洞庭湖斷流區(qū)育樂垸生態(tài)需水量研究

(湖南省水利水電科學研究院，湖南 長沙 410007)

洞庭湖是我國第二大淡水湖，是長江中下游重要的調蓄湖泊，是全國最大的淡水濕地之一，生態(tài)功能不可替代[1]。三峽工程運行以來，隨著江湖關系的變化，洞庭湖四口河系的堤垸內淤積嚴重，蓄水和過流能力下降，很多堤垸面臨河道斷流、濕地萎縮、水質惡化、水生態(tài)退化等突出問題，嚴重威脅到水生態(tài)安全[2]。國內外學者針對洞庭湖水資源、水生態(tài)與水環(huán)境相關的研究較多，但對洞庭湖內斷流區(qū)生態(tài)需水的研究較少。因此，在洞庭湖斷流區(qū)開展堤垸生態(tài)需水量研究十分必要，有助于科學認識洞庭湖區(qū)尤其是斷流區(qū)的水資源演變規(guī)律，了解水文情勢與生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性之間的相互關系。研究可為進一步系統(tǒng)分析洞庭湖區(qū)生態(tài)需水規(guī)律及水資源合理配置提供具體參考，對洞庭湖區(qū)生態(tài)環(huán)境保護具有重要意義。

1 研究區(qū)概況

育樂垸是洞庭湖11個重點垸之一，地處洞庭湖腹地(見圖1)，屬環(huán)洞庭湖生態(tài)經濟區(qū)中心地帶，為湖南省主要商品糧、淡水魚基地之一，社會經濟地位十分重要。堤垸總面積達370.53km2，年平均降水量為1244.1mm，降水主要集中在夏季，多年平均4—7月降水量占全年降水量的60%。育樂垸水系組成復雜，藕池河東支、沱江與藕池河中支流經該垸東西兩側，南茅運河貫通該垸南北(見圖2)。由于藕池河分流量減少及斷流時間延長，導致垸內經常出現(xiàn)枯水期水量不足、水質下降，水生態(tài)問題突出，洞庭湖斷流區(qū)生態(tài)安全面臨嚴峻考驗。

圖2 育樂垸所在地區(qū)水系

2 育樂垸河道內生態(tài)需水估算

根據(jù)現(xiàn)場調查，育樂垸內的生產、生活用水均由南茅運河提供，因此本研究的河道內生態(tài)需水量主要以南茅運河為研究對象，選用Tennant法[3]、月保證率法[4]、最枯月平均流量法[5]分別對南茅運河的河道內生態(tài)需水量進行研究。

以育樂垸境內全部的降水形成的徑流都匯聚到運河內為前提，對南茅運河徑流量進行推算，依據(jù)南縣氣象站1995—2015年逐日降水數(shù)據(jù)，結合洞庭湖流域典型徑流系數(shù)，按照式(1)可得南茅運河流量，結果見圖3。

Q=αFP

(1)

式中：Q為徑流量，萬m3；α為徑流系數(shù)；F為匯水區(qū)面積，km2；P為降水量，mm。

圖3 南茅運河年內徑流分布

2.1 計算方法

2.1.1 Tennant法

Tennant法基于對多條河流的研究統(tǒng)計經驗，給出河流生態(tài)流量占天然狀態(tài)下年平均流量的百分比與河流生態(tài)條件之間的經驗關系。為保證研究所得的生態(tài)需水具有足夠先進性，在標準的選擇上選取斷流期生態(tài)需水占當月平均流量的40%，通流期生態(tài)需水占當月平均流量的60%為“很好”這一標準[6]。

2.1.2 月保證率法

月保證率法在傳統(tǒng)水文學方法的基礎上將保證率與河道生態(tài)需水等級相聯(lián)系，綜合考慮研究區(qū)域內的氣候、徑流變化特征以及水體的使用模式等因素確定各月保證率。

根據(jù)南茅運河的實際情況，河道平均年內徑流分布情況見圖3，其主要集中在當?shù)厮低髌?4—11月)，約占全年徑流總量的80%。由于當?shù)貪O業(yè)主要以四大家魚的養(yǎng)殖為主，根據(jù)相關研究其產卵期主要集中在每年4—6月，因此這一時期對水量有較高的要求。綜合考慮以上情況，在魚類產卵期(4—6月)計算50%保證率天然流量，在非魚類產卵期的通流期計算75%保證率下的天然流量，在斷流期計算90%保證率下的天然流量。在不同保證率天然流量的基礎上設定其60%為理想的生態(tài)需水量，并以此作為當月生態(tài)需水量的設計值。當設計值小于當月天然流量的10%時，以當月天然流量的10%作為生態(tài)需水的設計值。

