:導(dǎo)讀：由于城市明渠缺乏自然補(bǔ)水能力，控源截污后往往出現(xiàn)無水流動，喪失景觀生態(tài)功能的情況。針對城市明渠的特點(diǎn)，應(yīng)用水力學(xué)、環(huán)境學(xué)等理論，以石家莊為例，系統(tǒng)分析了在規(guī)劃目標(biāo)要求下，結(jié)合防洪排澇、污染控制、景觀提升等多因素限制的適用于城市明渠的生態(tài)補(bǔ)水量的計(jì)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，多為人工開挖、漿砌的硬質(zhì)溝槽，長期作為城市重要排澇或主要納污通道使用，隨著城市的發(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、景觀休閑等更多的功能。但由于城市明渠基本無自然匯水區(qū)，補(bǔ)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水，甚至喪失景觀生態(tài)功能。尤其北方地區(qū)水資源較為缺乏，如何科學(xué)確定明渠整治后的生態(tài)補(bǔ)水水源與水量，是當(dāng)前工作中的一個難點(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(tǒng)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(jì)算不再簡單適用于一般河道以生態(tài)環(huán)境機(jī)理為主的計(jì)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(biāo)、景觀要求下采取的人為補(bǔ)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(yàn)較少。

石家莊海綿城市專項(xiàng)規(guī)劃把石家莊市內(nèi)明渠的水環(huán)境、水生態(tài)改善作為一個重要目標(biāo)，通過統(tǒng)籌明渠排澇、景觀、生態(tài)等功能，有效銜接了排水防澇、控源截污、生態(tài)修復(fù)、活水保質(zhì)等措施。本文以石家莊海綿規(guī)劃為例，重點(diǎn)介紹如何結(jié)合多種目標(biāo)確定生態(tài)補(bǔ)水量，以期改善明渠水生態(tài)和水環(huán)境，開展活水保質(zhì)的思路與方法。

1明渠現(xiàn)狀

1.1明渠分布與功能定位

石家莊市區(qū)內(nèi)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(shè)的農(nóng)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年石家莊開始建設(shè)的集防洪排澇、生態(tài)景觀等功能為一體的環(huán)城水系長廊。石家莊現(xiàn)狀水系分布見圖1。

1.2水環(huán)境質(zhì)量

結(jié)合資料及現(xiàn)場調(diào)研，民心河、東南環(huán)水系皆為劣Ⅴ類水體，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(xù)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(bǔ)水水質(zhì)較差。各渠道補(bǔ)水主要為中水，輔以少量上游水庫水，現(xiàn)狀中水水質(zhì)為劣V類，難以滿足水質(zhì)需求。

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

（3）渠化嚴(yán)重、生態(tài)功能喪失。現(xiàn)有渠道基本采用三面光的漿砌形式，不適宜水生生物生長，難以形成完善的水生態(tài)系統(tǒng)，自凈能力較差。

2明渠生態(tài)補(bǔ)水目標(biāo)

規(guī)劃確定石家莊市明渠為城市重要的排澇與景觀渠道，由此確定改善水體水環(huán)境質(zhì)量，達(dá)到景觀環(huán)境用水需求，同時保證合理的排澇功能和景觀水位為石家莊市明渠生態(tài)補(bǔ)水的目標(biāo)。

石家莊海綿城市專項(xiàng)規(guī)劃中明渠水質(zhì)改善，水生態(tài)修復(fù)的工作思路如圖2所示。

以上各項(xiàng)工程策略緊密聯(lián)系，通過詳細(xì)分析點(diǎn)面源污染的現(xiàn)狀，優(yōu)先給出了控源截污的目標(biāo)與措施。在此基礎(chǔ)上，結(jié)合排水防澇、景觀需求等工作合理確定了生態(tài)補(bǔ)水的措施，測算了補(bǔ)水量。

3補(bǔ)水量測算方法

城市明渠補(bǔ)水量Q補(bǔ)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)自凈需水量Q自凈以及維持景觀水位水量Q景觀等，具體見式（1）。

