合肥市十五里河生态补水方案研究

卢 慧

(上海市政工程设计研究总院(集团)第六设计院有限公司，安徽 合肥 230031)

1 概述

1.1 流域概况

十五里河为巢湖一级支流，位于合肥市西南部，发源于大蜀山东南麓，自西北流向东南，在同心桥处汇入巢湖，流域面积106.6km2，是区域排水的主要通道，也是城市重要的景观河道和生态廊道。十五里河上游建有人工湖泊天鹅湖，主要支流有许小河等。

1.2 工程建设必要性

十五里河贯穿合肥蜀山区、包河区核心地带，对水质、景观要求很高，然而十五里河上游无稳定的清洁水源，河道补给主要来源于天然降水、污水处理厂尾水排放，而十五里河流域降雨不均匀，年降雨量的60%以上集中在汛期，非汛期水量明显不足，尤其是十五里河上游，如果天鹅湖无下泄流量，则十五里河成无源之水。

近年来，随着区域经济社会的快速发展，十五里河面临的水资源、水环境、水污染、水生态压力加大，为改善河道水质、增加河道生态基流、构建河道生态系统，对十五里河进行生态补水不仅十分必要而且非常迫切。

2 生态需水量计算

生态需水量计算基本要以径流量为基础数据，十五里河流域内无水文站，无实测流量资料，为此，先根据水文测验资料对十五里河进行径流模拟，为计算生态需水量提供基础数据。

2.1 十五里河径流模拟

2.1.1水文测验

十五里河流域及周边有塘西、政务、包河、经开4个雨量站。为切实了解十五里河流域的水位、径流等情况，委托合肥水文水资源局在十五里河干流的金寨路下游小桥、美丹路桥、前杨桥设立了3个水位自动遥测站，实时监测十五里河河道水位。并安排在3个水位自动遥测站断面分水位级布置洪水和枯水期流量测验[1]。雨量站、水位遥测站位置如图1所示。

图1 雨量站、水位站位置示意图

根据实测流量测验资料，金寨路下游小桥站及美丹路桥站均能建立起稳定的水位流量关系曲线[2]，分别如图2—3所示，最下游的前杨桥站因受巢湖水位顶托影响，水位与流量间的关系不呈单值函数关系[3]。

图2 金寨路下游小桥站水位流量关系曲线

图3 美丹路桥站水位流量关系曲线

2.1.2实测径流系数率定

以金寨路下游小桥站2015年8月10日大雨为例，该站降雨量由政务雨量站控制，根据政务雨量站5min降雨资料，该场降雨自8月9日12∶10开始至8月10日19∶40终止，降雨历时31.5h，降雨总量74.0mm。该场降雨距离前场降雨(8月5日降雨，降雨历时6.5h，降雨量5.5mm)3.5d，该场降雨结束后5d内未有降雨。金寨路下游小桥站水位监测资料显示，该断面处水位自8月9日12∶10有降雨后开始起涨，至8月11日13∶00水位消落至起涨水位20.31m，如图4所示。由此可见，十五里河源短流急、洪水陡涨陡落，雨洪同期。

图4 2015年8月10日降雨累积雨量过程线及水位过程线

根据遥测水位数据查水位流量关系曲线，得出流量过程，如图5所示。

图5 2015年8月10日降雨流量过程线

金寨路下游小桥站控制流域面积约21.54km2，2015年8月10日降雨的场降雨总量74.0mm，根据上述流量过程计算的径流总量为62.31万m3，该场降雨期间上游无补水，无污水处理厂尾水排入。计算得出该场降雨的场径流系数为0.39。

与此同理，选取不同雨型、不同降雨量级的降雨过程进行分析[4]，计算得出场降雨径流系数及月径流系数，结果见表1—2。

表1 场降雨径流系数计算成果

注：2015年6月26日美丹路桥站水位遥测站尚未建立。

表2 月径流系数计算成果

上述计算结果中，下游美丹路桥站径流系数大于上游金寨路下游小桥站径流系数，原因是在京台高速处有2根长约1470m、直径2.4m的管道接入，用于转接塘西河26.6km2的初期雨水。

径流系数与下垫面条件、产流模式、前期影响雨量、降雨雨型、降雨历时、雨强大小等密切相关[5]，因水文监测时间较短，样本数有限，上述计算结果仅反应了径流系数的大致范围，根据该计算结果并参考邻近流域的径流资料，初步拟定场降雨径流系数和月径流系数见表3—4。

表3 场降雨径流系数

表4 月径流系数

2.1.3十五里河径流模拟

考虑到塘西雨量站有1968—2017年共50a的逐月降雨资料，将月降雨量乘以对应的月径流系数及流域面积，即可得出十五里河径流量。十五里河多年平均降雨量975.5mm，根据初步率定的月径流系数，十五里河流域多年平均径流系数0.37，多年平均径流量3825万m3，其中汛期2574万m3，非汛期1251万m3。

