基于北方干旱地區(qū)河道生態(tài)景觀需水研究

王成言，趙星偉

（中水北方勘測設(shè)計研究有限責任公司，天津 300222）

在傳統(tǒng)水利與景觀融合不斷深化的新階段，如何科學(xué)合理確定生態(tài)需水量、景觀需水量是困擾設(shè)計工作者的難題。西洋河生態(tài)治理工程通過新建揚水泵站和引水管道自東洋河引水，對西洋河城區(qū)段河道打造流水的水面景觀。本文以具有北方干旱河流特征的西洋河生態(tài)治理工程為例，研究其生態(tài)需水量、景觀需水量問題。

1 工程概況

西洋河生態(tài)治理工程位于河北省張家口市懷安縣西洋河城區(qū)段河道，西起西洋河G110西洋河大橋上游350 m，東至西洋河與南洋河匯河口處下游約500 m，總長7.1 km。引水水源為東洋河河道來水。工程的主要任務(wù)是在滿足河道防洪要求的基礎(chǔ)上，通過實施輸水、蓄水閘壩、生態(tài)廊道等工程建設(shè)，實現(xiàn)西洋河懷安縣城段水生態(tài)修復(fù)和水環(huán)境改善。工程主要內(nèi)容包括生態(tài)廊道建設(shè)工程、輸水工程、蓄水閘壩工程等。該工程是懷安縣打造水生態(tài)、水景觀、水文化和水經(jīng)濟的重要生態(tài)治理工程。

工程區(qū)屬東亞大陸性季風氣候，多年平均氣溫7.4℃，平均無霜期130 d，冰凍期一般為1、2月和12月，多年平均水面蒸發(fā)量935 mm，多年平均降雨量390 mm。西洋河屬于永定河流域，是洋河的一級支流，控制流域面積927 km2。東洋河控制流域面積2250 km2。根據(jù)東洋河柴溝堡河道站1951—2013年實測逐月徑流系列統(tǒng)計，多年平均流量為2.12 m3/s，其中1951—2000年多年平均流量2.50 m3/s、2001—2005年多年平均流量0.68 m3/s、2006—2013年多年平均流量0.6 m3/s。西洋河上游建有西洋河水庫，水庫以上控制流域面積為617.6 km2。西洋河水庫近年下泄水量為0，經(jīng)實地調(diào)查，西洋河近年來為干河。

2 生態(tài)流量計算

2.1 對象及目標確定

計算生態(tài)流量，最關(guān)鍵是確定其生態(tài)保護的對象和目標，從而確定適宜的計算方法，進而得到符合河湖自身特點和發(fā)展需求的科學(xué)的生態(tài)流量。

人們對生態(tài)流量的認識是逐步深化的過程[1]，有關(guān)實踐探索在逐步深入推進[2]，確定方法、技術(shù)標準、監(jiān)管規(guī)范等正在逐步完善[3]。2018年水利部組織的河湖生態(tài)水量（流量）專項研究工作提出，季節(jié)性河流設(shè)定不人為加劇斷流程度的要求，且可以暫不考慮生態(tài)流量目標問題。彭文啟[4]提出回歸“自然水流”的可能性很低的河湖，需要適度放棄對自然水流流態(tài)的固守，合理確定面向維持新型河湖生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與功能的水文狀態(tài)。西洋河近年來為干河，周圍缺少穩(wěn)定、充足的引水水源，因此生態(tài)流量不以回歸其“自然水流”為目標，而以維持河道正常蓄水位為目標。工程需水對象為西洋河城區(qū)段河道。

