基于河道生態需水量計算方法的研究

趙海波

(遼寧省白石水庫管理局有限責任公司，遼寧 朝陽 122000)

水系統循環為實現能量、物質循環的基礎，并深刻影響著生態系統功能和結構，維持區域水資源可持續發展離不開良好的水生態環境。2010年，中國正式發布了首部有關生態需水方面的標準《河湖生態需水評估導則(試行)》。近年來，為保護河流的生態健康以及促進水資源合理開發，對水生態修復和生態需水量的研究不斷加強[1]，國內外研究熱點逐漸轉向河流生態需水的計算方法。

目前，總體上分為棲息地法、整體分析法、水力學法和標準流量法4大類河道生態需水量計算方法[2]。其中，應用最為廣泛的方法以標準流量法為主，可對河流的生態流量依據歷史水位數據來計算，主要有河流基本生態環境需水量法、年內展布計算法、Texas法、7Q10法、Tennant法、可變范圍法、逐月頻率法及水生物基流法等。近年來，根據不同區域的特征國內學者提出了各自領域的改進方法，如夏自強等[9]以北方中小型河流為例，提出年內和年際變化較為劇烈的河流豐、平、枯水期適宜生態流量，即不同保證率下的流量；吳國燕等[3]對Tennant法的非汛期、汛期河道環境需水量依據灌區河道水文特征周期加以修正；黃強等[4]在黃河干流生態需水量計算時引入環境比降參數；韓會玲等[5]依據相關資料，以實際案例驗證了季節修正系數的有效性；劉昌明等[6]修正了南水北調西線河流的魚類產卵幼期，在此基礎上探究了河道生態需水計算方法。本研究對自然因素和社會條件影響下的河流生態流量利用較為實用的5種水文學分析法計算[7]，并對計算結果利用生態環境標準等級加以評估。

1 河道生態需水量計算方法

1)中位數法。從高到低將有限數集中所有的觀測值排序后，可以確定中位數為正中間的數值，若存在偶數個觀測值則中位數取兩個中間數的均值。其中，觀測值樣本容量為影響中位數的關鍵因素，而極小或極大觀測值對其影響較弱，通過增強數列代表性可提高其準確度。最后，從小到大按月序列排列多年逐月天然流量，則該月生態流量值即為月序列的中位數值。

(1)

式中：qij為第j年第i個月的月均流量，m3/s；i=1，2，…，12；j=1，2，…，40。

3)7Q10法。最小生態流量值等于連續7d最枯的90%保證率日平均流量，7Q10法最早用于污水處理長，而對生態需水量的評估計算應用較少。1970s我國引入該方法，并演變成河流最小生態流量值等于90%保證率最枯月平均流量或近10a最枯月平均流量。

4)逐月頻率計算法。多年逐月天然流量系列考慮研究區域水文資料而設立，以枯、平、豐三個系列組成全年12個月序列，并設定枯水序列(90%)、平水系列(75%)和豐水系列(50%)的不同保證率，河流各月最小生態流量即為保證率所對應的流量。

5)Tennant法。該方法計算的河流生態需水推薦值等于預先確定的年天然徑流百分比，所以屬于一種標準設定的非現場測定法。將河道生態環境狀況劃分為沖刷或最大、最佳范圍、極好、非常好、好、中、差、極差8個等級，并考慮水生生物生育期分為魚類產卵育幼期(4-9月)和一般用水期(10月-次年3月)兩個時間段。不同生態環境狀況的流量百分比，見表1。

表1 不同生態環境狀況的流量百分比

Tennant法具有操作方便、使用簡單的優點，明確水生生物-流量關系后所需數據較少，對于缺乏生態資料的地區具有較強適用性。然而，實際應用時該方法也存在一定局限：未考慮多泥沙、季節性明顯、流量變化大的河流特征，以及幾何形態顯著影響流量等因素。該方法是在詳細勘察11條典型河流的基礎上，運用58個斷面分析水生生物受38個不同流量下生物、化學、物理信息的影響，并由Tennant等人設定的方法，對于社會屬性和自然屬性獨特的河流不能直接應用。

