太子河河道生態(tài)環(huán)境需水量研究

張志斌

(遼寧省本溪水文局，遼寧本溪 117000)

水是人類生存中不可獲缺的資源，其重要性不言而喻。太子河是遼寧省東南部較大的河流之一，其發(fā)源地為撫順市，流經(jīng)6個(gè)市的13個(gè)縣，整個(gè)流域的降水量比較充沛。自上個(gè)世紀(jì)50年代起，太子河流域上修建起了數(shù)座大中型水庫(kù)，這使得當(dāng)?shù)氐墓I(yè)和生活用水獲得了保障。然而，在大力興建水利基礎(chǔ)設(shè)施的同時(shí)，卻嚴(yán)重忽視了維持河流生態(tài)系統(tǒng)平衡對(duì)水質(zhì)和水量的需求，由此導(dǎo)致河道水量日益減少，甚至造成了生態(tài)環(huán)境退化，這極不利于水資源持續(xù)發(fā)展。本文以太子河作為研究對(duì)象，利用國(guó)內(nèi)外常用的生態(tài)環(huán)境需水量計(jì)算方法對(duì)其河道的生態(tài)環(huán)境需水量進(jìn)行計(jì)算，并提出解決太子河河道生態(tài)環(huán)境問題的幾點(diǎn)建議，期望能夠?yàn)樘雍雍拥郎鷳B(tài)環(huán)境的改善提供指導(dǎo)。

1 生態(tài)環(huán)境需水量及其計(jì)算方法

1.1 生態(tài)環(huán)境需水量

目前，對(duì)生態(tài)需水量的概念尚無(wú)統(tǒng)一的界定，鑒于本文研究的是河道系統(tǒng)的生態(tài)環(huán)境需水量，故此僅從該方面對(duì)其進(jìn)行定義:即流域內(nèi)的天然水體為了維持自身特定的生態(tài)環(huán)境功能而需要蓄存及消耗的最小水量。河道內(nèi)的生態(tài)環(huán)境需水量具體可分為內(nèi)需水量和外需水量?jī)蓚€(gè)方面。

1)內(nèi)需水量主要包括:(1)維持河道內(nèi)所有水生生物繁衍生息所需的水量。(2)維持合理地下水位，保護(hù)河流濕地生態(tài)平衡以及保持地表水轉(zhuǎn)換所需的入滲補(bǔ)給量與蒸發(fā)消耗量。(3)維持河口淡水和咸水平衡以及所需的水量。(4)維持河道系統(tǒng)中水與沙、水與鹽平衡的入海水量。(5)使河道系統(tǒng)維持基本自凈能力的最小環(huán)境水流量。(6)防止河道斷流所需的最小徑流量。

2)外需水量主要包括:(1)天然與人工生態(tài)保護(hù)植被、綠地、防護(hù)林的實(shí)際耗水量。(2)水土流失區(qū)域治理過程中的需水量。(3)為了維系特殊生態(tài)環(huán)境安全的緊急調(diào)水量。(4)保持河道外各種景觀功能、綠地面積以及水環(huán)境條件良好所需的水量。

1.2 計(jì)算方法

河道生態(tài)環(huán)境需水量的計(jì)算方法種類較多，共計(jì)200余種，下面重點(diǎn)介紹集中國(guó)內(nèi)外常用的計(jì)算方法。

1)國(guó)外常用的計(jì)算方法。在查閱大量的資料后發(fā)現(xiàn)，國(guó)外在河道生態(tài)環(huán)境需水量的計(jì)算過程中，應(yīng)用最多的計(jì)算方法有以下幾類:(1)歷史流量法。這種方法主要是以歷史流量資料作為計(jì)算基礎(chǔ)，并依據(jù)不同的設(shè)定標(biāo)準(zhǔn)，將河流的寬、深與流速按照相應(yīng)的比例縮小，并將計(jì)算獲得的平均流量作為對(duì)應(yīng)設(shè)定標(biāo)準(zhǔn)的估計(jì)值。該方法包括7Q10法、蒙大拿法、Texas法、基本流量法等等。(2)水力學(xué)法。這是一種以保留河流足夠水量與保持河道基本形態(tài)為目標(biāo)的計(jì)算方法。常用的有 WPM法、R2－C法、CASIMIR法等等。(3)棲息地法。該方法雖然使用起來較為靈活，但其實(shí)際操作性不強(qiáng)，所以在國(guó)外已經(jīng)很少應(yīng)用。

