極端干旱條件下河道生態(tài)基流研究

周 洋，周 強，李 玫

(1.成都大學(xué)建筑與土木工程學(xué)院，成都 610106；2.成都大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院，成都 610106)

0 引 言

極端氣候事件是對人類社會危害最為嚴(yán)重的自然災(zāi)害之一。近些年來，全球氣候變暖問題越來越突出，而且降水的年際變化也比較反常，從而導(dǎo)致極端天氣事件經(jīng)常發(fā)生。隨著人類活動的干擾和社會經(jīng)濟的不斷發(fā)展，我國的水土流失和水質(zhì)惡化等問題也將越來越不可忽視。同時，我國水資源短缺的問題也越來越凸顯，其主要受氣候變暖影響所致，引起不同地區(qū)水資源量時間和空間分布的異常變化。受氣候變暖的影響，水生態(tài)環(huán)境問題有進一步惡化的趨勢，大面積的自然災(zāi)害發(fā)生的頻率和強度也有進一步增加的趨勢。因此，在極端干旱條件下，在充分利用水資源時，還要預(yù)留一定的生態(tài)需水。生態(tài)需水量研究的一個重要方面是河道的生態(tài)基流研究，因此保證極端干旱條件下的生態(tài)基流量，對維持所有物種的生存、保護、修復(fù)河流生態(tài)系統(tǒng)的完整性和生物多樣性具有重大的意義。促進生態(tài)環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展，為子孫后代營造一片藍天。

國外學(xué)者首先對美國西部地區(qū)建立了河流流量與生物的關(guān)系后，提出基于水文學(xué)的Montana[1]估算方法。奠定了河流生態(tài)需水的理論基礎(chǔ)。LEOPOLD L B[2]首先根據(jù)魚類產(chǎn)卵及繁殖需要的適宜流速，通過流量-斷面平均流速關(guān)系曲線確定斷面的適宜生態(tài)流量。我國有關(guān)生態(tài)需水方面的研究從20 世紀(jì)90 年代開始，參照國外的一些方法，形成了一套較為成熟的生態(tài)需水理論體系和計算方法。王西琴[3,4]以黃河最大的支流渭河為例，計算了渭河關(guān)中段4個斷面的河道最小環(huán)境需水量。采用月保證率法對黃河下游基本環(huán)境需水進行了計算。倪晉仁[5]根據(jù)黃河1950年以來的徑流資料，從黃河河流系統(tǒng)的主要功能出發(fā)，給出了保證不同功能區(qū)的最小生態(tài)環(huán)境需水量，并且提出了河流生態(tài)用水量及其閾值確定的各項準(zhǔn)則。王雁林[6]探討了生態(tài)環(huán)境需水量的內(nèi)涵，并且提出了生態(tài)環(huán)境需水量的“內(nèi)部優(yōu)先級”和“外部優(yōu)先級”思想,分析了陜西省渭河流域生態(tài)環(huán)境需水量的界定范圍。趙欣勝[7]基于生態(tài)水文學(xué)方法計算了黃河流域典型濕地生態(tài)環(huán)境需水量。李嘉[8]首次提出了計算河道最小生態(tài)基流量的生態(tài)水力學(xué)法, 通過水生生物的適宜水力條件確定某河段最小生態(tài)需水量。陳敏建[9]從河流生態(tài)系統(tǒng)的本質(zhì)出發(fā), 提出了以滿足主要魚類生存環(huán)境來計算適宜生態(tài)流量。劉曉燕[10]等分析了河道內(nèi)魚類和鳥類生境以及近海水生生物繁衍生境的生態(tài)需水, 提出了對黃河入海水量及其流量過程的具體要求。

