高度人工干擾流域河流環(huán)境流量分區(qū)界定研究

王惠英 于魯冀

摘要：根據(jù)我國河流生態(tài)系統(tǒng)受損和水質(zhì)污染的雙重特點，建立了閘壩分布密集、無水文站流域的節(jié)點流量推求方法，基于分區(qū)的思想確定了不同區(qū)域環(huán)境流量的組成，構(gòu)建了不同區(qū)域環(huán)境流量計算模型，并以清潩河（許昌段）流域為例進行了計算分析。環(huán)境流量以平均降水量、平均高程、地表粗糙度、土地利用強度為指標進行一級分區(qū)，以小流域坡度、河道彎曲度、水網(wǎng)密度、水利工程密度和小流域污染負荷等為指標進行二級分區(qū)，根據(jù)環(huán)境流量分區(qū)結(jié)果，清潩河（許昌段）流域可分為城市人工高度干擾區(qū)域和自然河道兩大類型區(qū)域。城市人工高度干擾區(qū)環(huán)境流量組成包括維持稀釋自凈、景觀-A If，、蒸發(fā)和地下水水位4種流量，自然河道區(qū)環(huán)境流量組成包括維持水生生物棲息、蒸發(fā)和地下水水位3種流量。采用河段環(huán)境流量計算模型及匯流式整合模型計算得到清潩河（許昌段）流域6個節(jié)點1-12月應(yīng)保障的最小環(huán)境流量，并采用校準后的Tennant法對計算結(jié)果進行了合理性分析。

關(guān)鍵詞：環(huán)境流量;分區(qū);高度人工干擾;自然河道;清淇河

中圖分類號：O647.3;X783 文獻標志碼：A

1 研究背景

隨著經(jīng)濟社會的發(fā)展，人類生存發(fā)展與水資源有效供給之間的矛盾日益突出，河湖生態(tài)環(huán)境用水被擠占，河流環(huán)境流量難以保障。河流環(huán)境流量是維持河流生態(tài)系統(tǒng)健康的基礎(chǔ)Meijer等[1]利用水資源規(guī)劃方案“ribasim”的新功能，計算了高、低脈沖洪水下的環(huán)境流量;Zooho等[2]建立了基于嫡的生態(tài)水文系統(tǒng)動態(tài)相關(guān)的環(huán)境流量計算模型。我國環(huán)境流量計算方法有水文學(xué)法、水力學(xué)法、棲息地模擬法、整體法等，楊志峰等[3]對黃淮海地區(qū)生態(tài)環(huán)境需水進行了系統(tǒng)研究;王西琴等[4]提出一種滿足河流稀釋自凈功能的環(huán)境需水量計算方法;門寶輝等[5]采用改進的Tennant法計算了南水北調(diào)西線河道內(nèi)生態(tài)需水量;劉昌明等[6]提出了考慮河道生態(tài)流速的生態(tài)水力半徑法，計算河道內(nèi)生態(tài)需水量;張遠等[7]以魚類為保護目標，采用FLOWS法計算其所需的流量條件。上述研究多適用于受人工干擾程度高的自然河道環(huán)境流量的計算，同時是在水文站點資料較為齊全的條件下開展的，側(cè)重計算河流生態(tài)系統(tǒng)所需的環(huán)境流量。我國河流面臨生態(tài)系統(tǒng)受損和水質(zhì)污染的雙重威脅，為保障河流經(jīng)濟社會功能的正常發(fā)揮，河流閘壩分布密集，人工干擾程度高，上述方法不能滿足我國河流特殊背景下環(huán)境流量的計算。

綜合考慮河流生態(tài)系統(tǒng)及維持一定水質(zhì)雙重需求，將閘壩分布密集，污水處理廠排水和外部調(diào)水作為主要河道水源的清潩河（許昌段）流域為例，提出了無水文站點地區(qū)節(jié)點流量的推求方法，基于分區(qū)思想確定不同區(qū)域環(huán)境流量的組成，結(jié)合區(qū)域特點科學(xué)確定環(huán)境流量，同時為保障環(huán)境流量所需水資源量，水資源配置時將此計算結(jié)果作為河道內(nèi)生態(tài)需水量進行配置。

