徑流季節(jié)變化對清水河河道生態(tài)環(huán)境需水量的影響

李薛鋒, 尹 娟, 邱小琮

(1.寧夏吳忠市鹽池縣水務(wù)局, 寧夏 鹽池 751500; 2.寧夏大學(xué)土木與水利工程學(xué)院, 寧夏 銀川 750021; 3.寧夏大學(xué) 生命科學(xué)學(xué)院, 寧夏 銀川 750021)

生態(tài)環(huán)境需水量是維持河道生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定，能夠正常發(fā)揮其生態(tài)功能所需水量，是水資源進行合理配置的基礎(chǔ)性工作[1]。河流生態(tài)環(huán)境需水根據(jù)其要求的功能不同分為兩大類：河道內(nèi)生態(tài)環(huán)境需水和河道外生態(tài)環(huán)境需水[2-3]。河道內(nèi)生態(tài)環(huán)境需水包括基礎(chǔ)生態(tài)、自凈、蒸發(fā)、滲漏和輸沙需水量等幾部分，河道外生態(tài)環(huán)境需水包括濕地、植被、城市等的生態(tài)環(huán)境需水量[2-3]。水是維持河流系統(tǒng)結(jié)構(gòu)并發(fā)揮正常功能的介質(zhì)和動力，保證河道內(nèi)有足夠的水量以滿足河道生態(tài)系統(tǒng)與環(huán)境的需要，對于水環(huán)境安全和水生態(tài)系統(tǒng)健康具有十分重要的意義。

清水河(東經(jīng)105°32′19.69″—106°10′42.80″，北緯37°29′17″—36°08′53″)是黃河一級支流，地處寧夏回族自治區(qū)中部干旱半干旱區(qū)，發(fā)源于固原市開城鄉(xiāng)，干流總河長320 km，河源海拔高程2 480 m，河口海拔高程1 192 m，河道平均比降1.49‰。清水河屬于典型季節(jié)性河流，河道年均徑流量很小，流域徑流時空分布不均，多年平均降水量僅335 mm，多年平均水面蒸發(fā)量 1 272 mm，干旱指數(shù) 3.8。清水河流域水資源問題突出，量少質(zhì)差，多年平均地表水資源量不足，流域水土流失嚴重，年均含沙量極高，水生態(tài)環(huán)境十分脆弱[4]。孟祥儀[5]基于清水河沿岸污染現(xiàn)狀，進行了水環(huán)境質(zhì)量預(yù)警研究；李帥等[6]基于SWAT模型對清水河的徑流趨勢進行模擬預(yù)測；和志國等[4]研究了清水河下游泉眼山斷面處的生態(tài)基流。然而生態(tài)環(huán)境需水量是緩解河流生態(tài)持續(xù)惡化、保證河流生態(tài)健康穩(wěn)定發(fā)展的關(guān)鍵。目前有關(guān)清水河生態(tài)環(huán)境需水的研究很少。因此，本文對地處寧夏中部干旱半干旱區(qū)的清水河生態(tài)環(huán)境需水量進行研究，旨在深刻了解該流域的水文循環(huán)過程，并通過合理估計需水量，科學(xué)提升清水河生態(tài)環(huán)境功能，更好地為該地區(qū)水資源合理調(diào)配以及優(yōu)化提供依據(jù)。

本研究根據(jù)清水河徑流季節(jié)性變化特點和多年水文變化特征，在空間上選取清水河河道不同斷面計算河流生態(tài)環(huán)境需水量。結(jié)合清水河干流典型水文觀測站的空間位置，將其劃分為3個斷面： ①開城—固原水文站為上游段； ②固原—韓府灣水文站為中游段； ③韓府灣—泉眼山水文站為下游段。根據(jù)流域的自然環(huán)境特點將河道生態(tài)環(huán)境需水量分為河道基礎(chǔ)生態(tài)需水量、蒸發(fā)需水量、輸沙需水量以及水體自凈需水量進行計算，最終將各部分有效值加和求得清水河河道生態(tài)環(huán)境需水總量。

1 材料與方法

1.1 水文數(shù)據(jù)來源

本次研究計算所用的徑流量、降水、蒸發(fā)等水文數(shù)據(jù)資料由寧夏回族自治區(qū)水文水資源勘測局提供，根據(jù)河流水文特性，選取固原、韓府灣和泉眼山3處具有較長系列水文資料的水文站進行相關(guān)研究分析。

