遼河干流河道內(nèi)生態(tài)需水量研究

何京濤

(遼寧西北供水有限責(zé)任公司清河分公司，遼寧 鐵嶺 112300)

為避免河流生態(tài)系統(tǒng)退化，20世紀(jì)40年代美國(guó)野生動(dòng)物保護(hù)與漁業(yè)組織最先開展了生態(tài)環(huán)境需水量的研究分析，主要是分析河流流量與魚類產(chǎn)量、生長(zhǎng)繁殖之間的作用關(guān)系，隨后法國(guó)、英國(guó)以及亞洲等國(guó)家逐漸開始接受保持河流最小生態(tài)流量的概念，并開展了本國(guó)河流生態(tài)環(huán)境概念、特征以及相關(guān)方法的研究。河流水文情勢(shì)與水生生態(tài)之間具有較為復(fù)雜的關(guān)系，并且各區(qū)域水生態(tài)系統(tǒng)存在較大差異，從而形成了多種多樣的需水量計(jì)算方法。資料顯示，截止2003年世界上開展生態(tài)需水量的研究國(guó)家已有44個(gè)，所采用的方法已接近200多種，主要有整體分析法、生境模擬法、水力學(xué)法以及水文學(xué)法等。通過建立目標(biāo)生物棲息與河流徑流量之間的關(guān)系，從而得到生態(tài)需水量為生境模擬法的主要內(nèi)容，該方法具有明確的物理意義，并且能夠較好的評(píng)估河流生態(tài)系統(tǒng)與增加的生態(tài)需水量之間的變化關(guān)系，可為水資源科學(xué)分配與河道生態(tài)保護(hù)提供可靠依據(jù)。為全面考慮水利水電建設(shè)項(xiàng)目對(duì)生態(tài)環(huán)境需求的影響作用，環(huán)保部門提出了生態(tài)需水量計(jì)算方法和評(píng)價(jià)技術(shù)指南，該方法通過分析水力生境與水生生物之間的適應(yīng)性，可有效確定水生生物的適宜流量。在一定程度上不僅可簡(jiǎn)化生境模擬方法，而且具有明確的物理意義并充分體現(xiàn)河流生境與不同流量的作用關(guān)系。對(duì)于大中型河流，指南推薦了適用的水利生境參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)和生態(tài)流量計(jì)算方法，并提出可適當(dāng)降低中型河流的參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)，但是難以統(tǒng)一降低后的標(biāo)準(zhǔn)。在很多河流中，由于很難達(dá)到設(shè)計(jì)的生境標(biāo)準(zhǔn)，從而在分析生境時(shí)存在較大困難。據(jù)此，為準(zhǔn)確、合理的確定生態(tài)需水量，該方法應(yīng)依據(jù)水生生物保護(hù)目標(biāo)生態(tài)習(xí)性以及河流自然屬性的差異特征[1- 3]。

本文以遼河干流河道為例，依據(jù)特定河段內(nèi)的生境需求和生態(tài)水力學(xué)方法，通過分析標(biāo)準(zhǔn)推薦使用方法與自然條件下生境條件，綜合確定了需水量計(jì)算方法與思路。

1 構(gòu)建生態(tài)水力學(xué)指標(biāo)與標(biāo)準(zhǔn)