2)國(guó)內(nèi)的計(jì)算方法。國(guó)內(nèi)在河道生態(tài)環(huán)境需水量計(jì)算中較為常用的方法有以下幾種:(1)最小月平均流量法。該方法的計(jì)算公式如下:

式中:Wb代表河道的基本生態(tài)需水量;T表示換算系數(shù)(一般可取 31.536×10－2);n代表統(tǒng)計(jì)年數(shù);Qimin代表第 i年實(shí)測(cè)最小月平均流量(單位:m3/s)。

(2)7Q10改進(jìn)法。由于國(guó)外的7Q10法對(duì)河道的要求相對(duì)較高，故此業(yè)內(nèi)的專家學(xué)者在參考我國(guó)GB3838規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上對(duì)該方法進(jìn)行了改進(jìn)，即采用最近10 a最小月平均流量或是90%保證率最小月平均流量作為設(shè)計(jì)值。

(3)估算法。該方法常被用于計(jì)算與河道相連的濕地生物棲息地生態(tài)需水量，其計(jì)算公式如下:

式中:Wq代表生物棲息地需水量;At，Bt，Ht分別代表濕地面積、水面面積百分比和水深，這三項(xiàng)數(shù)據(jù)可由 GPS、GIS和RS技術(shù)獲得。

2 河道生態(tài)環(huán)境需水量問題分析

生態(tài)環(huán)境需水量是解決河流生態(tài)環(huán)境問題不可或缺的重要條件之一，通過相關(guān)計(jì)算能夠得出河道生態(tài)環(huán)境的實(shí)際需水量，由此可以為河流生態(tài)環(huán)境的改善提供數(shù)據(jù)支撐。鑒于此，本文以太子河作為研究對(duì)象，對(duì)其河道生態(tài)需水量的相關(guān)問題進(jìn)行分析。

相關(guān)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)結(jié)果顯示，太子河流域多年平均徑流量約為36.8億 m3，該流域的總用水量為 18.75億 m3，其中農(nóng)業(yè)用水量占47.25%，工業(yè)占40.58%，生活用水占12.17%。

2.1 維系河道基本功能的需水量計(jì)算

采用10a最小月平均流量法進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算公式如下:

式中:WEB代表維系河道基本功能的需水量(單位:m3);Qmin代表最近10年內(nèi)第 i年的最小月平均流量。按照觀測(cè)站最近10 a的最小月平均流量進(jìn)行計(jì)算后得出最小月平均流量的平均值為11.7 m3/s，將該計(jì)算結(jié)果帶入到公式(3)中可得 WEB=3.69 ×108m3。

2.2 維持河道凈化功能的需水量

可以采用污染稀釋凈化法對(duì)河道水體凈化功能的需水量進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算公式如下:

式中:WJ(t，i)代表第 i河段內(nèi) t時(shí)段污染水體稀釋凈化的需水量(單位:m3);W(t，i)代表第 i河段內(nèi) t時(shí)段的污水總排量;λ代表河流稀釋系數(shù)(污水未經(jīng)處理時(shí)可取3.0，經(jīng)過處理后的污水則可取1.0)。通過查閱相關(guān)資料后，計(jì)算得出太子河城區(qū)段年平均污水總排量為1.66×108m3，其中處理量為 5.83×108m3，未處理量為 1.08 ×108m3，由此可計(jì)算得出:

2.3 輸沙需水量

由于太子河本身屬于少沙性質(zhì)的河流，相關(guān)調(diào)查統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)結(jié)果顯示，河道多年平均輸沙量為45.9×104T。因河道輸沙的時(shí)間多集中在汛期，故此，輸沙需水量可以采用多年汛期平均含沙量的倒數(shù)來近似替代，具體計(jì)算公式如下:

