基于河道徑流可變區(qū)間的河流水資源可開(kāi)發(fā)利用率分析

張 錦,徐琳瑜

(北京師范大學(xué)水環(huán)境模擬國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100875)

?

基于河道徑流可變區(qū)間的河流水資源可開(kāi)發(fā)利用率分析

張 錦,徐琳瑜

(北京師范大學(xué)水環(huán)境模擬國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100875)

為了確定水電開(kāi)發(fā)活動(dòng)對(duì)河流水資源的可開(kāi)發(fā)利用率,建立分期展布的河道徑流可變區(qū)間核算方法,其中河道徑流包括河道最小生態(tài)需水和河道最大洪流，并以西藏拉薩河為例進(jìn)行核算。結(jié)果表明:拉薩河河道最小生態(tài)需水和最大洪流年內(nèi)動(dòng)態(tài)變化分別為29.5～328.3 m3/s和95.1～1 673.4 m3/s。與河道最小生態(tài)需水約束相比,河道徑流可變區(qū)間約束使得拉薩河年調(diào)節(jié)型水電開(kāi)發(fā)的水資源可開(kāi)發(fā)利用率從60.2%下降到18.7%。指出對(duì)于徑流豐枯特征十分明顯的季節(jié)性河流,大型水利工程在平衡徑流季節(jié)分布的過(guò)程中,應(yīng)該受河道徑流可變區(qū)間約束,尤其是枯水期最大洪流約束下河道徑流量的可增加空間。

最小生態(tài)需水;最大洪流;河道徑流可變區(qū)間；水資源開(kāi)發(fā)利用率;拉薩河

長(zhǎng)期以來(lái),人們對(duì)河流水資源的開(kāi)發(fā)利用以滿足農(nóng)業(yè)、工業(yè)和生活用水為出發(fā)點(diǎn),對(duì)河流生態(tài)系統(tǒng)本身必須留存和消耗的水資源重視不夠。尤其在我國(guó)黃淮海流域,半干旱氣候條件使得流域水資源并不充沛,隨著城市化和經(jīng)濟(jì)發(fā)展,工農(nóng)業(yè)用水與生態(tài)需水的矛盾加劇,不合理的用水配置使得流域面臨著枯水季斷流、濕地萎縮、河道泥沙淤積等一系列水生態(tài)問(wèn)題,河流水資源的可再生性受到威脅[1]。出現(xiàn)水生態(tài)問(wèn)題后,被動(dòng)地研究河流的水資源可開(kāi)發(fā)利用率問(wèn)題,效果并不理想,而主動(dòng)地研究水資源充足且水資源需求潛力大的西南部河流的水資源可開(kāi)發(fā)利用率,有助于避免未來(lái)水資源開(kāi)發(fā)過(guò)程中出現(xiàn)嚴(yán)重的水生態(tài)問(wèn)題。

面對(duì)日益嚴(yán)重的河流水生態(tài)問(wèn)題和日益突出的用水矛盾,河道生態(tài)需水研究開(kāi)始引人關(guān)注。河道生態(tài)需水通常是指為了維持河流生態(tài)系統(tǒng)的基本生態(tài)功能,河道內(nèi)應(yīng)保持的流動(dòng)水量[2]。河流生態(tài)系統(tǒng)的基本生態(tài)功能主要包括:保護(hù)和改善河流水體水質(zhì),維持岸棲和水棲生物生境,維持河流水量平衡、水沙平衡、水鹽平衡和水熱平衡,以及維持河口地區(qū)生態(tài)環(huán)境平衡等[3]。在維持河流生態(tài)系統(tǒng)基本生態(tài)功能下,通常得到河道最小生態(tài)需水。然而,河流水生生物經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期的適應(yīng),對(duì)不同時(shí)期的河道天然徑流產(chǎn)生了特定的耐受空間,這就要求不同時(shí)期的河道存在徑流可變區(qū)間,僅以河道最小生態(tài)需水作為閾值來(lái)開(kāi)發(fā)利用河流水資源并不足以充分保護(hù)河流生態(tài)環(huán)境。

