桑干河最小生態環境需水量分析

邢廣軍，田景麗

（河北省張家口水文水資源勘測局，河北張家口075000）

桑干河最小生態環境需水量分析

邢廣軍，田景麗

（河北省張家口水文水資源勘測局，河北張家口075000）

桑干河自冊田水庫建庫以來，地表徑流幾近消失。為恢復桑干河昔日生機，首先需要確定其最小生態環境需水量。使用分項計算法和Tennant法進行了桑干河最小生態環境需水量的確定，并指出桑干河水生態環境逐步惡化的原因。

生態基流；生態環境需水量；分項計算；Tennant法

1 問題的提出

冊田水庫建成后，攔截了上游來水，導致中下游年徑流量急劇變小，河床抬高，行洪能力變弱，桑干河河道的游蕩特性更加明顯，大部分河床裸露，河面越來越窄。在基本失去基流的情況下，河道逐漸失去了其基本的功能和用途。為恢復桑干河生機，首先需要確定其最小生態環境需水量，之后才能進行后續的水生態環境恢復工作。

2 桑干河生態環境現狀

過去的桑干河水量充沛、水面寬闊、波光粼粼、魚翔淺底，過河需要擺渡，清澈的河水像玉帶一樣蜿蜒在陽原、宣化、涿鹿和懷來大地上。著名作家丁玲的《太陽照在桑干河上》便是桑干河涿鹿縣一帶人民的美好生活寫照。

20世紀六七十年代后，桑干河流域內又興起水土保持，建成一批大中小型蓄水工程和堤防工程，攔蓄了雨水徑流。自1997年后，桑干河內許多河段基本上處于斷流的狀態，沿岸農田飽受干旱影響，河道不規范采砂現象日益嚴重，裸露的河床和岸坡面目全非。隨著年徑流量急劇減少，昔日的河灘被圍墾變成了農田，河道被無節制占用，導致河道行洪能力不足，一旦發生洪水，可能引發嚴重的洪澇災害。隨著經濟的不合理增長，本被破壞的生態環境也隨之更加惡化。

3 最小生態環境需水量計算

3.1 計算方法遴選

根據桑干河流域歷史資料積累情況，本次河道內生態環境需水量采用分項計算分析法和Tennant法進行計算分析，并對這兩種分析結果進行綜合評定，確定河道內最小生態環境需水量值。

3.1.1 分項計算分析法

河道內生態環境需水量包括河道生態基流、改善水質需水量、通河湖庫濕地生態需水量、水生生物需水量、河道泥沙輸送需水量、沖淤保港和防潮壓咸需水量等。分項計算就是先求出各項需水量，然后按照一水多用原則綜合確定河道內生態環境需水量。

對桑干河而言，由于只考慮河道內最小生態環境需水量，所以不涉及改善水質需水量、通河湖庫濕地生態需水量、水生生物需水量等，河道內最小生態環境需水量可只包括河道生態基流和河道泥沙輸送需水量。

（1）河道生態基流。河道生態基流是指為維持河床基本形態、防止河道斷流、保持水體天然自凈能力和避免河流水體生物群落遭到無法恢復的破壞而保留在河道中的最小水（流）量，采用n年（n≥10）最小月平均流量法計算，其計算公式為：

式中：WE為河道生態基流（m3）；Qi為n年最小月平均流量（m3/s）。

根據桑干河的實際情況，從維持桑干河河道基本形態以及保證一定基流量、維持桑干河一定的稀釋自凈能力和基本的生態環境等方面考慮確定桑干河生態基流。桑干河建庫前、后和現狀年最小月平均流量統計的多年最小月平均流量均值分別為11.3、3.20、0.422 m3/s，從結果可以看出冊田水庫截流后桑干河內多年最小月平均流量變化非常大，因此確定桑干河河道內最小生態環境需水量（河道生態基流）只能以建庫前的多年最小月平均流量為基準，即11.3 m3/s。根據式（1）計算，可知河道生態基流WE=3.563 6×108m3。

