典型北方季節(jié)性河流生態(tài)需水量研究

翁傳松，劉德富，張佳磊，龔 川，沈旭舟

(湖北工業(yè)大學(xué)土木建筑與環(huán)境學(xué)院，武漢 430068)

0 引 言

隨著我國社會經(jīng)濟(jì)的增長以及人口的快速增加，對于水資源的競爭也愈加激烈。相對于工業(yè)及生產(chǎn)制造業(yè)，農(nóng)業(yè)種植業(yè)作為水資源消耗的最大產(chǎn)業(yè)對我國經(jīng)濟(jì)起到舉足輕重的作用[1]，據(jù)統(tǒng)計2017年我國農(nóng)業(yè)需水占全年供水量的60%以上[2]。對于我國北方而言，由于常年少雨導(dǎo)致河流水資源匱乏，同時為滿足農(nóng)業(yè)灌溉用水，河流來水通過水庫調(diào)節(jié)后經(jīng)渠道(或管道)被大量引走，由此使得河流水量大幅度減少，與此同時，河流水文過程也發(fā)生了較大程度的變化。河流水量的減少，降低了水環(huán)境容量，在一定程度上加劇了水環(huán)境污染的局面[3]。

生態(tài)需水量研究一直是生態(tài)學(xué)、水文學(xué)等多個領(lǐng)域研究的熱點之一，是解決水資源基本配置的重要手段[4]。美國漁業(yè)與野生動物保護(hù)組織于20世紀(jì)40年代就提出相關(guān)概念，研究主要集中在使河流恢復(fù)完善的生態(tài)系統(tǒng)方面，主要方法有水文學(xué)法、水力學(xué)法、棲息地法和綜合法[5]。水文學(xué)法是最基礎(chǔ)也是最為簡便的方法，最初是由生態(tài)學(xué)家與工程學(xué)家根據(jù)多年野外觀測、實踐、分析所總結(jié)提出的，具有快速低成本，不需要現(xiàn)場考察實測等優(yōu)點，最常用的水文學(xué)法有Tennant 法、Texas法。馮夏清等[6]采用Tennant 法對渾河中下游河道進(jìn)行生態(tài)需水量評價，得到較為合理的結(jié)果，但是該方法精度不高，在徑流與生態(tài)關(guān)系不明確的情況下具有較大的誤差，因此不適于直接計算某一河段的生態(tài)需水量；水力學(xué)法適用于較為穩(wěn)定的河道內(nèi)，以水力學(xué)參數(shù)(濕周、寬度、流速等)和生態(tài)環(huán)境關(guān)系為基礎(chǔ)來確定穩(wěn)定河道內(nèi)生態(tài)需水量，最常用的水力學(xué)法有濕周法及R2Cross 法。吉利娜等[7]通過從斷面對濕周影響的角度出發(fā)，分析不同斷面形態(tài)下濕周-流量關(guān)系，結(jié)果表明:南水北調(diào)西線一期工程所在流域采用該方法會使結(jié)果偏??；棲息地法又稱生境模擬法，是基于關(guān)鍵物種的水文狀況與生物響應(yīng)關(guān)系為基礎(chǔ)，通過流量、斷面、生物等數(shù)據(jù)構(gòu)建生境適宜性曲線，主要包括IFIM法和CASIMIR法。但是該方法所需數(shù)據(jù)精度高，操作復(fù)雜，普適性較差，因此該方法在我國的應(yīng)用具有一定的局限性[8]；綜合法是基于研究區(qū)域生態(tài)環(huán)境整體出發(fā)，著眼于生態(tài)環(huán)境效益及社會效益等多個方面，需要考慮河道內(nèi)泥沙、流量、河床形狀、地下水等多個因素，最后綜合專家意見提出一個最優(yōu)的推薦值。該方法主要包括南非的BBM法[9]，但由于該方法需要廣泛的專家意見，時間周期長，成本高且計算結(jié)果不精確，因此國內(nèi)對該種方法借鑒較少[10, 11]。國內(nèi)對于生態(tài)需水的研究起步較晚，但發(fā)展較快，主要方法有10月最枯月平均法、最小月平均流量法、逐月頻率計算法以及水質(zhì)目標(biāo)法等[12]。近些年又有不少研究學(xué)者針對國內(nèi)季節(jié)性河流提出了新的生態(tài)需水量計算方法。陽書敏等[13]針對南方季節(jié)性河流提出一種BOD與COD水質(zhì)-水量耦合關(guān)系模型方法并得到實證；楊訪弟等[14]對西北季節(jié)性河流分汛期的輸沙量因素和非汛期水生生物因素進(jìn)行研究，使該地區(qū)水資源得到有效利用；李想[15]以吉林省季節(jié)性河流為例研究干支流水文補償特性和規(guī)律計算了該流域水資源可利用量。以上生態(tài)需水量的研究分析了我國南北方季節(jié)性河流的特點并考慮了水質(zhì)、汛期/非汛期和河流水文等因素，可為本文洋河流域生態(tài)需水量的計算提供理論依據(jù)，但上述季節(jié)性河流生態(tài)需水量的研究并未考慮到當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)用水灌溉等因素的影響。

