合肥實例：基于再生水利用的河湖生態(tài)需水量優(yōu)化配置

全康環(huán)保:導(dǎo)讀：針對合肥市水資源緊缺、河湖水環(huán)境狀況不理想等問題，結(jié)合合肥市再生水資源現(xiàn)況，以南淝河流域為例，從再生水水量、水質(zhì)及補(bǔ)水路徑等多方面，對再生水補(bǔ)給河湖進(jìn)行了系統(tǒng)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(bǔ)給河湖，可實現(xiàn)優(yōu)質(zhì)水資源的置換，并采取最少的工程措施，滿足河湖景觀水體的生態(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(qū)主要河湖水系分布如圖1所示，合肥市區(qū)內(nèi)河道主要有十五里河、南淝河、板橋河、塘西河、關(guān)鎮(zhèn)河、小板橋河、圩西河、許小河、四里河、二十埠河、派河，中心城區(qū)景觀水體主要有天鵝湖、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(dá)。但目前合肥市內(nèi)各水系的補(bǔ)水，除降雨外基本都來自區(qū)域外淠河灌區(qū)和杭埠河灌區(qū)經(jīng)滁河干渠的調(diào)水，補(bǔ)水水源較為單一，一旦遭遇大旱河道補(bǔ)水將難以保障。不僅如此，合肥市主要河流水質(zhì)以Ⅴ類或劣Ⅴ類為主，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(nèi)亟需優(yōu)質(zhì)水資源對各水系進(jìn)行合理補(bǔ)給。

1 合肥市再生水水源條件

1.1 污水處理廠水量充沛

截至2019年12月，合肥市主城區(qū)有現(xiàn)狀污水處理廠14座，出水水質(zhì)均達(dá)到類Ⅳ類，污水現(xiàn)狀處理能力為191.5萬m3/d，除在調(diào)試階段的望塘和清溪污水處理廠，其余污水處理廠處理水量均達(dá)到或超出設(shè)計規(guī)模，實際日平均處理量可達(dá)到173.4萬m3/d，預(yù)計2021年現(xiàn)況及規(guī)劃新建污水處理廠將達(dá)18座，處理能力可達(dá)334.5萬m3/d，因此合肥市再生水水源充足、水質(zhì)穩(wěn)定，具有良好的再生水資源開發(fā)基礎(chǔ)。

1.2 污水處理廠出水水質(zhì)良好

合肥市再生水主要用于景觀環(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，再生水處理廠出廠水水質(zhì)必須同時滿足《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(biāo)準(zhǔn)的要求，將上述水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)歸并后確定了合肥市再生水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，其主要指標(biāo)如表2所示。

合肥市污水處理廠現(xiàn)況出水水質(zhì)，均可達(dá)到類Ⅳ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，因此所有污水處理廠均可作為再生水廠。

1.3 污水處理廠布局合理

合肥市區(qū)內(nèi)污水處理廠分布較為分散，相對均勻地布置于主干河道沿線，有利于出水的就近利用，布局十分合理。因此，污水處理廠出水水量充足、水質(zhì)良好且水廠布局合理，作為再生水水源補(bǔ)給河湖條件優(yōu)越。

2 基于再生水利用的河湖生態(tài)補(bǔ)水方案

目前合肥市區(qū)內(nèi)除派河、天鵝湖、南艷湖及翡翠湖的水質(zhì)目標(biāo)為Ⅲ類，再生水不滿足補(bǔ)給要求外，其余水體均可采用再生水補(bǔ)水。已建成有針對性的再生水補(bǔ)水工程有塘西河、關(guān)鎮(zhèn)河、小板橋河、許小河、環(huán)城水系、王建溝、方興湖等補(bǔ)水工程，總規(guī)模僅為35萬 m3/d，其余均為各污水處理廠尾水排河，是否滿足河道實際生態(tài)需求有待分析。因此，本次研究結(jié)合合肥市區(qū)內(nèi)主要河湖的生態(tài)需水量對各污水處理廠補(bǔ)給河湖的位置和水量進(jìn)行優(yōu)化配置，以滿足河湖實際生態(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(tǒng)維持在一定水平所需要的水量，河湖生態(tài)系統(tǒng)功能包括維持河湖生物多樣性、自凈、調(diào)節(jié)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(nèi)外通常認(rèn)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、維持河流自凈能力需水量、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法是美國專家Tennant和美國漁業(yè)野生動物協(xié)會于1976年共同開發(fā)的一種標(biāo)準(zhǔn)設(shè)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(jù)過去長系列的年流量記錄，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(biāo)準(zhǔn)范圍從“差和最小”（10%AAF）到“最佳”（60%~100%AAF），Tennant法推薦流量詳見表3。

