城市明渠与一般自然河道不同, 多为人工开挖、浆砌的硬质沟槽, 长期作为城市重要排涝或主要纳污通道使用, 随着城市的发展, 居民对美好生活追求的日益提高, 对城市明渠赋予了生态改善、景观休闲等更多的功能。但由于城市明渠基本无自然汇水区, 补水多以城市雨污水排放或上游河库引水为主, 因此采取控源截污措施后将明显减少城市明渠来水, 甚至丧失景观生态功能。尤其北方地区水资源较为缺乏, 如何科学确定明渠整治后的生态补水水源与水量, 是当前工作中的一个难点。

　　 相对于自然河道, 明渠水质、水量受人为控制作用明显, 与自然生态系统的交互作用较弱, 基本丧失了一般河流的自然属性和生态属性, 因此其需水量计算不再简单适用于一般河道以生态环境机理为主的计算方法, 如Tennant法、湿周法等^[1]。城市明渠的需水量主要是考虑在一定的环境目标、景观要求下采取的人为补水措施, 主要受到蒸发、下渗、污染物降解等因素影响, 目前相关经验较少。

　　 石家庄海绵城市专项规划把石家庄市内明渠的水环境、水生态改善作为一个重要目标, 通过统筹明渠排涝、景观、生态等功能, 有效衔接了排水防涝、控源截污、生态修复、活水保质等措施。本文以石家庄海绵规划为例, 重点介绍如何结合多种目标确定生态补水量, 以期改善明渠水生态和水环境, 开展活水保质的思路与方法。

　　 石家庄市区内河以民心河与东南环水系为主。民心河是基于1954～1982年建设的农灌与排涝渠道修缮联通形成的明渠水系, 主要包括总退水渠、元村明渠、南栗明渠、桥西明渠、东明渠、五支渠等;东南环水系则为2010年石家庄开始建设的集防洪排涝、生态景观等功能为一体的环城水系长廊。石家庄现状水系分布见图1。

　　 结合资料及现场调研, 民心河、东南环水系皆为劣Ⅴ类水体, 局部为黑臭水体。综合分析, 除合流制溢流污染与面源污染持续输入大量污染物外, 以下原因也加重了石家庄明渠水质的恶化。

　　 各渠道补水主要为中水, 辅以少量上游水库水, 现状中水水质为劣V类, 难以满足水质需求。

　　 现状渠道为保持开阔的景观水面, 沿线设置了大量的橡胶坝提高水位, 增加了蓄水量和补水需求。但目前仅有3条中水补水线路, 补水总量不足20万m³/d, 测算明渠水体平均流速小于0.003 m/s, 流动性极差, 使得污染物在被橡胶坝分割形成的一个个静止水体中持续累积。

　　 现有渠道基本采用三面光的浆砌形式, 不适宜水生生物生长, 难以形成完善的水生态系统, 自净能力较差。

　　 规划确定石家庄市明渠为城市重要的排涝与景观渠道, 由此确定改善水体水环境质量, 达到景观环境用水需求, 同时保证合理的排涝功能和景观水位为石家庄市明渠生态补水的目标。

　　 石家庄海绵城市专项规划中明渠水质改善, 水生态修复的工作思路如图2所示。

　　 以上各项工程策略紧密联系, 通过详细分析点面源污染的现状, 优先给出了控源截污的目标与措施。在此基础上, 结合排水防涝、景观需求等工作合理确定了生态补水的措施, 测算了补水量。

　　 城市明渠补水量Q_补的主要考虑因素包括蒸发量Q_蒸发、下渗量Q_下渗、水质自净需水量Q_自净以及维持景观水位水量Q_景观等, 具体见式 (1) 。

　　 $Q{}_{\text{补}}=Q{}_{\text{蒸}\text{发}}+Q{}_{\text{下}\text{渗}}+\text{Μ}\text{A}\text{X}(Q{}_{\text{自}\text{净}},Q{}_{\text{景}\text{观}})(1)$