從目前已掌握的文獻來看，對生態(tài)基流的計算還缺乏對這種極端氣候事件下的計算和分析，與此同時全年都保證不變的生態(tài)基流會對河道生態(tài)環(huán)境造成影響，參考健康河流的狀態(tài)，生態(tài)基流還要有一定的維持時間，如若滿足不了，那么對河流生態(tài)環(huán)境的破壞將是不可逆的。即便采取任何生態(tài)修復(fù)手段，都無法恢復(fù)。本文以渭河寶雞段為例，采用水文學(xué)的Tennant法和最小日平均流量法以及水力學(xué)的濕周法分別對極端干旱年份(百年一遇)下渭河寶雞段的生態(tài)基流量進行計算。對于季節(jié)性河流，這種極端干旱變化條件對生態(tài)基流的影響具有重要的意義，也為極端干旱年份的水資源的合理調(diào)配提供理論依據(jù)。開展本次研究，不僅有重要的科學(xué)價值，而且在水污染防治和生態(tài)環(huán)境保護等方面具有重要的現(xiàn)實意義。

1 健康河流生態(tài)效應(yīng)分析

通過對渭河上游林家村斷面大旱的1929年的逐日平均流量分析，從圖1中可以看出，河流流量的大小交錯、交替出現(xiàn)。無論大流量還是小流量甚至斷流都只維系一定的時間段。而整個流量過程恰恰形成了河流的穩(wěn)定生態(tài)功能，包括小的細流乃至干涸斷流。小流量甚至干涸則對應(yīng)著生態(tài)位較高的物種可以存活下來，淘汰那些適應(yīng)能力差的生物物種。小流量沉積下的營養(yǎng)物質(zhì)還可以為其他動植物物種所利用。

1929年是有名的特大干旱年，在第224～239 d，最低流量為3.4 m3/s，此流量維持了10 d。在極端干旱年低流量維持的時間比較短暫。那么我們認(rèn)為在這樣干旱條件下河流是健康的，是可以參照，河流生態(tài)環(huán)境未受到破壞。

圖1 渭河林家村斷面1929年逐日平均流量Fig.1 Flow duration curve day by day in Weihe river of Linjiacun Section int he year of 1929

2 渭河寶雞段生態(tài)基流計算

目前計算生態(tài)基流的方法有水文學(xué)方法[11]、生境法[12]、整體分析方法和水力學(xué)方法[13,14]。本文采用水文學(xué)和水力學(xué)的濕周發(fā)分別進行計算。

2.1 最小日平均流量

最小日平均流量法就是以河流最小月平均實測徑流量的多年平均值作為河流的基本生態(tài)環(huán)境需水量，計算公式為:

(1)

式中：W為河流基本生態(tài)需水量；Qij為第i年第j月的平均流量，m3/s；T為換算系數(shù)，其值為3 153.6 萬s；n為統(tǒng)計年數(shù)。最小日平均流量多年平均值法見公式(2)。

(2)

式中：Qm為第m月的河流生態(tài)基流量，m3/s；Qij為第m月第i年第j天的平均流量，m3/s。

2.2 Tennant法[1]

Tennant法將多年平均徑流的百分比作為基礎(chǔ)流量，此方法認(rèn)為多年平均徑流量的10%是維持河流生態(tài)系統(tǒng)健康的最小基礎(chǔ)流量。將此結(jié)果作為渭河寶雞段的生態(tài)基流量的參照。

2.3 濕周法

水力學(xué)中的濕周法一般僅適用于寬淺河道和拋物線形河道。其中渭河寶雞段林家村站的斷面形狀恰為拋物線形。濕周法計算的步驟是先繪制出河道斷面，然后根據(jù)斷面資料繪制水位與濕周的關(guān)系曲線，并運用水文學(xué)中的水位流量關(guān)系曲線，最后綜合分析確定出濕周流量關(guān)系曲線。在濕周流量關(guān)系曲線中找出變化曲折的拐點，將此拐點的流量值作為維持河道內(nèi)生態(tài)需水的臨界流量值，本研究分析的基礎(chǔ)資料主要來源于1995 年實測水位流量歷史資料和實測大斷面資料, 在此基礎(chǔ)上計算渭河寶雞段最小生態(tài)流量。濕周-流量關(guān)系式為公式(3)。

(3)

