水庫(kù)下游河道生態(tài)需水量分析計(jì)算

張立華，董新美，劉志鋼

（1.山東省水利科學(xué)研究院，山東 濟(jì)南 250013；2.萊蕪市水利水電工程公司，山東 萊蕪 271100）

我國(guó)在各類河流上修建了大量的水庫(kù)，這些水庫(kù)起到了徑流調(diào)節(jié)、蓄洪補(bǔ)枯的作用，使天然來水能在時(shí)間上和空間上較好地滿足用水要求。但在河流上興建水庫(kù)，其下游河道水量將大幅度減少，特別是北方缺水地區(qū)，會(huì)造成下游河道長(zhǎng)時(shí)間斷流，破壞原始河流生態(tài)的連續(xù)性，使沿河地區(qū)的自然生態(tài)環(huán)境趨向惡化，生態(tài)平衡失調(diào)。因此水庫(kù)在運(yùn)行控制計(jì)劃中應(yīng)增加生態(tài)需水量約束，在協(xié)調(diào)水庫(kù)各種用水保證率的同時(shí)，保證下游河道一定的生態(tài)環(huán)境用水，這對(duì)于保護(hù)水庫(kù)下游河道的生態(tài)環(huán)境具有重要意義。

河道生態(tài)需水量是為滿足河道生態(tài)系統(tǒng)的各種基本功能健康所需的用水，主要包括河道基流、河流水生生物需水量和保持河道水流泥沙沖淤所需輸沙水量等。本文以高密市孟家溝水庫(kù)為例，分析研究生態(tài)需水量的確定方法。

1 工程概況

孟家溝水庫(kù)是利用膠河膠新鐵路至張家莊河段兩個(gè)天然彎道興建的河道型水庫(kù)，建設(shè)目的是最大限度地利用膠河上游高密市褚家王吳水庫(kù)棄水及區(qū)間地表徑流，提高地表水開發(fā)率，有效地緩解當(dāng)?shù)厮Y源供需矛盾。水庫(kù)興利庫(kù)容為1 060萬m3，總庫(kù)容為2 089萬m3，工程規(guī)模為中型水庫(kù)，工程的主要內(nèi)容包括均質(zhì)圍壩、每孔凈寬10.0 m 的7 孔溢洪閘、提水泵站、攔砂壩等。

由于高密市缺水嚴(yán)重，孟家溝水庫(kù)的建設(shè)只能緩解當(dāng)?shù)厮淳o張，不可能完全解決水資源供需矛盾。因此如果孟家溝水庫(kù)還按傳統(tǒng)的水庫(kù)來水扣除蒸發(fā)、滲漏后最大可能地滿足城鄉(xiāng)供水和農(nóng)業(yè)用水的話，水庫(kù)下游河道在非汛期會(huì)全部干枯，使沿河地區(qū)的自然生態(tài)環(huán)境嚴(yán)重破壞，因此合理確定下游河道的生態(tài)需水量，以便在興利調(diào)節(jié)中增加生態(tài)需水的要求，對(duì)水庫(kù)下游的生態(tài)保護(hù)是十分重要的。

2 徑流分析計(jì)算

2.1 系列選用

《山東省水資源綜合調(diào)查與評(píng)價(jià)》曾對(duì)紅旗水文站控制流域天然徑流量進(jìn)行過還原，系列為1956—2000年。本次孟家溝水庫(kù)入庫(kù)徑流量分析計(jì)算，根據(jù)紅旗水文站天然徑流量資料采用水文比擬法計(jì)算，紅旗站停測(cè)和未建站年份移用紅旗站年降雨徑流關(guān)系線，依據(jù)孟家溝水庫(kù)流域平均降水量進(jìn)行推求。本次應(yīng)用系列為1956—2007年，系列長(zhǎng)度為52年。

2.2 天然徑流量還原計(jì)算

紅旗水文站控制流域水利工程較多，在采用水文比擬法分析計(jì)算孟家溝水庫(kù)規(guī)劃工程情況下的來水量時(shí)，必須先進(jìn)行紅旗水文站天然徑流量的還原計(jì)算。

紅旗水文站1956—2000年天然徑流量采用《山東省水資源綜合調(diào)查與評(píng)價(jià)》的分析成果，2000年以后天然徑流量成果采用紅旗站年降雨徑流關(guān)系線，依據(jù)孟家溝水庫(kù)流域平均降水量進(jìn)行推求。

