遼河干流河道生態需水量研究

康萍萍,周林飛,李 波,孫佳竹

(1.沈陽農業大學水利學院,遼寧沈陽 110161;2.遼寧省水文水資源勘測局鐵嶺分局,遼寧鐵嶺 112000)

遼河干流河道生態需水量研究

康萍萍1,周林飛1,李 波1,孫佳竹2

(1.沈陽農業大學水利學院,遼寧沈陽 110161;2.遼寧省水文水資源勘測局鐵嶺分局,遼寧鐵嶺 112000)

從遼河生態系統基本特征出發,將遼河干流生態需水量分為生態基流量、稀釋自凈需水量、輸沙需水量和蒸發量4個部分;通過6個重要水文斷面實現生態需水分區;生態用水過程按汛期和非汛期分別計算;生態需水整合分為類型整合與分區內整合,類型整合中的消耗型需水采用累加原則,非消耗型需水采用取大原則,分區內整合在類型整合的基礎上采用分區貢獻法;最終建立了遼河干流生態需水分區分期整合計算模型。計算結果表明:遼河干流生態需水量在汛期以輸沙需水量為主,非汛期以生態基流量為主;干流汛期和非汛期來水量不足,需要區間補給才能滿足河道生態需水量。

遼河干流;生態需水量;類型整合

河流作為生態環境的一部分,具有水文、生態和景觀功能,對人類的生存和發展起著至關重要的作用。但由于人類不合理的開發和利用,致使河流出現一系列的環境問題,諸如斷流、淤積、水質惡化和水生物減少等。確定合理的河道生態需水量不僅能維持河流的正常功能,還為水資源的合理規劃配置提供可靠的依據。目前國內外對生態需水量還沒有統一的定義,劉昌明等[1]根據水資源開發利用與生態用水的關系,提出了“四大平衡”原理,即水分能量平衡、水鹽平衡、水沙平衡與水量平衡(含水資源供需平衡)。張麗等[2]將生態需水概念分為2個層次,即針對降雨的廣義概念和針對地表和地下水資源的狹義概念,普遍應用的定義為錢正英等[3]提出的,即:“廣義的生態需水量是指維持地球生物地理生態系統水分平衡所需用的水,包括水熱平衡、水沙平衡、水鹽平衡等。狹義地說,生態需水量是指為維護生態系統不再惡化并逐漸改善所需要消耗的水資源總量。”國外計算河流生態需水量的方法有水文學法[4-5]、水力學法、棲息地法和綜合法[6]。水文學法操作簡單,能充分反映河流的季節性變化,但精度低;水力學法要求的數據量少,但操作復雜,必須選擇合適的研究斷面;棲息地法考慮了選定物種各生長階段對流量的要求,但針對性和綜合性強,研究費用高;綜合法是南非相關機構開發的,對大、小流量均考慮了月流量的變化。近年來,國內學者提出了生態水力學法[7],該法將生物資料與河流流量研究相結合,考慮水力生境參數的全河段變化情況,該方法需要較少的生物資料,說服力比水文學和水力學法強。嚴登華等[8]構建了我國生態需水研究的理論體系和技術框架,提出在競爭用水條件下,生態需水研究應考慮水分生態效益率;楊志峰等[9]針對北方河流的特點提出河流生態基流量概念及生態基流量整合模型,并將其應用到海河流域。總體來說,我國關于生態需水的基礎理論還不夠完善,量化方法上大多利用單一的水文數據,與生態學結合較少,目前主要集中于生態需水量機理研究、與遙感和GIS技術結合的相關研究以及生態需水量耦合研究等。筆者從國內的研究現狀出發,結合遼河流域的生態環境問題,對遼河干流生態需水量進行研究計算。

遼河流域地處東經 117°00′～ 131°20′,北緯 38°48′～45°10′之間,遼寧省境內,大部分地區屬溫帶半濕潤半干旱季風氣候,多年平均氣溫在4～9℃,遼河干流降水量為600～700mm。目前該流域的主要生態環境問題是:沙化面積擴大、水土流失加劇、河道斷流、水質惡化、水資源供需矛盾尖銳、水資源短缺、下游河床不斷淤高、旱澇災害頻繁、地下水超采和地下水位下降等,這些問題嚴重制約著該流域的經濟和社會發展。因此,以遼河為研究背景有其現實意義。圖1為遼河干流及其主要水文站示意圖。

