基于生態(tài)流量滿足分析的涇河生態(tài)流量研究

魏 凱，魏幫成

（1.甘肅甘蘭水利水電勘測設(shè)計院有限責任公司，甘肅 蘭州 730000；2.蘭州建設(shè)投資（控股）集團有限公司，甘肅 蘭州 730000）

0 背景

近年來，隨著社會經(jīng)濟的飛速發(fā)展，平?jīng)鍪泄まr(nóng)業(yè)及生活用水量劇增，水資源供需矛盾凸顯，特別是涇河崆峒區(qū)段生態(tài)用水無法得到保證，水生態(tài)系統(tǒng)遭到破壞。為了實現(xiàn)水環(huán)境與社會經(jīng)濟的協(xié)調(diào)發(fā)展，推動水資源的合理開發(fā)和利用，維持河流生態(tài)需水的呼聲越來越高。河道內(nèi)生態(tài)環(huán)境需水量是指維持水生生物正常生長所需水量[1]，目前主要流行四種方法，水文學(xué)法[2]、水力學(xué)法[3]、水生生物棲息地法[4]及綜合分析法[5]。水文學(xué)法計算相對簡單，且對水文資料需求較少，主要為Tennant 法；水力學(xué)法是通過水位、流速、水力半徑、濕周等河流水力學(xué)參數(shù)來估算生態(tài)需水量；水生物棲息地法需要同時考慮河流的水文特點和生物需求；綜合分析法主要考慮水生態(tài)功能的整體性。本文根據(jù)涇河流域的特點，使用Qp法、Tennant 法、頻率曲線法、近十年最枯月流量法及涇河納污能力設(shè)計流量分別計算涇河最小生態(tài)需水量，并通過生態(tài)流量滿足程度分析，最終提出適合涇河實際的生態(tài)流量目標值。

1 涇河流域概述

涇河發(fā)源于寧夏回族自治區(qū)涇源縣關(guān)山東麓老龍?zhí)叮吹睾芨叱?600 m，干流自西北向東南流經(jīng)寧夏、甘肅、陜西三省區(qū)的固原、平?jīng)觥c陽和咸陽等城市，從咸陽市長武縣湯渠村進入陜西省，在陜西省西安市高陵縣涇渭灣鎮(zhèn)陳家灘匯入渭河，全長455.1 km，河道平均比降4.77‰，流域面積45421 km2。總落差2179.9 m，年徑流量20.7 億m3。甘肅省境內(nèi)流域面積占流域面積占流域總面積的2/3，流域地貌特征分為北部黃土丘陵區(qū)、中部黃土塬區(qū)、西南部山地林區(qū)和東南部山川區(qū)，多年平均流量約53.1 m3/s，多年年平均輸沙量3.82 億t，是黃河泥沙的主要來源之一。

據(jù)統(tǒng)計，涇河內(nèi)共分布有魚類3 目5 科22 屬27 種，其中8 種屬人工放養(yǎng)魚類，野生魚類有19 種，占總種類數(shù)的70.4%，分別占甘肅省魚類資源（105 種）的18.1%和隴東黃土高原魚類資源（22 種）的86.4%。涇河自上而下的崆峒水庫、八里橋、平鎮(zhèn)橋、涇川等4 個水質(zhì)斷面中，崆峒水庫斷面除了枯水農(nóng)灌期水質(zhì)為Ⅲ類外，水質(zhì)基本維持在Ⅱ類；八里橋和涇川斷面水質(zhì)也相對較好，全年水質(zhì)達到了Ⅲ類。

2 生態(tài)流量分析

2.1 控制斷面選擇

根據(jù)河湖生態(tài)環(huán)境需水計算相關(guān)規(guī)范并結(jié)合涇河實際情況，生態(tài)流量控制斷面選擇考慮以下因素：①重要控制斷面；②省（市、縣）界重要斷面；③有涉水重要保護目標分布的斷面；④水利樞紐工程所在的河段代表斷面；⑤有水文站長系列水文資料支撐。根據(jù)以上原則，本次研究選取涇河八里橋、平鎮(zhèn)橋、涇川3 處斷面。八里橋是重要水工程斷面，平鎮(zhèn)橋是主要水文站斷面，涇川是跨界斷面。具體位置見圖1。

圖1 涇河各斷面范圍分布示意圖

2.2 生態(tài)需水分析

本次涇河生態(tài)流量包括生態(tài)基流和敏感生態(tài)流量。其中生態(tài)基流指為維持河流基本形態(tài)和基本生態(tài)功能的河道內(nèi)最小流量，河流基本生態(tài)功能主要為防止河道斷流和水質(zhì)惡化、避免河流水生生物群落遭受到無法恢復(fù)的破壞等；敏感生態(tài)流量主要包括重要水生生物生態(tài)需水等。具體見表1。

