基于河道生態(tài)需水量計(jì)算方法的研究

趙海波

(遼寧省白石水庫(kù)管理局有限責(zé)任公司，遼寧 朝陽(yáng) 122000)

水系統(tǒng)循環(huán)為實(shí)現(xiàn)能量、物質(zhì)循環(huán)的基礎(chǔ)，并深刻影響著生態(tài)系統(tǒng)功能和結(jié)構(gòu)，維持區(qū)域水資源可持續(xù)發(fā)展離不開良好的水生態(tài)環(huán)境。2010年，中國(guó)正式發(fā)布了首部有關(guān)生態(tài)需水方面的標(biāo)準(zhǔn)《河湖生態(tài)需水評(píng)估導(dǎo)則(試行)》。近年來，為保護(hù)河流的生態(tài)健康以及促進(jìn)水資源合理開發(fā)，對(duì)水生態(tài)修復(fù)和生態(tài)需水量的研究不斷加強(qiáng)[1]，國(guó)內(nèi)外研究熱點(diǎn)逐漸轉(zhuǎn)向河流生態(tài)需水的計(jì)算方法。

目前，總體上分為棲息地法、整體分析法、水力學(xué)法和標(biāo)準(zhǔn)流量法4大類河道生態(tài)需水量計(jì)算方法[2]。其中，應(yīng)用最為廣泛的方法以標(biāo)準(zhǔn)流量法為主，可對(duì)河流的生態(tài)流量依據(jù)歷史水位數(shù)據(jù)來計(jì)算，主要有河流基本生態(tài)環(huán)境需水量法、年內(nèi)展布計(jì)算法、Texas法、7Q10法、Tennant法、可變范圍法、逐月頻率法及水生物基流法等。近年來，根據(jù)不同區(qū)域的特征國(guó)內(nèi)學(xué)者提出了各自領(lǐng)域的改進(jìn)方法，如夏自強(qiáng)等[9]以北方中小型河流為例，提出年內(nèi)和年際變化較為劇烈的河流豐、平、枯水期適宜生態(tài)流量，即不同保證率下的流量；吳國(guó)燕等[3]對(duì)Tennant法的非汛期、汛期河道環(huán)境需水量依據(jù)灌區(qū)河道水文特征周期加以修正；黃強(qiáng)等[4]在黃河干流生態(tài)需水量計(jì)算時(shí)引入環(huán)境比降參數(shù)；韓會(huì)玲等[5]依據(jù)相關(guān)資料，以實(shí)際案例驗(yàn)證了季節(jié)修正系數(shù)的有效性；劉昌明等[6]修正了南水北調(diào)西線河流的魚類產(chǎn)卵幼期，在此基礎(chǔ)上探究了河道生態(tài)需水計(jì)算方法。本研究對(duì)自然因素和社會(huì)條件影響下的河流生態(tài)流量利用較為實(shí)用的5種水文學(xué)分析法計(jì)算[7]，并對(duì)計(jì)算結(jié)果利用生態(tài)環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)等級(jí)加以評(píng)估。

1 河道生態(tài)需水量計(jì)算方法

1)中位數(shù)法。從高到低將有限數(shù)集中所有的觀測(cè)值排序后，可以確定中位數(shù)為正中間的數(shù)值，若存在偶數(shù)個(gè)觀測(cè)值則中位數(shù)取兩個(gè)中間數(shù)的均值。其中，觀測(cè)值樣本容量為影響中位數(shù)的關(guān)鍵因素，而極小或極大觀測(cè)值對(duì)其影響較弱，通過增強(qiáng)數(shù)列代表性可提高其準(zhǔn)確度。最后，從小到大按月序列排列多年逐月天然流量，則該月生態(tài)流量值即為月序列的中位數(shù)值。

(1)

式中：qij為第j年第i個(gè)月的月均流量，m3/s；i=1，2，…，12；j=1，2，…，40。

3)7Q10法。最小生態(tài)流量值等于連續(xù)7d最枯的90%保證率日平均流量，7Q10法最早用于污水處理長(zhǎng)，而對(duì)生態(tài)需水量的評(píng)估計(jì)算應(yīng)用較少。1970s我國(guó)引入該方法，并演變成河流最小生態(tài)流量值等于90%保證率最枯月平均流量或近10a最枯月平均流量。