Q補(bǔ)=Q蒸發(fā)+Q下滲+MAX(Q自凈，Q景觀)（1）

3.1蒸發(fā)量

蒸發(fā)過程主要受到氣溫、風(fēng)速、蒸發(fā)面積等因素影響，涉及參數(shù)較多，且日均差異較大，通常在水量計(jì)算中，采用統(tǒng)計(jì)的平均蒸發(fā)系數(shù)來進(jìn)行簡化計(jì)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(shù)，10-3 m/d；

A——水面面積，m²。

3.2下滲量

下滲量多采用達(dá)西定律計(jì)算，主要受到土壤下滲系數(shù)和水力坡度的影響，見式（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(shù)，10-3 m/d；

I——水力坡度，當(dāng)為垂直下滲時，多取1。

3.3水體自凈需水量

參考水質(zhì)凈化模型，自凈能力主要受流速、斷面形式（寬度、深度）、溶解氧、溫度、水質(zhì)降解系數(shù)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，提升水體自凈能力多簡化為對流速和斷面形式的控制，以及通過跌水、鼓風(fēng)曝氣等措施增加溶解氧水平，同時利用生態(tài)岸線等手段提高水體污染物的降解系數(shù)。從而通過人為手段，優(yōu)化補(bǔ)水量，開展活水保質(zhì)，有效提高城市渠道自凈能力。

一般根據(jù)水體管理目標(biāo)，結(jié)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凈需求作為生態(tài)補(bǔ)水目標(biāo)，從而推算生態(tài)補(bǔ)水量。但該方法涉及變量較多，如入河污染物控制水平、補(bǔ)水水質(zhì)、設(shè)計(jì)流速、設(shè)計(jì)斷面形式、水質(zhì)降解系數(shù)等，各參數(shù)相互關(guān)聯(lián)影響，計(jì)算過程相對復(fù)雜，見式（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(shè)計(jì)環(huán)境目標(biāo)（容量）下補(bǔ)水量，m/s；

Cs——控制斷面污染目標(biāo)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(shù)；

L——為河段總長度，m；

u——為設(shè)計(jì)流速，m/s。

（1）換水法。通過周期換水是確保河道納污能力，水質(zhì)穩(wěn)定主要措施。根據(jù)納污能力（自凈能力）確定換水量是較為合理的水體補(bǔ)水量計(jì)算方法。實(shí)際工程中，多利用已有研究簡化計(jì)算步驟，直接確定換水頻次。如根據(jù)《城市污水再生利用景觀用水水質(zhì)》（GB/T 18921-2002）,完全使用再生水的河道水力停留時間宜在5 d之內(nèi)，根據(jù)與石家莊狀況類似的《北京市水資源綜合規(guī)劃》的研究成果，利用再生水維持目標(biāo)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(shù)和水體自凈能力的影響參數(shù)，城市明渠斷面相對單一，可根據(jù)相關(guān)研究確定設(shè)計(jì)流速，通過設(shè)計(jì)流速與斷面的乘積直接確定河道補(bǔ)水水量，見式（6）。

Q流=F×v×86 400（6）

式中 Q流——日均自凈補(bǔ)水量，m³/d；

F——河道斷面面積，m2；

v——設(shè)計(jì)流速，m/s。

3.4景觀需水量

景觀需水量目前并無統(tǒng)一的計(jì)算方法與標(biāo)準(zhǔn)，主要與斷面設(shè)計(jì)、流速、水質(zhì)保持要求等密切相關(guān)，這些參數(shù)與要求都在前述水量計(jì)算方法中予以體現(xiàn)，因此景觀需水量的計(jì)算重點(diǎn)是根據(jù)景觀需求優(yōu)化斷面、流速、水質(zhì)保持要求等相關(guān)設(shè)計(jì)參數(shù)。

4補(bǔ)水計(jì)算邊界條件

根據(jù)補(bǔ)水量測算方法，補(bǔ)水量的計(jì)算需要確定的各參數(shù)相互關(guān)聯(lián)影響，計(jì)算過程復(fù)雜。為此，規(guī)劃過程中，需要盡量確定各參數(shù)的邊界條件，從而簡化測算過程。

4.1蒸發(fā)下滲系數(shù)

