太子河流域河道內(nèi)生態(tài)需水分區(qū)估算研究

李國強(qiáng)，張士杰，彭文啟，譚紅武

（中國水利水電科學(xué)研究院 水環(huán)境研究所，北京 100038）

1 研究背景

對處在修復(fù)進(jìn)程中的退化河流來說，保障河道內(nèi)生態(tài)需水是生態(tài)修復(fù)的重要前提條件。河道內(nèi)生態(tài)需水閾值實際上應(yīng)表達(dá)為其主要水生生物向適應(yīng)的流量過程，但生物目標(biāo)改變時，河道內(nèi)生態(tài)需水閾值也隨之變化。在河流生態(tài)系統(tǒng)中，水文情勢的變化決定了大多數(shù)生態(tài)過程、有機(jī)物、營養(yǎng)物以及細(xì)菌等的變化速率［1］；有證據(jù)表明，水文情勢的變化促進(jìn)了物理和化學(xué)條件在時間和空間上的多樣性［2］；水文情勢的5個核心組成部分，包括水流的變異性、變化幅度、變化頻率、變化速率、持續(xù)時長以及發(fā)生時間，是水生態(tài)系統(tǒng)完整性以及生物多樣性維持的關(guān)鍵要素［3-4］。

在流域尺度上，河道內(nèi)生態(tài)需水的目標(biāo)隨著空間位置的不同有所變化；另外退化河流的生態(tài)修復(fù)具有階段性，消除引起河流退化的干擾源，如水環(huán)境惡化和水文情勢改變，與經(jīng)濟(jì)社會以及科技水平的發(fā)達(dá)程度密切相關(guān)。通常來說，解決水環(huán)境惡化問題大致能夠預(yù)期，而消除或者改善水文條件需要更長的時間表，河道生態(tài)需水目標(biāo)隨時間也在發(fā)生變化。由此，分區(qū)、分時是河道內(nèi)生態(tài)需水研究的必然選擇。

退化河流中分區(qū)生物目標(biāo)具有兩層含義：一是隨空間位置變化，河流生態(tài)系統(tǒng)本底特征改變，產(chǎn)生分區(qū)生物目標(biāo)；二是隨修復(fù)進(jìn)程，不同干擾類型消除進(jìn)度不同產(chǎn)生的分區(qū)生物目標(biāo)。對于前者，國內(nèi)外眾多研究者根據(jù)生態(tài)水文原理，采用土地利用、土壤、自然植被和地形等自然因素，對河流生態(tài)系統(tǒng)本底特征進(jìn)行了生態(tài)水文分區(qū)［5-8］；然而，對于后者還沒有相關(guān)研究出現(xiàn)。由于退化河流往往處在“三生”用水競爭激烈的流域，水資源開發(fā)與河流生態(tài)系統(tǒng)保護(hù)的沖突在相當(dāng)長的時間內(nèi)仍將持續(xù)［9］，生態(tài)需水保障更多的時候要服從于流域水資源管理的要求，但是國內(nèi)的生態(tài)需水研究很少加以考慮，多是針對特定類型的水生態(tài)系統(tǒng)［10-15］。因此在退化河流生態(tài)修復(fù)的初期，針對與生態(tài)修復(fù)進(jìn)程相適應(yīng)的河道內(nèi)生態(tài)需水目標(biāo)，研究河道內(nèi)生態(tài)需水對退化河流的生態(tài)修復(fù)尤為重要。

為此，本文以太子河流域為例，嘗試進(jìn)行了以生態(tài)需水估算分區(qū)為基礎(chǔ)的河道內(nèi)生態(tài)需水估算研究。太子河流域所在的遼河流域是國家重點進(jìn)行水體污染治理的“三河”之一，在“十一五”階段已經(jīng)開始了污染控源工作；隨著治理措施效果的顯現(xiàn)，太子河干流水質(zhì)狀況將逐漸好轉(zhuǎn)，水生態(tài)系統(tǒng)將逐漸得到恢復(fù)，太子河流域為典型的處在修復(fù)進(jìn)程中的退化河流。本文首先以流域內(nèi)水生態(tài)系統(tǒng)及其影響因素為研究對象，對水體及其周圍陸地所在的空間單元進(jìn)行的分類與整合，作為生態(tài)需水目標(biāo)確定及分區(qū)、分期生態(tài)需水估算的基礎(chǔ)；再根據(jù)現(xiàn)階段生態(tài)修復(fù)進(jìn)程，采用水文學(xué)法進(jìn)行了河道內(nèi)生態(tài)需水估算。

