城市河道生态环境需水研究

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城市河道生态环境需水研究

____以湖南省常德市穿紫河为例

曾维华，宋其龙，陈荣昌

北京师范大学环境学院，环境污染控制与模拟国家重点实验室，北京100875

摘要：在系统归纳总结国内外河道生态环境需水理论研究成果的基础上，结合穿紫河作为一条城市河流的实际情况，应用生态学、环境学和水文学理论，系统分析了穿紫河河道生态环境需水的研究范畴和影响因素，对穿紫河不同时段下的河道生态环境需水进行定量研究。研究得出穿紫河河道生态环境需水平均为2.92 m3/s，城市河道生态环境需水与来水水质和河道沿岸的污染物排放情况关系最为密切。一方面，为穿紫河流域水资源的合理调配提供科学依据，有利于穿紫河生态环境的稳定和良性循环；另一方面，对城市河道生态环境需水理论进行一些探索。

关键词：生态环境需水；城市河道；穿紫河

中图分类号：X143 文献标识码：A 文章编号：1672-2175（2004）04-0528-04

水是维持河流系统和谐结构和使之发挥正常功能的介质和动力[1]。处理好河流中水与生态、环境之间的相互作用关系，保证河道内有足够的水量以满足河道生态系统与环境的需求十分重要。目前，国内外对常年性天然河流的生态环境需水研究很多[1~4]，通常认为,河流系统生态环境需水量是为了维护河流生态环境的天然结构与功能,主要应该包括: （1）河流系统中天然和人工植被耗水量，包括水源涵养林、水土保持措施及天然植被和绿洲防护林带的耗水量；（2）维持水生生物栖息地所需的水量；（3）维持河口地区生态平衡所需的水量；（4）维持河流系统水沙平衡的输沙入海水量；（5）维持河流系统水盐平衡的入海水量；（6）保持河流系统一定的稀释净化能力的水量；（7）保持水体调节气候、美化景观等功能所损耗的蒸发量；（8）维持合理的地下水位所必需的入渗补给水量等[2]。以往生态环境需水研究的河流基本上是有上游和沿途汇集的天然来水来满足需水要求；而城市河流由于人工控制设施众多，基本没有上游天然来水，大部分靠人工引水满足生态环境需水要求。国内对城市河流的生态环境需水研究还比较少[5]，特别是专门针对城市河道生态环境需水研究还没有。随着社会城市化进程的加快，城市河流的水环境问题日益成为城市进一步发展中需要重点解决的问题，研究城市河道生态环境需水对于城市的水环境安全和城市的可持续发展具有十分重要的意义。

本文将基于生态环境需水理论，结合穿紫河沿岸污水排放的实际情况，对穿紫河不同时段下河道的生态环境需水进行定量研究。一方面为穿紫河流域水资源的合理调配提供科学依据，有利于穿紫河生态环境的稳定和良性循环；另一方面，对城市河道生态需水理论进行一些探索。

1 城市河道生态环境需水研究

河道生态环境需水与河流生态环境需水是两个不同的概念，郑冬燕等认为：河流生态环境需水主要包括河道内需水与河道外需水两大部分，两者相互影响[3]。本文所说的河道生态环境需水，可定义为河道内生态环境需水，只是河流生态环境需水的一部分，对于常年性天然河流，更应该强调河流的生态环境需水；而对于基本无上游天然来水的城市河流，则更应该强调河道的生态环境需水。城市河道生态环境需水量作为城市生态环境需水的一部分，其研究可为城市水资源科学配置提供理论依据[6]。

1.1 城市河流生态环境功能分析

河流的功能有两个方面[7]：一是功利性功能，如为生产、生活提供用水，为航运、水上娱乐、养殖等提供水域，为水力发电提供能源等；二是生态环境功能，如为水生生物提供生存环境，对污染物的稀释和自净作用，保证河口地区生态系统稳定，以及输沙排盐、湿润空气、补充土壤含水等功能。功利最大性原理驱动人们只注重河流的经济功能，而忽视其本身所具有的生态环境功能；其结果必然导致水资源利用率不断升高，水资源利用效率不断降低，使得河道水量日益减少，污染日重，环境质量日差。

河道的生态环境需水应该根据河流的主要生态环境功能确定。在河流多种功能并存的情况下，应按水资源的自然属性、河流特点等，确定河流的主要（主导）功能，优先满足主导生态环境功能。近几年，随着城市的逐步发展，大部分城市水系原有的灌溉、饮用与航运等功能都已消失。在目前和将来很长一段时间，绝大多数城市水系主要功能将定位于排水和景观河道以及娱乐等功能。

1.2 城市河道生态环境需水研究范畴

城市河道生态环境需水主要受两类因素的影响：一类是河道生态系统本身的结构特征，如植被类型、水生生物数量、空间结构、格局、配置等因素，以及相应于河道生态系统所固有的结构特征、其自身存在着特定的生态环境需水阈值；另一类是影响河道生态系统的外界环境因子，诸如气候、日照、气温、降水、蒸发、风速、水文气象因子、以及城市河道沿岸排污口的排污均对河道的生态环境需水产生影响。在这些影响因素中，以河道自身的空间格局和外界排入河道的污水对河道的生态环境需水影响最大。

