大凌河水資源可開發(fā)利用率研究

孫 良

(葫蘆島市水資源管理辦公室，遼寧 葫蘆島 125000)

滿足工業(yè)、農(nóng)業(yè)、生活用水是長(zhǎng)期以來河流水資源開發(fā)利用的根本出發(fā)點(diǎn)，而對(duì)河流消耗的水資源及其生態(tài)系統(tǒng)本身卻不夠重視。特別是在半干旱半濕潤(rùn)區(qū)的遼河流域，隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展與城鎮(zhèn)化建設(shè)的不斷推進(jìn)，使得并不充沛的水資源供需矛盾更加緊張，河道泥沙淤積、季節(jié)性斷流、局部地區(qū)過渡開采以及不合理水資源配置等用水問題日趨突出，并對(duì)生態(tài)文明建設(shè)構(gòu)成嚴(yán)重的威脅。在水生態(tài)問題持續(xù)惡化的條件下，對(duì)水資源可開發(fā)利用率的相關(guān)研究逐漸被提出，探討分析具有較大開采潛力的東北部河流有助于緩解該區(qū)域嚴(yán)重的水生態(tài)矛盾。生態(tài)需水量研究的內(nèi)容主要包含對(duì)水資源開采利用現(xiàn)狀、水文地質(zhì)條件、環(huán)境氣候、社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和生態(tài)環(huán)境等內(nèi)容。當(dāng)前，開展與此先關(guān)的有關(guān)研究仍處于起步階段，對(duì)河流生態(tài)需水量的基本內(nèi)涵、確定原則、方法以及保證防護(hù)措施等方面仍需要進(jìn)一步的深入研究。對(duì)于不同時(shí)期的河道僅僅以最小生態(tài)需水作為閾值并不能保證生態(tài)環(huán)境所需的水資源，而應(yīng)存在一定的徑流可變區(qū)間[1- 2]。

通過長(zhǎng)期的觀測(cè)流量變化所引起的生態(tài)系統(tǒng)的改變進(jìn)行最佳適宜性流量的判斷和估算，其優(yōu)點(diǎn)是能夠?qū)α髁孔兓鸬暮恿鳝h(huán)境與生態(tài)響應(yīng)程度進(jìn)行細(xì)致深入的分析探討，但需要多個(gè)學(xué)科和專家的參與，對(duì)數(shù)據(jù)和資料的依賴性較大，且使用難度較高；濕周法和R2-CROSS法是在水力學(xué)研究系統(tǒng)中具有代表性的方法，其基本計(jì)算依據(jù)是基于對(duì)、水深、流速、河寬和濕周等相關(guān)水文參數(shù)的收集和計(jì)算，并利用Manning公式進(jìn)行所需水力參數(shù)的測(cè)量和獲取，其優(yōu)點(diǎn)是僅對(duì)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行簡(jiǎn)單的測(cè)量，而對(duì)物種-生境關(guān)系數(shù)據(jù)的要求不大，其數(shù)據(jù)的提取和獲得容易，但是對(duì)季節(jié)性河流的流量確定不準(zhǔn)，無法揭示季節(jié)性變化特征；水文學(xué)法即歷史流量法其典型措施有Tennant、7Q10和Texas法，并屬于非現(xiàn)場(chǎng)類型，是依據(jù)歷史流量資料進(jìn)行河流的推導(dǎo)計(jì)算，確定河流的最小標(biāo)準(zhǔn)流量，此方法具有易操作、計(jì)算簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，但是因?qū)拥缹?shí)際情況過于簡(jiǎn)化，對(duì)河道信息、生物參數(shù)的相互影響分析較少，往往適用于優(yōu)化度不高的河段；棲息地法最為典型方法有IFIM法，優(yōu)點(diǎn)是能夠?qū)⒑恿髁髁亢蜕镄畔①Y料向結(jié)合，更能符合實(shí)際情況，但對(duì)定量化生物信息獲取較難，故該方法的推廣和應(yīng)用受到一定限制[3- 5]。

本文以大凌河為例結(jié)合該區(qū)域水資源開發(fā)的主要方式，對(duì)河流潛在開發(fā)需求進(jìn)行估算，并探討分析不同時(shí)期的徑流可變區(qū)間，以期為促進(jìn)大凌河水資源合理開發(fā)與規(guī)劃提供一定決策依據(jù)。

1 研究方法

1.1 聚類法理論

在我國(guó)東北部地區(qū)的河道徑流通常存在較為明顯的枯水期、汛期、汛期前與后等季節(jié)性特征，本文對(duì)大凌河流域按照聚類法與三分法劃分為平水期、枯水期和汛期徑流特征。聚類法是按照物以類聚的原理將一些列變量進(jìn)行相關(guān)類別的劃分，然后根據(jù)親疏關(guān)系進(jìn)行第二次合并，以此循環(huán)往復(fù)最終得到數(shù)據(jù)差異較小的同一類別，而對(duì)于不同類別之間存在較大的差異。