2 環(huán)境流量內(nèi)涵及分區(qū)分類

2.1 環(huán)境流量內(nèi)涵

對于環(huán)境流量的內(nèi)涵目前無統(tǒng)一認知，國外研究多認為環(huán)境流量是維持河流生態(tài)系統(tǒng)完整性使其正常發(fā)揮河流生態(tài)系統(tǒng)功能所需的流量[8-10]，國內(nèi)環(huán)境流量研究起步較晚，現(xiàn)有研究中有關(guān)概念有“生態(tài)需水量”“生態(tài)環(huán)境需水量”“生態(tài)基流”“生態(tài)流量”“環(huán)境流量”等，多從不同研究需求來界定環(huán)境流量的內(nèi)涵。本研究立足國內(nèi)河流生態(tài)系統(tǒng)受損和污染的現(xiàn)狀，認為環(huán)境流量是指在特定的區(qū)域、流域內(nèi)，在相應(yīng)的水環(huán)境和水生態(tài)保護、恢復(fù)或建設(shè)目標下，河流為維持一定自凈能力達到不同水質(zhì)目標及保障其他主導(dǎo)功能發(fā)揮所必須的流量，環(huán)境流量概念側(cè)重水質(zhì)達標及主導(dǎo)功能發(fā)揮。國際上認為環(huán)境流量是維持河流生態(tài)系統(tǒng)完整性所需的流量，由于河流發(fā)展階段不同，因此對環(huán)境流量內(nèi)涵的界定不同。

2.2 環(huán)境流量分區(qū)分類

（1）區(qū)域概況。菨濋河發(fā)源于新鄭溝草園，流經(jīng)長葛市、許昌縣、魏都區(qū)（許昌市區(qū)）、鄢陵縣和臨穎縣，流域面積2362km²，全長149km，其中許昌境內(nèi)流域面積1585km²。許昌市位于河南省中部，屬北溫帶大陸性季風(fēng)氣候區(qū)，降水量年際變化幅度較大，年內(nèi)分配不均。清潩河許昌段（長葛市增福廟水庫一臨穎高村橋）全長44.8km，包括長葛市景觀娛樂用水區(qū)、長葛排污控制區(qū)、長葛市許昌過渡區(qū)、許昌景觀娛樂用水區(qū)、許昌排污控制區(qū)5個功能區(qū)。清潩河流域1958-1972年在許昌三里橋設(shè)有水文站，1973年改為水位站，1978年撤銷，流域內(nèi)1978年后無水文資料。該河段汛期輸沙量約占全年的90%，不屬多沙、感潮河流，沿途未設(shè)引水管理設(shè)施，為保障生活、農(nóng)業(yè)及河湖生態(tài)用水，常年從北汝河調(diào)水，每年調(diào)水量約1.2億m³。許昌市多年平均水面蒸發(fā)量為1027mm，多年平均徑流深75mm。

（2）清潩河（許昌段）流域環(huán)境流量分區(qū)。以流域生態(tài)水文特征進行環(huán)境流量一級分區(qū)，主要反映氣候、地勢、土壤、植被和水文等自然環(huán)境要素對流域水生態(tài)系統(tǒng)空間差異的影響，分區(qū)指標為多年平均降水量、平均高程、地表粗糙度、土地利用強度。一級分區(qū)可分為清潩河北部少水生態(tài)區(qū)和清潩河中南部平水生態(tài)區(qū)。環(huán)境流量二級分區(qū)主要反映河段尺度上的棲息地環(huán)境以及人為干擾程度，分區(qū)指標為小流域坡度、河道彎曲度、水網(wǎng)密度、水利工程密度、小流域污染負荷、物理生境質(zhì)量。根據(jù)環(huán)境流量分區(qū)結(jié)果，清潩河（許昌段）流域可分為城市人工高度干擾區(qū)域和自然河道兩大類型區(qū)域，其中：城市人工高度干擾區(qū)環(huán)境流量組成包括維持稀釋自凈、景觀娛樂、蒸發(fā)和地下水水位4種流量;自然河道區(qū)環(huán)境流量組成包括維持水生生物棲息、蒸發(fā)和地下水水位3種流量。

3 環(huán)境流量模型

根據(jù)環(huán)境流量的定義和組成，結(jié)合清潩河（許昌段）流域特點，確定不同類別環(huán)境流量的計算方法及模型。維持稀釋自凈所需流量采用水質(zhì)水量平衡模型計算[11-13]，同時考慮水功能區(qū)納污能力核算中的設(shè)計流量綜合確定;景觀娛樂所需流量是指維持河流系統(tǒng)與其周邊環(huán)境組成優(yōu)美景觀，并滿足游客在水上進行娛樂活動所需流量[14]，目前無統(tǒng)一公認的計算方法，本研究采用水深和水面面積方法來確定;維持水生生物棲息所需流量采用Tennant方法和濕周法綜合確定[5，15];維持河流地下水水位所需流量根據(jù)達西定律確定;河流蒸發(fā)所需流量采用水面面積、水面蒸發(fā)深以及降水量等參數(shù)進行計算。

