清溟河流域河流環(huán)境流量計(jì)算與應(yīng)用

王惠英　于魯冀　呂曉燕　范鵬宇

摘要：針對北方地區(qū)河流環(huán)境流量短缺和污染并存的現(xiàn)狀，在綜合考慮水質(zhì)保護(hù)與水量維持的情況下界定了河流環(huán)境流量的概念和內(nèi)涵，并探討不同功能目標(biāo)下河流環(huán)境流量的組成。通過分析河流水系特征及河段的空間結(jié)構(gòu)特征，建立了改善河流水質(zhì)所需環(huán)境流量計(jì)算模型，同時(shí)建立了Tennant和濕周模型計(jì)算河流生態(tài)系統(tǒng)所需環(huán)境流量。利用臨潁高村橋的水文水質(zhì)數(shù)據(jù)，對清溟河為改善河流水質(zhì)和生態(tài)系統(tǒng)所需環(huán)境流量進(jìn)行了初步評價(jià)，為河流應(yīng)急補(bǔ)水提供了調(diào)控建議，并提出了河道應(yīng)常年保持的流量水平。

關(guān)鍵詞：環(huán)境流量；水質(zhì)水量平衡模型；Tennant法；濕周法；清溟河

中圖分類號：O647.3；X783 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-1683（2017）02-0109-07

流量作為河流最重要的因子之一，是保證河流環(huán)境功能和生態(tài)功能正常發(fā)揮的必備條件。世界自然保護(hù)聯(lián)盟將環(huán)境流量定義為“在用水矛盾突出、且用水量可以進(jìn)行調(diào)度的河流、濕地和沿海區(qū)域，為維持其正常生態(tài)系統(tǒng)及功能所擁有的水量”。國外其他學(xué)者針對環(huán)境流量也進(jìn)行了定義，也為維持河流生態(tài)健康所需的流量。近10年來，我國學(xué)者結(jié)合我國河流面臨流量短缺和水質(zhì)污染的雙重威脅的實(shí)際情況，界定了適用于我國河流的環(huán)境流量內(nèi)涵及組成。其中王西琴等對環(huán)境流量的概念界定的較早，其認(rèn)為環(huán)境流量具有更廣的內(nèi)涵：如滿足白凈功能需求的水量一環(huán)境需水，滿足河道水沙平衡的水量—輸沙需水，滿足生態(tài)系統(tǒng)最低需求的水量—基本生態(tài)需水等。圍繞環(huán)境流量的計(jì)算，近年來也有許多研究成果，主要分為兩大類別，一類是基于水質(zhì)水量平衡模型計(jì)算為改善河流水質(zhì)所需的環(huán)境流量，一類是生態(tài)需水量相關(guān)計(jì)算研究。水質(zhì)水量平衡模型主要通過模型的構(gòu)建，可定量評價(jià)生態(tài)補(bǔ)水或不同調(diào)水情景對水質(zhì)的變化。國內(nèi)生態(tài)需水量計(jì)算常采用方法有水文學(xué)法（如改進(jìn)Tennant法、月保證率法）、水力學(xué)法（濕周法和生態(tài)水力學(xué)法）、棲息地模擬法、整體法等。不同河流環(huán)境流量需求不同其適合的計(jì)算方法也不同。

本文在分析北方河流環(huán)境流量概念和內(nèi)涵的基礎(chǔ)上，探討不同功能目標(biāo)下環(huán)境流量的組成；結(jié)合北方河流缺水的特征，充分考慮二元水循環(huán)條件下，建立水質(zhì)水量平衡模型，開展為改善河流水質(zhì)所需環(huán)境流量的計(jì)算；同時(shí)以清溟河為例，采用不同計(jì)算方法計(jì)算河流生態(tài)系統(tǒng)所需環(huán)境流量，初步確定清溟河環(huán)境流量閾值。

1環(huán)境流量概念與組成界定

1.1環(huán)境流量概念與內(nèi)涵

國內(nèi)外目前對于環(huán)境流量概念與內(nèi)涵沒有統(tǒng)一認(rèn)知，國外主要是指為維持河流生態(tài)系統(tǒng)健康所需的流量，而國內(nèi)存在水質(zhì)污染嚴(yán)重與生態(tài)系統(tǒng)亟需恢復(fù)的雙重問題，多指維持河流生態(tài)環(huán)境功能正常發(fā)揮的流量。

