黑河中游河道生態(tài)環(huán)境需水量研究

陳紅翔,楊 保,王章勇,黃 凱

(1.中國(guó)科學(xué)院寒區(qū)旱區(qū)環(huán)境與工程研究所,蘭州730000;2.寧夏大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院,銀川750021)

河流生態(tài)環(huán)境需水量研究始于20世紀(jì)40年代,美國(guó)魚(yú)類(lèi)和野生動(dòng)物保護(hù)協(xié)會(huì)首先研究了河道內(nèi)流量,提出了確定自然和景觀(guān)河流基本流量的河道內(nèi)流量法。70年代美國(guó)環(huán)境和淡水資源需求的定量研究得到了飛速發(fā)展[1-2]。80年代,部分國(guó)家對(duì)生態(tài)環(huán)境需水進(jìn)行比較系統(tǒng)的研究,如澳大利亞、英國(guó)、日本、南非。但是亞洲、東歐、拉丁美洲和非洲的多數(shù)國(guó)家缺少這方面的研究。我國(guó)對(duì)生態(tài)環(huán)境需水研究起步晚,直到90年代,由于河道斷流、河流污染、河流生態(tài)系統(tǒng)退化等問(wèn)題日益嚴(yán)重,生態(tài)環(huán)境需水才被提上日程,并逐漸成為水資源及相關(guān)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)[3]。

黑河作為中國(guó)第二大內(nèi)陸河,長(zhǎng)期以來(lái),由于人口增長(zhǎng),經(jīng)濟(jì)發(fā)展,中游地區(qū)人類(lèi)活動(dòng)用水量增加,致使進(jìn)入下游水量急劇減少,導(dǎo)致森林死亡、草場(chǎng)退化、沙漠化擴(kuò)展,成為中國(guó)北方地區(qū)沙塵暴的主要沙源地之一[4]?？茖W(xué)確定黑河流域河道生態(tài)環(huán)境需水量,合理協(xié)調(diào)經(jīng)濟(jì)發(fā)展與生態(tài)環(huán)境保護(hù)之間的水資源利用 ,是黑河流域所面臨的急需解決的關(guān)鍵問(wèn)題。

1 研究區(qū)概況

黑河流域位于河西走廊中部,地理位置98°00′-101°30′E,38°-42°N,全長(zhǎng) 82l km,面積 14.3 萬(wàn)km2,其中平原區(qū)5萬(wàn)km2,如圖1所示。研究區(qū)的東、西分別與石羊河和疏勒河流域相鄰。黑河流域的南部為祁連山區(qū),是上游水源區(qū),海拔高程1 700～5 564 m,年降水量300～600 mm,冰川雪融水量約4億m3/a。中游區(qū)位于鶯落峽至正義峽之間,主要由張掖盆地和酒泉盆地構(gòu)成,海拔高程1 352～1 700 m,年降水量50～200 mm,年蒸發(fā)量大于2 050 mm。

正義峽以北至與蒙古國(guó)接壤邊界,是下游區(qū),包括金塔-鼎新盆地和額濟(jì)納盆地,海拔高程912～1 249 m,大部為荒漠戈壁,年降水量小于50 mm,最小年份17 mm,額濟(jì)納盆地的年蒸發(fā)量大于3 700 mm,是嚴(yán)重缺水和生態(tài)環(huán)境脆弱區(qū)[4]。

圖1 黑河流域研究區(qū)略圖

2 河流生態(tài)環(huán)境需水計(jì)算方法

河流生態(tài)環(huán)境需水,是指維持水生生物正常生長(zhǎng)及保護(hù)特殊生物和珍稀物種生存,以及保護(hù)和改善河流水質(zhì)、維持河流水沙平衡、水鹽平衡和河口地區(qū)生態(tài)環(huán)境平衡所需的水量[5]。目前國(guó)內(nèi)外研究河流生態(tài)環(huán)境需水原理的方法分為6類(lèi),即水文學(xué)法、生境模擬法、水文-生物分析法、水力學(xué)法、綜合法和其他方法,其中水文學(xué)法應(yīng)用最為廣泛[5]。目前還沒(méi)有一個(gè)國(guó)家提出具有權(quán)威性的、能夠普遍應(yīng)用的方法。我國(guó)研究河道生態(tài)環(huán)境需水的方法有：(1)為保證流域生態(tài)水利“四大平衡”(水熱平衡、水鹽平衡、水沙平衡、水量平衡)的計(jì)算法[6];(2)為達(dá)到水環(huán)境保護(hù)目標(biāo)、滿(mǎn)足河流納污功能的環(huán)境功能設(shè)定法,以及污染物-流量關(guān)系線(xiàn)法[7]等;(3)為滿(mǎn)足河流基本生態(tài)功能、保證不斷流的河流基本生態(tài)環(huán)境需水量計(jì)算法、最枯月平均流量法、假設(shè)法等;(4)為滿(mǎn)足河流水量蒸發(fā)和滲漏要求的水量補(bǔ)充法[8]等。上述多是借鑒國(guó)外的方法,其合理性和機(jī)理研究還需進(jìn)一步探討。本文根據(jù)黑河流域?qū)嶋H情況采用Tennant(田納特)法、和月(年)保證率設(shè)定法計(jì)算黑河中游河道生態(tài)環(huán)境需水量。