2.2 生態(tài)需水量計算

生態(tài)需水量分為蓄水河道水面蒸發(fā)損失水量、滲漏損失水量、生態(tài)林草灌溉水量、換水量。

2.2.1 水面蒸發(fā)損失水量

西洋河現(xiàn)狀河道常年無水，工程實施后將形成連續(xù)的生態(tài)水面，蒸發(fā)損失增大。根據(jù)水面面積、降水量、水面蒸發(fā)量計算各月的蒸發(fā)生態(tài)需水量。設(shè)計河道正常蓄水位對應(yīng)的水面面積為13.98 hm2。根據(jù)友誼水庫蒸發(fā)站觀測資料統(tǒng)計，多年平均水面蒸發(fā)量為859.90 mm。根據(jù)柴溝堡雨量站觀測資料統(tǒng)計，多年平均降雨量為430.00 mm。經(jīng)計算，西洋河本河段年蒸發(fā)損失水量為6.15萬m3。

2.2.2 滲漏損失水量

根據(jù)河床水文地質(zhì)條件以及采取的工程防滲措施，滲漏量按年平均蓄水量的2%考慮，工程蓄水量為16.28萬m3，因此本河段滲漏損失水量為0.32萬m3。

2.2.3 生態(tài)林草灌溉水量

本工程在河道灘地建設(shè)柳灘，柳灘植被由河道內(nèi)取水灌溉。由于項目區(qū)1、2、12月為冰凍期，因此植物需水時間為每年3—11月。根據(jù)《河湖生態(tài)環(huán)境需水計算規(guī)范》（SL/Z712-2021），采用單位面積用水量法計算植物灌溉需水量。工程建設(shè)柳灘面積為12 hm2，根據(jù)《河北省用水定額》（2016年），城鎮(zhèn)綠化用水取0.6 m3/（m2·a）。經(jīng)計算，本工程植物灌溉需水量為7.2萬m3。

2.2.4 換水量

為保證河道水質(zhì)，每年春季集中換水1次。換水時間安排在每年4月下旬，換水量取設(shè)計蓄水量為16.28萬m3。

2.2.5 總需水量

綜上所述，西洋河本河段凈生態(tài)需水量為水面蒸發(fā)損失水量、滲漏損失水量、生態(tài)林草灌溉水量以及換水量的合計，為29.95萬m3。本工程引水方案為利用現(xiàn)有集成渠渠道引水，引水渠道主體為現(xiàn)澆混凝土結(jié)構(gòu)，渠系水利用系數(shù)取0.90。因此，毛生態(tài)需水量合計33.28萬m3/a，其中4月毛需水量最大為20.10萬m3，詳見表1。

表1 生態(tài)需水量計算成果萬m3

2.3 引水流量計算

引水流量是工程設(shè)計的重要指標，可以直接影響到工程規(guī)模的大小。引水量即總需水量，包括水面蒸發(fā)損失水量、滲漏損失水量、生態(tài)林草灌溉水量以及換水量。對于引水時間，并沒有標準參考，只有一些課題研究類項目通過模型模擬方法做過相應(yīng)分析，如李云良[5]等運用數(shù)值模擬方法，采用MIKE21定量研究了季節(jié)水情動態(tài)下鄱陽湖換水周期和示蹤劑傳輸時間的空間分布等。本文在研究引水時間與引水流量、工程投資變化趨勢的基礎(chǔ)上，擬定引水時間的合理范圍，最終考慮景觀流量、制約條件等因素綜合確定引水時間。引水量除以引水時間即為引水流量。

2.3.1 引水時間與引水流量的關(guān)系分析

擬定引水時長分別為1、2、3……8、9、10 d，共10種方案。引水流量最大值按引水量最大月份4月確定。4月份引水量包括一次性換水量以及當月的河道蒸發(fā)損失、滲漏損失、生態(tài)林草灌溉用水、引水渠道損失等水量，共計20.10萬m3。引水時長與引水流量關(guān)系，如圖1所示。

圖1 引水時間與引水流量關(guān)系

由圖1可見，引水時長與引水流量成非線性變化關(guān)系。引水時長1、2、3、4、5 d時引水流量減幅較大，每增加1 d，流量下降較快，增加引水時長所換來的流量下降效益明顯。引水時長6、7、8、9、10 d時引水流量減幅較小，說明延長引水時間流量下降不顯著，尤其是引水時長9、10 d以后流量下降緩慢。由于流量大小決定了工程規(guī)模，所以流量降幅快速下降后至趨于平緩之間的引水時長理論上是工程規(guī)模相對經(jīng)濟的情況。本工程理論引水時長推薦5、6、7、8 d。