根據(jù)石家莊市氣象統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，以6月蒸發(fā)量為河道蒸發(fā)計(jì)算的最大口徑，確定蒸發(fā)系數(shù)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(jì)，月均蒸發(fā)量見圖3。

4.2入河污染量

入河污染主要來源于污水廠尾水、合流區(qū)溢流污水以及雨水徑流中攜帶的各類面源污染物。根據(jù)石家莊海綿城市專項(xiàng)規(guī)劃，除SS外的主要污染物中，污水廠點(diǎn)源負(fù)荷占到了各類污染物的85%以上，因此加強(qiáng)污水廠提標(biāo)和再生水回用是降低水體污染負(fù)荷的主要工作之一，通過提高處理標(biāo)準(zhǔn)，建設(shè)生態(tài)濕地等手段，初步確定遠(yuǎn)期污水廠尾水全部達(dá)到Ⅳ類標(biāo)準(zhǔn)。

另外通過合流制區(qū)域治理，源頭綠色基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)以及與初雨調(diào)蓄控制等手段，將合流制溢流污染頻次控制在10%以內(nèi)，面源污染削減50%以上。即通過規(guī)劃雨污混錯接改造、分區(qū)低影響開發(fā)建設(shè)、9處初雨調(diào)蓄設(shè)施等工作，嚴(yán)格控制入河污染物總量。根據(jù)規(guī)劃，經(jīng)過海綿城市建設(shè)后，中心城區(qū)287 km2范圍內(nèi)，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(bǔ)水水質(zhì)

根據(jù)遠(yuǎn)期污水廠尾水全部達(dá)到Ⅳ類標(biāo)準(zhǔn)的目標(biāo)，利用污水廠再生水補(bǔ)水水質(zhì)也不低于Ⅳ類標(biāo)準(zhǔn)。

4.4河道水質(zhì)目標(biāo)

石家莊市明渠以排澇功能為主，兼顧景觀休閑功能，參照《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》，主要以人體非直接接觸的娛樂用水區(qū)和一般景觀要求水域?yàn)橹鳌＝Y(jié)合河道功能布局，確定不同斷面水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)在Ⅳ類或Ⅴ類。其中景觀生態(tài)型岸線是重要的親水活動空間，需確保Ⅳ類水質(zhì)要求，岸線功能規(guī)劃見圖4。

4.5河道流速

考慮到作為景觀水體的感官需求，重點(diǎn)需要保證河道不發(fā)生富營養(yǎng)化狀況。根據(jù)國內(nèi)外相關(guān)研究表明，水體富營養(yǎng)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，對浮游藻類的抑制率可達(dá)到50%以上，魏楨等對北京盧溝橋再生水廠處理后出水研究表明，在0.1~0.15 m/s流速附近，藻類生長速率最低，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(wěn)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(jié)合的復(fù)式斷面，形狀較為規(guī)整，主要受水深影響，可將水深作為主要設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。渠道水深主要考慮以下4點(diǎn)。

（1）由于渠道承擔(dān)排澇功能，根據(jù)模型校核，在初始水位控制在0.5 m以內(nèi)的情況下，現(xiàn)有渠道斷面基本能滿足50年一遇排澇需求。

（2）根據(jù)魏楨等研究，在利用再生水補(bǔ)水的河道中，水深0.5 m時水華發(fā)生的趨勢要明顯小于0.7 m時。即在流動水體中，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(guī)劃河道內(nèi)種植水生植物，尤其是沉水植物。根據(jù)相關(guān)研究結(jié)果，大部分水生植物的適宜生長水深在0.2~1.0 m之間，狐尾藻、菖蒲等凈化能力較強(qiáng)的水生植物適宜水深更是在0.6 m以內(nèi)。部分研究表明，水深0.5 m時濕地系統(tǒng)能夠發(fā)揮最大的污染凈化效果，這是因?yàn)樗w表面復(fù)氧傳遞深度有限，在0.5 m左右已經(jīng)接近0，無法繼續(xù)提高水體微生物的凈化能力，同時較淺水深利于陽光照射提高水生植物的光合作用。