2 研究區(qū)概況

太子河流域位于122°23′-122°53′E，40°28′-41°39′N之間（圖1），全境位于遼寧省境內(nèi)，流域面積1.39×104km2。太子河全長413km，流經(jīng)本溪、遼陽及鞍山三市，于三岔河口與渾河匯合后經(jīng)大遼河入海。太子河屬溫帶大陸性季風(fēng)氣候，多年平均氣溫在5～8℃之間，多年平均蒸發(fā)量1100～1600mm，多年平均降水量748mm，由東南向西北遞減。太子河流域的降水大多集中在汛期，其中6—9月降水量約占全年的75%，7—8月降水量約占全年的50%以上。流域的徑流補(bǔ)給主要來自于降水，暴雨是太子河流域降水的主要組成部分，地表徑流具有明顯的季節(jié)性特征。太子河流域多年平均徑流量為36.8億m3，總用水量為18.75億m3，其中農(nóng)業(yè)用水量為8.86億m3，工業(yè)用水量為7.61億m3，生活用水量為2.28億m3。太子河流域處于長白、華北、內(nèi)蒙3個植物區(qū)系交匯地帶，流域東部山區(qū)植被主要為次生針闊葉混交林及其次生蒙古櫟林；流域中部丘陵區(qū)位強(qiáng)烈干擾后形成的闊葉林矮林；流域西部的平原區(qū)為一年一熟農(nóng)業(yè)植被及草甸區(qū)。太子河流域工、農(nóng)業(yè)均比較發(fā)達(dá)，工業(yè)以冶煉、石油化工等重工業(yè)為主，集中分布在本溪市區(qū)、遼陽市區(qū)以及鞍山市區(qū)；流域內(nèi)分布有渾沙灌區(qū)、遼陽灌區(qū)等多個大型灌區(qū)，是我國重要的商品糧基地。

3 研究方法

生態(tài)需水估算分區(qū)主要采用GIS技術(shù)，以ArcGIS軟件的水文模塊進(jìn)行流域水系劃分，再將地形、水系、植被及土地利用等專題圖進(jìn)行空間疊加處理，以定性分析和專家判斷法確定分區(qū)邊界。河道內(nèi)生態(tài)需水采用水文學(xué)法進(jìn)行估算。

本研究使用的植被數(shù)據(jù)來源于中國植被圖集（1∶100000），在ArcGIS中進(jìn)行數(shù)字化處理；水生態(tài)現(xiàn)狀數(shù)據(jù)來源于遼寧師范大學(xué)2010年8月的實地監(jiān)測數(shù)據(jù)；土地利用現(xiàn)狀圖來自遼寧水利水電科學(xué)研究院根據(jù)2006年TM影像解譯，土地利用分類采用中國科學(xué)院資源環(huán)境數(shù)據(jù)中心建立分類系統(tǒng)中的3級分類；地形地貌數(shù)據(jù)采用90m分辨率DEM數(shù)據(jù)；1958-2006年水文系列數(shù)據(jù)、2006年流域用水?dāng)?shù)據(jù)以及污染源及污染物排放數(shù)據(jù)來源于遼寧省水文局。

4 結(jié)果及分析

4.1 生態(tài)需水估算分區(qū)特征 生態(tài)需水估算分區(qū)首先以流域生態(tài)水文特征進(jìn)行一級分區(qū)，分區(qū)指標(biāo)為地形、水系、植被及土地利用，分區(qū)間與植被、土地利用等屬性具有明顯差異，表現(xiàn)出不同的生態(tài)水文特征；其次根據(jù)太子河干流水質(zhì)現(xiàn)狀特征進(jìn)行二級分區(qū)，二級分區(qū)包含的干流段表現(xiàn)出統(tǒng)一的水質(zhì)時空分布，分區(qū)時考慮水功能區(qū)劃及水質(zhì)控制目標(biāo)；再次根據(jù)流域用水特征、污染源分布、排污強(qiáng)度、行政區(qū)劃以及水生態(tài)現(xiàn)狀特征，將太子河一級支流的集水區(qū)進(jìn)行整合，整合時首先考慮排污強(qiáng)度的相似性，其次考慮污染源分布的集中程度，最后考慮行政區(qū)劃的一致性。