1.2 水質(zhì)數(shù)據(jù)來源

在清水河河道設(shè)置18個水質(zhì)監(jiān)測斷面，于2019年平(4月)、豐(7月)、枯(11月)不同來水期采集水樣。研究區(qū)域采樣點見表1，水文站分布狀況如圖1所示。

圖1 清水河水文站及采樣點位置示意圖

根據(jù)孟祥儀[5]關(guān)于清水河水質(zhì)預(yù)警研究，并考慮到河岸帶附近工業(yè)、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)對水質(zhì)的主要影響作用，本次研究選取氨氮(NH3-N)、總氮(TN)、總磷(TP)、高錳酸鹽指數(shù)(CODMn)、5日生化需氧量(BOD5)5個主要水質(zhì)污染指標進行測定分析。NH3-N采用納氏試劑分光光度法(HJ535-2009)測定，TN采用堿性過硫酸鉀消解紫外分光光度法(HJ632-2012)測定，TP采用鉬酸銨分光光度法(HJ670-2013)測定，CODMn采用高錳酸鉀法(GB11892-89)測定，BOD5采用稀釋與接種法(HJ535-2009)測定。

表1 清水河各采樣點編號及位置

1.3 清水河河道生態(tài)環(huán)境需水量的構(gòu)成

清水河流域地處寧夏干旱半干旱區(qū)，多年平均地表水資源量不足，量少質(zhì)差，流域水土流失嚴重，年均含沙量極高，因而清水河有輸沙、排沙功能要求，故應(yīng)考慮其河道輸沙需水量的計算?；谇逅由鷳B(tài)現(xiàn)狀以及其排水、輸沙、生態(tài)、水土保持的功能特點，本文主要估算清水河河道需水量。綜上所述，清水河河道生態(tài)需水量應(yīng)包括河道基礎(chǔ)生態(tài)需水量、蒸發(fā)需水量、輸沙需水量以及水體自凈需水量，計算模型構(gòu)成如下：

QR=max〔QV+QJ〕+QZ+QS

(1)

式中：QR為河道生態(tài)環(huán)境需水量(m3);QV為河道基礎(chǔ)生態(tài)需水量(m3);QJ為水體自凈需水量(m3);QZ為蒸發(fā)需水量(m3);QS為輸沙需水量(m3)。

1.3.1 河道基礎(chǔ)生態(tài)需水量 Montana(Tennant)法[7]是根據(jù)河道目標生態(tài)功能和時期不同，以其相對天然徑流量的推薦百分比為基礎(chǔ)計算水量。該方法可分為8個等級，推薦流量的百分比依據(jù)豐水期、枯水期以及目標不同進行選定。根據(jù)楊志峰等[8]生態(tài)需水理論，一般枯水期(即10月至翌年3月)最小的河道基礎(chǔ)生態(tài)需水計算取多年月平均徑流量的10%，豐水期(即4—9月)則取多年月平均徑流量的30%進行計算。清水河是典型季節(jié)性河流，豐水期和枯水期要求顯然不同，Tennant法適合清水河需水量研究計算。根據(jù)水文站提供的實測數(shù)據(jù)資料分析，選擇代表性較好，水文資料較完整的2005—2018年13 a實測月平均徑流作為需水量計算推薦值。

1.3.2 蒸發(fā)需水量 蒸發(fā)需水量[9]是指補充河道用于蒸發(fā)損失水量。一般認為當(dāng)水面蒸發(fā)強度大于降雨強度時，需要進行補充河道用于蒸發(fā)的水量，補充的水量是水面蒸發(fā)需水。一般考慮情況如下[10]：

E>P時QZ=A×(E-P)

E

(2)

式中：QZ為蒸發(fā)需水量(m3);A為平均水面面積(km2);E為平均蒸發(fā)量(mm);P為平均降雨量(mm)。

1.3.3 水體輸沙需水量 水體輸沙需水量[11]是為滿足河流的輸沙、排沙功能要求，并維持一定的水沙平衡所需的水量。計算公式如下：

(3)

(4)

