基于水文學(xué)法的遼河河道生態(tài)需水量的研究

陳 俊

(遼寧省撫順?biāo)木?遼寧 撫順 113015)

0 引 言

河流是地表水資源的重要載體,是人類賴以生存的根本,同時(shí)也是社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的支撐。當(dāng)前全球范圍內(nèi)人口快速膨脹、農(nóng)村向城鎮(zhèn)化快速發(fā)展,人們對水資源的需求日益增加,水利工程調(diào)蓄水行為日漸頻繁,人類活動(dòng)對河流的干擾強(qiáng)度不斷增加,河流的生態(tài)用水逐漸被擠占,河流生態(tài)服務(wù)功能逐漸退化,河流健康問題日漸嚴(yán)重。準(zhǔn)確分析計(jì)算出河道生態(tài)需水量和適宜生態(tài)流量,可以在滿足人類對水資源的需求和保障河流生態(tài)可持續(xù)發(fā)展之間尋求最優(yōu)的水資源配置和調(diào)度方案。本次分析研究對象為遼河,選取遼河上具有代表性水文站觀測數(shù)據(jù)為分析樣本,運(yùn)用多種水文學(xué)法進(jìn)行綜合分析研究,研究成果可為遼河生態(tài)治理和生態(tài)保護(hù)提供支撐數(shù)據(jù),并為其他流域的生態(tài)需水量計(jì)算分析提供樣例參考。

1 背景概況

遼河是我國七大江河之一,發(fā)源于內(nèi)蒙古自治區(qū)克什克騰旗芝瑞鎮(zhèn)馬架子村,流經(jīng)吉林省,在遼寧省沈陽市康平縣進(jìn)入遼寧省境內(nèi),于盤錦市大洼縣匯入渤海。遼河流域面積19.19萬km2,河長1383km。遼河流域內(nèi)植被覆蓋良好,自然植被多為闊葉林與針闊葉混交林,地面枯枝落葉層較厚,土壤侵蝕輕微,部分地區(qū)與灌木混生,土壤水蝕強(qiáng)烈,水土流失嚴(yán)重。受自然因素和人為因素綜合影響,東西遼河匯合口呈現(xiàn)南移、中下游河道和遼河入海口向西遷移。建國后遼河河道變遷主要表現(xiàn)為人工裁彎和筑堤改道等。

2 研究方法

目前,國內(nèi)外對于生態(tài)需水的內(nèi)涵尚無統(tǒng)一定義,文章中認(rèn)為生態(tài)需水從特性方面考慮可分為河流生態(tài)需水、湖沼濕地生態(tài)需水以及流域生態(tài)消耗型需水。本次研究主要分析其中的河流生態(tài)流量,即維持河道及河口各物種生存環(huán)境所需的生態(tài)流量。目前國內(nèi)外最常用的分析方法主要可以歸類為以下3種:①水文學(xué)法,主要有Tennant法、流量歷時(shí)曲線法、月年保證率法、RAV法等;②水力學(xué)法,主要有IFIM法、河道濕周法、物理?xiàng)⒌啬M模型法、CASIMIR法等;③綜合法,主要有澳大利亞的基準(zhǔn)測量法以及南非的建塊BBM法等。水文學(xué)法操作簡單,能充分反映河流的季節(jié)性變化,但精度低;水力學(xué)法要求的數(shù)據(jù)量少,但操作復(fù)雜,必須選擇合適的研究斷面;棲息地法考慮了選定物種各生長階段對流量的要求,但針對性和綜合性強(qiáng),研究費(fèi)用高;綜合法是南非相關(guān)機(jī)構(gòu)開發(fā)的,對大、小流量均考慮了月流量的變化[1]。遼河上下游布設(shè)水文站網(wǎng)20余處,均具有長系列徑流觀測資料,各斷面受泥沙沖淤影響較大變化頻繁。綜合分析上述分析方法優(yōu)缺點(diǎn),結(jié)合遼河實(shí)際情況,文章選取水文學(xué)法中的Tennant法、流量歷時(shí)曲線法、以及RAV法綜合分析研究遼河流域河道生態(tài)需水[2]。

3 遼河主要斷面生態(tài)需水量計(jì)算

本次選取代表站分別為遼河干流福德店站、鐵嶺站、馬虎山站和六間房站,選取20a以上歷年徑流數(shù)據(jù)分析計(jì)算遼河干流主要控制站最小、適宜生態(tài)需水過程。

3.1 Tennant法

Tennent法是在對大西洋與Rocky山之間上百條河流的徑流特征與生態(tài)效應(yīng)進(jìn)行總結(jié)分析的基礎(chǔ)上提出的河流生態(tài)流量評估方法(Tennent,1976)[3]。該方法以河流多年平均流量百分比的形式表征河流不同程度的流量需求,見表1。

表1 Tennent法生態(tài)需水流量標(biāo)準(zhǔn)

