大凌河干流河道內(nèi)生態(tài)需水量研究

王樹彥

(北票市蒙古營(yíng)水利服務(wù)站，遼寧 朝陽 122101)

河流具有景觀、生態(tài)和水文等多重功能，對(duì)維持人類的生存發(fā)展和生態(tài)環(huán)境保護(hù)發(fā)揮著不可替代的作用。然而，近年來不合理的開發(fā)利用使得河流出現(xiàn)水生物減少、水質(zhì)惡化、泥沙淤積、河道斷流等一系列環(huán)境問題。合理確定河道生態(tài)需水量既能為水資源優(yōu)化配置提供可靠的數(shù)據(jù)支持，又有利于恢復(fù)河流的生態(tài)功能。目前，對(duì)生態(tài)需水量國內(nèi)外學(xué)者尚未給出統(tǒng)一的定義，錢正英等定義的生態(tài)需水概念應(yīng)用最為普遍，即廣義的生態(tài)需水量是指包含水鹽、水沙、水熱和水量平衡等維持生態(tài)系統(tǒng)平衡的水量；從狹義上講，生態(tài)需水量是指為改善生態(tài)系統(tǒng)所需消耗的總水量；張麗等從2個(gè)層次上闡述了生態(tài)需水概念，即針對(duì)地下和地表水的狹義概念和針對(duì)降雨的廣義概念；劉昌明等提出“四大平衡”原理，即水量、水沙、水鹽和水分能量平衡。對(duì)于河流生態(tài)需水量，國外常用的計(jì)算方法有綜合法、棲息地法、水力學(xué)和水文學(xué)法等[1-3]。其中，綜合法是考慮月大、小流量變化的一種計(jì)算方法；棲息地法以不同生長(zhǎng)階段的特定物種對(duì)流量的需求為計(jì)算依據(jù)，研究費(fèi)用高且綜合性、針對(duì)性強(qiáng)；水力學(xué)法必須選擇合適的研究斷面，操作復(fù)雜但要求的數(shù)據(jù)量少；水文學(xué)法能夠反映季節(jié)性河流的變化特征，操作簡(jiǎn)單，但計(jì)算精度較低。近年來，國內(nèi)學(xué)者利用河流流量研究與生物資料，結(jié)合水力生境參數(shù)變化特征提出了生態(tài)水力學(xué)法，該方法所需的生物資料較少且說服力均強(qiáng)于水力學(xué)和水文學(xué)法，如楊志峰等考慮北方河流特征提出生態(tài)基流量的概念及其整合模型，并以海河流域?yàn)槔?yàn)證模型的可靠性；嚴(yán)登華等構(gòu)建了現(xiàn)有研究技術(shù)框架和理論體系，并提出競(jìng)爭(zhēng)用水條件下應(yīng)考慮水分生態(tài)效益率[4-6]?？傮w而言，對(duì)于生態(tài)需水的計(jì)算理論我國相關(guān)研究尚不完善，在量化方法上缺少與生態(tài)學(xué)的融合，所用水文數(shù)據(jù)單一，目前主要集中于生態(tài)需水量耦合、機(jī)理研究，以及與GIS和遙感技術(shù)相結(jié)合的研究等。鑒于此，文章結(jié)合大凌河生態(tài)環(huán)境問題和國內(nèi)相關(guān)研究現(xiàn)狀，研究計(jì)算了大凌河干流生態(tài)需水量。

1 流域概況

大凌河流域地處E118°53′-121°52′、N40°28′-42°38′，流向自西向東，全長(zhǎng)453km，其中遼寧省境內(nèi)面積為19989km2，占全流域的86%。流域上游分南、北兩支，兩支于喀左縣大城子匯合后始稱干流，流經(jīng)朝陽、北票、義縣、凌海等地后注入渤海，流域水系如圖1所示。該流域?qū)僦袦貛Ъ撅L(fēng)氣候，年均蒸散發(fā)1700mm，年降水量500mm，受季風(fēng)氣候影響6-9月降水占全年的70%-80%，年際降水量具有較大差異，降水量豐、枯比最高可達(dá)3倍。河流水系補(bǔ)給來源以地下水和大氣降水為主，5月蒸發(fā)量最小，1月最大，年際徑流量變化較大，徑流豐、枯比最高達(dá)10倍。

