長豐河支流南河“水文完整性”健康評估及合理性分析

王樂文

(甘肅省天水水文站,甘肅 天水 741000)

1 項目背景

河流健康程度直接決定著河岸及周邊環(huán)境質(zhì)量,也與人類的健康息息相關。對河流健康狀況進行評估,對生態(tài)環(huán)境的保護具有很強的導向作用,也是河長制實施以來的一項長期工作。隨著社會的進步及人類生活水平的提高,河流生態(tài)成為人們最關心的話題之一[1]。在干旱半干旱區(qū)域,水量相對較少,對河流健康的關心則更為突出。在人類活動的影響下,水循環(huán)及其伴生的水生態(tài)、水環(huán)境和水沙過程發(fā)生了深刻變化,水多、水少、水渾、水生態(tài)退化與水管理缺失并存,人水關系愈加復雜,原有的生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、功能和水文過程受到了一定程度的影響[2]。對河流健康程度進行評估,可以為河流管理者提供必要的數(shù)據(jù)支持并發(fā)揮導向作用。

劉俊等[3]對陜西省渭河干流的河流健康程度作了評價,由于渭河是大于50km長度的河流,研究時將渭河干流劃分為10個評估河段,對渭河干流的流量過程變異程度、生態(tài)流量滿足程度等指標進行了評估,但在研究時未分析水資源開發(fā)利用率,而渭河水資源利用率較高,對水資源利用率指標缺乏研究,將影響整個河流健康評價的最終結(jié)果;李爽[4]采用模糊綜合評價模型,選取5個指標重新構(gòu)建了河流健康評價指標體系和標準等級;寇利卿[5]深入研究了拒馬河健康程度,研究認為,提高保證生態(tài)流量能力,修復河道生態(tài)環(huán)境,加大河道整治力度,保證河道的暢通是確保河流健康的重中之重,成縣南河流域地處徽成盆地西北方向,流域內(nèi)人類活動頻繁,是徽成盆地主要的工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)區(qū)域,因此,河流健康與否至關重要;杜斌[6]針對成縣南河流域的水污染開展了調(diào)查及分析研究,但忽略了流量等的變異過程;張兆新等[7]針對南河的徑流等開展了研究,結(jié)果表明:南河流域降雨和徑流年內(nèi)分配不均、徑流量年際變化大。歷史文獻中,無論是針對河流健康評估還是成縣南河流域的水文完整性的評估均少之又少。按照《河湖健康評估技術(shù)導則》(SL/T 793—2020)的要求,河流健康評估“水”準則層分為兩個亞準則層,分別是“水文完整性”和“化學完整性”[8]。水文完整性分為“水資源開發(fā)利用率”“生態(tài)流量滿足程度”兩個基本指標和“流量過程變異程度”一個備選指標,本文在評估時,選取水文完整性的兩個基本指標和“流量過程變異程度”這個備選指標進行評估。評估結(jié)論可為河流管理者提供數(shù)據(jù)支持,在南河河流治理方面也將起到一定的導向作用,對流域內(nèi)水資源開發(fā)利用、水生態(tài)修復具有深遠意義。

2 區(qū)域概況

成縣南河[9]流域?qū)匍L江流域嘉陵江水系,發(fā)源于隴南市成縣與西和縣交界的海酒山,源頭屬高山峽谷原始森林區(qū),源頭海拔2500m,河流全長48km,流域面積399.9km2,占長豐河流域總面積的34%,是長豐河的最大支流。其流域面積占成縣總面積的24%。南河流域全部在成縣境內(nèi),年徑流在100萬m3以上的支流有5條,主要為棋盤河、小川河等。多年平均年徑流量0.82億m3,流量為2.6m3/s。南河徑流年際變化大,流域內(nèi)降水量和徑流年內(nèi)分配不均勻,也有暴雨、洪水、泥石流,泥石流一般在雨后12h左右形成。流域內(nèi)植被覆蓋率高,水質(zhì)較好,含沙量小。中游植被較上游略有減少,區(qū)間內(nèi)分布有二郎鄉(xiāng)、陳院鎮(zhèn);下游屬人類活動密集區(qū),分布有拋沙鎮(zhèn)、城關鎮(zhèn)、支流豐泉河上游小川鎮(zhèn);河床縱坡14‰以上,上游狹陡,下游流經(jīng)拋沙鎮(zhèn)及成縣縣城,附近河床有砂質(zhì)堆積。

3 資料及研究方法

3.1 水資源開發(fā)利用率

水資源開發(fā)利用率是指開發(fā)利用水量與區(qū)域水資源總量之比,用以反映水資源利用的程度與水平。水資源開發(fā)利用率反映了社會活動對水量的影響,以及流域的開發(fā)程度。計算公式為

