: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(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，應用水力學、環(huán)境學等理論，以石家莊為例，系統(tǒng)分析了在規(guī)劃目標要求下，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難點。

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，因此其需水量計算不再簡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。

石家莊海綿城市專項規(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，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、活水保質(zhì)等措施。本文以石家莊海綿規(guī)劃為例，重點介紹如何結(jié)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(xiàn)狀中水水質(zhì)為劣V類，難以滿足水質(zhì)需求。

（2）補水量小、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，增加了蓄水量和補水需求。但目前僅有3條中水補水線路，補水總量不足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)補水目標

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)補水的目標。

石家莊海綿城市專項規(guī)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，通過詳細分析點面源污染的現(xiàn)狀，優(yōu)先給出了控源截污的目標與措施。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=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，通常在水量計算中，采用統(tǒng)計的平均蒸發(fā)系數(shù)來進行簡化計算。

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(shù)，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(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，結(jié)合渠道背景水質(zhì)和入渠點面源污染量等測算河道污染物自凈需求作為生態(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(shè)計流速、設(shè)計斷面形式、水質(zhì)降解系數(shù)等，各參數(shù)相互關(guān)聯(lián)影響，計算過程相對復雜，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(shù)；

L——為河段總長度，m；

u——為設(shè)計流速，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水量計算方法。實際工程中，多利用已有研究簡化計算步驟，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)計流速，通過設(shè)計流速與斷面的乘積直接確定河道補水水量，見式（6）。

Q流=F×v×86 400（6）

式中 Q流——日均自凈補水量，m³/d；

F——河道斷面面積，m2；

v——設(shè)計流速，m/s。

3.4景觀需水量

景觀需水量目前并無統(tǒng)一的計算方法與標準，主要與斷面設(shè)計、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算方法中予以體現(xiàn)，因此景觀需水量的計算重點是根據(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)計參數(shù)。

4補水計算邊界條件

根據(jù)補水量測算方法，補水量的計算需要確定的各參數(shù)相互關(guān)聯(lián)影響，計算過程復雜。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)計數(shù)據(jù)，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(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，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規(guī)劃，除SS外的主要污染物中，污水廠點源負荷占到了各類污染物的85%以上，因此加強污水廠提標和再生水回用是降低水體污染負荷的主要工作之一，通過提高處理標準，建設(shè)生態(tài)濕地等手段，初步確定遠期污水廠尾水全部達到Ⅳ類標準。

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補水水質(zhì)

根據(jù)遠期污水廠尾水全部達到Ⅳ類標準的目標，利用污水廠再生水補水水質(zhì)也不低于Ⅳ類標準。

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用水區(qū)和一般景觀要求水域為主。結(jié)合河道功能布局，確定不同斷面水質(zhì)標準在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)計標準。渠道水深主要考慮以下4點。

（1）由于渠道承擔排澇功能，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合功能，規(guī)劃提高明渠的景觀生態(tài)游憩功能增強其親水性，設(shè)計利用渠道內(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)計導則》《公園設(shè)計規(guī)范》等要求，無護欄的水體在近岸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)通常通過實測或文獻調(diào)研和類比獲得。根據(jù)《水域納污能力計算規(guī)程》（GBT 25173—2010），實測計算如式（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(jiān)測數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，并結(jié)合實測，現(xiàn)狀明渠上下游水質(zhì)變化極小，加之流動性差，計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、跌水復氧、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)文獻和經(jīng)驗公式研究確定，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補水點選擇

補水點位置的選擇主要考慮4方面因素：①補水點是渠道水力條件的重要影響因素，從而影響水體自凈能力，考慮到渠道補水的連貫性，補水點優(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；③為減少再生水管網(wǎng)運行水頭，在補水量大，距離長的河道進行分段補水；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類水體，補水點處應有空間建設(shè)再生水凈化濕地等設(shè)施，進一步提高補水水質(zhì)。

最終確定的補水點分布如圖6所示，并同步規(guī)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(shè)施。

5.2補水量測算

根據(jù)確定的邊界條件，以及補水點的布置，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(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)劃利用泊水公園進行循環(huán)補水，可將東南環(huán)北補水點再生水補水量由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)達標的前提。

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