（2）河道輸沙需水量。河道輸沙需水量是指保持河道水流泥沙沖淤平衡所需水量，主要與河道上游來水來沙條件、泥沙顆粒組成、河流類型及河道形態有關。桑干河屬河床比較大的山區河流，一般情況下水流處于非飽和輸沙狀態。為了輸沙排沙、維持沖刷與侵蝕的動態平衡，需要一定的生態環境需水量與之相匹配，因此可用多年最大月平均含沙量代表水流對泥沙的輸送能力來計算輸沙需水量，輸沙需水量可用下式計算：

式中：WS為年輸沙需水量（m3）；Sl為多年平均輸沙量（kg）；SCW,max為多年最大月平均含沙量（kg/m3）。

根據桑干河的實際情況，從維持河道水沙平衡、保證輸沙排沙來考慮確定河道輸沙需水量。桑干河建庫前、后和現狀年年輸沙量為4 877×104、151×104、7.39×104t，年最大月平均含沙量為147.5、50.9、37.9 kg/m3。建庫前、后和近期輸沙需水量計算結果，見表1。

表1 建庫前、后和近期輸沙需水量比較

由表1可知，建庫前的時段比較符合桑干河輸沙需水情況，建庫后和近期受水利工程控制輸沙量和平均含沙量都受到較大影響，不再具備代表性，因此選擇建庫前的輸沙需水量作為桑干河的輸沙需水量，即WS=3.306 4×108m3。

（3）分項計算分析法最小生態環境需水量確定。比較河道生態基流和河道輸沙需水量可知前者大于后者，因此河道最小生態環境需水量應取河道生態基流量3.563 6×108m3。

需要說明的是，對于桑干河而言，蒸發量和河道輸沙需水量不是一個數量級，人工景觀用水一般采用地下水或中水，本次分析論證暫不考慮。

3.1.2 Tennant法

Tennant法將全年分為2個計算時段，根據多年平均流量百分比和河道內生態環境狀況的對應關系，直接計算維持河道一定功能的生態環境需水量。Tennant法中，河道內不同流量百分比和與之相對應的生態環境狀況見表2。

表2 不同流量百分比對應的河道內生態環境狀況（部分）

根據Tennant法，維持河道一定功能的年需水量計算公式如下：

式中：WR為多年平均條件下維持河道一定功能的年需水量（m3）；Mi為第i月天數（d）；Qi為第i月多年平均流量（m3/s）；Pi為第i月生態環境需水百分比。

將1 a分為2個計算時段即4—9月為多水期、10月—次年3月為少水期，不同時段流量百分比有所不同。少水期選取多年平均流量的20%，多水期選取多年平均流量的40%作為河道生態環境需水量，計算結果見表3。

表3 Tennant法不同時期需水量計算結果

經分析，選取3.215 1×108m3作為Tennant法計算的桑干河最小生態環境需水量。

3.2 桑干河最小生態環境需水量的確定

根據分項計算分析法和Tennatn法比較，結合桑干河實際情況，確定分項計算分析法結果WE= 3.563 6×108m3為桑干河生態環境需水量。而近期最小年徑流平均值為0.133 1×108m3，只占生態環境需水量的3.7%，缺口為3.430 5×108m3。

4 結語

桑干河最小生態環境需水量的巨大缺口，造成了桑干河目前逐步惡化的水生態環境形勢，恢復桑干河水生態環境的第一步便是補充生態基流。因此，需要通過各種符合自然規律的方式為河道補充生態基流，逐步達到最小生態環境需水量的目的。

[1]SL/Z 479-2010，河湖生態需水量評估導則（試行）[S].

[2]芮孝芳.水文學原理[M].北京：中國水利水電出版社，2008.

[3]梁忠民.水文水利計算（2版）[M].北京：中國水利水電出版社，2008.

TV213.4；X821

A

1004-7328（2017）04-0015-03

10.3969/j.issn.1004-7328.2017.04.005

2017—03—11

邢廣軍（1970—），男，高級工程師，主要從事水文水資源分析研究工作。