因此,筆者選擇西藏拉薩河為例,基于水電開(kāi)發(fā)是拉薩河目前水資源開(kāi)發(fā)的主要方式,針對(duì)拉薩河流域潛在的水資源開(kāi)發(fā)需求,估算拉薩河不同時(shí)期的河道徑流可變區(qū)間,為規(guī)劃當(dāng)?shù)匚磥?lái)合理的水資源開(kāi)發(fā)規(guī)模提供參考。

1 研究方法

1.1 研究原理

我國(guó)西部地區(qū)河流徑流存在明顯的季節(jié)分化特征,存在枯水期、汛前期、汛期和汛后期。其中汛前期和汛后期的平均徑流量相似,本文采用三分法并基于聚類分析,將拉薩河徑流分為枯水期徑流,平水期(汛前和汛后)徑流和汛期徑流。聚類即“物以類聚”,其原理是在一堆變量中,先合并相關(guān)性較高的類,之后再根據(jù)合并類與其他類之間的親疏程度,再進(jìn)行第二次合并,依此類推,最后使得同一類別內(nèi)的數(shù)據(jù)差異盡可能小,而不同類別間的數(shù)據(jù)差異盡可能大。

河流天然最小月均徑流和最大月均徑流是能夠滿足河流基本生態(tài)環(huán)境功能的徑流區(qū)間,在這個(gè)區(qū)間內(nèi),水生生物經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期的適應(yīng),能夠保持正常的群落結(jié)構(gòu),河流生態(tài)系統(tǒng)也不會(huì)遭受不可恢復(fù)的破壞。有學(xué)者結(jié)合年內(nèi)各月最小月均徑流量的年均值(簡(jiǎn)稱為最小年均徑流量)與多年年均徑流量,兩者之比得到同期均值比,并通過(guò)該同期均值比與各月多年月均徑流量的乘積來(lái)展布計(jì)算河道每月的最小生態(tài)需水[4]。同理,本文結(jié)合年內(nèi)各月最大月均徑流量的年均值(簡(jiǎn)稱為最大年均徑流量)與多年年均徑流量,兩者之比得到同期均值比,并基于此來(lái)展布計(jì)算河道最大洪流，繼而獲得不同時(shí)期的河道徑流可變區(qū)間。

大型水電開(kāi)發(fā)工程為平衡河流水資源的季節(jié)分配不均問(wèn)題,在汛期蓄水(圖1),會(huì)減少下游河道徑流,形成減水河段B1 和D1,大水電蓄水和小水電引水共同形成減水河段C1。同時(shí),大型水電工程在枯水期放水(圖2),會(huì)增加下游河道徑流,形成增水河段B2和D2,大水電放水和小水電引水形成增水減弱河段C2。因此。水電站的蓄水放水過(guò)程對(duì)下游河道水文情勢(shì)的改變幅度可能超過(guò)河道的徑流可變區(qū)間。也就是說(shuō),河道徑流可變區(qū)間限制了大型水電工程的蓄水放水總量,繼而限制了大型水電工程對(duì)河流水資源的可開(kāi)發(fā)利用率。

圖1 大型水電工程在汛期蓄水降低下游河道徑流

圖2 大型水電工程在枯水期放水后增加下游河道徑流

1.2 計(jì)算方法

徑流分期以各月多年月平均徑流為基礎(chǔ)數(shù)據(jù),根據(jù)各月多年月平均徑流大小,基于SPSS16.0實(shí)現(xiàn)聚類分析,獲得3個(gè)分期,即平水期、汛期和枯水期。

基于上述的徑流分期原理和河道徑流可變區(qū)間原理,不同時(shí)期的河道徑流可變區(qū)間的計(jì)算方法如下:

(1)

其中

(2)

其中

(3)

其中

(4)

