:導讀：由于城市明渠缺乏自然補水能力，控源截污后往往出現無(wú)水流動(dòng)，喪失景觀(guān)生態(tài)功能的情況。針對城市明渠的特點(diǎn)，應用水力學(xué)、環(huán)境學(xué)等理論，以石家莊為例，系統分析了在規劃目標要求下，結合防洪排澇、污染控制、景觀(guān)提升等多因素限制的適用于城市明渠的生態(tài)補水量的計算思路。為城市明渠污染控制、生態(tài)用水配置提供了新的解決途徑。

0 引言

城市明渠與一般自然河道不同，多為人工開(kāi)挖、漿砌的硬質(zhì)溝槽，長(cháng)期作為城市重要排澇或主要納污通道使用，隨著(zhù)城市的發(fā)展，居民對美好生活追求的日益提高，對城市明渠賦予了生態(tài)改善、景觀(guān)休閑等更多的功能。但由于城市明渠基本無(wú)自然匯水區，補水多以城市雨污水排放或上游河庫引水為主，因此采取控源截污措施后將明顯減少城市明渠來(lái)水，甚至喪失景觀(guān)生態(tài)功能。尤其北方地區水資源較為缺乏，如何科學(xué)確定明渠整治后的生態(tài)補水水源與水量，是當前工作中的一個(gè)難點(diǎn)。

相對于自然河道，明渠水質(zhì)、水量受人為控制作用明顯，與自然生態(tài)系統的交互作用較弱，基本喪失了一般河流的自然屬性和生態(tài)屬性，因此其需水量計算不再簡(jiǎn)單適用于一般河道以生態(tài)環(huán)境機理為主的計算方法，如Tennant法、濕周法等。城市明渠的需水量主要是考慮在一定的環(huán)境目標、景觀(guān)要求下采取的人為補水措施，主要受到蒸發(fā)、下滲、污染物降解等因素影響，目前相關(guān)經(jīng)驗較少。

石家莊海綿城市專(zhuān)項規劃把石家莊市內明渠的水環(huán)境、水生態(tài)改善作為一個(gè)重要目標，通過(guò)統籌明渠排澇、景觀(guān)、生態(tài)等功能，有效銜接了排水防澇、控源截污、生態(tài)修復、活水保質(zhì)等措施。本文以石家莊海綿規劃為例，重點(diǎn)介紹如何結合多種目標確定生態(tài)補水量，以期改善明渠水生態(tài)和水環(huán)境，開(kāi)展活水保質(zhì)的思路與方法。

1明渠現狀

1.1明渠分布與功能定位

石家莊市區內河以民心河與東南環(huán)水系為主。民心河是基于1954~1982年建設的農灌與排澇渠道修繕聯(lián)通形成的明渠水系，主要包括總退水渠、元村明渠、南栗明渠、橋西明渠、東明渠、五支渠等；東南環(huán)水系則為2010年石家莊開(kāi)始建設的集防洪排澇、生態(tài)景觀(guān)等功能為一體的環(huán)城水系長(cháng)廊。石家莊現狀水系分布見(jiàn)圖1。

1.2水環(huán)境質(zhì)量

結合資料及現場(chǎng)調研，民心河、東南環(huán)水系皆為劣Ⅴ類(lèi)水體，局部為黑臭水體。綜合分析，除合流制溢流污染與面源污染持續輸入大量污染物外，以下原因也加重了石家莊明渠水質(zhì)的惡化。

（1）補水水質(zhì)較差。各渠道補水主要為中水，輔以少量上游水庫水，現狀中水水質(zhì)為劣V類(lèi)，難以滿(mǎn)足水質(zhì)需求。

（2）補水量小、水位高、流動(dòng)性差?，F狀渠道為保持開(kāi)闊的景觀(guān)水面，沿線(xiàn)設置了大量的橡膠壩提高水位，增加了蓄水量和補水需求。但目前僅有3條中水補水線(xiàn)路，補水總量不足20萬(wàn)m³/d，測算明渠水體平均流速小于0.003 m/s，流動(dòng)性極差，使得污染物在被橡膠壩分割形成的一個(gè)個(gè)靜止水體中持續累積。

