大凌河中下游河道生態(tài)需水量計(jì)算分析

王安琪

(遼寧省朝陽(yáng)水文局，遼寧 朝陽(yáng) 122000)

0 引 言

1990s以前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者大多從河道生態(tài)系統(tǒng)的角度開(kāi)展生態(tài)需水量研究，對(duì)河流流量主要依據(jù)水文歷史資料和7Q10法、Tennant法分析，隨后有水力學(xué)者利用濕周法、R2CROSS法對(duì)河流所需流量進(jìn)行計(jì)算，但這兩種方法都未考慮生態(tài)學(xué)相關(guān)要求。Petts等從水生生物流量需求及河道物理形態(tài)的角度，提出最佳及最小流量的確定方法；Bovee等有機(jī)結(jié)合生境評(píng)價(jià)與水力學(xué)的方法，構(gòu)建了模擬與評(píng)價(jià)生境適宜性的IFIM模型。1990s以后，相繼出現(xiàn)河流統(tǒng)一、連續(xù)的概念，Petts等考慮河流生態(tài)系統(tǒng)的完整性以及縱向上河流流量的連接性，提出河流生態(tài)系統(tǒng)保護(hù)中洪泛平原流量發(fā)揮著關(guān)鍵作用，其中整體法、BBM法為最常用的方法；此外，有學(xué)者認(rèn)為水資源是維持河流生態(tài)系統(tǒng)的基本要求，對(duì)于水資源的配置管理者應(yīng)引起高度重視。我國(guó)學(xué)者劉昌明[1]、湯奇成等[2]相繼提出生態(tài)水利和生態(tài)用水的概念，從方向上、整體上明確了河道生態(tài)需水研究的框架和范疇；嚴(yán)登華等[3]提出河流生態(tài)需水具有空間與時(shí)間上的變化，主要是指滿足一定水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)且維持地表水體特定功能所需要的水量；李麗娟等結(jié)合北方河流特點(diǎn)和生態(tài)環(huán)境功能，定義了河流輸沙和生態(tài)需水量；劉凌[4]研究認(rèn)為河流生態(tài)需水量應(yīng)包括河流滲漏及防止蒸發(fā)的需水量，此期間月(年)保證率設(shè)定法、最小月平均流量法為最常用的方法。

目前，尚未形成系統(tǒng)、完善的生態(tài)需水量計(jì)算方法和理論體系：①隨著河段、時(shí)段、季節(jié)的變化河流生態(tài)需水量發(fā)生相應(yīng)的改變，所以該數(shù)值是一個(gè)動(dòng)態(tài)值；②不同河流的生態(tài)系統(tǒng)特征往往存在一定差異，各河流的生態(tài)需水量無(wú)法用某固定的方法來(lái)計(jì)算；③河道上下游存在重復(fù)計(jì)算生態(tài)需水量的問(wèn)題，從而增大了實(shí)際中生態(tài)環(huán)境的需水配置難度，并給水資源管理中生態(tài)需水的應(yīng)用帶來(lái)一定限制。

鑒于此，文章以大凌河中下游為例，針對(duì)不同頻率年提出河道需水量分段計(jì)算的思路與方法，并將生態(tài)需水類型按照大凌河含沙量大、滲漏性強(qiáng)的特征來(lái)判定，為解決河流上下游區(qū)間重復(fù)計(jì)算以及多功能生態(tài)需水重疊問(wèn)題，利用河道自凈、滲漏、輸沙、蒸發(fā)需水量以及基礎(chǔ)流量等參數(shù)構(gòu)建需水量計(jì)算模型，以期為大凌河流域合理開(kāi)發(fā)和水資源配置提供科學(xué)的指導(dǎo)。

1 大凌河河道生態(tài)需水類型

調(diào)查顯示，大凌河主要存在地下水超采、水質(zhì)污染、泥沙淤積、河道滲漏、河水?dāng)嗔鞯拳h(huán)境問(wèn)題。近年來(lái)，大凌河中下游曾多次出現(xiàn)河道干枯、河水?dāng)嗔鞯默F(xiàn)象，即使不斷流枯其水流量也非常的小；部分河段滲漏問(wèn)題突出，測(cè)得流量為10m3/s時(shí)義縣大凌河段的滲漏量達(dá)到0.915m3/s；流經(jīng)黃土地區(qū)、碎屑巖、火山巖的大凌河，其含沙量達(dá)到57kg/m3，河流中下游淤積嚴(yán)重；據(jù)統(tǒng)計(jì)，每年向大凌河排放的污廢水達(dá)到3.68×108t，總河長(zhǎng)的41.8%屬于劣Ⅴ類水質(zhì)，其中水功能區(qū)水質(zhì)80%以上達(dá)不到標(biāo)準(zhǔn)要求。2009-2018年，因水資源短缺大凌河地表水開(kāi)采率達(dá)85.2%，農(nóng)業(yè)、工業(yè)、城鎮(zhèn)爭(zhēng)水使得生態(tài)水量不斷被擠占。所以，河道蒸發(fā)、滲漏和主流需水量屬于大凌河主要生態(tài)需水類型，其中主流需水量包括汛期輸沙需水、自凈需水和河道基礎(chǔ)流量[5-7]。

