（环境工程专业论文）城市河流生态需水研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 页 摘要 河流生态需水是生态环境需水研究范畴中的一部分。本文所研究的城市河流 生态需水是属于河流生态需水的研究范畴。城市河流生态需水是针对城市河流水 资源开发利用中的生态环境保护以及科学地进行生态环境修复、改善等问题提出 的新概念。明确城市河流生态需水有利于实现河流水资源的合理开发、配置和利 用，保障城市河流的可持续利用。城市河流生态需水的研究将对城市建设中节约 水资源，提高水资源利用率，控制河流污染，改善生态环境有着重要的理论意义 和实用价值。 论文首次系统讨论了城市河流这一特殊形式的河流所具有的特殊功能，对应 其特定的生态需水的内涵和组成，包括维持水生生物生存需水、河流稀释自净需 水、维持岸边植物生长需水、平衡水面蒸发需水、补给河床渗漏需水、输沙排盐 需水、景观需水等，探讨了现有生态需水计算方法中存在的问题，并研究得出适 合城市河流这一特殊形式河流的生态需水的计算模式：河流生态需水各组成中， 维持岸边植物生长需水、平衡水面蒸发需水、补给河床渗漏需水、输沙排盐需水、 景观需水等相互独立，没有重叠部分，但维持水生生物生存需水与河流稀释自净 需水有相互重叠的部分。在原有河流生态系统不需改建或重建时，满足河流稀释 自净需水可同时满足水生生物生存需水，在河流生态系统需改建或重建时，要考 虑新进入的物种的生态需水。本文详细分析了北方、南方、沿海、山区等不同地 域的城市河流生态需水的特定组成，针对每一类型的城市河流分别给出相应的计 算模型。 最后，利用本文提出的城市河流生态需水的计算模型来计算成都市沙河的生 态需水。沙河由府河分出，其流量为l o m 3 s ，经计算得出2 0 0 5 年沙河的实际生 态需水量为1 4 0 4 2 3 m 3 s ，而沙河水资源配置现状为生活取水约为3 7 0 3 7 m 3 s ，工 业取水约1 7 3 6 1m 3 s ，即只有约4 5 6 0 2 m 3 s 的水可用作生态需水。预测2 0 1 0 年 沙河的生态需水将增加到1 4 2 5 7 9 m 3 s ，且其他方面的用水量也有变化。掌握了沙 河水资源的利用情况，为今后在宏观上调节水资源的配置提供了可靠的依据，结 合水资源配置原理，提供了沙河水资源配置方案。 关键词：城市河流，生态需水量，计算方法，沙河 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 i 页 a b s t r a c t t h ea m o u n to fe c o s y s t e me n v i r o n m e n t a lw a t e rd e m a n df o rt h ef i v e ri so n eo fp a r t so f e c o l o 百c a lw a t e r t h ew a t e rf o rt h eu r b a nf i v e re c o s y s t e mi sa r e s e a r c hc a t e g o r yt h a t b e l o n g st ot h ef i v e re c o l o g i c a lw a t e rd e m a n d t h ew a t e rf o rt h eu r b a nr i v e ri sa n e w c o n c e p t i o nt oe c o s y s t e me n v i r o n m e n t a lp r o t e c t i o na n de c o s y s t e mr e p a i r o r i m p r o v e m e n t i td e f i u i t u d e st h a tt h eq u a n t i t yo f t h ew a t e rf o rt h eu r b a nf i v e ri sb e n e f i t t oc a r r yo u tt h er i v e rw a t e rr e s o u r c e si nr e a s o na n de n s u r e st h eu r b a nf i v e rd e v e l o p c o n t i n u o u s l y t h er e s e a r c ht ot h ew a t e rf o rt h eu r b a nf i v e rh a si m p o r t a n tm e a n i n ga n d p r a c t i c a lv a l u ef o rs a v i n gw a t e r , u s i n gw a t e rr e s o u r c ea v a i l a b i l i t y , c o n t r o l l i n gf i v e r p o l l u t i o na n di m p r o v i n gt h ee c o s y s t e me n v i r o n m e n t n i et h e s i sd i s c u s s e dt h es p