2.2 生态需水量计算

河道生态需水量分为基本生态需水量和目标生态需水量，基本生态需水量为维持河流生态环境功能不丧失，需要保留在河道内的最小水量；目标生态需水量为河流生态环境功能正常发挥，需要保留在河道内的水量。十五里河径流呈现较为明显的季节变化特点，河道生态需水同样也呈现较为明显的季节变化特点[6]，为保障河流生态系统健康稳定，需要从不同季节来搭建河流生态流量的保障体系[7]。

常用的计算生态需水量的方法有Tennant法、90%保证率法、湿周法、7Q10法等[8- 9]，针对十五里河河道特征，本次采用Tennant法计算河道生态需水量[10]，Tennant法推荐流量详见表5。当河道流量占年平均流量的10%时，河槽宽度、水深及流速显著减少，水生栖息地已经退化。当河道流量占年平均流量的30%～60%时，河宽、水深及流速一般是令人满意的，但无脊椎动物有所减少；当河道流量占年平均流量的60%～100%时，河宽、水深及流速为水生生物提供优良的生长环境，岸边植物将有充足的水量，无脊椎动物种类繁多、数量丰富[11]。

表5 Tennant法推荐流量

基本生态需水量是河道生态需水要求的下限值，本次取多年平均流量的10%，为使十五里河具有鱼类栖息和产卵、育幼等生态功能，保持河流水面、流量处于上佳状态，本次目标生态需水量取多年平均流量的60%。经计算，十五里河基本生态需水量为382万m3/a，其中汛期257万m3/a，非汛期125万m3/a；目标生态需水量为2295万m3/a，其中汛期1544万m3/a，非汛期751万m3/a。各节点需水量详见表6。

表6 各节点生态需水量 单位：万m3/a

3 补水水源拟定

十五里河周边可供分析研究的水源有大蜀山分干渠水、巢湖水和城市中水等。

(1)大蜀山分干渠水。大蜀山分干渠位于淠河总干渠尾部，1967年正式通水。该分干渠原设计灌溉面积1.65万hm2，原灌溉范围主要位于长江西路以南，现在已基本发展为城区，坝坎节制闸以上保留的灌溉面积仅约4667hm2。为此，合肥市实施了合肥市西南部生态补水工程，主要考虑在不影响淠河灌区总的调水原则下，利用大蜀山分干渠部分农业灌溉用水置换为生态补水。近几年，一直在通过匡河、天鹅湖为十五里河补水，渠首黄冲闸设计引水流量10.5m3/s，匡河闸设计引水流量3.5m3/s。年补水量2000万～3000万m3，水价为0.232元/m3，年补水费用约464～696万元。

(2)巢湖水。巢湖湖面面积780km2，巢湖闸以上汇水面积9153km2。巢湖流域河网密布，水系发育，巢湖原设计正常蓄水位为8.0m。近年来，其正常蓄水位有抬高趋势，一般为8.5～9.0m。现状已建生态补水厂工程，分别向塘西河和十五里河补水。向塘西河补水规模为5万m3/d，向十五里河补水规模为10万m3/d，补水路线由生态水厂经方兴大道、上海路、紫云路至十五里河前杨桥下。

(3)城市中水。十五里河流域现有十五里河污水处理厂一座，位于许小河入十五里河口下游左岸，现状建设规模为20万m3/d，污水厂运行良好，处理后尾水能达到准Ⅳ类标准。在建胡大郢污水处理厂选址位于十五里河北侧、宿松路东侧，设计规模为10万m3/d，出水水质为准Ⅳ类。现状已建许小河补水工程，再生水管道自十五里河污水厂沿天津路、花园大道、包河大道，最终敷设至许小河，补水规模为5万m3/d。

(4)补水水源选择。各补水水源优缺点比较见表7，综合考虑，本次拟推荐以城市中水为主，遇到重大事件等特殊情况需要应急补水时可相机利用大蜀山分干渠水。

表7 补水水源优缺点分析

4 生态补水方案

根据前述计算，目标生态需水量大于基本生态需水量，补水规模按照目标生态需水量拟定。已建许小河生态补水工程已能满足许小河生态用水需求，已建巢湖生态水厂补水工程及十五里河污水处理厂排放的尾水已经能满足十五里河上海路以下生态用水需求，胡大郢污水处理厂建成后，排放的尾水也能满足十五里河312国道以下段的生态用水需求，故本次补水的重点是十五里河312国道以上段。拟新建补水泵站，利用胡大郢污水处理厂尾水提水进行多节点补水，具体为将胡大郢污水处理厂尾水5万m3/d提至金寨路下游约950m处的小桥下，2万m3/d提至天鹅湖坝下，剩余5万m3/d就近排至十五里河。补水方案示意图如图6所示。

图6 补水方案示意图

5 结语

本文通过水位监测和流量测验，建立了水位流量关系，通过实测降雨径流分析，率定了径流系数，由降雨量间接推算了径流量，解决了无实测流量资料的径流计算问题。通过多水源比较，兼顾上下游关系，进行多节点补水，为类似城市河流生态补水提供参考。