2.1.3 最枯月平均流量法

使用近10年最枯月平均流量作為河道內生態(tài)需水的設計值。因其計算的依據(jù)以干旱季節(jié)為準，所以導致了計算的流量較其他方法小得多，在實際應用中可以作為其他方法的參考標準。本文認為該方法所求的設計值應為河道內生態(tài)需水量的下限。

2.2 計算結果

基于Tennant法、月保證率法、最枯月平均流量法的河道內生態(tài)需水計算結果見表1、圖4。由表1、圖4可以看出，各方法所得的生態(tài)需水量均高度集中在通流期(4—11月)，均超過全年生態(tài)需水總量的80%。此外，Tennant法的計算結果最大，最枯月平均流量法的計算結果最小，約為前者的52%，滿足其物理意義?？傮w而言，各方法的年內變化趨勢與各月多年平均徑流的變化趨勢均比較接近，說明結果對當?shù)啬陜葟搅鞣峙涞捏w現(xiàn)都比較到位。

表1 水文學方法計算河道內生態(tài)需水量結果匯總 單位：萬m3

圖4 水文學方法計算河道內生態(tài)需水量結果曲線

在綜合考慮對當?shù)丨h(huán)境的適應性、環(huán)境的改善效果、工程調度的便利性以及結果自身的合理性情況下，月保證率法所得的結果能夠全面地適應育樂垸當?shù)氐乃h(huán)境、水生態(tài)情況。根據(jù)該方法得到結果為：南茅運河全年河道內生態(tài)需水約為7917.6萬m3，占多年平均徑流量的35%。其中，有接近40%的生態(tài)需水集中在來水較為豐富的4—6月，河道流量基本能夠滿足生態(tài)需水量的要求。但存在枯水季節(jié)特別是斷流季節(jié)的天然河道流量難以滿足生態(tài)需求的問題，需要通過工程措施進行調控，從區(qū)域外調水來滿足生態(tài)需水。

3 育樂垸河道外生態(tài)需水估算

河道外生態(tài)需水量取自河湖，是消耗性用水。根據(jù)育樂垸的自然、社會環(huán)境特點，河道外生態(tài)需水主要考慮植被生態(tài)需水、湖庫蒸發(fā)補水量與城鎮(zhèn)環(huán)境需水三部分[7]。

3.1 植被生態(tài)需水

根據(jù)育樂垸地區(qū)緯度情況(以南縣氣象站緯度值北緯29.37°為參考)，采用Penman-Monteith公式[8]計算可得育樂垸地區(qū)的參考作物蒸騰量，結果見表2。結合作物系數(shù)可以得到植被實際蒸散發(fā)量，從而估算當?shù)刂脖坏膶嶋H蒸散發(fā)量，結果見表2。

(2)

ET=cET0

(3)

式中：ET0為參考作物蒸發(fā)騰發(fā)量，mm；γ為濕度計常數(shù)；U2為距地面2m處的風速，m/s；ea為飽和水氣壓，hPa；ed為實際水氣壓，hPa；T為日均溫度，℃；Δ為飽和水汽壓-溫度曲線斜率；Rn為作物表面的凈輻射量，MJ/m3；G為土壤熱通量，此處可取0；ET為實際作物蒸發(fā)騰發(fā)量，mm；c為作物系數(shù)。各參數(shù)的具體計算方法參考相關文獻[9]。

育樂垸的土地利用情況見表3，根據(jù)當?shù)赝恋乩妙愋徒y(tǒng)計與計算得出的實際植被蒸騰量，根據(jù)下式可得植被總需水量，結果見表2。

(4)

式中：Wa為植被總需水量，萬m3；A為植被面積，km2。

在全部植被需水中，可以由天然降水滿足其中一部分，而為了確保植被的正常生長過程，降水無法滿足的部分需通過澆灌形式進行補充，以滿足當?shù)卣５闹脖簧鷳B(tài)秩序[10]。因此本文將降水無法滿足部分的植被需水視為當?shù)睾拥劳庵脖簧鷳B(tài)需水，具體結果見表2。經計算，全年植被生態(tài)需水總量為2212.24萬m3。

