基于水文要素變化特征的渾河干流生態(tài)需水量計算

周林飛，趙 嶄，張玉龍

（1.沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué) 水利學(xué)院，遼寧 沈陽 110866；2.沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué) 土地與環(huán)境學(xué)院，遼寧 沈陽 110866）

0 引 言

渾河是遼河的支流，是遼寧省東部地區(qū)較大河流之一，全長368km，發(fā)源于撫順市東部，自東向西，最后在營口市西炮臺注入遼東灣.流域面積1.14×104km2，年徑流量30.52×108m3.流域內(nèi)社會經(jīng)濟(jì)比較發(fā)達(dá)，水利設(shè)施比較完善.渾河流經(jīng)沈陽、撫順兩個重要城市，維持其健康可持續(xù)發(fā)展至關(guān)重要，而河流生態(tài)需水又是保證河流健康發(fā)展的基礎(chǔ).河流生態(tài)需水包括河道內(nèi)生態(tài)需水與河道外生態(tài)需水.河道內(nèi)生態(tài)需水主要包括河流基本生態(tài)需水、河道輸沙需水、自凈需水、蒸發(fā)需水等，這些分項需水可以保障河流生態(tài)系統(tǒng)特定功能.關(guān)于河道內(nèi)生態(tài)需水量，國內(nèi)外進(jìn)行了多年研究，已經(jīng)研究出一些比較成熟的計算方法［1－2］.但目前關(guān)于河流生態(tài)需水計算的文章有大部分是直接選定計算方法利用水文數(shù)據(jù)進(jìn)行計算，鮮有對其水文要素變化特征進(jìn)行具體分析的.每一條河流都有其各自的水文變化特征，不同的特征要選定不同的計算方法，而且生態(tài)需水在年際及年內(nèi)的變化也不相同.本研究針對這一問題，首先對渾河干流的降水、徑流、水面蒸發(fā)、輸沙等進(jìn)行分析，總結(jié)其特征，據(jù)此選擇相應(yīng)的計算方法.并根據(jù)水文要素變化特征，對渾河干流生態(tài)需水特征進(jìn)行分析，據(jù)此提出在不同時期、不同情況下滿足河道生態(tài)需水的相應(yīng)措施，以期為渾河干流滿足生態(tài)需水條件下的水資源配置提供依據(jù).生態(tài)需水按月和汛期、非汛期兩種方式給出，使在河道內(nèi)預(yù)留一定量的生態(tài)需水具有可操作性.

1 渾河干流水文要素變化特征分析

采用線性傾向估計和Kendall秩次相關(guān)檢驗進(jìn)行各要素的年際變化趨勢分析；用變差系數(shù)CV衡量各要素年內(nèi)各月平均值的相對變化.

1.1 數(shù)據(jù)來源

數(shù)據(jù)來源于《中華人民共和國水文年鑒》；序列為1970～2006逐月數(shù)據(jù)，包括天然徑流量、降水量、蒸發(fā)量和輸沙率；水文站4個，分別是北口前站、撫順站、沈陽站和邢家窩棚站.

1.2 分析方法

1.2.1 線性傾向估計 一元線性回歸方程為

式中：a為回歸常數(shù)；b為回歸系數(shù)；yi為變量；xi為時間序列.

1.2.2 Kendall秩次相關(guān)檢驗［3］對序列x1，x2，…，xn，先確定所有對偶值（xi，xj，j＞i）中的xi＜xj的出現(xiàn)個數(shù)（設(shè)為p）.順序的（i，j）子集是（i＝1，j＝2，3，4，…，n），（i＝2，j＝3，4，5，…，n），…，（i＝n－1，j＝n）.此檢驗統(tǒng)計量為

設(shè)顯著水平為α，當(dāng)時，變化趨勢不顯著時，變化趨勢顯著.

