生態(tài)需水理論在金塔區(qū)供水工程中的應用

周晨暉

(塔城水利設計研究院有限公司,新疆 塔城 834700)

1 生態(tài)需水的內涵

1.1 生態(tài)需水的概念

由于生態(tài)需水的復雜性,目前并未形成統(tǒng)一的概念。在國內外現有的研究中,學者對生態(tài)需水的界定多達幾十種。我國1990年的《中國水利百科全書》將生態(tài)需水定義為“改善水質、協調生態(tài)和美化環(huán)境等的水量”;由中國工程院組織43位院士和近300位院外專家參加完成的《21世紀中國可持續(xù)發(fā)展水資源戰(zhàn)略研究》認為:廣義的生態(tài)需水量,是指“維持全球生物地理生態(tài)系統(tǒng)水分平衡所需用的水,包括水熱平衡、水沙平衡、水鹽平衡等”;狹義的生態(tài)需水量,是指“為維護生態(tài)環(huán)境不再惡化并逐漸改善所需要消耗的水量”[1]。

1.2 生態(tài)需水的特性

1.2.1 時空特性

首先,生態(tài)需水具有時空變化的特征,不同時間和空間的生態(tài)需水具有差異。例如:生態(tài)需水在年內和年際之間有所變化,干旱區(qū)、濕地、湖泊、林地和綠洲等生態(tài)分區(qū)所需的生態(tài)水量也不相同。因此,在保證一定時間內的總生態(tài)需水量的同時,也要確保生態(tài)需水在不同區(qū)域之間分布的合理性。

1.2.2 質量共存特性

生態(tài)需水也是水資源,作為水資源應同時具備“質”、“量”特性,“質”、“量”缺一不可。近年來,隨著人類活動的不斷加劇,水環(huán)境質量逐漸下降,水質污染已成為目前急需解決的一大難題。因此,在保證生態(tài)需水總量得到滿足的前提下,更要滿足生態(tài)環(huán)境的水質的要求。

1.2.3 動態(tài)變化特性

生態(tài)需水的本質是維持某種生態(tài)系統(tǒng)平衡所需要的水量,如:滿足微生物、植物、動物等生命體對水量的需求。然而,各類生命體的生物特征總在不斷演替、動態(tài)變化,因此,動態(tài)變化是生態(tài)需水的一大顯著特性。

1.2.4 特定目標特性

由于生態(tài)系統(tǒng)的功能具有多樣性且系統(tǒng)內物種繁多,各物種對生態(tài)需水的要求各不相同。因此,生態(tài)需水規(guī)則的制定應針對某一特目標,在確定生態(tài)需水量之前,應當先確定生態(tài)保護目標。

1.2.5 閾值特性

生態(tài)需水具有一定的變動范圍,在此變動范圍內可使得生態(tài)系統(tǒng)基本功能不被破壞。因此,存在一個臨界值,生態(tài)系統(tǒng)在臨界值范圍內時能夠維持現狀;當超越此臨界值,系統(tǒng)的某些基本功能就會明顯減弱,系統(tǒng)健康就會受到損害并趨于惡化甚至衰亡[2]。

2 國內外研究進展

2.1 國外研究進展

國外對生態(tài)需水的研究可追溯到20世紀40年代,美國魚類和野生動物保護協會對河道內需水進行研究;20世紀60～70年代,研究者采用了河道內需水法來計算景觀河流的需水量;同時探討河道最小需水及其確定方法,并取得了初步性研究成果;在20世紀80年代初期,生態(tài)需水分配研究的雛形在國外形成,生態(tài)需水計算方法逐漸完善[3]。

國外早期的生態(tài)需水研究以滿足河流的航運功能而進行;隨著河流污染問題的加劇,國外學者開始對最小可接受需水進行研究;隨著人類活動的加劇和水環(huán)境的惡化,河流生態(tài)系統(tǒng)結構和功能遭到破壞,為恢復河流生態(tài)系統(tǒng)功能,生態(tài)可接受流量范圍的研究逐漸展開[4-5]。

2.2 國內研究進展

我國對生態(tài)需水的研究始于20世紀后期,研究者在引進國外生態(tài)需水計算方法的同時,結合國內實際,發(fā)展了諸多適用于國內地區(qū)的生態(tài)需水計算方法,取得了較大的進展。如:2005年,鮑衛(wèi)鋒等建立了不同標準下的生態(tài)需水分類體系,并以西北黃土高原地區(qū)延安市為例,詳細計算了河道內及河道外生態(tài)需水;2007年,董福平等在分析不同級別的流量出現頻率的基礎上,提出了計算河流生態(tài)用水的方法[6-7]。上述方法為生態(tài)需水的準確計算及后續(xù)研究提供了思路。2012年,韓振華等構建了識別性生態(tài)需水計算模型,對閩江流域非汛期、魚類產卵期、汛期3個時段的生態(tài)需水進行了計算,為其水資源和水環(huán)境的綜合治理提供了參考[8]。從以上研究可看出,近年來生態(tài)徑流量的研究正日趨成熟。

