湟水河谷典型支溝置換擠占河道內(nèi)生態(tài)水量研究

劉柏君，崔長勇，王林威，侯保儉

(黃河勘測規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院有限公司，河南 鄭州 450003)

1 研究背景

青海是國家級戰(zhàn)略資源接續(xù)和儲備基地，是穩(wěn)藏固疆、經(jīng)略西部的國家戰(zhàn)略安全要地，也是河湟文化發(fā)祥地[1- 2]。湟水河谷是青海省政治、經(jīng)濟(jì)、交通、文化中心地區(qū)，以僅占全省2.9%的土地面積，3.5%的水資源量，支撐了全省58%的人口、57%的GDP和54%的耕地面積。隨著國家西部開發(fā)戰(zhàn)略深入推進(jìn)、“一帶一路”戰(zhàn)略的實(shí)施及《蘭西城市群發(fā)展規(guī)劃》落地，湟水河谷將形成城市群集約高效開發(fā)、大區(qū)域整體有效保護(hù)的大格局，以西寧為中心的城市群將承載全省70%以上的人口，2040年地區(qū)經(jīng)濟(jì)總量將超萬億元，區(qū)域用水需求將快速增長[3- 4]。

青海省東部地區(qū)生態(tài)地位獨(dú)特，是青藏高原生態(tài)屏障的核心組成部分，國家對其提出了更高的要求[5- 6]：“加大生態(tài)修復(fù)力度，大力發(fā)展生態(tài)綠化，維護(hù)生態(tài)屏障安全”。湟水兩岸支溝承載著區(qū)域生活、工業(yè)、農(nóng)業(yè)用水，支溝水資源開發(fā)程度逐年增加，河道內(nèi)生態(tài)需水受擠占嚴(yán)重，難以保證河道內(nèi)所需生態(tài)水量，導(dǎo)致支溝水生態(tài)形勢更加嚴(yán)峻。通過其他水源進(jìn)行置換，成為了釋放受擠占河道內(nèi)生態(tài)水量的有效方式之一。姜斌和夏朋通過調(diào)研南水北調(diào)工程受水區(qū)不同省市擠占農(nóng)業(yè)與生態(tài)用水情況，分析了受水區(qū)擠占農(nóng)業(yè)與生態(tài)用水的返還方案，從政策、法規(guī)方面提出了返還保障措施[7]。付其魯?shù)确治鲇?jì)算了德州市2008、2014年2個水平年的城市用水和工業(yè)用水?dāng)D占農(nóng)業(yè)用水和生態(tài)用水量[8]。孫建光和韓桂蘭對塔里木河流域被擠占的干流綠洲生態(tài)水權(quán)進(jìn)行了研究，探究了擠占期，為確定塔河流域擠占干流綠洲生態(tài)水權(quán)歸還和經(jīng)濟(jì)補(bǔ)償提供依據(jù)[9]。張發(fā)斌采用黨河干流地表水向敦煌市供水的方式，研究了市區(qū)地下水源置換的問題[10]?？梢钥闯觯槍χ脫Q擠占河道內(nèi)生態(tài)水量問題并未開展系統(tǒng)、深入的研究。因此，本文通過分析典型支溝水資源與水生態(tài)情勢，探究河流水資源與水生態(tài)問題；基于河道內(nèi)生態(tài)需水量分析結(jié)果，提出一種計(jì)算置換擠占河道內(nèi)生態(tài)水量方法，從而獲取湟水河谷典型支溝河道內(nèi)置換水量。

2 典型支溝水資源與水生態(tài)情勢分析

本次在湟水河谷選擇人口、耕地分布比較集中的20條支溝作為研究對象，河谷典型支溝概況詳見表1。

表1 湟水河谷典型支溝概況

2.1 典型支溝水資源情勢

當(dāng)前僅有西納川、北川河、沙塘川、引勝溝、小南川、巴州溝等湟水支流設(shè)置有水文站。根據(jù)1967—2016年實(shí)測資料分析，小南川河王家莊站多年平均實(shí)測徑流量4303萬m3，年際變化劇烈，最大年均徑流量9829萬m3，最小年均徑流量2334萬m3，極值比為4.21；該站徑流年內(nèi)主要集中在7—10月，占全年58.4%，最小值出現(xiàn)在3月份，僅為13.7萬m3。