洋河流域一直以來作為京津冀綠色農(nóng)副產(chǎn)品的保障基地，不僅為該地區(qū)帶來可觀的經(jīng)濟(jì)收入也為周邊地區(qū)提供了安全、綠色的果蔬產(chǎn)品。據(jù)統(tǒng)計1957-2012年間洋河多年平均天然徑流量為4.74 億m3,而2003-2012十年間洋河平均天然徑流量僅為1.93 億m3。由于洋河流域水資源總量少，水資源開發(fā)利用較高，供需矛盾突出。近年來洋河干流呈現(xiàn)出頻繁“斷流”現(xiàn)象，水資源量嚴(yán)重不足且該流域點面源污染十分嚴(yán)重，部分干流指標(biāo)未能達(dá)到“水十條”要求，嚴(yán)重影響了當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，給生態(tài)環(huán)境帶來了極大的隱患。因此面對洋河流域水資源問題，既要考慮水量水質(zhì)問題，還應(yīng)關(guān)注農(nóng)業(yè)灌溉問題，筆者將通過水文學(xué)法及水質(zhì)目標(biāo)法計算出洋河流域最小、適宜及理想生態(tài)需水量，利用Cropwat模型計算出目標(biāo)區(qū)域內(nèi)農(nóng)作物需水量，并通過改進(jìn)上游水庫調(diào)度方式給予洋河流域農(nóng)作物充足的水源，為維持北方季節(jié)性河流生態(tài)系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)、社會和環(huán)境綜合效益的發(fā)揮提供技術(shù)支撐。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域概述

洋河屬海河流域永定河水系上游的一條支流，該河流起源于內(nèi)蒙古自治區(qū)察哈爾右翼前旗與興和縣的東、西洋河，流經(jīng)張家口市在懷來縣夾河村附近與桑干河匯合一同注入官廳水庫，是典型的季節(jié)性河流[16]。張家口市地處河北省西北部，位于東經(jīng)113°50′～116°30′、北緯39°30′～42°10′[17]。該流域?qū)侔敫珊荡箨懶约撅L(fēng)氣候，受到西北氣流的控制，冬春兩季多風(fēng)少雨雪，氣候干燥；夏秋兩季受偏南海洋暖濕氣流控制，雨水相對較多，全年降雨量約400 mm且降雨量年際變化明顯，雨水分配不均，河道常因此出現(xiàn)“斷流”現(xiàn)象， “十年九旱”是張家口市的典型氣候特征[18]。張家口市水資源儲備嚴(yán)重不足，多年平均水資源量約為22 億m3，多年平均人均占有量為399 m3，約為全國平均值的1/5，僅為世界平均值的1/20，因此該地區(qū)水資源極為匱乏[17]。

友誼水庫位于尚義縣與內(nèi)蒙古自治區(qū)興和縣交界處，為永定河水系上游最主要的水利樞紐工程，控制流域面積2 250 km2，總庫容為1.16 億m3，可調(diào)洪庫容0.39 億m3，溢洪道最大泄流量為2 384 m3/s，是一座以防洪、灌溉為主，兼顧水產(chǎn)養(yǎng)殖的大(2)型水利樞紐工程[19]。