1.3 結(jié)果分析

1.3.1 年際變化趨勢

（1）降水量變化

線性分析表明4站的b＜0.F檢驗表明，各站均未通過檢驗，接受原假設(shè)，說明4站降水量沒有明顯的下降趨勢.根據(jù)式（2）計算4站U值，α＝0.05時，查表得Uα／2＝1.96.北口前站1.96，撫順站沈陽站1.439＜1.96，邢家窩棚站1.96，降水量變化趨勢均不顯著.兩種方法均說明降水量沒有明顯減少趨勢，這說明近些年來北方地區(qū)的氣候變暖，并沒有使渾河流域降水量減少，這對用水緊張的渾河干流滿足河道生態(tài)需水是有利的.

（2）徑流量變化

通過線性分析得出各站的傾向率均小于0，撫順站b＝－0.679 1，為4站中最大者.F檢驗表明，北口前站、沈陽站和邢家窩棚站都沒有通過檢驗，只有撫順站通過檢驗，說明撫順站徑流量有減少趨勢，但減少幅度不大，另外3站減少趨勢不顯著.

根據(jù)式（2）計算4 站U值，北口前站U＝－0.419，撫順 站U＝－2.517，沈陽站U＝－0.916，邢家窩棚站U＝－0.785，α＝0.05時，查表得Uα／2＝1.96.因此，撫順站徑流量有明顯減少的趨勢，但從U值來看減少幅度并不大.東洲河是撫順站上游的一級支流，東洲河流域是遼寧省東部山區(qū)的暴雨中心之一，歷史上洪澇災(zāi)害頻繁，2002年修建了關(guān)山水庫，在一定程度上降低了撫順站的徑流量.其他3站徑流量與降雨量的變化趨勢是一致的，都沒有明顯的變化，這對于滿足河道內(nèi)生態(tài)需水量是有利的.

（3）水面蒸發(fā)變化

線性分析表明：北口前站b＜0；沈陽站b＝8.33.F檢驗表明：北口前站未通過檢驗，說明沒有明顯下降趨勢.沈陽站通過檢驗，說明上升趨勢顯著.

根據(jù)式（2）計算兩站U值，北口前站U＝－1.203，沈陽站U＝3.871，α＝0.05時，查表得Uα／2＝1.96.因此，沈陽站有明顯的上升趨勢，北口前站無明顯的下降趨勢.

（4）輸沙量變化

通過線性分析得出，北口前站b＞0，其他三站b＜0.F檢驗表明，各站都沒有通過檢驗，說明4站年輸沙量都沒有明顯的變化趨勢.

根據(jù)式（2）計算4 站U值，北口前站U＝1.10，撫順站U＝－1.70，沈陽站U＝－1.54，邢家窩棚站U＝－1.83，絕對值均小于Uα／2＝1.96.因此，4站輸沙量都沒有明顯的變化趨勢.

1.3.2 年內(nèi)變化趨勢

（1）降水量變化

從表1可以看出4站降水量都集中在6～9月，而7～8月又是最集中的月份.從四季降水量來看，夏季降水量最大，其次是春季，冬季最少.四季降水變差系數(shù)CV都比較大，說明穩(wěn)定性差.4站夏季降水CV＜0.4，說明夏季降水量相對比較穩(wěn)定.

表1 降水量和徑流量集中的月份Tab.1 Concentrated months of rainfall and runoff

（2）徑流量變化

從表1可以看出，6～9 月為徑流量集中月份，7～8月為最集中月份；表1中的降水量與徑流量的集中月份對比，表明兩者年內(nèi)變化一致.進(jìn)入10月份后4站徑流量都開始減少，到1月和2月北口前站徑流量接近0.各月的CV都較小，大部分CV＜1.年內(nèi)CV4站變化都比較大，表明徑流量年內(nèi)變化不穩(wěn)定，這與實際情況也是相符的.

