石川河干流生態(tài)需水量確定及保障措施初探

張 嫄，張盼紅，王雪真

(陜西省水利電力勘測設計研究院，陜西 西安 710001)

在氣候變化和人類活動背景下，河流生態(tài)系統(tǒng)正遭受嚴重威脅，河道斷流、萎縮，水環(huán)境惡化等現象在一些中小河流非常普遍，導致這種現象的原因主要有2種：首先，氣候變化對河流生態(tài)系統(tǒng)產生深刻影響，許多河流徑流顯著減少，生態(tài)環(huán)境嚴重惡化[1]；此外，由于經濟社會用水量不斷加大，很多流域水資源過度開發(fā)現象嚴重，擠占了必要的生態(tài)需水量[2]。

河湖生態(tài)流量是指為了維系河流、湖泊等水生態(tài)系統(tǒng)的結構和功能，需要保留在河湖內符合水質要求的流量(水量、水位)及其過程[3]。河流生態(tài)水量虧缺直接降低了河流的橫向與縱向連通性，導致水流流動性差、河流動力學過程基本消失[4]，影響地表水體自凈能力，進而有可能威脅地下水質安全，同時，河流生態(tài)流量不足影響河道內水生生物生存環(huán)境，使河道內的生物多樣性及河岸旁的濕地資源遭到破壞，河道水生態(tài)環(huán)境和河道型濕地生態(tài)功能退化。

1 研究背景

石川河流域是陜西省關中水資源極度匱乏的區(qū)域之一，流域多年平均降水量586mm，低于關中地區(qū)648mm，屬于關中降雨偏少區(qū)域。2018年人均水資源占有量為170m3，約為關中地區(qū)二分之一(人均水資源量300m3)，不到全省的六分之一(人均水資源量961m3)、全國的十二分之一(人均水資源量1969m3)，遠遠低于國際公認的人均500m3“極度缺水標準”，是陜西省極度缺水地區(qū)之一，水資源承載能力極低。

加之石川河流域是陜西省關中地區(qū)重要的糧棉生產基地，流域內已形成煤化工、熱電聯產為核心的能源產業(yè)集群以及綜合性航空工業(yè)基地。石川河流域水資源的開發(fā)利用，使河道生態(tài)流量得不到滿足，現狀河道常年斷流，河流連通性受到阻礙，河道功能受損，水質達不到相應的水功能要求，濕地面積萎縮、水量減少，天然河道、濕地生態(tài)系統(tǒng)退化，河岸帶濕地資源及生態(tài)功能得不到保障。河湖健康得不到保障，沿岸居民居住環(huán)境變差，距離人民群眾對美好生態(tài)環(huán)境的需求相差甚遠。

2020年，石川河富平段申請成為陜西富平石川河國家濕地公園。據有關資料，該濕地公園內分布著濕地維管植物31科58屬88種，濕地野生動物20目38科156種，有國家Ⅱ級保護植物野大豆1種，國家Ⅰ級保護動物4種，國家Ⅱ級保護動物7種，還分布著國家Ⅰ級保護動物——黑鸛、大鴇等。濕地生物棲息等功能對水資源、水環(huán)境質量等有了更高的要求。所以，確定石川河生態(tài)需水量，保障石川河的生態(tài)用水，是目前石川河所面臨的最關鍵的問題。

2 方法綜述

國外對于河道內需水量的研究最早可追溯到19世紀[5]，如歐洲水資源管理非常重視河流的“環(huán)境需水量”，英國使用“最小可接受流量”強調對河流生態(tài)的重視[6]，在20世紀70年代美國西部地區(qū)針對河道生態(tài)水量的研究取得了巨大進展，在美國，環(huán)境需水量是指服務于魚類和野生動物、娛樂及其他具有美學價值目標的水資源需求[7]。

