合肥實(shí)例：基于再生水利用的河湖生態(tài)需水量?jì)?yōu)化配置
全康環(huán)保:導讀：針對合肥市水資源緊缺、河湖水環(huán)境狀況不理想等問(wèn)題，結合合肥市再生水資源現況，以南淝河流域為例，從再生水水量、水質(zhì)及補水路徑等多方面，對再生水補給河湖進(jìn)行了系統性研究分析，對河湖生態(tài)需水量進(jìn)行了優(yōu)化配置。合肥市優(yōu)化利用再生水補給河湖，可實(shí)現優(yōu)質(zhì)水資源的置換，并采取最少的工程措施，滿(mǎn)足河湖景觀(guān)水體的生態(tài)用水需求，從而改善河湖水環(huán)境狀況。
0 概況
合肥市地處江淮分水嶺，包含巢湖水系和滁河水系。合肥市區主要河湖水系分布如圖1所示，合肥市區內河道主要有十五里河、南淝河、板橋河、塘西河、關(guān)鎮河、小板橋河、圩西河、許小河、四里河、二十埠河、派河，中心城區景觀(guān)水體主要有天鵝湖、南艷湖、翡翠湖、王建溝、陶沖湖、方興湖、花沖公園、杏花公園、銀河公園、逍遙津公園、生態(tài)公園、瑤海濕地公園，城市水系發(fā)達。但目前合肥市內各水系的補水，除降雨外基本都來(lái)自區域外淠河灌區和杭埠河灌區經(jīng)滁河干渠的調水，補水水源較為單一，一旦遭遇大旱河道補水將難以保障。不僅如此，合肥市主要河流水質(zhì)以Ⅴ類(lèi)或劣Ⅴ類(lèi)為主，而這往往也是由河道水體受污染，清潔水源不足造成。因此，合肥市內亟需優(yōu)質(zhì)水資源對各水系進(jìn)行合理補給。
1 合肥市再生水水源條件
1.1 污水處理廠(chǎng)水量充沛
截至2019年12月，合肥市主城區有現狀污水處理廠(chǎng)14座，出水水質(zhì)均達到類(lèi)Ⅳ類(lèi)，污水現狀處理能力為191.5萬(wàn)m3/d，除在調試階段的望塘和清溪污水處理廠(chǎng)，其余污水處理廠(chǎng)處理水量均達到或超出設計規模，實(shí)際日平均處理量可達到173.4萬(wàn)m3/d，預計2021年現況及規劃新建污水處理廠(chǎng)將達18座，處理能力可達334.5萬(wàn)m3/d，因此合肥市再生水水源充足、水質(zhì)穩定，具有良好的再生水資源開(kāi)發(fā)基礎。
1.2 污水處理廠(chǎng)出水水質(zhì)良好
合肥市再生水主要用于景觀(guān)環(huán)境用水、工業(yè)循環(huán)冷卻用水、城市綠化、道路清掃、建筑施工、大型公共建筑中水，再生水處理廠(chǎng)出廠(chǎng)水水質(zhì)必須同時(shí)滿(mǎn)足《城市污水再生利用 城市雜用水水質(zhì)》（GB/T18920）、《城市污水再生利用 景觀(guān)環(huán)境用水》（GB/T 18921）、《城市污水再生利用 工業(yè)用水水質(zhì)》（GB/T19923）、城市污水再生利用 綠地灌溉用水》（GB/T 25499）等各用水水質(zhì)標準的要求，將上述水質(zhì)標準歸并后確定了合肥市再生水水質(zhì)標準，其主要指標如表2所示。
合肥市污水處理廠(chǎng)現況出水水質(zhì)，均可達到類(lèi)Ⅳ類(lèi)水質(zhì)標準，因此所有污水處理廠(chǎng)均可作為再生水廠(chǎng)。
1.3 污水處理廠(chǎng)布局合理
合肥市區內污水處理廠(chǎng)分布較為分散，相對均勻地布置于主干河道沿線(xiàn)，有利于出水的就近利用，布局十分合理。因此，污水處理廠(chǎng)出水水量充足、水質(zhì)良好且水廠(chǎng)布局合理，作為再生水水源補給河湖條件優(yōu)越。
2 基于再生水利用的河湖生態(tài)補水方案