其中

大型水電工程對(duì)河流水資源的可開(kāi)發(fā)利用率,根據(jù)滿足河道徑流可變區(qū)間后剩余可利用水資源占其徑流總量的比例來(lái)確定。

表1 拉薩河徑流分期與河道徑流可變區(qū)間

1.3 數(shù)據(jù)來(lái)源

拉薩河歷史徑流數(shù)據(jù)來(lái)源于拉薩水文站1956—1998年共43 a的逐月月平均徑流記錄。拉薩水文站位于拉薩河下游,目前和近期的拉薩河流域的水資源開(kāi)發(fā)活動(dòng)都規(guī)劃在拉薩河中上游。開(kāi)展下游河道生態(tài)需水閾值核算能有效地約束中上游地區(qū)水資源開(kāi)發(fā)活動(dòng)規(guī)模。

2 研究結(jié)果

2.1 拉薩河徑流分期特征

基于拉薩河下游拉薩水文站多年歷史徑流數(shù)據(jù),得到年內(nèi)各月份的多年月均徑流量及其聚類結(jié)果(表1)。拉薩河枯水期為11月至次年5月,持續(xù)7個(gè)月;平水期為6月和10月(其中6月為汛前期,10月為汛后期),持續(xù)2個(gè)月;汛期為7—9月,持續(xù)3個(gè)月。汛期、平水期和枯水期的徑流總量分別占到年徑流總量的62.1%,19.8%和18.1%。

2.2 拉薩河河道徑流可變區(qū)間

拉薩河在枯水期、平水期和汛期的河道徑流可變區(qū)間分別處于同期平均徑流量的59.0%～190.1%,45.2%～211.5%和38.2%～194.7%。河道最小生態(tài)需水的年內(nèi)動(dòng)態(tài)變化較大,處于同期平均徑流量的38.2%～59.0%,枯水期最小生態(tài)需水占其平均徑流的比例最大,而豐水期最小生態(tài)需水占其平均徑流的比例最小。河道最大洪流的年內(nèi)動(dòng)態(tài)變化較小,處于190.1%～211.5%(表1)。

滿足河道最小生態(tài)需水后,河道剩余的徑流為可利用水資源,即可供大型水電站蓄存或小型水電站引水。拉薩河河道最小生態(tài)需水和河道可利用水資源的年內(nèi)動(dòng)態(tài)變化分別為29.5～328.3 m3/s和 20.5～531.6 m3/s。其中2月份的河道最小生態(tài)需水和可用于水資源最小,8月份的河道最小生態(tài)需水和可利用水資源最大(圖3)。

圖3 拉薩河河道最小生態(tài)需水與剩余可利用水資源的年內(nèi)展布

2.3 拉薩河水資源可開(kāi)發(fā)利用率

以拉薩河流域的年調(diào)節(jié)型水電開(kāi)發(fā)(旁多為年調(diào)節(jié)型水電站)為例,水電站在6—10月(平水期和汛期)完成蓄水過(guò)程,在11月至次年5月(枯水期)完成放水過(guò)程。從常規(guī)的最小生態(tài)需水約束角度來(lái)看,在平水期和汛期,滿足河道最小生態(tài)需水后的剩余可利用水資源總量是其最大的可蓄水量,該蓄水量約為平水期和汛期徑流總量的60.2%,即此時(shí)滿足平水期和汛期最小生態(tài)需水后,該時(shí)期內(nèi)河道水資源可開(kāi)發(fā)利用率達(dá)60.2%。然而,若這部分蓄存的水資源在枯水期勻速釋放到下游河道后,拉薩河下游河道的模擬水文情勢(shì)和各月份的最大洪流如圖4。在整個(gè)枯水期,河道的模擬徑流都超過(guò)了自然條件下河道的最大洪流,可能會(huì)破壞枯水期的河流生態(tài)系統(tǒng)的正常結(jié)構(gòu)與功能。