4)逐月頻率計(jì)算法。多年逐月天然流量系列考慮研究區(qū)域水文資料而設(shè)立，以枯、平、豐三個(gè)系列組成全年12個(gè)月序列，并設(shè)定枯水序列(90%)、平水系列(75%)和豐水系列(50%)的不同保證率，河流各月最小生態(tài)流量即為保證率所對(duì)應(yīng)的流量。

5)Tennant法。該方法計(jì)算的河流生態(tài)需水推薦值等于預(yù)先確定的年天然徑流百分比，所以屬于一種標(biāo)準(zhǔn)設(shè)定的非現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定法。將河道生態(tài)環(huán)境狀況劃分為沖刷或最大、最佳范圍、極好、非常好、好、中、差、極差8個(gè)等級(jí)，并考慮水生生物生育期分為魚類產(chǎn)卵育幼期(4-9月)和一般用水期(10月-次年3月)兩個(gè)時(shí)間段。不同生態(tài)環(huán)境狀況的流量百分比，見表1。

表1 不同生態(tài)環(huán)境狀況的流量百分比

Tennant法具有操作方便、使用簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn)，明確水生生物-流量關(guān)系后所需數(shù)據(jù)較少，對(duì)于缺乏生態(tài)資料的地區(qū)具有較強(qiáng)適用性。然而，實(shí)際應(yīng)用時(shí)該方法也存在一定局限：未考慮多泥沙、季節(jié)性明顯、流量變化大的河流特征，以及幾何形態(tài)顯著影響流量等因素。該方法是在詳細(xì)勘察11條典型河流的基礎(chǔ)上，運(yùn)用58個(gè)斷面分析水生生物受38個(gè)不同流量下生物、化學(xué)、物理信息的影響，并由Tennant等人設(shè)定的方法，對(duì)于社會(huì)屬性和自然屬性獨(dú)特的河流不能直接應(yīng)用。

2 大凌河生態(tài)流量的計(jì)算

2.1 流域概況

大凌河古稱“渝水”，地處遼西低山丘陵區(qū)也是遼西最大的河流，全長(zhǎng)397.0km，流域面積2.35萬km2，主脈沿西南—東北向流經(jīng)朝陽(yáng)、北票、義縣、錦縣等地區(qū)后匯入渤海。流域內(nèi)屬溫帶季風(fēng)氣候，年均氣溫8.0-9.0℃，年均降水量500mm，受季風(fēng)氣候影響全年70-80%降水集中于6-9月，年際降水量存在明顯差異，降水量豐、枯比最高可達(dá)3倍。河流水源補(bǔ)給以地下水、大氣降水為主，年際徑流量變化較大，徑流豐、枯比最高達(dá)10倍，年蒸散發(fā)1700mm，每年的1—5月為蒸發(fā)量最大、最小時(shí)段，。

流域范圍內(nèi)以山丘為主，極少數(shù)為平原，自西北向東南地勢(shì)從山地、丘陵過渡到山前傾斜平原至渤海西岸，地形起伏波動(dòng)明顯，海拔為400-1200m。研究區(qū)地形破碎、地質(zhì)發(fā)育良好，溝壑分布以土石質(zhì)“V”型為主，土壤類別多褐土，土層較薄、有機(jī)質(zhì)含量低且土質(zhì)疏松。以林業(yè)和農(nóng)業(yè)用地為主，流域內(nèi)發(fā)現(xiàn)點(diǎn)源、非點(diǎn)源污染，并且大型工礦企業(yè)較少，由于化肥施用量高、農(nóng)業(yè)較為發(fā)達(dá)其水體環(huán)境以非點(diǎn)源污染為主。水中生物受湖泊富營(yíng)養(yǎng)化的影響較大，鳙魚、草魚、鰱魚、鯽魚等大型魚類數(shù)量不斷減少，每年的4-5月為其繁育期；小型經(jīng)濟(jì)魚類(如湖鱭)約占總產(chǎn)量的80%，其優(yōu)勢(shì)明顯，繁殖期為每年6-7月。

2.2 生態(tài)流量計(jì)算

文章利用大凌河干流朝陽(yáng)水文站1980-2018年天然徑流資料計(jì)算河道內(nèi)生態(tài)需水量，考慮河流受到水生生物、經(jīng)濟(jì)社會(huì)、生產(chǎn)生活、降雨蒸發(fā)等因素影響，將一年周期劃分為枯水期(10月-次年次月)、豐水期(5-9月)兩個(gè)時(shí)間段。對(duì)大凌河年內(nèi)展布法、近10a最小月平均流量法、逐月頻率法、Tennant法、中位數(shù)法計(jì)算，生態(tài)流量計(jì)算值，見表2；并對(duì)計(jì)算結(jié)果利用生態(tài)環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)等級(jí)評(píng)價(jià)，生態(tài)環(huán)境評(píng)價(jià)等級(jí)，見表3。