式中：QS為水體輸沙需水量(m3);S為年平均輸沙量(t);Cmax為年最大月含沙量的平均值(kg/m3)。

1.3.4 水體自凈需水量 水體自凈需水量[12]是河道水質(zhì)受到污染為維持其生態(tài)環(huán)境功能需要對其進行稀釋所需的水量。經(jīng)過對《2019年寧夏統(tǒng)計年鑒》資料查閱工廠沿河附近位置和實地考察，主要的污水排放口在清水河上游固原段原州區(qū)沿岸處，其他較小的主要分布在清水河中游同心縣處，下游段污染排放相對較輕?？紤]清水河的水環(huán)境污染主要是流經(jīng)城市段的污水排放，本文采用王順久等[13]針對城市河流污染稀釋凈化需水量計算方法，通過繪制月最枯河道流量Q與累計頻率p的Q—P關(guān)系曲線，找到p=90%時曲線對應(yīng)月的河道內(nèi)流量，以此作為水體自凈需水量估計值的基礎(chǔ)流量。

(5)

2 結(jié)果與分析

2.1 基礎(chǔ)生態(tài)需水量估算

根據(jù)表2典型水文站多年實測月流量情況，清水河上、中、下游的河道徑流量受降雨影響，季節(jié)性變化很明顯。本文以固原、韓府灣、泉眼山3個典型水文站進行斷面劃分，依據(jù)蒙大拿法(Tennant)，按照枯水期和豐水期的不同基流的百分比，計算得出清水河年均月河道基本生態(tài)環(huán)境需水量并估計全年平均需水量。從表2可以看出，清水河上游段全年需水相對中上游段需水量較小，僅2.27×105m3，其中8月多年平均月需水量最高，為2.61×105m3；下游段河道需水量無論按月或者按年均都是最大，且需水量明顯超過中上游，多年平均月需水量最高達到1.35×107m3。根據(jù)清水河水系構(gòu)成，造成下游的需水量偏高的原因主要是中下游的支流匯入干流，流量增大，依據(jù)Tennant法計算的需水量認為與流量存在正相關(guān)關(guān)系，故河道基礎(chǔ)生態(tài)需水量也會增加。

表2 清水河河道基礎(chǔ)生態(tài)需水量

2.2 蒸發(fā)需水量估算

清水河流域地處寧夏中部干旱半干旱區(qū)，降雨量遠遠小于蒸發(fā)量，屬于典型干旱半干旱區(qū)水文特征流域。根據(jù)清水河流域水文站多年實測降雨蒸發(fā)資料分析計算出清水河上游段實際水面年均蒸發(fā)量為945.7 mm，中游段為1 285.5 mm，下游段為1 328 mm。清水河干流水面面積依據(jù)谷歌地圖獲得，上游段水面面積為2.72 km2，中游段為4.21 km2，下游段7.46 km2。將蒸發(fā)量代入公式(2)，蒸發(fā)需水量計算結(jié)果見表3。

表3 清水河河道蒸發(fā)需水量

2.3 輸沙需水量估算

寧夏干旱少雨，植被稀少，水土保持功能較差，大多數(shù)河流水土流失現(xiàn)象較重，致使泥沙淤積。清水河是黃河寧夏段的第一大支流，含沙量極高。根據(jù)1998—2011年的水文資料分析，清水河流域輸沙量年內(nèi)分配極不均勻，其中絕大部分集中在汛期7，8，9月，輸沙量占全年的80%以上，這種高含沙水流與汛期暴雨洪水有直接關(guān)系，非汛期枯水期11月至次年3月含沙量很小。通過計算得出清水河固原水文站上游段的年最大月含沙量為33.66 kg/m3，輸沙總量為4.90×104t；韓府灣水文站中游段的年最大月含沙量為221.6 kg/m3，輸沙總量為9.63×106t；泉眼山水文站下游段的年最大月含沙量為217.9 kg/m3，年均輸沙總量為2 452×107t。依據(jù)公式(3)—(4)計算河流輸沙需水量。清水河輸沙需水量計算結(jié)果見表4。

表4 清水河河道輸沙需水量

從輸沙需水計算結(jié)果可以看出，輸沙需水量與年均輸沙總量成正相關(guān)關(guān)系，且中下游明顯大于上游段。這種情況是合理的，由于清水河從源頭到入黃口沿程支流較多，其中8條為二級支流，支流攜帶大量泥沙匯入干流，清水河中下游流量隨之增加的同時含沙量也增加，因此需要更多的水量來滿足河流的輸沙功能，減少淤積。