6～9月是渾河汛期，7～8月是主汛期，這時期水量多，容易發(fā)生洪澇災(zāi)害，而其他季節(jié)水量比較少，易造成用水矛盾.4～6月是農(nóng)業(yè)用水高峰，河道內(nèi)本身流量不大，還要滿足生態(tài)需水和農(nóng)業(yè)灌溉用水，這就需要采取相應(yīng)措施進(jìn)行年內(nèi)調(diào)節(jié).調(diào)節(jié)措施可分為工程措施和生態(tài)措施.工程措施即是水庫調(diào)節(jié)；生態(tài)措施即是利用河漫灘濕地，汛期利用河漫灘濕地蓄水，非汛期河漫灘濕地地下水位高于河水，再反補給河水，保證河道在枯水期的生態(tài)需水量.

（3）水面蒸發(fā)變化

經(jīng)計算，北口前站4～9 月蒸發(fā)量占全年的77.31%，沈陽站占74%，因為這6個月氣溫高而且日照時間長，水面蒸發(fā)量顯著高于其他月份.水面蒸發(fā)量最大的是5月，排在第二位的是4月；5月和4月合計占全年比例北口前站為30.74%，沈陽站為31.05%.經(jīng)計算北口前站和沈陽站蒸發(fā)降雨比率為0.73～7.18，變化范圍大，與降水?dāng)?shù)據(jù)對比分析得出，7月和8月蒸發(fā)小于降雨，其他月份蒸發(fā)都大于降雨.4月和5月正是東北的春季，蒸發(fā)全年最大，降水量少，而此時農(nóng)業(yè)用水量又大，就造成了用水緊張的狀況.在此情形下，如何保障河流的最小生態(tài)需水量，保證河流生態(tài)系統(tǒng)健康，是一個需要解決的問題.

（4）輸沙變化

經(jīng)計算6～9月北口前站、撫順站、沈陽站和邢家窩棚站輸沙量分別占全年的95%、83%、86%和90%，而且輸沙量最大值出現(xiàn)在7月與8月.與表1中數(shù)據(jù)對比分析，得出輸沙量與徑流量的年內(nèi)變化趨勢一致.因此，在計算輸沙需水量時，應(yīng)該運用汛期水量大的優(yōu)勢進(jìn)行輸沙，這樣可緩解其他月份輸沙用水緊張的問題.

2 渾河干流生態(tài)需水量計算模型

2.1 生態(tài)需水量計算方法

2.1.1 基本生態(tài)需水量Wr渾河干流水文要素變化特征分析結(jié)果表明：汛期各站徑流量占全年的62.88%以上，非汛期所占比重較小，汛期受到洪水威脅，枯水季節(jié)用水緊張，因此，為保證河流的基本生態(tài)功能，枯水季節(jié)應(yīng)優(yōu)先保障基本生態(tài)需水量.分析1970～2006年徑流量數(shù)據(jù)，年際間變化較大，不同保證率下對應(yīng)著不同的徑流量，為此，計算河流基本生態(tài)需水量時，應(yīng)考慮到保證率的問題.基于以上原因，本文選擇月（年）保證率法進(jìn)行計算.月（年）保證率法是在參考Tennant法基礎(chǔ)上提出的一種河道基本生態(tài)需水量的計算方法，該法將年劃分為兩階段：非汛期和汛期，主張非汛期少用水，汛期多用水.此法適用于水資源利用程度大的河流［4］.渾河干流流經(jīng)撫順、沈陽等大城市，這些城市經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)，用水量大，因此水資源開發(fā)利用程度高，達(dá)到40%［5］以上，所以采用月（年）保證率法計算.

2.1.2 河流稀釋自凈需水量 目前比較常用的方法是7Q10 法［6］，鑒于我國南北方水資源狀況差別較大，在具體應(yīng)用時，對7Q10 法進(jìn)行了修改，使其更適合我國的實際情況［7］，即近10a最小月平均流量法.計算公式為

式中：Wd為河流稀釋自凈水量，m3；Wij為近10a最小月平均流量，m3.