2.1.2 河流自然和人工植被耗水量Q綠化

2.1.3 維持河流自凈能力需水量Q自凈

維持河流自凈能力的需水量，可根據(jù)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(shù)及換水深度的確定，應(yīng)綜合考慮河道所在區(qū)域的重要性、補(bǔ)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(jù)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(dāng)河流水位高于地下水位時，通過河流底部滲漏和岸邊側(cè)漏形式向地下水補(bǔ)充的水量，一般采用達(dá)西定律計算，可簡化為由水面面積和滲漏系數(shù)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(chǔ)，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(shù)高，補(bǔ)水保證率高，可作為遠(yuǎn)期推薦值。

考慮河道所在區(qū)域重要性及用水特點，為使合肥市中心城區(qū)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(biāo)生態(tài)基流量取多年平均徑流量的60%。

結(jié)合合肥市河道相關(guān)參數(shù)，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(nèi)的河道，根據(jù)沿岸閘壩、支流匯入口、污水處理廠尾水排放點、河道水功能區(qū)劃，分段進(jìn)行了計算，計算結(jié)果見表4。由表4可見，合肥市區(qū)河道生態(tài)需水總量為200.7萬 m3/d，與合肥市區(qū)現(xiàn)況污水處理廠總規(guī)模較為接近，規(guī)劃遠(yuǎn)期污水處理廠水量完全可滿足河道用水需求。

2.2 湖泊生態(tài)需水量計算

城市的湖泊景觀水體無論從形成方式，還是水源補(bǔ)給形式，及內(nèi)外影響因素等基本受人工調(diào)控和人為影響，槽蓄法為近幾年城市河湖需水預(yù)測中常用的水力學(xué)方法。該方法充分考慮城市湖泊景觀水體為人工營造的系統(tǒng)這一特點，將需水量分為補(bǔ)充蒸發(fā)滲漏損失水量和流動換水量兩大部分。

2.2.1 蒸發(fā)滲漏損失量Q蒸滲

維持湖泊景觀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 流動換水量Q換水

河湖的流動換水是保持良好水質(zhì)的重要條件，湖泊生態(tài)系統(tǒng)的健康取決于湖泊的換水量。

因而合肥市湖泊景觀水體生態(tài)需水量計算為：

結(jié)合合肥市相關(guān)參數(shù)，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(bǔ)水工程等多方面因素，重點湖泊考慮每月?lián)Q水1次、每次換水水深1.5 m。經(jīng)計算，合肥市區(qū)湖泊總需水量為5.1萬 m3/d，已有環(huán)城水系補(bǔ)水工程，規(guī)模為5萬 m3/d，故生態(tài)需水總量為10.1萬 m3/d，計算結(jié)果詳見表5。