e c i a lf u n c t i o no f t h eu r b a nf i v e r , a n ds t u d i e dt h ec o u n o t a t i o n a n dt h ec o m p o n e n t t h e yc o n s i s tt h ew a t e rf o rt h el i v i n gc r e a t u r e ，f o rs e l f - p u r i f i c a t i o n ， f o rb a l a n c ee v a p o r a t i o n f o rt h ep l a n tn e a rt h eb a n ka n df o rc l a s h i n gt h es a n de t c t h e t h e s i sd i s c u s s e dt h ep r o b l e m so ft h ee x i s t e n tm e t h o d ，a n de l i c i t e dt h es u i t e da c c o u n t p a t t e m e v e r y f a c t o ri su n a i d e de x c e p tt h ew a t e rf o r l i v i n g c r e a t u r ea n df o r s e l f - p u r i f i c a t i o n a tt h eo r i g i n a lf i v e re c o s y s t e ms y s t e md o e sn o tn e e dt oc h a n g et os e t u po rr e b u i l d ，t h ew a t e rf o rs e l f - p u r i f i c a t i o nc o n t a i nt h ew a t e rf o rl i v i n gc r e a t u r e a tt h e f i v e re c o s y s t e ms y s t e mn e e d st oc h a n g et os e tu po rr e b u i l d ，w em u s tc a l c u l a t et h e w a t e rf o rl i v i n gc r e a t u r e n l et h e s i sa n a l y z e s 也ed i f f e r e n tu r b a nr i v e r sp e c u l i a r i t yo f t h en o r t h ，s o u t h ，m o u n t a i na r e aa n ds e a s h o r e ，t h e ng i v e sah o m o l o g o u sc a l c u l a t i o n m o d e lr e s p e c t i v e l y f i n a l l y , t h ec a l c u l a t i o nm o d e lt h a tt h i st e x tp u tf o r w a r di sm a d eu s eo fc o m p u t et h e s h a h ee c o l o g i c a lw a t e rd e m a n d t h es h a h ei saa n a b r a n c ho ft h ef u h e ，i t sd i s c h a r g ei s l o m s t h r o u 曲t h ec a l c u l a t i o n ，w ek n o wt h es h a h en e e d s1 4 0 4 2 3 m 3 sf o re c o l o g i c a l w a t e ri n2 0 0 5 ，b u tt h ew a t e rf o rt h el i f ea b o u t3 7 0 3 7 m 3 s ，t h ei n d u s t r yt a k e st h ew a t e r a b o u t1 7 3 6 1 m s t h e n4 5 6 0 2 m 3 so n l yc a l lb eu s e dt ot h ee c o s y s t e m i ti sp r e d i c t e d t h a tt h es h a h ew i l ln e e d1 4 2 5 7 9 m 3 sf o re c o l o g i c a lw a t e r a n dt h eo t h e ra s p e c t sw i l l a l s ov a r yi n2 0 1 0 a sw eh a v ek n o w nt h ee x p l o i t a t i o nc i r c u m s t a n c eo ft h es h a h ew a t e r r e s o u r c e s ，w ec a l lp r o v i d et h ed e p e n d a b l eb a s i so