（3）渠化嚴重、生態(tài)功能喪失?，F有渠道基本采用三面光的漿砌形式，不適宜水生生物生長(cháng)，難以形成完善的水生態(tài)系統，自?xún)裟芰^差。

2明渠生態(tài)補水目標

規劃確定石家莊市明渠為城市重要的排澇與景觀(guān)渠道，由此確定改善水體水環(huán)境質(zhì)量，達到景觀(guān)環(huán)境用水需求，同時(shí)保證合理的排澇功能和景觀(guān)水位為石家莊市明渠生態(tài)補水的目標。

石家莊海綿城市專(zhuān)項規劃中明渠水質(zhì)改善，水生態(tài)修復的工作思路如圖2所示。

以上各項工程策略緊密聯(lián)系，通過(guò)詳細分析點(diǎn)面源污染的現狀，優(yōu)先給出了控源截污的目標與措施。在此基礎上，結合排水防澇、景觀(guān)需求等工作合理確定了生態(tài)補水的措施，測算了補水量。

3補水量測算方法

城市明渠補水量Q補的主要考慮因素包括蒸發(fā)量Q蒸發(fā)、下滲量Q下滲、水質(zhì)自?xún)粜杷縌自?xún)粢约熬S持景觀(guān)水位水量Q景觀(guān)等，具體見(jiàn)式（1）。

Q補=Q蒸發(fā)+Q下滲+MAX(Q自?xún)?，Q景觀(guān))（1）

3.1蒸發(fā)量

蒸發(fā)過(guò)程主要受到氣溫、風(fēng)速、蒸發(fā)面積等因素影響，涉及參數較多，且日均差異較大，通常在水量計算中，采用統計的平均蒸發(fā)系數來(lái)進(jìn)行簡(jiǎn)化計算。

Q蒸發(fā)=K蒸發(fā)×A（2）

式中 Q蒸發(fā)——日均蒸發(fā)量，m³/d；

K蒸發(fā)——日均蒸發(fā)系數，10-3 m/d；

A——水面面積，m²。

3.2下滲量

下滲量多采用達西定律計算，主要受到土壤下滲系數和水力坡度的影響，見(jiàn)式（3）。Q下滲=K下滲×I×A（3）

式中 Q下滲——日均下滲量，m³/d；

K下滲——日均下滲系數，10-3 m/d；

I——水力坡度，當為垂直下滲時(shí)，多取1。

3.3水體自?xún)粜杷?/p>

參考水質(zhì)凈化模型，自?xún)裟芰χ饕芰魉?、斷面形式（寬度、深度）、溶解氧、溫度、水質(zhì)降解系數等影響。其中，流速、斷面形式、溶解氧是可人為控制的主要因素。因此，提升水體自?xún)裟芰Χ嗪?jiǎn)化為對流速和斷面形式的控制，以及通過(guò)跌水、鼓風(fēng)曝氣等措施增加溶解氧水平，同時(shí)利用生態(tài)岸線(xiàn)等手段提高水體污染物的降解系數。從而通過(guò)人為手段，優(yōu)化補水量，開(kāi)展活水保質(zhì)，有效提高城市渠道自?xún)裟芰Α?/p>

一般根據水體管理目標，結合渠道背景水質(zhì)和入渠點(diǎn)面源污染量等測算河道污染物自?xún)粜枨笞鳛樯鷳B(tài)補水目標，從而推算生態(tài)補水量。但該方法涉及變量較多，如入河污染物控制水平、補水水質(zhì)、設計流速、設計斷面形式、水質(zhì)降解系數等，各參數相互關(guān)聯(lián)影響，計算過(guò)程相對復雜，見(jiàn)式（4）。