2 生態(tài)需水量模型

河道需水量需滿足多種功能時(shí)，可以遵循最大原則來(lái)計(jì)算，即河道的主流需水量取各月不同功能需水量的最大值，其表達(dá)式如下：

WMi=max{WBi，WCi，WTSi}

(1)

式中：WMi、WBi、WCi、WTSi依次代表第i月的主流需水量、基礎(chǔ)流量、自凈及輸沙需水量，m3/月。

河道月生態(tài)需水量利用加和法計(jì)算，即對(duì)各月滲漏、蒸發(fā)、主流需水量求和，然后加和各月的需水量確定年需水量，計(jì)算式為：

WRIi=WEi+WSi+WMi

(2)

式中：WRIi、WEi、WSi依次代表第i月的生態(tài)、蒸發(fā)和滲漏需水量，m3/月。

針對(duì)河流上、下游區(qū)間重復(fù)計(jì)算以及不同功能生態(tài)需水的交叉重疊問(wèn)題，以整個(gè)河道的滲漏、蒸發(fā)需水量加上各個(gè)河段主流需水量的最大值得到整個(gè)河流的需水量。

2.1 蒸發(fā)需水量

各月的蒸發(fā)生態(tài)需水量利用水面蒸發(fā)量、降水量、水域面積等參數(shù)確定，其表達(dá)式如下：

(3)

式中：WE為蒸發(fā)需水量，m3；A、E、P為各月平均的水域面積，m2、蒸發(fā)量，mm和降水量，mm，其中以E601水面蒸發(fā)器監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)確定月平均蒸發(fā)量。

2.2 滲漏需水量

地下水位低于河水位條件下，河道滲漏補(bǔ)給量應(yīng)考慮過(guò)水狀態(tài)與土質(zhì)類別間的關(guān)系，其計(jì)算公式為：

WS=WJ·δ·L

(4)

δ=K/Wdjm

(5)

式中：WS、WJ為河道滲漏量與流量，m3/s；L為河流的長(zhǎng)度，km；δ為單位長(zhǎng)度河道水量損失率，%/km；K為土壤透水性系數(shù)；Wdjm為河道的損失流量，m3/s。

2.3 主流需水量

基于大凌河中下游生態(tài)環(huán)境實(shí)際需求確定主流需水量，即輸沙需水量WTS、自凈需水量WC、基礎(chǔ)徑流量WB。

1)輸沙需水量WTS。一般河流年輸沙總量的80%發(fā)生于汛期，即汛期是完成河流輸沙功能的主要時(shí)段。因此，維持河流形態(tài)動(dòng)態(tài)平衡的有效手段是充分利用汛期較強(qiáng)洪水的輸沙功能，可利用下述公式計(jì)算汛期輸沙需水量，即：

WTSij=Wij/Cmax

(6)

式中：WTSij、Sij為第i年第j的輸沙需水量和輸沙量；Cmax為年均最大月含沙量。

2)自凈需水量WC。該參數(shù)是指河流改善水質(zhì)、凈化入河流污染物所需要保持的最小水量，由于計(jì)算河流基礎(chǔ)徑流量的方法與選用近10a最小月平均流量的方法基本相同，所以主流需水量計(jì)算時(shí)可以不考慮河流自凈需水量。

3)基礎(chǔ)徑流量WB。該參數(shù)是指維持水生態(tài)系統(tǒng)健康、保證河道不斷流的最小需水量，對(duì)此可利用Tennant法確定。考慮到整個(gè)河道均涉及基礎(chǔ)徑流量，因此維持水生態(tài)系統(tǒng)所需要的最小用水量可以取大凌河中游義縣水文站天然徑流量的10%，即最低極限流量。

3 結(jié)果與分析

3.1 生態(tài)需水量計(jì)算

以大凌河流域6個(gè)水文站(即建凌、哈巴氣、大城子、朝陽(yáng)、義縣、凌海)1983-2018年實(shí)測(cè)徑流資料為基礎(chǔ)，通過(guò)排頻確定豐水年(P=20%)、平水年(P=50%)、枯水年(P=75%)、特枯水年(P=95%)依次為1986年、1993年、2000年、2009年，然后對(duì)4個(gè)水文頻率年的生態(tài)需水量按照大凌河各河段特點(diǎn)依次計(jì)算。