式中:WS代表河道年輸沙的需水量(單位:m3);Sl表示多年平均輸沙量(單位:g)SCW表示多年汛期平均含少量。結(jié)合觀測(cè)站近44年汛期平均含沙量的資料進(jìn)行計(jì)算后得出太子河河道多年汛期的平均含沙量為881 g/m3，再按照多年平均輸沙量 45.9×104T可計(jì)算出 WS=5.21×108m3。

2.4 維系人工湖相關(guān)功能的需水量

為了有效改善市區(qū)內(nèi)的整體環(huán)境，近幾年里，在太子河城區(qū)段上總共修建了5座蓄水工程，由此形成了5個(gè)人工湖。為此，需要對(duì)維系人工湖相關(guān)功能的需水量進(jìn)行計(jì)算，具體包括以下幾個(gè)方面的內(nèi)容:人工湖的水面蒸發(fā)量、年內(nèi)水體更換量以及水體滲漏量。按照水體總量的平衡原理，其計(jì)算公式如下:

式中:Wh代表人工湖所需的補(bǔ)水量(單位:m3);Wz，We，Wf則分別代表人工湖更換水、水面蒸發(fā)以及水體滲漏所需的補(bǔ)水量(單位:m3)。

1)更換水所需的補(bǔ)水量計(jì)算。相關(guān)資料顯示，太子河城區(qū)段內(nèi)的5個(gè)人工湖的單個(gè)需水量約為 0.012×108m3，由此可計(jì)算出:

Wz=0.012×108m3×5=0.06×108m3。

2)水面蒸發(fā)所需的補(bǔ)水量計(jì)算。有相關(guān)資料可知，5個(gè)人工湖的單個(gè)水面積約為0.4km2，按照觀測(cè)站實(shí)測(cè)的年降雨量、年蒸發(fā)量以及年徑流深，可以計(jì)算出水面蒸發(fā)的凈損失量為:We=3.58 ×108m3。

3)水體滲漏所需的補(bǔ)水量計(jì)算。因這5個(gè)人工湖由上游至下游依次建設(shè)在太子河的城區(qū)段上，所以，從上游湖中滲漏出來的水勢(shì)必會(huì)流入到下游湖中，鑒于此，在對(duì)水體滲漏所需的補(bǔ)水量進(jìn)行計(jì)算，僅僅需要計(jì)算位于最上游單個(gè)人工湖的滲漏量。此外，由于人工湖的型式為翻板閘攔河板，其基礎(chǔ)為混凝土，可在計(jì)算過程中將滲漏水量忽略不計(jì)。由此計(jì)算得出:Wf=0.064 ×108m3。

筆者認(rèn)為，生態(tài)環(huán)境需水量是一個(gè)動(dòng)態(tài)的變量，隨著時(shí)間的不斷推移，相關(guān)數(shù)據(jù)勢(shì)必會(huì)隨之發(fā)生改變，上述計(jì)算結(jié)果只能作為一個(gè)參考數(shù)據(jù)。但本文所選取的計(jì)算方法卻是在前人不斷的實(shí)踐中總結(jié)出來的，每種計(jì)算方法都具有自己的特點(diǎn)，如10 a最小月平均流量法適用于計(jì)算維系河道基本功能的需水量等，這些方法在生態(tài)環(huán)境需水量的計(jì)算中具有十分重要的作用，只要正確選擇方法，并結(jié)合相關(guān)數(shù)據(jù)，便可準(zhǔn)確計(jì)算出河道生態(tài)環(huán)境需水量。