3 水庫(kù)下游河道生態(tài)需水量分析

根據(jù)孟家溝水庫(kù)流域1956—2007年52年天然徑流資料，對(duì)河道最小生態(tài)需水過程、適宜生態(tài)需水過程進(jìn)行了分析計(jì)算，并采用Tennant 法對(duì)上述計(jì)算成果進(jìn)行了評(píng)價(jià)，確定孟家溝水庫(kù)需要提供的下游河道生態(tài)用水量。

3.1 最小生態(tài)需水過程

以目標(biāo)水體（河流、湖泊）處于生存危機(jī)臨界狀態(tài)的水分條件定義為維持地表水體生存的最小生態(tài)需水過程。在低于最小生態(tài)需水情況下，目標(biāo)水體處在消亡的威脅之中，當(dāng)流量持續(xù)小于這個(gè)數(shù)值時(shí)，河流將迅速消退直至干涸。

由于水體的最小生態(tài)需水過程是河流生存的分界線，所以可以河道歷史的逐月最小徑流量作為水體的最小需水過程。通過分析孟家溝水庫(kù)流域52年天然徑流成果，找出孟家溝水庫(kù)庫(kù)址建庫(kù)前逐月最小的天然徑流量（見表1），以此作為河道的最小生態(tài)需水過程。

表1 孟家溝水庫(kù)庫(kù)址處逐月最小徑流過程

3.2 適宜生態(tài)需水過程

要保持河流生態(tài)系統(tǒng)健康和生物物種、種群結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定，適宜生態(tài)徑流量的多少也是必須關(guān)注的問題。河流徑流過程是隨機(jī)變化的,因時(shí)因地而異,適宜生態(tài)徑流過程應(yīng)具有明顯的統(tǒng)計(jì)特征。

孟家溝水庫(kù)所在的膠河是高密的母親河，也是高密城市主要水源地，其來水大部分用于農(nóng)業(yè)灌溉和居民生活。

結(jié)合膠河的水源特點(diǎn)，參考國(guó)內(nèi)外適宜生態(tài)需水過程的計(jì)算方法和成果，確定以孟家溝水庫(kù)建庫(kù)前平水年（即50%保證率下）所對(duì)應(yīng)的月天然徑流量（見表2）的25%，作為水庫(kù)下游河道的適宜生態(tài)需水過程（見表3）。

表2 50%保證率下水庫(kù)天然徑流量

表3 孟家溝水庫(kù)下游河道的適宜生態(tài)需水過程

3.3 河道生態(tài)需水量確定的合理性

Tennant 法又稱作蒙大拿法，是一種統(tǒng)計(jì)分析的方法，它是依據(jù)觀測(cè)資料建立起流量和河道生態(tài)環(huán)境之間經(jīng)驗(yàn)關(guān)系。Tennant 方法是將全年分為2個(gè)計(jì)算時(shí)段，根據(jù)多年平均流量百分比和河道內(nèi)生態(tài)環(huán)境狀況的對(duì)應(yīng)關(guān)系，直接計(jì)算維持河道一定功能的生態(tài)需水量。膠河地處北方缺水地區(qū)，對(duì)河道流量的敘述性描述應(yīng)為一般或較差。因此，用Tennant 法，生態(tài)需水量枯水期應(yīng)按多年平均流量的10%計(jì)算，豐水期按多年平均流量的30%計(jì)算，計(jì)算結(jié)果見表4。

表4 用Tennant 法確定的孟家溝水庫(kù)下游河道生態(tài)需水過程

3.4 結(jié)果分析

對(duì)比以上3種方法確定的生態(tài)需水過程，發(fā)現(xiàn)適宜生態(tài)需水過程計(jì)算的河流生態(tài)需水量能滿足膠河最小生態(tài)需水過程，也基本滿足用Tennant 法確定的生態(tài)需水過程。

4 結(jié) 語(yǔ)

結(jié)合孟家溝水庫(kù)建設(shè)，利用庫(kù)址河道天然徑流資料分別計(jì)算出庫(kù)址處河道的最小生態(tài)需水量、適宜生態(tài)需水量、Tennant 法確定的生態(tài)需水量。通過分析認(rèn)為：采用50%保證率所對(duì)應(yīng)的月天然徑流量的25%作為適宜生態(tài)需水過程既能符合北方地區(qū)河流的來水及運(yùn)用特點(diǎn)，又能滿足保護(hù)河道生態(tài)的需要。計(jì)算方法是合理的，可用于山東省其他大中型河道生態(tài)需水過程的確定。