nt h ev i e wo fc o n f i g u r i n gw a t e r r e s o u r c e sa n dg i v et h ep r o j e c to f m a k i n gu s eo f t h es h a h ew a t e rr e s o u r c e s 西南交通大学硕士研究生学位论文第m 页 k e yw o r d s ：u r b a nr i v e r ；e c o l o g i c a lw a t e fd e m a n d ；e s t i m a t i o nm e t h o d ；s h a h e 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 第1 章绪论 河流生态环境需水是生态环境需水研究范畴中的一部分。生态环境是指与人 类生存和发展密切相关的自然环境，是由各种性质不同、运动状态不一的物质所 组成的有机统一体。生态环境需水的研究范畴还包括湖泊生态环境需水、湿地生 态环境需水、城市生态环境需水，以及旱地生态环境需水。 本文所研究的城市河流生态需水是属于河流生态环境需水的研究范畴。城市 的产生、发展与河流息息相关。城市河流在远古时代为城市提供了稳定的水源和 肥沃的土壤，在现代，城市生态化成为城市建设的主流，在其生态建设过程中， 城市河流显示出不可替代的作用：城市河流是城市生活和生产的就近水源；可以 减弱城市热岛效应和洪涝灾害；是城市绿她的建设基地；是城市景观多样性的组 成部分；是城市物种多样性存在的基地；是城市畅捷交通的组成部分：是城市人 口文体娱乐、亲近自然的场所。城市河流对城市的繁荣与衰落，对城市社会、经 济、环境协调发展有至关重要的意义。 但是，由于在工业化、城市化进程中对水资源的竞争使用，造成了城市用水 和工业用水挤占农业用水，农业用水挤占生态用水的局面。结果，自然植被衰退、 河床淤积、河水断流、生物多样性锐减、河口生态环境恶化、地下水大面积超采、 地面沉降、海水倒灌等严重的生态问题时有发生。而良好的生态环境是社会经济 和建设良性发展的基础，在城市化建设的今天，要使城市能够健康、快速地发展， 就必须保证作为城市生态系统中最主要因素的城市河流的可持续发展。因此，城 市河流生态需水量的研究便尤为重要。 1 1 问题提出 随着人类文明的演进和生产力的发展，人类在依赖环境的同时又影响了环境， 从而产生了许多生态环境问题，如水土流失、土地荒漠化、森林资源危机、水环 境污染、大气污染等。“忽视水资源与生态环境系统之间的关系”是2 0 世纪水资 源管理的失误，直接导致生态环境的退化，引发森林退化、生物多样性减少、河 道断流和地下水位下降等诸多问题。面临困境，人类重新审视水资源管理策略， 发现水资源管理的思维模式存在偏差，需要进行彻底转变。 西南交通大学硕士研究生学位论文 第2 页 从2 0 世纪4 0 年代美国鱼类和野生动物保护协会开始对河道内流量进行研究 并于1 9 7 1 年出台河道内流量确定自然和景观河道的基本流量以来，在此期间( 2 0 世纪6 0 - - - 7 0 年代) 开始的按照系统理论对历史上著名的印度、孟加拉的布拉马普 特拉河域( 1 9 6 0 ) ，巴基斯坦的印度河流域( 1 9 6 8 ) ，埃及尼罗河工程( 1 9 7 2 ) 等 重新评价和规划以来，一直到2 0 世纪8 0 年代初期美国全面调整对流域的开发和 管理目标，可以说是生态和环境需水分配研究的雏形，特别在河道内流量方面已 形成了完善的计算方法，但那时并没有明确地提出生态需水量和环境需水量。直 到2 0 世纪9 0 年代以来，水资源和生态环境的相关性研究，特别是生态系统需水 量研究才正式成为全球关注的焦点。 g l e i c k 在1 9 9 5 年提出了基本生态需水的概念( b a s i ce c o l o g i c a lw a t e r r e q u i r e m e n t ) ，即提供一定质量和数量的水给天然生境，以求最大程度地改变天然 生态系统的过程，并保护物种多样性和生态整合性。其概念实质是生态建设( 恢 复) 用水，缺乏天然生态系统维系自身发展而要求的生态用水的内涵。在其后来 的研究中将此概念进一步升华并同水资源短缺、危机与配置相联系( g l e i c k ， 1 9 9 8 a ，1 9 9 8 b ，2 0 0 0 ) 。f a l k e n m a r k ( 1 9 9 5 ) 4 1 将“绿水”( g r e e nw a t e r ) 的概念从 其他水资源中分离出来，提醒人们注意生态系统对水资源的需求，水资源的供给 不仅要满足人类的需求，而且生态系统对水资源的需求也必须得到保证。这种提 法得到了部分学者的认可，并对此进行了一些研究。但由于人们特别关注未来粮 食的安全问题，所以大多“绿水”的研究还都集中在农业灌溉用水上，因为农业 灌溉用水将是对“绿水”的重要补充。研究者还对全球陆生生态系统所需要的“绿 水”进行了估算。r a s h i n 等( 1 9 9 6 ) 【5 1 也提出了可持续的水利用要求保证足够的 水量来保护河流、湖泊和湿地生态系统，人类所使用的作为娱乐、航运和水力的 河流和湖泊要保持最小流量，但作者并没有给出明确的概念和计算方法。