2.4 水體自凈需水量估算

經(jīng)過對《2019年寧夏統(tǒng)計年鑒》資料查閱和實地考察，主要的污水排放口有兩個在清水河上游固原段原州區(qū)沿岸處，其他的主要分布在清水河中游同心縣處，下游段污染排放較少。根據(jù)研究中布設(shè)的上、中、下游各個斷面水質(zhì)監(jiān)測點測得各斷面水質(zhì)評價指標的濃度，對清水河的豐、平、枯3個不同的年內(nèi)水期實測水質(zhì)指標通過主成分分析后進行因子荷載矩陣旋轉(zhuǎn)，確定出各個主成分的對水體污染影響較大的因子(見表5)。依據(jù)清水河水質(zhì)標準，本文以水質(zhì)控制目標為《地表水環(huán)境質(zhì)量標準》(GB3838-2002)規(guī)定的Ⅳ類，通過公式(5)計算出污染指數(shù)。為保證稀釋后水環(huán)境達到水質(zhì)標準，本文選擇指數(shù)最大的指標，依據(jù)公式3計算水體自凈需水量，其中各斷面90%保證率最枯月均流量由頻率分布曲線確定，上游段各斷面90%保證率最枯月均流量為0.042 m3/s，中游段各斷面90%保證率最枯月均流量為 0.09 m3/s，下游段各斷面90%保證率最枯月均流量為0.74 m3/s。通過實測水質(zhì)資料分析，上游主要是由于固原段熱電廠生產(chǎn)排放廢水中的總氮(TN)、氨氮(NH3-N)、總磷(TP)含量較高，中下游主要是由于水中氟化物(以F-離子計)和5日生化耗氧量BOD5的濃度過高導(dǎo)致水質(zhì)較差。分別計算污染指數(shù)并排序，最后根據(jù)公式(5)計算出清水河河道水體自凈需水量，結(jié)果見表5。

表5 清水河河道水體自凈需水量

2.5 河道生態(tài)環(huán)境需水總量計算

根據(jù)公式(1)采用耦合的計算方法計算生態(tài)環(huán)境需水總量，結(jié)果見表6。清水河河道年需水總量為2.25×108m3，其中上游年需水總量為6.29×106m3，其組成為蒸發(fā)需水量、輸沙需水量和水體自凈需水量，水體自凈需水量高于基礎(chǔ)生態(tài)需水量，二者取其最大值。蒸發(fā)需水量2.57×106m3，占總需水量的40.92%，輸沙需水量1.46×106m3，占總需水量的23.15%，水體自凈需水量2.26×106m3，占總需水量的35.93%。

表6 清水河河道生態(tài)環(huán)境需水總量

在總需水量中蒸發(fā)需水量和水體自凈需水量占比較高。中游年需水總量為6.57×107m3，其組成為基礎(chǔ)生態(tài)需水量1.68×107m3，占總需水量的25.58%，蒸發(fā)需水量5.41×106m3，占總需水量的8.24%，輸沙需水量4.35×107m3，占總需水量的66.18%。中游水質(zhì)較好，水體自凈需水量較少，不能滿足基礎(chǔ)生態(tài)需水量，因此需水總量組成為基礎(chǔ)生態(tài)需水量、蒸發(fā)需水量和輸沙需水量。中游段河水含沙量大大增加，輸沙需水量在總需水量中比例很高，達到了66.18%。下游年需水總量為1.65×108m3，其組成為蒸發(fā)需水量、輸沙需水量和水體自凈需水量，水體自凈需水量高于基礎(chǔ)生態(tài)需水量，二者取其最大值。蒸發(fā)需水量9.91×106m3，占總需水量的6.01%，輸沙需水量1.12×108m3，占總需水量的68.11%，水體自凈需水量4.26×107m3，占總需水量的25.88%。下游水質(zhì)較差，且含沙量高，因此輸沙需水量和水體自凈需水量占總需水量的絕大部分。