巴州溝吉家堡站多年平均實(shí)測徑流量2815萬m3，最大年均徑流量8386萬m3，最小年均徑流量970萬m3，極值比為8.64，表明該站徑流年際變化十分劇烈，徑流整體呈現(xiàn)明顯的降低趨勢；徑流年內(nèi)主要集中在7—10月，占全年61.3%，最小值出現(xiàn)在11月份，僅為39萬m3。

西納川河西納川站多年平均實(shí)測徑流量1.41億m3，最大年均徑流量30700萬m3，最小年均徑流量5085萬m3，極值比為6.04，表明該站徑流年際變化劇烈；7—10月徑流占全年58.6%，多年平均最枯月為2月，僅占全年2.7%。沙塘川河傅家寨站多年平均實(shí)測徑流量1.0億m3，最大年均徑流量17957萬m3，最小年均徑流量4348萬m3，極值比為4.13，表明該站徑流年際變化劇烈；7—10月徑流占全年52.3%，多年平均最枯月為4月，占全年4.5%，這與沙塘川河區(qū)域內(nèi)大量灌溉用水有關(guān)。

此外，引勝溝八里橋站多年平均實(shí)測徑流量6794萬m3，最大年均徑流量13398萬m3，最小年均徑流量3943萬m3，極值比為3.4，相比其他站，該站徑流年際變化相對較小，而該站徑流整體呈現(xiàn)微微的下降趨勢；該站徑流年內(nèi)基本集中在7—10月，占全年79.4%，多年平均最枯月為3月，徑流僅有90萬m3，占全年1.3%。

通過計(jì)算，20條支溝近10年平均天然徑流量為9.2億m3，現(xiàn)狀地表供水量為3.90億m3，平均地表水開發(fā)利用率42.4%。湟水南北岸支溝來水量年內(nèi)分布極為不均，徑流主要集中在7—10月，占全年徑流量的60%左右，1—2月徑流量占比均在14%以下。通過分析，南岸支溝1956—2010年年均天然徑流相比于1956—2000年呈減少趨勢，其中，馬哈拉溝年均天然徑流減少量高達(dá)2184.3萬m3，虎狼溝、巴州溝、隆治溝、松樹溝的年均天然徑流減少量分別為1530.5萬、1505.2萬、1234.6萬、1079.8萬m3。

2.2 典型支溝水生態(tài)情勢

根據(jù)2008—2011年調(diào)查，湟水支溝北川河、沙塘川分布有珍稀瀕危魚類2種，分別為極邊扁咽齒魚與擬鲇高原鰍；分布地方保護(hù)魚類5種，分別為黃河雅羅魚、花斑裸鯉、黃河裸裂尻魚、極邊扁咽齒魚和擬鲇高原鰍[11- 12]?，F(xiàn)狀，由于支溝水資源過度開發(fā)利用，造成土著魚類資源和物種資源發(fā)生衰退。

同時，湟水南北岸典型支溝水質(zhì)達(dá)標(biāo)率為80.16%，不達(dá)標(biāo)河溝主要為北川河朝陽以下河段、南川河西寧市區(qū)段、沙塘川八一橋以下河段，水質(zhì)均在IV類～劣V類。污染最為嚴(yán)重的是南川河與北川河，如南川河六一橋至南川河口段水質(zhì)為劣V類，生態(tài)需氧量與氨氮均超標(biāo)嚴(yán)重，加之部分支溝地表水資源開發(fā)利用程度較大，造成河溝自凈能力較弱，支溝河道內(nèi)缺水情勢更為顯著。