w h i p p l e 等( 1 9 9 9 ) 6 1 提出了相类似的观点，他认为，水资源的规划和管理现在需要更多 地考虑环境需求和调整。文中指出国家对河流航运、水电的需求不断增长，相应 对水供给、洪水控制、人类娱乐利用的需求也在增加，其中水供给包括城市、工 业、农业利用，还有河道内的环境利用。b a i r d 等( 1 9 9 9 ) p 针对各类型生态系统 ( 早地、林地、河流、湖泊、淡水湿地等) 的基本结构和功能，较详细地分析了 植物与水文过程的相互关系，强调了水作为环境因子对自然保护和恢复所起到的 巨大作用。作者尽管没有将生态环境需水作为研究对象，但许多相关的思想、原 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 理和方法在很大程度上推动了生态环境需水的研究进展和发展方向。 在河流生态环境需水研究领域，国际上早期的研究是关于河道低流量的研究 ( a n n e n t r o u t ，e ta 1 1 9 9 7 ) t j 。这主要是为满足河流的航运功能而对低流量进行研究。 随后，由于河流污染问题的出现，开始了对最小可接受流量( m i n i m t t r na c c e p t a b l e f l o w s ，m a f s ) 的研究( s h e a i l ，1 9 8 4 a ，1 9 8 4 b ) g q o ) 。其最小可按受流量除了满足航运 功能外，还要满足排水净化功能。随着河流受人为因素影响和控制的加强，河流 生态系统结构和功能遭到破坏，生态可接受流量范围【e c o l o g ya c c e p t a b l ef l o w r e g i m e ( e a f r ) 】的研究逐渐展开( g e o f f r e y , 1 9 9 6 ) 1 。 1 2 河流生态需水量的研究进展 到目前为止，国外有河道生态需水的研究内容和方法可以概括为以下几个方 面：河道流量与鱼类生息环境关系的研究( a r m e n t r o u te ta l ，1 9 8 7 ) i 。i ：河流流量、 水生生物与溶解氧( d o ) 三者之间的关系研究( g e o f f r e y , 1 9 9 6 ；h u g h e s ，e t a 1 1 9 9 2 ；h e n r y , e ta 1 1 9 9 5 a 1 9 9 5 b ) 1 1 1 2 1 ；水生生物指示物与流量之间的关系研究； 水库调度考虑生态、生态水量的优化分配的研究：环境生态用水与经济关系研究 等( n a i m a ne ta 1 1 9 9 3 ；s h e l l 。1 9 8 4 a 、b ) m “1 0 1 。 其研究方法主要有河道内流量增加法( i n s t r e a mf l o wi n c r e m e n t a lm e t h o d o l o g y 讧) ，是一种应用最广泛的方法。它由一套分析工具和计算机模拟组成，用来 评价河道内流量的变化对渠道结构、水质、温度和所选物种适宜的栖息地的影响。 物理栖息地模拟模型( p h y s i c a lh a b i t a ts i m u l a t i o nm o d l e ，p h a b s i m ) 法，是相关 于河道内变量( 深度、流速、底质和盖度) 变化以及特殊物种气息地及它们的生 活阶段的一套计算机模型。蒙大拿法( m o n t a n am e t h o d ，t e n n a n t 法) ，是一种更 多地依赖于统计的方法，建立在历史流量记录的基础上并将平均每年自然流量的 简单百分比作为基流，更适宜于季节性为基础的需求。流量持续时间曲线分析法 ( f l o wd u r a t i o nc u r v ea n a l y s i s ) ，是利用流量持续时间曲线的特殊百分点提供逐月 最小流量。栖息地排水法( h a b i t a t d i s c h a r g em e t h o d o l o g y ) ，给目标鱼类物种及其 栖息地繁殖和保持需求提供一个特殊的推荐值，这种方法不用来评价植物栖息地 需求。水利定额法( h y d r a u l i cr a t i n gm e t h o d o l o g y ) 运用一个或多个水利参数，如 最大深度和流速，来预测适宜河道内栖息地的变化。此外还有基于水文学参数的 7 q l o 法、基于水力学参数的r 2 c r o s s 法、湿周法，以及b b m 法( 建立分区法) 西南交通大学硕士研究生学位论文 第4 页 等研究方法m ) 。 但是，河流生态需水是联系水文和生态的- - 1 7 复杂科学，水流影响水生生态 系统的参数包括：食物、栖息地、温度、水质、水流状况和生物间的相互作用等， 由此可知，水流影响生物区和生物间的相互作用的途径很多，现有的研究还达不 到把一种流量或水流状态同物种组成及丰富程度联系起来的水平。作为替代，在 评价中用流量、湿周或栖息地作为生物反应的替代指标。现在的所有方法都没有 将这6 项参数全部考虑进去。由于缺乏对食物、生物间的相互作用等因素的机理 研究，建立考虑上述6 项参数的确定性模型在现阶段是难以实现的。从这个意义 上讲，现在的计算方法还是粗略的。 