基于河流健康的渾河中下游河道生態需水量計算

馮夏清，李劍輝

(遼寧省水文局，沈陽 110003)

河流是地球上重要的生態系統，是水體、營養物質和泥沙的循環載體，也是哺育人類歷史文明的偉大搖籃。在大規模人類活動和全球氣候變化雙重因素的作用下，河流生態系統出現了河道斷流、水質惡化、含沙量大、生物多樣性受損以及重要或敏感水生生物消亡等一系列問題。協調好河流生態系統的開發利用與保護治理，保障河流生態系統健康，對流域或區域水安全、生態安全和社會經濟可持續發展等方面具有重要意義。

河道生態需水量是維持河流生態系統結構、功能和生態過程所需要的水量，是河流生態系統健康的基本保障，也是實現面向生態的水資源配置的關鍵[1,2]。為了維持河流生態系統的健康和滿足流域水資源可持續利用的需求，必須重視和滿足河道生態需水量。

1 研究區概況

渾河為遼寧省東部地區的較大河流，發源于撫順市清原縣長白山支脈滾馬嶺，全長415.4 km，流域面積11 481 km2。渾河干流代表性水文站有4個：北口前站、撫順站、沈陽站和邢家窩棚站?？紤]到流域的地形地貌特點以及水文站點分布情況(見圖1)，以北口前和沈陽水文站為分界點將干流劃分為上游、中游和下游3個區段，即：北口前以上為上游段，北口前至沈陽為中游段，沈陽以下為下游段。渾河上游主要為山區，山地海拔高程400～800 m；中游為低山丘陵區，地形較緩；下游為平原區。渾河干流水文特性表見表1。

渾河流域屬于溫帶大陸性季風氣候，夏季濕熱多雨，冬季嚴寒干燥，多年平均降水量為650～800 mm，降水主要集中在7、8月份，多年平均氣溫為5～9 ℃，最高氣溫出現在7月，最低氣溫在1月。1958年在渾河干流上修建了大伙房水庫。大伙房水庫主要為沈陽、撫順2市提供工農業和生活用水，同時流域內還有鞍山、遼陽等大型城市對水資源利用的需求較大，造成上游下泄流量顯著減少，中下游水資源供需矛盾日益突出，如何保障渾河中下游河道生態需水量已成為該流域亟待解決的問題。因此將大伙房水庫以下受流域水資源開發利用影響較大的中下游河段作為渾河河道生態需水量研究的重點區域。

圖1 渾河流域水系Fig.1 The water systems in the Hunhe River basin

站名控制面積/km2河長/km比降/%)多年平均年徑流量/億m3年最大徑流量/億m3年最小徑流量/億m3北口前18321050.3655.0414.101.57撫順66881880.23015.9947.305.39沈陽79442450.17915.8649.204.60邢家窩棚110903590.10419.7467.174.16

本文選取渾河中下游撫順、沈陽和邢家窩棚水文站作為控制斷面，采用1956-2011年天然徑流量、1956-2014年斷面實測的流速和流量資料，采用月保證率法和魚類生境法計算不同等級的河道生態需水量，并采用Tennant法驗證計算方法的合理性，為流域水資源合理配置提供科學依據。

2 渾河中下游河道生態需水量計算

2.1 月保證率法計算河道生態需水量

月保證率法[3]是針對我國北方河流所提出的方法，在傳統水文學方法的基礎上將月保證率與河道生態需水量等級相聯系。綜合考慮研究區域的氣候特征、徑流的年內變化特征、河流形態等因素來確定各月保證率。

根據渾河中下游各水文站徑流量年內分配情況(見圖2)，5-9月徑流量占年徑流總量的73%～85%，10月至次年4月徑流比例小。針對北方河流的特性，5-9月為魚類產卵育幼期，此階段對河道水量、流速有著特殊要求?？紤]上述情況，豐水期(5-9月)計算50%保證率天然流量、枯水期(10月至次年4月)計算75%保證率下的天然流量。在不同的月保證率天然流量確定基礎上，設定其20%、40%和60%分別為最小、適宜和理想生態需水量。當月最小生態需水量占天然徑流量的比例小于10%時，以月天然徑流量的10%作為最小生態需水量[4]。

圖2 渾河中下游各水文站徑流量年內分配比例Fig.2 Intra-annual distribution of streamflow at the stations in the middle and lower reaches of Hunhe River

基于月保證率法的渾河中下游各水文站河道生態需水量計算結果見表2。從表2中可以看出，豐水期5-9月各水文站各等級生態需水量占全年生態需水量的比例為82%～86%。從中游到下游，河道生態需水量逐漸增加。從增加的幅度來看，從中游到下游，理想生態需水量增加幅度最大，其次是適宜生態需水量，最小生態需水量增加幅度最小。