表2 生態(tài)流量計(jì)算值 m3/s

表3 生態(tài)環(huán)境評(píng)價(jià)等級(jí)

2.3 結(jié)果與分析

1)通過對(duì)比可知，年內(nèi)展布法和近10a最小月平均流量法(7Q10法)的非汛期評(píng)價(jià)結(jié)果均為極差等級(jí)，生態(tài)需水量計(jì)算整體偏小，較小的汛期徑流降低了河床輸沙能力，對(duì)河流納污造成不利作用。對(duì)于年內(nèi)豐、枯特性變化明顯的河流預(yù)先設(shè)定流量標(biāo)準(zhǔn)的Tennant法不適用，即流域降雨強(qiáng)度較大且降水時(shí)間比較集中，年內(nèi)流量分配具有較大差異，利用該方法計(jì)算的汛期生態(tài)需水量明顯偏小。運(yùn)用逐月頻率法計(jì)算的流量結(jié)果維護(hù)了年內(nèi)分布的河流徑流完整性，對(duì)于季節(jié)性變化明顯的河流具有較強(qiáng)的表征能力；較大的汛期流量有利于河流納污、養(yǎng)分輸送，并且漲水可以擴(kuò)展產(chǎn)卵水域，可對(duì)鱭魚產(chǎn)卵和生長(zhǎng)創(chuàng)造有利條件。中位數(shù)法有效解決了極端值對(duì)平均值產(chǎn)生影響的問題，顯著提升生態(tài)需水量閾值計(jì)算的可靠度與精準(zhǔn)度。

2)將河流生態(tài)需水量利用逐月頻率法計(jì)算時(shí)，年內(nèi)各個(gè)時(shí)期不適用統(tǒng)一的保證率，其原因?yàn)楹恿鞯纳鐣?huì)功能屬性和自然屬性在年內(nèi)不同時(shí)期內(nèi)有所差異。因此，年內(nèi)各個(gè)時(shí)期的生態(tài)需水量應(yīng)根據(jù)河流在雙重因素影響下(人類活動(dòng)和自然界)，可以發(fā)揮其良好功能并呈現(xiàn)基本健康狀態(tài)情況來確定。

3)深入對(duì)比不同方法的標(biāo)準(zhǔn)流量，可采用多年同期平均流量的40%-60%、65%-75%計(jì)算河道枯水期(10月-次年4月)和豐水期(5-9月)生態(tài)需水量。大凌河年內(nèi)逐月最小生態(tài)流量，見表4。

表4 大凌河年內(nèi)逐月最小生態(tài)流量

3 結(jié) 論

1)硝態(tài)氮、氨氮、總磷等非點(diǎn)源污染為大凌河的主要污染物，并且非點(diǎn)源污染輸出受降雨徑流影響顯著，該過程屬于一個(gè)不斷積累或沖刷的過程。考慮污染物影響計(jì)算的河道生態(tài)需水量，可以在滿足水體自凈要求的同時(shí)防止下游受長(zhǎng)期污染物積累而產(chǎn)生高負(fù)荷現(xiàn)象。

2)大凌河魚類繁殖的高峰期以每年4-7月為主，最小生態(tài)流量(表4)在該時(shí)段所對(duì)應(yīng)的水位可以淹沒沿岸旱草、淺灘，增加水域面積為魚類產(chǎn)卵創(chuàng)造有利條件，并且高流量提供充足的事物以滿足幼魚生長(zhǎng)需要。采用同期均值比進(jìn)行評(píng)價(jià)以及對(duì)生態(tài)需水量利用逐月頻率法計(jì)算，可以充分反映大凌河年內(nèi)徑流分配差異大、汛期流量大、時(shí)間長(zhǎng)等特點(diǎn)，該方法具有較強(qiáng)適用性。

3)河流生態(tài)功能涉及灌溉、發(fā)電、涵養(yǎng)水源、航運(yùn)、娛樂景觀、地下水補(bǔ)給、稀釋自凈、輸沙、排鹽、維持水生物棲息地等，河流生態(tài)需水量因功能屬性的不同而存在一定差異。