对于其他类型生态系统需水的研究，还没有一套成熟的方法，除植物需水常 用蒸散发蠡来计算外，其他生态系统如湖泊及湿地、河口三角洲等并没有形成需 水量指标体系和计算方法，在国外多以水资源管理部门对这些生态系统的配水来 确定其需水量，配水代替了需水，实际上，并没有从生态系统本身对水的需求角 度来研究其生态需水。 在我国，2 0 世纪9 0 年代以来，由于黄河断流、水污染等问题的日益严重， 生态需水被提上议事日程，并成为研究的热点问题之一。国家“九五”攻关“西 北地区水资源保护与合理利用”项目就明确提出了“生态需水”，之后，水利部提 出在水资源配置中应考虑生态环境用水。目前，生态环境的研究尚处于起步阶段， 对生态环境需水的概念、内涵与外延等没有统一的定义，对其计算方法的研究也 并不深入和完善，多以定性分析和宏观定量相结合的方法为主。 刘昌明和何希吾( 1 9 9 6 ) 【1 4 】、刘昌明( 1 9 9 9 ) 提出了“四大平衡”f 水热( 能) 平衡、水盐平衡、水沙平衡、水量平衡与供需平衡1 与生态需水之间的相关关系， 探讨了“三生”用水( 生活、生产与生态) 之间的共享性 1 6 1 。王西琴等( 2 0 0 1 a ， 2 0 0 1 b ) t i t - 1 8 1 从水污染问题出发，探讨了河道环境需水的内涵，指出河道最小环境 需水是维持河流的最基本环境功能不受破坏，必须在河道内常年流动的最小水量。 并以黄河支流渭河为例，概算了4 个断面及其干流现状年及不同水文年的河道最 小环境需水 1 9 1 。 钱正英等t ：z o l 从保护和恢复内陆河下游的天然植被及生态环境、水土保持和水 保范围之外的林草植被建设、维持河流水沙平衡及湿地水域等生态环境的基流、 回补黄淮海平原及其它地方的超采地下水等方面，分析并估算了全国的生态用水。 西南交通大学硕士研究生学位论文 第5 页 严登华叫等对东辽河流域河流系统的生态需水进行了概算。石伟f 瑚等对黄河 下游从汛期输运水量和非汛期生态基流量等方面进行了生态需水的估算。桑连海 叫等计算了长江下游干流河道内最小环境需水。沈清林等例对干旱内陆河下游地 区生态需水进行了计算。 但这些基本上都是对流域生态需水的研究，对于城市河流生态需水的研究少 见报道，城市河流生态需水的计算方法也没有形成完整的体系。 1 3 课题的研究意义 随着我国国民经济的快速发展，水资源供需矛盾日益尖锐，在河流水资源的 规划与管理中，如何能基于有限的水资源总量，实现水资源的合理配置，维持合 理的生态环境需水量，将人类活动控制在生态、资源、环境允许的范围内，在满 足经济发展的同时，使水资源永续利用，这是当前亟待解决的薄弱环节和关键问 题。 为改善生态环境质量或维护环境质量不至于进一步下降，至少需要多少水? 在目前相关的管理和研究领域，由于缺乏统一已的认识，对于“生态需水”还没 有严格的定义。河流生态需水是针对河流水资源开发利用中的生态环境保护以及 科学地进行生态环境修复、改善等问题提出的新概念。明确河流生态需水量有利 于实现水资源的合理开发、配置和利用，保障水资源的可持续利用。河流生态需 水的研究将对节约水资源，提高水资源利用率，控制河流污染，改善生态环境有 着重要的理论意义和实用价值。 在河流水资源的开发利用中研究生态需水，可使河流水资源的开发程度保持 在生态环境协调发展的合理阈值之内，达到既能保证最大限度地满足经济发展的 需水要求，又能保证河流的可持续发展。但由于国内对于河流生态需水理论方法 研究的滞后，直接影响到保留必要的生态需水的实施。对于城市河流生态需水的 研究更是未见报道，目前城市河流的水资源利用处于盲目规划中，河流自身的生 态需水已预支到各项生产、生活用水中。 本研究的创新之处在于分析、比较了生态需水各组成部分的计算方法，指出 应用于我国城市河流计算中的不足，并研究得出河流生态需水的计算模式。本论 文首次系统地研究了城市河流的特殊功能，及其特殊功能所要求的生态需水的内 涵，详细分析了北方、南方、沿海、山区等不同地域的城市河流的特点，并分别 西南交通大学硕士研究生学位论文 第6 页 研究得出适合这不同区域的城市河流生态需水量的计算模型；最后将理论和模型 运用到成都市沙河的生态需水估算中。 1 4 本文的主要研究内容与技术路线 本论文通过分析城市河流较一般河流特有的功能和特点，得出城市河流生态 需水的特殊内涵，从而确定其生态需水的组成；通过对各个组成部分计算方法的 研究，找出现有方法中存在的问题，并提出了一套适合于城市河流生态需水的计 算模式：本论文从维持水生生物需水、河流自净需水、平衡蒸发需水、维持岸边 植物生长需水、冲沙需水等几个方面，结合传统区域划分的北方、南方、沿海、 山区城市河流的特点，分别研究并得出了适合不同地域特征的城市河流的生态需 水的计算模型。并以成都市沙河为例，运用本文提出的计算模式，计算其生态需 水，且以此为依据提出水资源的优化配置方案。 论文的研究内容： ( 1 ) 河流生态需水的概念界定及特征分析； ( 2 ) 现有河流生态需水的研究中的问题诊断； ( 3 ) 城市河流的特殊功能、定义及特征； ( 4 ) 城市河流生态需水的计算模型研究； ( 5 ) 不同地域特征的城市河流的特点； ( 6 ) 不同地域特征的城市河流生态需水计算方法研究； ( 7 ) 成都市城市河流沙河，生态需水计算： ( 8 ) 预测2 0 1 0 年沙河的生态需水量及生活取水、工业取水量，与2 0 0 5 年各项 数值对比分析，提出沙河水资源的配置方案。 