M=(Cs-C0exp(-kL/u))exp(kL/2u)Q容（4）

式中 M——控源截污后入河污染物速率，g/s；

Q容——設計環(huán)境目標（容量）下補水量，m/s；

Cs——控制斷面污染目標濃度，mg/L；

C0——起始斷面污染背景濃度，mg/L；

k——污染物綜合降解系數；

L——為河段總長(cháng)度，m；

u——為設計流速，m/s。

（1）換水法。通過(guò)周期換水是確保河道納污能力，水質(zhì)穩定主要措施。根據納污能力（自?xún)裟芰Γ┐_定換水量是較為合理的水體補水量計算方法。實(shí)際工程中，多利用已有研究簡(jiǎn)化計算步驟，直接確定換水頻次。如根據《城市污水再生利用景觀(guān)用水水質(zhì)》（GB/T 18921-2002）,完全使用再生水的河道水力停留時(shí)間宜在5 d之內，根據與石家莊狀況類(lèi)似的《北京市水資源綜合規劃》的研究成果，利用再生水維持目標水質(zhì)的換水頻率如表2所示。

（2）流速法。河道流速是河道重要的水力參數和水體自?xún)裟芰Φ挠绊憛?，城市明渠斷面相對單一，可根據相關(guān)研究確定設計流速，通過(guò)設計流速與斷面的乘積直接確定河道補水水量，見(jiàn)式（6）。

Q流=F×v×86 400（6）

式中 Q流——日均自?xún)粞a水量，m³/d；

F——河道斷面面積，m2；

v——設計流速，m/s。

3.4景觀(guān)需水量

景觀(guān)需水量目前并無(wú)統一的計算方法與標準，主要與斷面設計、流速、水質(zhì)保持要求等密切相關(guān)，這些參數與要求都在前述水量計算方法中予以體現，因此景觀(guān)需水量的計算重點(diǎn)是根據景觀(guān)需求優(yōu)化斷面、流速、水質(zhì)保持要求等相關(guān)設計參數。

4補水計算邊界條件

根據補水量測算方法，補水量的計算需要確定的各參數相互關(guān)聯(lián)影響，計算過(guò)程復雜。為此，規劃過(guò)程中，需要盡量確定各參數的邊界條件，從而簡(jiǎn)化測算過(guò)程。

4.1蒸發(fā)下滲系數

根據石家莊市氣象統計數據，以6月蒸發(fā)量為河道蒸發(fā)計算的最大口徑，確定蒸發(fā)系數為7.38 mm/d。由于石家莊多為硬質(zhì)渠底，下滲速率忽略不計，月均蒸發(fā)量見(jiàn)圖3。

4.2入河污染量

入河污染主要來(lái)源于污水廠(chǎng)尾水、合流區溢流污水以及雨水徑流中攜帶的各類(lèi)面源污染物。根據石家莊海綿城市專(zhuān)項規劃，除SS外的主要污染物中，污水廠(chǎng)點(diǎn)源負荷占到了各類(lèi)污染物的85%以上，因此加強污水廠(chǎng)提標和再生水回用是降低水體污染負荷的主要工作之一，通過(guò)提高處理標準，建設生態(tài)濕地等手段，初步確定遠期污水廠(chǎng)尾水全部達到Ⅳ類(lèi)標準。

另外通過(guò)合流制區域治理，源頭綠色基礎設施建設以及與初雨調蓄控制等手段，將合流制溢流污染頻次控制在10%以?xún)?，面源污染削減50%以上。即通過(guò)規劃雨污混錯接改造、分區低影響開(kāi)發(fā)建設、9處初雨調蓄設施等工作，嚴格控制入河污染物總量。根據規劃，經(jīng)過(guò)海綿城市建設后，中心城區287 km2范圍內，面源污染與合流制溢流污染的年均污染排放量不高于表3。