上述流量都為河道內(nèi)所需流量，存在重復(fù)現(xiàn)象，在進行環(huán)境流量整合時，不能簡單的疊加，河流非消耗性需水流量取各個分項的最大值，河流環(huán)境流量等于河流非消耗性需水流量與消耗性需水流量之和[16]，其中河流消耗性需水為蒸發(fā)及維持地下水水位所需流量。結(jié)合上述分析，不同分區(qū)上游河段環(huán)境流量整合模型分為城市人工高度干擾區(qū)和自然河道區(qū)，城市人工高度干擾區(qū)模型為

自然河道區(qū)模型為式中：Q_xszjⁿ、Q_jgylⁿ、Q_qxdⁿ、Q_dxswⁿ、Q_zfⁿ和Q_hjⁿ分別為第n河段稀釋自凈、景觀娛樂、水生生物棲息地、維持地下水水位、水面蒸發(fā)流量和環(huán)境流量;Q_fxhⁿ為非消耗性需水流量，即稀釋自凈和景觀娛樂所需流量的最大值。

根據(jù)上述不同分區(qū)、不同河段計算環(huán)境流量結(jié)果，對其進行整合得到下游河段（可代表整條河流）所需環(huán)境流量，以匯流式河流水系為例來說明具體整合計算模型（見圖1）：式中：Q為下游河段的環(huán)境流量;Q_ifxh為上游所有河段的消耗性流量;Q₁₁、Q₂₁、Q₃₁為上游河段非消耗性流量。

4 清潩河（許昌段）流域環(huán)境流量

4.1 流域不同節(jié)點環(huán)境流量推求

清潩河（許昌段）流域未設(shè)水文站點，無實測徑流量資料，需要采用間接途徑推求每個節(jié)點的流量。清潩河為穎河一級支流，穎河在清潩河匯入點上下游設(shè)置有化行和黃橋兩個水文站，兩個水文站具有長系列（1956-2013年）水文資料，本研究采用上述水文站天然徑流量數(shù)據(jù)等資料推求清潩河（許昌段）流域不同節(jié)點流量。首先，通過GIS軟件提取許昌地區(qū)DEM圖;然后，根據(jù)控制單元劃分結(jié)果，計算每個控制單元的流域面積（即匯水面積）;最后，采用水文比擬法和參數(shù)等值線法等間接推求多年平均徑流量及年內(nèi)分配。水文比擬法計算公式為式中：Q_設(shè)、Q^參分別為設(shè)計流域和參證流域1956-2013年多年平均徑流量，m³，k₁、k₂分別為流域面積和年降水量的修正系數(shù);A_設(shè)、A_參分別為設(shè)計流域和參證流域的流域面積，km²;P_設(shè)、P_參分別為設(shè)計流域和參證流域1956-2013年多年平均降水量，mm。

參數(shù)等值線法主要通過水文特征值的參數(shù)等值線圖進行計算，以1956-2000年平均徑流深等值線圖計算年平均徑流量。利用GIS找出各控制單元的形心，并根據(jù)每個控制單元形心附近的兩條等值線按比例內(nèi)插計算各形心處的多年平均徑流深，再乘以對應(yīng)控制單元的流域面積，得到各控制單元1956-2013年多年平均徑流量：

Q_設(shè)=mRA（7）式中：Q_設(shè)為設(shè)計流域1956-2013年多年平均徑流量，m³;R為多年平均徑流深，mm洶為流域面積，km²;m為單位換算系數(shù)，m取1000。

清潩河（許昌段）流域水文比擬法和參數(shù)等值線法計算結(jié)果及多年平均徑流量見表1。采用水文比擬法和參數(shù)等值線法兩種方法的平均值作為每個節(jié)點多年平均天然徑流量計算結(jié)果，下游河段多年平均天然徑流量是上游河段與匯入支流累加所得，見表1。根據(jù)年徑流量計算結(jié)果，將化黃區(qū)間（化行水文站一黃橋水文站）代表年的月徑流量分配比乘以研究流域的年徑流量得到年徑流量的年內(nèi)分配。

4.2 環(huán)境流量計算

城市人工高度干擾區(qū)非消耗性環(huán)境流量主要包括維持稀釋自凈功能所需流量和景觀娛樂所需流量。參考許昌市水環(huán)境容量測算研究，維持稀釋自凈功能所需流量中化學(xué)需氧量（COD）、氨氮綜合衰減系數(shù)k_sj分別為0.15/d和0.18/d;維持景觀娛樂需水涉及清溟河祿馬橋、高村橋和清泥河南外環(huán)橋.水深取值分別為1.0～1.5、1.5～3.0、1.0～2.0m。