目前合肥市區內除派河、天鵝湖、南艷湖及翡翠湖的水質(zhì)目標為Ⅲ類(lèi)，再生水不滿(mǎn)足補給要求外，其余水體均可采用再生水補水。已建成有針對性的再生水補水工程有塘西河、關(guān)鎮河、小板橋河、許小河、環(huán)城水系、王建溝、方興湖等補水工程，總規模僅為35萬(wàn) m3/d，其余均為各污水處理廠(chǎng)尾水排河，是否滿(mǎn)足河道實(shí)際生態(tài)需求有待分析。因此，本次研究結合合肥市區內主要河湖的生態(tài)需水量對各污水處理廠(chǎng)補給河湖的位置和水量進(jìn)行優(yōu)化配置，以滿(mǎn)足河湖實(shí)際生態(tài)需求及提高再生水利用的合理性。河湖生態(tài)需水量為將河湖生態(tài)系統維持在一定水平所需要的水量，河湖生態(tài)系統功能包括維持河湖生物多樣性、自?xún)?、調節水量、維持河湖形態(tài)等。
2.1 河道生態(tài)需水量計算
目前，國內外通常認為城市河道生態(tài)需水量主要包括：維持水生生物棲息地需水量（即生態(tài)基流量）、河流自然和人工植被耗水量、維持河流自?xún)裟芰π杷?、河流水面蒸發(fā)需水量、河流滲漏需水量等。各部分水量計算方法如下。
2.1.1 生態(tài)基流量Q基流
Tennant法是美國專(zhuān)家Tennant和美國漁業(yè)野生動(dòng)物協(xié)會(huì )于1976年共同開(kāi)發(fā)的一種標準設定法，該方法考慮了臨近棲息地、水力學(xué)和生物學(xué)因素，主要依據過(guò)去長(cháng)系列的年流量記錄，采用河流年平均徑流量百分比作為河流最小推薦生態(tài)流量，標準范圍從“差和最小”（10%AAF）到“最佳”（60%~100%AAF），Tennant法推薦流量詳見(jiàn)表3。
2.1.2 河流自然和人工植被耗水量Q綠化
2.1.3 維持河流自?xún)裟芰π杷縌自?xún)?/strong>
維持河流自?xún)裟芰Φ男杷?，可根據河道水面形成的方式采用流速法或換水法。對于水面利用閘壩攔蓄形成的河道，通常采用換水法，借鑒湖泊換水量的計算方法。換水次數及換水深度的確定，應綜合考慮河道所在區域的重要性、補水水源情況等多方面因素。
2.1.4 河流水面蒸發(fā)需水量Q蒸發(fā)
河道水面蒸發(fā)需水量根據水面面積、水面蒸發(fā)量，由水量平衡原理計算：
2.1.5 河流滲漏需水量Q滲漏
河流滲漏需水量是指當河流水位高于地下水位時(shí)，通過(guò)河流底部滲漏和岸邊側漏形式向地下水補充的水量，一般采用達西定律計算，可簡(jiǎn)化為由水面面積和滲漏系數決定：
綜上所述，考慮合肥市河道綜合情況，以及合肥市良好的再生水回用基礎，河道生態(tài)需水量計算為：
該計算方法得到的生態(tài)需水量，安全系數高，補水保證率高，可作為遠期推薦值。
考慮河道所在區域重要性及用水特點(diǎn)，為使合肥市中心城區各河道具有良好生態(tài)功能，保持河流水面及流量處于優(yōu)良狀態(tài)，本次目標生態(tài)基流量取多年平均徑流量的60%。
結合合肥市河道相關(guān)參數，河道蒸發(fā)量為691.8 mm/年,河道滲漏量取0.5 m/年,換水量按每月?lián)Q水5次，每次換水水深1 m計算，沿河兩岸植被綠化用水定額取0.6 m3/（m2?年）。對研究范圍內的河道，根據沿岸閘壩、支流匯入口、污水處理廠(chǎng)尾水排放點(diǎn)、河道水功能區劃，分段進(jìn)行了計算，計算結果見(jiàn)表4。由表4可見(jiàn)，合肥市區河道生態(tài)需水總量為200.7萬(wàn) m3/d，與合肥市區現況污水處理廠(chǎng)總規模較為接近，規劃遠期污水處理廠(chǎng)水量完全可滿(mǎn)足河道用水需求。