本文認(rèn)為環(huán)境流量是指在特定的區(qū)域、流域內(nèi)，在相應(yīng)的生態(tài)保護(hù)、恢復(fù)或建設(shè)目標(biāo)下，某一時(shí)段能夠滿足河流系統(tǒng)生態(tài)環(huán)境功能所需流量。一方面，河流環(huán)境流量可以隨時(shí)間和空間變化，表現(xiàn)出動態(tài)變化的特征；另一方面，河流環(huán)境流量具有協(xié)調(diào)河流各項(xiàng)基本功能的內(nèi)涵，表現(xiàn)出在特定時(shí)空單元內(nèi)最大限度地滿足河流主要功能的優(yōu)先選擇性。

1.2環(huán)境流量組成界定

環(huán)境流量組成界定需以河流功能分析為基礎(chǔ)，其中水環(huán)境功能區(qū)劃和水功能區(qū)劃中均涉及對河流功能的界定。水環(huán)境功能區(qū)劃管理目標(biāo)中只考慮了水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，并以水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)來界定該水質(zhì)控制區(qū)的水域功能，與河流實(shí)際使用功能存在一定偏差，而水功能區(qū)劃是按相應(yīng)水域的主導(dǎo)功能來劃定，并考慮了水資源的合理開發(fā)和有效保護(hù)，因此本文以河南省轄河流為對象，主要依據(jù)《河南省水環(huán)境功能區(qū)劃》和《河南省水功能區(qū)劃》來分析河流功能。

結(jié)合河流功能界定結(jié)果及廣義環(huán)境流量的概念及內(nèi)涵，不考慮河流社會功能所對應(yīng)的水利流量，河南省轄河流環(huán)境流量主要由維持水生生物棲息、稀釋自凈、景觀娛樂、防止泥沙淤積、地下水位和蒸發(fā)6項(xiàng)流量組成。

2環(huán)境流量計(jì)算模型構(gòu)建

2.1水質(zhì)水量平衡模型的構(gòu)建

基于二元水循環(huán)的思想，將工業(yè)/生活排水等回歸水作為河道內(nèi)流量一部分的前提下，建立了測算環(huán)境流量的水質(zhì)水量平衡模型。

（1）模型具體構(gòu)建思路。

水箱模型：在研究河段入河節(jié)點(diǎn)的實(shí)測徑流的基礎(chǔ)上，統(tǒng)計(jì)分析該河流或河段的降雨徑流、排水、取水和調(diào)水等水量的輸入、輸出，建立水量平衡；

一維水質(zhì)模型：在水量平衡基礎(chǔ)上，考慮輸入、輸出污染物的衰減與降解，并采用一維水質(zhì)模型模擬計(jì)算污染源變化引起的水質(zhì)變化結(jié)果，并建立污染物通量平衡。

根據(jù)河流或河段不同階段水質(zhì)目標(biāo)要求，基于通過。建立水量水質(zhì)平衡模型，測算分析保障河流水質(zhì)達(dá)標(biāo)所需的水量。河段水質(zhì)水量平衡模型示意圖見圖1。

其中圖1中Q為輸入輸出水量，P為輸入輸出污染物總量。

（2）模型計(jì)算參數(shù)的確定。

主要針對該模型中的降雨徑流Q₆和自凈削減量P_凈中的綜合衰減系數(shù)k進(jìn)行說明。其他參數(shù)可根據(jù)掌握的2014年的流量及水質(zhì)數(shù)據(jù)進(jìn)行確定。

降雨徑流Q₆

河道徑流量的計(jì)算方法主要有等值線圖法、水位比擬法、徑流系數(shù)法、水文勘察法和經(jīng)驗(yàn)公式法本文中河段內(nèi)的徑流量的推算采用徑流系數(shù)法。

徑流系數(shù)法是指當(dāng)小流域或附近有年降雨量資料時(shí)，且降雨與徑流產(chǎn)生密切關(guān)系時(shí)，可利用多年平均降雨量與徑流量之間的關(guān)系計(jì)算徑流量即利用年降雨量的平均值與徑流系數(shù)推求多年平均徑流量，計(jì)算公式為：