2.3 存在問題

綜上發(fā)現(xiàn)，南北岸各支溝現(xiàn)狀年地表水資源開發(fā)利用程度逐年提升，地表水資源開發(fā)利用程度超過40%的支溝為12條，超過60%的有6條，南岸虎狼溝、南川河、小南川河、祁家川、隆治溝地表水資源開發(fā)利用程度已分別高達(dá)94.6%、73.2%、75.9%、75.1%、79.9%，北岸云谷川、沙塘川、哈拉直溝地表水資源開發(fā)利用程度已分別高達(dá)56.3%、62.5%、56.9%，詳見表2。湟水南北岸各典型支溝河道內(nèi)生態(tài)水量受擠占嚴(yán)重，導(dǎo)致河溝水生態(tài)質(zhì)量變差、水生態(tài)系統(tǒng)惡化。未來隨著區(qū)域西納川、楊家、文祖口等十多座中小型水庫建成運(yùn)用，當(dāng)?shù)厮Y源開發(fā)利用程度將進(jìn)一步提高，河道內(nèi)水資源受擠壓形勢將更加嚴(yán)峻。

3 典型支溝河道內(nèi)生態(tài)需水量計(jì)算

3.1 計(jì)算原則

湟水是黃河流域濕地的集中分布區(qū)之一，具有重要水源涵養(yǎng)和生物多樣性保護(hù)等功能，對維持黃河水生態(tài)安全具有重要意義；湟水水系土著魚類是黃河瀕危魚類保護(hù)及中國生物多樣性保護(hù)的重要組成部分，其瀕危保護(hù)魚類物種及種群保護(hù)是對維系黃河上游魚類物種資源至關(guān)重要，具有重要生態(tài)保護(hù)價(jià)值[13]。結(jié)合湟水支溝水資源與水生態(tài)情勢，明確了典型支溝的河道內(nèi)生態(tài)保護(hù)目標(biāo)為：①保障支溝河道內(nèi)生態(tài)基流；②維持支溝生物棲息地健康；③保障支溝連通性及特有的地貌特征；④維護(hù)支溝景觀效果；⑤保護(hù)支溝范圍內(nèi)環(huán)境敏感區(qū)[14- 15]。

表2 湟水河谷典型支溝水資源開發(fā)利用程度分析

3.2 計(jì)算方法

鑒于典型支溝徑流及生態(tài)監(jiān)測資料較少，由此，基于典型支溝1956—2010年天然徑流數(shù)據(jù)，采用Tennant法計(jì)算河道內(nèi)生態(tài)環(huán)境需水量，該法使用起來較為簡單、方便[16- 17]。采用水利部SL/Z 712—2014《河湖生態(tài)環(huán)境需水計(jì)算規(guī)劃》中生態(tài)基流計(jì)算推薦比值，見表3，湟水南北岸典型支溝4—6月灌溉期及魚類產(chǎn)卵期生態(tài)需水量按照同時期徑流量的40%確定，豐水期7—10月生態(tài)需水量按照同時期徑流量的40%確定，包含枯水期在內(nèi)的11—3月生態(tài)需水量按照同時期徑流量的20%確定，對應(yīng)河流流量狀況均為“好”。

3.3 計(jì)算結(jié)果

通過計(jì)算可知，湟水河谷20條典型支溝河道內(nèi)生態(tài)需水量合計(jì)3.35億m3。其中，湟水北岸西納川等9條支溝河道內(nèi)生態(tài)需水總量為2.2億m3，詳見表4。

湟水南岸大南川等11條支溝河道內(nèi)生態(tài)需水總量為1.15億m3，詳見表5。

表3 不同流量百分比對應(yīng)河道內(nèi)生態(tài)環(huán)境狀況 單位：%

4 置換擠占河道內(nèi)生態(tài)水量研究

4.1 計(jì)算方法提出

考慮到近年來，青海省以西寧市為中心城市，以樂都區(qū)為副中心城市，以湟源縣、湟中縣、大通縣、互助縣、平安區(qū)、民和縣和中心鎮(zhèn)為節(jié)點(diǎn)，大力推進(jìn)東部城市群建設(shè)，加快青海社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展。湟水干流與南北兩岸支溝作為東部城市群的供水河流，水資源合理開發(fā)利用與保持河道生態(tài)平衡顯得尤為重要?，F(xiàn)狀湟水支溝主要灌溉期4—6月份來水量不足，用水量較大，水資源供需矛盾突出，有些特枯水年常發(fā)生斷流，河道內(nèi)需水受擠占嚴(yán)重，最基本生態(tài)、稀疏自凈用水無法得到保障，制約了東部城市群生態(tài)、水資源、社會經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展。