圖1 洋河干流典型水文站點及監(jiān)測斷面Fig.1 Typical hydrological stations and monitoring sections of the main stream of Yanghe River

洋河流域共有國控監(jiān)測斷面及大小水文站點幾十座，本文選取沿洋河干流從上至下游具有代表性的4個斷面：左衛(wèi)斷面、響水鋪斷面、雞鳴驛斷面和八號橋斷面，如圖1所示。選取2013-2016年流量、流速、水質(zhì)等數(shù)據(jù)對洋河進(jìn)行河道生態(tài)需水量計算。

1.2 洋河流域生態(tài)需水量計算方法

1.2.1 Tennant 法

Tennant 法[20]，又稱為蒙大拿法，該方法是建立在多年歷史水文數(shù)據(jù)之上構(gòu)建流量與棲息地之間的關(guān)系，將每年平均流量的10%作為河道內(nèi)維持生物多樣性的最基本的流量，也稱最小生態(tài)需水量(表1)。但是由于該方法并未考慮水量的年內(nèi)分配，因此該方法只適用于最初對優(yōu)先度不高的河段計算，本文將其作為對其他方法的一種檢驗，公式為：

(1)

式中：Wt為河道環(huán)境需水量；Mi為一年內(nèi)第i個月多年平均流量；Ni為第i月份的推薦基流百分比。

表1 Tennant 法對河流生態(tài)需水推薦標(biāo)準(zhǔn)Tab.1 Tennant recommendation criteria for river ecological water eemand

各月用水量占年度總量的比例如式(2)所示[6]：

(2)

式中：Ri為各月用水量比例，下標(biāo)i為月份；Wij為第j年第i月天然河道徑流量；Wj為不同j年度天然河道總徑流量；n為天然徑流量統(tǒng)計年數(shù)。

1.2.2 最小月平均流量法

最小月平均流量法，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，公式為[21,22]：

(3)

式中：Wb為河流基本生態(tài)需水量，億m3；T為換算基數(shù)，T=31.536×106；n為統(tǒng)計年數(shù)；Qij為第i年第j月的月平均流量，m3/s。

1.2.3 防治河流水質(zhì)污染的生態(tài)需水量

以水質(zhì)目標(biāo)為約束手段，考慮河段上游污染物濃度、河段內(nèi)排出的污水量以及污染物在河段內(nèi)的衰減系數(shù)可以綜合得到河段水質(zhì)控制目標(biāo)下的需水量[23]，如下(4)所示：

(4)

式中：Q0為某一河段內(nèi)需水量，m3/s；Wp為排污量，g/s；q1為排污流量，m3/s；Cs為控制濃度，mg/L；S1為排污口排出的污染物濃度，mg/L；K為污染物綜合衰減系數(shù)，1/d；u為斷面流速，m/s；C0為河流上游來水中污染物濃度，mg/L；x為河流上下斷面間的距離，km。

1.2.4 河道外作物需水量

CROPWAT模型是聯(lián)合國糧農(nóng)組織(FAO)研發(fā)的一款作物需水量模型[24, 25]，可對各種作物的參考作物蒸發(fā)蒸騰量ET0，作物蒸發(fā)蒸騰量ETc進(jìn)行計算。CROPWAT模型模擬作物需水量所需的輸入?yún)?shù)包括氣象數(shù)據(jù)、土壤數(shù)據(jù)和作物數(shù)據(jù)，其中氣象數(shù)據(jù)包括：氣溫、降水、風(fēng)速、日照時間和濕度。計算作物需水量一般采用FAO推薦的Penman-Monteith計算并利用CROPWAT進(jìn)行模擬，如下(5)～(7)所示：

ETc=EToKc

(5)

其中：

(6)

CWR=10ETc

(7)

式中：ETc為作物總蒸散發(fā)量，mm；ETo為參考作物蒸發(fā)蒸騰量，mm；Kc為作物系數(shù)；Δ為飽和水汽壓與溫度相關(guān)區(qū)縣的斜率，kPa/℃；Rn為作物表面凈輻射量，MJ/(m2·d)；G為土壤熱通量，MJ/(m2·d)；r為濕度計常數(shù)，kPa/℃；T為平均氣溫，℃；Pa、Pd分別為飽和、實測水汽壓，kPa；V2為2 m高處的風(fēng)速，m/s；CWr為作物單位面積需水量，m3/hm2；10為單位轉(zhuǎn)換系數(shù)，將作物總蒸散發(fā)量ETc的單位mm轉(zhuǎn)換為m3/hm2)。