W=1000×C×P×F （1）式中：W為年徑流量（m³）；C為該地區(qū)徑流系數(shù)，與研究區(qū)域植被、地形、地質(zhì)、主河道長度等因素有關(guān)，可通過公式C=R/P計(jì)算徑流系數(shù)；P為多年平均降雨量（1982年-2012水文站點(diǎn)數(shù)據(jù)）（mm）；R為多年平均徑流深（1982年-2012水文站點(diǎn)數(shù)據(jù)）（mm）；F為控制河段流域面積（km²）。

綜合削減系數(shù)k

針對區(qū)段內(nèi)水量不平衡，需要首先進(jìn)行水量平筑在水量平衡中以斷面實(shí)測值為準(zhǔn)可增加平衡水量（△Q），其值等于上斷面流量與區(qū)段內(nèi)匯入水量和下斷面流量之差。因此，本文確定的k值的綜合削減系數(shù)為計(jì)算公式為：

（2）

2.2Tennant法計(jì)算模型

Tennant法屬于水文學(xué)方法的一種，其所需數(shù)據(jù)為某斷面在人工干擾較少時(shí)期，自然狀態(tài)下近40年左右的逐月實(shí)測流量數(shù)據(jù)。特殊情況下，若河道長期人工干擾嚴(yán)重，自然狀態(tài)下的流量數(shù)據(jù)年份不足，此時(shí)可采用自然狀態(tài)下近10年左右的流量數(shù)據(jù)。

根據(jù)我國的北方河流的實(shí)際需水特點(diǎn)，對于Tennant方法的水期劃分要進(jìn)行改進(jìn)。在我國北方內(nèi)陸河流中4月-6月為河流魚類產(chǎn)卵和各類植物復(fù)蘇生長的高峰期；7月-10月為傳統(tǒng)意義上的雨季，降水豐沛，河道水量明顯增加，流量變大；11月一次年3月降水較少，河道水量較小，受溫度影響，有些河段甚至出現(xiàn)結(jié)冰現(xiàn)象，河流的水生動植物進(jìn)入冬眠期，生態(tài)需水量相對較小。因此，將河流生態(tài)需水按季節(jié)劃分為三個(gè)時(shí)段能更好地反映河流實(shí)際的來水過程。依據(jù)Tennant法的環(huán)境流量標(biāo)準(zhǔn)確定三個(gè)用水期的環(huán)境流量標(biāo)準(zhǔn)見表1。

2.3濕周法計(jì)算模型

濕周法是以濕周作為衡量棲息地質(zhì)量的指標(biāo)，來估算河道內(nèi)流量最小值的方法。它根據(jù)河道的水力特性參數(shù)，如濕周、水力半徑、平均水深等，由實(shí)測的河道斷面濕周與斷面流量之間的對應(yīng)關(guān)系，繪制濕周流量關(guān)系曲線，該曲線上的突變點(diǎn)對應(yīng)的流量值即為河道最小生態(tài)流量。本文采用濕周法中的斜率法對清溟河環(huán)境流量進(jìn)行計(jì)算。

（1）建立濕周-流量關(guān)系。

依據(jù)典型性、穩(wěn)定性和實(shí)用性的原則選擇河道斷面，結(jié)合斷面的形態(tài)依據(jù)表2來建立濕周-流量關(guān)系，并進(jìn)行曲線擬合。

（2）確定臨界點(diǎn)。

取濕周-流量關(guān)系曲線上斜率為1的點(diǎn)為臨界點(diǎn)，對函數(shù)p（q）求導(dǎo)，使dp/dp=1成立，即可算出最小生態(tài)流量q。

3清溟河環(huán)境流量計(jì)算結(jié)果分析

清溟河屬淮河流域沙潁河水系，發(fā)源于新鄭市，流經(jīng)長葛市、許昌縣、魏都區(qū)（許昌市區(qū)）、臨潁縣、鄢陵等縣（市、區(qū)），至鄢陵縣陶城閘下匯入潁河，全長149 km，流域面積2 362 km²。流域水系圖見圖2。

3.1基于水質(zhì)水量平衡模型計(jì)算結(jié)果分析

清溟河省控臨潁高村橋斷面的“十二五”省政府責(zé)任目標(biāo)、消除劣V類水體目標(biāo)和水環(huán)境功能區(qū)劃水質(zhì)目標(biāo)具體目標(biāo)值見表3。

