沂河流域河流生態(tài)需水研究

通信作者:陸寶宏,教授。E-mail:lubaohong@126.com

沂河流域河流生態(tài)需水研究

陸建宇1,陸寶宏1,2,王猛1,甄億位1,朱從飛1,史賢舉1

(1.河海大學水文水資源學院,江蘇 南京210098;

2.河海大學水文水資源與水利工程科學國家重點實驗室,江蘇 南京210098)

摘要：基于沂河臨沂站的天然徑流和實測徑流資料,遵循水量平衡基本原理,結合河流生態(tài)需水量、可取水量,提出一種新的河流生態(tài)需水分析方法,以滿足河流生態(tài)需水量要求為前提,分析沂河河流可取水量、可取水比例及不同水平年條件下沂河河流生態(tài)需水保證程度。結果表明:沂河河流生態(tài)需水量、生態(tài)需水比例閾值分別為3.43億～20.63億m3、12.50%～75.17%,河流可取水水量、可取水比例的閾值分別為6.80億～24.0億m3、24.79%～87.50%,河流實際取水量、實際取水比例分別為8.65億m3、31.53 %;豐、平、枯、特枯水平年條件下,僅有特枯水年部分月份河流最小生態(tài)需水量不能夠滿足,河流適宜生態(tài)需水保證程度則處于較低水平。因此,在減少河流取水量的同時,有必要通過一定的水利工程調度,適當增加河道內生態(tài)用水量,以維持沂河河流生態(tài)環(huán)境的健康、穩(wěn)定。

關鍵詞：沂河流域;臨沂站;生態(tài)需水量;可取水量;生態(tài)需水保證率

基金項目:國家自然科學基金(NSFC-50979023);水利部公益性行業(yè)科研專項(201201026);江蘇省博士后基金(1302029C);江蘇省高校研究生科研創(chuàng)新計劃(KYZZ_0144)

作者簡介:陸建宇(1989—),男,碩士研究生,研究方向為生態(tài)水文學及水資源規(guī)劃。E-mail:lujianyuchn@126.com

中圖分類號：TV213.4 文獻標志碼：A

收稿日期：(2014-12-19編輯：徐娟)

DOI：10.3880/j.issn.1004-6933.2015.03.016

DOI：10.3880/j.issn.1004-6933.2015.03.014

Study of ecological water demand in Yi River Basin

LU Jianyu1, LU Baohong1,2,WANG Meng1, ZHEN Yiwei1, ZHU Congfei1, SHI Xianju1

(1.CollegeofHydrologyandWaterResources,HohaiUniversity,Nanjing210098,China;

2.StateKeyLaboratoryofHydrology-WaterResourcesandHydraulicEngineering,

HohaiUniversity,Nanjing210098,China)

Abstract：Based on the natural and observed runoff data at Linyi station of Yi River, conforming to the basic principle of water balance, and according to the ecological water demand and water withdrawals of the river, a kind of ecological water demand analysis method was put forward to analyze the water withdrawals, water withdrawals ratio and guarantee degree of ecological water demand of Yi River under the condition of different level years on the premise of meeting the ecological water demand requirements. The results show that the thresholds of ecological water demand, ecological water demand ratio are 0.343 billion～2.063 billion cubic meters and 12.50%～75.17%, respectively. The thresholds of water withdrawals, water withdrawals ratio are 0.680 billion～2.400 billion cubic meters and 24.79%～87.50%, respectively. The actual water withdrawals, actual water withdrawals ratio are 0.865 billion cubic meters and 31.53%, respectively. Under the condition of wet year, normal year, dry year and especially dry year, only the minimum ecological water demand of some months in especially dry year can’t be met, and the guarantee degree of optimal ecological water demand of Yi River is relatively at a low level. Therefore, while reducing the water withdrawals from the river, it is necessary to increase modest ecological water by water scheduling of certain water conservancy project, keeping the ecological environment of Yi River healthy and stable.

