大凌河干流河道內生態需水量研究

王樹彥

(北票市蒙古營水利服務站，遼寧 朝陽 122101)

河流具有景觀、生態和水文等多重功能，對維持人類的生存發展和生態環境保護發揮著不可替代的作用。然而，近年來不合理的開發利用使得河流出現水生物減少、水質惡化、泥沙淤積、河道斷流等一系列環境問題。合理確定河道生態需水量既能為水資源優化配置提供可靠的數據支持，又有利于恢復河流的生態功能。目前，對生態需水量國內外學者尚未給出統一的定義，錢正英等定義的生態需水概念應用最為普遍，即廣義的生態需水量是指包含水鹽、水沙、水熱和水量平衡等維持生態系統平衡的水量；從狹義上講，生態需水量是指為改善生態系統所需消耗的總水量；張麗等從2個層次上闡述了生態需水概念，即針對地下和地表水的狹義概念和針對降雨的廣義概念；劉昌明等提出“四大平衡”原理，即水量、水沙、水鹽和水分能量平衡。對于河流生態需水量，國外常用的計算方法有綜合法、棲息地法、水力學和水文學法等[1-3]。其中，綜合法是考慮月大、小流量變化的一種計算方法；棲息地法以不同生長階段的特定物種對流量的需求為計算依據，研究費用高且綜合性、針對性強；水力學法必須選擇合適的研究斷面，操作復雜但要求的數據量少；水文學法能夠反映季節性河流的變化特征，操作簡單，但計算精度較低。近年來，國內學者利用河流流量研究與生物資料，結合水力生境參數變化特征提出了生態水力學法，該方法所需的生物資料較少且說服力均強于水力學和水文學法，如楊志峰等考慮北方河流特征提出生態基流量的概念及其整合模型，并以海河流域為例驗證模型的可靠性；嚴登華等構建了現有研究技術框架和理論體系，并提出競爭用水條件下應考慮水分生態效益率[4-6]。總體而言，對于生態需水的計算理論我國相關研究尚不完善，在量化方法上缺少與生態學的融合，所用水文數據單一，目前主要集中于生態需水量耦合、機理研究，以及與GIS和遙感技術相結合的研究等。鑒于此，文章結合大凌河生態環境問題和國內相關研究現狀，研究計算了大凌河干流生態需水量。

1 流域概況

大凌河流域地處E118°53′-121°52′、N40°28′-42°38′，流向自西向東，全長453km，其中遼寧省境內面積為19989km2，占全流域的86%。流域上游分南、北兩支，兩支于喀左縣大城子匯合后始稱干流，流經朝陽、北票、義縣、凌海等地后注入渤海，流域水系如圖1所示。該流域屬中溫帶季風氣候，年均蒸散發1700mm，年降水量500mm，受季風氣候影響6-9月降水占全年的70%-80%，年際降水量具有較大差異，降水量豐、枯比最高可達3倍。河流水系補給來源以地下水和大氣降水為主，5月蒸發量最小，1月最大，年際徑流量變化較大，徑流豐、枯比最高達10倍。

圖1 大凌河流域水系圖

2 研究方法

將大凌河干流生態需水量分為蒸發量、輸沙需水量、稀釋自凈需水量和生態基流量，其中蒸發量屬于消耗型水量，而輸沙需水量、稀釋自凈需水量和生態基流量屬于非消耗型水量。

2.1 生態基流量

生態基流量是指維持水生物正常繁殖、生長和河流形態所需要的水量，對于季節性河流就是保證非汛期不斷流、汛期滿足水生物生長的良好條件。考慮到以上要求，文章利用月年保證法計算生態基流量，該方法是以不同月(年)天然徑流量百分比等系列水文統計資料為依據，通過合理的等級劃分計算不同等級、不同保證率下的月(年)生態基流，其主要計算流程如下：

①首先，按從小到大的順序對各月(年)天然徑流量排列，相關數據來源于系列水文資料。②然后確定95%、75%、50%、25%等不同保證率下各月(年)天然流量以及多年平均值。③以不同的月(年)保證率和年天然徑流量百分比為條件，結合系列水文資料合理劃分生態基流等級，并計算確定相應的月(年)生態基流。具體而言，假設河道內用水為年天然徑流量的60%，則河道最高生態需水量上限取年天然徑流量平均值的60%，月生態需水量超過年天然徑流量60%時可以外取水。該條件下，對于低于和高于年均值60%的月份，其生態基流量取該月的天然徑流量和年均值。當月生態基流占月天然徑流量比例<10%時生態基流量取天然徑流量的10%，相關計算公式為：