1.1 理論分析

生態(tài)水力學(xué)法屬于生境模擬法，通過確定適應(yīng)水生生物的河流矢量計(jì)算生態(tài)需水量。該方法假設(shè)影響水生物種數(shù)量、分布變化的主要水力生境參數(shù)為濕周、水深、水面寬、流速、過水?dāng)嗝娴拿娣e、水文、水面面積等；影響水生物種變化的主要水力形態(tài)為緩流、急流、深灘、淺灘等參數(shù)。模型可以分為河道水生生境、水力模擬、生態(tài)基流量決策三個(gè)模塊，其中水生生境描述主要是調(diào)查分析水生生物對(duì)水力生境參數(shù)的基本要求，如流速、水深等參數(shù)，分析水生生物對(duì)水溫變化、急流等條件的生存要求；水力模擬是對(duì)研究河段利用水力學(xué)模型進(jìn)行不同維度的模擬，對(duì)各水力生境參數(shù)值在不同流量的變化狀況進(jìn)行研究分析，通過上述兩個(gè)模塊的分析可構(gòu)建水力生境指標(biāo)體系；生態(tài)急流決策是環(huán)評(píng)、水文水資源、水生生態(tài)等部門工作者結(jié)合河道的來(lái)水過程、制度政策、社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展?fàn)顩r以及水力生境指標(biāo)體系，綜合確定河道生態(tài)基流量[4- 5]。在大中型河流內(nèi)該方法具有良好的適用性，可用于生態(tài)流量的計(jì)算分析，而在中型河流內(nèi)應(yīng)適當(dāng)降低其標(biāo)準(zhǔn)。

1.2 參數(shù)指標(biāo)

依據(jù)已有文獻(xiàn)資料，建立水力學(xué)法指標(biāo)體系和標(biāo)準(zhǔn)，主要包括枯水期的沿程水力生境參數(shù)、水面面積、水力形態(tài)指標(biāo)以及水溫、斷面水深等年內(nèi)變化指標(biāo)。水力生境參數(shù)主要是為避免某一河段參數(shù)計(jì)算偏低的情況，對(duì)每個(gè)區(qū)間以及不同區(qū)間段的河段長(zhǎng)度占總河段長(zhǎng)度的百分比進(jìn)行確定；水面面積指標(biāo)是指枯水期多年平均流量中不同流量條件下的水面面積所占比例；水力形態(tài)是統(tǒng)計(jì)不同流量時(shí)的較緩流、緩流、急流、較急流的段數(shù)，每種形態(tài)河段長(zhǎng)度及累計(jì)河段長(zhǎng)度占總長(zhǎng)度的比例，對(duì)不同流量的深潭、淺灘的個(gè)數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析；水溫是對(duì)不同流量條件下極端水溫?cái)嗝嫣幍母髟滤疁刂颠M(jìn)行統(tǒng)計(jì)，并反映水文沿程變化特征；斷面水深參數(shù)是比較分析水力生境參數(shù)在較大支溝入?yún)R斷面處的年內(nèi)變化情況。在以上標(biāo)準(zhǔn)下，對(duì)大型河流最小流量利用生態(tài)水力學(xué)法確定其水力生境參數(shù)，見表1。

通過在不同河段中的應(yīng)用以及不斷總結(jié)歸納水力學(xué)方法，從而形成了上述較為完整的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)和指標(biāo)體系。資料顯示，計(jì)算結(jié)果與生境參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)之間具有較為密切的關(guān)系，并且應(yīng)適當(dāng)降低中型河流的標(biāo)準(zhǔn)，在很多河流中由于無(wú)法達(dá)到設(shè)計(jì)生境標(biāo)準(zhǔn)而不利于生境分析。河流生境條件因生物物種、河流的差異而不盡相同，在利用生態(tài)水力學(xué)法進(jìn)行需水量分析時(shí)應(yīng)結(jié)合河流特征，在具體河流特征中應(yīng)用并落實(shí)普遍適用的理論，從而得到更加符合實(shí)際狀況的生態(tài)需水量。