圖1 大凌河流域水系圖

2 研究方法

將大凌河干流生態(tài)需水量分為蒸發(fā)量、輸沙需水量、稀釋自凈需水量和生態(tài)基流量，其中蒸發(fā)量屬于消耗型水量，而輸沙需水量、稀釋自凈需水量和生態(tài)基流量屬于非消耗型水量。

2.1 生態(tài)基流量

生態(tài)基流量是指維持水生物正常繁殖、生長(zhǎng)和河流形態(tài)所需要的水量，對(duì)于季節(jié)性河流就是保證非汛期不斷流、汛期滿足水生物生長(zhǎng)的良好條件?？紤]到以上要求，文章利用月年保證法計(jì)算生態(tài)基流量，該方法是以不同月(年)天然徑流量百分比等系列水文統(tǒng)計(jì)資料為依據(jù)，通過合理的等級(jí)劃分計(jì)算不同等級(jí)、不同保證率下的月(年)生態(tài)基流，其主要計(jì)算流程如下：

①首先，按從小到大的順序?qū)Ω髟?年)天然徑流量排列，相關(guān)數(shù)據(jù)來源于系列水文資料。②然后確定95%、75%、50%、25%等不同保證率下各月(年)天然流量以及多年平均值。③以不同的月(年)保證率和年天然徑流量百分比為條件，結(jié)合系列水文資料合理劃分生態(tài)基流等級(jí)，并計(jì)算確定相應(yīng)的月(年)生態(tài)基流。具體而言，假設(shè)河道內(nèi)用水為年天然徑流量的60%，則河道最高生態(tài)需水量上限取年天然徑流量平均值的60%，月生態(tài)需水量超過年天然徑流量60%時(shí)可以外取水。該條件下，對(duì)于低于和高于年均值60%的月份，其生態(tài)基流量取該月的天然徑流量和年均值。當(dāng)月生態(tài)基流占月天然徑流量比例<10%時(shí)生態(tài)基流量取天然徑流量的10%，相關(guān)計(jì)算公式為：

(1)

式中：Wji、Wb為不同保證率下各等級(jí)的徑流量，m3和生態(tài)基流量，m3；j為天然徑流量百分比，%和保證率(5)，i取100%、60%、30%、10%；j取25%、50%、75%、95%。

2.2 稀釋自凈需水量

文章利用7Q10法改進(jìn)而成的近10年最枯月平均流量法確定自凈需水量，結(jié)合國標(biāo)相關(guān)規(guī)定，河流自凈需水量一般取90%保證率最小月平均流量或近10年最小月平均流量，其表達(dá)式為：

Wd=min{Wij}

(2)

式中：min{Wij}、Wd為近10年最小月平均流量(m3)和河流稀釋自凈水量(m3)。

2.3 輸沙需水量

一般地，河流全年80%以上的輸沙量都來源于汛期，即河流主要在汛期完成輸沙功能。因此，對(duì)于較小的非汛期輸沙水量可以不予考慮[7]。為了滿足輸沙要求引入人工調(diào)水調(diào)沙手段及汛期較大洪水量，由此實(shí)現(xiàn)水資源最大程度地開發(fā)利用，以下式計(jì)算河流輸沙需水量，即：

Ws=ηα×Ww

(3)

(4)

(5)

2.4 河流蒸發(fā)量

一般利用單位面積水體上的蒸發(fā)深度來反映河流水面的蒸發(fā)能力，故采用以下公式計(jì)算蒸發(fā)消耗需水量：

We=(Ew-P)HL

(6)

式中：We為水面蒸發(fā)，m3；P、EW為河道平均降雨量(mm)和實(shí)測(cè)水面蒸發(fā)量(mm)；L、H為河流長(zhǎng)度(m)和斷面水面寬度(m)。