Key words： Yi River Basin;Linyi station;ecological water demand;water withdrawals;guarantee rate of ecological water demand

近年來,人類過度開發(fā)和不合理利用水資源,導致世界河流面臨不同程度的生態(tài)問題[1],并引發(fā)河流生源要素、生物多樣性和區(qū)域生態(tài)環(huán)境的改變。為確保水資源的可持續(xù)利用,全世界開始關注維持河流自然流動狀態(tài)的水質和水量[1],因此如何合理地確定河流生態(tài)需水量已成為當前以及今后生態(tài)水文學的研究熱點[2]。

沂河是淮河流域沂沭泗水系中一大支流,屬于我國嚴重缺水區(qū)域之一。近年來,隨著社會經濟的快速發(fā)展,流域水資源開發(fā)利用率不斷增加。目前,沂河流域地表水開發(fā)利用率為74%[3],遠超出國際公認的40%警戒線,處于過度開發(fā)階段。同時,沂河干流水質已遭到不同程度的污染[4-7],水質性缺水威脅到部分地區(qū)的用水安全[4]。針對沂河流域上述相關問題,大量學者開展了深入研究,但成果多傾向于水文要素演變規(guī)律[3]、水資源開發(fā)利用[4]、水質評價[5]和浮游植物分析[6]等。在河流生態(tài)需水方面,僅有王萍[7]對臨沂站斷面生態(tài)質量進行了初步評價,采用改進的Tennant法計算了沂河李莊閘下泄生態(tài)流量。鑒于沂河主要控制站——臨沂站河流斷面為中度污染,生態(tài)系統(tǒng)脆弱,河流已處于亞健康狀態(tài)[7]以及流域水資源供需矛盾日益突出的形勢,筆者嘗試基于水量平衡原理,結合河流生態(tài)需水量、可取水量,提出一種新的河流生態(tài)需水分析方法,從分析河流天然徑流的角度出發(fā),對沂河河流生態(tài)需水進行研究,力求為維持沂河河流生態(tài)環(huán)境的健康、穩(wěn)定,保障流域水資源的可持續(xù)利用提供一定的參考。

1相關概念及計算方法

1.1河流生態(tài)需水量及生態(tài)需水比例計算

河流是最重要的水生態(tài)系統(tǒng)類型之一, 必須保證一定質量和數量的水資源。一般而言,河流生態(tài)需水量可以理解為保護河流生態(tài)系統(tǒng)結構的完整性和生物多樣性所需要的水量或流量[8-9]。河流水文變化過程是隨機的,其生態(tài)需水量不是一個固定值,而是在一個域值區(qū)間內變化[10]。對于某一個特定的生態(tài)保護目標,其生態(tài)需水量是由最小、適宜、最大需水量限定的一系列區(qū)間值構成的,其下限是最小生態(tài)需水量,上限是最大生態(tài)需水量。

沂河流域地處半干旱半濕潤地區(qū),水資源供需矛盾較為突出,在河流生態(tài)系統(tǒng)中出現水資源過剩的幾率相對較小,基本可以忽略最大生態(tài)需水問題,其河流生態(tài)需水量應控制在最小生態(tài)需水量和適宜生態(tài)需水量之間,河流最小、適宜生態(tài)需水量與其多年平均天然徑流量的比值構成了河流生態(tài)需水比例的閾值區(qū)間。根據上述解釋,可將沂河生態(tài)需水閾值區(qū)間表示為:[Wmin,Wopti],河流生態(tài)需水比例的閾值區(qū)間定義為[11]

(1)

式中:Wmin、Wopti分別為河流最小、適宜生態(tài)需水量,億m3;Wn為河流天然徑流量,億m3;Pmin、Popti分別為河流最小、適宜生態(tài)需水比例,%。