(1)

式中：Wji、Wb為不同保證率下各等級的徑流量，m3和生態基流量，m3；j為天然徑流量百分比，%和保證率(5)，i取100%、60%、30%、10%；j取25%、50%、75%、95%。

2.2 稀釋自凈需水量

文章利用7Q10法改進而成的近10年最枯月平均流量法確定自凈需水量，結合國標相關規定，河流自凈需水量一般取90%保證率最小月平均流量或近10年最小月平均流量，其表達式為：

Wd=min{Wij}

(2)

式中：min{Wij}、Wd為近10年最小月平均流量(m3)和河流稀釋自凈水量(m3)。

2.3 輸沙需水量

一般地，河流全年80%以上的輸沙量都來源于汛期，即河流主要在汛期完成輸沙功能。因此，對于較小的非汛期輸沙水量可以不予考慮[7]。為了滿足輸沙要求引入人工調水調沙手段及汛期較大洪水量，由此實現水資源最大程度地開發利用，以下式計算河流輸沙需水量，即：

Ws=ηα×Ww

(3)

(4)

(5)

2.4 河流蒸發量

一般利用單位面積水體上的蒸發深度來反映河流水面的蒸發能力，故采用以下公式計算蒸發消耗需水量：

We=(Ew-P)HL

(6)

式中：We為水面蒸發，m3；P、EW為河道平均降雨量(mm)和實測水面蒸發量(mm)；L、H為河流長度(m)和斷面水面寬度(m)。

2.5 生態需水量整合

2.5.1 分區整合

為保證整合結果的精準度，將分區整合進一步細分成分區內和分區間的整合。采用分區貢獻法計算分區內的整合，即各分區的生態需水分區貢獻量利用上下斷面控制法(圖2)計算；分區間整合是指支流與支流、支流與干流等不同河流間的整合，結合不同河流間的連接特點合理確定整合方法，在此基礎上確定總的生態需水量。

圖2 上下斷面控制法

各控制斷面的生態需水量為q1、q2、q3、……、qn，以區間2為例簡要說明分區整合的計算過程。q1>q2條件下，上斷面的流量滿足下斷面的生態需水量要求，因此能夠保證生態用水；q1

q=(qn-qn-1)+(qn-1-qn-2)

(7)

式中：qn為河道出口斷面生態需水量。

2.5.2 類型整合

實際上，類型整合主要是整合河道的非消耗需水和消耗需水，應遵循最大值原則和累加原則分別確定非消耗型和消耗型取水，計算公式如下：

WR=max(Wb+Wd+WS)+We

(8)

3 結果與分析

3.1 數據來源與用水過程

文章所用數據主要是大凌河干流建凌水庫、哈巴氣、上窩堡、朝陽、凌河、錦縣6個主要水文站的月年蒸發量、輸沙率、徑流量、降水量、平均河段長度和水面寬度資料，來源于1970-2019年水文年鑒，對于個別缺少數據的年限利用相關分析法插補延長[9-11]。

將大凌河干流按照以上6個代表性水文站劃分成6段進行研究，大凌河干流具有季節性河流特征，非汛期為10月-次年5月，汛期為6-9月，非汛期水量不足河道經常出現斷流，汛期水量過剩帶來巨大的防洪壓力。因此，文章將大凌河干流用水過程劃分成非汛期和汛期，對其生態需水量分別進行計算。

3.2 生態基流量

采用大凌河干流1970-2019年天然徑流量資料，利用公式(1)分別計算多年平均和25%、50%、75%、95%條件下的徑流量，河道生態基流量取年天然徑流量的10%，結果見表1。

表1 大凌河干流生態基流量 億m3

結果表明，大凌河干流的多年平均生態基流量處于25%-50%保證率下的生態基流量，75%-95%保證率下生態基流量最大的朝陽段，全年達到1.75億m3和1.01億m3；在25%、50%保證率和多年平均條件下生態基流量最大的為凌河，全年達到4.38億m3、2.81億m3和3.30億m3。總體而言，生態基流量最小的建凌水庫上游段，生態基流量較大的為朝陽段、凌河段。