式中:WRUI為水資源開發(fā)利用率,%;WS為取水量,萬m3;WR為水資源總量,萬m3。

成縣南河處于長江流域嘉陵江水系,屬南方區(qū),賦分時按照南方區(qū)的標準賦分。水資源開發(fā)利用率評估賦分標準見表1。

表1 水資源開發(fā)利用率評估賦分標準

3.2 流量過程變異程度

流量過程變異程度是指河流評估基準年實測月徑流過程與天然月徑流過程的差異,由基準年逐月實測徑流量與天然月徑流量的平均偏離程度表達。計算公式見式(1)、式(2),賦分標準見表2。

表2 流量過程變異程度指標評估賦分標準

(1)

(2)

3.3 生態(tài)流量滿足程度

生態(tài)流量是指河流在自然狀態(tài)下,為維持河流生態(tài)環(huán)境所需的最基本的水量,常用的計算方法有Tennant法、90%保證率法、近10年最枯月流量法、流量歷時曲線法、濕周法等。其賦分標準見表3。

表3 河流生態(tài)用水滿足程度評估賦分標準

4 水文完整性指標計算及賦分

成縣水資源總量為12.76億m3,其中自產(chǎn)水資源量為3.31億m3。南河曾設有南河橋水文站,測站以上集水面積為375km2,僅有1985—1990年共6年的水文實測資料,不具有代表性。南河入河口下游1.1km的長豐河上設有成縣水文站,測站以上集水面積為1502km2,至2021年已有連續(xù)63年的水文實測資料,成縣站多年平均年徑流量為2.631億m3,汛期5—10月徑流量約占年徑流量的77.1%,枯期12月至次年3月徑流量約占年徑流量的12.9%。本次徑流分析計算依據(jù)成縣水文站的實測資料,采用水文比擬法、徑流深等值線法[10]推算南河的徑流量。水文比擬法計算公式為

(3)

式中:W評估河段為南河徑流量,萬m3;W成縣為成縣水文站徑流量,萬m3;F評估河段為斷面集水面積,km2;F成縣為成縣水文站控制面積,km2;α為徑流量修正系數(shù),取α=1.00。

徑流深等值線法通過查水文圖集得出數(shù)據(jù),計算徑流量。通過兩種不同方法計算南河多年平均徑流量,結(jié)果分別為:水文比擬法為0.7005億m3,徑流深等值線法為0.7998億m3,兩種計算方法結(jié)果相差993萬m3。2021年成縣水文站及南河各評估河段月徑流計算結(jié)果見表4。

表4 2021年成縣水文站月徑流量成果 單位:萬m3

利用水文比擬法計算分析范圍內(nèi)各評估河段的實測月徑流量,見表5。點繪磨壩村斷面、東郊村斷面、成縣站斷面的逐月流量過程進行對比,見圖1,可以看出流量過程基本一致,說明本次計算流量基本可靠。

圖1 評估斷面與成縣站逐月流量過程對比

表5 2021年南河各評估河段月徑流量成果 單位:萬m3

兩種計算方法基本原理相同,都是以成縣水文站資料為基礎。水文比擬法以成縣站1959—2021年水文實測資料為依據(jù),計算結(jié)果可反映出近年來徑流的變化情況,較真實可靠;徑流深等值線法成果是20世紀80年代依據(jù)現(xiàn)有水文測站的徑流資料,通過分析計算得出的大區(qū)域內(nèi)的徑流情況,有水文站點少、系列資料短的缺點,因此采用水文比擬法的計算結(jié)果更為可靠。

4.1 水資源開發(fā)利用率

根據(jù)成縣城市總體規(guī)劃綱要(2008—2025年),中心城區(qū)包括城關鎮(zhèn)、拋沙鎮(zhèn)及陳院鎮(zhèn),至遠期2025年人口要達到22萬,建設用地面積22km2,將建成城南、河東、拋沙3座水廠,城市供水總規(guī)模達6.5萬m3/d。

城區(qū)原供水主要以城南孫家壩3眼機井為水源,由成縣供排水公司負責向東河以西老城區(qū)供水,日最大供水量約為6580m3,另一處供水工程以高峰水庫作為補充水源,主要承擔東河以東的新城區(qū)的供水任務,供水能力不足2000m3/d。2019年7月成縣城區(qū)供水磨壩峽水源(水庫)工程建成后,成縣城區(qū)及周邊鄉(xiāng)鎮(zhèn)均由磨壩峽水庫統(tǒng)一供水,原供水水源停供,作為備用水源。根據(jù)磨壩峽水庫管理所提供的供水量資料,確定近2年年平均供水量為900萬m3,表明開發(fā)的南河流域水資源主要用于城區(qū)供水,南河水資源利用率為12.8%。

南河為河源溪流,磨壩峽以上為水源保護區(qū),沿線多為海拔較高的山地地帶,流域開發(fā)利用程度低,通過計算得出,南河水資源開發(fā)利用率指標值賦分為100分。