以沂河天然徑流為基礎,采用生態(tài)徑流相關計算方法,在最小、適宜生態(tài)徑流量計算結果的基礎上,得到最小、適宜生態(tài)需水量。①最小生態(tài)需水量。選用逐月次最小值法[12]、近10年最枯月平均流量法[13]和90%保證率最枯月平均流量法[13]計算沂河河流最小生態(tài)需水量。②適宜生態(tài)需水量。根據文獻[6-7]的研究成果,沂河底棲動物主要包括軟體動物、水生昆蟲、水棲寡毛類、多毛類,共24種;浮游植物以藍藻門和綠藻門為主,共有5門39屬;浮游動物以輪蟲和枝角類為主,有63屬;魚類以鯉科魚類為主,有23種。上述水生生物的組成和數量,與沂河河流水體的豐、枯、污染程度有著密切關系?，F階段,河流適宜生態(tài)需水量的計算多采用逐月頻率法,即根據歷史流量數據,將一年劃分為豐、平、枯3個時期,對各時期擬定不同的保證率,確定在不同保證率下各時期的需水量,即得到該年的適宜生態(tài)需水過程[2]。該方法在確定河流適宜生態(tài)需水量時,不僅考慮了河流生態(tài)系統(tǒng)對水量的要求,還兼顧了不同時期生態(tài)系統(tǒng)的不同要求。為保證河流生態(tài)功能、水生生物和水環(huán)境的安全,計算非汛期各月的適宜生態(tài)徑流量宜選用較低保證率,最終選擇文獻[2]、[12]、[14]所提的3種逐月頻率法。考慮到Tennant法在生態(tài)需水評價方面的局限性,采用改進的Tennant法,即以各月流量的同期均值比替代年均值比,評價上述計算結果的合理性。最后,通過多種分析結果的綜合比較和綜合論證,確定河流最小、適宜生態(tài)需水量。

1.2河流可取水量及實際取水量計算

對于河流生態(tài)系統(tǒng)而言,在不考慮開采地下水的前提下,河流生態(tài)需水量與從河流中的取水量存在著此消彼長的關系。若從河流中取水過多,留給河流生態(tài)系統(tǒng)的水量過少,河流生態(tài)需水得不到滿足,水生生物的生長和繁殖就將受到抑制,此狀況長期持續(xù)下去,將會破壞河流水生生物的完整性,河流生態(tài)系統(tǒng)服務功能也將衰弱[15]。因此,應在優(yōu)先滿足河流生態(tài)需水的前提下,再將流域水資源重新協(xié)調或分配。

沂河河流生態(tài)需水量是在最小、適宜生態(tài)需水量所構成的閾值區(qū)間內變化的,相應地沂河河流可取水量也應存在一個變化的閾值區(qū)間,即河流最大可取水量、適宜可取水量。基于水量平衡,借鑒文獻[16-17]，筆者將河流生態(tài)需水量與從河流中的可取水量間的關系表示為

(2)

(3)

式中:Wc為河流斷面可取水量,億m3;We為河流生態(tài)需水量,億m3;Wf為河流實際取水量,億m3(其中,河流的蒸發(fā)、滲漏損失量均計入Wf中);Wo為河流實測徑流量,億m3。

1.3不同水平年條件下河流生態(tài)需水保證率

河流生態(tài)需水能否得到滿足是河流健康評價的基礎,近年來,沂河天然徑流量呈現減少趨勢,河流生態(tài)需水日趨緊張,河流實測徑流是否真正滿足河流生態(tài)需水要求需要足夠重視。因此,需將河流實測徑流過程與生態(tài)需水過程進行比較,獲得河流生態(tài)需水保證程度,以便在今后天然來水較少的時段,采取相對科學的手段調配水量,以改善河流水生態(tài)質量。

基于河流生態(tài)需水著重考慮不利的原則,取保證率為25%、50%、75%、95%天然徑流量所對應的年份作為豐、平、枯、特枯水年,若出現多個年份天然徑流值與設計值都比較接近,再按照“年內分配最不利”(汛期徑流過多,非汛期水量過少)的原則,確定各代表年份。不同水平年條件下,河流實測徑流量與河流生態(tài)需水量的比值,即為其生態(tài)需水保證率。