　　 蒸发过程主要受到气温、风速、蒸发面积等因素影响, 涉及参数较多, 且日均差异较大, 通常在水量计算中, 采用统计的平均蒸发系数来进行简化计算。

　　 $Q{}_{\text{蒸}\text{发}}={\rm K}{}_{\text{蒸}\text{发}}\times A(2)$

　　 式中 Q_蒸发——日均蒸发量, m³/d;

　　 K_蒸发 ——日均蒸发系数, 10^-3m/d;

　　 A ——水面面积, m²。

　　 下渗量多采用达西定律计算, 主要受到土壤下渗系数和水力坡度的影响, 见式 (3) 。

　　 $Q{}_{\text{下}\text{渗}}={\rm K}{}_{\text{下}\text{渗}}\times {\rm I}\times A(3)$

　　 式中 Q_下渗——日均下渗量, m³/d;

　　 K_下渗 ——日均下渗系数, 10^-3m/d;

　　 I ——水力坡度, 当为垂直下渗时, 多取1。

　　 参考水质净化模型, 自净能力主要受流速、断面形式 (宽度、深度) 、溶解氧、温度、水质降解系数等影响。其中, 流速、断面形式、溶解氧是可人为控制的主要因素。因此, 提升水体自净能力多简化为对流速和断面形式的控制, 以及通过跌水、鼓风曝气等措施增加溶解氧水平, 同时利用生态岸线等手段提高水体污染物的降解系数。从而通过人为手段, 优化补水量, 开展活水保质, 有效提高城市渠道自净能力。

　　 一般根据水体管理目标, 结合渠道背景水质和入渠点面源污染量等测算河道污染物自净需求作为生态补水目标, 从而推算生态补水量。但该方法涉及变量较多, 如入河污染物控制水平、补水水质、设计流速、设计断面形式、水质降解系数等, 各参数相互关联影响, 计算过程相对复杂, 见式 (4) 。

　　 ${\rm M}=(C{}_{\text{s}}-C{}_0\exp (-kL/u))\exp (kL/2u)Q{}_{\text{容}}(4)$

　　 式中 M——控源截污后入河污染物速率, g/s;

　　 Q_容 ——设计环境目标 (容量) 下补水量, m/s;

　　 C_s ——控制断面污染目标浓度, mg/L;

　　 C₀ ——起始断面污染背景浓度, mg/L;

　　 k ——污染物综合降解系数;

　　 L ——为河段总长度, m;

　　 u ——为设计流速, m/s。

　　 通过周期换水是确保河道纳污能力, 水质稳定主要措施。根据纳污能力 (自净能力) 确定换水量是较为合理的水体补水量计算方法。实际工程中, 多利用已有研究简化计算步骤, 直接确定换水频次。如根据《城市污水再生利用景观用水水质》 (GB/T 18921-2002) , 完全使用再生水的河道水力停留时间宜在5 d之内, 根据与石家庄状况类似的《北京市水资源综合规划》的研究成果, 利用再生水维持目标水质的换水频率如表2所示。

　　 因此只需要确定河长、河宽、水深等数据即可计算补水水量, 见式 (5) 。

　　 $Q{}_{\text{换}}=V/m(5)$

　　 式中 Q_换——日均自净所需换水量, m³/d;

　　 V ——根据河道断面、水深确定的容积, m³;

　　 m ——设计换水频率, d/次。

　　 河道流速是河道重要的水力参数和水体自净能力的影响参数, 城市明渠断面相对单一, 可根据相关研究确定设计流速, 通过设计流速与断面的乘积直接确定河道补水水量, 见式 (6) 。

　　 $Q{}_{\text{流}}=F\times v\times 86400(6)$

　　 式中 Q_流——日均自净补水量, m³/d;

　　 F ——河道断面面积, m²;

　　 v ——设计流速, m/s。

　　 景观需水量目前并无统一的计算方法与标准, 主要与断面设计、流速、水质保持要求等密切相关, 这些参数与要求都在前述水量计算方法中予以体现, 因此景观需水量的计算重点是根据景观需求优化断面、流速、水质保持要求等相关设计参数。

