灌河流域生態(tài)需水確定及保障措施分析

郭亞男 韓亞萍 宋文超

摘?要：為了解決灌河生態(tài)水量缺乏、水體污染等生態(tài)環(huán)境問題，根據(jù)不同河段生態(tài)功能定位，采用Tennant法、MIKE21二維水質(zhì)模型和水量平衡法計算灌河最小生態(tài)水量、水質(zhì)需水、景觀需水等，采用MIKE21水動力模型動態(tài)模擬計算四大家魚、鱔魚等的敏感生態(tài)需水。經(jīng)綜合分析確定灌河年生態(tài)需水量為15 142.5萬m3，月平均生態(tài)需水流量為0.9～11.7 m3/s，進而提出了強化農(nóng)業(yè)節(jié)水、推進非常規(guī)水源利用、加強河流生態(tài)調(diào)度等生態(tài)水量保障措施。

關(guān)鍵詞：生態(tài)基流;敏感生態(tài)需水;最小生態(tài)水量;灌河流域

中圖分類號：TV213?文獻標志碼：A

doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2020.02.013

Abstract： This paper aimed to solve ecological environment problems such as lack of ecological water and water pollution in Guanhe River basin. According to the different river ecological function orientations， the Tennant method， MIKE 21 two-dimensional water quality model and water balance method were adopted to calculate the minimum ecological water requirement， water requirement of water quality and landscape water requirement， the MIKE 21 hydrodynamic model was used to dynamically calculate sensitive ecological water requirement of four famous domestic fishes and Monopterus albus. After comprehensive analysis， it is determined that the ecological water demand of Guanhe River is 151.425 million m3， the monthly average ecological water requirement flow is 0.9-11.7 m3/s， furthermore， it also puts forward the guarantee measures of ecological water quantity， such as strengthening agricultural water saving， promoting the use of unconventional water source， and strengthening river ecological operation.

Key words： ecological base flow; sensitive ecological water requirement; minimum ecological water requirement; Guanhe River basin

社會經(jīng)濟快速發(fā)展和對水資源的不合理開發(fā)利用，加劇了水資源供需矛盾，引發(fā)了河道徑流減少、生物多樣性銳減、濕地萎縮等一系列生態(tài)環(huán)境問題。新時代治水思路下，國家和地方政府日益重視生態(tài)用水，水利部出臺了《關(guān)于加快推進水生態(tài)文明建設(shè)工作的意見》（水資源〔2013〕1號），國務院印發(fā)的《水污染防治行動計劃》（國發(fā)〔2015〕17號）指出要完善江河湖庫聯(lián)合調(diào)度機制，科學確定并維持河湖生態(tài)水量、流量。生態(tài)需水是生態(tài)修復的核心問題，保障河道生態(tài)需水對涵養(yǎng)地下水源、增強水資源調(diào)蓄能力、維持健康水生態(tài)系統(tǒng)具有至關(guān)重要的作用[1]，因此科學確定及保障河道生態(tài)需水尤為重要。

1?研究區(qū)概況

灌河地處淮河上游，是淮河二級支流，發(fā)源于商城縣黃柏山，縱潤固始、商城兩縣，在固始縣蔣集鎮(zhèn)與史河相匯成為史灌河，于固始縣三河尖匯入淮河。灌河干流全長164 km，流域面積1 650 km2。流域年平均降水量1 241.4 mm，年平均水面蒸發(fā)能力777.2 mm。流域內(nèi)水網(wǎng)密布，有大小河流800余條;擁有大、中、小型水庫148座，總蓄水能力達10多億m3，其中：大（2）型水庫1座，為鲇魚山水庫，設(shè)計總庫容9.16億m3;中型水庫1座，為鐵佛寺水庫，設(shè)計總庫容3 648萬m3。