表1 涇河各斷面生態(tài)需水分析

2.3 水文資料評價及徑流分析計算

平?jīng)鏊恼?974 年建站，實測資料缺失年份本次利用崆峒水文站與平?jīng)鏊恼就教烊粡搅飨嚓P(guān)分析，相關(guān)系數(shù)R=0.9634，相關(guān)性較好，利用兩站相關(guān)關(guān)系將平?jīng)鏊恼灸陱搅餮娱L為1956 年～2016 年。涇川水文站徑流資料缺失1956 年～1972 年份點繪降水量與徑流深關(guān)系，點據(jù)散亂無明顯偏離，將涇川水文站年徑流延長為1956 年～2016 年。繪制八里橋與涇川站1956 年～2016 年年徑流時序圖和差積曲線圖，見圖2。八里橋站系列中包含了10 個豐水年、6 個偏豐年、16 個平水年、17 個偏枯年，11 個枯水年。涇川站系列中包含了6 個豐水年、7 個偏豐年、22 個平水年、19 個偏枯年，6 個枯水年。利用八里橋水文站與涇川水文站1956 年～2016 年61 年徑流系列，采用P-Ⅲ型曲線適線，進行統(tǒng)計計算。得到八里橋水文站平均流量Q0=3.96 m3/s，多年平均徑流量為1.25 億m3，Cv=0.60，Cs=2.0Cv；涇川站多年平均流量 Q0=7.67 m3/s，多年平均徑流量為 2.42 億 m3，Cv=0.58，Cs=2.5Cv。

圖2 八里橋與涇川站1956 年～2016 年年徑流時序圖和差積曲線圖

平鎮(zhèn)橋為水質(zhì)監(jiān)測斷面，并非水文監(jiān)測斷面，缺乏長序列水文資料，采用面積比擬法推求各斷面長系列月徑流過程。推求方法為：

式中：W 為非控制區(qū)徑流量，萬m3；F 參為參證站徑流量，萬m3；F 為非控制區(qū)面積，萬 m3；ɑ 為修正系數(shù)。

涇河流域涇川斷面以上流域面積約3145 km2，平鎮(zhèn)橋斷面以上流域面積約2035 km2，八里橋斷面以上流域面積約1305 km2，由于八里橋斷面以上區(qū)域大部分屬于關(guān)山地區(qū)，降水量較大，平鎮(zhèn)橋斷面以八里橋至涇川斷面比例計算更加準確，其面積比約占39.68%。涇河水文測站生態(tài)流量控制斷面徑流分析計算成果見表2。

表2 生態(tài)流量控制斷面徑流分析計算成果表

2.4 生態(tài)流量分析計算

2.4.1 生態(tài)基流

本次采用Qp法、Tennant 法、歷史流量法、近十年最枯月流量法對涇河的生態(tài)流量進行計算。其中Tennant 法以實測徑流量的10%作為非汛期基本生態(tài)需水量初值。涇河各斷面生態(tài)流量指標計算結(jié)果見表3。其中Qp法和近十年最枯月流量法計算的基本生態(tài)環(huán)境需水量顯著偏小，不能滿足水環(huán)境用水基本需求，河流基本生態(tài)功能無法持續(xù)維持。

表3 涇河基本生態(tài)環(huán)境需水量初值計算匯總表 單位：m3/s

2.4.2 敏感生態(tài)流量

涇河下游存在土著魚類的棲息河段，魚類產(chǎn)卵期為每年的4 月～6 月，河流及河漫灘濕地植被需水關(guān)鍵期為每年4 月～5 月，植被生長期為6 月～9 月。結(jié)合北方河流年內(nèi)變化規(guī)律，將每年4 月～6 月作為敏感期進行敏感生態(tài)流量分析，涇河對應(yīng)流速0.3 m/s～0.8 m/s，有淹沒岸邊的流量過程，在魚類棲息地河段需維持一定水面，水深在1 m 左右，滿足魚類產(chǎn)卵生態(tài)水量需求（以鯉魚為需水對象）。本次敏感生態(tài)流量計算以Tennant 法為基礎(chǔ)，根據(jù)涇河保護目標分布，選擇多年平均實測流量的30%～40%作為4 月～6 月份敏感生態(tài)流量初值。在此基礎(chǔ)上，分析需水對象繁殖期和生長期對水深、流速、水面寬等要求，涇川斷面敏感生態(tài)流量為2.1 m3/s～3.0 m3/s。