2.5 生態(tài)需水量整合

2.5.1 分區(qū)整合

為保證整合結(jié)果的精準(zhǔn)度，將分區(qū)整合進(jìn)一步細(xì)分成分區(qū)內(nèi)和分區(qū)間的整合。采用分區(qū)貢獻(xiàn)法計(jì)算分區(qū)內(nèi)的整合，即各分區(qū)的生態(tài)需水分區(qū)貢獻(xiàn)量利用上下斷面控制法(圖2)計(jì)算；分區(qū)間整合是指支流與支流、支流與干流等不同河流間的整合，結(jié)合不同河流間的連接特點(diǎn)合理確定整合方法，在此基礎(chǔ)上確定總的生態(tài)需水量。

圖2 上下斷面控制法

各控制斷面的生態(tài)需水量為q1、q2、q3、……、qn，以區(qū)間2為例簡(jiǎn)要說明分區(qū)整合的計(jì)算過程。q1>q2條件下，上斷面的流量滿足下斷面的生態(tài)需水量要求，因此能夠保證生態(tài)用水；q1

q=(qn-qn-1)+(qn-1-qn-2)

(7)

式中：qn為河道出口斷面生態(tài)需水量。

2.5.2 類型整合

實(shí)際上，類型整合主要是整合河道的非消耗需水和消耗需水，應(yīng)遵循最大值原則和累加原則分別確定非消耗型和消耗型取水，計(jì)算公式如下：

WR=max(Wb+Wd+WS)+We

(8)

3 結(jié)果與分析

3.1 數(shù)據(jù)來源與用水過程

文章所用數(shù)據(jù)主要是大凌河干流建凌水庫、哈巴氣、上窩堡、朝陽、凌河、錦縣6個(gè)主要水文站的月年蒸發(fā)量、輸沙率、徑流量、降水量、平均河段長(zhǎng)度和水面寬度資料，來源于1970-2019年水文年鑒，對(duì)于個(gè)別缺少數(shù)據(jù)的年限利用相關(guān)分析法插補(bǔ)延長(zhǎng)[9-11]。

將大凌河干流按照以上6個(gè)代表性水文站劃分成6段進(jìn)行研究，大凌河干流具有季節(jié)性河流特征，非汛期為10月-次年5月，汛期為6-9月，非汛期水量不足河道經(jīng)常出現(xiàn)斷流，汛期水量過剩帶來巨大的防洪壓力。因此，文章將大凌河干流用水過程劃分成非汛期和汛期，對(duì)其生態(tài)需水量分別進(jìn)行計(jì)算。

3.2 生態(tài)基流量

采用大凌河干流1970-2019年天然徑流量資料，利用公式(1)分別計(jì)算多年平均和25%、50%、75%、95%條件下的徑流量，河道生態(tài)基流量取年天然徑流量的10%，結(jié)果見表1。

表1 大凌河干流生態(tài)基流量 億m3

結(jié)果表明，大凌河干流的多年平均生態(tài)基流量處于25%-50%保證率下的生態(tài)基流量，75%-95%保證率下生態(tài)基流量最大的朝陽段，全年達(dá)到1.75億m3和1.01億m3；在25%、50%保證率和多年平均條件下生態(tài)基流量最大的為凌河，全年達(dá)到4.38億m3、2.81億m3和3.30億m3?？傮w而言，生態(tài)基流量最小的建凌水庫上游段，生態(tài)基流量較大的為朝陽段、凌河段。

3.3 稀釋自凈需水量

將大凌河干流劃分成5個(gè)時(shí)段，利用近10a最小月平均法(公式2)分別計(jì)算每段的自凈需水量，最終的河道自凈需水量取其平均值如表2，用流量換算流速見表3。

3.4 輸沙需水量

結(jié)合汛期6-9月的水量和遼河干流雨季的出現(xiàn)情況，利用公式(3)-(5)計(jì)算輸沙需水量，見表4。

表2 近10年最枯月平均流量 m3/s

表3 大凌河干流自凈需水量 億m3

表4 大凌河干流汛期輸沙需水量 億m3

從表2可以看出，大凌河干流的汛期輸沙需水量與自凈需水量、生態(tài)基流量相比很大，其中汛期輸沙需水量最大的月份為8月。結(jié)合各斷面計(jì)算值，輸沙需水量最大的為上窩堡段、朝陽段，達(dá)到19.50億m3、25.54億m3。