3.3 稀釋自凈需水量

將大凌河干流劃分成5個時段，利用近10a最小月平均法(公式2)分別計算每段的自凈需水量，最終的河道自凈需水量取其平均值如表2，用流量換算流速見表3。

3.4 輸沙需水量

結合汛期6-9月的水量和遼河干流雨季的出現情況，利用公式(3)-(5)計算輸沙需水量，見表4。

表2 近10年最枯月平均流量 m3/s

表3 大凌河干流自凈需水量 億m3

表4 大凌河干流汛期輸沙需水量 億m3

從表2可以看出，大凌河干流的汛期輸沙需水量與自凈需水量、生態基流量相比很大，其中汛期輸沙需水量最大的月份為8月。結合各斷面計算值，輸沙需水量最大的為上窩堡段、朝陽段，達到19.50億m3、25.54億m3。

綜上分析，大凌河干流非汛期的稀釋自凈需水量、生態基流量分別>各自的汛期值。深入分析可知，非汛期水量主要用于提供良好的水生物生境、維持河流的基本形態和水體的自凈能力。汛期輸沙需水量占生態需水量的比重較高，深入分析發現大凌河干流來沙集中于汛期，并且來沙量較大[12-16]。

3.5 河流蒸發量

大凌河干流的蒸發量利用公式(6)計算確定，陸面蒸發量先用口徑20cm的蒸發器測定，然后將測得的數值乘以折算系數(來源于遼寧省水面蒸發量折算系數表)換算成水面蒸發量。主要計算流程為：平均將相鄰斷面間的河段劃分成2個小段，并對每小段月蒸發量分別進行計算，采用鄰近水文站資料獲取每小段的水面寬度、降雨量、蒸發量等數據。結果顯示，大凌河干流非汛期、汛期和全年的蒸發量依次為0.09 億m3、0.02 億m3、0.11 億m3。可見，大凌河干流汛期蒸發量很小，這是由于6-8月份的降水量集中而補充了該時期的蒸發量。

3.6 生態需水整合

1)分區內整合。由于僅考慮大凌河干流的生態需水量，所以只計算分區內整合而不考慮分區間整合。采用公式(7)計算非汛期、汛期、全年的大凌河干流分區貢獻量，見表5。其中，“-”代表上斷面大于下斷面生態需水。

表5 大凌河干流分區生態需水貢獻量 億m3

2)類型整合。將大凌河干流生態需水量利用公式(8)完成類型整合，為了保持一致整合計算多年平均條件下和其他類型的生態需水量，取輸沙需水量、稀釋自凈需水量和生態基流量三者的最大值為最終值，見表6。

表6 整合后大凌河干流生態需水量 億m3

從表6可以看出，整合后生態需水量最大的為朝陽段，這是由于朝陽斷面以下有含沙量較大的支流匯入，在很大程度上增大了大凌河干流泥沙和朝陽段的生態需水量，所以整合結果符合科學合理性要求。

4 結 論

1)文章將大凌河干流生態需水量分為蒸發量、稀釋自凈需水量、生態基流量和輸沙需水量4個部分，采用相應的方法對各類型生態需水量進行計算整合。經算，大凌河建凌水庫、哈巴氣、上窩堡、朝陽、凌河、錦縣6個水文斷面的生態需水量為10.12、19.92、21.45、27.83、18.30、18.22億m3。

2)分區貢獻量計算顯示，非汛期河流來水量很少無法維持河流生態功能，為滿足河道生態需水量需要進行水量補給。其中，大凌河流域植被破壞、上游水庫截流和降雨量減少等是引起非汛期水量較少的主要原因；雖然汛期水量大膽含沙量較高，汛期來水量仍難以滿足生態需水要要求。

3)針對大凌河干流汛期來水量大、非汛期來水量小的特點，水資源規劃時應先保證非汛期河道生態基流量，最大程度的減少外取水；雖然汛期來水量大但泥沙量較高，水資源過度開發會導致泥沙淤積，抬高河床，所以用水部門要合理分配汛期水量。此外，河流在非汛期的納污稀釋作用較低，為改善河流生態環境要嚴格控制沿岸污水排放量。