2.1.3 輸沙需水量 從以上對輸沙量與徑流量年內(nèi)變化分析來看，兩者變化趨勢一致，都是集中在6～9月，最集中的是7～8月，根據(jù)這一特點，渾河干流的輸沙功能可在汛期基本完成.因此，為緩解其他時間用水緊張的問題，僅考慮汛期的輸沙需水量，計算公式如式（4）和（5）.式中γs一般取2.65t／m3.

式中：Ws為輸沙需水量，m3；η為輸沙效率（進(jìn)出口輸沙量的比值）；α為指數(shù)（η＜1 時，取α＝1；η＞1時，取α＝0）；Ww為凈水量，m3；W為徑流量，m3；S為輸沙量，t；γs為泥沙容重，t／m3.

2.1.4 水面蒸發(fā)需水量 水面蒸發(fā)需水量指水面蒸發(fā)消耗的水量.水面蒸發(fā)量小于降雨量時，河流蒸發(fā)需水量為0；水面蒸發(fā)量大于降水量時，需從河道外補水，以維持河流正常生態(tài)功能［8－10］.計算公式如下式：

式中：We為水面蒸發(fā)需水量，m3；A為計算時段內(nèi)水體平均水面面積，m2；E為計算時段內(nèi)水體蒸發(fā)量，mm；P為計算時段內(nèi)降水量，mm.

2.2 生態(tài)需水量計算方法整合

渾河干流生態(tài)需水按功能分為兩類：消耗型需水和非消耗型需水.非消耗型需水即是指河道內(nèi)預(yù)留和存在的水量，主要包括河道基本生態(tài)需水、河流稀釋自凈需水和輸沙需水；消耗型需水主要是指水面蒸發(fā)需水.非消耗型需水整合采用取大原則；消耗型需水整合時進(jìn)行累加；非消耗型需水和消耗型需水整合時采用累加原則［11－12］.計算公式如下式：

3 渾河干流生態(tài)需水量計算

3.1 基礎(chǔ)資料

數(shù)據(jù)來源于《中華人民共和國水文年鑒》；序列為1970～2006逐月數(shù)據(jù)，包括天然徑流量、降水量、蒸發(fā)量和輸沙率.以北口前站、撫順站、沈陽站和邢家窩棚站4個水文站進(jìn)行分區(qū)，以4個水文站的斷面進(jìn)行各項生態(tài)需水量的計算.6～9月為汛期，7～8月為主汛期，其余月份為非汛期.

3.2 非消耗型需水量

3.2.1 河流基本生態(tài)需水量 運用月（年）保證率法計算河流基本生態(tài)需水量.渾河干流水資源開發(fā)利用程度高，采用天然徑流量的10%的等級作為基本生態(tài)需水量，渾河干流的逐月基本生態(tài)需水量見表2.

表2 渾河干流月最小基本生態(tài)需水量Tab.2 The monthly minimum basic ecological water demand in main stream of Hunhe River

3.2.2 河流稀釋自凈需水量 將計算時段分為4個，如表3所示，利用式（3）分別計算各段的稀釋自凈需水量，求其平均值作為稀釋自凈需水量，結(jié)果見表3.將流速換算成流量，計算得出月、非汛期、汛期和全年的稀釋自凈需水量，如表4所示.

表3 渾河干流10a最小月平均流速Tab.3 The minimum monthly－average flow rate in 10a in main stream of Hunhe River

表4 渾河干流不同階段稀釋自凈需水量Tab.4 Diluted self－purification water demand in main stream of Hunhe River in different periods

渾河干流自上而下流經(jīng)撫順和沈陽，兩城市經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)，人口多，排污量大，進(jìn)入河道的污染物質(zhì)多，所以從上往下稀釋自凈需水應(yīng)逐漸增多.表4中的計算結(jié)果表明，從北口前站至邢家窩棚站4站的稀釋自凈需水量是依次增加的，這與實際情況是相符的，是滿足實際需求的.

