年逐月径流量单位：m3/s年份一月二月三月四月五月六月七月八月九月十月十一月十二月19600.130.000.310.300.901.270.542.890.780.210.210.0819610.080.370.322.960.800.641.490.532.540.040.500.1619620.040.230.260.551.171.110.780.560.880.410.390.00……………………………………………………………………20040.290.290.250.501.561.140.971.790.320.000.020.0120050.050.040.410.661.241.840.881.010.800.000.000.0020060.110.360.700.272.902.631.381.240.550.190.580.1320070.060.180.161.351.141.830.312.040.580.050.010.062、Montana法目前，国际上还没有统一的河道内生态环境需水量的衡量标准和计算方法，对合理流量的计算方法更少有提及。在国内，估算河流生态环境用水的主要方法是10年最枯月平均流量法，在《地方水污染物排放标准的技术原则和方法》（GB3839－83）中，规定一般河流采用近十年最枯月平均流量或百分之九十保证率最枯月平均流量，用于计算污染物允许排放量。在国外，常用的河流生态环境用水的估算方法方法有河道湿周法、”R2CROSS”法、河道内流量增加法、7Q10法、Montana法等，各种生态需水量的计算方法各有长短。其中美国的7Q10法适用于防治河流水质污染的计算，采用90%保证率最枯连续7天的平均水量作为河流最小流量设计值，主要用于计算污染物允许排放量，在许多大型水利工程建设的环境影响评价中得到应用。而Montana法是以水质目标为约束的生态环境需水量计算方法，是一种综合计算方法，河流流量推荐值是以预先确定的年平均流量的百分数为基础，见下表。表2：Montana法生态需水流量标准流量的叙述性描述推荐的基流（10～3月）（%平均流量）推荐的基流（4～9月）（%平均流量）最大200200最佳范围60～10060～100极好4060非常好3050好2040中或差1030差或最小1010极差0～100～10该法利用水文站的年平均流量计算生态环境需水量。丹山河多年平均流量0.69m3/s,以多年平均流量的10%作为河道最小生态需水量，则得出的最小生态需水量为0.069m3/s。然而该法计算河流生态流量并未解决河流合理流量，所得出的河流流量过小，不能满足合理流量的要求。3、河流合理流量的推算根据文献《河流合理流量计算方法的探讨》（董福平）合理流量与生态需水量不同，应是常水位条件下的流量，通常不包括洪水流量。丹山河流域面积28.15km2，逐月流量资料采用1960～2007年系列，共48年。一年中大、小流量的出现天数是不同的，大流量比小流量出现时间少得多，我们以流量级差为0.1m3/s统计丹山河48年各级流量的出现月数，见图1。y=0.2678x-1.2760.0001.0002.0003.0004.0005.00000.511.522.53系列1乘幂(系列1)图1：丹山河月流量多年平均出现月数图由图表可见全年中平均出现月数最多是2.19月，相应流量是0.1m3/s，该点右侧，随着日流量的增加，平均出现的天月数逐渐减少经与各种函数曲线（幂函数、指数函数、对数函数）拟合后，发现幂函数曲线拟合较好。从曲线中确定拐点（1.5，0.313），拐点上部斜率较大，下部斜率较小，则以该拐点（1.5m3/s）作为临界流量。以小于临界流量（1.5m3/s）的各级流量（除去断流流量0）进行加权平均，得出丹山河合理流量0.54m3/s。计算公式如下式所示：DRiLQQQNQQRiH/式中：LQ——临界流量（m3/s）；RiQ——月流量（m3/s）；DQ——断流流量（m3/s），0Q=0；HQ——多年平均合理流量（m3/s）；N——与RiQ相应的总月数。4、河涌最小生态需水流量由于河涌受人为影响较大，已失去原有的天然性，而Montana法计算的河道最小生态流量是以河流处于较天然状况的基础上的，因此本次计算河涌最小生态流量采用合理流量，即0.54m3/s。2河涌水质最小稀释净化水量丹山河水质最小稀释净化水量主要包括两部分：一是净化丹山河上游的因潮汐引起的往复流；二是净化进入水体的部分面源污染。丹山河上游2010年以前进行全面的截污措施，从理论上进入河涌污水排放量为零，但是由于暴雨等流域产汇流原因，不可避免有部分面源污染量进入河道。因此，本次计算只考虑部分面源污染量。本次计算重点考虑净化稀释因潮汐引起的往复流。通过市桥河水系综合整治规划，雁州水闸、龙湾水闸和陈头水闸联合调度实施后，改变了原市桥水道往复流的性质，使所有水体均流向下游，经三沙口排向狮子洋，加快水体置换速度，大大增加水环境容量，增加了水体自净能力，基本改善了市桥水道等主干河道的水环境问题。