Tennent 法對資料要求低,操作簡便,在河流生態(tài)需水評估中應(yīng)用較多。需要指出:由于 Tennent 法的評估標(biāo)準(zhǔn)是基于美國部分河流觀測與實(shí)驗(yàn)提出的,在我國應(yīng)用時(shí)需結(jié)合待評估河流特征進(jìn)行分析,以確保評估的合理性。其中,選擇“差”標(biāo)準(zhǔn),即多年平均天然流量的10%作為最小生態(tài)需水,選擇“中”標(biāo)準(zhǔn)作為適宜生態(tài)需水標(biāo)準(zhǔn)。計(jì)算結(jié)果見表2。

表2 Tenent法生態(tài)需水計(jì)算結(jié)果

3.2 流量歷時(shí)曲線法

該方法利用歷史流量資料構(gòu)建各月流量歷時(shí)曲線,以某個(gè)保證率P相應(yīng)的流量Qp作為河道內(nèi)生態(tài)流量的需求。Qp的頻率P可選90%或95%,也可根據(jù)情況適當(dāng)調(diào)整。該方法建立在至少20年的流量數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上,每一個(gè)月給出一個(gè)推薦流量,可反映徑流在年際、年內(nèi)的不均勻性。

根據(jù)收集到的福德店、鐵嶺、馬虎山、六間房4站天然月流量過程,進(jìn)行頻率分析,以90%保證率的流量作為最小生態(tài)需水,以75%保證率流量作為適宜生態(tài)需水。計(jì)算成果見表3、表4。

表3 流量歷時(shí)曲線法最小生態(tài)需水流量

表4 流量歷時(shí)曲線法適宜生態(tài)需水流量

4 成果評價(jià)與分析

從流量歷時(shí)曲線法和tinnant法分別計(jì)算最小生態(tài)流量、適宜生態(tài)流量的計(jì)算結(jié)果可以看出,兩種算法的成果差異較大,需要根據(jù)通過分析研究選擇最適合的結(jié)果作為最終成果。根據(jù)表1的評價(jià)標(biāo)準(zhǔn),我們可以從表2與表3、表2與表4的對比分析數(shù)據(jù)(表4、表5)中看出,遼河非汛期來水量很少,不能維持河流的水文生態(tài)功能,尤其以上游更為嚴(yán)重;進(jìn)入汛期后來水量雖逐步變大,但仍然不能很好的維持河道生態(tài)功能,僅7～9月基本能夠滿足生態(tài)需求。因此在進(jìn)行水資源規(guī)劃時(shí),應(yīng)首先保證河道的生態(tài)基流量,減少河道取水。

表5 tinnant法最小生態(tài)徑流評價(jià)結(jié)果

表6 tinnant法適宜徑流評價(jià)結(jié)果

綜合流量歷時(shí)曲線法和tinnant法的計(jì)算成果,最小生態(tài)流量、適宜生態(tài)需水宜采用兩種方法所得成果的最大值作為最終成果,遼河干流生態(tài)需水量選取各水文站斷面需水量的最大值,最大限度的確保河道生態(tài)功能正常維持,保障河道環(huán)境良性循環(huán)。因此,本次研究成果詳見表7、表8,遼河干流最小生態(tài)需水量11.47億m3,適宜生態(tài)需水量20.26億m3。

表7 遼河干流最小生態(tài)需水量整合成果

表8 遼河干流適宜生態(tài)需水量整合成果

5 結(jié) 語

文章結(jié)合遼河干流福德店、鐵嶺、馬虎山和六間房4處水文站實(shí)測徑流資料,采用水文學(xué)法中的流量歷時(shí)曲線法和tinnant法分別計(jì)算了遼河干流河道內(nèi)的最小生態(tài)需水和適宜生態(tài)需水,并選用tinnant評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)對計(jì)算結(jié)果進(jìn)行評價(jià),得出以下結(jié)論:

1)遼河干流河道內(nèi)的生態(tài)需水僅7～9月可以得到較好的滿足,其余時(shí)間基本不能滿足正常生態(tài)需求,因此在進(jìn)行水資源規(guī)劃時(shí),應(yīng)首先保證河道的生態(tài)基流量,減少河道取水。同時(shí)要充分利用流域內(nèi)蓄水工程,合理調(diào)配水資源,確保遼河河道生態(tài)環(huán)境良性循環(huán)。

2)按照最大值方法計(jì)算,對遼河干流生態(tài)需水進(jìn)行整合計(jì)算,結(jié)果表明,遼河干流最小生態(tài)需水量11.47億m3,適宜生態(tài)需水量20.26億m3。

3)本研究主要圍繞水文學(xué)法開展遼河干流生態(tài)需水量的估算,受資料及技術(shù)條件限制,對于影響河道生態(tài)需水的其他因素未作考慮,需要在今后的研究中繼續(xù)深入,綜合考慮更多因素,更精準(zhǔn)的估算河道的生態(tài)需水,更好的為地方水資源規(guī)劃提供技術(shù)支撐。