(4)

式中:θ為不同水平年條件下的河流生態(tài)需水保證率,%。

2計算結果及分析

沂河是淮河流域沂沭泗水系中最大的一支,位于山東省東南部。沂河發(fā)源于沂蒙山南麓,流經臨沂市所轄的13個縣、市,于江蘇新沂注入駱馬湖。沂河河道全長333km,流域總面積為11820km2。臨沂站是沂河主要控制站,臨沂站以上河道長223km,水系大致呈扇形,集水面積為10315km2,占全流域面積的87.3%[18]。山丘區(qū)約占流域總面積的70%,平原區(qū)所占比例約為30%。其中,流域上游為山丘區(qū),植被相對較差,土壤風化層較薄,涵養(yǎng)水分能力較差,中下游為平原區(qū),土質多為壤土,植被狀況較好。受臺風、南北切變、黃淮氣旋和地形的影響,沂河汛期洪水陡漲陡落,容易形成洪澇災害,非汛期流量較小,甚至出現河道斷流,水資源形勢嚴峻。臨沂站設立于1950年4月,位于東經118°24′,北緯35°01′,分析數據采用其1958—2000年共43a的天然月徑流資料及實測月徑流資料。

2.1最小、適宜生態(tài)需水量及生態(tài)需水比例

圖1為采用逐月次最小值法得到的河流年內最小生態(tài)徑流過程。由逐月次最小值法得出的最小生態(tài)徑流量為10.87m3/s,占天然徑流多年平均值的12.60%;采用近10年最枯月平均流量法得到的最小生態(tài)徑流量為2.95m3/s,占天然徑流多年平均值的3.39%;采用90%保證率最枯月平均流量得到的最小生態(tài)徑流量為2.91m3/s,占天然徑流多年平均值的3.34%。

圖1　臨沂站河流最小生態(tài)徑流過程

圖2為采用不同保證率的逐月頻率法得到的沂河年內適宜生態(tài)徑流過程,3種保證率計算所得適宜生態(tài)徑流量依次為65.39m3/s、78.25m3/s和70.94m3/s,占天然徑流多年平均值的比例分別為75.19%、89.97%和81.58%。

圖2　臨沂站河流適宜生態(tài)徑流過程

借鑒文獻[19],選用改進的Tennant法分析最小生態(tài)徑流和適宜生態(tài)徑流計算結果的合理性(表1)。

由圖1、圖2和表1可看出,不同方法的計算結果相差較大。由于沂河天然徑流年內分布極不均勻,由近10年最枯月平均流量法和90%保證率最枯月平均流量法計算得到的最小生態(tài)徑流量嚴重偏小,會致使河流水生生物棲息地的退化;逐月次最小值法的計算結果不僅能夠滿足河流的納污能力和最

表1　臨沂站河流生態(tài)徑流評價

小生態(tài)需水基本要求,還可體現沂河天然徑流年內連續(xù)豐枯變化特征。根據改進的Tennant法評價結果,在多水期和少水期,3種方法計算的適宜生態(tài)需水量均能使沂河河流生態(tài)系統(tǒng)達到“好”甚至“最佳”狀態(tài),因此3種方法的計算結果均可采納;但方法一能夠在保證沂河河流生態(tài)系統(tǒng)處于最佳狀態(tài)的前提下,最大程度削減適宜生態(tài)徑流量,這一點可從圖2和表1中看出。與方法二、三相比,方法一將年內各月均取相同頻率,雖減少了豐水期的生態(tài)徑流量,增大了枯水期生態(tài)徑流量,均化了年內各月的生態(tài)徑流過程,但為河流提供了一種更為理想化的生態(tài)條件。增加枯水期河流流量,有利于枯水期河流棲息地的保護,水環(huán)境安全的維持,控制豐水期河流流量,不但可以緩解水資源緊張態(tài)勢,還可保障流域經濟發(fā)展。因此方法一,即年內各月保證率均取50%計算適宜生態(tài)需水更為理想。