2.3 河湖生態(tài)補(bǔ)水系統(tǒng)方案

根據(jù)《合肥市水功能區(qū)劃》，合肥市河道水功能區(qū)主要包含飲用水源區(qū)、景觀娛樂用水區(qū)、工業(yè)用水區(qū)、排污控制區(qū)、過渡區(qū)等。生態(tài)補(bǔ)水的思路是對重點河段“保水量”，考慮“水動力、水景觀”效果，結(jié)合不同區(qū)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(bǔ)水的優(yōu)化配置，主要根據(jù)河道沿岸閘壩設(shè)置位置、上游支流匯入口位置、污水處理廠尾水排放點、河道水功能區(qū)劃來進(jìn)行分段研究，以期針對不同的河道區(qū)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(jié)合沿河污水處理廠的現(xiàn)況退水及遠(yuǎn)期規(guī)劃規(guī)模、已建的補(bǔ)水工程，同時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(dāng)滿足該河段生態(tài)需水量且退水點和支流匯入點分布較為合理時，可初步判定不需新建補(bǔ)水管線，但應(yīng)經(jīng)過現(xiàn)場調(diào)研復(fù)核后確定。對于不滿足生態(tài)需水量的河段，則根據(jù)水量缺口，將鄰近污水處理廠的尾水進(jìn)行調(diào)配，并通過現(xiàn)場調(diào)研水質(zhì)情況和調(diào)水管線建設(shè)的可行性，合理確定最優(yōu)補(bǔ)水點。

2.3.1 南淝河干流系統(tǒng)生態(tài)補(bǔ)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(dāng)涂橋橡膠壩為景觀娛樂用水區(qū)，將其作為上游段，當(dāng)涂橋橡膠壩至支流二十埠河匯入處為中游段，二十埠河匯入點至巢湖入湖口為下游段。上游段及下游段的水質(zhì)目標(biāo)均為Ⅳ類，中游段為排污控制區(qū)，暫不執(zhí)行水質(zhì)目標(biāo)。

南淝河上游段，清溪和望塘兩座污水處理廠各有20萬m3/d設(shè)計規(guī)模的退水至南淝河，但目前兩座水廠均未達(dá)到設(shè)計水量，實際退水量約24萬m3/d。經(jīng)計算，上游段河道生態(tài)需水量約為47 萬m3/d，考慮兩座污水處理廠退水及支流四里河、板橋河的水量匯入，可滿足上游段總水量需求。但起端董鋪水庫至清溪水廠退水點前的河道，因缺乏生態(tài)補(bǔ)水，水質(zhì)惡劣，如圖3a所示。因此建議從清溪水廠調(diào)水10 萬m3/d至起點董鋪水庫壩后進(jìn)行補(bǔ)水優(yōu)化。望塘水廠退水點附近水質(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），待兩座污水處理廠達(dá)到設(shè)計規(guī)模并完成支流四里河及板橋河的生態(tài)補(bǔ)水后，預(yù)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m3/d，王小郢污水處理廠20萬m3/d退水匯入后，仍有16 萬m3/d的水量缺口。此段中間擬新增補(bǔ)水點處（圖3e）水質(zhì)相比于此段起端當(dāng)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退水點前（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調(diào)水20 萬m3/d至南淝河中游，進(jìn)行補(bǔ)水。、

南淝河下游段，計算所需生態(tài)需水量約為32 萬m3/d，小倉房污水處理廠目前有20萬m3/d尾水退入，二、三期還將各增加20萬m3/d，并考慮支流二十埠河的水量匯入，完全可滿足下游生態(tài)需水。

2.3.2 南淝河支流及周邊湖泊系統(tǒng)生態(tài)補(bǔ)水方案

四里河和板橋河都是景觀娛樂用水區(qū)，近期水質(zhì)目標(biāo)均為Ⅴ類。經(jīng)計算，四里河生態(tài)需水量為5.5萬m3/d，目前已有正在設(shè)計中的四里河生態(tài)補(bǔ)水工程，該工程從蔡田鋪水廠引水，補(bǔ)水至四里河起端東支及西支，規(guī)模為10萬m3/d。

板橋河生態(tài)需水量為10萬m3/d，蔡田鋪水廠2020年規(guī)模將達(dá)到20萬m3/d，除去向四里河的10萬m3/d補(bǔ)水外，仍有10萬m3/d退水排至板橋河，同時擬建的張洼水廠預(yù)計2021年也將有15萬m3/d退水排至板橋河，水量上可滿足需求。