2.1 Tennant(田納特)法

Tennant法,又稱(chēng)Montana法,該方法將全年分為汛期和非汛期,根據(jù)多年平均天然徑流量的百分比和河道生態(tài)環(huán)境狀況的對(duì)應(yīng)關(guān)系,直接計(jì)算維持河道功能的生態(tài)環(huán)境需水量。該法是在考慮保護(hù)魚(yú)類(lèi)、野生動(dòng)物、娛樂(lè)和有關(guān)環(huán)境資源的河流流量狀況下,按照年平均流量的百分?jǐn)?shù)來(lái)推薦河流基流的。Tennant法根據(jù)流量級(jí)別及其對(duì)生態(tài)的有利程度,將河道內(nèi)生態(tài)環(huán)境需水量確定為不同的級(jí)別,從“極差”到“最大”共8個(gè)級(jí)別(見(jiàn)表1),并對(duì)不同級(jí)別推薦了河流生態(tài)用水流量占多年平均流量的百分比[9]。

表1 河流生態(tài)環(huán)境需水流量狀況

具體計(jì)算公式如式(1)。

式中：W——河流生態(tài)需水量(m3);Qi——年內(nèi)第 i個(gè)月多年平均流量(m3);Zi——對(duì)應(yīng)第i月的推薦基流百分比(%)。

2.2 月(年)保證率設(shè)定法

不同保證率的平均流量不同,因而河道的生態(tài)環(huán)境狀況和生態(tài)需水量也不相同。分別推薦 5個(gè)流量等級(jí)(極好、非常好、好、中等、最小)對(duì)應(yīng)以下5種假定條件：①將天然年徑流總量全部作為河道內(nèi)用水;②將天然年徑流量的60%作為河道內(nèi)用水;③將天然年徑流量的40%作為河道內(nèi)用水;④將天然年徑流量的30%作為河道內(nèi)用水;⑤任何情況下,河道月生態(tài)需水量不能低于該月天然徑流量的10%[10]。

3 黑河生態(tài)環(huán)境需水量計(jì)算

根據(jù)黑河流域鶯落峽和正義峽徑流數(shù)據(jù)[11-19](見(jiàn)表2),運(yùn)用上述兩種方法計(jì)算黑河生態(tài)環(huán)境需水量。計(jì)算結(jié)果見(jiàn)(表3)和(表4)。

遵循最小環(huán)境需水量占徑流不低于10%的原則,選擇Tenant法4級(jí)標(biāo)準(zhǔn)(好)計(jì)算鶯落峽生態(tài)環(huán)境需水量為4.755億m3/a,正義峽生態(tài)環(huán)境需水量為3.06億m3/a,各占多年平均徑流量的比例為30%。

表2 黑河流域代表站多年平均徑流量年內(nèi)分配

表3 Tennant方法計(jì)算結(jié)果 億m3/a

表4 月保證率法計(jì)算結(jié)果 億m3/a

由月保證率方法(中等)計(jì)算結(jié)果可知,保證率為50%,75%,90%三種情況下鶯落峽生態(tài)環(huán)境需水量分別為4.74,4.26,3.87億m3/a,分別占徑流量的30%,26.88%,24.42%;正義峽生態(tài)環(huán)境需水量為3.06,2.28,1.89億m3/a,分別占徑流量的30%,22.3%,18.5%。

從保護(hù)生態(tài)的角度來(lái)看,Tennant法是從大量研究統(tǒng)計(jì)所得到的平均規(guī)律,在 Tennant法計(jì)算結(jié)果的流量條件下,河道內(nèi)的水生生物和生態(tài)系統(tǒng)能夠處于一種較為良好的狀態(tài),是保持河道內(nèi)的水生生物和生態(tài)系統(tǒng)較為良好狀態(tài)的基本流量。因此本文采用Tenant法4級(jí)標(biāo)準(zhǔn)(好)計(jì)算結(jié)果,即鶯落峽生態(tài)環(huán)境需水量為4.755億m3/a,正義峽生態(tài)環(huán)境需水量為3.06億m3/a,各占多年平均來(lái)水量的30%。