曾维华等：城市河道生态环境需水研究529 根据水量平衡原理[8]，如果河段河道一定，并按照年平

均状况计算，则任一河段的河道水量平衡方程可表示为：

Q t=Q m ±Q g＋Q R＋Q b＋Q W－Q e－Q n ±ΔW（1）

上式中，Q

t 为任一河段河道中的总水量，m3/s；Q

m

为

上游进入该河段河道中的来水量，m3/s；Q

g

为该河段地下水

进入该河段河道的水量，m3/s；Q

R

为该河段降水量，m3/s；Q b为该河段支流汇入的水量，m3/s；Q W为河段废污水的排

入量，m3/s；Q

e 为该河段河道的水面蒸发损失量，m3/s；Q

n

为该河段河道两岸引用水量，m3/s；ΔW为该河段某一时段始末河道中储水量差值，m3/s。

从目前各城市河流的实际情况来看，城市河流一般不作为两岸的灌溉水源，上游来水主要通过人工调控进入河道，其河道生态环境需水主要由：水生生物栖息；维持水沙平衡、水盐平衡以及河道的稀释和自净能力、河面蒸发、景观效应和保持一定的地下水位等方面的需水组成。分析影响城市河道生态环境需水的各因素见表1。由于外界环境因子不断变化，具有不确定性，为了适应这种不确定性，河道本身需要调节生态环境需水的阈值以响应外界环境的变化。

城市河道生态环境需水量可以界定为在一定水环境功能标准下，特别是在干旱年份，为了维持河流生态系统正常的生态结构与基本的水生生态环境功能不受破坏，河流所必须保障的最小需水量[4]。河道生态环境需水量所要满足的环

[9]

持水体一定的自净能力。需要指出的是，河流稀释能力主要指的是河水稀释污染物，使其质量浓度降低的能力；而河流自净能力主要是指河流通过一系列物理化学作用将水体中污染物分解转化的能力，在整个河道生态环境需水量中，除保持水盐平衡所需水量是不定期需要保证的水量，其他各需水组成部分均要求全年各个时段都要有相应的水量保证。在特定时间和空间内，城市河道生态环境需水是满足水环境功能目标的变量，其更注重的是河道的水环境需水，即维持河流水环境功能所需要的水量。在人类活动频发的城市河段，往往要求河道具有一定的纳污稀释功能，因此在综合考虑水质保护与水量维持关系情况下，确定城市河道生态环境需水量更具有实际的意义。

由于城市河道自身空间格局、外界影响因子和水资源调度的复杂性，进行城市河道生态环境需水的计算时，应该根

据各主要影响因素，计算出河道生态环境需水的各组成部分，并分析各项水量之间相互满足的关系，整合出一个合适的水量作为城市河道生态环境需水量，而不是对各项水量进行简单的相加。本文认为，在城市河道生态环境需水各组成部分容易得知的情况下，其总的河道生态环境需水量可以采用如下公式进行计算：

Q Y=Q l＋Q s＋Q f＋Q d＋Q e＋Q c＋Q u－Q R－∑Q0（2）上式中，Q

Y

为河道生态环境需水量，m3/s；Q

l

为维持

河道中水生生物栖息所需水量，m3/s；Q

s

为维持河口水沙平

衡所需水量量，m3/s；Q

f

为维持水盐平衡所需水量，m3/s；Q d为稀释水体中污染物所需水量，m3/s；Q e为维持河段水

面蒸发所需水量，m3/s；Q

c

为维持河道景观所需水量，m3/s；Q u为维持当地地下水位所需水量，m3/s；Q R为河段水面降

雨量折合流量，m3/s；∑Q

为以上各项需水重复量之和，m3/s。

1.3 城市河道生态环境需水的特征

1.3.1 时间变化性

城市河道生态环境需水在年内随季节的变化而有所差异，仅以水面蒸发来说，受到年内太阳辐射的变化、空气湿度、气温、风速等季节变化的影响，其水面蒸发也有明显的变化；河道内的生物在不同的生长期内对水分的要求也有明显的不同。

1.3.2 空间变化性

由于河道不同地段空间参数的差异，导致不同地段的河道环境承载力不同，地下水位、水生生物数量等也不一样，在不同的区段上，河道生态环境需水自然也就不一样。1.3.3 功能目标变化性

城市河道生态环境需水受河流系统所起到的生态功能的制约。对生态环境的功能要求越高，河道的生态环境需水量也就越大，而根据生态功能区划，即使是属于同一河流系统，在不同的区段起到的生态功能也不同，因而其河道在不同的区段上，其生态环境需水也就不同。

2 穿紫河河道生态环境需水研究

2.1 穿紫河概况

穿紫河水系位于湖南省常德市城区北部，全长17.3 km，是常德市的一条环城景观水系。穿紫河沿岸有船码头、夏家垱、尼姑桥、柏子园、杨武垱、三闾、楠竹山、建设桥一机埠、建设桥二机埠、粟家垱和余家垱等共11个机埠（见图1）向河道内排放雨水和生活污水，各机埠现状均已经基本实现截污。穿紫河基本无上游天然来水，水污染严重，无法达到景观用水要求，需要采用引相邻的渐河河水入河道满足生态环境需水要求。

分析穿紫河河道来水，在没有降雨时，机埠收集的80%的生活污水通过污水管道输送至污水处理厂，但仍有20%的生活污水直接排入穿紫河中；暴雨期各机埠所有的雨水都经机埠直接排入穿紫河，分别在柳叶闸和南碈处排入柳叶湖和沅江。因此，穿紫河河道来水主要由渐河河水、穿紫河沿岸各机埠排放的生活污水和雨水的混合水等组成。

水生生物栖息水生生物数量受人工控制明显

水沙平衡基本无上游来沙，两岸冲刷较小，泥沙含量小

水盐平衡不是沿海城市不用考虑

维持河流稀释和自净能力河水流速慢，流量随人工控制，水质受沿岸污染物排放影响大

河面蒸发较当地天然河流稍大

景观效应景观效应明显，通常为景观河道

维持地下水位

根据河底和护坡衬砌情况及当地地下水