4.2 流量過程變異程度

流量過程變異程度研究分為兩個河段進行,分別是磨壩村以上河段、東郊村以上河段。磨壩村以上河段開發(fā)利用程度較低,區(qū)域內(nèi)無工業(yè)用水,只有二郎鄉(xiāng)全部及陳院鎮(zhèn)極少部分居民生活用水,而且在人口聚集的村鎮(zhèn)采用地下水集中供水,只有極少部分散居戶引用山泉水,對天然徑流總量及分配過程影響較小,評估基準年流量過程變異程度在0.05以內(nèi),因此流量過程變異程度指標賦分為100分;南河下游東郊村河段為成縣城區(qū),區(qū)域內(nèi)人口、工商業(yè)戶眾多,用水需求量大,全部由磨壩峽水庫供給,對天然徑流總量及分配過程影響較大,評估基準年流量過程變異程度為0.43,按照線性插值法計算流量過程變異程度指標賦分為47.3分。磨壩村以上河段長36.2km,東郊村以上河段長11.8km,占比分別為0.75和0.25,以河長占比為權(quán)重,計算得南河流量過程變異程度指標綜合賦分為86.8分。

4.3 生態(tài)流量滿足程度

分別計算南河4—9月及10月至次年3月最小日均流量占相應時段多年平均流量的百分比。經(jīng)統(tǒng)計,成縣水文站多年平均流量為8.33m3/s;2021年4—9月最小日平均流量為2.31m3/s,2021年10月至2022年3月最小日平均流量為2.31m3/s。經(jīng)過計算得出南河各評估河段流量,見表6。

表6 南河2021年各評估河段流量計算

根據(jù)兩個評估河段多年平均流量、各評估河段2021年10月至2022年3月最小日均流量、4—9月最小日均流量,進行賦分,生態(tài)流量保障程度指標最終賦分見表7和表8。

表7 磨壩村段生態(tài)用水滿足程度指標賦分計算

表8 東郊村段生態(tài)用水滿足程度指標賦分計算

根據(jù)兩個評估河段生態(tài)用水滿足程度指標賦分值,得到南河生態(tài)流量用水滿足程度指標EFr值為80分。按照《河湖生態(tài)需水評估導則》(SL/Z 479—2010)[11],河流生態(tài)需水可采用流量歷時曲線法計算,采用30年以上的系列流量資料,構(gòu)建各月流量歷時曲線,將90%或95%頻率對應的流量作為生態(tài)流量。選取成縣水文站1959—2021年歷年最枯月平均流量進行頻率計算,得出成縣站多年最枯月平均流量為1.89m3/s,查《甘肅省水文圖集》Cv=0.5,Cs/Cv=2.5,90%保證率時Kp=0.47,則保證率流量為0.89m3/s,根據(jù)水文比擬法計算,得出南河生態(tài)需水量為0.24m3/s,為南河多年平均流量的10.8%,與山區(qū)性河流特性相吻合。由此可見,南河生態(tài)流量用水滿足程度指標賦分較為合理。

5 南河“水文完整性”賦分及健康評估

水文完整性亞準則層分值根據(jù)水資源開發(fā)利用率、流量過程變異程度、生態(tài)流量滿足程度等3個指標分值和權(quán)重綜合計算,得分為89.4分,見表9。

表9 南河水文完整性亞準則層賦分

6 結(jié)論及建議

6.1 結(jié)論

本文通過南河“水文完整性”亞準則層中水資源開發(fā)利用率、生態(tài)流量滿足程度和流量過程變異程度計算,結(jié)合現(xiàn)有資料的收集調(diào)研,按照《河湖健康評估技術(shù)導則》(SL/T 793—2020)的要求,采用分級指標評分法,逐級加權(quán),對成縣南河流域水文完整性進行了深入的研究,主要得出以下結(jié)論:水資源開發(fā)利用率為12.8%,賦分100分;生態(tài)流量滿足程度賦分為80分;流量過程變異程度賦分86.8分。三項指標按照權(quán)重計算,最終得到南河河流“水文完整性”亞準則層健康指數(shù)為89.4分。

對比河湖健康評估分級表,確定南河水文完整性健康評估結(jié)論為:南河河流“水文完整性”亞準則層為健康狀態(tài),水資源開發(fā)利用率低,流量變異程度小,生態(tài)流量滿足保障較好。

6.2 建議

建議促進南河流域治理體系和治理能力現(xiàn)代化,持續(xù)改善南河河流面貌,大力推進南河流域綜合治理,強化各級政府在河湖規(guī)劃管理和水資源統(tǒng)一調(diào)度、管理和綜合執(zhí)法等方面的職能。成縣南河水文完整性評估結(jié)果為健康,需要通過小流域綜合管理,尊重自然、順應自然、保護自然的理念,處理好河湖管理保護與開發(fā)利用的關系,強化規(guī)劃約束,促進河流休養(yǎng)生息、維護河流生態(tài)功能,逐步提高南河流域水文完整性健康水平。