4 結(jié)論與討論

研究結(jié)果表明：黑河流域中游鶯落峽生態(tài)環(huán)境需水量為4.755億m3/a,約占河流地表水資源來(lái)水量的30%,正義峽生態(tài)環(huán)境需水量為3.06億m3/a,約占河流地表水資源來(lái)水量的30%。如果減去河道生態(tài)環(huán)境需水量后,鶯落峽和正義峽實(shí)際平均過(guò)水量分別為11.085億m3/a和7.14億m3/a,區(qū)域間減少水量為3.945億m3/a。這一減少水量基本可以滿(mǎn)足鶯落峽與正義峽間工農(nóng)業(yè)正常生產(chǎn)和河道蒸發(fā)下滲損失水量[19]。

對(duì)于河流系統(tǒng)而言,河流基礎(chǔ)生態(tài)環(huán)境需水量同時(shí)也兼顧部分輸沙排鹽、河流水質(zhì)凈化等功能。汛期河流來(lái)水量較大,不僅可以滿(mǎn)足其基礎(chǔ)生態(tài)環(huán)境需水量,有時(shí)也可能因?yàn)閬?lái)水量較大,超過(guò)合理的生態(tài)環(huán)境需水量。李麗娟研究[20]表明,海灤河生態(tài)環(huán)境需水量約占地表徑流量的54%,認(rèn)為海灤河流域水資源開(kāi)發(fā)率超過(guò)40%時(shí),就會(huì)對(duì)生態(tài)環(huán)境造成嚴(yán)重影響。本文認(rèn)為,黑河屬內(nèi)陸河,其水資源被反復(fù)利用,遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出國(guó)際公認(rèn)的合理開(kāi)發(fā)程度30%,極限開(kāi)發(fā)程度40%,因此,黑河流域河道生態(tài)需水量整合后為10.44億m3/a,即占河流水量的30%,同時(shí)可以滿(mǎn)足河流系統(tǒng)基礎(chǔ)生態(tài)環(huán)境需水量。王西琴等[9]研究認(rèn)為,西北內(nèi)陸河流域生態(tài)需水量應(yīng)占水資源總量的50%左右,與本研究結(jié)果比較,說(shuō)明黑河中游河道生態(tài)環(huán)境需水量占水資源總量的30%是有道理的。

如果黑河流域水資源量隨著氣候變化和人類(lèi)活動(dòng)的加劇而減少,其河道水量無(wú)法滿(mǎn)足河流生態(tài)環(huán)境需水量,將會(huì)導(dǎo)致黑河流域綠洲面積減少,沙化退化面積增加,下游河道斷流加劇,湖泊干枯,地下水位下降,水質(zhì)礦化度升高,水生態(tài)系統(tǒng)惡化。目前,黑河流域水資源問(wèn)題不容樂(lè)觀(guān),已經(jīng)成為制約流域內(nèi)社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和生態(tài)環(huán)境改善的瓶頸,因此在進(jìn)行黑河流域系統(tǒng)規(guī)劃時(shí),應(yīng)充分考慮維持河流系統(tǒng)生態(tài)平衡的重要性,保證河流系統(tǒng)的生態(tài)環(huán)境需水量。主要的保證措施可分為兩個(gè)方面：一是增加河流流量：二是降低河流生態(tài)環(huán)境需水量。同時(shí),注意水資源的合理利用和節(jié)約,加大水資源保護(hù)管理與監(jiān)控能力的建設(shè),提高黑河水資源保護(hù)管理工作的現(xiàn)代化水平。這樣,才能保證整個(gè)流域有足夠的生態(tài)環(huán)境用水,維持生態(tài)環(huán)境不致惡化,才能在實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)效益的同時(shí)實(shí)現(xiàn)環(huán)境效益。

生態(tài)環(huán)境需水的研究對(duì)于我國(guó)可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的實(shí)施具有重大意義。但國(guó)內(nèi)定量研究河流生態(tài)環(huán)境需水起步較晚,又缺少長(zhǎng)系列的河道生態(tài)實(shí)測(cè)資料,因此,目前的計(jì)算大多套用國(guó)外方法或僅以歷史流量為依據(jù),較少物理實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ蜑橹?無(wú)法準(zhǔn)確判斷其計(jì)算結(jié)果的實(shí)際價(jià)值。在水資源缺乏的情況下,河流生態(tài)用水必然擠占農(nóng)業(yè)用水、工業(yè)用水和生活用水,限制國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展,因此定量研究河流生態(tài)環(huán)境需水量應(yīng)結(jié)合水資源的整體規(guī)劃,應(yīng)以堅(jiān)持可持續(xù)發(fā)展觀(guān)與構(gòu)建和諧社會(huì)為總體目標(biāo)、以水資源綜合利用效益最大為經(jīng)濟(jì)目標(biāo),將尋求最小生態(tài)環(huán)境需水量、特別是河道內(nèi)最小生態(tài)環(huán)境需水量的有效計(jì)算方法作為今后生態(tài)環(huán)境需水量的研究重點(diǎn)。