2 遼河干流河道內(nèi)生態(tài)需水量

2.1 流域概況

遼河流域位于我國(guó)東北地的南部，發(fā)源于河北省平泉縣，不僅是我國(guó)重要的糧食生產(chǎn)基地，而且流域內(nèi)工業(yè)發(fā)展充分，經(jīng)濟(jì)較為發(fā)達(dá)。流域內(nèi)各支流縱橫交錯(cuò)、蜿蜒曲折，主要支流有老何哈、渾河、太子河、柴河等，主流長(zhǎng)1345km，占地面積為21.9萬(wàn)km2。屬于半濕潤(rùn)半干旱季風(fēng)氣候，冬季漫長(zhǎng)寒冷、夏季炎熱干燥，年均降水量為900mm，徑流量為126億m3，每年的6—9月為降雨密集期，并且多以暴雨或強(qiáng)降雨的形式出現(xiàn)，降雨量由東南向西北方向整體呈降低趨勢(shì)。區(qū)域內(nèi)海拔高度由西北向中南部逐漸降低，最高和最低處約為1650mm和860m；氣溫在平原地區(qū)較高，山地較低由南向北整體呈降低趨勢(shì)，多年平均氣溫為4～9℃，由南向北方向年蒸發(fā)量依次遞減并處于為982～1650mm范圍。在水資源三級(jí)分區(qū)中可將遼河流域劃分為遼寧區(qū)、吉林區(qū)、蒙古區(qū)以及河北區(qū)4個(gè)區(qū)域。遼河流域水資源儲(chǔ)蓄量較大，干流河道地形蜿蜒，水質(zhì)良好，水域范圍內(nèi)存在豐富的餌料為水生生物棲息、生長(zhǎng)的理想?yún)^(qū)域。香魚為該水系溯河性洄游魚類并且已被列入我國(guó)瀕危動(dòng)物，在不同生命時(shí)段具有不同的棲息環(huán)境要求[6- 9]。

2.2 生態(tài)需水量計(jì)算方法

生態(tài)需水量主要包括輸沙需水量、自凈需水量、生態(tài)基流量、蒸散發(fā)量4方面內(nèi)容，其中蒸散發(fā)為消耗型水量，而其他三類為非消耗性水量。

生態(tài)基流量是為維持河流水生生物正常生長(zhǎng)與繁殖、河流基本形態(tài)所需要的水量，維持河流的功能不僅要保證季節(jié)性河流非汛期的不斷流，滿足水生物的生長(zhǎng)需要，而且還要為水生物汛期的繁殖提供適宜的生存條件，據(jù)此可采用月年保證率法確定河道生態(tài)基流量[10]。該方法是依據(jù)水文統(tǒng)計(jì)系列資料，選取河道生態(tài)基流等級(jí)為不用月年的天然徑流百分比，分別對(duì)不同等級(jí)、保證率下的月年生態(tài)急流進(jìn)行計(jì)算，主要流程為：①對(duì)天然徑流量依據(jù)系列水文資料進(jìn)行由大到小的排序，然后分別對(duì)不同保證率下的天然流量進(jìn)行求解，從而得到個(gè)月均值。②結(jié)合水文統(tǒng)計(jì)資料對(duì)不同保證率條件下的生態(tài)急流等級(jí)，選取為相應(yīng)年份的年天然徑流量百分比并進(jìn)行生態(tài)基流的計(jì)算。假定河道內(nèi)用水為天然徑流量的60%，則河道生態(tài)需水量最高上限可設(shè)定為徑流量均值的60%，在高于此標(biāo)準(zhǔn)的條件下可采取河道外取水的方式，計(jì)算方法為：

表1 水力生境參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)

(1)

根據(jù)90%保證率最小月平均流量或近10年最枯月平均流量法對(duì)自凈需水量進(jìn)行求解，方法為：

Wd=min{Wij}

(2)

式中，Wd、min{Wij}—河道稀釋自凈水量與近10年最小月平均流量，m3。

全年輸沙總量的80%通常為河流汛期的輸沙量，汛期為完成河流輸沙功能的主要時(shí)期。所以，可不考慮非汛期對(duì)輸沙水量的影響作用。利用汛期較大洪水量和人工調(diào)水調(diào)沙的手段完成河道輸沙要求，可有利于水資源的開發(fā)利用，其計(jì)算方法為：

Ws=ηα×WW

(3)

(4)

(5)