滿足河流基本生態(tài)環(huán)境功能的徑流區(qū)間主要有天然最小和最大月均徑流，水生生物在此區(qū)間范圍經(jīng)過了較長(zhǎng)時(shí)間的適應(yīng)，并且能夠維持正常的群落結(jié)構(gòu)，而不會(huì)發(fā)生不可恢復(fù)的生態(tài)系統(tǒng)破壞。在枯水期大型水電工程會(huì)放水增加下游河道徑流，從而形成增水河段，在此作用下下游河段小水電引水和大水電放水并進(jìn)一步形成增水減弱河段。所以，水電站蓄水與放水作用可對(duì)水文情形產(chǎn)生較為明顯的改變，并大于徑流可變區(qū)間。

1.2 計(jì)算流程

以多年平均月徑流作為徑流分期的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，然后利用SPSS軟件和各月徑流數(shù)據(jù)進(jìn)行聚類的分析，并得到河流枯水、平水以及汛期3個(gè)階段。對(duì)河道徑流可變區(qū)間在不同時(shí)期的變化范圍按照下式進(jìn)行求解：

(1)

(2)

(3)

(4)

在滿足河道徑流可變區(qū)間的條件下，根據(jù)可利用水資源占徑流總量的比例確定大型水電工程對(duì)水資源的可開發(fā)利用率。

2 實(shí)例應(yīng)用

2.1 大凌河概況

大凌河流域，大小支流交錯(cuò)，全長(zhǎng)398km，面積約為2.35萬km2，是遼寧省生活用水及工農(nóng)業(yè)用水的主要供給來源。資料顯示，該流域降水量主要集中在每年的7—9月，約占全年降雨量的62.7%，年降水量約為450～810mm，徑流量約為16.67億m3，屬于大陸性季風(fēng)氣候區(qū)，年平均溫度為8.5～12.7℃。

選定科學(xué)合理的水文站點(diǎn)是影響水資源可開發(fā)利用評(píng)價(jià)精確性的關(guān)鍵，故本文結(jié)合大凌河水文資料，并考慮了朝陽水文站的地形地貌特征，選取該水文站1985—2010年的逐月徑流記錄作為歷史徑流數(shù)據(jù)來源。近年來，主要水資源開發(fā)活動(dòng)及其規(guī)劃主要集中在大凌河河流的中上游區(qū)域，而朝陽水文站是給區(qū)域的主要觀測(cè)站，因此對(duì)該流域上中上游水資源開發(fā)活動(dòng)規(guī)?？赏ㄟ^下游河道的生態(tài)需水閾值的核算進(jìn)行有效的約束，并為水資源規(guī)劃與開發(fā)提供一定參考[6]。

2.2 徑流分期特征分析

根據(jù)大凌河朝陽水文站多年徑流數(shù)據(jù)資料，獲取該流域分期聚類結(jié)果及其多年月均徑流量數(shù)據(jù)[7]，見表1。由表可知，每年的11月—次年5月、6月和10月、7—9月分別為大凌河流域的枯水期、平水期和汛期，分別持續(xù)7個(gè)月、2個(gè)月、3個(gè)月，相應(yīng)的徑流總量分別占全年的62.5%、19.4%和18.1%。

表1 徑流分析與徑流可變區(qū)間

2.3 水資源可開發(fā)利用率

以同期平均徑流量為基準(zhǔn)，在枯水、平水和汛期大凌河的徑流可變區(qū)間分別處于58.0%～180.5%、45.5%～216.2%、37.8%～195.0%。年內(nèi)動(dòng)態(tài)變化較大的為河道最小生態(tài)需水，并且處于同期的37.8%～58.0%范圍；占生態(tài)需水平均徑流最大和最小的時(shí)期分別為枯水期、豐水期，年內(nèi)最大洪流變化區(qū)間相對(duì)較小處于180.5%～216.2%范圍。

大凌河可利用水資源與最小生態(tài)需水量年際變化范圍為20.8～533.2m3/s和30.1～325.4m3/s；可利用水資源量和河道最小生態(tài)需水量最大與最小值分別發(fā)生在9月、2月，如圖1所示。

圖1 大凌河可利用水資源與最小生態(tài)需水分布狀況

以大凌河朝陽水電站為研究對(duì)象，每年的6—10月份該水電站完成需水，并在枯水期進(jìn)行放水。在汛期和平水期，該水電站最大可需水量為滿足生態(tài)需水后的可利用水資源量，所以約60.5%的汛期和平水期徑流量可作為該水電站的需水量，并以此作為該河流的水資源可開發(fā)利用率。如果在枯水期這部分水資源在下游河道釋放后，則各月份最大洪流和水文情形模擬結(jié)果如圖2所示。