3 生態(tài)需水計算方法

目前,計算生態(tài)需水的方法主要有水文學法、水力學法、棲息地法和整體分析法。

3.1 水文學法

水文學方法計算生態(tài)需水時是基于某一頻率的流量,該方法是我國計算生態(tài)徑流量較為常用的方法,此方法計算簡單,可使計算結果和水資源規(guī)劃更好地結合,雖需要時間序列比較長的流量資料,但較易獲得,因此常被運用于實際計算中。

3.2 水力學法

水力學方法計算生態(tài)需水時,首先需要收集現場數據,通過數據分析來建立流量與棲息地因子之間的相關關系,根據此相關關系來確定生態(tài)需水。該方法需要現場數據,需要較長的時間和較大的人力和物力,但該數據的測量較為簡單,獲取相對容易,也被學者運用于計算中。

3.3 棲息地法

棲息地法目前被認為是最可信的評價方法,該方法計算生態(tài)需水時,是基于某特定的物種對水力條件的要求,進來求得生態(tài)需水量。該方法遵循生物原則、一般以某種特定的生物為研究對象,可定量化地將生物資料和需水量進行結合,因此比起其他方法更可信。

3.4 整體分析法

該方法是從研究區(qū)生態(tài)環(huán)境整體出發(fā),集中相關學科的專家小組意見,通過綜合研究河道內流量、泥沙運輸、河床形狀與河岸帶群落之間的關系確定流量的推薦值,并要求這個推薦值能夠同時滿足生物保護、棲息地維持、泥沙沖淤、污染控制和景觀維持等整體生態(tài)功能[9]。

4 實例分析

4.1 工程概況

托里縣廟爾溝鎮(zhèn)金塔區(qū)供水工程位于托里縣境內的柳樹溝河上,是一座以城鎮(zhèn)生活和工業(yè)用水為主,兼顧綠化用水的綜合供水工程。供水工程由取水工程和輸水工程兩部分組成,取水工程為柳樹溝渠首工程,輸水工程為暗渠結合管道。

擬建渠首工程位于柳樹溝河出山口處,壩址斷面多年平均徑流量為1190×104m3,年可取水量為417.7×104m3,引水流量0.28 m3/s,正常運行水位850.0m,20a一遇洪峰流量45.1 m3/s,設計洪水位851.01m,50a一遇洪峰流量60.6 m3/s,校核洪水位851.23m。

輸水工程總長19.625km,設計流量為0.28～0.139m3/s。其中渠首至分水池段,全長7.23km,設計流量為0.28m3/s;分水池至水廠段,全長10.545km,設計流量為0.219～0.139m3/s;水廠至金塔區(qū)輸水管道總長1.85km,設計流量為0.262m3/s。

托里縣廟爾溝鎮(zhèn)金塔區(qū)供水工程建成后可以保障柳樹溝河下游廟爾溝鎮(zhèn)金塔區(qū)、招金北疆礦業(yè)和廟爾溝鎮(zhèn)金塔區(qū)周邊綠化用水要求。

4.2 流域概況

柳樹溝河發(fā)源于加依爾山東南坡,河流平、枯水期河水主要靠泉水及河道側滲補給,汛期則由積雪融水和降水補給河流,河流流程長,沿途下滲、蒸發(fā)量較大,河流到下游出山口后水量逐漸減小。河流出山口以上區(qū)域,河流發(fā)育較顯著,河道下切較深,岸邊比較規(guī)則,寬度變化不大,河床較穩(wěn)定,河道平均坡降19.6‰。出山口以下河段,河流切開山前洪積扇后流向南,最后散失于洪積扇緣潛水溢出帶的沼澤、濕地。以擬建水源工程渠首處為控制斷面,河長77km,集水面積1851km2。斷面多年平均徑流量為1080×104m3。

4.3 生態(tài)環(huán)境概況

加依爾山位于莫湖臺洼地的南緣,最高點海拔2026m,山脈呈東北-西南走向,西南端與瑪依勒山連接,東北端尖滅于鐵木耳達門谷地,區(qū)域中部分布有許多山間封閉洼地。

海拔1500m以上區(qū)域,在整個流域內所占面積較小,由于地勢高,西來水汽受阻易形成降水,年降水量200～300mm,夏季氣候涼爽,牧草繁茂,是優(yōu)良的夏牧場。山體陰坡和河谷內主要混生有云衫、柳樹、白樺、苦楊等喬木和灌木混生林,另外在西南部的博依達斯怕依附近零星分布有小面積的灌木叢林。

海拔1500m以下至出山口低山丘陵區(qū)域,山體地勢低,降水減少,氣候干燥,風大,山體破碎,巖石裸露,風蝕地貌尤為明顯。本區(qū)域主要為冬牧場和少部分春秋牧場,地表植被以蒿屬和旱生灌木為主,呈干旱荒漠草原景觀,只在山間溝谷生長有柳樹、白樺、苦楊等喬木林。