2.3.2 引水時間與工程投資的關(guān)系分析

引水流量決定了工程揚水泵站及引水渠道的工程投資。引水時間與工程投資的關(guān)系，如圖2所示。由圖2可見，3、5 d引水方案工程投資顯著增加，7、10 d工程投資增加幅度不大。因此，引水時間理論上推薦7、10 d。

圖2 引水時間與投資關(guān)系

綜合以上分析，引水時間采用7 d。

3 景觀流量計算

本工程利用泵站提水至上游后逐級溢流，形成跌水形式的流水景觀，營造河道水流景觀效果。目前城市水景觀建設(shè)的理論研究較為缺少，而水景觀自身屬性亦更偏重于美學(xué)范疇，較難量化表達。水量大小會展示出或氣勢磅礴或涓涓細流的不同視覺效果，以此滿足不同的審美需求。因此，需要分別計算不同堰上水頭的理論流量值，綜合分析引水水源、流量及投資等因素后，再與生態(tài)流量數(shù)值共同擬定。

景觀流量按堰上水頭的不同，分為幾種溢流方案。計算方法采用《水力計算手冊》堰流流量計算公式。堰的設(shè)計寬度135 m，堰高2.5 m。堰上水頭與景觀流量關(guān)系，如圖3所示。由圖3可以看出，堰上水頭隨流量增大而增大。

圖3 堰上水頭與景觀流量關(guān)系

4 制約條件分析

水源的可引水量大小是本工程的制約條件。

西洋河生態(tài)景觀用水主要引水源為東洋河河道來水。采用2006—2013年東洋河柴溝堡河道站的逐日徑流系列，扣除非灌溉期灌溉引水日流量以及東洋河生態(tài)基流，經(jīng)長系列調(diào)算后，得到東洋河2006—2013年多年平均非灌溉期各月可引水流量。對2006—2013年東洋河非灌溉期逐日可引水量進行排頻分析，繪制流量保證率曲線。分析保證率曲線可知，東洋河可引水量大于0.3 m3/s的保證率為28.4%，即71.6%情況下東洋河可引水量不足0.3 m3/s，需要通過其他方式引水以滿足生態(tài)用水需求；若引水規(guī)模進一步加大至0.6 m3/s，東洋河可引水量大于該流量的保證率僅為17.4%，即82.6%情況下東洋河可引水量不足0.6 m3/s，不能滿足景觀及生態(tài)用水需求。從可引水量保證率分析可知，工程引水流量宜控制在0.3 m3/s左右，若引水流量繼續(xù)增大，將導(dǎo)致水源保證率過低。

5 引水規(guī)模確定

生態(tài)需水與景觀需水采用錯時錯峰用水原則進行調(diào)度，引水規(guī)模取兩者的外包線。綜合以上分析，考慮生態(tài)需水要求、景觀流量要求、水源可引水量、工程經(jīng)濟性、引水時間等多項因素，最終確定引水規(guī)模為0.33 m3/s，引水保證率約為28.4%。7 d可完成生態(tài)流量最大的4月份引水量（20.10萬m3），滿足景觀流量堰上水頭1 cm溢流量。

6 結(jié)語

從西洋河生態(tài)治理工程實際需求出發(fā)，對河道生態(tài)需水量、景觀需水量分別計算。針對西洋河常年為干河的實際情況，生態(tài)流量目標為保證河道正常蓄水位，生態(tài)需水量包括水面蒸發(fā)損失水量、滲漏損失水量、生態(tài)林草灌溉水量和換水量。對于景觀需水量，通過擬定多種景觀水量設(shè)計方案，綜合分析引水水源、可引水量、投資等制約因素后，與生態(tài)流量共同擬定最終合理數(shù)值。