水面蒸發(fā)耗水為蒸散發(fā)量主要來(lái)源，單位水面上的蒸發(fā)深度即為河流水面蒸發(fā)能力，蒸發(fā)耗水計(jì)算方法為：

We=(Ew-P)HL

(6)

式中，We—水面蒸發(fā)量，m3；EW、P—實(shí)測(cè)水面蒸發(fā)量與河道平均降水量，mm；H、L—河流斷面平均水面寬度和河長(zhǎng)。

2.3 生態(tài)需水整合

分區(qū)整合與類型整合為生態(tài)需水整合的主要內(nèi)容，其中分區(qū)整合又包括分區(qū)整合又包括分區(qū)內(nèi)和分區(qū)間的整合，類型整合包括非消耗需水和消耗需水整合。采取累加的原則作為消耗型需水的計(jì)算，并按照最大值原則對(duì)非消耗型需水計(jì)算，計(jì)算方法為：

WR=max(Wb+Wd+Ws)+We

(7)

各區(qū)間的生態(tài)需水貢獻(xiàn)量的總和即為整個(gè)河道的生態(tài)需水量，計(jì)算方法為：

q=(qn-qn-1)+(qn-1-qn-2)+…+(q1-0)=qn

(8)

式中，qn—出口斷面河道生態(tài)需水量。

2.4 結(jié)果分析

本文所需降水量、徑流量、蒸發(fā)量、輸沙率、河段長(zhǎng)度、水面寬度等數(shù)據(jù)資料分別來(lái)自于遼河干流段鐵嶺、福德店、巨流河、遼中、馬虎山以及通江口等水文站點(diǎn)監(jiān)測(cè)資料，1980—2015年水文統(tǒng)計(jì)年鑒，對(duì)個(gè)別年份缺乏的數(shù)據(jù)資料利用相關(guān)分析法插補(bǔ)延長(zhǎng)。將遼河干流根據(jù)各個(gè)水文站可劃分為6個(gè)時(shí)段進(jìn)行計(jì)算，該流域?yàn)榈湫偷募竟?jié)性河流，選取降雨集中期的6—9月作為汛期，其他時(shí)間為非汛期。汛期降水量較大并可對(duì)河岸防洪帶來(lái)壓力，而在非汛期降水量較低，甚至可能出現(xiàn)斷流的現(xiàn)象，因此分別對(duì)汛期、非汛期用水過程進(jìn)行生態(tài)需水量的計(jì)算[11]。

(1)生態(tài)基流量。依據(jù)遼河干流1980—2015年天然徑流數(shù)據(jù)資料，分別對(duì)多年平均和95%、75%、50%、25%的徑流量進(jìn)行計(jì)算，河道生態(tài)基流量選取為天然徑流的10%，計(jì)算結(jié)果見表1。

由上表計(jì)算結(jié)果可以看出，遼河干流生態(tài)基流量在多年平均條件下介于25%與50%保證率之間。馬虎山的生態(tài)基流量在95%與75%保證率下最大，分別為1.05、1.78億m3，而巨流河生態(tài)基流量在25%、50%保證率下以及多年平均最大，分別為2.88、4.46、3.35m3?？偠灾龖B(tài)基流量較大的區(qū)域?yàn)榫蘖骱优c馬虎山，其他區(qū)域相對(duì)較小。

(2)自凈需水量與輸沙需水量。對(duì)河道自凈需水量利用近10年最小月平均流量法進(jìn)行確定，分別計(jì)算各個(gè)時(shí)段的自凈需水量，結(jié)果見表2。結(jié)果輸沙需水量計(jì)算結(jié)果顯示，相對(duì)于遼河干流自凈需水量和生態(tài)基流量，該區(qū)域具有較大的輸沙需水量，并以8月份最大。馬虎山與鐵嶺斷面的輸沙需水量相對(duì)較大，分別為25.95億m3和19.70億m3。綜上所述，各段面汛期的自凈需水量、生態(tài)基流量分別小于其非汛期數(shù)值，其原因?yàn)楹恿骰拘螒B(tài)主要是由非汛期水量維持，并可為維持水體自凈能力與水生物提供良好的生境條件。輸沙需水量為組成汛期生態(tài)需水量的主要來(lái)源，其原因?yàn)楹拥纴?lái)沙量較大并且往往集中在汛期。