圖4 年調(diào)節(jié)型水電站充分運(yùn)行后的拉薩河模擬徑流

也就是說(shuō),對(duì)于豐枯差異十分明顯的季節(jié)性河流,僅從河道最小生態(tài)需水為約束條件來(lái)規(guī)劃水資源開(kāi)發(fā)活動(dòng)是不夠的。應(yīng)該考慮河道徑流可變區(qū)間,同時(shí)包括河道的最小生態(tài)需水和最大洪流。同樣以拉薩河的年調(diào)節(jié)型水電開(kāi)發(fā)為例,滿足最大洪流約束下,枯水期(11月至次年5月)河道徑流的增加空間為45.4～128.5 m3/s,總量約為13.8億m3,該量即為年調(diào)節(jié)型水電站在平水期和汛期的最大可蓄水量。因此,在滿足枯水期河道最大洪流約束下,以年調(diào)節(jié)型水電開(kāi)發(fā)方式的可開(kāi)發(fā)利用水資源約為平水期和汛期徑流總量的18.7%,僅占該時(shí)期滿足最小生態(tài)需水后河道可利用水資源的31.1%。滿足枯水期河道最大洪流下的水資源可開(kāi)發(fā)利用率要小于滿足汛期和平水期最小生態(tài)需水下的水資源可開(kāi)發(fā)利用率,兩者相比,應(yīng)該以前者作為規(guī)劃未來(lái)水資源開(kāi)發(fā)活動(dòng)的參考標(biāo)準(zhǔn)。

3 討 論

拉薩河徑流具有非常明顯的豐枯特征,加之當(dāng)?shù)匾こ探ㄔO(shè)緩慢,使拉薩河流域長(zhǎng)期以來(lái)都存在較為明顯的工程性缺水問(wèn)題。汛期大量可利用的水資源得不到有效利用,而枯水期緊缺的可利用水資源無(wú)法滿足下游農(nóng)牧區(qū)在冬春旱期的農(nóng)灌用水,限制了下游農(nóng)牧業(yè)的發(fā)展。

近年來(lái)在拉薩河上游陸續(xù)修建直孔(始建于2003年)和旁多(始建于2008年)等大型水利工程后,水利工程的水資源季節(jié)調(diào)節(jié)作用大幅度改變了拉薩河下游河道的水文情勢(shì)。汛期下游河道最大徑流呈降低趨勢(shì),而枯水期下游河道最小徑流呈增加趨勢(shì)(圖5)。

圖5 拉薩河下游河道水文情勢(shì)變化

枯水期河道流量的增加有利于下游冬春旱期的農(nóng)灌引水,但是在距離水利工程放水口和農(nóng)灌區(qū)引水口之間的河段會(huì)出現(xiàn)河道徑流量的驟增,以可能使該河段的徑流超過(guò)其最大洪流,繼而破壞河流生態(tài)系統(tǒng)。然而,目前水利工程的發(fā)展規(guī)劃與建成運(yùn)營(yíng)通常都只考慮滿足河道的最小生態(tài)需水[5-7],卻忽略了水利工程的季節(jié)性放水可能會(huì)超過(guò)下游河道的最大洪流。

河道生態(tài)需水的計(jì)算方法包括水文學(xué)法、水力學(xué)法、水文-生物分析法、生境模擬法、綜合分析和環(huán)境功能設(shè)定法等[8]。與其他河道生態(tài)需水核算方法相比,基于河流歷史徑流量的水文學(xué)法較為簡(jiǎn)單且所需數(shù)據(jù)易獲取,較為適合對(duì)精度要求較低的河流前期規(guī)劃階段的生態(tài)需水核算?；谒膶W(xué)法來(lái)計(jì)算生態(tài)需水在我國(guó)也得到了廣泛的應(yīng)用[9-11]。在長(zhǎng)期的應(yīng)用過(guò)程中,常規(guī)的水文學(xué)法是試圖估算出最小生態(tài)需水。然而生物生存對(duì)生態(tài)環(huán)境條件有特定的耐受范圍,未來(lái)研究需要在最小生態(tài)需水下限基礎(chǔ)上,發(fā)展與之相對(duì)的上限,組成徑流可變區(qū)間。因此本文從水文學(xué)方法出發(fā),構(gòu)建分期展布的河道徑流可變區(qū)間估算方法,試圖發(fā)展水文學(xué)方法在河道徑流的動(dòng)態(tài)性和閾值性方面的應(yīng)用,并基于徑流可變區(qū)間核算成果來(lái)引導(dǎo)流域的水資源開(kāi)發(fā)活動(dòng)。