近年，我國經濟社會發(fā)展對城市河流的功能需求已由單純注重供水、防洪等功能向防洪、排澇、供水、生態(tài)、環(huán)境、景觀、文化等多功能轉變。國內城市河流治理的思路正逐漸向在保證防洪、供水安全的前提下，重視河流生態(tài)修復的方向發(fā)展，國內河流治理工程，如北京永定河治理工程[2]、南水北調中線河北省邢臺市泜河生態(tài)補水工程[8]、黑龍江省哈爾濱市何家溝生態(tài)補水工程[9]等，均通過生態(tài)補水維護河流生態(tài)系統(tǒng)健康良性發(fā)展。在十四五水利發(fā)展規(guī)劃中，維持河道健康良好的生態(tài)環(huán)境，保障河流的生態(tài)安全，已經和防洪安全、飲水安全、糧食安全共同成為水利工作的重中之重。在滿足經濟社會發(fā)展的同時，制定流域河湖生態(tài)流量保障措施，維系河湖健康，為新時期人民群眾對生態(tài)環(huán)境的獲得感和幸福感提供支撐[10]。

生態(tài)需水量研究是生態(tài)補水工程中確定補水規(guī)模的關鍵環(huán)節(jié)。從20世紀40年代開始，已發(fā)展了多種生態(tài)環(huán)境需水量的研究方法，涉及水文學、水力學、生態(tài)學等多種學科。主要的方法有：Tennant法、Qp法(不同頻率最枯月平均值法)、近10a最枯月平均流量(水位)法、河床形態(tài)分析法、濕周法、生物空間法、生物需求法、輸沙需水計算法、水量平衡法、單位面積用水法等。新時代河湖生態(tài)水量評價需要新思維，必須堅持河流水系整體性，水資源、生態(tài)環(huán)境和經濟社會協(xié)調性等要求，綜合考慮水資源稟賦條件、開發(fā)利用狀況、生態(tài)環(huán)境保護要求等，按照需要與可能相結合，合理確定河湖生態(tài)水量目標[11]。本次生態(tài)需水量的計算方法綜合考慮選擇水文序列長度、生態(tài)目標、河流的具體情況等進行選擇。

3 研究思路

本文以石川河為例，針對河流的實際情況，摸查問題、確定生態(tài)目標、選擇典型斷面節(jié)點、選擇適宜的多種方法計算河道生態(tài)需水量，計算石川河在保障河道常年不斷流、河濱帶濕地植被用水和城市段河湖生態(tài)用水的生態(tài)目標下的河流生態(tài)需水量。本次對石川河河流生態(tài)需水量的研究思路如圖1所示。

圖1 河流生態(tài)需水量研究思路技術路線

(1)開展河流生態(tài)系統(tǒng)調查，評價河流存在的生態(tài)問題?？赏ㄟ^現場調查、資料收集等方式，分析項目區(qū)水資源、水環(huán)境、水生態(tài)、社會經濟、現有水利工程分布、生態(tài)監(jiān)測能力、水質監(jiān)測能力等方面的情況?？梢允占姓^(qū)劃、主體功能區(qū)劃、生態(tài)功能區(qū)劃、水功能區(qū)劃、“一河一策”、生態(tài)紅線范圍、三線一單成果、河長制管理等方面的資料，對資料缺乏的地區(qū)，可考慮采用衛(wèi)星遙感、無人機等先進的信息技術進行必要的現場調查和監(jiān)測?，F場調查和收集資料的目的是為了解河流的生態(tài)環(huán)境狀況，與河流天然狀態(tài)下的情況進行對比，從而確定河流現狀存在的生態(tài)環(huán)境問題及原因。

(2)確定河流生態(tài)環(huán)境保護目標，以及河流生態(tài)環(huán)境需水量的計算節(jié)點。根據河流生態(tài)環(huán)境狀態(tài)、主要環(huán)境問題，結合河流類型、所處區(qū)域、水資源條件、開發(fā)利用程度、河道用水需求等因素，綜合確定河流生態(tài)環(huán)境保護目標，并選擇河流內有代表性的河流控制斷面，如水文監(jiān)測斷面、水質控制斷面、水功能區(qū)控制斷面、行政界限、重要水利工程控制斷面、重要支流匯入斷面、重要生態(tài)環(huán)境敏感目標河段、河道特征和水力條件有顯著變化的河段等，作為河流生態(tài)環(huán)境需水量計算的節(jié)點。還可結合流域綜合規(guī)劃、水資源保護規(guī)劃、主要江河流域水量分配方案、水利水電工程環(huán)境影響評價及取水許可批復等成果，考慮控制斷面代表性及生態(tài)保護重要性等，選擇可監(jiān)控、可調度的斷面作為主要控制斷面[12]。

