城市河道生態補水技術研究

李媛

（商洛市城區河道與灌區管理站，陜西商洛 726000）

1 引言

隨著城市化進程的加快，城市河道面臨著日益嚴重的水資源短缺、水污染和河道生態系統破壞等問題。因此，研究城市河道生態補水技術，對于解決城市水環境問題，維護河道生態平衡具有重要意義。王健等[1]人針對生態河道水資源質量差的問題，通過多級好氧強化除磷的化學凈化技術來達到改善補水質量的目的，為城市河道的補水凈化提供了技術支持。此外，李曉琳等[2]人為了提高永定河河流水量的穩定性，通過分析水文循環規律提出了一種新型生態補水技術。結果表明，該技術對現狀條件下河道徑流起到了積極作用。此次研究以SWAT（Soil and Water Assessment Tool）模型為出發點，通過數據分析和預測來指導一種新型生態補水技術，針對性地為保護和恢復河道生態系統的健康，改善河道水質狀況提出解決方案。

2 城市河道生態補水技術現狀及難點分析

現有的生態補水技術是利用植物、微生物等生物修復技術來提高河道水體的自凈能力，保持水質的清潔和凈化。例如，采用植物人工濕地技術、構建植物污泥體系等生態修復手段來改善河道水環境[3]。這些生態補水技術能夠改善河道水體的水質和生態系統的服務功能，但是對水量的補充效果較弱。城市河道生態補水是指通過補充水源，改善城市河道的水質和水量，提升河道的生態環境。然而，實施城市河道生態補水也面臨著一些難點和挑戰。生態補水技術難點如圖1所示。

圖1 城市河道生態補水技術難點

第一，城市河道的生態補水需要充足的水源。在城市河道生態補水中，需要考慮從何處獲取水源。如果直接引水自然河流或湖泊，可能會對原水體造成損害，甚至引發水資源爭奪。

第二，城市河道生態補水需要處理水質問題。要有效改善河道水質，需要建立完善的污水處理系統，確保排放的水質符合標準。

第三，城市河道生態補水需要解決水資源分配問題。例如，一些地區可能面臨缺水問題，而另一些地區則水資源充足。

第四，城市河道生態補水需要解決工程技術問題。河道的生態補水需要進行一系列的工程改造，包括引水工程、水處理工程、建設濕地等。

綜上所述，城市河道生態補水面臨著水源短缺、水質處理、水資源分配和工程技術等多個方面的難點。在研究實際需要和技術難點后，確定以水資源短缺和水資源分配為主要研究方向，進行相關補水技術的深入探索。

3 基于SWAT水文模型的生態補水技術

SWAT 是一種用于流域尺度水文模擬的模型，廣泛用于分析和模擬水資源管理、土地利用變化對水文過程的影響。結合以上得出的城市河道生態補水四大難點，研究嘗試以SWAT 分布式水文模型分別進行深入探索。SWAT 的結構圖如圖2 所示。

圖2 SWAT模型結構圖

由圖2 可知，整個SWAT 模型可分為5 個子模型，包括蒸發蒸騰子模型、土壤水分平衡子模型、地表徑流和地下徑流子模型、植被生長子模型和水質子模型。蒸發蒸騰子模型用于模擬流域內蒸發蒸騰的過程，該模塊考慮了植被覆蓋率、土壤含水量、氣象條件等因素對蒸發蒸騰過程的影響。土壤水分平衡子模型考慮了降水、蒸發蒸騰、徑流、地下水等因素對土壤水分平衡的影響，從而模擬土壤水分的動態變化。地表徑流和地下徑流子模型考慮了地形、土壤類型、土地利用、降水等因素對徑流的影響，并模擬了不同形式徑流的生成和輸送過程。植被生長子模型考慮了植被類型、氣候條件、土壤水分等因素對植被生長的影響，從而模擬了流域內不同植被類型的生長情況。水質子模型用于模擬流域內水質的變化。該模塊考慮了土地利用類型、管理措施、土壤侵蝕、溶解質輸運等因素對水質的影響。

在以上各個子模型的基礎上，SWAT 模型將各個過程以及其相互作用整合在一起，通過復雜的模型計算實現對流域尺度水文過程、水資源利用、土壤侵蝕和水質變化等綜合的模擬和預測。結合以上對SWAT 模型的框架分析，研究利用Archis 系統搭載了SWAT 模型，通過數據驅動的方式進行補水方案策劃，數據類型包括了來源于資源環境數據云平臺的Grid 格式；精度為90 m×90 m 的高程數據；來源于環境規劃院的Shape 格式1～5 級河流矢量圖；來源于中華人民共和國自然資源部的Grid 格式；精度為1 km 的土地遙感檢測數據；來源于中國氣象數據國家氣象信息中心的Txt 格式；精度為日尺度的氣象同化數據等。其中，土地數據和土壤數據皆用于確定SWAT 模型的墊面條件，氣象數據應用于河道流域的降水過程模擬，水文數據用于河道流域的水文模擬。

4 面向商洛市城市河道的SWAT 模型生態補水技術

4.1 地域概況

商洛市位于陜西省中西部，是一個歷史文化名城。商洛市城區內有一條主要河道，即洛河，該河是商洛市的母親河，也是商洛市城區的重要景觀之一。洛河發源于商洛市山陽縣南部的陳巴峪，流經山陽縣、商州區和洛南縣，最終在洛南縣與渭河匯合。洛河全長約145.1 km，流域面積約2 182 km2。洛河河道在城區內呈彎曲狀，沿途有多處景點和公園。針對以上數據背景，研究結合商洛市水利局2016—2021 年河流數據記錄分別以水源短缺和水資源分配提出了地域性解決方案。