4 結(jié) 論

本文建立的分期展布的河道徑流可變區(qū)間估算方法,包括河道最小生態(tài)需水和最大洪流,發(fā)展了水文學(xué)法在核算河道徑流方面的動(dòng)態(tài)性和閾值性。

與汛期和平水期河道最小生態(tài)需水約束相比,枯水期河道最大洪流約束使得上游以年調(diào)節(jié)型水電開(kāi)發(fā)方式的水資源可開(kāi)發(fā)利用率從60.2%下降到18.7%。對(duì)于豐枯特征十分明顯的季節(jié)性河流,其水利工程開(kāi)發(fā)與運(yùn)行不僅要考慮滿足河道的最小生態(tài)需水,尤其是大型水電站作為調(diào)節(jié)和平衡徑流季節(jié)分布的水利工程,其規(guī)劃與運(yùn)行更要考慮到不超過(guò)枯水期河道的最大洪流。西藏地區(qū)地處季風(fēng)氣候區(qū),河道徑流的季節(jié)分化十分明顯,而且西藏地區(qū)的工程性缺水問(wèn)題又亟須水利工程建設(shè)。因此,西藏地區(qū)河流的水資源開(kāi)發(fā)工作應(yīng)該重視目標(biāo)河流的河道徑流可變區(qū)間,并結(jié)合水利工程的運(yùn)行特征,來(lái)確定合理的河流水資源可開(kāi)發(fā)利用率。

[1] 楊志峰,崔保山,黃國(guó)和,等.黃淮海地區(qū)濕地水生態(tài)過(guò)程、水環(huán)境效應(yīng)及生態(tài)安全調(diào)控[J].地球科學(xué)進(jìn)展,2006,21(11):1119-1126.(YANG Zhifeng,CUI Baoshan,HUANG Guohe,et al.Hydro-ecological processes,water-environmental effectsand integrated control of ecological security for wetlands in huang-huai-hai region of China[J].Advances in Earth Science,2006,21(11):1119-1126.(in Chinese))

[2] 鐘華平,劉恒,耿雷華,等.河道內(nèi)生態(tài)需水估算方法及其評(píng)述[J].水科學(xué)進(jìn)展,2006,17(3):430-434.(ZHONG Huaping,LIU Heng,GENG Leihua,et al.Review of assessment methods for instream ecological flow requirements [J].Advance in Water Science,2006,17(3):430-434.(in Chinese))

[3] 魏彥昌,苗鴻,歐陽(yáng)志云,等.海河流域生態(tài)需水核算[J].生態(tài)學(xué)報(bào),2004,24(10):2100-2107.(WEI Yanchang,MIAO Hong,OUYANG Zhiyun,et al.Primary estimate of ecological water requirement in Haihe Basin [J].Acta Ecological Sinica,2004,24(10):2100-2107.(in Chinese))

[4] 潘扎榮,阮曉紅,徐靜.河道基本生態(tài)需水的年內(nèi)展布計(jì)算法[J].水利學(xué)報(bào),2013,44(1):119-126.(PAN Zharong,RUAN Xiaohong,XU Jing.A new calculation method of instream basic ecological water demand [J].Journal of Hydraulic Engineering,2013,44(1):119-126.(in Chinese))

[5] FANG Y,DENG W.The critical scale and section management of cascade hydropower exploitation in Southwestern China[J].Energy,2011(36):5944-5953.

