蒲石河流域下游河道最小生態(tài)需水量研究

傅 堯，劉 利，段 亮，宋永會(huì)

（中國環(huán)境科學(xué)研究院，北京100012）

水是維持河流水域功能及其生態(tài)系統(tǒng)的前提和基礎(chǔ).水利水電工程的建設(shè)將對(duì)工程淹沒區(qū)、河流水文情勢、水生生物以及壩址下游的生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生巨大影響.為保護(hù)壩址下游的基本生態(tài)需求，水利水電工程必須下泄一定的生態(tài)流量，用以保護(hù)水生生物多樣性，以及生產(chǎn)、生活和景觀用水需求.河流本身具有調(diào)節(jié)氣候、補(bǔ)充土壤含水、調(diào)蓄洪水、排水、輸沙排鹽、稀釋降解污染物等多種生態(tài)功能［1－2］，而人類活動(dòng)也可使其功能減弱.當(dāng)前我國河流水質(zhì)、水量面臨許多問題，諸如地下水超采、河流補(bǔ)給、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)引水增大使河道流量減小、污染加重等.為了改善河道的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量，學(xué)術(shù)界引入了河道生態(tài)環(huán)境需水量的理論來控制或維護(hù)河道生態(tài)系統(tǒng)的平衡，使其能保持所需的最小水量和基本水質(zhì).

生態(tài)需水量的研究起步于20世紀(jì)40年代的美國，源于漁業(yè)生產(chǎn)，是為了保障其生存規(guī)定的必須保持的河流最小的生態(tài)流量；之后英國、澳大利亞等國也在定量化計(jì)算方法上開展了研究.國內(nèi)的研究重點(diǎn)目前集中在西北干旱、半干旱地區(qū)［3］，以及黃、淮、海、遼等河流生態(tài)環(huán)境問題嚴(yán)重的地區(qū)［4－5］.

河流生態(tài)需水量的計(jì)算方法很多，從水文學(xué)角度出發(fā)，一般應(yīng)用Tennant方法、90%保證率最枯月平均流量計(jì)算法和10a最枯月平均流量法等，但每一種方法都有一定的缺陷.本文將幾種方法應(yīng)用于同一個(gè)工程，并結(jié)合工程的實(shí)際情況確定其最小生態(tài)流量，也是對(duì)河流生態(tài)需水量確定方法的一種新的嘗試.

1 流域環(huán)境及水電工程概況

1.1 蒲石河流域環(huán)境概況

蒲石河是鴨綠江下游右岸的一級(jí)支流，發(fā)源于遼寧省寬甸滿族自治縣縣城以北約23km 的大川頭鎮(zhèn)大川頭村四方頂西麓的龍爪溝，由北向南流經(jīng)寬甸縣的大川頭鎮(zhèn)、寬甸鎮(zhèn)、青椅山鎮(zhèn)等9個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn).蒲石河全長121.8km，流域面積1 212km2，地理坐標(biāo)為北緯40°19′～40°56′、東經(jīng)124°24′～124°53′.流域北高南低，最高點(diǎn)高程1 270m，河口處高程約30m，最大高差約1 200m，流域上游平均高程多為500～800m，中下游為100～500m.蒲石河河道彎曲狹窄，凹岸一般緊靠陡峻的山體，凸岸多為河漫灘，漫灘寬度50～200m，多由卵石組成.再向上是二級(jí)臺(tái)地或山體，其河谷平均寬度100～200m.蒲石河河道平均比降為4‰，河床多由砂卵石組成，河岸比較穩(wěn)定.蒲石河流域水系圖見圖1.

圖1 蒲石河流域水系圖

1.2 電站工程概況

蒲石河抽水蓄能電站是東北地區(qū)第一座大型抽水蓄能電站，是全國重點(diǎn)水電建設(shè)項(xiàng)目.蒲石河抽水蓄能電站分為上水庫、地下廠房系統(tǒng)和下水庫三大主體部分.其中上水庫位于東洋河村泉眼溝溝首，下水庫區(qū)位于鴨綠江右岸支流蒲石河下游的小孤山村王家街.電站樞紐建筑物主要由上水庫及上水庫鋼筋混凝土面板堆石壩、引水隧洞、地下廠房樞紐及地面開關(guān)站、下水庫及下水庫泄洪排砂閘壩等組成.上水庫有效庫容1 029×104m3，下水庫有效庫容1 284×104m3，裝機(jī)容量1 200 MW.