灌河是淮河的重要支流，自南向北穿越中低山、低山丘陵、丘陵壟崗、平原四大風貌區(qū)。流域內(nèi)山環(huán)水潤、氣候宜人、降水豐沛、資源富饒，擁有古老的山水文化以及地域特色茶文化，旅游資源十分豐富。同時，涉及大別山水源涵養(yǎng)與生物多樣性保護重要區(qū)、大別山國家級自然保護區(qū)和黃柏山國家級森林公園，是淮河流域重要的水源涵養(yǎng)區(qū)、生態(tài)屏障和生態(tài)廊道，生態(tài)功能十分重要。

灌河生態(tài)基底條件優(yōu)越，水資源稟賦好，但是隨著社會經(jīng)濟的高速發(fā)展和水資源的不合理開發(fā)利用，生態(tài)水量缺乏、水生態(tài)系統(tǒng)破壞等問題日益凸顯。灌河流域多年平均水資源總量8.51億m3，而現(xiàn)狀實際用水量2.62億m3，水資源比較豐富。但灌河流經(jīng)的商城、固始兩縣已有水資源專項規(guī)劃未向河道內(nèi)生態(tài)用水配置水量，且鲇魚山水庫的攔蓄改變了河道的水文情勢，調(diào)度運行中未考慮下游河道生態(tài)用水，導致現(xiàn)狀煙北頭閘以下河段僅在汛期有水，非汛期常出現(xiàn)斷流。

2?生態(tài)需水量計算

基于灌河水文情勢和不同河段的功能定位（鲇魚山水庫以上以修復、保護為主，涵養(yǎng)水源;中游商城城區(qū)段營造景觀水面，塑造宜居濱水環(huán)境;下游郊區(qū)段打造田園生態(tài)景觀，支撐鄉(xiāng)村振興），考慮生態(tài)需水過程，計算生態(tài)基流和敏感生態(tài)需水。

2.1?生態(tài)基流

生態(tài)基流為維持河流基本形態(tài)和生態(tài)功能，防止河道斷流，避免河流水生態(tài)系統(tǒng)功能遭受無法恢復性破壞的河道內(nèi)最小流量[2]，包括維持河道基本生態(tài)功能的最小生態(tài)水量，以及滿足水質(zhì)目標要求的水質(zhì)需水和局部景觀水位要求的景觀需水，分別采用Tennant法、MIKE21二維水質(zhì)模型和水量平衡法進行計算。

（1）最小生態(tài)水量。最小生態(tài)水量是維系生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)基本功能的水量[3]。灌河最小生態(tài)水量計算采用目前應用最廣泛的水文學方法——Tennant法，該方法根據(jù)水文資料計算多年平均流量，并以多年平均流量的百分數(shù)為推薦流量[4]，見表1。Tennant法使用簡單、方便，考慮了臨近棲息地、水力學和生物學因素[5]，適用于常年性河流。灌河屬于北方常年性河流，承擔著重要的農(nóng)灌供水任務，因此綜合考慮灌河的水資源開發(fā)利用和生態(tài)功能，非汛期按多年平均徑流量的20%計算，汛期按多年平均徑流量的30%計算。根據(jù)鲇魚山水文站資料進行計算，結(jié)果見表2。

（2）水質(zhì)需水。水質(zhì)需水是指滿足灌河不同水功能區(qū)水質(zhì)目標要求所需的最小水量。根據(jù)水功能區(qū)劃，鲇魚山水庫大壩—商城陶家河入河口上游600 m水質(zhì)目標為地表水Ⅱ類;商城陶家河入河口上游600 m—商城陶家河入河口下游1 800 m水質(zhì)目標為地表水Ⅲ類;商城陶家河入河口下游1 800 m—灌河入史河口水質(zhì)目標為地表水Ⅱ類。根據(jù)灌河現(xiàn)狀水質(zhì)超標因子以及污染源分析，選取TP、COD和NH3-N作為評價指標。水質(zhì)Ⅱ類標準要求TP、COD、NH3-N濃度不大于0.1、15.0、0.5 mg/L;水質(zhì)Ⅲ類標準要求TP、COD、NH3-N濃度不大于0.2、20.0、1.0 mg/L。