表1 不同條件下的基流量計(jì)算結(jié)果 單位：億m3

顯示，遼河干流河道稀釋自凈需水量隨著河流向下游的延伸作用而逐漸增大，其主要原因?yàn)橹Я髦械奈廴疚锱c雜質(zhì)隨著河流河流的匯入而不斷增大，從而增大了污水排放量和自凈需水量。

表2 遼河干流自凈與輸沙需水量 單位：億m3

(3)蒸發(fā)量。對(duì)河道蒸散發(fā)量再利用文中所述公式(6)進(jìn)行確定，其中陸面蒸發(fā)量主要是由20cm口徑的蒸發(fā)器測(cè)定，并按照一定的折算系數(shù)換算成水面蒸發(fā)量，折算系數(shù)參考已有資料。結(jié)果顯示，遼河干流汛期、非汛期以及全年蒸散發(fā)量分別為0.04、0.11、0.15m3。結(jié)果顯示，蒸發(fā)量在汛期相對(duì)較低，這可能與汛期降水量較大從而對(duì)蒸發(fā)量具有一定的補(bǔ)給作用。

(4)河道生態(tài)需水整合。本文為考慮河道干流分區(qū)間整合，僅對(duì)分區(qū)內(nèi)整合以及類型整合分別利用公式(7)、(8)進(jìn)行求解，結(jié)果見表3。

表3 生態(tài)需水類型整合與分區(qū)貢獻(xiàn)量計(jì)算結(jié)果 單位：億m3

結(jié)果顯示，相對(duì)于其他河段馬虎山生態(tài)需水量在整合后較大，其原因?yàn)樵摵佣蜗掠螀^(qū)域有柳河的匯入并帶來(lái)大量的泥沙量，該區(qū)段為遼河干流泥沙的主要來(lái)源，從而增大了其生態(tài)需水量；該計(jì)算結(jié)果與河道實(shí)際狀況具有良好的一致性，整合結(jié)果具有較強(qiáng)的合理性與科學(xué)性。非汛期與汛期分區(qū)貢獻(xiàn)量無(wú)法滿足遼河干流生態(tài)需水量，補(bǔ)給量分別為1.46、7.09億m3，汛期不僅具有較大的輸沙需水量而且其來(lái)沙量也較大，非汛期徑流量較低無(wú)法滿足需水量要求。

3 結(jié)論

(1)遼河干流生態(tài)基流量在多年平均條件下介于25%與50%保證率之間。馬虎山的生態(tài)基流量在95%與75%保證率下最大，分別為1.05億m3與1.78億m3，而巨流河生態(tài)基流量在25%、50%保證率下以及多年平均最大，分別為2.88、4.46、3.35m3。

(2)遼河干流河道稀釋自凈需水量隨著河流向下游的延伸作用而逐漸增大，其主要原因?yàn)橹Я髦械奈廴疚锱c雜質(zhì)隨著河流的匯入而不斷增大，從而增大了污水排放量和自凈需水量。(3)各段面汛期的自凈需水量、生態(tài)基流量分別小于其非汛期數(shù)值，其原因?yàn)楹恿骰拘螒B(tài)主要是由非汛期水量維持，并可為維持水體自凈能力與水生物提供良好的生境條件。

(4)相對(duì)于其他河段馬虎山生態(tài)需水量在整合后較大，其原因?yàn)樵摵佣蜗掠螀^(qū)域有柳河的匯入并帶來(lái)大量的泥沙量，該區(qū)段為遼河干流泥沙的主要來(lái)源，從而增大了其生態(tài)需水量。