目前，国内对城市河流的生态环境需水研究还比较少，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，研究城市河流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。 本文采用的技术路线如图卜l 所示。 河流生态需水的原理及特征 0 城市河流的功能及特征 0 典型城市河流生态需水计算方法 上 00 l 现有河流生态需水计算方法的问题诊断 现有方法优化 00 ， 0 本文提出的城市河流生态需水的计算模式 00 i 不同地域城市河流生态需水的计算方法城市河流生态需水的计算步骤 0 二上 北南沿山 方方 海区 城城城城 市市市市 河河河河 流流流流 p ( 3 4 ) w e = 0当e o 7 ) 、缓混合形( n 卸2 0 5 ) 、强混合形( n o 1 ) 四类( n 为掺 混系数，即涨潮期内径流的平均流量与涨潮总量的比值) 。前两类用盐水入侵长度 关于流量的表达式来计算最小流量，后两类用一维水量和水质模型来推求盐水入 侵长度的表达式，再反推最小流量 2 6 1 。 另外，杨志峰、崔保山t 1 3 l 提出，结合研究区实际情况及资料，采用保证率法。 根据入海水量系列统计资料，分别计算不同年代、不同保证率下的入海水量，比 较不同年代、时期的河口生态环境、冲淤平衡状况，选择在不同环境保护茸标下 的入海水量。 满足航运需水的计算方法为： 航运需水一般取决于通航船只的吨位，下表3 4 给出了不同吨位的船只所要 求的河流底宽和水深要求。 表3 - 4 全国天然渠化河流、人工运河通航试行标准 航道通航驳船枯水期最小航道尺度( m ) 等级吨级 船型尺度( m )船队尺度( m ) 天然渠化河流人工运河 ( t )型长型宽满载吃水 长宽吃水 浅滩水深 底宽水深底宽 、5 0 0 1 0 03 251 o9 4 5 5 x 1 o1 o 一1 22 0 3 02 01 5 五3 0 04 5 8 1 22 l 8 5 1 21 2 - 1 5 3 5 5 02 53 0 四5 0 05 891 51 5 0 9 5 1 51 5 - 1 84 5 6 02 5 4 0 1 0 0 07 021 81 8 0 1 2 5 1 81 8 - 2 36 0 8 03 05 0 图3 - 4 表示的是沿海城市河流生态需水的组成。 西南交通大学硕士研究生学位论文 第3 2 页 沿海城市河流生态需水 维 持 水 生 生 物 生 存 需 水 河 流 稀 释 自 净 需 水 3 6 2 4 山区城市河流 维 持 岸 边 植 物 生 长 需 水 满 足 航 廷 需 水 防 止 海 水 倒 灌 需 水 图3 4 沿海城市河流生态需水组成 景 观 需 水 山区城市河道水文及生态特征。山区城市河流一般坡降较大，河道断面相 对狭窄，河水暴涨暴落，水位水量随季节变化显著。汛期洪水入河流量大、流速 快、水量集中，不仅危害城市居民的生命财产安全，而且过量洪水还破坏了河流 生态系统的稳定性，容易引起系统的突变。非汛期，河道内流量小，水位低，甚 至千桔，破坏了水生生物的生存环境。 河道水环境质量恶化。在山区城市河流中，水环境质量变异性很大。丰水 期，河道径流量大，河道污染物浓度相对较低：枯水期，河道径流量很小，河流 水体的污染物浓度较高，严重威胁着城市河流的水环境质量，使水生生物种类和 数量减少，破坏了河流生态系统的完整性。 河流景观功能丧失。山溪性河流汛期雨洪强度大，对河床、河岸冲刷严重， 造成河道自然护坡破碎甚至坍塌；在枯水期，河流水位很低，造成河岸及河床裸 露，影响了河流系统的景观效果和功能【4 2 】。 针对上述山区城市河流的特点，李丽娟等m l 认为，河流系统生态需水主要包 括天然和人工植被耗水量、维持水生生物栖息地所需的水量及维持河流挟沙、输 盐等生态平衡所需的水量等。这些影响因素比较宏观，不能反映山区城市河道生 态系统的特点。山区城市河道生态环境水量首先要满足枯水期生物栖息地所需的 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 3 页 水量，解决河道断流或露滩问题；其次要有满足城市水环境质量要求的稀释净化 水量；第三要有满足城市景观功能要求的适宜水深 山区城市河流具有明显的山溪性特点，河床、河岸受雨洪水冲刷严重；水量、 水质变异性大。水生生物的生存不仅要求水量、水质，还要求满足一定的水深。 山区城市河流在满足自净需水的同时，不一定能维持水生生物的生存，所以维持 水生生物生存需水还须从河道水深来考虑。 枯水期维持水生生物生存所需水量 w 生物= 3 0 q w 生物= h 3 ( 3 - 1 4 ) 式中 q 河道多年平均流量； h 河道多年平均水深。 3 0 河道多年平均流量是根据美国研究成果，并结合我国城市河道水生生物 栖息场所的调查提出的。对国内山区城市河道调查分析表明，我国大多数山区城 市河道枯水期流量达不到多年平均流量的3 0 】。 河道景观功能要求的适宜水深 ，规= m i n ( h i ，h 2 ，h 3 , h 4 ) ( 3 1 5 ) 式中h 城市景观功能要求的最小水深，一般取人们体闲活动平台下约 0 5 m ； ，根据防洪排涝要求，汛前控制水深； h ，市政排水出口限制水深； 九水资源可供量，即枯水期城市河道可能达到的水深。 