2.2 湖泊生態(tài)需水量計算
城市的湖泊景觀(guān)水體無(wú)論從形成方式，還是水源補給形式，及內外影響因素等基本受人工調控和人為影響，槽蓄法為近幾年城市河湖需水預測中常用的水力學(xué)方法。該方法充分考慮城市湖泊景觀(guān)水體為人工營(yíng)造的系統這一特點(diǎn)，將需水量分為補充蒸發(fā)滲漏損失水量和流動(dòng)換水量?jì)纱蟛糠帧?/p>
2.2.1 蒸發(fā)滲漏損失量Q蒸滲
維持湖泊景觀(guān)水體水面面積的水量主要取決于蒸發(fā)滲漏損失，這是其基本需水量。
2.2.2 流動(dòng)換水量Q換水
河湖的流動(dòng)換水是保持良好水質(zhì)的重要條件，湖泊生態(tài)系統的健康取決于湖泊的換水量。
因而合肥市湖泊景觀(guān)水體生態(tài)需水量計算為：
結合合肥市相關(guān)參數，河道蒸發(fā)量為691.8 mm/年,河道滲漏量取0.5 m/年。綜合考慮水源、補水工程等多方面因素，重點(diǎn)湖泊考慮每月?lián)Q水1次、每次換水水深1.5 m。經(jīng)計算，合肥市區湖泊總需水量為5.1萬(wàn) m3/d，已有環(huán)城水系補水工程，規模為5萬(wàn) m3/d，故生態(tài)需水總量為10.1萬(wàn) m3/d，計算結果詳見(jiàn)表5。
2.3 河湖生態(tài)補水系統方案
根據《合肥市水功能區劃》，合肥市河道水功能區主要包含飲用水源區、景觀(guān)娛樂(lè )用水區、工業(yè)用水區、排污控制區、過(guò)渡區等。生態(tài)補水的思路是對重點(diǎn)河段“保水量”，考慮“水動(dòng)力、水景觀(guān)”效果，結合不同區域的用水需求及相關(guān)工程項目，提出具有可行性的優(yōu)化方案。
河湖生態(tài)補水的優(yōu)化配置，主要根據河道沿岸閘壩設置位置、上游支流匯入口位置、污水處理廠(chǎng)尾水排放點(diǎn)、河道水功能區劃來(lái)進(jìn)行分段研究，以期針對不同的河道區段特性，進(jìn)行最合理的分析。在合理分段并計算各河段生態(tài)需水量后，結合沿河污水處理廠(chǎng)的現況退水及遠期規劃規模、已建的補水工程，同時(shí)考慮一定支流的水量匯入，對各河段接納的水量進(jìn)行核算，當滿(mǎn)足該河段生態(tài)需水量且退水點(diǎn)和支流匯入點(diǎn)分布較為合理時(shí)，可初步判定不需新建補水管線(xiàn)，但應經(jīng)過(guò)現場(chǎng)調研復核后確定。對于不滿(mǎn)足生態(tài)需水量的河段，則根據水量缺口，將鄰近污水處理廠(chǎng)的尾水進(jìn)行調配，并通過(guò)現場(chǎng)調研水質(zhì)情況和調水管線(xiàn)建設的可行性，合理確定最優(yōu)補水點(diǎn)。
2.3.1 南淝河干流系統生態(tài)補水方案
以南淝河為例，將南淝河分為三段進(jìn)行分析，如圖2所示，起端董鋪水庫至當涂橋橡膠壩為景觀(guān)娛樂(lè )用水區，將其作為上游段，當涂橋橡膠壩至支流二十埠河匯入處為中游段，二十埠河匯入點(diǎn)至巢湖入湖口為下游段。上游段及下游段的水質(zhì)目標均為Ⅳ類(lèi)，中游段為排污控制區，暫不執行水質(zhì)目標。
