延河河道內生態環境需水量估算

陳曉歌，雪靜

（水利部陜西省水利電力勘測設計研究院，陜西西安700001）

延河河道內生態環境需水量估算

陳曉歌，雪靜

（水利部陜西省水利電力勘測設計研究院，陜西西安700001）

近年來，延河流量明顯減少，非汛期常流量僅為1 m3/s左右，2014年5月份平均流量為0.8 m3/s，月最小流量僅為0.2 m3/s，甚至出現斷流現象。根據延安水文站1973～2014年長系列天然徑流資料，對河道內基本生態環境需水量和目標生態環境需水量進行估算，建議以輸沙需水量7775.6萬m3為河道內生態環境需水量，既能滿足河道基本生態功能，又可以滿足河道沖淤平衡的輸沙需求。

延河；生態環境；河道內；需水量

目前，生態環境需水量的計算方法多樣且不成熟，水資源可利用量的確定應根據我國不同地區水資源條件和生態環境狀況的差異，從不同角度，運用多種方法進行綜合分析，并注意完整的流域和局部區域在具體計算時的差別和聯系。北方水資源短缺地區水資源可利用量計算的主要控制因素是河道內生態環境需水量。以延河為研究對象，利用延安水文站1973～2014年長系列水沙資料，采用不同方法對延河河道內基本生態環境需水量和目標生態環境需水量進行計算。

1 流域概況

延河屬黃河一級支流，水資源總量14.78億m3，人均水資源量718.84 m3，占全省平均水平1221 m3的58.87%；人均地表水資源量為697.44 m3，為全省平均水平1168 m3的59.7%，遠低于全國人均2714 m3的水平，是全省、全國水資源最貧乏的地區之一。近年來，延河流量明顯減少，非汛期常流量僅為1 m3/s左右，2014年5月份平均流量為0.8 m3/s，月最小流量僅為0.2 m3/s，甚至出現斷流現象。需要采用一定的工程措施，提高延河生態用水量，改善河道的水景觀效果。

2 延河河道內生態環境需水量計算

河道內生態環境保護目標所對應的生態環境功能對水量的需求，應分別用基本生態環境需水量和目標生態環境需水量表示。基本生態環境需水量計算方法有Qp法、近10年最枯月平均流量法及Tennant法等。

目標生態環境需水量計算方法有水生生物需水量的“生物需求法”，輸沙需水量計算的“輸沙需水計算”，自凈功能需水量可根據河流水功能區不同時段或不同時期的水質要求，選擇與之相匹配的水文設計條件進行計算。

本次目標生態環境需水考慮輸沙需水計算，自凈功能需水，水面蒸發損失等。

2.1 基本生態環境需水量估算

（1）Qp法。又稱不同頻率最枯月平均值法，以長系列天然月平均流量為基礎，用每年最枯月排頻，選擇不同頻率下的最枯月平均流量為基本生態環境需水量的最小值。

將延安水文站1973～2014年最枯月平均流量進行頻率計算，其90%頻率下的最枯月平均流量為0.678 m3/s，水量2527萬m3。

（2）近10年最枯月平均流量法，即10年中的最小值，作為基本生態環境需水量的最小值。

根據延安水文站1973～2014年42年長系列徑流資料計算的生態基流量為0.627 m3/s，水量1490萬m3。

（3）Tennant法。對北方地區，生態基流應分非汛期和汛期兩個水期分別確定，一般情況下，非汛期生態基流應不低于多年平均天然徑流量的10%；汛期生態基流可按多年平均天然徑流量20-30%。非汛期流量0.48 m3/s，水量1141萬m3、汛期流量1.45 m3/s，水量3445萬m3。

根據以上三種方法的計算結果，綜合確定采用近10年最枯月平均流量法計算成果，即0.627 m3/s作為延河河道生態基流。

2.2 目標生態環境需水量估算

河流控制斷面目標生態環境需水量，應按照保護目標對應的生態環境功能維持在正常水平的需水要求。

表1 輸沙需水量計算

（1）輸沙需水量計算

輸沙需水量指河道內處于沖淤平衡時的臨界水量，由于延河屬多沙河流，必須有一定的河道來水量才能保持沖淤平衡。河流的輸沙能力主要取決于河道來水量與含沙量，通常來水量越大輸沙量越大。