綜上分析，大凌河干流非汛期的稀釋自凈需水量、生態(tài)基流量分別>各自的汛期值。深入分析可知，非汛期水量主要用于提供良好的水生物生境、維持河流的基本形態(tài)和水體的自凈能力。汛期輸沙需水量占生態(tài)需水量的比重較高，深入分析發(fā)現(xiàn)大凌河干流來沙集中于汛期，并且來沙量較大[12-16]。

3.5 河流蒸發(fā)量

大凌河干流的蒸發(fā)量利用公式(6)計(jì)算確定，陸面蒸發(fā)量先用口徑20cm的蒸發(fā)器測(cè)定，然后將測(cè)得的數(shù)值乘以折算系數(shù)(來源于遼寧省水面蒸發(fā)量折算系數(shù)表)換算成水面蒸發(fā)量。主要計(jì)算流程為：平均將相鄰斷面間的河段劃分成2個(gè)小段，并對(duì)每小段月蒸發(fā)量分別進(jìn)行計(jì)算，采用鄰近水文站資料獲取每小段的水面寬度、降雨量、蒸發(fā)量等數(shù)據(jù)。結(jié)果顯示，大凌河干流非汛期、汛期和全年的蒸發(fā)量依次為0.09 億m3、0.02 億m3、0.11 億m3。可見，大凌河干流汛期蒸發(fā)量很小，這是由于6-8月份的降水量集中而補(bǔ)充了該時(shí)期的蒸發(fā)量。

3.6 生態(tài)需水整合

1)分區(qū)內(nèi)整合。由于僅考慮大凌河干流的生態(tài)需水量，所以只計(jì)算分區(qū)內(nèi)整合而不考慮分區(qū)間整合。采用公式(7)計(jì)算非汛期、汛期、全年的大凌河干流分區(qū)貢獻(xiàn)量，見表5。其中，“-”代表上斷面大于下斷面生態(tài)需水。

表5 大凌河干流分區(qū)生態(tài)需水貢獻(xiàn)量 億m3

2)類型整合。將大凌河干流生態(tài)需水量利用公式(8)完成類型整合，為了保持一致整合計(jì)算多年平均條件下和其他類型的生態(tài)需水量，取輸沙需水量、稀釋自凈需水量和生態(tài)基流量三者的最大值為最終值，見表6。

表6 整合后大凌河干流生態(tài)需水量 億m3

從表6可以看出，整合后生態(tài)需水量最大的為朝陽段，這是由于朝陽斷面以下有含沙量較大的支流匯入，在很大程度上增大了大凌河干流泥沙和朝陽段的生態(tài)需水量，所以整合結(jié)果符合科學(xué)合理性要求。

4 結(jié) 論

1)文章將大凌河干流生態(tài)需水量分為蒸發(fā)量、稀釋自凈需水量、生態(tài)基流量和輸沙需水量4個(gè)部分，采用相應(yīng)的方法對(duì)各類型生態(tài)需水量進(jìn)行計(jì)算整合。經(jīng)算，大凌河建凌水庫、哈巴氣、上窩堡、朝陽、凌河、錦縣6個(gè)水文斷面的生態(tài)需水量為10.12、19.92、21.45、27.83、18.30、18.22億m3。

2)分區(qū)貢獻(xiàn)量計(jì)算顯示，非汛期河流來水量很少無法維持河流生態(tài)功能，為滿足河道生態(tài)需水量需要進(jìn)行水量補(bǔ)給。其中，大凌河流域植被破壞、上游水庫截流和降雨量減少等是引起非汛期水量較少的主要原因；雖然汛期水量大膽含沙量較高，汛期來水量仍難以滿足生態(tài)需水要要求。

3)針對(duì)大凌河干流汛期來水量大、非汛期來水量小的特點(diǎn)，水資源規(guī)劃時(shí)應(yīng)先保證非汛期河道生態(tài)基流量，最大程度的減少外取水；雖然汛期來水量大但泥沙量較高，水資源過度開發(fā)會(huì)導(dǎo)致泥沙淤積，抬高河床，所以用水部門要合理分配汛期水量。此外，河流在非汛期的納污稀釋作用較低，為改善河流生態(tài)環(huán)境要嚴(yán)格控制沿岸污水排放量。