1.2.5 資料來源

本文資料均來源于《中華人民共和國水文年鑒—海河流域水文資料(第3卷)》。

2 計算結(jié)果與分析

2.1 基于水量條件考慮洋河生態(tài)需水量

全國流域中北方流域由于水文條件時空差異顯著導(dǎo)致年均降雨量分布不均，河道內(nèi)生態(tài)系統(tǒng)冬季溫度較低，一些河道長期處于冰封狀態(tài)對需水量要求較低；隨著溫度不斷升高，生態(tài)系統(tǒng)對水量的需求也不斷攀升，本文所運用的最小月平均流量法由于未考慮到流域徑流的時間變化特征，因此為充分了解河道需水量隨時間變化以保證河道基本生態(tài)需水量，根據(jù)河流典型斷面及水文資料采用各月徑流量占年度總徑流量的比例來表示各斷面天然徑流時間變化，如圖2所示。

12月-次年2月，年內(nèi)徑流量占年度總量比例較小，左衛(wèi)、響水鋪、雞鳴驛和八號橋斷面所占比例分別為1.92%、5.20%、5.19%和13.26%，因此本文將12月-次年2月設(shè)定為洋河干流枯水期，3月-11月為豐水期?？紤]我國北方河流的特性以及魚類產(chǎn)卵、農(nóng)業(yè)種植因素，本文將在最小月平均流量法得出洋河干流最小環(huán)境需水量的基礎(chǔ)上，設(shè)定其140%，160%分別為適宜生態(tài)需水量和理想生態(tài)需水量，若某一斷面最小生態(tài)需水量小于實測天然徑流量的10%時，以實測天然徑流量的10%作為該斷面結(jié)果，最終計算結(jié)果如表2所示。

圖2 洋河干流各斷面徑流量年內(nèi)分布Fig.2 Annual runoff distribution of the main stream of Yanghe River

表2 洋河干流各斷面生態(tài)需水量計算結(jié)果 億m3

表2是基于水量因素考慮下洋河干流生態(tài)需水量計算結(jié)果，其結(jié)果表明：研究期間左衛(wèi)斷面由于在枯水期(12月-次年2月)、豐水期(3月-11月)均出現(xiàn)河道斷流現(xiàn)象，因此該斷面生態(tài)需水量所得結(jié)果在豐水期及枯水期相同，除左衛(wèi)斷面外響水鋪、雞鳴驛和八號橋斷面生態(tài)需水量在豐水期均大于枯水期；在不考慮水質(zhì)情況下，各斷面實測多年平均年徑流量均能夠滿足洋河干流最小生態(tài)需水量的要求。

2.2 基于水質(zhì)條件考慮洋河生態(tài)需水量

當(dāng)水量滿足河道生態(tài)需水量要求時，若水質(zhì)條件不達(dá)標(biāo)依然會導(dǎo)致生態(tài)系統(tǒng)遭到破壞，水質(zhì)污染嚴(yán)重，水體內(nèi)水生生物因棲息地遭受破壞無法生存甚至死亡，岸坡水生植物無法生長。因此在計算生態(tài)需水量時不僅需要考慮水量問題，水質(zhì)問題不能忽視。張家口市人民政府于2016年印發(fā)關(guān)于《張家口市水污染防治工作方案》即“水十條”，其總體目標(biāo)是擬于2020年張家口市水環(huán)境質(zhì)量得到改善，第二階段目標(biāo)即2018年至2020年：全市河流水質(zhì)優(yōu)良(達(dá)到或優(yōu)于Ⅲ類水)比例總體達(dá)到70%以上，喪失使用功能(劣Ⅴ類)水體斷面小于10%左右[26]。

