典型北方季節性河流生態需水量研究

翁傳松，劉德富，張佳磊，龔 川，沈旭舟

(湖北工業大學土木建筑與環境學院，武漢 430068)

0 引 言

隨著我國社會經濟的增長以及人口的快速增加，對于水資源的競爭也愈加激烈。相對于工業及生產制造業，農業種植業作為水資源消耗的最大產業對我國經濟起到舉足輕重的作用[1]，據統計2017年我國農業需水占全年供水量的60%以上[2]。對于我國北方而言，由于常年少雨導致河流水資源匱乏，同時為滿足農業灌溉用水，河流來水通過水庫調節后經渠道(或管道)被大量引走，由此使得河流水量大幅度減少，與此同時，河流水文過程也發生了較大程度的變化。河流水量的減少，降低了水環境容量，在一定程度上加劇了水環境污染的局面[3]。

生態需水量研究一直是生態學、水文學等多個領域研究的熱點之一，是解決水資源基本配置的重要手段[4]。美國漁業與野生動物保護組織于20世紀40年代就提出相關概念，研究主要集中在使河流恢復完善的生態系統方面，主要方法有水文學法、水力學法、棲息地法和綜合法[5]。水文學法是最基礎也是最為簡便的方法，最初是由生態學家與工程學家根據多年野外觀測、實踐、分析所總結提出的，具有快速低成本，不需要現場考察實測等優點，最常用的水文學法有Tennant 法、Texas法。馮夏清等[6]采用Tennant 法對渾河中下游河道進行生態需水量評價，得到較為合理的結果，但是該方法精度不高，在徑流與生態關系不明確的情況下具有較大的誤差，因此不適于直接計算某一河段的生態需水量；水力學法適用于較為穩定的河道內，以水力學參數(濕周、寬度、流速等)和生態環境關系為基礎來確定穩定河道內生態需水量，最常用的水力學法有濕周法及R2Cross 法。吉利娜等[7]通過從斷面對濕周影響的角度出發，分析不同斷面形態下濕周-流量關系，結果表明:南水北調西線一期工程所在流域采用該方法會使結果偏小；棲息地法又稱生境模擬法，是基于關鍵物種的水文狀況與生物響應關系為基礎，通過流量、斷面、生物等數據構建生境適宜性曲線，主要包括IFIM法和CASIMIR法。但是該方法所需數據精度高，操作復雜，普適性較差，因此該方法在我國的應用具有一定的局限性[8]；綜合法是基于研究區域生態環境整體出發，著眼于生態環境效益及社會效益等多個方面，需要考慮河道內泥沙、流量、河床形狀、地下水等多個因素，最后綜合專家意見提出一個最優的推薦值。該方法主要包括南非的BBM法[9]，但由于該方法需要廣泛的專家意見，時間周期長，成本高且計算結果不精確，因此國內對該種方法借鑒較少[10, 11]。國內對于生態需水的研究起步較晚，但發展較快，主要方法有10月最枯月平均法、最小月平均流量法、逐月頻率計算法以及水質目標法等[12]。近些年又有不少研究學者針對國內季節性河流提出了新的生態需水量計算方法。陽書敏等[13]針對南方季節性河流提出一種BOD與COD水質-水量耦合關系模型方法并得到實證；楊訪弟等[14]對西北季節性河流分汛期的輸沙量因素和非汛期水生生物因素進行研究，使該地區水資源得到有效利用；李想[15]以吉林省季節性河流為例研究干支流水文補償特性和規律計算了該流域水資源可利用量。以上生態需水量的研究分析了我國南北方季節性河流的特點并考慮了水質、汛期/非汛期和河流水文等因素，可為本文洋河流域生態需水量的計算提供理論依據，但上述季節性河流生態需水量的研究并未考慮到當地農業用水灌溉等因素的影響。