但水闸联合调度对市桥水道支流水体改善却十分有限，需要规划相应的补水工程措施进行调节。以丹山水系为例，根据工程运行实践经验，通过水闸联合调度实施，可净化置换丹山挡潮闸至分洪闸一带水域的水体，但是分洪闸至丹山河上游里仁洞、榄塘和东沙一带，因潮位的顶托从而形成往复流，因而水闸联合调节对丹山河整个水系的水环境条件改善十分有限。为此，为了改善丹山河整个水体的条件，需要规划补水工程措施，通过跨流域调水，实行水资源优化配置，达到社会、经济和环境的协调发展。1、往复流水体净化根据上述的分析，往复流水体净化首先要明确在景观水位0.8米条件下，丹山河各支流的往复流的水体体积。然后根据往复流的水体体积确定净化稀释总量和对应的流量。往复流的水体体积的确定是根据各支流的涌容曲线，确定在0.8水位条件下对应的容积量。表3：丹山河各段水体涌容曲线单位：水位（m）涌容（m3）水位河段（支涌）-2-1.5-1……22.5丹山河里仁洞涌0.000.000.00……314.001680.50丹山河揽塘涌0.000.002434.41……60121.7279487.19丹山河东沙涌0.000.000.00……64189.0582628.74丹山河黄编涌0.000.000.00……3978.005778.00丹山河瓶颈段0.00463.003640.49……31327.4736888.91丹山分洪河3057.2216711.0939276.05……226942.57247407.42丹山河西涌上游段0.003133.3012320.72……92920.30107006.74丹山河西涌下游段2780.8511756.9724114.86……119817.95136804.10仲元河0.001211.405437.30……43034.5449535.70从上表可知，在景观水位0.8条件下，里仁洞水体体积为0,说明里仁洞高程较高。揽塘涌水体体积为20956.55m3，东沙涌水体积为26444.4m3，瓶颈段18742.36m3，黄编编涌暗河232.2m3，丹山分洪河145615.7m3，丹山河西涌上游段59243.1m3，丹山河西涌下游段79633.0m3，仲元河27482.8m3，因此总补水量为378350.17m3。考虑到仲元河水量部分可以通水闸联合调度置换，根据工程运行实践经验，置换的这部份水量大致占仲元河道水量的50%左右，因此本次计算中总补水量可去除这部分水量的一半，即总水量变为364608.77m3。众所周知，静水无鱼，主要是因为时间久了之后水质恶化，根据有关资料，养殖鱼类时一般夏季3天～7天换水一次，且每次换水要彻底。考虑到丹山河水体改善对广州亚运会以及所属区域的品质的提升有重要的意义，因此为了保持丹山河水体自净能力，枯水季节丹山河流量较小甚至为0时，需补水以促进丹山河水体交换，设定其换水周期为3天，由于市桥河水系受不规则半日潮的感潮影响，因此确定每天换水时间为12个小时。据此，换水流量为2.83m3/s。2、面源污染的水体净化天然水体对有机质污染物有稀释和自净能力。河道最小稀释净化水量是为维系和保护河流的最基本环境功能不受破坏的最小阈值，一方面要保证水体一定的稀释能力，另一方面还要保证水体的自净能力。以河流稀释和自净作为主要环境功能的河道最小环境需水量的计算方法，是结合目前我国水环境污染物比较严重的具体情况提出的。河涌最小稀释净化水量是全年各个时段要有的水量保证,因此河流生态需水量按时段分别算，每个时段生态需水量需满足下列方程：),(),(itWitWd式中：),(itW为某时段某河段的达标排放的污水量，为河流稀释系数，根据河流主要控制指标的污水排放标准与河流水环境标准确定。由污水排放标准与河流水环境标准可知，河流的稀释系数一般不低于5。丹山河水体全面截污后，水体的污染源主要来自降雨带来的非点源污染，而降雨中又主要来自暴雨季节。依据水量与水质法，径流中大致有2%的流量与水质（主要考虑COD、总氮TN）有关，因此年内各段的生态需水量计算如下。月份单位1234……9101112年平均径流m3/s0.190.270.370.90……0.910.360.190.15非点源负荷量m3/s0.000.010.010.02……0.020.010.000.00稀释流量m3/s0.020.030.040.11……0.110.040.020.02上表中，稀释系数按6来计算。总体上汛期流量大，非点源负荷量也偏大，所需稀释量也大。稀释量是从月平均角度考虑，而不是从短期暴雨考虑。年平均稀释量确定为0.10m3/s。3河涌景观功能要求适应水深及水面面积的需水量随着社会提济的日益繁荣和发展，观光旅游和水上娱乐活动愈来愈加受到人们重视，并逐渐发展成为社会经济的支柱产业和社会文明的标志。对于河流而言，要保持河道景观和水上娱乐活动功能，必须有一定的水面面积及流量。景观生态环境需水量是维持河流与其水文周边景观生态系统的结构和功能的完整性不受破坏所