式中：Q為河道流量，m3/s;A為過水面積，m2;P為濕周，m;S為水力坡度；n為粗糙系數(shù)。

按照濕周計算方法，林家村斷面的濕周流量關(guān)系曲線如圖2。

圖2 林家村斷面濕周-流量關(guān)系曲線Fig.2 Chart of relationship between wetted perimeter and flow in Linjiacun section

2.4 三種方法計算結(jié)果

以渭河寶雞段林家村斷面為例，采用水文學(xué)方法的最小日平均流量法、Tennant和水力學(xué)的濕周法分別進行計算。通過水利年鑒和資料收集，發(fā)現(xiàn)1994-1997年陜西遭遇了歷史上罕見的特大干旱，關(guān)中大部分縣區(qū)全年僅降水300～400 mm, 比常年偏少40%～50%,1995年大旱類似于歷史上有名的1929年大旱。按照1994-1997年各水文站實測年徑流，按照同倍比縮小的原則，估計百年一遇的特大干旱年與1994-1997年的徑流比值，作為百年一遇的設(shè)計徑流值。計算結(jié)果如表1。

表1 不同方法的渭河寶雞段生態(tài)基流Tab.1 Ecological basic flow in Weihe river of Baoji Section is calculated by two different method

3 生態(tài)基流結(jié)果分析

按照表1中的生態(tài)基流計算結(jié)果，本研究最后以Tennant 法計算的結(jié)果進行對比驗證，Tennant 法確定的最小生態(tài)流量是取多年平均徑流量的10%, 確定的數(shù)值可以作為一個參考值，認(rèn)為這個流量可以提供給河流一個最基本的水生生態(tài)環(huán)境，可以維持水生物種的最基本生存。最小日平均流量法的取值偏小，最后經(jīng)過分析，最小生態(tài)流量采用濕周法計算的數(shù)值是比較合理的,最后確定渭河林家村斷面的生態(tài)基流量應(yīng)為2.51 m3/s。占極端干旱年流量的11.6%。

這三種結(jié)果要求的是全年都保證這個最小的流量，由1929年干旱年的健康河流的逐日平均流量分析我們可以知道，干旱年最小流量維持的時間大約在10 d左右。全年都保證不變的生態(tài)基流會對生態(tài)環(huán)境造成影響。在河道中，如果由于人類的影響而使流量過低，或者干旱持續(xù)時間過長，大量的個體將會死亡，進而危害到某些物種的當(dāng)?shù)財?shù)量。破壞水生動植物的棲息地。所以，無論生態(tài)基流采用那種計算方法給出，極端干旱年份的小流量維持的時間是有限制的，不能維持過長。否則造成生態(tài)環(huán)境的破壞。另外極端干旱條件下，水資源的數(shù)量也是有限的，不必一直保持不變的生態(tài)基流量。

由以上分析，對極端干旱條件下的生態(tài)基流的考察要考慮自然因素，遵循自然的規(guī)律。本文最后參照健康河流的實際過程，確定渭河寶雞段枯水期的生態(tài)基流量維持的時間，最后生態(tài)基流量取2.51 m3/s,維持的時間為10 d。只有滿足這兩個條件，才能真正意義上保持極端干旱年份的河流的生態(tài)健康。

4 結(jié) 語

本文運用濕周法、最小日平均流量和Tennant法對極端干旱條件下渭河寶雞段的生態(tài)基流進行計算，參考渭河寶雞林家村斷面特大干旱年1929年的逐日流量分析，最終得到渭河寶雞林家村斷面的流量和維持的時間。對于季節(jié)性河流，計算極端干旱變化條件下的生態(tài)基流量具有重要的意義，可維持極端干旱條件下的河流生態(tài)健康，保證水資源的可持續(xù)發(fā)展和利用。也可為極端干旱年份的水資源的合理調(diào)配提供理論依據(jù)。在以后的研究中，要保證這樣的低水流量和持續(xù)的時間，在實際中如何控制也是個需要探討的問題。

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