洋河流域一直以來作為京津冀綠色農副產品的保障基地，不僅為該地區帶來可觀的經濟收入也為周邊地區提供了安全、綠色的果蔬產品。據統計1957-2012年間洋河多年平均天然徑流量為4.74 億m3,而2003-2012十年間洋河平均天然徑流量僅為1.93 億m3。由于洋河流域水資源總量少，水資源開發利用較高，供需矛盾突出。近年來洋河干流呈現出頻繁“斷流”現象，水資源量嚴重不足且該流域點面源污染十分嚴重，部分干流指標未能達到“水十條”要求，嚴重影響了當地農業經濟的發展，給生態環境帶來了極大的隱患。因此面對洋河流域水資源問題，既要考慮水量水質問題，還應關注農業灌溉問題，筆者將通過水文學法及水質目標法計算出洋河流域最小、適宜及理想生態需水量，利用Cropwat模型計算出目標區域內農作物需水量，并通過改進上游水庫調度方式給予洋河流域農作物充足的水源，為維持北方季節性河流生態系統經濟、社會和環境綜合效益的發揮提供技術支撐。

1 材料與方法

1.1 研究區域概述

洋河屬海河流域永定河水系上游的一條支流，該河流起源于內蒙古自治區察哈爾右翼前旗與興和縣的東、西洋河，流經張家口市在懷來縣夾河村附近與桑干河匯合一同注入官廳水庫，是典型的季節性河流[16]。張家口市地處河北省西北部，位于東經113°50′～116°30′、北緯39°30′～42°10′[17]。該流域屬半干旱大陸性季風氣候，受到西北氣流的控制，冬春兩季多風少雨雪，氣候干燥；夏秋兩季受偏南海洋暖濕氣流控制，雨水相對較多，全年降雨量約400 mm且降雨量年際變化明顯，雨水分配不均，河道常因此出現“斷流”現象， “十年九旱”是張家口市的典型氣候特征[18]。張家口市水資源儲備嚴重不足，多年平均水資源量約為22 億m3，多年平均人均占有量為399 m3，約為全國平均值的1/5，僅為世界平均值的1/20，因此該地區水資源極為匱乏[17]。

友誼水庫位于尚義縣與內蒙古自治區興和縣交界處，為永定河水系上游最主要的水利樞紐工程，控制流域面積2 250 km2，總庫容為1.16 億m3，可調洪庫容0.39 億m3，溢洪道最大泄流量為2 384 m3/s，是一座以防洪、灌溉為主，兼顧水產養殖的大(2)型水利樞紐工程[19]。

圖1 洋河干流典型水文站點及監測斷面Fig.1 Typical hydrological stations and monitoring sections of the main stream of Yanghe River

洋河流域共有國控監測斷面及大小水文站點幾十座，本文選取沿洋河干流從上至下游具有代表性的4個斷面：左衛斷面、響水鋪斷面、雞鳴驛斷面和八號橋斷面，如圖1所示。選取2013-2016年流量、流速、水質等數據對洋河進行河道生態需水量計算。

1.2 洋河流域生態需水量計算方法

1.2.1 Tennant 法

Tennant 法[20]，又稱為蒙大拿法，該方法是建立在多年歷史水文數據之上構建流量與棲息地之間的關系，將每年平均流量的10%作為河道內維持生物多樣性的最基本的流量，也稱最小生態需水量(表1)。但是由于該方法并未考慮水量的年內分配，因此該方法只適用于最初對優先度不高的河段計算，本文將其作為對其他方法的一種檢驗，公式為：

(1)

式中：Wt為河道環境需水量；Mi為一年內第i個月多年平均流量；Ni為第i月份的推薦基流百分比。

表1 Tennant 法對河流生態需水推薦標準Tab.1 Tennant recommendation criteria for river ecological water eemand

各月用水量占年度總量的比例如式(2)所示[6]：

(2)

式中：Ri為各月用水量比例，下標i為月份；Wij為第j年第i月天然河道徑流量；Wj為不同j年度天然河道總徑流量；n為天然徑流量統計年數。

1.2.2 最小月平均流量法

最小月平均流量法，是以河流最小月平均實測徑流量的多年平均值作為河流的基本生態環境需水量，公式為[21,22]：

(3)

式中：Wb為河流基本生態需水量，億m3；T為換算基數，T=31.536×106；n為統計年數；Qij為第i年第j月的月平均流量，m3/s。

1.2.3 防治河流水質污染的生態需水量

以水質目標為約束手段，考慮河段上游污染物濃度、河段內排出的污水量以及污染物在河段內的衰減系數可以綜合得到河段水質控制目標下的需水量[23]，如下(4)所示：

(4)