太子河流域生態(tài)需水估算分區(qū)圖見圖2，分區(qū)特征見表1。根據(jù)地貌、土壤類型、植被以及土地利用等特征進(jìn)行的生態(tài)需水估算一級分區(qū)與孟偉等［16］在對太子河流域的生態(tài)水文分區(qū)基本保持一致，反映了太子河流域本底生態(tài)水文特征。

在11個分區(qū)中，觀音閣水庫上游區(qū)及庫區(qū)沒有污染源分布，人類活動較少，河道內(nèi)水文過程保持天然狀態(tài)，水生態(tài)完整性良好，因此可不考慮進(jìn)行生態(tài)需水估算；從觀音閣水庫下游區(qū)至海城市區(qū)，人類活動逐漸增加，水質(zhì)狀況逐漸變差；本溪城區(qū)有大量工業(yè)企業(yè)，枯水期水質(zhì)超標(biāo)；遼河城區(qū)及下游各生態(tài)需水估算分區(qū)，枯水期水體污染狀況加重，每年4—5月的融冰期及灌溉期出現(xiàn)不同程度的水質(zhì)超標(biāo)。受水體污染影響，各河段浮游、底棲生物及魚類均以較耐污的種類為優(yōu)勢。

分區(qū)的目的是為進(jìn)行太子河干流河道內(nèi)生態(tài)需水估算，根據(jù)上述各分區(qū)現(xiàn)狀特征以及太子河干流水文站空間分布，確定各分區(qū)河道內(nèi)生態(tài)需水估算代表斷面見表1。根據(jù)以上特征，太子河干流現(xiàn)階段生態(tài)需水目標(biāo)可以確定為改善水質(zhì)，保障環(huán)境流量，同時兼顧恢復(fù)近自然水文節(jié)律。

4.2 太子河流域水文系列分析 水文系列分析的目的是篩選適合于太子河干流河道內(nèi)生態(tài)需水估算的水文數(shù)據(jù)。太子河干流兩大控制性水利樞紐，1974年葠窩水庫建成運行，1994年觀音閣水庫建成運行，太子河干流水文情勢及水文節(jié)律先后受到了葠窩水庫及觀音閣水庫的控制。

表1 太子河流域生態(tài)需水估算分區(qū)特征

圖3反映了觀音閣水庫對太子河干流水文情勢的影響。在1994年以前，由于4、5月融雪使河道內(nèi)水量增加，平水期4、5月流量高略于6月，而主汛期發(fā)生在8月。觀音閣水庫建成后，在5月為葠窩水庫下泄農(nóng)業(yè)灌溉用水，5月與6月流量差距有所增加；在汛期，由于防洪和蓄水的需求，7、8月流量明顯減少；除1994—2006年受連續(xù)枯水年的影響外，9月流量變化不大。從長系列水文數(shù)據(jù)上看，觀音閣水庫的運行對水文節(jié)律的影響較小，但加大了4、5月與6月的流量差距，并使汛期尤其是汛末期流量明顯降低。圖4反映了葠窩水庫以及葠窩水庫與觀音閣水庫聯(lián)合調(diào)度對太子河干流水文情勢的累積影響。葠窩水庫建成運行后，水文情勢發(fā)生了很大的變化。4月份融雪使流量增加的現(xiàn)象被大量增加的引水掩蓋，5月流量接近甚至超過了汛期流量，汛末期9月的流量已經(jīng)接近了枯水期流量。

從以上水文系列分析中可以看出，與自然水文情勢相比，現(xiàn)狀太子河干流水文情勢已經(jīng)發(fā)生了根本性的變化。由于經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展的要求，在相當(dāng)長的時間內(nèi)，葠窩水庫與觀音閣水庫聯(lián)合調(diào)度，為工、農(nóng)業(yè)用水服務(wù)的現(xiàn)象無法改變。在水生態(tài)系統(tǒng)及水生生物要求自然水文情勢，以及經(jīng)濟(jì)社會要求更多的用水雙重約束下，太子河干流生態(tài)需水的估算適合采用1956—2006年最長系列的水文數(shù)據(jù)進(jìn)行，該系列數(shù)據(jù)兼顧了受兩大水庫建成前的近自然水文情勢以及建成后經(jīng)濟(jì)社會對水資源的需求。