3 討 論

對于干旱半干旱區(qū)河流的生態(tài)環(huán)境需水研究，李俊峰等[14]確定了瑪納斯河流域不同區(qū)段的生態(tài)與環(huán)境需水量，包括下游、中游、上游區(qū)段的需水量。胡順軍等[15]確定了塔里木河干流流域防治耕地鹽堿化的生態(tài)需水量定額。張永明等[16]建立了河道自凈需水量模型并計算了塔里木河河道新渠滿水文站斷面的自凈需水量。葉朝霞等[17]選擇濕周法中的曲率法估算了塔里木河下游斷流河道最小生態(tài)流量。藍利[18]在考慮輸沙需水和自凈需水情況下計算了葉爾羌河干流段河道內(nèi)全年河道內(nèi)生態(tài)需水量。河流生態(tài)環(huán)境需水指維持一定生態(tài)系統(tǒng)功能和水質(zhì)目標下客觀需求的水量，由于所研究區(qū)域的具體情況不同，生態(tài)環(huán)境需水研究的具體對象也應(yīng)該有所不同。干旱半干旱區(qū)河流生態(tài)環(huán)境需水應(yīng)該包括維持水生生物生存所需水量、河道水面蒸發(fā)量、河岸植被需水量、輸沙需水量、水體自凈需水量、恢復(fù)和維持植被適宜地下水位所需水量等。生態(tài)環(huán)境需水的研究必須基于一定區(qū)域的具體生態(tài)系統(tǒng)組成、生態(tài)水資源的結(jié)構(gòu)、水質(zhì)現(xiàn)狀以及區(qū)域生態(tài)環(huán)境保護的水資源利用途徑，需要與研究區(qū)的社會、經(jīng)濟及生態(tài)環(huán)境條件相一致，并與可持續(xù)發(fā)展目標相協(xié)調(diào)[19]。

清水河地處寧夏干旱半干旱區(qū)，年蒸發(fā)量遠遠高于降水量，蒸發(fā)需水量是清水河河道生態(tài)環(huán)境需水量的重要組成部分，尤其是上游，占到總需水量的40.92%。水體自凈需水量在清水河生態(tài)環(huán)境需水量中所占比例也較大，上游比例為35.93%，下游比例為25.88%，河水污染物超標正在成為清水河水質(zhì)的基本制約因素，污染物量較多需要凈化是造成總需水量大的主要原因。輸沙需水量在清水河河道生態(tài)環(huán)境需水量中所占比例最大，上游為23.15%，而中、下游則均超過60%，泥沙含量高是清水河需水量高的最主要因素。對清水河而言，其河道生態(tài)環(huán)境需水量與泥沙含量和水質(zhì)有著直接的關(guān)系，泥沙含量高，河水污染物超標，生態(tài)環(huán)境需水量在一段時間內(nèi)將很難得到滿足。

4 結(jié) 論

本文結(jié)合干旱半干旱地區(qū)的水文生態(tài)特征，提出了地處寧夏干旱半干旱區(qū)的清水河河道生態(tài)環(huán)境需水的內(nèi)涵，分析得出適用于干旱半干旱區(qū)生態(tài)環(huán)境需水量的估算方法，對于寧夏其他河流生態(tài)環(huán)境需水的研究具有重要參考價值，也可為其他相似研究提供借鑒。

(1) 清水河河道生態(tài)環(huán)境需水量包括河道基礎(chǔ)生態(tài)流量、蒸發(fā)需水量、輸沙需水量及水體自凈需水量，考慮到基礎(chǔ)生態(tài)流量與水體自凈需水量存在重復(fù)部分，故取其中最大值。最終得出清水河河道上游段的年需水總量為6.29×106m3，中游段的年需水總量為6.57×107m3，下游段的年需水總量為1.65×108m3。

(2) 蒸發(fā)需水量是清水河河道生態(tài)環(huán)境需水量的重要組成部分，水體自凈需水量在清水河河道生態(tài)環(huán)境需水量中所占比例也較大，河水污染物超標正在成為清水河水質(zhì)的基本制約因素，污染物量較多需要凈化是造成總需水量大的主要原因。輸沙需水量在清水河河道生態(tài)環(huán)境需水量中所占比例最大，泥沙含量高是清水河需水量高的最主要因素。清水河河道生態(tài)環(huán)境需水量與泥沙含量和水質(zhì)有著直接的關(guān)系，減少污染物排放，降沙控沙，同時構(gòu)建和恢復(fù)健康的水生生態(tài)系統(tǒng)，提高水體的自凈能力，是提高清水河的生態(tài)環(huán)境功能和保證河流系統(tǒng)內(nèi)充足生態(tài)環(huán)境需水量的主要措施。