最后，在各需水因素中，满足最大的水量，其他因素均能达到。因此，山区 城市生态环境需水量确定模式为 w = m a x w 生物，自净，w 檀钿w ：t 观) + w 蔫发+ w 涪_ ( 3 - 1 6 ) 本文题出的河流生态需水计算模式中，维持水生生物生存需水与河流稀释自 净需水应根据河流生态系统是否需要改建或重建来考虑两者的重叠关系。上述山 区城市河流生态需水的计算是在原有生态系统基础上的生态需水，如果河流生态 需要改建或重建，同样需要考虑新进物种的生存需水。 山区城市河流生态需水量的组成如图3 5 所示。 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 4 页 图3 5 山区城市河流生态需水组成 3 6 3 城市河流生态需水的计算步骤 第一，计算城市河流生态需水量首先要分析水质现状，确定该河流的主要致 损因子。河流系统的破坏分水量问题和水质问题，河道萎缩、植被退化等，是由 于水量问题引起的；水体污染、水生生物死亡、河道泥沙淤积、河口生态环境恶 化等，是属于水质问题。一般河流生态系统的破坏是水量、水质问题共同引起的， 健康的河流生态系统，不仅要求有量，还要求有质。 第二，确定河流生态系统的受损强度。正常的生态系统是生物群落与自然环 境取得平衡的自我维持系统，各种组分发生变化是按照一定的规律并在某一平衡 位置作一定范围的波动，从而达到动态平衡的状态。但当生态系统在自然干扰和 人为干扰的作用下，生态系统的结构和功能将发生变化，变化的结果打破了原有 生态系统的平衡状态，使系统的结构和功能出现障碍，形成破坏波动和恶性循环， 这样的生态系统称之为受损生态系统。受损就是生态系统结构、功能和关系的破 坏。 受损生态系统按受损强度可分为两类：一是系统的受损是不超负荷时，当压 力和干扰被移去后，受损生态系统可在自然过程中恢复。另一类是生态系统的受 损是超负荷的，并发生不可逆转的变化，只依靠自然过程不能使系统恢复到初始 状态，必须依靠人类的合理的干预和帮助。根据河流生态系统的受损强度，决定 采取自然恢复或人工干预使之恢复的管理方式。 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 5 页 第三，提出改善河流管理的建议。由于河流系统的管理目标、致损因子、受 损强度的不同，可有不同的河流管理方法：恢复到原来的状态；重新获得一 个既包括原来特征，又包括对人类有意的新特性状态( 改建) ：建设成一种改进 的、和原来不同的状态( 重建) 。 第四，根据不同的管理目标、不同的致损因子和不同的受损强度，以及河流 的功能特点，结合地域特征，分析河流生态需水所包含的内容，明确河流的管理 目标，确定生态系统是否需要改建或重建，选择适合的计算模式计算合理的生态 需水量。 3 7 本章小结 本章主要讨论了城市河流这一特殊形式的河流所具有的特殊功能，对应其特 定的生态需水的内涵和组成，探讨了现有生态需水计算方法中存在的问题，并研 究得出适合城市河流这一特殊形式河流的生态需水的计算模式。本章详细分析了 北方、南方、沿海、山区等不同地域的城市河流生态需水的特定组成部分，针对 每一类型的城市河流分别给出相应的计算模型。最后，本章归纳总结了城市河流 生态需水的计算步骤。 在已有河流生态需水的研究中，理论分析多，方法研究少，本章对不同地域 城市河流生态需水的计算方法研究是以往研究工作的深化和扩展，对今后城市河 流生态需水的研究具有很强的实际意义。 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 6 页 第4 章成都市城市河流沙河生态需水计算 4 1 成都市自然环境概况 4 1 1 地理位置 成都市位于四川省中部，东北与德阳市、东南与内江市毗邻，西南与雅安市、 西北与阿坝藏族自治州接壤，南边与眉山市相连，地处东经1 0 2 0 5 4 至1 0 4 。5 3 、 北纬3 0 0 0 5 至3 1 0 2 6 ，之间，距东海1 6 0 0 k m 、南海1 0 9 0 k m ，属内陆地带，境内海 拔最高5 3 6 4 k m 、最低0 3 8 7 k m ，平均海拔高度o 5 k m ；地形以平原为主，兼有部 分丘陵和山地；地势由西北向东南倾斜，西北有邛崃山，东北有龙泉山。在全市 总面积中，平原占3 6 4 ，丘陵占3 0 4 ，山区占3 3 2 。在土地总面积1 2 6 1 3 万k m 2 中，有耕地4 7 3 3 万k m 2 ，占3 7 5 ：林地3 0 8 万k m 2 ，占2 4 4 ；水域、 草地和其他土地4 8 万k r n z ，占3 8 1 。 4 1 2 水文特征 成都市属于长江水系的岷江支水系及沱江支水系。在成都市区内为岷江水系 得府南河水系，属于都江堰灌溉工程得分支，在成都市区内分为府河、南河及沙 河。岷江是长江上游得主要支流之一，位于四川盆地西部，发源于岷山南麓。水 源分为东西两条河流，东河发源于弓杠峰( 海拔3 7 8 8 k m ) ，西河发源于郎架峰( 海 拔4 k i n ) 。岷江在都江堰分为都江堰灌区得内江、外江两大水系，分为多条流过 成都平原后，在眉山地区的彭山市予岷江主流汇合。