結(jié)合上述水質(zhì)目標(biāo)要求，以2014年水質(zhì)及流量數(shù)據(jù)為基準(zhǔn)，不同的水質(zhì)要求設(shè)定不同的計(jì)算條件，開展環(huán)境流量計(jì)算，具體計(jì)算條件如下：

（1）“十二五”省政府責(zé)任目標(biāo)測算條件：考慮2014年流域規(guī)劃、碧水工程計(jì)劃中相關(guān)治污工程已建成、碧水工程計(jì)劃中相關(guān)治污工程已建成，上述工程2015年正常運(yùn)行。

（21消除劣V類水體目標(biāo)：入河工業(yè)點(diǎn)源、集中污水處理廠有地方流域標(biāo)準(zhǔn)的按標(biāo)準(zhǔn)要求的排放濃度達(dá)標(biāo)排放計(jì)算，無流域標(biāo)準(zhǔn)的工業(yè)點(diǎn)源按《污水綜合排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB 8978-1996）一級標(biāo)準(zhǔn)（COD≤100mg/L、氨氮≤15 mg/L）達(dá)標(biāo)排放計(jì)算，集中污水處理廠按《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB 18918-2002）一級A標(biāo)準(zhǔn)（COD≤50 mg/L、氨氮≤5mg/L、生活污水處理率≥85%）達(dá)標(biāo)排放計(jì)算。

（3）水環(huán)境功能區(qū)劃水質(zhì)目標(biāo)：入河工業(yè)點(diǎn)源執(zhí)行COD≤50 mg/L、氨氮≤5 mg/L，集中污水處理廠執(zhí)行COD≤40 mg，L、氨氮≤3 mg/L。

依據(jù)上述計(jì)算條件，2014年清溟河現(xiàn)狀年平均流量為2 03 m³/s，為實(shí)現(xiàn)不同水質(zhì)目標(biāo)，清溟河高村橋斷面處所需新增環(huán)境流量見表4。

由于實(shí)現(xiàn)三種水質(zhì)目標(biāo)所需環(huán)境流量的計(jì)算條件與目標(biāo)值均不同，所以計(jì)算結(jié)果不能相互比較，但可以看出通過工業(yè)點(diǎn)源和集中污水處理廠的進(jìn)一步提標(biāo)，可以減少為實(shí)現(xiàn)水質(zhì)目標(biāo)所需的新增流量。

3.2基于Tennant模型計(jì)算結(jié)果分析

依據(jù)清溟河三里橋水文站1958年-1970年的流量數(shù)據(jù)，采用Tennant法計(jì)算清溟河生態(tài)系統(tǒng)所需的環(huán)境流量見表5。

Tennant法計(jì)算所得清溟河生態(tài)系統(tǒng)所需的環(huán)境流量適宜范圍采用“好”級別的流量范圍，為0.16-1.67 m³/s，其中豐水期適宜流量范圍為0.75-1.67 m³/s、平水期0.16～0.37 m³/s、枯水期0.16-0.49 m³/s。適宜的流量過程見圖3，從枯水期到豐水期所需的流量有呈驟然增加的變化趨勢，平水期和枯水期則變化不大。

3.3基于濕周模型計(jì)算結(jié)果分析

（1）典型年的選取。

根據(jù)清溟河三里橋站1958年-1970年歷年流量數(shù)據(jù)進(jìn)行水文頻率計(jì)算，選取頻率P=25%、P=50%和P=75%所對應(yīng)的年份作為豐水年、平水年和枯水年的典型年。三里橋站水文頻率和典型年計(jì)算結(jié)果見表6。

（2）斷面特征。

因清溟河三里橋水文站無實(shí)測斷面資料，使用2009年清溟河河道治理工程設(shè)計(jì)斷面圖作為研究斷面（圖4），斷面為梯形的硬質(zhì)化河道，底寬6=15m，邊坡系數(shù)m=0.833。

（3）計(jì)算結(jié)果。

根據(jù)梯形斷面流量和濕周關(guān)系公式（表2），計(jì)算各典型年各月平均流量對應(yīng)的濕周，并進(jìn)行曲線擬合，不同水平年的流量濕周關(guān)系曲線見圖5。