2 流域生態(tài)需水量計(jì)算

2.1 計(jì)算生態(tài)需水量的必要性

生態(tài)環(huán)境需水量目前還沒有一個(gè)確切的定義，主要觀點(diǎn)是以維護(hù)區(qū)域生態(tài)、生物群落的穩(wěn)定為基礎(chǔ)，維持各種功能的發(fā)揮所需的最小水量的一種耦合［6］，可分為生態(tài)需水量和環(huán)境需水量.生態(tài)需水指區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)達(dá)到某種水平或維持某種生態(tài)系統(tǒng)平衡所需要的水量；環(huán)境需水則是指為了保護(hù)水環(huán)境、改善人類居住環(huán)境所需要的水量［7］.從河流生態(tài)系統(tǒng)來講，保證一定的生態(tài)環(huán)境需水量，才能遏制水環(huán)境質(zhì)量的不斷惡化，保持河流在枯水期不致斷流而永續(xù)利用.這就要求人們在進(jìn)行水資源開發(fā)尤其是建設(shè)水利水電工程時(shí)要充分考慮生產(chǎn)生活用水、水生生物需水以及景觀用水需求等.因此，保證一定的生態(tài)下泄流量，維護(hù)壩下河段的基本功能和生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定是水利水電工程建設(shè)中必須要考慮的一個(gè)重要問題.

水庫或水電站運(yùn)行過程中，受調(diào)度運(yùn)行的影響，壩址下游水流流態(tài)及流量與天然河道完全不同.水利水電工程建設(shè)往往使下游河段形成減水段，河道流量減小、水生生物的生活習(xí)性及生存條件發(fā)生變化，河段內(nèi)的藻類、底棲生物、魚類等水生動(dòng)植物的種類、數(shù)量和分布也相應(yīng)發(fā)生變化，流域內(nèi)物種多樣性將呈逐年減少的態(tài)勢；河道兩側(cè)的陸生植物其生存狀況也會(huì)受到影響［2，6］.因此，計(jì)算水庫或水電站運(yùn)行期間下游河道的生態(tài)需水量是維持其生態(tài)系統(tǒng)安全運(yùn)行的基本保障.

2.2 生態(tài)需水量計(jì)算原則

由于國內(nèi)對(duì)河流生態(tài)需水的計(jì)算研究起步較晚，迄今為止，對(duì)生態(tài)環(huán)境需水量還沒有一個(gè)明確的、公認(rèn)統(tǒng)一的計(jì)算原則、標(biāo)準(zhǔn)和方法［8－9］.從生態(tài)環(huán)境的要求出發(fā)，李麗娟等認(rèn)為［10］，河流系統(tǒng)生態(tài)環(huán)境需水量主要應(yīng)包括：河流系統(tǒng)中天然和人工植被耗水量；維持水（濕）生生物棲息地所需的水量；維持河口地區(qū)生態(tài)平衡所需的水量；維持河流系統(tǒng)水沙平衡、水鹽平衡的入海水量；保持河流系統(tǒng)一定自凈能力的水量；保持水體調(diào)節(jié)氣候、美化景觀等功能而損耗的蒸發(fā)量；維持合理的地下水位所必需的入滲補(bǔ)給水量等.目前為多數(shù)學(xué)者認(rèn)可的河道最小生態(tài)需水量是指為維系和保護(hù)河流的最基本生態(tài)功能不受破壞所必須在河道內(nèi)保留的最小水量，其理論上由河流的基流組成.

根據(jù)蒲石河流域環(huán)境現(xiàn)狀，水電站壩下河段生態(tài)環(huán)境需水量需滿足3方面的要求：①使壩下河段生態(tài)系統(tǒng)維持穩(wěn)定所需要的基本水量；②維持壩下河段水環(huán)境質(zhì)量保持自我降解能力所需的最小水量；③維持地下水位動(dòng)態(tài)平衡所需要的補(bǔ)給水量.蒲石河抽水蓄能電站壩下河段內(nèi)雖然沒有需要重點(diǎn)保護(hù)的野生魚類，但保證壩下河段內(nèi)水生動(dòng)植物最基本的生存、繁衍環(huán)境，應(yīng)該是計(jì)算生態(tài)環(huán)境需水量要考慮的重要因素.

2.3 生態(tài)需水量計(jì)算

2.3.1 Tennant方法

Tennant方法是目前國內(nèi)外應(yīng)用最為廣泛的一種方法［11］.Tennant法也叫Montana法，以預(yù)先確定的年平均流量百分?jǐn)?shù)作為河流推薦流量，美國將這種方法作為設(shè)定非現(xiàn)場測定類型的一種標(biāo)準(zhǔn)方法［12］.Tennant分析了美國境內(nèi)11條河流斷面的流量數(shù)據(jù)后發(fā)現(xiàn)，如果河道內(nèi)流量低于多年平均流量的10%，那么河流的生態(tài)環(huán)境將遭到嚴(yán)重破壞；如果要保證水生生物自由生存，需要達(dá)到多年平均流量的30%.因此，基于Tennant方法，將多年平均流量的10%作為河道流量的最低下限（基流）.

Tennant方法推薦的基流分為汛期和非汛期，推薦值以占流量的百分比作為標(biāo)準(zhǔn)，詳見表1.