3.2.3 輸沙需水量 利用汛期（6～9月）的水量進(jìn)行輸沙.將數(shù)據(jù)代入式（4）和（5）進(jìn)行計算，得到渾河干流各站輸沙需水量，見表5.分析表5、2和4中數(shù)據(jù)可以看出：3站（除北口前站外）輸沙需水量均大于基本生態(tài)需水量和稀釋自凈需水量；比較各月輸沙需水量發(fā)現(xiàn)8月最大；4站比較，輸沙需水量最大的為撫順站8.56×108m3，其次為邢家窩棚站8.26×108m3.

表5 渾河干流汛期輸沙需水量Tab.5 Sediment water demand in flood season in main stream of Hunhe River

3.3 消耗型需水量

消耗型需水量指水面蒸發(fā)量.水面蒸發(fā)量數(shù)據(jù)是利用20cm 口徑蒸發(fā)皿測得，需折算成E601型蒸發(fā)器蒸發(fā)值，以近似代表大水體的蒸發(fā)量，折算系數(shù)來自《遼寧省水面蒸發(fā)量折算系數(shù)表》.以沈陽站和撫順站為分界點，將渾河干流分為兩個區(qū)域進(jìn)行計算.利用式（6）計算得出，渾河干流全年的水面蒸發(fā)量為0.08×108m3，非汛期為0.06×108m3，汛期為0.02×108m3.

3.4 生態(tài)需水量整合

利用式（7）對各項生態(tài)需水量進(jìn)行整合.基本生態(tài)需水量、輸沙需水量和稀釋自凈需水量取大，再與水面蒸發(fā)需水量相加，結(jié)果見表6.

3.5 渾河干流生態(tài)需水量特征分析

3.5.1 生態(tài)需水量滿足狀況分析 表7中數(shù)據(jù)為各站多年月平均徑流量與逐月生態(tài)需水量，對其進(jìn)行對比分析可以看出，撫順站、沈陽站和邢家窩棚站在多年月平均徑流條件下，均能滿足河道生態(tài)需水量；而且在汛期除撫順站外，滿足生態(tài)需水量后剩余水量較多，能夠作為河道外引水.北口前站除1～2月不能滿足河道生態(tài)需水外，其他月份均能滿足，而且4～10月剩余水量較多，可作為河道外引水.

表6 渾河干流生態(tài)需水量Tab.6 The ecological water demand in main stream of Hunhe River

表7 多年月平均徑流量與河道逐月生態(tài)需水量的關(guān)系表Tab.7 The relationship of years average monthly runoff and the ecological water demand

3.5.2 生態(tài)需水量年內(nèi)、年際均衡關(guān)系分析 年內(nèi)生態(tài)需水均衡：渾河干流汛期與非汛期徑流量差距明顯，從4站徑流量的分析來看，汛期徑流量均達(dá)到全年的62.88%以上.這也是東北河流的共同特點，汛期水量大，如果不充分利用，容易造成洪澇災(zāi)害，而且在枯水季節(jié)又無水可用.因此，應(yīng)該充分利用干流上現(xiàn)有的水庫在汛期蓄水，在枯水季節(jié)放出一定的流量，來保障河流的生態(tài)需水量，維持河流生態(tài)系統(tǒng)的基本功能.

年際生態(tài)需水均衡：分析各年生態(tài)需水量的滿足情況，可以看出部分枯水年的非汛期的河道生態(tài)需水不能得到滿足，解決辦法是采用渾河干流上的水庫在豐水年充分蓄水，其目的是以豐水年補枯水年，確?？菟甑暮恿魃鷳B(tài)需水量.

3.5.3 生態(tài)需水量與水文要素年際變化關(guān)系 對4站的各水文要素分析結(jié)果表明：降水量都沒有明顯的減少趨勢；撫順站徑流量有減少趨勢，但減少的幅度不大，另外3站徑流量都沒有減少趨勢；降水量與徑流量的變化趨勢基本一致.降水量和徑流量都沒有減少的趨勢，這說明天然來水量沒有減少，這對工農(nóng)業(yè)生活用水等是有利的，尤其對河流生態(tài)需水量的滿足是有利的，可以緩解水資源供需不平衡的矛盾.