通過實施污水處理廠尾水濕地凈化、支流匯入口濕地凈化、灘地表流濕地等水環(huán)境治理工程，利用MIKE21二維水質(zhì)模型模擬不同流量下水質(zhì)演化情況，并繪制TP、COD和NH3-N流量濃度曲線（見圖1）。MIKE21是丹麥水力研究所（DHI）開發(fā)的二維水動力學軟件，該模型用戶界面友好，具有強大的前、后處理功能，擁有獨立的二維水質(zhì)模塊，與水動力模型耦合計算能夠精確模擬指標因子的變化情況[6-7]。根據(jù)模擬結(jié)果，實施水環(huán)境治理措施后，控制下泄流量為0.9 m3/s即可達到水功能區(qū)劃水質(zhì)目標要求，即水質(zhì)需水流量為0.9 m3/s，見圖2、表3。

（3）景觀需水。景觀需水是指維持河流與沿岸重要自然景觀結(jié)構(gòu)和功能完整性需要保留的水量。灌河中游城區(qū)段（8.3 km），為營造良好的景觀效果，需要維持一定的蓄水水位。采用水量平衡法，通過分析河道內(nèi)輸入、輸出項的平衡關(guān)系，計算維持一定蓄水水位需要補充的水量。灌河中游城區(qū)段需補充水量為蒸發(fā)量和滲漏量，蒸發(fā)量計算公式為

式中：WE為河道蒸發(fā)耗水量，萬m3;Ep為商城縣灌河流域水面蒸發(fā)能力，mm;L為計算河段長度，m;b為計算河段水面寬度，m。

由此計算灌河城區(qū)段月平均水面蒸發(fā)量見表4。河道滲漏主要為河道底部滲漏和岸邊側(cè)滲，滲漏損失主要與滲漏面積、河床滲透介質(zhì)參數(shù)及地下水埋深有關(guān)。根據(jù)地勘結(jié)果，河床地層巖性主要為砂卵石，但地下水位較高，地下水埋深一般為0.3～7.1 m，綜合考慮，按最高景觀水位對應的水體規(guī)模估算滲漏量，滲漏損失率取25%，年滲漏損失量為124.5萬m3。

2.2?敏感生態(tài)需水

灌河流域鲇魚山水庫壩址以下河段分布有四大家魚、鱔魚等，繁殖期（4—8月）需要洪水脈沖的刺激進行產(chǎn)卵，對水深和流速有一定要求，其中：四大家魚適宜水深為0.3～12.0 m，適宜流速為0.3～1.8 m/s;鱔魚適宜水深為0.6～2.0 m，適宜流速為0.1～0.2 m/s。非繁殖期主要考慮生態(tài)基流。利用MIKE21構(gòu)建水動力模型，該模型可以模擬各種作用力產(chǎn)生的水位和流速變化，用戶界面好，處理功能強大，被廣泛應用于二維仿真模擬[7]，因此應用該模型模擬不同流量下生態(tài)敏感區(qū)流速、水深，進而確定滿足魚類等生存的生態(tài)流量。灌河補水流量為11.7 m3/s時水深、流速分布見圖3，具體計算結(jié)果見表2。

根據(jù)以上計算結(jié)果，敏感期（4—8月）選擇敏感生態(tài)需水量作為灌河的生態(tài)需水量，非敏感期選擇生態(tài)基流和敏感生態(tài)需水的外包值作為灌河的生態(tài)需水量。灌河生態(tài)需水流量為0.9～11.7 m3/s，年需水量為15 142.5萬m3，其中汛期（6—9月）生態(tài)需水量為10 311.0萬m3，非汛期生態(tài)需水量為4 831.5萬m3。灌河生態(tài)需水過程見表2。