表3 2018年8月洋河干流各斷面水質(zhì)情況 mg/L

表4 COD環(huán)境需水量 萬m3

表環(huán)境需水量 萬m3

2.3 考慮作物生態(tài)需水量

洋河流域作為京津冀綠色農(nóng)副產(chǎn)品保障基地，同時又是我國糧食主場區(qū)。據(jù)《2016年張家口市經(jīng)濟(jì)年鑒》表明，糧食作物占所有作物類別比例高達(dá)73%，其次為薯類、蔬菜、油料和豆類，如圖3、圖4所示。

圖3 2016年張家口市農(nóng)作物種植面積Fig.3 Crop planting area of zhangjiakou in 2016

圖4 2016年張家口市農(nóng)作物種植比例Fig.4 Crop planting proportion of zhangjiakou in 2016

考慮到洋河干流典型斷面的位置，選取洋河上游-下游沿岸懷安縣、萬全縣、張家口市、宣化區(qū)、懷來縣、涿鹿縣6個區(qū)縣，以谷子(4月-8月)、玉米(5月初-9月)、胡麻籽(4月底-8月底)、西紅柿(3月初-7月)、馬鈴薯(3月-7月)5種主要作物為例進(jìn)行作物需水量計算，各區(qū)縣作物需水量如表6所示。

表6 2016年各區(qū)縣作物需水量 萬m3

如表6所示，玉米需水量在各區(qū)縣所占比重最大，占有量為4 371 萬m3，其次為谷子、馬鈴薯、西紅柿和胡麻籽，它們的需水量分別為512、331、29、18 萬m3。為保障各區(qū)縣作物正常生長需從洋河干流引水灌溉，按典型斷面豐水期對各區(qū)縣進(jìn)行引水，則水量供應(yīng)對比如表7所示。

表7 水量供應(yīng)對比表 億m3

2.4 生態(tài)需水量方法驗證與分析

為明確洋河干流生態(tài)需水量計算的合理性，本文采用Tennant 法對基于水量水質(zhì)考慮的生態(tài)需水量結(jié)果進(jìn)行驗證，計算結(jié)果如表8所示。

表8 不同方法對生態(tài)需水量的比較 億m3

在保證河流基本生態(tài)需水量的情況下，洋河作為該流域最大的一條干流，為周邊區(qū)縣農(nóng)業(yè)種植業(yè)不斷提供水源。通過作物需水量的計算得出若以左位斷面為引水口對懷安縣、萬全縣進(jìn)行引水則不能滿足當(dāng)?shù)刈魑镄杷螅刻澣敝禐?.006 億m3；響水鋪，雞鳴驛和八號橋斷面則能滿足作物豐水期需水量。因此為滿足懷安縣、萬全縣作物需水要求因從上游水庫進(jìn)行調(diào)水，2016年豐水期友誼水庫水位過程線如圖5所示。針對2016年懷安縣、萬全縣作物需水虧缺值，友誼水庫在其豐水期應(yīng)向下游補給0.006 億m3的水源。依據(jù)上述友誼水庫調(diào)度方式，適量增加水源補給，在給當(dāng)?shù)鼐用駧砜捎^經(jīng)濟(jì)效益的同時還可以改善水質(zhì)，平衡土壤水鹽關(guān)系，促進(jìn)魚類繁殖等[28]，對河道生態(tài)環(huán)境起到積極的作用。洋河干流作為北方典型季節(jié)性河流，與其他北方以種植業(yè)為主的流域有許多相似之處，因此在計算北方季節(jié)性河流生態(tài)需水量時可為當(dāng)?shù)芈毮懿块T提供技術(shù)支撐。

圖5 2016年豐水期水庫水位過程線Fig.5 The water level process line of the reservoir during the 2016 high water season

3 結(jié) 論

(2)在水庫供水方面：依據(jù)2016年友誼水庫豐水期(3-11月)水位過程線及相關(guān)資料得出其可調(diào)洪庫容為0.39 億m3；在作物需水方面：本文選取的五種主要作物其生長周期為3月初-9月均位于洋河流域豐水期(3月-11月)內(nèi)，利用CROPWAT模型計算了洋河流域主要區(qū)縣農(nóng)業(yè)作物的需水量，提出了基于保障洋河流域作物灌溉問題生態(tài)需適量的計算，得出友誼水庫需向下流補灌0.006 億m3水源才能滿足作物需水要求。

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