出山口以下區(qū)域,地貌類型以平坦的沖積平原為主,本區(qū)域由于地勢較低,加上準噶爾盆地地形的強烈影響,氣候干旱,年降水偏少,風沙較大(處在風口地帶)。由于該區(qū)域為谷地兩側山地河流匯集之地,水源補給充沛,地下水位高,分布有一定面積的沼澤、濕地,林草豐茂,是較好的冬牧場和打草場。植被主要由小喬木、梭梭灌木超旱生植物群落組成。

4.4 生態(tài)保護目標確定

加依爾山山頂平坦,夏季涼爽多雨,牧草繁茂,是優(yōu)良的夏牧場;中山地帶的上部土壤類型為山地栗鈣土和灰色森林土,陰坡和河谷分布有云杉、白樺、柳樹林;中低山帶降水減少,土壤為棕鈣土。地表植被以蒿屬和旱生灌木類為主,山間溝谷生長有少量苦楊、柳樹等喬木林。

由此可見,本工程所在區(qū)域內除云杉、白樺、柳樹林、灌木類植被外,并無需要特殊保護的動物或水生物。因此,可確定生態(tài)保護目標為區(qū)域內的各類植物。

4.5 生態(tài)需水計算

4.5.1 計算方法

通過對比前述各種生態(tài)需水計算方法可知:

1)水文學法是的優(yōu)點是不需要現場測定數據,簡單快速。雖然未考慮生物需求和生物間的相互作用,但對于無特殊保護要求的生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)較為適用。

2)水力學法包含了更多更為具體的河流信息,只需進行簡單的現場測量,數據容易獲得。但未能考慮河流中具體的物種不同生命階段的需求;該方法主要適用于小型河流或者流量很小且相對穩(wěn)定的河流、泥沙含量小,水環(huán)境污染不明顯的河流,且推薦的流量是主要為了滿足某些無脊椎動物以及特殊物種保護的需要。

3)棲息地方法生物學基礎牢固,在水力學的基礎上考慮了水量、流速、水質和水生物種等影響因素,比前兩種方法更具靈活性,但需要投入相當多的時間、資金和專門技術,需要的生物資料常常難以獲得。

4)綜合法克服了棲息地法只針對一、二種指示生物的缺點,強調河流是一個生態(tài)系統(tǒng)整體,是目前最為合理的一種方法。但是該法需要的人力、物力是最大的,費用最高,數據最多,使其應用受到一定的限制。

本工程所在區(qū)域內保護目標為流域內的各類植被,并無需要特殊保護的動物或水生物,維持河道現狀穩(wěn)定需保證具有一定的生態(tài)基流,因此可采用水文學法計算生態(tài)需水。

4.5.2 生態(tài)需水計算

生態(tài)基流指維持水生生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定、基本功能不被破壞所需的最小水量,一般應大于或等于多年平均流量的10%。廟爾溝鎮(zhèn)金塔區(qū)供水工程實施后,擬建渠首斷面以下河段徑流量將減少,為不影響下游河道生態(tài)環(huán)境,本次擬建渠首斷面以下生態(tài)基流按以下原則下放:豐水期(4月～6月)按多年平均流量的30%、枯水期(7月～翌年3月)按多年平均流量的10%進行下放。渠首斷面多年平均年月徑流量統(tǒng)計表見表1。

表1 渠首斷面多年平均年月徑流量統(tǒng)計表

擬建渠首斷面處多年平均年徑流量為1212萬m3,多年平均流量為0.532m3/s,則枯水期(7月～次年3月)生態(tài)基流≥0.0532m3/s,汛期(4～6月)生態(tài)基流≥0.160m3/s,各月生態(tài)基流計算成果表見表2;各月生態(tài)需水計算結果見表3。

表2 各月生態(tài)基流計算成果表

表3 各月生態(tài)需水量計算成果表

5 結 論

托里縣廟爾溝鎮(zhèn)金塔區(qū)供水工程位于托里縣境內的柳樹溝河上,由取水工程和輸水工程兩部分組成。該工程實施后,擬建渠首斷面以下河段徑流量將減少。為不影響下游河道生態(tài)環(huán)境,本次擬建渠首斷面以下生態(tài)基流按以下原則下放:豐水期(4月～6月)按多年平均流量的30%、枯水期(7月～翌年3月)按多年平均流量的10%進行下放。擬建渠首斷面處多年平均年徑流量為1212萬m3,多年平均流量為0.532m3/s,經計算,枯水期(7月～次年3月)生態(tài)基流≥0.0532m3/s,汛期(4～6月)生態(tài)基流≥0.160m3/s。通過采用水文學法對工程生態(tài)需水進行計算,可為工程建設和運行提供理論依據。