[6] FANG Y,WANG M,DENG W,et al.Exploitation scale of hydropower based on instream flow requirements:A case from southwest China[J].Renewable and Sustainable Energy Reviews,2010(14):2290-2297.

[7] BABEL M S,NGUYEN D C,MULLICK M R A,et al.Operation of a hydropower system considering environmental flow requirements:A case study in La Nga River Basin,Vietnam[J].Journal of Hydro-Environment Research,2012(6):63-73.

[8] 楊志峰,張遠(yuǎn).河道生態(tài)環(huán)境需水研究方法比較[J].水動(dòng)力學(xué)研究與進(jìn)展:A輯,2003,18(3):294-301.(YANG Zhifeng,ZHANG Yuan.Comparison of methods for ecological and environmental flow in river channels [J].Journal of Hydrodynamics,2003,18(3):294-301.(in Chinese))

[9] 宋蘭蘭,陸桂華,劉凌.水文指數(shù)法確定河流生態(tài)需水[J].水利學(xué)報(bào),2006,37(11):1336-1341.(SONG Lanlan,LU Guihua,LIU ling.Estimation of instream flow based on hydrological indexes [J].Journal of Hydraulic Engineering,2006,37(11):1336-1341.(in Chinese))

[10] 倪晉仁,金玲,趙業(yè)安,等.黃河下游河流最小生態(tài)環(huán)境需水量初步研究[J].水利學(xué)報(bào),2002,33(10):1-7.(NI Jinren,JIN Ling,ZHAO Ye’an,et al.Minimum water demand for ecosystem protection in the Lower Yellow River [J].Journal of Hydraulic Engineering,2002,33(10):1-7.(in Chinese))

[11] 趙彥偉,徐琳瑜.廣州市水資源可持續(xù)利用研究[J].水資源保護(hù),2006,22(1):26-29.(ZHAO Yanwei,XU Linyu.Sustainable utilization of water resources of Guangzhou City[J].Water Resource Protection,2006,22(1):26-29.(in Chinese))

Analysis of exploitable rate of river water resource based on variable interval of river runoff

ZHANG Jin, XU Linyu

(StateKeyLaboratoryofWaterEnvironmentSimulation,BeijingNormalUniversity,Beijing100875,China)

In order to determine the exploitable rate of river water resource by hydropower projects, we established a variable interval calculation method for river runoff of period distribution to calculate the river minimum ecological water demand and the maximum river torrent.Taking Lhasa River in Tibet, China as an example, the minimum ecological water demand and the maximum river torrent were calculated.The results show that the minimum ecological water demand and the maximum river torrent of Lhasa River are 29.5～328.3 m3/s and 95.1～1 673.4 m3/s, respectively.Compared with the constraints of minimum ecological water demand, the constraints of variable interval of river runoff decrease the water resources exploitable rate by the regulation development of water and electricity in Lhasa River from 60.2% to 18.7%.The author of this paper thinks that as for the seasonal rivers which have a significant characteristics of seasonal abundance and dry runoff, large-scale water projects should be constrained by the river variable interval during its balance to the runoff seasonal distribution, especially by the increasable interval of river runoff under the maximum torrent constraint in the dry season.

minimum ecological water demand; maximum torrent; variable interval of river runoff; exploitable rate of river water resource; Lhasa River

10.3880/j.issn.1004-6933.2015.04.007

環(huán)保部公益性行業(yè)科研專項(xiàng)(201209032);國(guó)家科技支撐計(jì)劃(2012BAC05B02)

張錦(1986—),博士研究生,研究方向?yàn)樗Y源開(kāi)發(fā)規(guī)劃。E-mail: zhangjin_315@163.com

徐琳瑜,教授。E-mail: xly@bnu.edu.cn

TV213.4

A

1004-6933(2015)04-0037-05

2014-08-30 編輯：徐 娟)