4.3補水水質(zhì)

根據遠期污水廠(chǎng)尾水全部達到Ⅳ類(lèi)標準的目標，利用污水廠(chǎng)再生水補水水質(zhì)也不低于Ⅳ類(lèi)標準。

4.4河道水質(zhì)目標

石家莊市明渠以排澇功能為主，兼顧景觀(guān)休閑功能，參照《地表水環(huán)境質(zhì)量標準》，主要以人體非直接接觸的娛樂(lè )用水區和一般景觀(guān)要求水域為主。結合河道功能布局，確定不同斷面水質(zhì)標準在Ⅳ類(lèi)或Ⅴ類(lèi)。其中景觀(guān)生態(tài)型岸線(xiàn)是重要的親水活動(dòng)空間，需確保Ⅳ類(lèi)水質(zhì)要求，岸線(xiàn)功能規劃見(jiàn)圖4。

4.5河道流速

考慮到作為景觀(guān)水體的感官需求，重點(diǎn)需要保證河道不發(fā)生富營(yíng)養化狀況。根據國內外相關(guān)研究表明，水體富營(yíng)養化受到流速影響較大。李飛鵬等研究表明，流速在0.1 m/s左右時(shí)，對浮游藻類(lèi)的抑制率可達到50%以上，魏楨等對北京盧溝橋再生水廠(chǎng)處理后出水研究表明，在0.1~0.15 m/s流速附近，藻類(lèi)生長(cháng)速率最低，澳大利亞水華相關(guān)控制技術(shù)的研究也證明，夏季控制0.04 m/s以上的流速，可以避免形成穩定熱分層，從而有效降低水華頻次和程度。因此，考慮石家莊明渠流速控制在0.05~0.1 m/s之間。

4.6斷面尺寸

石家莊明渠多為梯形與矩形結合的復式斷面，形狀較為規整，主要受水深影響，可將水深作為主要設計標準。渠道水深主要考慮以下4點(diǎn)。

（1）由于渠道承擔排澇功能，根據模型校核，在初始水位控制在0.5 m以?xún)鹊那闆r下，現有渠道斷面基本能滿(mǎn)足50年一遇排澇需求。

（2）根據魏楨等研究，在利用再生水補水的河道中，水深0.5 m時(shí)水華發(fā)生的趨勢要明顯小于0.7 m時(shí)。即在流動(dòng)水體中，較低的水深能夠有效降低水華發(fā)生的趨勢。

（3）為提高水體凈化能力，規劃河道內種植水生植物，尤其是沉水植物。根據相關(guān)研究結果，大部分水生植物的適宜生長(cháng)水深在0.2~1.0 m之間，狐尾藻、菖蒲等凈化能力較強的水生植物適宜水深更是在0.6 m以?xún)?。部分研究表明，水?.5 m時(shí)濕地系統能夠發(fā)揮最大的污染凈化效果，這是因為水體表面復氧傳遞深度有限，在0.5 m左右已經(jīng)接近0，無(wú)法繼續提高水體微生物的凈化能力，同時(shí)較淺水深利于陽(yáng)光照射提高水生植物的光合作用。

（4）為提高城市明渠的復合功能，規劃提高明渠的景觀(guān)生態(tài)游憩功能增強其親水性，設計利用渠道內梯形斷面以上空間建設清水平臺，根據《居住區環(huán)境景觀(guān)設計導則》《公園設計規范》等要求，無(wú)護欄的水體在近岸2 m范圍內的水深不得大于0.5~0.7 m。

綜合考慮以上因素，結合不同區域渠道斷面以及功能定位，除東南環(huán)水系外，確定渠道水深控制在0.5 m以?xún)?。同時(shí)根據現有梯形斷面的深度情況，控制水深基本維持在0.3 m左右。推薦常見(jiàn)明渠水深與斷面形式見(jiàn)圖5。