南淝河上游段，清溪和望塘兩座污水處理廠(chǎng)各有20萬(wàn)m3/d設計規模的退水至南淝河，但目前兩座水廠(chǎng)均未達到設計水量，實(shí)際退水量約24萬(wàn)m3/d。經(jīng)計算，上游段河道生態(tài)需水量約為47 萬(wàn)m3/d，考慮兩座污水處理廠(chǎng)退水及支流四里河、板橋河的水量匯入，可滿(mǎn)足上游段總水量需求。但起端董鋪水庫至清溪水廠(chǎng)退水點(diǎn)前的河道，因缺乏生態(tài)補水，水質(zhì)惡劣，如圖3a所示。因此建議從清溪水廠(chǎng)調水10 萬(wàn)m3/d至起點(diǎn)董鋪水庫壩后進(jìn)行補水優(yōu)化。望塘水廠(chǎng)退水點(diǎn)附近水質(zhì)有明顯改善（圖3b），而后環(huán)城水系附近水體感官水質(zhì)稍有降低（圖3c），待兩座污水處理廠(chǎng)達到設計規模并完成支流四里河及板橋河的生態(tài)補水后，預計水質(zhì)將進(jìn)一步提高。
南淝河中游段，計算所需生態(tài)需水量約為36 萬(wàn)m3/d，王小郢污水處理廠(chǎng)20萬(wàn)m3/d退水匯入后，仍有16 萬(wàn)m3/d的水量缺口。此段中間擬新增補水點(diǎn)處（圖3e）水質(zhì)相比于此段起端當涂橋下橡膠壩處（圖3 d）有所退化，此段末端小倉房污水處理廠(chǎng)退水點(diǎn)前（圖3f），河道水質(zhì)感官已較差，因而建議從小倉房污水處理廠(chǎng)調水20 萬(wàn)m3/d至南淝河中游，進(jìn)行補水。、
南淝河下游段，計算所需生態(tài)需水量約為32 萬(wàn)m3/d，小倉房污水處理廠(chǎng)目前有20萬(wàn)m3/d尾水退入，二、三期還將各增加20萬(wàn)m3/d，并考慮支流二十埠河的水量匯入，完全可滿(mǎn)足下游生態(tài)需水。
2.3.2 南淝河支流及周邊湖泊系統生態(tài)補水方案
四里河和板橋河都是景觀(guān)娛樂(lè )用水區，近期水質(zhì)目標均為Ⅴ類(lèi)。經(jīng)計算，四里河生態(tài)需水量為5.5萬(wàn)m3/d，目前已有正在設計中的四里河生態(tài)補水工程，該工程從蔡田鋪水廠(chǎng)引水，補水至四里河起端東支及西支，規模為10萬(wàn)m3/d。
板橋河生態(tài)需水量為10萬(wàn)m3/d，蔡田鋪水廠(chǎng)2020年規模將達到20萬(wàn)m3/d，除去向四里河的10萬(wàn)m3/d補水外，仍有10萬(wàn)m3/d退水排至板橋河，同時(shí)擬建的張洼水廠(chǎng)預計2021年也將有15萬(wàn)m3/d退水排至板橋河，水量上可滿(mǎn)足需求。
二十埠河較長(cháng)，分為兩段進(jìn)行分析，起端至朱磚井污水處理廠(chǎng)退水點(diǎn)為上游段，退水點(diǎn)至南淝河為下游段，二十埠河近期水質(zhì)目標為Ⅴ類(lèi)。經(jīng)計算，上游段生態(tài)需水量為10萬(wàn)m3/d，陶沖污水處理廠(chǎng)目前已有5萬(wàn)m3/d退水排入二十埠河，但仍存在5萬(wàn)m3/d的缺口，現況河道水質(zhì)一般。預計2020年，陶沖污水處理廠(chǎng)規模將達到15萬(wàn)m3/d，屆時(shí)，建議調水5萬(wàn)m3/d至二十埠河起端，即可滿(mǎn)足水量需求。同時(shí)，周邊湖泊陶沖湖、瑤海濕地公園和生態(tài)公園的水質(zhì)還有提升空間，建議從陶沖污水處理廠(chǎng)向陶沖湖公園調水1萬(wàn)m3/d，向瑤海公園和生態(tài)公園分別調水0.5萬(wàn)m3/d。此外，花沖公園目前水質(zhì)一般，建議從朱磚井污水處理廠(chǎng)向花沖公園調水1萬(wàn)m3/d進(jìn)行補水。二十埠河下游段，生態(tài)需水量為10萬(wàn)m3/d，朱磚井污水處理廠(chǎng)和擬建的鐘油坊污水處理廠(chǎng)，遠期共有14.5萬(wàn)m3/d退水排入二十埠河，同時(shí)有支流小板橋河的水量匯入，可滿(mǎn)足水量需求。