[1] Tennat D L.Instream Flow Regimens for Fish,Wildlife,Recreation and Related Environmental Resources[M].Maryland：American Fisheries Society,1976：359-373.

[2] Trihey E W,Stalnaker C B.Evolution and Application of Instream Flow Methodologies to Small Hydropower Developments：An Overview of The Issues[C]//.Olson F W,White R G,hamre R H.Proceedings of the Symposium on Small Hydropower and Fisheries.Aurora CO,1985.

[3] Tharme R E.A Global Perspective on Environmental Flow Assessment：Emerging Trends in The Development and Application of Environmental Flow Methodologies for Rivers[J].River Research and Applications,2003,19：397-441.

[4] 張光輝,聶振龍,劉少玉,等.甘肅西北部黑河流域水資源對(duì)下游生態(tài)環(huán)境變化的影響閾[J].地質(zhì)通報(bào),2006,25(1/2)：245.

[5] 楊志峰,張遠(yuǎn).河道生態(tài)環(huán)境需水研究方法比較[J].水動(dòng)力學(xué)研究與進(jìn)展,2003,5(3)：294-301.

[6] 劉昌明.中國(guó)21世紀(jì)水供需分析：生態(tài)水利研究[J].中國(guó)水利,1999(10)：18-20.

[7] 王西琴,劉昌明,楊志峰.河道最小環(huán)境需水量確定方法及其應(yīng)用研究(理論)[J].環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào),2001,21(5)：544-547.

[8] 張遠(yuǎn).黃河流域坡高地與河道生態(tài)環(huán)境需水規(guī)律研究[D].北京：北京師范大學(xué),2003.

[9] 王西琴,劉昌明,楊志峰.河道最小環(huán)境需水量確定方法及其應(yīng)用研究(II)：應(yīng)用[J].環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào),2001,21(5)：548-552.

[10] 楊志峰,張遠(yuǎn).河道生態(tài)環(huán)境需水研究方法比較[J].水動(dòng)力科學(xué)研究與進(jìn)展,2003,18(3)：294-300.

[11] 藍(lán)永超,丁永健,劉進(jìn)琪,等.全球氣候變暖情境下黑河山區(qū)流域水資源的變化[J].中國(guó)沙漠,2005,25(6)：864-868.

[12] 王根緒,程國(guó)棟.近50年來(lái)黑河流域水文及生態(tài)環(huán)境變化[J].中國(guó)沙漠,1998,18(3)：233-238.

[13] 趙資樂(lè),陳得源.黑河鶯落峽站年徑流特征及豐、枯劃分初探[J].甘肅水利水電技術(shù),2003,39(2)：190-194.

[14] 徐中民,程國(guó)棟.黑河流域中游水資源需求預(yù)測(cè)[J].冰川凍土,2000,22(2)：139-140.

[15] 張濟(jì)世,康爾泗,姚進(jìn)忠,等.黑河流域水資源生態(tài)環(huán)境安全問(wèn)題研究[J].中國(guó)沙漠,2004,24(4)：425-430.

[16] 陳文雄.黑河流域水文特性[J].水文,2002,22(6)：57-60.

[17] 肖生春,肖洪浪.黑河流域水環(huán)境演變及其驅(qū)動(dòng)力機(jī)制研究進(jìn)展[J].地球科學(xué)進(jìn)展,2008,23(7)：751-752.

[18] 王小玲,陳文.黑河干流出山口水資源演變與中下游生態(tài)環(huán)境保護(hù)[J].氣象水文海洋儀器,2006(2)：60-65.

[19] 王根緒,程國(guó)棟.干旱內(nèi)陸流域生態(tài)需水量及其估算：以黑河流域?yàn)槔齕J].中國(guó)沙漠,2002,22(2)：131-133.

[20] 李麗娟,鄭紅星.海灤河流域河流系統(tǒng)生態(tài)環(huán)境需水量計(jì)算[J].地理學(xué)報(bào),2000,55(4)：495-500.