1 生態需水量計算方法

將遼河干流生態需水量分為生態基流量、稀釋自凈需水量、輸沙需水量和蒸發量。生態基流量、稀釋自凈需水量和輸沙需水量屬于非消耗型水量,蒸發量屬于消耗型水量。

圖1 遼河干流及其主要水文站示意圖

1.1 生態基流量

生態基流量是指維持河流的基本形態和水生物的正常生長與繁殖所需要的水量。對于季節性河流而言,維持河流的功能就是要保證河流在非汛期不斷流,水生物正常生長;在汛期河流能為水生物的繁殖提供良好的條件。基于這種考慮,采用月年保證率法[10]計算。

月(年)保證率設定法是根據系列水文統計資料,以不同的月(年)天然徑流量百分比作為河道生態基流量的等級,分別計算不同保證率、不同等級下的月(年)生態基流,具體步驟[10]如下:

a.根據系列水文資料,首先對各月(年)天然徑流量按照從小到大的順序進行排列。

b.計算月(年)不同保證率(25%、50%、75%、95%)下所對應的各月(年)天然流量,以及各月(年)的多年平均值。

c.根據系列水文統計資料,在不同的月(年)保證率前提下,以相對應的年天然徑流量百分比作為生態基流的等級,分別計算不同保證率的月(年)生態基流。具體方法是:假設將年天然徑流量的60%作為河道內用水,則將年天然徑流量的平均值的60%作為河道生態需水量的最高上限,只有高于年天然徑流量60%的月份可河道外取水。這時生態基流量的確定分2種情況:①高于年均值60%的月份選取年均值計算;②低于年均值60%的月份選取該月的天然徑流量。當月生態基流占月天然徑流量的百分比小于10%時,應遵循月生態基流不能低于月天然徑流量的10%的天然徑流基本原則,取月天然徑流量的10%作為生態基流量。計算公式如下:

式中:Wb為生態基流量,m3;Wij為不同等級下不同保證率的徑流量,m3;i為多年平均天然徑流量的百分比,i=10%、30%、60%、100%;j為保證率,j=25%、50%、75%、95%。

1.2 稀釋自凈需水量

自凈需水量采用近10年最枯月平均流量法計算,是在7Q10法基礎上修改而成的,我國在GB 3839—83《制定地方水污染排放標準的技術原則和方法》中規定:一般河流自凈需水量采用近10年最小月平均流量或者 90%保證率最小月平均流量。計算公式如下:

式中:Wd為河流稀釋自凈水量,m3;min{Wij}為近10

年最小月平均流量,m3。

1.3 輸沙需水量

一般河流汛期的輸沙量約占全年輸沙總量的80%以上,即河流的輸沙功能主要在汛期完成。因此,忽略非汛期較小的輸沙水量。通過人工調水調沙手段,利用汛期較大的洪水量來完成輸沙要求,這也有利于最大限度地開發利用水資源。河流輸沙需水量計算公式[11]為:

式中:Ws為輸沙水量,m3;η為輸沙效率;α為指數(其值由輸沙效率 η確定);Ww為凈水量,m3;W為徑流量,m3;W′s為輸沙量,億 t;γs為泥沙密度,通常取2.65t/m3;Ws進和Ws出分別為進、出口站輸沙量,t。當 η＜1時,進口站輸沙量Ws進小于出口站輸沙量Ws出,河段沖刷,取 α=1;當 η≥1 時,進口站輸沙量Ws進大于或等于出口站輸沙量Ws出,河段淤積或沖淤平衡,取 α=0。

1.4 蒸發量

蒸發量主要指水面蒸發消耗水量(We)。河流水面蒸發一般用單位面積水體上的蒸發深度表示蒸發能力。蒸發消耗需水計算公式為

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式中:We為水面蒸發量,m3;Ew為實測水面蒸發量,mm;P為河道上的平均降雨量,mm;H為河流斷面平均水面寬,m;L為河長,m。

1.5 河道生態需水整合

河道生態需水整合包括類型整合和分區整合。

1.5.1 類型整合

類型整合主要是對消耗需水和非消耗需水進行整合。消耗型需水采用累加原則;非消耗型需水采用最大值原則。公式如下:

1.5.2 分區整合

分區整合包括分區間整合和分區內整合。分區間整合指不同河流(干流與支流、支流與支流)之間進行整合。整合方法根據具體的河流連接特點而定[12]。分區內整合計算采用分區貢獻法[11],具體采用上下斷面控制法(圖1)計算各分區的生態需水分區貢獻量,從而計算區間總的生態需水量。

圖2 上下斷面控制法示意圖

q1,q2,q3,…,qn為各控制斷面的生態需水量,以區間2為例,當q1＞q2時,上斷面的生態需水量滿足下斷面的流量要求,可以用于其他用水;當q1＜q2時,上斷面的生態需水量不能滿足下斷面的流量要求,需要補給才能滿足區間2的生態需水量,補給量為Q2=q2-q1。對于整個河道而言,其生態需水量等于各區間的生態需水分區貢獻量之和,如式(8)為

式中:qn是河道出口斷面的生態需水量。

2 計算結果與分析

2.1 數據來源與處理

2.2 計算分區與用水過程

以這6個水文站為斷面將遼河干流分為6段進行研究計算。

遼河干流屬于季節性河流,6—9月為汛期,10月-翌年5月為非汛期,汛期水量過剩,給兩岸防洪造成很大壓力;非汛期水量不足,經常出現斷流現象,因此將遼河干流的用水過程分為汛期和非汛期,分別計算其生態需水量。

表1 遼河干流生態基流量計算結果億m3

2.3 生態基流量

采用1957—2006年遼河干流天然徑流量資料,分別計算95%、75%、50%、25%和多年平均條件下的徑流量,以相應年天然徑流量的10%作為河道生態基流量,利用式(1)計算,結果見表1和表2。

表2 遼河干流生態基流量計算結果(多年平均) 億m3

結果表明:在多年平均條件下遼河干流的生態基流量介于25%和50%保證率條件下對應的生態基流量之間。95%和75%保證率下,馬虎山的生態基流量最大,全年分別為1.02億m3和1.77億m3;50%、25%保證率和多年平均條件下,巨流河的生態基流量最大,全年分別為2.87億m3、4.45億m3和3.34億m3。總的來看,馬虎山和巨流河的生態基流量較大,福德店的生態基流量最小。

2.4 稀釋自凈需水量

采用近十年最小月平均流量法確定自凈需水量。對遼河干流分5個時段分別計算每段的自凈需水量,將其平均值作為河道自凈需水量,利用式(2)計算,結果見表3。將流速換算成流量,結果見表4。計算結果表明,隨著河流向下游延伸,河流稀釋自凈需水量逐漸增加,這主要是因為隨著支流的匯入,支流中的污染物及雜質進入干流,兩岸污水排放量增多,從而增加了自凈需水量。

2.5 輸沙需水量

根據遼河干流雨季的出現情況,利用汛期6—9月的水量進行輸沙。利用式(3)～(5)進行計算,結果見表5。由表5可見,與生態基流量和自凈需水量相比,遼河干流的汛期輸沙需水量很大,汛期內8月份的輸沙需水量最大。從各個斷面來看,鐵嶺和馬虎山的輸沙需水量最大,分別為19.79億m3和25.97億m3。

表3 遼河干流水文站的10年最枯月平均流量 m3/s

表4 遼河干流非汛期、汛期和年自凈需水量 億m3

表5 遼河干流汛期輸沙需水量 億m3

表1、表2和表4顯示,遼河干流生態基流量、稀釋自凈需水量的非汛期值分別大于各自汛期值,這主要是因為非汛期水量主要用于維持河流的基本形態,為水生物提供良好的生境和維持水體的自凈能力。汛期生態需水量主要以輸沙需水量為主,這是由于遼河干流來沙量大,而且集中于汛期。

2.6 蒸發量

根據式(6)計算遼河干流的蒸發量。遼河干流的蒸發量是通過20cm口徑蒸發器測得的陸面蒸發量,將其乘以水面蒸發量折算系數換算為水面蒸發量,水面蒸發量折算系數來源于遼寧省水面蒸發量折算系數表。具體計算方法是:將各個斷面之間的河段平均分成2小段,分別計算每小段的月蒸發量,每小段的蒸發量、降雨量和水面寬度采用鄰近水文站的數據。計算結果為汛期蒸發量為0.03億m3,非汛期為0.10億m3,全年為0.13億m3。由計算結果看,汛期蒸發量很小,主要是由于降水量集中在6-9月份,補充了這個時期的蒸發量。