圖2 大凌河模擬徑流量

河道的最大洪流在枯水期均小于河道的模擬徑流，這可能與河道生態(tài)系統(tǒng)功能與結(jié)構(gòu)在枯水期遭到破壞等因素相關(guān)。換言之，對(duì)于具有較為明顯的豐枯季節(jié)性河流，僅僅從河道最小生態(tài)需水的角度是無法保證水資源開發(fā)活動(dòng)的合理規(guī)劃的，同時(shí)還要考慮最大洪流和最小生態(tài)需水的河道徑流可變區(qū)間特征。以朝陽水文站為例，對(duì)枯水期河道徑流滿足最大洪流約束時(shí)的增加空間進(jìn)行分析，結(jié)果為45.2～130.6m3/s，可增加河道徑流量為12.5億m3，在汛期和平水期水電站能夠需水的最大量即為該徑流量。所以，河道最大洪流在滿足枯水期的約束條件下，可開發(fā)利用水資源為徑流量的18.6%。滿足平水期和汛期的最小生態(tài)需水量的可開發(fā)利用率要大于滿足枯水期河道最大洪流的條件下，通過對(duì)比分析兩種結(jié)果，可為區(qū)域水資源開發(fā)活動(dòng)提供一定參考與依據(jù)[8]。

2.4 結(jié)果分析

大凌河流域具有明顯的豐枯特征，并且由于引水工程建設(shè)較為滯后，使得該區(qū)域長(zhǎng)期存在工程型缺水問題。大量水資源在汛期無法得到充分利用，而在枯水期無法滿足冬春農(nóng)業(yè)灌溉用水，不利于流域下游區(qū)域的農(nóng)業(yè)發(fā)展。近年來，許多中小型水利工程陸續(xù)修建，在季節(jié)性調(diào)水方面發(fā)揮了較大作用，在一定程度上緩解了大凌河河流的水文情勢(shì)。下游河道最大徑流量在汛期呈現(xiàn)出逐漸減小的趨勢(shì)，而在枯水期最小徑流量呈現(xiàn)出增大的趨勢(shì)[9]。

在水利工程調(diào)節(jié)作用下，枯水期增加的河道流量可有助于緩解下游區(qū)域冬春季節(jié)的農(nóng)業(yè)灌溉用水壓力，然而河道徑流量在農(nóng)業(yè)灌區(qū)引水口和工程設(shè)施放水口之間可出現(xiàn)急劇增加的變化趨勢(shì)，甚至可能發(fā)生徑流量大于最大洪流的情況，進(jìn)而對(duì)河流生態(tài)系統(tǒng)與完整結(jié)構(gòu)造成一定的破壞。目前，水利工程的建設(shè)運(yùn)行和發(fā)展規(guī)劃往往只是考慮了最小生態(tài)需水，而對(duì)季節(jié)性放水可能造成的超過下游河道最大洪流的狀況考慮相對(duì)較少。

水力學(xué)法、水文學(xué)法、水文-生物法、綜合分析法以及環(huán)境功能設(shè)定法通常為河道生態(tài)需水計(jì)算的方法。在河流前期規(guī)劃階段要求精度不高的生態(tài)需水核算方面，水文學(xué)法具有較強(qiáng)的適用性與可行性。在我國(guó)其他流域水文學(xué)法也得到了較為廣泛的應(yīng)用，傳統(tǒng)的水文學(xué)法在長(zhǎng)期的應(yīng)用過程中通常是對(duì)最小生態(tài)需水進(jìn)行估算。然而，對(duì)于特定的生態(tài)環(huán)境水生生物具有相應(yīng)的耐受范圍，在最小生態(tài)需水研究方面未來應(yīng)對(duì)其上、下界限做深入的探討，并考慮可變區(qū)間的作用。因此，本文對(duì)河道徑流閾值和動(dòng)態(tài)性方面考慮引入河道徑流可變區(qū)間估算法，具有較強(qiáng)的科學(xué)性與可靠性，對(duì)于引導(dǎo)流域水資源開發(fā)活動(dòng)可根據(jù)可變區(qū)間核算成果進(jìn)行設(shè)定[10]。

3 結(jié)語

本文以大凌河流域?yàn)槔?，建立了包含最大洪流和最小生態(tài)需水的河道徑流可變區(qū)間估算法，并分析了河道徑流的閾值性和動(dòng)態(tài)性特征，得出的主要結(jié)論如下：

(1)在汛期和平水期，朝陽水電站最大可需水量為滿足生態(tài)需水后的可利用水資源量，即60.5%的汛期和平水期徑流量可作為該水電站的需水量，并以此作為該河流的水資源可開發(fā)利用率。

(2)對(duì)枯水期河道徑流滿足最大洪流約束時(shí)的增加空間進(jìn)行分析，結(jié)果為45.2～130.6m3/s，可增加河道徑流量為12.5億m3，河道最大洪流在滿足枯水期的約束條件下，可開發(fā)利用水資源為徑流量的18.6%。

(3)滿足平水期和汛期的最小生態(tài)需水量的可開發(fā)利用率要大于滿足枯水期河道最大洪流的條件下，對(duì)比分析兩種結(jié)果，可為區(qū)域水資源開發(fā)活動(dòng)提供一定參考與依據(jù)。本文對(duì)河道徑流閾值和動(dòng)態(tài)性方面考慮引入河道徑流可變區(qū)間估算法，具有較強(qiáng)的科學(xué)性與可靠性，對(duì)于引導(dǎo)流域水資源開發(fā)活動(dòng)可根據(jù)可變區(qū)間核算成果進(jìn)行設(shè)定。