4.7污染物綜合降解系數

綜合降解系數通常通過(guò)實(shí)測或文獻調研和類(lèi)比獲得。根據《水域納污能力計算規程》（GBT 25173—2010），實(shí)測計算如式（7）：k=uΔxlnCACB(7)

式中 Δx——測量斷面距離，m；

u——流速，m/s；

CA——上游斷面污染物濃度，mg/L；

CB——下游斷面污染物濃度，mg/L。

分析參考石家莊明渠相關(guān)水質(zhì)監測數據發(fā)現，并結合實(shí)測，現狀明渠上下游水質(zhì)變化極小，加之流動(dòng)性差，計算所得綜合降解系數極低，約在0.01/d以下，基本無(wú)自?xún)裟芰?。因此規劃采用生態(tài)岸線(xiàn)建設、水生植物恢復、跌水復氧、增大流速等措施人工提高石家莊明渠自?xún)裟芰?。綜合降解系數參考相關(guān)文獻和經(jīng)驗公式研究確定，以流速作為測算主要依據。根據《全國水環(huán)境容量核定技術(shù)指南》在設計流速下，河北省KCOD、KNH3-N分別為0.3~0.4/d、0.4~0.6/d左右。

5補水方案

5.1補水點(diǎn)選擇

補水點(diǎn)位置的選擇主要考慮4方面因素：①補水點(diǎn)是渠道水力條件的重要影響因素，從而影響水體自?xún)裟芰?，考慮到渠道補水的連貫性，補水點(diǎn)優(yōu)先選擇在各渠道的起端；②考慮控制渠道水深相對一致，在斷面變化較大，或者周邊存在較大河道取水需求的上游增加補水點(diǎn)；③為減少再生水管網(wǎng)運行水頭，在補水量大，距離長(cháng)的河道進(jìn)行分段補水；④考慮到近期再生水水質(zhì)標準低于地表水環(huán)境質(zhì)量標準確定的V類(lèi)水體，補水點(diǎn)處應有空間建設再生水凈化濕地等設施，進(jìn)一步提高補水水質(zhì)。

最終確定的補水點(diǎn)分布如圖6所示，并同步規劃了5處補水凈化濕地，以及2處源頭補水人工強化處理設施。

5.2補水量測算

根據確定的邊界條件，以及補水點(diǎn)的布置，最終確定各渠道補水量如圖7所示，總補水量31.8萬(wàn)t/d。其中東南環(huán)水系北補水量較大，考慮到其下游泊水公園面積較大，是石家莊重要的郊野濕地公園，調蓄容積大，且具有較好水體凈化能力。根據全市再生水平衡情況，為保障工業(yè)以及城市雜用等再生水需求，規劃利用泊水公園進(jìn)行循環(huán)補水，可將東南環(huán)北補水點(diǎn)再生水補水量由12.8萬(wàn)t/d減小到7.8萬(wàn)t/d。

城市明渠由于缺乏天然補水水源，再生水補水是城市明渠的主要水源。不同于自然河道，城市明渠補水量的確定受人為因素影響較大，不能簡(jiǎn)單照搬一般河道以生態(tài)環(huán)境機理為主的計算方法，應考慮河道水質(zhì)目標要求、防洪要求、景觀(guān)要求等各方面因素。根據分析，不同于常規大水面、深水位、低流速的明渠補水思路，保證一定流速的淺水位更加利于綜合效益的發(fā)揮，利于水質(zhì)的保持、景觀(guān)打造的同時(shí)，減少了補水水量，也降低了渠道內建設大量閘壩對排澇能力的影響。最后，河道水質(zhì)有所好轉的前提仍是控源截污，石家莊海綿城市規劃通過(guò)污染物的分析，合理確定污染控制措施，減少入河污染物總量是確保水質(zhì)達標的前提。

作者單位：中規院(北京)規劃設計公司?？窃凇督o水排水》2019年第2期。