表2 基于月保證率法的渾河中下游河道生態需水量計算結果 億m3

2.2 魚類生境法

魚類生境法是陳敏建等[5]提出的一種針對河流生態系統典型物種的生存繁殖需求所確定的河流流量，是由水文測站控制斷面資料、流速流量關系以及典型物種產卵繁殖關鍵期所需要的水流條件共同計算確定的，此法注重水生生物生存繁殖的關鍵期和魚類生境需求。

渾河魚類資源豐富，據相關資料統計流域檢出魚類50余種，其中以鯉魚為主[6]，鯉魚一般是在5月上旬至6月上旬產卵。另外渾河流域還有一些洄游性魚類，其中以鱭魚為主，該魚種5月份溯水而上開始產卵繁殖。同時這一時期也是農業生產灌溉期，用水矛盾較為突出，因此選取5月作為關鍵期。

參考相關資料[7,8]，魚類產卵繁殖期水流流速范圍為0.2～0.6 m/s，據此設定不同等級的流速要求，利用建立的流速～流量關系方程計算關鍵期河道生態需水量，然后利用各月天然徑流量分配比例得到全年和各月的河道生態需水量。利用魚類生境法估算的渾河中下游河道生態需水量結果見表3。從表3中可以看出，從中游到下游，各控制斷面流量流速關系穩定，河道生態需水量逐漸增加。

表3 基于魚類生境法渾河中下游河道生態需水量計算結果Tab.3 Results of EWRs at different sections in the middle and lower reaches of Hunhe River based on fish habitat method

3 計算結果分析

3.1 渾河中下游河道生態需水量的確定

為驗證上述方法計算結果的合理性，采用Tennant法[4,9]計算河道生態需水量。在考慮渾河徑流年內變化特征的基礎上，設定一般用水期(10月至次年4月)最小、適宜和理想等級的生態需水量依次為多年平均月天然徑流量的10%、20%和30%；魚類產卵育幼期(5-9月)相應取20%、30%、40%。由不同計算方法成果對比情況(見表4)可知，2種方法計算結果與Tennant法的計算結果比較接近，差異度均小于25%，滿足合理性要求[10]。

由于最小生態需水量是維持河流健康的最小臨界值，因此最小生態需水量取2種方法的最大值；考慮到本流域水資源緊缺，短期內三生用水矛盾仍然存在，需要平衡河流生態系統的生態功能與經濟功能的發揮，所以適宜和理想生態需水量取2種方法的最小值。最終確定的最小生態需水量都是魚類生境法計算結果，說明魚類生境法計算的最小生態需水量對月保證率法計算成果有較好校正作用。

與本區域以往研究成果相比，邢家窩棚站最小生態需水量計算結果與張遠等[11]的研究結果相似，相差0.77 億m3。

表4 基于不同計算方法的渾河中下游河道生態需水量計算結果比較Tab.4 Comparisons between the results of EWRs with different methods in the middle and lower reaches of Hunhe River

3.2 渾河中下游河道生態需水量特征分析

從中游到下游，各控制斷面生態需水量隨著徑流量的增加而增加。各控制斷面河道生態需水量年內豐枯變化過程與天然徑流量變化過程相一致，其中5-9月河道生態需水量占全年生態需水量的比例在80%～85%，與各控制斷面天然徑流比例相近。渾河各控制斷面各等級生態需水量占各控制斷面多年平均天然徑流的14%～44%。

將各站各等級生態需水量計算結果與多年平均實測徑流量進行對比分析(見圖3)，可以看出：各水文站多年平均徑流量可以滿足河道生態需水的要求，5-9月份在滿足河道生態需水量的前提下，剩余水量較多，可滿足河道外生態需水和水庫汛期蓄水的要求。

圖3 渾河中下游河道生態需水量與多年平均實測流量的比較Fig.3 Comparisons between EWRs and measured streamflow in the middle and lower reaches of Hunhe River

2015年渾河流域地表水資源總量為16.21 億m3，地表水供水量10.81 億m3，地表水資源開發利用率為67%，以控制面積占流域總面積97%的邢家窩棚站為代表，河道基本生態需水量占流域地表水資源總量的23%，在地表水資源開發利用量中的比例為35%，河道流量全年基本能夠滿足生態需水量的要求，但主要問題是枯水季節的部分時段河道流量難以滿足魚類生存需要，需要調整水庫調度方式和水庫下泄流量。

4 結 語

(1)采用月保證率法和魚類生境法計算渾河中下游河道生態需水量，并采用Tennant法對月保證率法和魚類生境法計算成果進行合理性分析，得出月保證率法和魚類生境法計算成果合理，在河流健康保護中有應用價值。

(2)確定渾河中下游各控制斷面最小、適宜和理想生態需水量，各控制斷面河道生態需水量年內豐枯變化過程與天然徑流量變化過程相一致，各水文站多年平均徑流量可以滿足河道生態需水的要求，5-9月份在滿足河道生態需水量的前提下，可滿足河道外生態需水和水庫汛期蓄水的要求。

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