(3)選擇適宜的生態(tài)流量計算方法進行生態(tài)需水量的計算，綜合得出河道生態(tài)需水量。河流生態(tài)需水量包括非消耗性水量和消耗性水量，基本公式為：

Q=Qf+Qx

(1)

式中，Q—河流生態(tài)需水量，m3/s；Qf—非消耗性水量，m3/s；Qx—消耗性水量，m3/s。

一般情況下，河道非消耗性水量包括河流基本生態(tài)需水量、河道自凈需水量、城區(qū)河段生態(tài)水面需水量中的循環(huán)更新水量等；消耗性水量包括沿河濕地需水量、城區(qū)河段生態(tài)水面需水量中的蒸發(fā)水量、河道地下水補給量等。

4 生態(tài)需水量計算方法

4.1 河流生態(tài)環(huán)境存在問題

根據現場調查，石川河流域目前存在的生態(tài)問題如下。

(1)河道生態(tài)水量不足，存在斷流情況。石川河流域地處關中平原，人口密度大、人為影響較大，流域內分布有大型灌區(qū)、能源產業(yè)集群等，水資源開發(fā)利用程度過高，擠占河道生態(tài)用水，致使河道內生態(tài)水量不足，部分河段甚至全年斷流。

(2)地表水水質污染，威脅地下水質安全。根據石川河省控、市控斷面近年的例行監(jiān)測數據，石川河干流部分監(jiān)測斷面達不到相應水功能區(qū)Ⅳ類水質標準要求，存在COD、氨氮超標情況，河道水質污染對區(qū)域地下水水質造成了潛在威脅。

(3)河道斷流造成河道生物多樣性、河岸濕地資源受到嚴重破壞。石川河國家濕地公園資源獨特，是關中平原-渭北黃土高原過渡地帶典型濕地類型，地處生態(tài)脆弱帶，集河流濕地、庫塘濕地于一體，以河流濕地特征為主。由于河道斷流，目前河道內魚類種群數量較少，河岸濕地面積萎縮，生態(tài)功能退化，制約多種濕地生物的生存繁衍。

4.2 生態(tài)目標和計算節(jié)點的確定

石川河河道生態(tài)需水目標可初步定為最低和適宜2個層次。最低生態(tài)目標為：維持枯水河槽的水量要求，基流為來水量的10%，保持自然河段生態(tài)系統(tǒng)基本形態(tài)；維持水功能區(qū)納污能力，保護水域使用功能的水質要求；維持沿岸濕地植物用水；保證城市河段內河湖生態(tài)用水。適宜生態(tài)目標主要包括：生態(tài)水量為來水量的30%，保持適宜的景觀水面，增加對地下水的回補，恢復原有生物多樣性和功能。

根據調查，石川河流域涉及銅川市、渭南市富平縣、西安市閻良區(qū)和臨潼區(qū)，省控、市控斷面也分布在縣(區(qū))出入境處，其中富平縣石川河段已申請成為國家濕地公園。鑒于石川河水資源開發(fā)利用率較高，又處于水資源匱乏地區(qū)，本次按照最低生態(tài)目標，選擇石川河流域的岔口斷面、富(平)-閻(良)分界斷面、石川河入渭口斷面作為計算節(jié)點。

4.3 生態(tài)需水量計算方法

根據現場調查和生態(tài)目標，石川河生態(tài)需水主要包括河道生態(tài)基流、維持水體自凈稀釋水量、生態(tài)水面循環(huán)更新流量以及濱河帶植被需水量。不同計算節(jié)點河段的生態(tài)環(huán)境需水量具有一定的差異性，主要是在空間、時間上會有不同需求。需計算各節(jié)點基本生態(tài)需水量，河道自凈需水量、城區(qū)河段生態(tài)水面循環(huán)更新水量，同時考慮沿河植被需水的消耗性水量，得出各節(jié)點生態(tài)需水量。

4.3.1各斷面基本生態(tài)環(huán)境需水量Qb的確定

基本生態(tài)環(huán)境需水量可采用Tennant法、不同頻率最枯月平均值法、近10a最枯月平均流量法進行分析。

(1)采用Tennant法用歷史流量資料確定年內不同時段的生態(tài)環(huán)境需水量，不同河道內生態(tài)環(huán)境狀況對應的流量百分比見表1。