3個河段水功能區(qū)水質(zhì)目標為Ⅳ類，研究基準年為2014年，水質(zhì)現(xiàn)狀為劣Ⅴ類，其中維持稀釋自凈所需流量采用水質(zhì)水量平衡方法的計算結(jié)果偏大，采用此結(jié)果河道內(nèi)保障環(huán)境流量所需水量占許昌市水資源總需水量預(yù)測值的30%，水資源不可承受，因此維持稀釋自凈所需流量采用納污能力設(shè)計流量。綜上考慮，依據(jù)上述主要參數(shù)計算的非消耗性環(huán)境流量見表2。

自然河道區(qū)域非消耗性流量主要指維持水生生物棲息地所需流量。小泥河大石橋、石梁河三張閘和小洪河地方鐵路老橋為自然河道區(qū)域，由于小泥河大石橋河段環(huán)境流量計算需要進行整合，因此先計算石梁河三張閘和小洪河地方鐵路老橋河段的環(huán)境流量。計算方法采用Tennant法和濕周法，根據(jù)長系列（1953-2013年）化黃區(qū)間天然徑流量數(shù)據(jù)推算得到節(jié)點流量數(shù)據(jù)，濕周法計算時采用現(xiàn)場實測大斷面數(shù)據(jù)，計算時3個河段沿河流方向的高程差與相應(yīng)的河流長度的比值為0.0004，河道糙率為0.025。自然河道區(qū)域維持水生生物棲息地所需流量計算結(jié)果采用Tennant法和濕周法中的最大值，結(jié)果見表3。

根據(jù)城市人工高度干擾區(qū)和自然河道區(qū)非消耗性環(huán)境流量計算結(jié)果，加上蒸發(fā)和維持地下水水位等消耗性流量（蒸發(fā)量采用水面面積乘以水面蒸發(fā)深計算得到，維持地下水水位即滲漏損失量采用滲漏補水范圍乘以補給系數(shù)計算得到），同時根據(jù)環(huán)境流量計算整合模型，計算得到下游河段所需環(huán)境流量，見表4。

4.3 研究結(jié)果合理性分析

采用校準后的Tennant法對上述計算結(jié)果進行合理性分析，校準后的Tennant方法計算標準：一般用水期（10月至翌年3月）取多年平均月流量的10%作為最小環(huán)境流量，魚類產(chǎn)卵育幼期（4-9月）取多年平均月流量的30%作為最小環(huán)境流量;適宜環(huán)境流量，兩個時期分別取多年平均月流量的20%和40%。本研究采用的方法為功能分析法，與Tennant計算結(jié)果對比見表5。

流域除汛期外基本無天然徑流，主要水源為污水處理廠排水等回歸水，因此采用Tennant法計算時采用的還原后的天然徑流量值較小，導(dǎo)致Tennant法計算結(jié)果偏小。但由表5可知，功能分析法確定的不同控制單元關(guān)鍵節(jié)點不同時段的環(huán)境流量均大于Tennant法計算所得的最小及適宜環(huán)境流量值，結(jié)果較為合理。同時對保障環(huán)境流量所需的水資源量進行了測算，共需7518.71萬m³/a，約占許昌市多年（2000-2015年）平均用水量的9.53%，從水資源角度計算結(jié)果較為合理。

5 結(jié)論

通過分區(qū)開展環(huán)境流量界定與計算研究，建立了城市人工高度干擾區(qū)域和自然河道區(qū)域最小環(huán)境流量計算模型和環(huán)境流量整合模型，并對清潩河（許昌段）流域水系河段進行了分析計算，結(jié)果表明：城市人工高度干擾區(qū)環(huán)境流量主要包括稀釋自凈所需流量和景觀娛樂所需流量，該類型河段環(huán)境流量包括非消耗流量和消耗性流量，清潩河祿馬橋、清泥河南外環(huán)橋、清潩河高村橋河段所需環(huán)境流量分別為0.353～1.323，0.196～0.746、1.041～3.251m³/s：自然河道區(qū)域環(huán)境流量主要是維持水生生物棲息地所需流量（采用Tennant法和濕周法的最大值來確定）與蒸發(fā)、維持地下水水位消耗性需水流量，石梁河三張閘、小洪河地方鐵路老橋、小泥河大石橋河段所需環(huán)境流量分別為0.176～0.751、0.173～0.998、0.294～1.096m³/s。計算結(jié)果大于采用校準后的Tennant法計算所得最小和適宜環(huán)境流量，同時從水資源的角度分析，為保障河道內(nèi)環(huán)境流量，總需水量為7518.71萬m³，占許昌市多年（2000-2015）平均用水量的9.53%，計算結(jié)果較為合理。

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