桑干河最小生態(tài)環(huán)境需水量分析

邢廣軍，田景麗

（河北省張家口水文水資源勘測(cè)局，河北張家口075000）

桑干河最小生態(tài)環(huán)境需水量分析

邢廣軍，田景麗

（河北省張家口水文水資源勘測(cè)局，河北張家口075000）

桑干河自冊(cè)田水庫(kù)建庫(kù)以來(lái)，地表徑流幾近消失。為恢復(fù)桑干河昔日生機(jī)，首先需要確定其最小生態(tài)環(huán)境需水量。使用分項(xiàng)計(jì)算法和Tennant法進(jìn)行了桑干河最小生態(tài)環(huán)境需水量的確定，并指出桑干河水生態(tài)環(huán)境逐步惡化的原因。

生態(tài)基流；生態(tài)環(huán)境需水量；分項(xiàng)計(jì)算；Tennant法

1 問(wèn)題的提出

冊(cè)田水庫(kù)建成后，攔截了上游來(lái)水，導(dǎo)致中下游年徑流量急劇變小，河床抬高，行洪能力變?nèi)?，桑干河河道的游蕩特性更加明顯，大部分河床裸露，河面越來(lái)越窄。在基本失去基流的情況下，河道逐漸失去了其基本的功能和用途。為恢復(fù)桑干河生機(jī)，首先需要確定其最小生態(tài)環(huán)境需水量，之后才能進(jìn)行后續(xù)的水生態(tài)環(huán)境恢復(fù)工作。

2 桑干河生態(tài)環(huán)境現(xiàn)狀

過(guò)去的桑干河水量充沛、水面寬闊、波光粼粼、魚(yú)翔淺底，過(guò)河需要擺渡，清澈的河水像玉帶一樣蜿蜒在陽(yáng)原、宣化、涿鹿和懷來(lái)大地上。著名作家丁玲的《太陽(yáng)照在桑干河上》便是桑干河涿鹿縣一帶人民的美好生活寫(xiě)照。

20世紀(jì)六七十年代后，桑干河流域內(nèi)又興起水土保持，建成一批大中小型蓄水工程和堤防工程，攔蓄了雨水徑流。自1997年后，桑干河內(nèi)許多河段基本上處于斷流的狀態(tài)，沿岸農(nóng)田飽受干旱影響，河道不規(guī)范采砂現(xiàn)象日益嚴(yán)重，裸露的河床和岸坡面目全非。隨著年徑流量急劇減少，昔日的河灘被圍墾變成了農(nóng)田，河道被無(wú)節(jié)制占用，導(dǎo)致河道行洪能力不足，一旦發(fā)生洪水，可能引發(fā)嚴(yán)重的洪澇災(zāi)害。隨著經(jīng)濟(jì)的不合理增長(zhǎng)，本被破壞的生態(tài)環(huán)境也隨之更加惡化。

3 最小生態(tài)環(huán)境需水量計(jì)算

3.1 計(jì)算方法遴選

根據(jù)桑干河流域歷史資料積累情況，本次河道內(nèi)生態(tài)環(huán)境需水量采用分項(xiàng)計(jì)算分析法和Tennant法進(jìn)行計(jì)算分析，并對(duì)這兩種分析結(jié)果進(jìn)行綜合評(píng)定，確定河道內(nèi)最小生態(tài)環(huán)境需水量值。

3.1.1 分項(xiàng)計(jì)算分析法

河道內(nèi)生態(tài)環(huán)境需水量包括河道生態(tài)基流、改善水質(zhì)需水量、通河湖庫(kù)濕地生態(tài)需水量、水生生物需水量、河道泥沙輸送需水量、沖淤保港和防潮壓咸需水量等。分項(xiàng)計(jì)算就是先求出各項(xiàng)需水量，然后按照一水多用原則綜合確定河道內(nèi)生態(tài)環(huán)境需水量。

對(duì)桑干河而言，由于只考慮河道內(nèi)最小生態(tài)環(huán)境需水量，所以不涉及改善水質(zhì)需水量、通河湖庫(kù)濕地生態(tài)需水量、水生生物需水量等，河道內(nèi)最小生態(tài)環(huán)境需水量可只包括河道生態(tài)基流和河道泥沙輸送需水量。

（1）河道生態(tài)基流。河道生態(tài)基流是指為維持河床基本形態(tài)、防止河道斷流、保持水體天然自凈能力和避免河流水體生物群落遭到無(wú)法恢復(fù)的破壞而保留在河道中的最小水（流）量，采用n年（n≥10）最小月平均流量法計(jì)算，其計(jì)算公式為：

式中：WE為河道生態(tài)基流（m3）；Qi為n年最小月平均流量（m3/s）。

根據(jù)桑干河的實(shí)際情況，從維持桑干河河道基本形態(tài)以及保證一定基流量、維持桑干河一定的稀釋自凈能力和基本的生態(tài)環(huán)境等方面考慮確定桑干河生態(tài)基流。桑干河建庫(kù)前、后和現(xiàn)狀年最小月平均流量統(tǒng)計(jì)的多年最小月平均流量均值分別為11.3、3.20、0.422 m3/s，從結(jié)果可以看出冊(cè)田水庫(kù)截流后桑干河內(nèi)多年最小月平均流量變化非常大，因此確定桑干河河道內(nèi)最小生態(tài)環(huán)境需水量（河道生態(tài)基流）只能以建庫(kù)前的多年最小月平均流量為基準(zhǔn)，即11.3 m3/s。根據(jù)式（1）計(jì)算，可知河道生態(tài)基流WE=3.563 6×108m3。