3 解決河道生態(tài)環(huán)境問題的幾點(diǎn)建議

根據(jù)上文對(duì)太子河河道生態(tài)環(huán)境需水量的計(jì)算分析，筆者認(rèn)為，想要有效解決太子河河道的生態(tài)環(huán)境問題，應(yīng)當(dāng)從宏觀上進(jìn)行統(tǒng)籌規(guī)劃，并對(duì)當(dāng)?shù)氐纳鷳B(tài)背景進(jìn)行詳細(xì)調(diào)查，同時(shí)還要結(jié)合生態(tài)環(huán)境需水量的特點(diǎn)，制定出科學(xué)合理、切實(shí)可行的整治措施。鑒于此，筆者提出以下幾點(diǎn)建議，期望能夠?qū)μ雍雍拥郎鷳B(tài)環(huán)境的改善有所幫助。

3.1 減少污水與廢水的總排放量

太子河流域的水體污染問題由來已久，并且實(shí)際情況也相對(duì)比較復(fù)雜，其中工業(yè)廢水與生活污水是河道水質(zhì)的主要影響因素。為了保護(hù)太子河河道的水資源和水環(huán)境，應(yīng)當(dāng)盡可能減少污水和廢水的總排放量，具體可采取如下措施:要求工業(yè)企業(yè)積極推行清潔生產(chǎn)工藝;嚴(yán)禁使用國(guó)家命令禁止的設(shè)備和生產(chǎn)工藝;部分生產(chǎn)工藝相對(duì)比較落后的企業(yè)應(yīng)當(dāng)進(jìn)行技術(shù)改造，以此來減少?gòu)U水的排放量;要做好工業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整，減少用水量多、能耗大、污染嚴(yán)重的企業(yè)。

3.2 建立完善的水資源保護(hù)體系

應(yīng)當(dāng)從水資源保護(hù)的角度出發(fā)，對(duì)污染物入河的總量進(jìn)行有效控制，并按照當(dāng)?shù)厮Y源的實(shí)際需求量對(duì)水體進(jìn)行功能分區(qū)，然后再依據(jù)河道的水文特征等情況，合理選擇計(jì)算方法，得出各個(gè)功能區(qū)域最大的允許納污量，最后依據(jù)相關(guān)政策方針，實(shí)施排污總量控制，借此來改善太子河的水質(zhì)，使其發(fā)揮出應(yīng)有的作用和效益。

3.3 增強(qiáng)河道本身的自凈能力

由于太子河地處我國(guó)北方，氣候比較寒冷，從而使得河道本身的自凈能力較差，這在一定程度上加劇了河流污染，從而導(dǎo)致河道需要大量的稀釋水，致使河道生態(tài)需水量增大。為此，可通過修建水庫(kù)等控制措施，來增強(qiáng)河道自身的凈化能力，以此來減少稀釋水的用量。

4 結(jié)語(yǔ)

本文以太子河作為研究對(duì)象，對(duì)其河道生態(tài)需水量進(jìn)行研究，由此得出如下結(jié)論:

(1)根據(jù)太子河流域的相關(guān)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)結(jié)果，得出其河道生態(tài)需水量的主要內(nèi)容包括:維系河道基本功能的需水量、維持河道凈化功能的需水量、輸沙需水量以及維系人工湖相關(guān)功能的需水量。

(2)分別采用不同的計(jì)算方法進(jìn)行了計(jì)算，進(jìn)而得出了各項(xiàng)內(nèi)容的具體需水量數(shù)值，即維系河道基本功能的需水量為3.69×108m3、維持河道凈化功能的需水量為 3.82×108m3、輸沙需水量為5.21×108m3、維系人工湖相關(guān)功能需水量為(0.06 ×108m3+3.58 ×108m3+0.064 ×108m3=3.704×108m3。

(3)由于太子河屬于北方河流，其自身蒸發(fā)量并不是很大，所以在本文中并未對(duì)該河道的蒸發(fā)需水量進(jìn)行計(jì)算。

(4)因?yàn)楸疚氖腔诟纳铺雍雍拥郎鷳B(tài)環(huán)境的角度進(jìn)行研究，所以河道生態(tài)環(huán)境需水量的計(jì)算是全文的重點(diǎn)，計(jì)算所得的結(jié)果對(duì)河道生態(tài)環(huán)境改善措施的制定具有一定的指導(dǎo)作用。

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