采用斜率法確定臨界點(diǎn)，得出各典型年環(huán)境流量為：Q_（P=25%）=q，Q_m=1.05 m³/s，Q_（P=25%）=0.03 m³/s，Q_（P=25%）=0.01 m³/s。為了驗(yàn)證該方法計(jì)算結(jié)果是否符合實(shí)際情況，將濕周法計(jì)算結(jié)果與Tennant法計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對比分析，見表7。

由表7可知，濕周法計(jì)算清溟河三里橋斷面P=25%豐水年河道內(nèi)環(huán)境流量超出Tennant法所設(shè)定魚類產(chǎn)卵育幼期和一般用水期中適宜環(huán)境流量，而P=50%平水年和P=75%枯水年環(huán)境流量遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于Tennant法所設(shè)定魚類產(chǎn)卵育幼期和一般用水期中最小環(huán)境流量，其中豐水年（1963年）生態(tài)水力學(xué)法計(jì)算環(huán)境流量結(jié)果為Tennant法設(shè)定的魚類產(chǎn)卵育幼期適宜環(huán)境流量的129.6%，得到了Tennant法的驗(yàn)證，而平水年和枯水年的環(huán)境流量計(jì)算結(jié)果不能采用。造成這一結(jié)果的原因可能為清溟河三里橋水文站流量數(shù)據(jù)序列只有14年，且其中枯水年比例較高，導(dǎo)致經(jīng)驗(yàn)頻率計(jì)算結(jié)果不能很好地反映三里橋站真實(shí)的水文頻率。本文采用豐水年計(jì)算結(jié)果即環(huán)境流量為1.05m³/s。

3.4環(huán)境流量計(jì)算結(jié)果整體分析

（1）河道應(yīng)保障的常態(tài)環(huán)境流量。

濕周法計(jì)算得出的結(jié)果為1.05 m³/s，是全年的平均流量，沒有分不同水期和月份計(jì)算，而Ten-nant法計(jì)算所得為每個(gè)月份的較適宜的流量，由Tennant法計(jì)算的“好”級別的流量值可以看出，只有7月、8月的流量大于濕周法所計(jì)算流量，其他月份均小于濕周法計(jì)算流量。為最大程度地保障河流生態(tài)系統(tǒng)所需流量，7月、8月份采用Tennant法計(jì)算值，其他月份均采用濕周法計(jì)算值，則清溟河河道應(yīng)保障的常態(tài)環(huán)境流量計(jì)算結(jié)果見表8。

（2）河道改善水質(zhì)所需應(yīng)急補(bǔ)水。

根據(jù)實(shí)現(xiàn)不同水質(zhì)目標(biāo)所需環(huán)境流量計(jì)算結(jié)果，實(shí)現(xiàn)“十二五”省政府責(zé)任目標(biāo)是最為迫切的，需新增環(huán)境流量為1.5 m³/s；而消除劣V類水體目標(biāo)和水環(huán)境功能區(qū)劃水質(zhì)目標(biāo)是假設(shè)進(jìn)一步提標(biāo)排污條件下，遠(yuǎn)期才能實(shí)現(xiàn)。因此，近期清溟河河道改善水質(zhì)所需的環(huán)境流量為1.5 m³/s。

4結(jié)論

（1）環(huán)境流量是能夠滿足河流系統(tǒng)生態(tài)環(huán)境功能所需流量，應(yīng)結(jié)合河流功能特點(diǎn)界定環(huán)境流量的組成并選擇適用的計(jì)算方法。

（2）本研究考慮“取、用、耗、排”社會水循環(huán)及降雨、蒸發(fā)等自然水循環(huán)建立水質(zhì)水量平衡模型，清溟河為實(shí)現(xiàn)“十二五”省政府責(zé)任目標(biāo)、消除劣V類水體目標(biāo)和水環(huán)境功能區(qū)劃水質(zhì)目標(biāo)分別需要的環(huán)境流量為1.5 m³/s、0.6 m³/s、0.42 m³/s，作為應(yīng)急補(bǔ)水時(shí)環(huán)境流量調(diào)控的參考值。

（3）本研究采用Termant法所計(jì)算的環(huán)境流量為0.16～1.67 m³/s、濕周法計(jì)算結(jié)果為1.05 m³/s。

（4）經(jīng)分析，本研究建議清溟河不同月份保障環(huán)境流量值不同：1月-6月份1.05 m³/s、7月份1.67 m³/s、8月份1.42 m³/s。