不同水文站間的滲漏需水量、蒸發(fā)需水量利用公式(1)-(6)計(jì)算確定，各水文頻率年蒸發(fā)、滲漏需水量，見(jiàn)表1。根據(jù)以上計(jì)算結(jié)果依次確定各水文站的輸沙需水量，各水文頻率年輸沙需水量，見(jiàn)表2，在此基礎(chǔ)上計(jì)算大凌河中下游生態(tài)需水量，各水文頻率年生態(tài)需水量，見(jiàn)表3。

表1 各水文頻率年蒸發(fā)、滲漏需水量

表2 各水文頻率年輸沙需水量

表3 各水文頻率年生態(tài)需水量 104m3

3.2 結(jié)果分析

由表3-4可知，相對(duì)于枯水年生態(tài)需水量豐水年明顯較高，其原因?yàn)樨S水年輸沙、滲漏和水面蒸發(fā)需水量均高于枯水年；7-9月份50%和20%頻率年的生態(tài)需水量較高，年內(nèi)分布上95%、75%頻率年生態(tài)需水量較均勻；大凌河中下游95%、70%、50%、20%水文頻率年的生態(tài)需水量依次為1.4239×108m3、1.8540×108m3、2.5061×108m3、4.0837×108m3，基礎(chǔ)徑流、輸沙、滲漏、蒸發(fā)需水量總體上占生態(tài)需水的17.19%、21.05%、76.23%、2.72%。不同生態(tài)需水類型所占比例，見(jiàn)表4。

大凌河中下游各頻率年生態(tài)需水量相差較大，并且組成比例具有一定差異，對(duì)河流生態(tài)需水量利用某固定值來(lái)分析明顯與實(shí)際不符。因此，隨著年際、時(shí)段、季節(jié)的變化河流生態(tài)需水量發(fā)生相應(yīng)的改變，該值是一項(xiàng)動(dòng)態(tài)變化值。

表4 不同生態(tài)需水類型所占比例

生態(tài)需水量占多年平均和代表年徑流量比例，見(jiàn)表5。由表5可知，大凌河中下游在95%、70%、50%、20%水文頻率年的生態(tài)需水量占代表年徑流量比例依次為87.12%、60.04%、60.26%、56.41%，占多年平均流量比例依次為18.91%、28.25%、45.20%、72.61%，由此表明地表水資源在大凌河中下游流域的利用率依次為12.88%、39.96%、39.74%、43.59%。另外，河流生態(tài)需水量取多年平均流量百分比中的某定值與河流實(shí)際情況不符。

表5 生態(tài)需水量占多年平均和代表年徑流量比例

4 結(jié) 論

文章以大凌河中下游為例，利用河道需水量計(jì)算模型揭示了不同月份、不同年際河道需水量分配規(guī)律，主要結(jié)論如下：

1)主流、蒸發(fā)和滲漏需水量屬影響流域生態(tài)需水量的主要因素，以基礎(chǔ)徑流量與輸沙需水量的較大值作為主流需水量，且整個(gè)河流的主流需水量取5個(gè)河段的最大值，由此可有效解決了河流上下游區(qū)間重復(fù)計(jì)算以及不同功能生態(tài)需水的交叉重疊問(wèn)題。

2)隨季節(jié)的變化不同生態(tài)需水類型發(fā)生相應(yīng)的改變，如75%、50%、20%頻率年的主流需水量都低于輸沙需水量，而95%頻率呈現(xiàn)出相反的特征?？傮w上，基礎(chǔ)徑流、輸沙、滲漏、蒸發(fā)需水量占生態(tài)需水的17.19%、21.05%、76.23%、2.72%。

3)大凌河中下游95%、70%、50%、20%水文頻率年的生態(tài)需水量依次為1.4239×108m3、1.8540×108m3、2.5061×108m3、4.0837×108m3，占代表年徑流量比例依次為87.12%、60.04%、60.26%、56.41%，這表明地表水資源在大凌河中下游流域的利用率依次為12.88%、39.96%、39.74%、43.59%。國(guó)際上公認(rèn)的地表水極限開(kāi)采程度、合理開(kāi)采程度為40%和30%，可見(jiàn)大凌河中下游地表水綜合開(kāi)發(fā)程度已明顯超出河道水體的提供能力，即河流生態(tài)需水已被大量的擠占。為實(shí)現(xiàn)水資源的合理利用和持續(xù)管理，必須對(duì)流域水資源分河段分時(shí)段的實(shí)施有效的管控措施。