河道生態(tài)需水量分析及計算方法研究

余艷華

（新疆鼎耀工程咨詢有限公司 新疆烏魯木齊 830001）

在梯級水電站實現(xiàn)更安全的防洪保障、更大的發(fā)電效益、以及提供優(yōu)質(zhì)供水的同時，其強(qiáng)大的徑流調(diào)節(jié)能力亦對河流的天然生態(tài)系統(tǒng)造成空前的壓力。引水式與混合式電站進(jìn)行引水發(fā)電、堤壩式電站進(jìn)行調(diào)峰運行將造成壩下河段減水；河道外用水水利工程如引水、調(diào)水及供水等也會使得下游河道減水。河道水文情勢發(fā)生改變將對該河道生產(chǎn)、生活用水、水生生態(tài)與河道景觀等帶來一系列負(fù)面影響。為確保河流基本生態(tài)需求，水利水電工程須進(jìn)行一定生態(tài)流量下泄，并將之納入到工程水資源配置中加以統(tǒng)籌考慮，方可確保河流水電動能經(jīng)濟(jì)規(guī)模及水資源配置與“綠色”發(fā)展方向保持一致。因而，如何對河流生態(tài)需水進(jìn)行確定、評價，也已成為各級相關(guān)政府部門與眾多學(xué)者所關(guān)注的問題。

1 河道生態(tài)需水量分析

河道生態(tài)需水量包括河道外生態(tài)需水，主要指維護(hù)陸地生態(tài)系統(tǒng)功能所需水量，由降水直接補(bǔ)給和水利工程提供；河道內(nèi)生態(tài)環(huán)境需水，指維護(hù)河流基本功能（生態(tài)、環(huán)境、沖沙等）所需水量，主要包括河道（包括河口）生態(tài)基流、河流水生生物需水、維持河流一定稀釋凈化能力、保持河道水流泥沙沖淤平衡和湖泊濕地生態(tài)所需的水量。根據(jù)對象和河道功能需求可以分為：

1.1 生態(tài)基流：保持河道不斷流，具有維持水生生態(tài)最低生存的水流條件；

1.2 水生生物需水：包括水生生物（河谷林、魚類等）自身生長和維持棲息地環(huán)境所需水流條件；

1.3 維持水體一定稀釋自凈能力所必須維持的最小環(huán)境基流（水）量，維護(hù)水功能；

1.4 防止河流泥沙淤積所需水量：維持河道基本形態(tài)；

1.5 河口生態(tài)需水：維持河口地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)完整和功能；

1.6 湖泊濕地生態(tài)需水：維持湖泊濕地一定規(guī)模和基本功能確定生態(tài)流量需要科學(xué)性和動態(tài)性。

2 河道生態(tài)需水量計算方法

從上述我們可以發(fā)現(xiàn)河道生態(tài)需水量僅是基于某一具體河段且具有不可確定性。河道需水量，簡言之，它在一定范圍內(nèi)波動，一般情況下具有兩個端點值，即最小需水量與最大需水量。若河道流量小于最小需水量抑或是高于最大需水量，便會對該河流的某種生態(tài)功產(chǎn)生影響。目前我國關(guān)于河道生態(tài)需水量計算方法尚處于起步階段，關(guān)于壩下游最小下泄流量確定方法主要有以下幾種方法。

2.1 河道外植被需水量-間接計算法（改進(jìn)的彭曼公式）

在非充分灌溉條件下或水分不足時，采用改進(jìn)的彭曼公式：

2.2 河道內(nèi)水生生態(tài)需水量—有水文學(xué)法、水力學(xué)法、組合法、生境模擬法、綜合法及生態(tài)水力學(xué)法

2.2.1 水文學(xué)法是以歷史流量為基準(zhǔn)，通過水文指標(biāo)來實現(xiàn)對河道生態(tài)環(huán)境需水量的確定。Tennant法、河流最小月平均徑流法為目前國內(nèi)最為廣泛應(yīng)用的水文學(xué)法。

Tennant法：即以水文資料為基礎(chǔ)，通過年平均徑流量百分?jǐn)?shù)來實現(xiàn)對該河道內(nèi)流量狀態(tài)加以描述。

表1 護(hù)魚類、野生動物、娛樂和有關(guān)環(huán)境資源的河流流量狀況

式中：Wb—河流的基本生態(tài)需水量，億立方米；

Qij—第i年j月的月平均流量，m3/s；

n—統(tǒng)計年數(shù)；

T—換算系數(shù)，值為31.536×106s。

2.2.2 水力學(xué)法，即根據(jù)棲息地的保護(hù)類型相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)而設(shè)定的模型，其中主要包括濕周法與R2-CROSS法。