由沂河河流生態(tài)徑流過程,得到其生態(tài)需水過程(表2)。根據式(1),沂河河流生態(tài)需水量、生態(tài)需水比例的閾值分別為3.43億～20.63億m3、12.50%～75.17%。

表2　臨沂站河流生態(tài)需水過程　億m 3

2.2流域河流可取水量及實際取水量

根據式(2)和(3),得到沂河年內可取水及實際取水過程(圖3)。由圖3可知:①年內適宜取水、最大可取水及實際取水過程走勢基本一致,均呈不對稱的單峰型變化,年內實際取水過程線稍高于適宜可取水過程線,而遠低于最大可取水過程線。其中,1—5月河流可取水量和實際取水量相對較小,且變化平緩,6月份流域開始進入雨季,河流可取水量和實際取水量隨降水增多而迅速增加,多于7、8月份達到峰值,9—12月份隨降雨減少河流可取水量和實際取水量逐漸落平。②年內最大可取水量出現時間相對集中,主要在6—10月,其他月份可取水量相對較少。其中,最大可取水量最大值為8.16億m3(7月),占年內最大可取水總量的34.01%;適宜可取水量最大值為2.34億m3(8月),占年內適宜可取水總量的34.41%;實際取水量最大值為3.50億m3(7月),占年內實際取水總量的40.46%。不難看出,沂河河流可取水過程和實際取水過程年內差異明顯,年內7月河流生態(tài)用水受到實際取水擠占,這在一定程度上會對河流生態(tài)系統(tǒng)的健康和穩(wěn)定產生影響,由于其實際取水量遠小于最大可取水量,該影響還處于較弱水平。

圖3　臨沂站河流可取水量及實際取水量

最終,匯總得到河流取水總量分別為:適宜可取水量為6.80億m3,占天然徑流多年平均值的24.79%;最大可取水量為24.00億m3,占天然徑流多年平均值的87.50%;實際取水量為8.65億m3,占天然徑流多年平均值的31.53%。因此,沂河河流可取水量、可取水比例的閾值分別為6.80億～24.00億m3、24.79%～87.50%。

2.3不同水平年條件下河流生態(tài)需水保證率

圖4　臨沂站不同水平年條件下生態(tài)需水過程

根據表2計算結果,將沂河臨沂站斷面的河流年內生態(tài)需水過程與各水平年的河流年內實測徑流過程比較(圖4)。由圖4可以看出:豐、平、枯、特枯等不同水平年年內實測徑流過程均有一定時段無法滿足河流生態(tài)需水要求。以特枯水年(圖4(d))為例,1、8、9、11月份實測徑流法無法滿足最小生態(tài)需水要求,實測徑流均未達到適宜生態(tài)需水要求,但改進的Tennant法評價結果顯示，所計算的特枯水期的1、9、11月最小生態(tài)需水量可使沂河河流生態(tài)條件達到“最小”,各月適宜生態(tài)需水量可使沂河河流生態(tài)條件達到“好”甚至“最佳”,這種差異主要是因為改進的Tennant法以各月流量的同期均值比來評價河流的生態(tài)條件,雖較Tennant法的“年均值比”有所進步,但各月流量的同期均值比仍難以克服個別極端流量值對計算結果整體的影響。豐水年(圖4(a)),實測徑流法均能滿足最小生態(tài)需水要求,6—8月份實測徑流能達到適宜生態(tài)需水要求;平水年(圖4(b))實測徑流法均能滿足最小生態(tài)需水要求,2、3、6月份實測徑流能達到適宜生態(tài)需水要求;枯水年(圖4(c))實測徑流法均能滿足最小生態(tài)需水要求,實測徑流均不能達到適宜生態(tài)需水要求。