4.3 太子河流域河道內(nèi)生態(tài)需水估算

（1）河道內(nèi)生態(tài)需水估算方法分析。本研究采用太子河干流小市、本溪、葠窩、遼陽、小林子和唐馬寨6個水文站1956—2006年實測流量系列，逐月估算生態(tài)需水；7、8月份（洪水期）：參考蒙大拿法的生態(tài)學(xué)原理，以同期多年平均流量的20%作為生態(tài)需水；4、5、10、11月的平水期及6月的汛前期及9月的汛后期，參考全國水資源綜合規(guī)劃等國內(nèi)相關(guān)規(guī)劃、導(dǎo)則中生態(tài)流量估算方法，采用P=75%月均流量（即月保證率法）作為生態(tài)需水；1、2、3、12月枯水期采用P=75%月均流量與多年平均流量10%比較后取外包，各月生態(tài)需水不低于多年平均流量10%，以滿足蒙大拿法的最小生態(tài)需水量要求。

對水質(zhì)超標(biāo)的分區(qū)，超標(biāo)時段恢復(fù)自然水文節(jié)律并能夠增加生態(tài)需水量，其中3月、12月本溪及下游各站，4月葠窩、遼陽及小林子水文站，5月各斷面，采用1958—1973年水文系列（葠窩水庫建設(shè)前）P=75%保證率月均流量，可達(dá)到恢復(fù)自然水文節(jié)律并增加生態(tài)需水量，改善水質(zhì)的要求；遼陽水文站實測流量受觀音閣及葠窩水庫調(diào)度的疊加影響，葠窩斷面至遼陽段灌溉引水量較大，斷流現(xiàn)象出現(xiàn)頻率較高，實測流量過程不能用于生態(tài)需水估算；考慮到遼陽段水質(zhì)污染較重，且有飲用水源取水口，故移用葠窩水文站數(shù)據(jù)進(jìn)行生態(tài)需水估算。

（2）河道內(nèi)生態(tài)需水估算結(jié)果分析。太子河干流河道內(nèi)生態(tài)需水估算結(jié)果見表2。各站逐月河道內(nèi)生態(tài)需水量均大于等于國家規(guī)定的納污能力計算的設(shè)計水文條件，在污染物入河總量滿足總量控制的前提下，能夠保障干流水質(zhì)達(dá)標(biāo)；同時從圖5可以看出，估算結(jié)果過程線與1958—1973年近自然水文節(jié)律基本一致，對太子河干流水生態(tài)修復(fù)具有重要作用。估算的各站年生態(tài)需水量占年徑流量的30%左右，比較現(xiàn)狀河道內(nèi)流量與估算的河道內(nèi)生態(tài)需水，汛期的生態(tài)需水基本能夠得到滿足；但非汛期生態(tài)需水的保證率在75%左右。由于太子河流域現(xiàn)狀用水量約占多年平均徑流量的50%，通過觀音閣水庫以及葠窩水庫的聯(lián)合調(diào)度，能夠在不影響現(xiàn)有水資源利用格局的前提下，通過合理的水資源優(yōu)化配置，實現(xiàn)生態(tài)需水要求。

表2 太子河干流河道內(nèi)生態(tài)需水估算結(jié)果

5 結(jié)論

根據(jù)以上分析得到以下幾點認(rèn)識：（1）根據(jù)太子河流域地形地貌、水系、植被、土地利用，太子河干流水質(zhì)以及流域用水結(jié)構(gòu)、污染源分布及排污強(qiáng)度、行政區(qū)劃等特征，太子河流域被分為11個生態(tài)需水估算分區(qū)；現(xiàn)階段生態(tài)需水的首要目標(biāo)為改善水質(zhì)；次要目標(biāo)為盡可能恢復(fù)天然的水文節(jié)律，以保障太子河干流水生態(tài)系統(tǒng)基本功能的維持；（2）太子河干流水文情勢受觀音閣水庫以及葠窩水庫的疊加影響；兩水庫聯(lián)合調(diào)度改變了天然水文節(jié)律，農(nóng)業(yè)用水使水庫下泄水量接近汛期水量；河道內(nèi)生態(tài)需水的估算適合采用1956—2006年最長系列的水文數(shù)據(jù)進(jìn)行，該系列數(shù)據(jù)兼顧了受兩大水庫建成前的近自然水文情勢以及建成后經(jīng)濟(jì)社會對水資源的需求；（3）根據(jù)太子河干流小市、本溪、葠窩、遼陽、小林子和唐馬寨6個水文站1956—2006年實測流量系列，逐月估算生態(tài)需水；各站年生態(tài)需水量占年徑流量的30%左右。

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