4.2 生態補水中水源短缺處理技術

由于商洛市城市化、氣候變化和人類活動等因素，很多地方的河流水源面臨減少。SWAT 模型下的生態補水水源短缺處理技術大致分7 步。

第一步為數據準備。收集商洛市所需的水文數據、氣象數據、土地利用數據等，準備建立SWAT 模型所需的輸入數據。這些數據將包括河流徑流、地下水位、降雨、蒸發、植被覆蓋、土壤類型等信息。

第二步，建立商洛市流域模型圖和模型所需的匯水面和子匯水面，設置模型的參數，包括河流參數、土壤參數、植被參數等。

第三步，通過SWAT 模擬商洛市河道水資源狀況，包括徑流、蒸發蒸騰、地下水位等，以了解城市河道的供水狀況。

第四步，利用SWAT 模型對水資源管理措施進行模擬，例如水庫調度、灌溉管理、水源保護區劃等。

第五步，選定合理的方案，結合SWAT 模型模擬的結果，制定適合商洛市的水資源管理政策，包括節約用水措施、水資源配置、水資源保護等措施。

第六步為方案評估，包括對水資源供需平衡、水質改善、生態系統恢復等方面進行評估，以確定最佳的水資源管理方案。

第七步為實施和監測，利用SWAT 模型對實施方案的效果進行監測和評估，隨時調整和優化管理策略。

4.3 生態補水中水資源分配技術

城市河道生態補水中的水資源分配技術是為了合理配置水資源，以滿足河道的生態需求，同時兼顧城市用水和農業灌溉等多重需求。結合SWAT 模型下的商洛市生態補水水資源分配技術同樣大致分為7 步。

第一步為數據準備。收集商洛市城市河道水資源使用數據、水文數據、氣象數據、土地利用數據等，作為建立SWAT 模型的輸入數據。這些數據包括城市用水需求、水資源供需情況、河流流量、降雨量、蒸發等信息。

第二步為SWAT 模型建立。設置模型的參數，包括水資源分配參數、河流參數、土壤參數、植被參數等，以及模型的水文、氣象、土地利用等輸入數據。

第三步為模擬水資源分配。模擬河道的水文過程，包括徑流、蒸發、地下水位等，了解城市河道的水資源分配情況。

第四步為水資源管理模擬。例如，模擬不同的水資源分配方案，包括水庫蓄水調度、灌溉管理、城市供水管網管理等，以評估這些措施對城市河道水資源供需平衡的影響。

第五步～第七步與之前一致。

5 生態補水技術應用分析

研究首先從商洛市水利局收集了洛河以近5 年的相關數據。其年均徑流量為10.52 m3/s、生態基流量3.21 m3/s、平均生態需水量9.998×107m3。以Archis 系統為基準模擬搭建了SWAT 測試平臺，設置補水量參數為0.7。同時由于該河流的歷年平均流量比例相差較大，為了統一標準進行測試，研究按每月灌溉和集中月份灌溉的時間分配模式，設置了4 種不同情況的補水方案。其中，方案1 為每月灌溉模式下的水源短缺處理技術；方案2 為集中月份灌溉下的水源短缺處理技術；方案3 為每月灌溉下的水資源分配技術；方案4 為集中月份灌溉下水資源分配技術。測試每種技術在補水前和補水后的河流徑流量變化，結果如圖3 所示。

圖3 不同方案下的洛河補水徑流量變化曲線

圖3a 為方案1 下的洛河補水前后對比結果，圖3b 為方案2 下的洛河補水前后對比結果，圖3c 為方案3 下的洛河補水前后對比結果，圖3d 為方案4 下的洛河補水前后對比結果。由圖3 可知，整體而言，補水后的4 種方案中，方案4 的月均流量最高為9.4 m3/s，其次為方案1 的8.7 m3/s、方案3 的8.5 m3/s 和方案2 的7.6 m3/s。說明根據洛河的枯水季和旺水季進行合理的水資源分配是十分可行的，同時每月使用水資源短缺技術來對洛河水流進行引入和引出，對于其月平均徑流量也是有一定改善的。

綜上所述，水資源短缺技術適合每月灌溉模式，而水資源分配技術適合集中月份灌溉模式，無論哪種模式和技術都利于商洛市洛河的河道生態保護和水資源利用補給。

6 結語

隨著城市的快速發展，河道生態環境也面臨諸多挑戰，如水質污染、河道水量不足等。鑒于此，本文在分析現有河道補水技術的現狀和難點后，通過SWAT 水文模型針對性提出了商洛市洛河的兩大補水技術。結果表明，本文提出的水資源短缺技術適合每月灌溉模式，此時的洛河月平均流量為8.7 m3/s；水資源分配技術適合集中月份灌溉模式，此時的洛河月平均流量為9.4 m3/s，相較于補水前的河道水量起伏變化更趨于穩定。綜上所述，本文提出的補水技術對商洛市城市河道水量有明顯的改善效果。然而洛河涉及的流域水系較多，區域較大，為了增強實驗結果的完整性，后續研究可沿該方向繼續探索。