式中：Q0為某一河段內需水量，m3/s；Wp為排污量，g/s；q1為排污流量，m3/s；Cs為控制濃度，mg/L；S1為排污口排出的污染物濃度，mg/L；K為污染物綜合衰減系數，1/d；u為斷面流速，m/s；C0為河流上游來水中污染物濃度，mg/L；x為河流上下斷面間的距離，km。

1.2.4 河道外作物需水量

CROPWAT模型是聯合國糧農組織(FAO)研發的一款作物需水量模型[24, 25]，可對各種作物的參考作物蒸發蒸騰量ET0，作物蒸發蒸騰量ETc進行計算。CROPWAT模型模擬作物需水量所需的輸入參數包括氣象數據、土壤數據和作物數據，其中氣象數據包括：氣溫、降水、風速、日照時間和濕度。計算作物需水量一般采用FAO推薦的Penman-Monteith計算并利用CROPWAT進行模擬，如下(5)～(7)所示：

ETc=EToKc

(5)

其中：

(6)

CWR=10ETc

(7)

式中：ETc為作物總蒸散發量，mm；ETo為參考作物蒸發蒸騰量，mm；Kc為作物系數；Δ為飽和水汽壓與溫度相關區縣的斜率，kPa/℃；Rn為作物表面凈輻射量，MJ/(m2·d)；G為土壤熱通量，MJ/(m2·d)；r為濕度計常數，kPa/℃；T為平均氣溫，℃；Pa、Pd分別為飽和、實測水汽壓，kPa；V2為2 m高處的風速，m/s；CWr為作物單位面積需水量，m3/hm2；10為單位轉換系數，將作物總蒸散發量ETc的單位mm轉換為m3/hm2)。

1.2.5 資料來源

本文資料均來源于《中華人民共和國水文年鑒—海河流域水文資料(第3卷)》。

2 計算結果與分析

2.1 基于水量條件考慮洋河生態需水量

全國流域中北方流域由于水文條件時空差異顯著導致年均降雨量分布不均，河道內生態系統冬季溫度較低，一些河道長期處于冰封狀態對需水量要求較低；隨著溫度不斷升高，生態系統對水量的需求也不斷攀升，本文所運用的最小月平均流量法由于未考慮到流域徑流的時間變化特征，因此為充分了解河道需水量隨時間變化以保證河道基本生態需水量，根據河流典型斷面及水文資料采用各月徑流量占年度總徑流量的比例來表示各斷面天然徑流時間變化，如圖2所示。

12月-次年2月，年內徑流量占年度總量比例較小，左衛、響水鋪、雞鳴驛和八號橋斷面所占比例分別為1.92%、5.20%、5.19%和13.26%，因此本文將12月-次年2月設定為洋河干流枯水期，3月-11月為豐水期。考慮我國北方河流的特性以及魚類產卵、農業種植因素，本文將在最小月平均流量法得出洋河干流最小環境需水量的基礎上，設定其140%，160%分別為適宜生態需水量和理想生態需水量，若某一斷面最小生態需水量小于實測天然徑流量的10%時，以實測天然徑流量的10%作為該斷面結果，最終計算結果如表2所示。

圖2 洋河干流各斷面徑流量年內分布Fig.2 Annual runoff distribution of the main stream of Yanghe River

表2 洋河干流各斷面生態需水量計算結果 億m3

表2是基于水量因素考慮下洋河干流生態需水量計算結果，其結果表明：研究期間左衛斷面由于在枯水期(12月-次年2月)、豐水期(3月-11月)均出現河道斷流現象，因此該斷面生態需水量所得結果在豐水期及枯水期相同，除左衛斷面外響水鋪、雞鳴驛和八號橋斷面生態需水量在豐水期均大于枯水期；在不考慮水質情況下，各斷面實測多年平均年徑流量均能夠滿足洋河干流最小生態需水量的要求。