（2）河道輸沙需水量。河道輸沙需水量是指保持河道水流泥沙沖淤平衡所需水量，主要與河道上游來(lái)水來(lái)沙條件、泥沙顆粒組成、河流類(lèi)型及河道形態(tài)有關(guān)。桑干河屬河床比較大的山區(qū)河流，一般情況下水流處于非飽和輸沙狀態(tài)。為了輸沙排沙、維持沖刷與侵蝕的動(dòng)態(tài)平衡，需要一定的生態(tài)環(huán)境需水量與之相匹配，因此可用多年最大月平均含沙量代表水流對(duì)泥沙的輸送能力來(lái)計(jì)算輸沙需水量，輸沙需水量可用下式計(jì)算：

式中：WS為年輸沙需水量（m3）；Sl為多年平均輸沙量（kg）；SCW,max為多年最大月平均含沙量（kg/m3）。

根據(jù)桑干河的實(shí)際情況，從維持河道水沙平衡、保證輸沙排沙來(lái)考慮確定河道輸沙需水量。桑干河建庫(kù)前、后和現(xiàn)狀年年輸沙量為4 877×104、151×104、7.39×104t，年最大月平均含沙量為147.5、50.9、37.9 kg/m3。建庫(kù)前、后和近期輸沙需水量計(jì)算結(jié)果，見(jiàn)表1。

表1 建庫(kù)前、后和近期輸沙需水量比較

由表1可知，建庫(kù)前的時(shí)段比較符合桑干河輸沙需水情況，建庫(kù)后和近期受水利工程控制輸沙量和平均含沙量都受到較大影響，不再具備代表性，因此選擇建庫(kù)前的輸沙需水量作為桑干河的輸沙需水量，即WS=3.306 4×108m3。

（3）分項(xiàng)計(jì)算分析法最小生態(tài)環(huán)境需水量確定。比較河道生態(tài)基流和河道輸沙需水量可知前者大于后者，因此河道最小生態(tài)環(huán)境需水量應(yīng)取河道生態(tài)基流量3.563 6×108m3。

需要說(shuō)明的是，對(duì)于桑干河而言，蒸發(fā)量和河道輸沙需水量不是一個(gè)數(shù)量級(jí)，人工景觀用水一般采用地下水或中水，本次分析論證暫不考慮。

3.1.2 Tennant法

Tennant法將全年分為2個(gè)計(jì)算時(shí)段，根據(jù)多年平均流量百分比和河道內(nèi)生態(tài)環(huán)境狀況的對(duì)應(yīng)關(guān)系，直接計(jì)算維持河道一定功能的生態(tài)環(huán)境需水量。Tennant法中，河道內(nèi)不同流量百分比和與之相對(duì)應(yīng)的生態(tài)環(huán)境狀況見(jiàn)表2。

表2 不同流量百分比對(duì)應(yīng)的河道內(nèi)生態(tài)環(huán)境狀況（部分）

根據(jù)Tennant法，維持河道一定功能的年需水量計(jì)算公式如下：

式中：WR為多年平均條件下維持河道一定功能的年需水量（m3）；Mi為第i月天數(shù)（d）；Qi為第i月多年平均流量（m3/s）；Pi為第i月生態(tài)環(huán)境需水百分比。

將1 a分為2個(gè)計(jì)算時(shí)段即4—9月為多水期、10月—次年3月為少水期，不同時(shí)段流量百分比有所不同。少水期選取多年平均流量的20%，多水期選取多年平均流量的40%作為河道生態(tài)環(huán)境需水量，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 Tennant法不同時(shí)期需水量計(jì)算結(jié)果

經(jīng)分析，選取3.215 1×108m3作為T(mén)ennant法計(jì)算的桑干河最小生態(tài)環(huán)境需水量。

3.2 桑干河最小生態(tài)環(huán)境需水量的確定

根據(jù)分項(xiàng)計(jì)算分析法和Tennatn法比較，結(jié)合桑干河實(shí)際情況，確定分項(xiàng)計(jì)算分析法結(jié)果WE= 3.563 6×108m3為桑干河生態(tài)環(huán)境需水量。而近期最小年徑流平均值為0.133 1×108m3，只占生態(tài)環(huán)境需水量的3.7%，缺口為3.430 5×108m3。

4 結(jié)語(yǔ)

桑干河最小生態(tài)環(huán)境需水量的巨大缺口，造成了桑干河目前逐步惡化的水生態(tài)環(huán)境形勢(shì)，恢復(fù)桑干河水生態(tài)環(huán)境的第一步便是補(bǔ)充生態(tài)基流。因此，需要通過(guò)各種符合自然規(guī)律的方式為河道補(bǔ)充生態(tài)基流，逐步達(dá)到最小生態(tài)環(huán)境需水量的目的。

[1]SL/Z 479-2010，河湖生態(tài)需水量評(píng)估導(dǎo)則（試行）[S].

[2]芮孝芳.水文學(xué)原理[M].北京：中國(guó)水利水電出版社，2008.

[3]梁忠民.水文水利計(jì)算（2版）[M].北京：中國(guó)水利水電出版社，2008.

TV213.4；X821

A

1004-7328（2017）04-0015-03

10.3969/j.issn.1004-7328.2017.04.005

2017—03—11

邢廣軍（1970—），男，高級(jí)工程師，主要從事水文水資源分析研究工作。