　　 根据补水量测算方法, 补水量的计算需要确定的各参数相互关联影响, 计算过程复杂。为此, 规划过程中, 需要尽量确定各参数的边界条件, 从而简化测算过程。

　　 根据石家庄市气象统计数据, 以6月蒸发量为河道蒸发计算的最大口径, 确定蒸发系数为7.38 mm/d。由于石家庄多为硬质渠底, 下渗速率忽略不计, 月均蒸发量见图3。

　　 入河污染主要来源于污水厂尾水、合流区溢流污水以及雨水径流中携带的各类面源污染物。根据石家庄海绵城市专项规划, 除SS外的主要污染物中, 污水厂点源负荷占到了各类污染物的85%以上, 因此加强污水厂提标和再生水回用是降低水体污染负荷的主要工作之一, 通过提高处理标准, 建设生态湿地等手段, 初步确定远期污水厂尾水全部达到Ⅳ类标准。

　　 另外通过合流制区域治理, 源头绿色基础设施建设以及与初雨调蓄控制等手段, 将合流制溢流污染频次控制在10%以内, 面源污染削减50%以上。即通过规划雨污混错接改造、分区低影响开发建设、9处初雨调蓄设施等工作, 严格控制入河污染物总量。根据规划, 经过海绵城市建设后, 中心城区287 km²范围内, 面源污染与合流制溢流污染的年均污染排放量不高于表3。

　　 根据远期污水厂尾水全部达到Ⅳ类标准的目标, 利用污水厂再生水补水水质也不低于Ⅳ类标准。

　　 石家庄市明渠以排涝功能为主, 兼顾景观休闲功能, 参照《地表水环境质量标准》, 主要以人体非直接接触的娱乐用水区和一般景观要求水域为主。结合河道功能布局, 确定不同断面水质标准在Ⅳ类或Ⅴ类。其中景观生态型岸线是重要的亲水活动空间, 需确保Ⅳ类水质要求, 岸线功能规划见图4。

　　 考虑到作为景观水体的感官需求, 重点需要保证河道不发生富营养化状况。根据国内外相关研究表明, 水体富营养化受到流速影响较大。李飞鹏等^[2]研究表明, 流速在0.1 m/s左右时, 对浮游藻类的抑制率可达到50%以上, 魏桢等对北京卢沟桥再生水厂处理后出水研究表明, 在0.1～0.15 m/s流速附近, 藻类生长速率最低, 澳大利亚水华相关控制技术的研究也证明, 夏季控制0.04 m/s以上的流速, 可以避免形成稳定热分层, 从而有效降低水华频次和程度。因此, 考虑石家庄明渠流速控制在0.05～0.1 m/s之间。

　　 石家庄明渠多为梯形与矩形结合的复式断面, 形状较为规整, 主要受水深影响, 可将水深作为主要设计标准。渠道水深主要考虑以下4点。

　　 (1) 由于渠道承担排涝功能, 根据模型校核, 在初始水位控制在0.5 m以内的情况下, 现有渠道断面基本能满足50年一遇排涝需求。

　　 (2) 根据魏桢^[3]等研究, 在利用再生水补水的河道中, 水深0.5 m时水华发生的趋势要明显小于0.7 m时。即在流动水体中, 较低的水深能够有效降低水华发生的趋势。

　　 (3) 为提高水体净化能力, 规划河道内种植水生植物, 尤其是沉水植物。根据相关研究结果, 大部分水生植物的适宜生长水深在0.2～1.0 m之间, 狐尾藻、菖蒲等净化能力较强的水生植物适宜水深更是在0.6 m以内^[5,6]。部分研究表明, 水深0.5 m时湿地系统能够发挥最大的污染净化效果^[7], 这是因为水体表面复氧传递深度有限, 在0.5m左右已经接近0^[8], 无法继续提高水体微生物的净化能力, 同时较浅水深利于阳光照射提高水生植物的光合作用。