表1 Tennant方法的流量描述

根據(jù)蒲石河流域1958—2002年45年的水文資料，利用Tennant法計(jì)算的壩址下游的生態(tài)需水量結(jié)果見表2.

表2 生態(tài)需水量計(jì)算結(jié)果

壩址下游河道生態(tài)需水量最適宜的流量是13.7～22.9m3／s.一般用水期（10—3月），壩下游生態(tài)基流量需達(dá)到2.29m3／s以上，才能避免壩下游生態(tài)系統(tǒng)受到破壞；而在魚類產(chǎn)卵育幼期（4—9月），適宜生態(tài)需水量需達(dá)到6.87m3／s以上，這是適合種群進(jìn)一步發(fā)展的水量，能夠維持種群數(shù)量的穩(wěn)定并呈增加的態(tài)勢，此時(shí)的水量能夠?yàn)樗锾峁┮粋€(gè)適宜的生境.

根據(jù)Tennant法的計(jì)算原則，河流多年平均流量的10%是為防止生態(tài)退化的最小流量，因此，Tennant法估算的蒲石河水電站壩下的生態(tài)流量應(yīng)為2.29m3／s.

2.3.2 90%保證率最枯月平均流量計(jì)算法

該方法需要利用河流的多年流量資料建立一系列的月流量時(shí)段曲線，然后依據(jù)河流自身的特性及其生態(tài)環(huán)境功能（如水生生物的不同發(fā)育階段對(duì)水量的需求等），確定河流每月多年平均值的百分比，以此作為該月的河流生態(tài)需水量.

根據(jù)蒲石河砬子溝水文站45年徑流資料分析，90%保證率下最小生態(tài)需水量的計(jì)算結(jié)果見表3.由表3可見，最小生態(tài)需水量為1.32m3／s.

表3 蒲石河下游90%保證率下最小生態(tài)需水量

2.3.3 10a最枯月平均流量法

10a最枯月平均流量法是在美國7Q10法的基礎(chǔ)上發(fā)展而來的，即是保持河道稀釋污染物所需的最小流量，也可稱為“自凈需水量”［13］，這是一個(gè)從考慮河流水質(zhì)角度出發(fā)的計(jì)算方法.我國自20世紀(jì)70年代引入后，在許多大型水利工程建設(shè)的環(huán)境影響評(píng)價(jià)中都得到了應(yīng)用，并將10a最枯月的平均流量作為一項(xiàng)規(guī)定寫入了《制訂地方水污染物排放標(biāo)準(zhǔn)的技術(shù)原則與方法》（GB3839－83）中.本文根據(jù)蒲石河下游1993—2002年10a中最枯月平均流量（見表4）分析計(jì)算的最小生態(tài)流量為1.74m3／s.

表4 1993—2002年蒲石河下游月平均流量表 m3／s

2.4 計(jì)算結(jié)果與分析

水利水電工程的生態(tài)下泄流量要從壩址下游的生態(tài)環(huán)境、生產(chǎn)生活及景觀用水等幾個(gè)方面的用水量來綜合考慮.應(yīng)用Tennant法、90%保證率最枯月平均流量計(jì)算法和10a最枯月平均流量法對(duì)蒲石河下游河段的河道生態(tài)需水量進(jìn)行分析，計(jì)算得出的最小生態(tài)需水量結(jié)果分別為2.29，1.74和1.32m3／s.

根據(jù)蒲石河流域環(huán)境現(xiàn)狀，加之其為北方河流，一年中水量變化比較大，從近10a下游月平均流量表（見表4）可見，河流月平均水量最大可達(dá)177m3／s，最小僅為0.29m3／s，這就需要在選取最小生態(tài)需水量時(shí)留有一定的余地.電站建成后，對(duì)壩下河段生態(tài)環(huán)境需水量的計(jì)算，既要滿足河道中水生生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定，又要保證河流水環(huán)境質(zhì)量的良好，因此，建議選用1.74m3／s作為蒲石河抽水蓄能電站下游河道的最小下泄流量較為合適，這樣既滿足了河流的自凈需水量，同時(shí)也滿足了河流的最小生態(tài)環(huán)境需水量.

3 結(jié)論

本文應(yīng)用Tennant法等三種方法對(duì)鴨綠江支流蒲石河電站下游河段最小生態(tài)需水量進(jìn)行了計(jì)算，結(jié)合蒲石河的水文情勢和環(huán)境狀況，選取10a最枯月平均流量法計(jì)算的結(jié)果1.74m3／s作為該電站下游河段最小生態(tài)需水量.北方的河流受季節(jié)的影響，流量變化較大，其最小下泄流量也要分別從河流自凈需水量及最小生態(tài)環(huán)境需水量兩個(gè)方面考慮，所以將10a最枯月平均流量法和90%保證率最枯月平均流量計(jì)算法相結(jié)合用于北方河流最小下泄流量的確定是比較適合的.

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