其后经过眉山、彭山、青神、 乐山、犍为，在宜宾市与长江主流会汇合，在乐山市与大渡河、青衣江两大主流 汇合。全长7 3 5 k m ，在都江堰段的年平均流量为4 7 8 m 3 s ，在宜宾段( 与长江合 流点) 年平均流量为2 7 5 2 m 3 s 。 流经成都市区的府河、南河及沙河被称为成都市的三河。府河流过成都市区 北部、东部，在合江亭与南河合流。南河相当于走马河的最下游段，以清水河下 游段的龙爪堰为起点，流经成都市区西部、南部，在合江亭与府河汇合。沙河是 解放后在成都市东郊工业区建成的为成都市提供工业和生活用水的城市水动脉。 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 7 页 4 1 3 气象特征 成都市属亚热带湿润气候，终年温暖湿润，四季分明，年无霜期为3 0 0 d 左右， 夏无酷暑，冬无严寒，雨量充沛。常年主要气象参数如下： 多年平均气温： 1 5 9 最高年平均气温： 1 6 6 c 最低年平均气温： 1 5 5 c 全年无霜期： 2 8 7 d 多年平均气压： 9 5 5 5 p a 多年平均相对湿度：8 3 多年平均降水量： 9 7 4 4 m m 多年平均蒸发量： 9 8 5 2 m m 4 1 4 生态环境 成都市气候温和，雨量充沛，属亚热带常绿阔叶林地带，具有多种植物良好 的生态环境，因而野生植物种类繁多，分布广，藏量大。据统计，成都市全市的 高等植物种类达到2 7 3 5 种，占整个四川省种类的3 2 ，成都市境内栖息的动物 数重由2 9 3 种，占整个四川省种类数量的3 7 。 鱼类方面，在成都市生长的主要鱼类有6 目1 2 科5 9 种，其中。鲤鱼占3 6 种( 约占全体的6 1 ) ，鲢科大约占8 成。这些鱼的特征为：无回游型生活史， 活动范围比较狭窄。 植物方面主要为银杏、柏木、楠木、红豆亩、黄连木、榆树、柳树、樟树、 槐树、梧桐、泡桐、马尾松等。 4 2 沙河基本情况 4 2 1 沙河概况 沙河北起洞子1 ：3 进水闸，经双水碾节制闸后进入成都东郊工业区，在市区东 南下河心村附近归流入府河，全长2 2 2 2 k m ，河道断面最宽处为5 5 m ，最窄处仅 为1 8 5 8 m ，河道深2 5 6 7 m ，平均水深4 m ，多年平均进水量4 9 亿m 3 。 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 8 页 2 0 世纪5 0 年代，第一个五年计划中一大批大型现代工厂选定在沙河流经的 成都东郊兴建。为满足新兴的工业区的大量用水需要，国家决定将沙河从农灌天 然河道改建成为城市工业区供水专用渠。1 9 5 7 年竣工后就成为了为确保成都市部 分城区生活用水和东郊工业区工矿企业用水及防汛，集供水、排洪合一的专门河 道。当时成都市工业和生活用水量的9 0 由沙河供给，是当之无愧的成都“生命 河”。自2 0 0 4 年沙河综合整治工程完成以后，部分工业企业从东郊工业区搬出， 现在沙河的主要功能是城市供水、区间排洪、景观用水功能。 城市供水功能：自洞予口至羊子山闸，长3 5 k m ，为生活用水水源地，分布 有成都市自来水二厂，成都市自来水五厂等，日生产自来水3 0 3 5 万t ，占成都市 自来水供应量的3 5 左右。羊子山闸至府河汇口处，长1 8 7 k m ，为东郊企业取水 区，每日取水量约1 5 万t 。 区间排洪功能：承担成都市区东北部5 9 6k m 2 市区面积的防汛及排洪任务。 景观用水功能：满足沙河两岸3 9 1k m 2 绿地需水。 4 2 2 沙河两岸的绿化情况 沙河河堤总长为4 4 4 4 6 k m ，其中复合式生态河堤1 7 5 0 7 k m ，复式河堤 5 6 4 7 k m ，自然式河堤9 5 k m ，直立式河堤9 7 k i n 。下图4 1 为各种形式的沙河河 堤模型。 复合式生态河堤 自然式生态河堤 直立式河堤 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 9 页 复合式河堤 图4 1 沙河河堤模型 沙河环境优美，水绿一体，特色鲜明，形成了以风景林带为主体的生态型、 开放式的滨河带状公园。水域面积8 8 h m ，绿地面积：按上游两侧各2 0 0 m 宽，中 下游两侧各5 0 m 算，共计3 5 7 1 0 4 m 2 。 沙河已形成两带、两区、六景、十节点等绿化景区。 ( 1 ) 两带 指蓝带( 水体) 和绿带( 绿地系统) 。 水源防护林带( 含北湖景区) ：长5 3 4 k m ，按两岸形成各2 0 0 m 计，面积 5 3 x 1 0 4 m 2 ( 扣除次路面积) 。 滨河风景林带：长1 6 8 8 k m ，宽按两岸各5 0 m 计，面积3 0 3 x 1 0 4 m 2 ( 扣除次 路面积) 。两岸绿带内形成5 1 2 m 宽的护岸防洪通道，其中：人行道：5 7 m ；步 行道2 3 m ，马路2 m 。 ( 2 ) 两区 沙河入口至成渝铁路桥段沿河两岸的水源保护林区和沙河成渝铁路以下至沙 河归流府河段的城市滨水带状绿化景区。 ( 3 ) 景点 北湖景点：在沙河上游洞子口附近，水面面积为1 0 x 1 0 4 m 2 左右，具有调蓄水 功能，又具