濕周法：該方法將濕周作為棲息地質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，對臨界棲息區(qū)域關(guān)系曲線加以繪制，并根據(jù)所繪制的濕周流量關(guān)系圖中轉(zhuǎn)折點來對河道的推薦流量值進(jìn)行確定。

R2-CROSS法：此法以河寬、流速、平均水深及濕周率等相關(guān)指標(biāo)來實現(xiàn)對該河流棲息地保護(hù)水平進(jìn)行評估，以確定該河流的目標(biāo)流量。其中：濕周率指某一過水?dāng)嗝嬖谀骋涣髁繒r的濕周占多年平均流量滿濕周的百分比。

2.2.3 組合法（水文——生物分析法）

此法采用多變量回歸法，通過建立物種生物量、環(huán)境條件等初始生物數(shù)據(jù)間的關(guān)系來對生物對該河流流量需求以及流量變化對生物物種的影響進(jìn)行判斷。

2.2.4 生境模擬法

此法通過模擬指示物種所需水利條件來對河流流量進(jìn)行確定。將水深、流速、基質(zhì)及覆蓋物模擬成流量變化對該河道物種種類、數(shù)量及分布產(chǎn)生影響的重要因素。對指示物種在流速與水深等適宜要求進(jìn)行調(diào)查，并繪制相應(yīng)的環(huán)境參數(shù)與喜好度間的適宜性曲線。將河道橫斷面分隔成W的q個部分單元，而后以適宜性曲線為參照來對各部分水位喜好度、流速喜好度、河面覆蓋喜好

最小月平均徑流法：通過對該河道數(shù)年最小月平均實測徑流量平均值加以計算并將計算所得值作為該河道的基本生態(tài)環(huán)境需水量，例如：度以及基質(zhì)喜好度進(jìn)行確定?？蓪⒈疚南率龉接糜趯Ω鲾嗝媾c各指示物種的權(quán)重可利用面積(WUA）的計算。Ai表示寬度w，長度為兩相鄰斷面距離陰影部分水平面積。

式中：Ai—寬度為w，長度為兩個相鄰斷面距離的陰影部分的水平面積。

對不同流量下WUA進(jìn)行計算，并繪制WUA與流量曲線，其中WUA越大，則表明該流量下生物的生境越適宜。

2.2.5 綜合法：典型代表為BBM法，此法以河流生態(tài)系統(tǒng)整體為基礎(chǔ)，并納入專家意見以對該河流流量、泥沙運輸、河床形狀及河岸帶群落間關(guān)系進(jìn)行綜合研究。

2.2.6 生態(tài)水力學(xué)法：此法以水生生物對水力生境的適應(yīng)來確定所需流量，即生境模擬法。

2.3 河流水環(huán)境維持最小稀釋凈化所需水量

2.3.17 Q10 法：此法以90%保證率最枯連續(xù)7天平均水量為河流最小流量設(shè)計值。

2.3.2 穩(wěn)態(tài)水質(zhì)模型：以河流的每一個排污口為河段分界線，將河流概化為多個河段，對一般內(nèi)陸河段，污染物允許排放量的公式為：

對潮汐河段和河網(wǎng)化河段，污染物允許排放量的公式為：

2.3.3 環(huán)境功能設(shè)定法：此法以該河流水質(zhì)保護(hù)的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)與污染物排放濃度為基礎(chǔ)來推算與該河流自凈、稀釋等環(huán)境功能相符合的需水量。通過將河流分成i小段，將各小段作為獨立的閉合匯水區(qū)，通過水質(zhì)模型與水量平衡法來實現(xiàn)對河道各段需水量Qvi(i=1,2,…,n,）的計算與求和，即可得出該河流環(huán)境需水量。

3 結(jié)語

目前，國內(nèi)在生態(tài)需水量方面的研究尚處于起步階段，因而還未形成一個公認(rèn)的系統(tǒng)的方法。而對其計算的方法理論框架較多，實際應(yīng)用還需要不斷地完善。國外對生態(tài)需水量的研究開始較早，也提出來很多方法和理論，但其是否與我國國情相符還需要進(jìn)一步的討論。為了滿足河道水生態(tài)環(huán)境最小需水量要求,保持最小下泄流量極為必要。尤其在近年來越來越多的水電站工程的建立，對河道下游的水生態(tài)系統(tǒng)造成了不同程度的影響，因此，最小下泄流量就變得極為重要。

[1]崔起,于穎.河道生態(tài)需水量計算方法綜述[J].東北水利水電，2008(282）:44-46.

[2]環(huán)評函〔2006〕4號.關(guān)于印發(fā)《水電水利建設(shè)項目河道生態(tài)用水、低溫水和過魚設(shè)施環(huán)境影響評價技術(shù)指南（試行）》的函.

[3]崔瑛,張強(qiáng),陳曉宏,江濤.生態(tài)需水理論與方法研究進(jìn)展[J].湖泊科學(xué).2010(04）.