2.7 河道生態需水整合

2.7.1 類型整合

利用式(7)對遼河干流生態需水量進行類型整合,為了保持一致,采用多年平均條件下的生態基流量與其他類型生態需水量進行整合計算。生態基流量、稀釋自凈需水量和輸沙需水量三者取其中最大值。整合結果見表6。由表6可見,整合后,馬虎山的生態需水量最大,這是由于在馬虎山斷面以下有柳河匯入,柳河的含沙量很大,是遼河干流泥沙的主要來源,從而增加了馬虎山的生態需水量。因此整合結果是比較合理的。

表6 整合后遼河干流生態需水量 億m3

2.7.2 分區內整合

筆者僅研究遼河干流的生態需水量,所以不需要進行分區間整合,只計算分區內整合。根據式(8),計算遼河干流的汛期、非汛期及全年的分區貢獻量,計算結果見表7。結果表明:遼河干流汛期和非汛期分區貢獻量均不能滿足生態需水量。汛期補給量為6.80億m3,非汛期補給量為1.43億m3。汛期來沙量大,輸沙需水量也大;而非汛期徑流量小,不能滿足河道生態需水量。

表7 遼河干流生態需水分區貢獻量 億m3

3 結論與建議

3.1 結論

將遼河干流生態需水量分為生態基流量、稀釋自凈需水量、輸沙需水量和蒸發量。對于各類型的生態需水量,采用相應的方法進行計算整合,遼河干流河道6個水文斷面的生態需水量分別為:福德店10.21億m3,通江口 20.03億m3,鐵嶺21.67億m3,馬虎山 28.08億 m3,巨流河 18.51億 m3,遼中18.44億m3。

遼河干流生態需水分區貢獻量的計算結果表明,在非汛期,河流來水量很少,不能維持河流的水文生態功能,需要進行水量補給才能滿足河道生態需水量。造成遼河干流非汛期水量少的原因主要是降雨量少,上游近百座水庫的截流,遼河流域植被的破壞等;汛期水量雖然較大,但含沙量大,來水量依然不能滿足河道生態需水量要求。

3.2 建議

遼河干流在非汛期來水量少,汛期來水量大。進行水資源規劃時,非汛期應首先保證河道的生態基流量,減少河道外取水;汛期雖然來水量大,但是泥沙量也大,若過分開發水資源,會導致泥沙淤積,河床增高。因此在汛期應合理進行用水部門的水量分配。此外非汛期河流的稀釋納污能力較弱,應控制兩岸的污水排放量,逐步改善河流的生態環境。

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Study of ecological water requirement in the main stream of Liao River of China

KANG Ping-ping1,ZHOU Lin-fei1,Li Bo1,SUN Jia-zhu2
(1.College of Water Conservancy,Shenyang Agricultural University,Shenyang 110161,China;2.Tieling Branch,Hydrology and Water Resources Survey Bureau of Liaoning Province,Tieling 112000,China)

The ecological water requirement of the main stream of Liao River was classified as the ecological basic flows,the water requirement for self purification,water requirement for sediment transport and water consumption in evaporation.The subdivision of ecological water requirement was achieved by using six major hydrological sections.The ecological water utilization could be computed for flood season and non-flood season separately.The conformity of ecological water requirement of the main stream of Liao River could be classified as type conformity and conformity in region.The calculation of consumptive water requirement was followed the additive principle and non-consumptive water requirement followed the maximum principle.The contribution method was used in sub-regional conformity district.A conformity model computing ecological water requirement by regions and stages for main stream of Liao River was developed.The calculated results showed that the ecological water requirement in the main stream of Liao River was subject to water requirement for sediment transport in flood season and ecological basic flows in non-flood season.The water in flood and non-flood seasons was deficient and needed to be recharge to meet the ecological water requirement in the main stream of Liao River.

main stream of Liao River;ecological water requirement;type conformity

TV213.4

A

1004-6933(2011)03-0011-05

10.3969/j.issn.1004-6933.2011.03.003

國家自然科學基金(50879046)

康萍萍(1985—),女(蒙古族),內蒙古錫林郭勒人,碩士研究生,研究方向為河道生態需水量。E-mail:kangping19850803@sina.com

周林飛,副教授。E-mail:zlf924@163.com

(收稿日期:2010-09-15 編輯:徐 娟)