洞庭湖斷流區育樂垸生態需水量研究

(湖南省水利水電科學研究院，湖南 長沙 410007)

洞庭湖是我國第二大淡水湖，是長江中下游重要的調蓄湖泊，是全國最大的淡水濕地之一，生態功能不可替代[1]。三峽工程運行以來，隨著江湖關系的變化，洞庭湖四口河系的堤垸內淤積嚴重，蓄水和過流能力下降，很多堤垸面臨河道斷流、濕地萎縮、水質惡化、水生態退化等突出問題，嚴重威脅到水生態安全[2]。國內外學者針對洞庭湖水資源、水生態與水環境相關的研究較多，但對洞庭湖內斷流區生態需水的研究較少。因此，在洞庭湖斷流區開展堤垸生態需水量研究十分必要，有助于科學認識洞庭湖區尤其是斷流區的水資源演變規律，了解水文情勢與生態系統穩定性之間的相互關系。研究可為進一步系統分析洞庭湖區生態需水規律及水資源合理配置提供具體參考，對洞庭湖區生態環境保護具有重要意義。

1 研究區概況

育樂垸是洞庭湖11個重點垸之一，地處洞庭湖腹地(見圖1)，屬環洞庭湖生態經濟區中心地帶，為湖南省主要商品糧、淡水魚基地之一，社會經濟地位十分重要。堤垸總面積達370.53km2，年平均降水量為1244.1mm，降水主要集中在夏季，多年平均4—7月降水量占全年降水量的60%。育樂垸水系組成復雜，藕池河東支、沱江與藕池河中支流經該垸東西兩側，南茅運河貫通該垸南北(見圖2)。由于藕池河分流量減少及斷流時間延長，導致垸內經常出現枯水期水量不足、水質下降，水生態問題突出，洞庭湖斷流區生態安全面臨嚴峻考驗。

圖2 育樂垸所在地區水系

2 育樂垸河道內生態需水估算

根據現場調查，育樂垸內的生產、生活用水均由南茅運河提供，因此本研究的河道內生態需水量主要以南茅運河為研究對象，選用Tennant法[3]、月保證率法[4]、最枯月平均流量法[5]分別對南茅運河的河道內生態需水量進行研究。

以育樂垸境內全部的降水形成的徑流都匯聚到運河內為前提，對南茅運河徑流量進行推算，依據南縣氣象站1995—2015年逐日降水數據，結合洞庭湖流域典型徑流系數，按照式(1)可得南茅運河流量，結果見圖3。

Q=αFP

(1)

式中：Q為徑流量，萬m3；α為徑流系數；F為匯水區面積，km2；P為降水量，mm。

圖3 南茅運河年內徑流分布

2.1 計算方法

2.1.1 Tennant法

Tennant法基于對多條河流的研究統計經驗，給出河流生態流量占天然狀態下年平均流量的百分比與河流生態條件之間的經驗關系。為保證研究所得的生態需水具有足夠先進性，在標準的選擇上選取斷流期生態需水占當月平均流量的40%，通流期生態需水占當月平均流量的60%為“很好”這一標準[6]。

2.1.2 月保證率法

月保證率法在傳統水文學方法的基礎上將保證率與河道生態需水等級相聯系，綜合考慮研究區域內的氣候、徑流變化特征以及水體的使用模式等因素確定各月保證率。

根據南茅運河的實際情況，河道平均年內徑流分布情況見圖3，其主要集中在當地水系通流期(4—11月)，約占全年徑流總量的80%。由于當地漁業主要以四大家魚的養殖為主，根據相關研究其產卵期主要集中在每年4—6月，因此這一時期對水量有較高的要求。綜合考慮以上情況，在魚類產卵期(4—6月)計算50%保證率天然流量，在非魚類產卵期的通流期計算75%保證率下的天然流量，在斷流期計算90%保證率下的天然流量。在不同保證率天然流量的基礎上設定其60%為理想的生態需水量，并以此作為當月生態需水量的設計值。當設計值小于當月天然流量的10%時，以當月天然流量的10%作為生態需水的設計值。

2.1.3 最枯月平均流量法

使用近10年最枯月平均流量作為河道內生態需水的設計值。因其計算的依據以干旱季節為準，所以導致了計算的流量較其他方法小得多，在實際應用中可以作為其他方法的參考標準。本文認為該方法所求的設計值應為河道內生態需水量的下限。

2.2 計算結果

基于Tennant法、月保證率法、最枯月平均流量法的河道內生態需水計算結果見表1、圖4。由表1、圖4可以看出，各方法所得的生態需水量均高度集中在通流期(4—11月)，均超過全年生態需水總量的80%。此外，Tennant法的計算結果最大，最枯月平均流量法的計算結果最小，約為前者的52%，滿足其物理意義。總體而言，各方法的年內變化趨勢與各月多年平均徑流的變化趨勢均比較接近，說明結果對當地年內徑流分配的體現都比較到位。

表1 水文學方法計算河道內生態需水量結果匯總 單位：萬m3

圖4 水文學方法計算河道內生態需水量結果曲線

在綜合考慮對當地環境的適應性、環境的改善效果、工程調度的便利性以及結果自身的合理性情況下，月保證率法所得的結果能夠全面地適應育樂垸當地的水環境、水生態情況。根據該方法得到結果為：南茅運河全年河道內生態需水約為7917.6萬m3，占多年平均徑流量的35%。其中，有接近40%的生態需水集中在來水較為豐富的4—6月，河道流量基本能夠滿足生態需水量的要求。但存在枯水季節特別是斷流季節的天然河道流量難以滿足生態需求的問題，需要通過工程措施進行調控，從區域外調水來滿足生態需水。