3?生態(tài)用水保障措施

（1）強化農(nóng)業(yè)節(jié)水。灌河流域現(xiàn)狀農(nóng)業(yè)是用水大戶，年用水量1.70億m3，占總用水量的65%，現(xiàn)狀農(nóng)田灌溉水有效利用系數(shù)為0.552，最嚴格水資源管理制度控制目標為0.547，滿足要求，但農(nóng)田灌溉水有效利用系數(shù)與河南省平均水平（為0.611）還有一定差距，而且灌河流域規(guī)劃水平年2020年控制目標為0.608，未來還有一定的節(jié)水空間。

因此，應加快推進流域范圍內(nèi)鲇魚山灌區(qū)續(xù)建配套與節(jié)水改造工程建設(shè)，通過干支斗農(nóng)渠系襯砌、渠系建筑物配套完善和更新改造，加大田間節(jié)水設(shè)施建設(shè)力度，推廣微灌、滴灌、低壓管道輸水灌溉、集雨補灌、水肥一體化、覆蓋保墑等技術(shù)，水稻灌溉結(jié)合淺濕灌溉技術(shù)，間歇淹水，減少農(nóng)業(yè)用水量，增加灌河生態(tài)用水有效供給。

（2）推進非常規(guī)水源利用。流域內(nèi)降水時空分布不均，且鲇魚山水庫大壩以下99 km、匯流面積726 km2河道內(nèi)僅有煙北頭和馬崗兩座攔河閘，地表徑流未得到充分利用，因此規(guī)劃在商城城區(qū)段煙北頭閘下游4.3 km處新建涂寨液壓壩，在穿鄉(xiāng)鎮(zhèn)段新建生態(tài)堰，攔蓄地表徑流，增加雨洪資源利用量。

新建人工濕地凈化工程對灌河沿岸商城縣開源污水處理廠、上石橋鎮(zhèn)聚源污水處理廠、固始縣第二污水處理廠排放尾水進行深度凈化，處理達標后回用于灌河。

（3）加強河流生態(tài)調(diào)度。生態(tài)調(diào)度應以河流生態(tài)需水量為控制目標，結(jié)合防洪調(diào)度方案，汛期利用水庫棄水;統(tǒng)籌協(xié)調(diào)生態(tài)需水與灌溉、生活、工業(yè)供水的關(guān)系，強化雨洪水、再生水的利用，加強水資源統(tǒng)一調(diào)度，在滿足鲇魚山水庫常規(guī)調(diào)度目標的基礎(chǔ)上，滿足下游河道所需的生態(tài)水量，按照生態(tài)需水過程控制下泄流量（0.9～11.7 m3/s），同時加裝下泄流量監(jiān)測裝置，強化實時監(jiān)測與監(jiān)督，確保最小下泄流量。建立生態(tài)調(diào)度補償機制，落實生態(tài)水量，遵循近自然水流情勢和因地、因時、因物種制宜的基本準則，逐步建立起面向灌河生態(tài)健康的長效機制。

4?結(jié)?語

灌河是淮河重要的支流，生態(tài)功能地位十分重要，科學確定及保障生態(tài)水量是實現(xiàn)灌河生態(tài)功能的基礎(chǔ)，是支撐河流生態(tài)功能的重要因素，對維持生態(tài)系統(tǒng)健康發(fā)展起著至關(guān)重要的作用。生態(tài)水量的確定應符合流域或區(qū)域水資源的實際情況和水資源管理需求，為流域水資源管理和保護提供參考。

基于灌河的水文情勢和生態(tài)功能定位，統(tǒng)籌考慮水生生境需求、水質(zhì)要求以及親水性，采用Tennant法、水量平衡法、MIKE 21模型，科學確定灌河月平均生態(tài)流量為0.9～11.7 m3/s，年需水總量為15 142.5萬m3。同時秉持節(jié)水優(yōu)先理念，堅持節(jié)水降耗和節(jié)水豐源并舉，通過強化農(nóng)業(yè)節(jié)水、推進非常規(guī)水源利用和加強河流生態(tài)調(diào)度，完善生態(tài)用水保障體系，在滿足生活用水的前提下，確保灌河生態(tài)用水安全，為水生態(tài)保護與修復提供基礎(chǔ)保障。

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【責任編輯?呂艷梅】