式中：Ws為輸沙需水量，m3；Qs為單位泥沙輸沙需水量，m3/t；S為來沙量，t；Z為淤積量，t。

單位泥沙輸沙需水量Qs可采用下式計算：

式中：Qs為單位泥沙輸沙需水量，m3/t；s為河流某斷面的平均含沙量，kg/m3；ρs為河流泥沙密度，kg/m3。

（2）自凈功能需水量

延安主城區除去南川河上部分排污口并未通過污水截流閘截污進入污水管網外，各排污口已經基本被管網覆蓋，通過延河綜合治理城鎮污水處理廠工程，將現有管網系統提升改造，延伸管網敷設距離，并實現雨污分流，確保城區污水全部進入污水處理廠，延河水質將有很大改善。

自凈功能需水量要根據對河流自凈功能的要求，合理確定不同時段或水期的設計水量，作為維持水體自凈功能的需水量。延河自凈水量采用河流完全混合模型計算水量與一維穩態水質模型，在忽略縱向彌散作用下，模型公式如下：

①完全混合模型計算公式：

式中：C為完全混合的水質濃度，mg/L；Qp為污水排放量，m3/s；Cp為污染物排放濃度，mg/L；Qh為上游來水流量，m3/s；Ch為上游來水污染物濃度，mg/L。

②一維穩態水質模型公式：

式中：C0為初始濃度，mg/L；K為階動力學反應速度，1/d；X為沿河流方向距離，m；C為位于污染源下游x處的水質濃度，mg/L。

由于延河COD5、氨氮和總磷為主要超標因子，因此選取COD5、氨氮和總磷作為計算自凈需水量的計算因子。污染因子計算自凈需水量達到延河水功能區劃要求Ⅲ類水質。由表2知：2月、3月、4月和5月份分別需要調水量為1.187 m3/s、0.763 m3/s、1.255 m3/s和2.105 m3/s；其它月份不需要調水。自凈需水量取2.105 m3/s，即1374萬m3。

（3）蒸發損失水量

延安市延河梯級橡膠壩工程位于延安市市區延河干流及支流西川河、南川河上，共9座。除延大橡膠壩及寶塔山橡膠壩為已成工程，其它7座橡膠壩工程將分期實施。延河干支流城區段橡膠壩非汛期（9月～次年5月）可蓄水219.2萬m3，形成115.38萬m2的水面，蒸發損失水量30萬m3。梯級橡膠壩多年平均蒸發增損見表3。

河道內生態環境需水計算是以維護河湖生態環境功能的用水需求為基礎，由于河湖各項生態環境功能是相互聯系的，很難嚴格區分、截然分開，各項生態環境功能的需水量可能有重復，所以河道內生態環境需水應按各項生態環境功能的需水量的外包值計算[1]，計算結果見表4。

表2 延河斷面自凈需水量（m3/s）

表3 梯級橡膠壩多年平均蒸發增損表（mm）

表4 延河河道內生態環境需水量計算成果（萬m3）

3 結論

對河道內基本生態環境需水量與目標生態環境需水量采用不同方法進行計算，由表4可以看出，推薦的基本生態環境需水量2527萬m3，占天然徑流的16.6%，輸沙需水量7775.6萬m3，占天然徑流的51%。輸沙需水量遠遠超過了基本生態需水量和自凈需水量，即輸沙需水量決定了延河河道內生態環境需水量。原因在于延河徑流量較大，攜沙能力強，同時延安地處黃河中游黃土高原丘陵溝壑侵蝕極強區，水土流失嚴重，含沙量大[2]。

推薦的基本生態環境需水量2527萬m3僅能滿足基本的河道生態功能和自凈功能的需求，即維持最低限度的河道中水生生物的健康和不同水期的水質要求，但不能滿足河道沖淤平衡需求[3]。所以推薦輸沙需水量7775.6萬m3為河道內生態環境需水量，既能滿足河道基本生態功能又可滿足河道沖淤平衡的輸沙需求。

[1]SL/Z 712-2014,河湖生態環境需水計算規范[S].中華人民共和國水利部，2015.

[2]衛鳳蓮，王麗霞，延安市河流系統生態環境需水量測評與分析[J].陜西師范大學學報自然科學版，2008,36（5）：86-90.

[3]任美慶，李廣源，湘江最小生態環境需水量初步研究[J].湖南水利水電，2006（3）:75-76.

X26；X522

B

1673-9000（2017）04-0029-02

2

陳曉歌（1982-），女，漢族，陜西閻良人，工程師，從事水利水電工程規劃設計工作