表1 不同河道內生態(tài)環(huán)境狀況對應的流量百分比 單位：%

(2)采用不同頻率最枯月平均值法時，要對實測水文資料進行還原和修正，選擇90%和95%保證率下的最枯月平均流量作為節(jié)點基本生態(tài)環(huán)境需水量。

(3)近10a最枯月平均流量法適合水文資料系列較短時近似采用。經比較，采用近10a最枯月平均流量法所得出的各斷面生態(tài)環(huán)境需水量與其他方法相差最大，最終選擇90%保證率最枯月平均流量、95%保證率最枯月平均流量和10%多年平均徑流量法的中間值，即最終選用10%多年平均流量作為本次石川河各控制斷面基本生態(tài)環(huán)境需水量。

4.3.2河道水體自凈需水量Qc的確定

為了保證河流各功能區(qū)段內水質達到相應的標準，還需要考慮石川河沿岸排污口出水水質和排污量，以此計算河流自凈需水量，主要計算因子選擇氨氮、COD。

采用采用穩(wěn)態(tài)的、一維的水質模型估算河流自凈需水量，在忽略縱向彌散作用下，一維水質模型解析式為：

C=C0exp(-kx1/86400u)

(2)

式中，C0—初始濃度，mg/L；k—一階動力學反應速度，1/d；X—沿河流方向距離，m；C—位于污染源(排放口)下游x處的水質濃度，mg/L。

經計算，各斷面維持水體自凈能力的水量在0.06～0.23m3/s之間。此外，還應對補水水源水質進行分析，考慮補水水源的水質影響，復核生態(tài)補水量。

4.3.3城區(qū)河段生態(tài)水面需水量的確定

采取水量平衡法計算湖泊的生態(tài)需水量，本次計算范圍內的攔水壩均位于城區(qū)，且進行了防滲，本次忽略其滲漏損失，僅計算蒸發(fā)損失量和維持水面水質的循環(huán)更新水量，經過計算，石川河全年蒸發(fā)量Qe約為79.91萬m3，維持生態(tài)水面循環(huán)更新的水量Qr約為1037.68萬m3。

4.3.4維持沿河濕地需水量Qp的確定

濕地植被、土壤、生物棲息地、地下水補給以及水域生態(tài)需水量是濕地生態(tài)需水量的各組成部分[13]。石川河沿河道兩岸分布有濕地、植被等，結合項目區(qū)原始氣象資料，計算植被生態(tài)需水。經過計算，石川河植被生長期(4～10月)生態(tài)需水量為0.06～0.33m3/s。

5 生態(tài)需水量Qx的確定及保障措施

5.1 生態(tài)需水量計算公式推導

根據上文分析，本次生態(tài)需水量對各計算節(jié)點處進行了以下幾個方面生態(tài)需水的計算：①基本生態(tài)需水量Qb；②河道自凈需水量Qc；③城區(qū)河段生態(tài)水面蒸發(fā)量Qe、循環(huán)更新水量Qr；④沿河植被需水Qp。其中，基本生態(tài)需水量Qb、河道自凈需水量Qc、以及城區(qū)河段生態(tài)水面需水量中的循環(huán)更新水量Qr均為非消耗性水量，沿河濕地需水Qp和城區(qū)河段生態(tài)水面需水量中的蒸發(fā)水量Qe均為消耗性水量，消耗性水量和非消耗水量外包得出各節(jié)點生態(tài)需水量。本次建立以下公式來確定各節(jié)點處的生態(tài)需水量。

Q=max(Qb，Qc，Qr)+Qe+Qp

(3)

計算得出石川河各河段生態(tài)環(huán)境需水量，見表2。

表2 石川河各計算河段生態(tài)需水量 單位：m3/s

5.2 生態(tài)用水保障措施

(1)積極推進灌區(qū)農業(yè)節(jié)水。針對水資源匱乏和農業(yè)發(fā)展現狀，把石川河流域涇惠渠、桃曲坡、交口和東雷抽黃二期等4個大型灌區(qū)的農業(yè)節(jié)水作為節(jié)水型社會建設的重點區(qū)域，鼓勵噴灌、微灌等節(jié)水農業(yè)灌溉方式，降低農業(yè)用水量，提高農業(yè)生產中的水資源利用效率。