　　 (4) 为提高城市明渠的复合功能, 规划提高明渠的景观生态游憩功能增强其亲水性, 设计利用渠道内梯形断面以上空间建设清水平台, 根据《居住区环境景观设计导则》《公园设计规范》等要求, 无护栏的水体在近岸2m范围内的水深不得大于0.5～0.7m。

　　 综合考虑以上因素, 结合不同区域渠道断面以及功能定位, 除东南环水系外, 确定渠道水深控制在0.5m以内。同时根据现有梯形断面的深度情况, 控制水深基本维持在0.3 m左右。推荐常见明渠水深与断面形式见图5。

　　 综合降解系数通常通过实测或文献调研和类比获得。根据《水域纳污能力计算规程》 (GBT 25173—2010) , 实测计算如式 (7) :

　　 $k=\frac{u}{\text{Δ}x}\ln \frac{C{}_{\text{A}}}{C{}_{\text{B}}}(7)$

　　 式中 Δx——测量断面距离, m;

　　 u ——流速, m/s;

　　 C_A ——上游断面污染物浓度, mg/L;

　　 C_B ——下游断面污染物浓度, mg/L。

　　 分析参考石家庄明渠相关水质监测数据^[9,10,11,12]发现, 并结合实测, 现状明渠上下游水质变化极小, 加之流动性差, 计算所得综合降解系数极低, 约在0.01/d以下, 基本无自净能力。因此规划采用生态岸线建设、水生植物恢复、跌水复氧、增大流速等措施人工提高石家庄明渠自净能力。综合降解系数参考相关文献和经验公式研究确定, 以流速作为测算主要依据。根据《全国水环境容量核定技术指南》在设计流速下, 河北省K_COD、K_NH3-N分别为0.3～0.4/d、0.4～0.6/d左右。

　　 补水点位置的选择主要考虑4方面因素:①补水点是渠道水力条件的重要影响因素, 从而影响水体自净能力, 考虑到渠道补水的连贯性, 补水点优先选择在各渠道的起端;②考虑控制渠道水深相对一致, 在断面变化较大, 或者周边存在较大河道取水需求的上游增加补水点;③为减少再生水管网运行水头, 在补水量大, 距离长的河道进行分段补水;④考虑到近期再生水水质标准低于地表水环境质量标准确定的V类水体, 补水点处应有空间建设再生水净化湿地等设施, 进一步提高补水水质。

　　 最终确定的补水点分布如图6所示, 并同步规划了5处补水净化湿地, 以及2处源头补水人工强化处理设施。

　　 根据确定的边界条件, 以及补水点的布置, 最终确定各渠道补水量如图7所示, 总补水量31.8万t/d。其中东南环水系北补水量较大, 考虑到其下游泊水公园面积较大, 是石家庄重要的郊野湿地公园, 调蓄容积大, 且具有较好水体净化能力。根据全市再生水平衡情况, 为保障工业以及城市杂用等再生水需求, 规划利用泊水公园进行循环补水, 可将东南环北补水点再生水补水量由12.8万t/d减小到7.8万t/d。

　　 城市明渠由于缺乏天然补水水源, 再生水补水是城市明渠的主要水源。不同于自然河道, 城市明渠补水量的确定受人为因素影响较大, 不能简单照搬一般河道以生态环境机理为主的计算方法, 应考虑河道水质目标要求、防洪要求、景观要求等各方面因素。根据分析, 不同于常规大水面、深水位、低流速的明渠补水思路, 保证一定流速的浅水位更加利于综合效益的发挥, 利于水质的保持、景观打造的同时, 减少了补水水量, 也降低了渠道内建设大量闸坝对排涝能力的影响。最后, 河道水质有所好转的前提仍是控源截污, 石家庄海绵城市规划通过污染物的分析, 合理确定污染控制措施, 减少入河污染物总量是确保水质达标的前提。