3 育樂垸河道外生態需水估算

河道外生態需水量取自河湖，是消耗性用水。根據育樂垸的自然、社會環境特點，河道外生態需水主要考慮植被生態需水、湖庫蒸發補水量與城鎮環境需水三部分[7]。

3.1 植被生態需水

根據育樂垸地區緯度情況(以南縣氣象站緯度值北緯29.37°為參考)，采用Penman-Monteith公式[8]計算可得育樂垸地區的參考作物蒸騰量，結果見表2。結合作物系數可以得到植被實際蒸散發量，從而估算當地植被的實際蒸散發量，結果見表2。

(2)

ET=cET0

(3)

式中：ET0為參考作物蒸發騰發量，mm；γ為濕度計常數；U2為距地面2m處的風速，m/s；ea為飽和水氣壓，hPa；ed為實際水氣壓，hPa；T為日均溫度，℃；Δ為飽和水汽壓-溫度曲線斜率；Rn為作物表面的凈輻射量，MJ/m3；G為土壤熱通量，此處可取0；ET為實際作物蒸發騰發量，mm；c為作物系數。各參數的具體計算方法參考相關文獻[9]。

育樂垸的土地利用情況見表3，根據當地土地利用類型統計與計算得出的實際植被蒸騰量，根據下式可得植被總需水量，結果見表2。

(4)

式中：Wa為植被總需水量，萬m3；A為植被面積，km2。

在全部植被需水中，可以由天然降水滿足其中一部分，而為了確保植被的正常生長過程，降水無法滿足的部分需通過澆灌形式進行補充，以滿足當地正常的植被生態秩序[10]。因此本文將降水無法滿足部分的植被需水視為當地河道外植被生態需水，具體結果見表2。經計算，全年植被生態需水總量為2212.24萬m3。

表2 河道外植被生態需水計算

表3 育樂垸地區土地利用情況

3.2 湖庫蒸發補水量

根據南縣氣象站的降水、蒸發系列數據，可得育樂垸地區月平均降水、蒸發情況，見表4。根據育樂垸土地利用情況資料，區內的湖泊、水庫等水體面積共10.2km2，利用式(5)可以得到每月湖泊的補水情況，即河道外湖庫蒸發補水量，結果見表4。經計算，當地湖泊生態需水為217.49萬m3。

(5)

式中：Wb為月補水量，即河道外湖庫蒸發補水量，萬m3；A為水面面積，km2；E為各月平均蒸發量，mm；P為各月平均降水量，mm。

3.3 城鎮環境需水

根據《湖南省用水定額》(DB43/T 388—2020)規定的城鎮環境用水定額，即澆灑道路和場地為2L/(m2·d)，公園、植物園為45L/(m2·月)，防護綠化為60L/(m2·月)，結合育樂垸內城鎮建成區的土地面積(見表5)，可得環境衛生需水，即城鎮環境需水，結果見表6。

表5 城鎮土地利用情況

表6 河道外城鎮環境需水

4 育樂垸生態需水量

育樂垸生態需水量統計情況見表7，據此數據繪制圖5。由表7、圖5可以看出，年內育樂垸生態需水量峰值出現在5月，需水量達1549.5萬m3，而后經過一段時間的振蕩下降后，于9月達到年內谷底值，為340.7萬m3，而后將經歷一段較為穩定的上升期。不同時期育樂垸的生態需水主要組成部分有所不同，通流期主要由河道內生態需水控制，而斷流期主要受河道外生態需水影響。通流期內南茅運河徑流量基本可以滿足當地的生態需水要求；而在斷流期內(11月、12月與1月)會發生較為嚴重的生態需水缺口，分別為44.2萬m3、369.3萬m3和419.4萬m3。

表7 育樂垸生態需水量統計 單位：萬m3

圖5 育樂垸生態需水統計情況

5 結 語

本文采用Tennant法、月保證率法以及最枯月平均流量法分別對育樂垸河道內生態需水量進行計算，綜合考慮月保證率法所得結果更能全面地適應育樂垸當地的水環境、水生態情況，該方法所得河道內生態需水量為7917.6萬m3；通過分別計算植被生態需水、湖庫蒸發補水量、城鎮環境需水可得河道外生態需水總量為2597.9萬m3，可知育樂垸生態需水總量約為10515萬m3。以多年平均值計，通流期內南茅運河徑流量基本可以滿足當地的生態需水要求；而在斷流期內(11月、12月與1月)會發生較為嚴重的生態需水缺口，分別為44.2萬m3、369.3萬m3和419.4萬m3。研究結果有助于科學認識洞庭湖區尤其是斷流區的水資源演變規律，了解水文情勢與生態系統穩定性之間的相互反饋關系。根據育樂垸河道外生態需水滿足度以及河道內生態需水的評價結果，結合當地的實際情況，建議通過由南茅運河南部茅草街鎮船閘從堤垸外提水、擴大垸內蓄存容量的工程措施及閘泵調度的非工程措施等進行調控，以提高生態需水的保障程度。