二十埠河較長，分為兩段進(jìn)行分析，起端至朱磚井污水處理廠退水點為上游段，退水點至南淝河為下游段，二十埠河近期水質(zhì)目標(biāo)為Ⅴ類。經(jīng)計算，上游段生態(tài)需水量為10萬m3/d，陶沖污水處理廠目前已有5萬m3/d退水排入二十埠河，但仍存在5萬m3/d的缺口，現(xiàn)況河道水質(zhì)一般。預(yù)計2020年，陶沖污水處理廠規(guī)模將達(dá)到15萬m3/d，屆時，建議調(diào)水5萬m3/d至二十埠河起端，即可滿足水量需求。同時，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向陶沖湖公園調(diào)水1萬m3/d，向瑤海公園和生態(tài)公園分別調(diào)水0.5萬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向花沖公園調(diào)水1萬m3/d進(jìn)行補(bǔ)水。二十埠河下游段，生態(tài)需水量為10萬m3/d，朱磚井污水處理廠和擬建的鐘油坊污水處理廠，遠(yuǎn)期共有14.5萬m3/d退水排入二十埠河，同時有支流小板橋河的水量匯入，可滿足水量需求。

3 再生水優(yōu)化補(bǔ)給河湖的意義

3.1 置換優(yōu)質(zhì)水資源

據(jù)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(bǔ)水，僅2019年4月、5月就向南淝河及板橋河分別補(bǔ)水507萬m3及215.2萬m3，每年的非常態(tài)補(bǔ)水都在千萬噸以上。通過清溪及蔡田鋪水廠的尾水，可向兩條河實現(xiàn)20萬m3/d以上的補(bǔ)水，在滿足河道常態(tài)生態(tài)需水的同時，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，實現(xiàn)水資源效益的最大化。

3.2 合理滿足河湖景觀水體的生態(tài)用水需求

合肥市區(qū)內(nèi)各污水處理廠生產(chǎn)的再生水，結(jié)合河湖整體情況的優(yōu)化補(bǔ)給，可滿足主要景觀河道及公園湖泊的生態(tài)用水需求。分段核算，結(jié)合污水處理廠布局，對河道進(jìn)行多節(jié)點補(bǔ)水的分配，將采取最少的工程措施，實現(xiàn)最優(yōu)的補(bǔ)水效果。

3.3 改善河湖水環(huán)境狀況

合肥市區(qū)內(nèi)的許小河、王建溝、徐河三條支流原為黑臭水體，經(jīng)過治理并采用再生水進(jìn)行生態(tài)補(bǔ)水后，目前各條河道水質(zhì)良好，產(chǎn)生了較好的社會、經(jīng)濟(jì)效益。如果合肥市區(qū)內(nèi)各條河道均實現(xiàn)再生水的優(yōu)化補(bǔ)給，并假設(shè)河道沿線截污、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，旱季時各條河道也有望實現(xiàn)較為良好的景觀生態(tài)效果。

4 結(jié)論

（1）合肥市污水處理廠出水水量充沛，預(yù)計2021年水廠總規(guī)模將達(dá)到334.5萬m3/d，出水水質(zhì)可達(dá)到準(zhǔn)Ⅳ類標(biāo)準(zhǔn)，滿足再生水各項用水需求，且水廠較為均勻地布置于主干河道沿線，有利于出水的就近利用，作為再生水水源補(bǔ)給河湖條件優(yōu)越。

（2）合肥市中心城區(qū)河道生態(tài)需水總量為200.7萬m3/d，湖泊生態(tài)需水總量為10.1萬m3/d。以南淝河系統(tǒng)為例，經(jīng)詳細(xì)核算各河道不同區(qū)段及湖泊的生態(tài)需水量，結(jié)合沿河再生水源條件進(jìn)行分析，增加部分河道及湖泊補(bǔ)水后，再生水可滿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(bǔ)給河湖，可實現(xiàn)優(yōu)質(zhì)水資源置換，并采取最少的工程措施，滿足河湖景觀水體生態(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(bǔ)水是無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、控制點源、面源污染等），從根源上減少流入河道的污染負(fù)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(bǔ)水對河湖水質(zhì)及流速的具體改善效果，以及考慮不同補(bǔ)水方式（包括間斷補(bǔ)水和持續(xù)補(bǔ)水）對河道水質(zhì)改善效率等更全面的結(jié)論尚需要進(jìn)一步進(jìn)行研究。