2.2 基于水質條件考慮洋河生態需水量

當水量滿足河道生態需水量要求時，若水質條件不達標依然會導致生態系統遭到破壞，水質污染嚴重，水體內水生生物因棲息地遭受破壞無法生存甚至死亡，岸坡水生植物無法生長。因此在計算生態需水量時不僅需要考慮水量問題，水質問題不能忽視。張家口市人民政府于2016年印發關于《張家口市水污染防治工作方案》即“水十條”，其總體目標是擬于2020年張家口市水環境質量得到改善，第二階段目標即2018年至2020年：全市河流水質優良(達到或優于Ⅲ類水)比例總體達到70%以上，喪失使用功能(劣Ⅴ類)水體斷面小于10%左右[26]。

表3 2018年8月洋河干流各斷面水質情況 mg/L

表4 COD環境需水量 萬m3

表環境需水量 萬m3

2.3 考慮作物生態需水量

洋河流域作為京津冀綠色農副產品保障基地，同時又是我國糧食主場區。據《2016年張家口市經濟年鑒》表明，糧食作物占所有作物類別比例高達73%，其次為薯類、蔬菜、油料和豆類，如圖3、圖4所示。

圖3 2016年張家口市農作物種植面積Fig.3 Crop planting area of zhangjiakou in 2016

圖4 2016年張家口市農作物種植比例Fig.4 Crop planting proportion of zhangjiakou in 2016

考慮到洋河干流典型斷面的位置，選取洋河上游-下游沿岸懷安縣、萬全縣、張家口市、宣化區、懷來縣、涿鹿縣6個區縣，以谷子(4月-8月)、玉米(5月初-9月)、胡麻籽(4月底-8月底)、西紅柿(3月初-7月)、馬鈴薯(3月-7月)5種主要作物為例進行作物需水量計算，各區縣作物需水量如表6所示。

表6 2016年各區縣作物需水量 萬m3

如表6所示，玉米需水量在各區縣所占比重最大，占有量為4 371 萬m3，其次為谷子、馬鈴薯、西紅柿和胡麻籽，它們的需水量分別為512、331、29、18 萬m3。為保障各區縣作物正常生長需從洋河干流引水灌溉，按典型斷面豐水期對各區縣進行引水，則水量供應對比如表7所示。

表7 水量供應對比表 億m3

2.4 生態需水量方法驗證與分析

為明確洋河干流生態需水量計算的合理性，本文采用Tennant 法對基于水量水質考慮的生態需水量結果進行驗證，計算結果如表8所示。

表8 不同方法對生態需水量的比較 億m3

在保證河流基本生態需水量的情況下，洋河作為該流域最大的一條干流，為周邊區縣農業種植業不斷提供水源。通過作物需水量的計算得出若以左位斷面為引水口對懷安縣、萬全縣進行引水則不能滿足當地作物需水要求，水量虧缺值為0.006 億m3；響水鋪，雞鳴驛和八號橋斷面則能滿足作物豐水期需水量。因此為滿足懷安縣、萬全縣作物需水要求因從上游水庫進行調水，2016年豐水期友誼水庫水位過程線如圖5所示。針對2016年懷安縣、萬全縣作物需水虧缺值，友誼水庫在其豐水期應向下游補給0.006 億m3的水源。依據上述友誼水庫調度方式，適量增加水源補給，在給當地居民帶來可觀經濟效益的同時還可以改善水質，平衡土壤水鹽關系，促進魚類繁殖等[28]，對河道生態環境起到積極的作用。洋河干流作為北方典型季節性河流，與其他北方以種植業為主的流域有許多相似之處，因此在計算北方季節性河流生態需水量時可為當地職能部門提供技術支撐。

圖5 2016年豐水期水庫水位過程線Fig.5 The water level process line of the reservoir during the 2016 high water season

3 結 論

(2)在水庫供水方面：依據2016年友誼水庫豐水期(3-11月)水位過程線及相關資料得出其可調洪庫容為0.39 億m3；在作物需水方面：本文選取的五種主要作物其生長周期為3月初-9月均位于洋河流域豐水期(3月-11月)內，利用CROPWAT模型計算了洋河流域主要區縣農業作物的需水量，提出了基于保障洋河流域作物灌溉問題生態需適量的計算，得出友誼水庫需向下流補灌0.006 億m3水源才能滿足作物需水要求。

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