表2 河道外植被生態(tài)需水計算

表3 育樂垸地區(qū)土地利用情況

3.2 湖庫蒸發(fā)補水量

根據(jù)南縣氣象站的降水、蒸發(fā)系列數(shù)據(jù)，可得育樂垸地區(qū)月平均降水、蒸發(fā)情況，見表4。根據(jù)育樂垸土地利用情況資料，區(qū)內的湖泊、水庫等水體面積共10.2km2，利用式(5)可以得到每月湖泊的補水情況，即河道外湖庫蒸發(fā)補水量，結果見表4。經計算，當?shù)睾瓷鷳B(tài)需水為217.49萬m3。

(5)

式中：Wb為月補水量，即河道外湖庫蒸發(fā)補水量，萬m3；A為水面面積，km2；E為各月平均蒸發(fā)量，mm；P為各月平均降水量，mm。

3.3 城鎮(zhèn)環(huán)境需水

根據(jù)《湖南省用水定額》(DB43/T 388—2020)規(guī)定的城鎮(zhèn)環(huán)境用水定額，即澆灑道路和場地為2L/(m2·d)，公園、植物園為45L/(m2·月)，防護綠化為60L/(m2·月)，結合育樂垸內城鎮(zhèn)建成區(qū)的土地面積(見表5)，可得環(huán)境衛(wèi)生需水，即城鎮(zhèn)環(huán)境需水，結果見表6。

表5 城鎮(zhèn)土地利用情況

表6 河道外城鎮(zhèn)環(huán)境需水

4 育樂垸生態(tài)需水量

育樂垸生態(tài)需水量統(tǒng)計情況見表7，據(jù)此數(shù)據(jù)繪制圖5。由表7、圖5可以看出，年內育樂垸生態(tài)需水量峰值出現(xiàn)在5月，需水量達1549.5萬m3，而后經過一段時間的振蕩下降后，于9月達到年內谷底值，為340.7萬m3，而后將經歷一段較為穩(wěn)定的上升期。不同時期育樂垸的生態(tài)需水主要組成部分有所不同，通流期主要由河道內生態(tài)需水控制，而斷流期主要受河道外生態(tài)需水影響。通流期內南茅運河徑流量基本可以滿足當?shù)氐纳鷳B(tài)需水要求；而在斷流期內(11月、12月與1月)會發(fā)生較為嚴重的生態(tài)需水缺口，分別為44.2萬m3、369.3萬m3和419.4萬m3。

表7 育樂垸生態(tài)需水量統(tǒng)計 單位：萬m3

圖5 育樂垸生態(tài)需水統(tǒng)計情況

5 結 語

本文采用Tennant法、月保證率法以及最枯月平均流量法分別對育樂垸河道內生態(tài)需水量進行計算，綜合考慮月保證率法所得結果更能全面地適應育樂垸當?shù)氐乃h(huán)境、水生態(tài)情況，該方法所得河道內生態(tài)需水量為7917.6萬m3；通過分別計算植被生態(tài)需水、湖庫蒸發(fā)補水量、城鎮(zhèn)環(huán)境需水可得河道外生態(tài)需水總量為2597.9萬m3，可知育樂垸生態(tài)需水總量約為10515萬m3。以多年平均值計，通流期內南茅運河徑流量基本可以滿足當?shù)氐纳鷳B(tài)需水要求；而在斷流期內(11月、12月與1月)會發(fā)生較為嚴重的生態(tài)需水缺口，分別為44.2萬m3、369.3萬m3和419.4萬m3。研究結果有助于科學認識洞庭湖區(qū)尤其是斷流區(qū)的水資源演變規(guī)律，了解水文情勢與生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性之間的相互反饋關系。根據(jù)育樂垸河道外生態(tài)需水滿足度以及河道內生態(tài)需水的評價結果，結合當?shù)氐膶嶋H情況，建議通過由南茅運河南部茅草街鎮(zhèn)船閘從堤垸外提水、擴大垸內蓄存容量的工程措施及閘泵調度的非工程措施等進行調控，以提高生態(tài)需水的保障程度。