3 再生水優(yōu)化補給河湖的意義
3.1 置換優(yōu)質(zhì)水資源
據了解，董鋪水庫、大房郢水庫、張橋水庫每年都要向南淝河及板橋河進(jìn)行補水，僅2019年4月、5月就向南淝河及板橋河分別補水507萬(wàn)m3及215.2萬(wàn)m3，每年的非常態(tài)補水都在千萬(wàn)噸以上。通過(guò)清溪及蔡田鋪水廠(chǎng)的尾水，可向兩條河實(shí)現20萬(wàn)m3/d以上的補水，在滿(mǎn)足河道常態(tài)生態(tài)需水的同時(shí)，可置換出水庫大量的優(yōu)質(zhì)水資源，將水庫優(yōu)質(zhì)水資源用于更高水質(zhì)要求的用途，實(shí)現水資源效益的最大化。
3.2 合理滿(mǎn)足河湖景觀(guān)水體的生態(tài)用水需求
合肥市區內各污水處理廠(chǎng)生產(chǎn)的再生水，結合河湖整體情況的優(yōu)化補給，可滿(mǎn)足主要景觀(guān)河道及公園湖泊的生態(tài)用水需求。分段核算，結合污水處理廠(chǎng)布局，對河道進(jìn)行多節點(diǎn)補水的分配，將采取最少的工程措施，實(shí)現最優(yōu)的補水效果。
3.3 改善河湖水環(huán)境狀況
合肥市區內的許小河、王建溝、徐河三條支流原為黑臭水體，經(jīng)過(guò)治理并采用再生水進(jìn)行生態(tài)補水后，目前各條河道水質(zhì)良好，產(chǎn)生了較好的社會(huì )、經(jīng)濟效益。如果合肥市區內各條河道均實(shí)現再生水的優(yōu)化補給，并假設河道沿線(xiàn)截污、清淤、面源污染控制等工程都已完成，河湖水質(zhì)將明顯提升，旱季時(shí)各條河道也有望實(shí)現較為良好的景觀(guān)生態(tài)效果。
4 結論
（1）合肥市污水處理廠(chǎng)出水水量充沛，預計2021年水廠(chǎng)總規模將達到334.5萬(wàn)m3/d，出水水質(zhì)可達到準Ⅳ類(lèi)標準，滿(mǎn)足再生水各項用水需求，且水廠(chǎng)較為均勻地布置于主干河道沿線(xiàn)，有利于出水的就近利用，作為再生水水源補給河湖條件優(yōu)越。
（2）合肥市中心城區河道生態(tài)需水總量為200.7萬(wàn)m3/d，湖泊生態(tài)需水總量為10.1萬(wàn)m3/d。以南淝河系統為例，經(jīng)詳細核算各河道不同區段及湖泊的生態(tài)需水量，結合沿河再生水源條件進(jìn)行分析，增加部分河道及湖泊補水后，再生水可滿(mǎn)足南淝河全流域的生態(tài)用水需求。
（3）合肥市優(yōu)化利用再生水補給河湖，可實(shí)現優(yōu)質(zhì)水資源置換，并采取最少的工程措施，滿(mǎn)足河湖景觀(guān)水體生態(tài)用水需求，從而改善河湖水環(huán)境狀況。
（4）僅僅依靠再生水進(jìn)行補水是無(wú)法從根源上改善河道水質(zhì)情況的，因此建議首先采取其他措施（如污水截流、清淤、控制點(diǎn)源、面源污染等），從根源上減少流入河道的污染負荷。
（5）本文的研究主要考慮了河湖生態(tài)需水量的優(yōu)化配置，有關(guān)生態(tài)補水對河湖水質(zhì)及流速的具體改善效果，以及考慮不同補水方式（包括間斷補水和持續補水）對河道水質(zhì)改善效率等更全面的結論尚需要進(jìn)一步進(jìn)行研究。
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