表4 湟水北岸典型支溝河道內(nèi)生態(tài)需水月過程 單位：萬m3

表5 湟水南岸典型支溝河道內(nèi)生態(tài)需水月過程 單位：萬m3

因此，基于典型支溝現(xiàn)狀農(nóng)業(yè)、工業(yè)、生活需水量，采用長系列徑流調(diào)節(jié)計(jì)算置換擠占河道內(nèi)生態(tài)水量。置換擠占河道內(nèi)生態(tài)水量估算方法為：

(1)采用典型支溝河道內(nèi)生態(tài)需水量計(jì)算結(jié)果。

(2)根據(jù)生態(tài)優(yōu)先原則，優(yōu)先滿足生態(tài)需水，其次滿足生活、工業(yè)、灌溉等生產(chǎn)用水。

(3)根據(jù)支溝來水、河道內(nèi)需水、現(xiàn)狀用水、調(diào)節(jié)庫容等，采用長系列徑流資料進(jìn)行逐月水量平衡計(jì)算，分析各典型支溝生態(tài)優(yōu)先下河道外缺水量。

(4)選擇P=75%～80%年份分析計(jì)算的支溝現(xiàn)狀河道外生產(chǎn)(主要是灌溉)缺水量作為生態(tài)優(yōu)先下支溝河道外需補(bǔ)水量。

所選支溝中具有一定調(diào)蓄能力的水庫見表6。

4.2 計(jì)算結(jié)果

經(jīng)長系列計(jì)算分析，P=75%～80%年份，湟水河谷典型支溝置換擠占河道內(nèi)生態(tài)水量為8484萬m3。其中，北岸支溝為2483萬m3，南岸支溝為6001萬m3。未來可通過外流域調(diào)水工程置換擠占河道內(nèi)的生態(tài)水量。結(jié)果詳見表7—8。

表6 典型支溝現(xiàn)狀調(diào)蓄水庫 單位：萬m3

表7 南岸典型支溝水量分析結(jié)果 單位：萬m3

表8 北岸典型支溝水量分析結(jié)果 單位：萬m3

5 結(jié)語

湟水河谷在國家“一帶一路”戰(zhàn)略中有著極其重要的區(qū)位優(yōu)勢和重要地位，更是《蘭州-西寧城市群發(fā)展規(guī)劃》中的重要組成部分。然而，隨著湟水河谷人口增加和經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，區(qū)域需水量迅猛增長，湟水河谷南北岸典型支溝河道內(nèi)水資源受擠占嚴(yán)重，導(dǎo)致河溝水生態(tài)質(zhì)量變差、水生態(tài)系統(tǒng)惡化。未來隨著區(qū)域十多座中小型水庫建成運(yùn)用，當(dāng)?shù)厮Y源開發(fā)利用程度進(jìn)一步提高，河道內(nèi)水資源受擠壓形勢將更加嚴(yán)峻。如何計(jì)算河道內(nèi)受擠占生態(tài)水量，是保障河道生態(tài)安全的重要問題。

本文通過分析典型支溝水資源與水生態(tài)情勢，探究支溝面臨的水資源與水生態(tài)問題，基于支溝河道內(nèi)生態(tài)需求計(jì)算各支溝河道內(nèi)生態(tài)需水量，最后基于典型支溝現(xiàn)狀農(nóng)業(yè)、工業(yè)、生活需水量，采用長系列徑流調(diào)節(jié)計(jì)算置換擠占河道內(nèi)生態(tài)水量。結(jié)果顯示，P=75%～80%年份，湟水河谷典型支溝置換擠占河道內(nèi)生態(tài)水量為8484萬m3，其中，北岸與南岸支溝分別為2483萬、6001萬m3。本文的研究成果能夠?yàn)殇宜庸壬鷳B(tài)保護(hù)、水資源高效開發(fā)利用、區(qū)域節(jié)水與調(diào)水工程規(guī)模論證提供有力參考。