2.5 生態(tài)流量滿足程度分析

采用流量滿足程度指標進行評價分析，生態(tài)流量滿足程度指評價時段內(nèi)滿足生態(tài)流量的時長所占評價時段總時長的比例。涇河斷面采用 1975 年 ～2000 年、2001 年 ～2016 年月均流量系列進行評價，八里橋斷面由于在1982 年～1997 年間撤站，資料完整程度不夠，其滿足評價序列僅對1974 年～2016 年已有資料進行評價。所確定的生態(tài)基流原則上以月均流量滿足程度不低于90%為準，最終確定八里橋斷面非汛期生態(tài)基流為0.13 m3/s，涇川斷面0.75 m3/s。具體見表4。

表4 涇河八里橋、涇川斷面生態(tài)基流月均流量滿足程度統(tǒng)計表 單位：m3/s

2.6 生態(tài)流量綜合確定

基于平?jīng)鍪兴Y源持續(xù)衰減的實際情況，平?jīng)鰶芎由鷳B(tài)流量以維持河流基本生態(tài)環(huán)境用水需求為目標，重點保障枯水期基本生態(tài)環(huán)境需水量，保證河道不斷流、水質(zhì)不惡化為目標，維護河流基本生態(tài)環(huán)境功能發(fā)揮。同時考慮到?jīng)芎铀Y源相對條件較好，且上游有崆峒水庫可以調(diào)節(jié)水量，綜合考慮流域社會經(jīng)濟需求和河流生態(tài)環(huán)境需求，平衡社會經(jīng)濟發(fā)展和河流生態(tài)環(huán)境需水，確定涇河各斷面生態(tài)流量見表5。

表5 涇河基本生態(tài)環(huán)境需水量初值計算匯總表 單位：m3/s

3 生態(tài)流量保障措施建議

3.1 合理規(guī)劃、建設(shè)水利工程

采用規(guī)劃水資源調(diào)節(jié)工程、增強節(jié)水能力等自身挖潛手段，以及實施外流域引水，增加境內(nèi)水資源量等補充手段，并加大節(jié)水力度，加強非常規(guī)水利用，對提高生態(tài)流量滿足程度、改善境內(nèi)水生態(tài)環(huán)境起到積極作用。

3.2 加強組織協(xié)調(diào)

崆峒區(qū)、涇川縣聯(lián)合制定保障生態(tài)流量可行方案。將涇川斷面生態(tài)流量納入地方經(jīng)濟社會發(fā)展規(guī)劃，全面推行用水總量控制，保障基本生態(tài)環(huán)境水量。

3.3 增設(shè)自動水文觀測站

平鎮(zhèn)橋斷面均屬水質(zhì)監(jiān)測斷面，缺乏必要的監(jiān)測手段，建議新增相應(yīng)的水文監(jiān)測斷面，增強生態(tài)流量監(jiān)控。

3.4 建立生態(tài)流量管理制度

將涇河的生態(tài)流量納入平?jīng)鍪兴Y源調(diào)度方案。由平?jīng)鍪姓贫ǖ胤椒ㄒ?guī)，成立生態(tài)調(diào)度管理機構(gòu)，將生態(tài)流量納入?yún)^(qū)域水資源統(tǒng)一管理，切實保障生態(tài)流量。

3.5 研究生態(tài)流量補償機制

在涇河上下游各地區(qū)間提出跨區(qū)域（流域、行政區(qū)）的生態(tài)補償機制，提出以直接支付生態(tài)補償金為內(nèi)容的補償方式。

3.6 加強管理與監(jiān)督

加強水利工程運行管理和監(jiān)督，加大流域生態(tài)環(huán)境保護力度，嚴格執(zhí)行“三條紅線”水資源總量控制、用水效率控制和水功能區(qū)限制排污總量控制。同時將區(qū)域生態(tài)流量保障程度納入地方最嚴格水資源管理考核體系。

4 結(jié)語

涇河是平?jīng)鍪腥嗣竦哪赣H河。保障涇河生態(tài)流量是落實平?jīng)鍪兴踩Ｕ系牡拙€，在發(fā)展與保護同步推進形勢下，對推動涇河流域生態(tài)保護及綠色發(fā)展具有重要意義，本文經(jīng)分析計算，確定了涇河主要斷面生態(tài)基流并提出系列保障措施，可供從事水資源開發(fā)、保護及管理工作者借鑒。