(2)積極推進工業(yè)節(jié)水。挖掘工業(yè)節(jié)水潛力，加快先進節(jié)水技術裝備推廣應用，推進煤炭、煤化工等高耗水產業(yè)節(jié)水增效，嚴格限制高耗水產業(yè)發(fā)展；加快工業(yè)園區(qū)等企業(yè)間串聯用水、分質用水，一水多用和循環(huán)利用，實現水資源梯級優(yōu)化利用；通過限價、補貼等方式，積極推進能源產業(yè)集群企業(yè)工業(yè)節(jié)水，大力發(fā)展節(jié)水新工藝新技術，提高工業(yè)用水重復率，降低萬元工業(yè)增加值用水量。

(3)加強上游調蓄性工程的生態(tài)流量調度管理。針對流域上游調蓄性工程，應加強生態(tài)流量調度，石川河上游大型調蓄工程有桃曲坡水庫，應加強該水庫的生態(tài)流量下泄及保障措施，安裝生態(tài)流量在線監(jiān)測系統(tǒng)，不斷修正完善水庫調度方案，健全生態(tài)流量下泄管理制度和監(jiān)管體系，提高生態(tài)流量保障水平。

(4)加強非常規(guī)水源利用。在水資源短缺、水資源開發(fā)利用潛力不大的地區(qū)，在科學合理開發(fā)利用地表水、地下水資源的同時，加強再生水利用、雨水集蓄利用、礦井水利用等非常規(guī)水源的多元化利用，擴大再生水的利用規(guī)模，有效提高用水效率。

(5)建設水系連通工程。建設水系連通工程，增強水體流動性，提升水資源調蓄和凈化能力，實現支流間的豐枯調劑，從水資源相對豐沛的臨近河流向生態(tài)水量嚴重不足的河流相機補水，保障支流不斷流、改善水生態(tài)環(huán)境。以石川河為例，近期計劃改造涇惠渠徐木抽水站，修建二支渠至富平縣城石川河上游段補水線路，向石川河岔口以下生態(tài)濕地補水，遠期通過修建洛河入雷塬水庫引水工程、雷塬水庫擴容工程和雷塬水庫～漆水河線路工程向石川河進行生態(tài)補水。

6 結論與建議

6.1 結論

從水體自凈、蒸發(fā)、植被等各方面的生態(tài)需水量計算結果可以得出如下結論。

(1)對于石川河這種西北部的河流，影響生態(tài)流量的因素主要為河道外濕地植被需水、城區(qū)段水面蒸發(fā)等消耗性水量。

(2)生態(tài)目標的確定是計算生態(tài)需水量的基礎，生態(tài)目標越高，生態(tài)水量數值越大。針對石川河開發(fā)利用程度過高、河流多處已出現常年斷流的現狀，生態(tài)基流量取多年平均天然流量的10%僅能滿足其最低的生態(tài)目標，外包消耗性水量的生態(tài)水量計算結果約占河道多年年均天然流量百分比的12%～15%。隨著各種生態(tài)用水保障措施的有力實施，可以對河流生態(tài)目標提出更高的要求。

(3)根據文獻及資料，石川河岔口至閻良段，由于歷史上多年連續(xù)超采地下水，存在地表水補給地下水形式的河道滲漏，但由于資料有限，本次生態(tài)水量的計算并未考慮河道滲漏水量，該部分水量屬于消耗性水量，在地質勘查得出結果后，需要進一步對流域生態(tài)水量進行修正。

6.2 建議

為了更好地確定河湖生態(tài)水量，保障河道基本生態(tài)流量，建議盡快建立主要河流不同控制斷面的的生態(tài)流量監(jiān)測系統(tǒng)，健全生態(tài)流量監(jiān)管體系；另外，考慮到生態(tài)補水工程通常是從臨近河流或渠道修建輸水工程，供水水源多樣、輸水線路較長，導致生態(tài)補水成本較大，因此，亟需建立生態(tài)用水補償機制，解決生態(tài)補水工程的經費來源。