（4）為提高城市明渠的復(fù)合功能，規(guī)劃提高明渠的景觀生態(tài)游憩功能增強(qiáng)其親水性，設(shè)計(jì)利用渠道內(nèi)梯形斷面以上空間建設(shè)清水平臺，根據(jù)《居住區(qū)環(huán)境景觀設(shè)計(jì)導(dǎo)則》《公園設(shè)計(jì)規(guī)范》等要求，無護(hù)欄的水體在近岸2 m范圍內(nèi)的水深不得大于0.5~0.7 m。

綜合考慮以上因素，結(jié)合不同區(qū)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以內(nèi)。同時根據(jù)現(xiàn)有梯形斷面的深度情況，控制水深基本維持在0.3 m左右。推薦常見明渠水深與斷面形式見圖5。

4.7污染物綜合降解系數(shù)

綜合降解系數(shù)通常通過實(shí)測或文獻(xiàn)調(diào)研和類比獲得。根據(jù)《水域納污能力計(jì)算規(guī)程》（GBT 25173—2010），實(shí)測計(jì)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(jiān)測數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，并結(jié)合實(shí)測，現(xiàn)狀明渠上下游水質(zhì)變化極小，加之流動性差，計(jì)算所得綜合降解系數(shù)極低，約在0.01/d以下，基本無自凈能力。因此規(guī)劃采用生態(tài)岸線建設(shè)、水生植物恢復(fù)、跌水復(fù)氧、增大流速等措施人工提高石家莊明渠自凈能力。綜合降解系數(shù)參考相關(guān)文獻(xiàn)和經(jīng)驗(yàn)公式研究確定，以流速作為測算主要依據(jù)。根據(jù)《全國水環(huán)境容量核定技術(shù)指南》在設(shè)計(jì)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(bǔ)水方案

5.1補(bǔ)水點(diǎn)選擇

補(bǔ)水點(diǎn)位置的選擇主要考慮4方面因素：①補(bǔ)水點(diǎn)是渠道水力條件的重要影響因素，從而影響水體自凈能力，考慮到渠道補(bǔ)水的連貫性，補(bǔ)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(bǔ)水點(diǎn)；③為減少再生水管網(wǎng)運(yùn)行水頭，在補(bǔ)水量大，距離長的河道進(jìn)行分段補(bǔ)水；④考慮到近期再生水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)低于地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)確定的V類水體，補(bǔ)水點(diǎn)處應(yīng)有空間建設(shè)再生水凈化濕地等設(shè)施，進(jìn)一步提高補(bǔ)水水質(zhì)。

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

5.2補(bǔ)水量測算

根據(jù)確定的邊界條件，以及補(bǔ)水點(diǎn)的布置，最終確定各渠道補(bǔ)水量如圖7所示，總補(bǔ)水量31.8萬t/d。其中東南環(huán)水系北補(bǔ)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(diào)蓄容積大，且具有較好水體凈化能力。根據(jù)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(guī)劃利用泊水公園進(jìn)行循環(huán)補(bǔ)水，可將東南環(huán)北補(bǔ)水點(diǎn)再生水補(bǔ)水量由12.8萬t/d減小到7.8萬t/d。

城市明渠由于缺乏天然補(bǔ)水水源，再生水補(bǔ)水是城市明渠的主要水源。不同于自然河道，城市明渠補(bǔ)水量的確定受人為因素影響較大，不能簡單照搬一般河道以生態(tài)環(huán)境機(jī)理為主的計(jì)算方法，應(yīng)考慮河道水質(zhì)目標(biāo)要求、防洪要求、景觀要求等各方面因素。根據(jù)分析，不同于常規(guī)大水面、深水位、低流速的明渠補(bǔ)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、景觀打造的同時，減少了補(bǔ)水水量，也降低了渠道內(nèi)建設(shè)大量閘壩對排澇能力的影響。最后，河道水質(zhì)有所好轉(zhuǎn)的前提仍是控源截污，石家莊海綿城市規(guī)劃通過污染物的分析，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(dá)標(biāo)的前提。

作者單位：中規(guī)院(北京)規(guī)劃設(shè)計(jì)公司。刊登在《給水排水》2019年第2期。