最后,由式(4)得,豐、平、枯、特枯年沂河河流最小生態(tài)需水保證率分別為793.57%、447.33%、245.89%和128.49%,適宜生態(tài)需水保證率分別為132.01%、74.41%、40.90%和21.37%。不難看出,在年總流量上,特枯水年的最小生態(tài)需水能夠滿足要求,但實際上年內部分月份最小生態(tài)需水保證程度不可能超過100%。在其他水平年,上述問題依然存在,這種差異仍是由改進的Tennant法難以克服個別極端流量值對計算結果整體的影響而導致的,因此，在使用改進的Tennant法時應考慮各月天然來水的變化特性及其極端值的影響,或者對改進的Tennant法做進一步完善。

隨著不同水平年天然徑流量的減少,河流適宜生態(tài)需水的保證程度逐漸降低,而河流最小生態(tài)需水不能得到滿足的時段變化相對較小。作為臨沂市的母親河,沿岸工、農業(yè)及生活用水主要取自沂河。流域內農業(yè)灌溉用水量大,工業(yè)用水重復利用率低,公共基礎設施用水浪費嚴重[4],加之近年來流域降水減少[3],進而導致天然徑流量減少[18],這勢必會給河流生態(tài)需水造成一定的壓力。對于受人類活動影響較大的沂河流域,其水資源的時空分布不均衡,特別是年內的變化差異較大,河流生態(tài)環(huán)境相對脆弱。建議通過實施一定的水利工程調度,將豐水期多余的水量補給枯水期,一方面能夠確保枯水期的河流生態(tài)需水量,另一方面又能減少豐水期因水量過大可能造成的洪澇災害損失。

3結語

以沂河主要控制站——臨沂站為例,提出一種新的河流生態(tài)需水分析方法,在遵循水量平衡原理、滿足河流生態(tài)需水的前提下,以天然徑流、實測徑流資料為基礎,采用生態(tài)徑流相關計算方法分析了沂河河流生態(tài)需水、可取水量、實際取水量及不同水平年下河流生態(tài)需水保證程度,獲得了沂河河流生態(tài)需水比例閾值、河流可取水量比例的閾值及實際取水比例。需要注意的是,在各水平年,實際河流生態(tài)需水保證程度與改進的Tennant法評價結果存在一定的差異,這種差異主要是因為改進的Tennant法以各月流量的同期均值比來評價河流的生態(tài)條件,各月流量的同期均值比仍難以克服各別極端流量值對計算結果整體的影響,所以在使用改進的Tennant法時還應考慮各月天然來水的變化特性及其極端值的影響,或者進一步完善改進的Tennant法。最終成果可為促進沂河流域水資源的可持續(xù)發(fā)展、維護沂河河流生態(tài)系統(tǒng)的健康、穩(wěn)定提供一定的參考依據。

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《水資源保護》雜志成為中國科學引文數據庫(CSCD)來源期刊

由河海大學、中國水利學會環(huán)境水利專業(yè)委員會聯(lián)合主辦的《水資源保護》雜志成為2015—2016年度中國科學引文數據庫(Chinese Science Citation Database，簡稱CSCD)的來源期刊。

中國科學引文數據庫創(chuàng)建于1989年，收錄我國數學、物理、化學、天文學、地學、生物學、農林科學、醫(yī)藥衛(wèi)生、工程技術和環(huán)境科學等領域出版的中英文科技核心期刊和優(yōu)秀期刊千余種，其內容豐富、結構科學、數據準確。中國科學引文數據庫具有建庫歷史最為悠久、專業(yè)性強、數據準確規(guī)范、檢索方式多樣、完整、方便等特點，深受用戶好評，被譽為“中國的SCI”。

中國科學引文數據庫來源期刊每兩年遴選一次。每次遴選均采用定量與定性相結合的方法，定量數據來自于中國科學引文數據庫，定性評價則通過聘請國內專家定性評估對期刊進行評審。定量與定性綜合評估結果構成了中國科學引文數據庫來源期刊。經過中國科學引文數據庫定量遴選、專家定性評估，2015—2016年度中國科學引文數據庫收錄來源期刊1200種，其中中國出版的英文期刊194種，中文期刊1006種。

本刊編輯部供稿