2 大凌河生態流量的計算

2.1 流域概況

大凌河古稱“渝水”，地處遼西低山丘陵區也是遼西最大的河流，全長397.0km，流域面積2.35萬km2，主脈沿西南—東北向流經朝陽、北票、義縣、錦縣等地區后匯入渤海。流域內屬溫帶季風氣候，年均氣溫8.0-9.0℃，年均降水量500mm，受季風氣候影響全年70-80%降水集中于6-9月，年際降水量存在明顯差異，降水量豐、枯比最高可達3倍。河流水源補給以地下水、大氣降水為主，年際徑流量變化較大，徑流豐、枯比最高達10倍，年蒸散發1700mm，每年的1—5月為蒸發量最大、最小時段，。

流域范圍內以山丘為主，極少數為平原，自西北向東南地勢從山地、丘陵過渡到山前傾斜平原至渤海西岸，地形起伏波動明顯，海拔為400-1200m。研究區地形破碎、地質發育良好，溝壑分布以土石質“V”型為主，土壤類別多褐土，土層較薄、有機質含量低且土質疏松。以林業和農業用地為主，流域內發現點源、非點源污染，并且大型工礦企業較少，由于化肥施用量高、農業較為發達其水體環境以非點源污染為主。水中生物受湖泊富營養化的影響較大，鳙魚、草魚、鰱魚、鯽魚等大型魚類數量不斷減少，每年的4-5月為其繁育期；小型經濟魚類(如湖鱭)約占總產量的80%，其優勢明顯，繁殖期為每年6-7月。

2.2 生態流量計算

文章利用大凌河干流朝陽水文站1980-2018年天然徑流資料計算河道內生態需水量，考慮河流受到水生生物、經濟社會、生產生活、降雨蒸發等因素影響，將一年周期劃分為枯水期(10月-次年次月)、豐水期(5-9月)兩個時間段。對大凌河年內展布法、近10a最小月平均流量法、逐月頻率法、Tennant法、中位數法計算，生態流量計算值，見表2；并對計算結果利用生態環境標準等級評價，生態環境評價等級，見表3。

表2 生態流量計算值 m3/s

表3 生態環境評價等級

2.3 結果與分析

1)通過對比可知，年內展布法和近10a最小月平均流量法(7Q10法)的非汛期評價結果均為極差等級，生態需水量計算整體偏小，較小的汛期徑流降低了河床輸沙能力，對河流納污造成不利作用。對于年內豐、枯特性變化明顯的河流預先設定流量標準的Tennant法不適用，即流域降雨強度較大且降水時間比較集中，年內流量分配具有較大差異，利用該方法計算的汛期生態需水量明顯偏小。運用逐月頻率法計算的流量結果維護了年內分布的河流徑流完整性，對于季節性變化明顯的河流具有較強的表征能力；較大的汛期流量有利于河流納污、養分輸送，并且漲水可以擴展產卵水域，可對鱭魚產卵和生長創造有利條件。中位數法有效解決了極端值對平均值產生影響的問題，顯著提升生態需水量閾值計算的可靠度與精準度。

2)將河流生態需水量利用逐月頻率法計算時，年內各個時期不適用統一的保證率，其原因為河流的社會功能屬性和自然屬性在年內不同時期內有所差異。因此，年內各個時期的生態需水量應根據河流在雙重因素影響下(人類活動和自然界)，可以發揮其良好功能并呈現基本健康狀態情況來確定。

3)深入對比不同方法的標準流量，可采用多年同期平均流量的40%-60%、65%-75%計算河道枯水期(10月-次年4月)和豐水期(5-9月)生態需水量。大凌河年內逐月最小生態流量，見表4。

表4 大凌河年內逐月最小生態流量

3 結 論

1)硝態氮、氨氮、總磷等非點源污染為大凌河的主要污染物，并且非點源污染輸出受降雨徑流影響顯著，該過程屬于一個不斷積累或沖刷的過程。考慮污染物影響計算的河道生態需水量，可以在滿足水體自凈要求的同時防止下游受長期污染物積累而產生高負荷現象。

2)大凌河魚類繁殖的高峰期以每年4-7月為主，最小生態流量(表4)在該時段所對應的水位可以淹沒沿岸旱草、淺灘，增加水域面積為魚類產卵創造有利條件，并且高流量提供充足的事物以滿足幼魚生長需要。采用同期均值比進行評價以及對生態需水量利用逐月頻率法計算，可以充分反映大凌河年內徑流分配差異大、汛期流量大、時間長等特點，該方法具有較強適用性。

3)河流生態功能涉及灌溉、發電、涵養水源、航運、娛樂景觀、地下水補給、稀釋自凈、輸沙、排鹽、維持水生物棲息地等，河流生態需水量因功能屬性的不同而存在一定差異。