3.5.4 河岸帶生態(tài)建設(shè)與生態(tài)需水量 近些年來，由于經(jīng)濟(jì)的發(fā)展、人口的增長，河岸帶不斷地被占用，如開墾為農(nóng)田，用作城市用地等.河岸帶是河流的重要組成部分，在保持河流健康中發(fā)揮著重要的作用.因此，應(yīng)該在渾河兩岸進(jìn)行退耕還濕，退建設(shè)用地為河岸帶，使河流兩岸保持一定寬度的植被緩沖帶.城市段河流建設(shè)生態(tài)護(hù)岸等，使河岸帶可以溝通地表水與地下水，使汛期、豐水年河水可補給地下水，非汛期、枯水年地下水可補給河水，結(jié)果是河流生態(tài)需水得到補給.河岸帶的存在可以形成植被緩沖帶，它可以降低水流的速度，攔截泥沙以及污染物質(zhì)，起到凈化河水的作用，可減少稀釋自凈需水量.

3.5.5 污染治理與稀釋自凈需水量 由于渾河干流流經(jīng)的撫順、沈陽等城市用水量大，水資源開發(fā)利用率高，在計算河流稀釋自凈需水量時，不用對實際污染物的含量進(jìn)行計算，而是采用近10a最枯（?。┰缕骄髁坑嬎悖@樣可以減少河流稀釋自凈需水量.但作者曾經(jīng)對渾河干流水質(zhì)進(jìn)行評價，從評價結(jié)果來看，并不是所有斷面的水質(zhì)等級都能達(dá)到水質(zhì)目標(biāo)［13］.水質(zhì)目標(biāo)的達(dá)到并不能單純依靠增加稀釋自凈需水量來實現(xiàn)，應(yīng)該加強(qiáng)流域內(nèi)的污染治理.首先控制點源污染，保證各企業(yè)達(dá)標(biāo)排放.其次是控制面源污染，措施如下：①流域內(nèi)合理使用化肥；②提高流域內(nèi)林草覆蓋率；③恢復(fù)河流兩岸植被緩沖帶.

4 結(jié) 語

本文根據(jù)渾河水文要素變化特征確定其生態(tài)需水量的計算方法，河流基本生態(tài)需水量采用月（年）保證率法進(jìn)行計算；河流稀釋自凈需水量采用近10a最枯（?。┰缕骄髁糠ㄟM(jìn)行計算；輸沙需水量采用多年平均輸沙量法進(jìn)行計算；蒸發(fā)需水量采用蒸發(fā)量扣除降雨量計算.在對渾河干流水文要素變化特征分析的基礎(chǔ)上，計算其生態(tài)需水量，可充分考慮渾河干流具體情況.結(jié)果表明：北口前站全年的生態(tài)需水量為0.55×108m3，撫順站為9.59×108m3，沈陽站為6.93×108m3，邢家窩棚站為10.55×108m3，并給出了逐月變化，使生態(tài)需水在水資源優(yōu)化配置中具有可操作性.

渾河干流生態(tài)需水特征分析表明：除北口前站1～2月生態(tài)需水不能滿足外，另外3站都可以滿足；4 站汛期徑流量均占到全年的62.88%以上，應(yīng)利用干流上現(xiàn)有水庫進(jìn)行年際及年內(nèi)調(diào)節(jié)，使生態(tài)需水在年際及年內(nèi)之間達(dá)到均衡；4 站降水量與徑流量都沒有減少趨勢，這有利于生態(tài)需水量的滿足；恢復(fù)河岸帶，溝通地表水與地下水之間的聯(lián)系，使枯水季節(jié)河道生態(tài)需水可以得到地下水的補給；控制流域內(nèi)各種污染，提高河流稀釋自凈能力，減少稀釋自凈需水量均是減少生態(tài)需水量的有力措施.

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