基于生態(tài)流量滿足分析的涇河生態(tài)流量研究

魏 凱，魏幫成

（1.甘肅甘蘭水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)院有限責(zé)任公司，甘肅 蘭州 730000；2.蘭州建設(shè)投資（控股）集團(tuán)有限公司，甘肅 蘭州 730000）

0 背景

近年來(lái)，隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，平?jīng)鍪泄まr(nóng)業(yè)及生活用水量劇增，水資源供需矛盾凸顯，特別是涇河崆峒區(qū)段生態(tài)用水無(wú)法得到保證，水生態(tài)系統(tǒng)遭到破壞。為了實(shí)現(xiàn)水環(huán)境與社會(huì)經(jīng)濟(jì)的協(xié)調(diào)發(fā)展，推動(dòng)水資源的合理開(kāi)發(fā)和利用，維持河流生態(tài)需水的呼聲越來(lái)越高。河道內(nèi)生態(tài)環(huán)境需水量是指維持水生生物正常生長(zhǎng)所需水量[1]，目前主要流行四種方法，水文學(xué)法[2]、水力學(xué)法[3]、水生生物棲息地法[4]及綜合分析法[5]。水文學(xué)法計(jì)算相對(duì)簡(jiǎn)單，且對(duì)水文資料需求較少，主要為T(mén)ennant 法；水力學(xué)法是通過(guò)水位、流速、水力半徑、濕周等河流水力學(xué)參數(shù)來(lái)估算生態(tài)需水量；水生物棲息地法需要同時(shí)考慮河流的水文特點(diǎn)和生物需求；綜合分析法主要考慮水生態(tài)功能的整體性。本文根據(jù)涇河流域的特點(diǎn)，使用Qp法、Tennant 法、頻率曲線法、近十年最枯月流量法及涇河納污能力設(shè)計(jì)流量分別計(jì)算涇河最小生態(tài)需水量，并通過(guò)生態(tài)流量滿足程度分析，最終提出適合涇河實(shí)際的生態(tài)流量目標(biāo)值。

1 涇河流域概述

涇河發(fā)源于寧夏回族自治區(qū)涇源縣關(guān)山東麓老龍?zhí)?，源地海撥高?600 m，干流自西北向東南流經(jīng)寧夏、甘肅、陜西三省區(qū)的固原、平?jīng)觥c陽(yáng)和咸陽(yáng)等城市，從咸陽(yáng)市長(zhǎng)武縣湯渠村進(jìn)入陜西省，在陜西省西安市高陵縣涇渭灣鎮(zhèn)陳家灘匯入渭河，全長(zhǎng)455.1 km，河道平均比降4.77‰，流域面積45421 km2?？偮洳?179.9 m，年徑流量20.7 億m3。甘肅省境內(nèi)流域面積占流域面積占流域總面積的2/3，流域地貌特征分為北部黃土丘陵區(qū)、中部黃土塬區(qū)、西南部山地林區(qū)和東南部山川區(qū)，多年平均流量約53.1 m3/s，多年年平均輸沙量3.82 億t，是黃河泥沙的主要來(lái)源之一。

據(jù)統(tǒng)計(jì)，涇河內(nèi)共分布有魚(yú)類(lèi)3 目5 科22 屬27 種，其中8 種屬人工放養(yǎng)魚(yú)類(lèi)，野生魚(yú)類(lèi)有19 種，占總種類(lèi)數(shù)的70.4%，分別占甘肅省魚(yú)類(lèi)資源（105 種）的18.1%和隴東黃土高原魚(yú)類(lèi)資源（22 種）的86.4%。涇河自上而下的崆峒水庫(kù)、八里橋、平鎮(zhèn)橋、涇川等4 個(gè)水質(zhì)斷面中，崆峒水庫(kù)斷面除了枯水農(nóng)灌期水質(zhì)為Ⅲ類(lèi)外，水質(zhì)基本維持在Ⅱ類(lèi)；八里橋和涇川斷面水質(zhì)也相對(duì)較好，全年水質(zhì)達(dá)到了Ⅲ類(lèi)。

2 生態(tài)流量分析

2.1 控制斷面選擇

根據(jù)河湖生態(tài)環(huán)境需水計(jì)算相關(guān)規(guī)范并結(jié)合涇河實(shí)際情況，生態(tài)流量控制斷面選擇考慮以下因素：①重要控制斷面；②?。ㄊ小⒖h）界重要斷面；③有涉水重要保護(hù)目標(biāo)分布的斷面；④水利樞紐工程所在的河段代表斷面；⑤有水文站長(zhǎng)系列水文資料支撐。根據(jù)以上原則，本次研究選取涇河八里橋、平鎮(zhèn)橋、涇川3 處斷面。八里橋是重要水工程斷面，平鎮(zhèn)橋是主要水文站斷面，涇川是跨界斷面。具體位置見(jiàn)圖1。

圖1 涇河各斷面范圍分布示意圖

2.2 生態(tài)需水分析

本次涇河生態(tài)流量包括生態(tài)基流和敏感生態(tài)流量。其中生態(tài)基流指為維持河流基本形態(tài)和基本生態(tài)功能的河道內(nèi)最小流量，河流基本生態(tài)功能主要為防止河道斷流和水質(zhì)惡化、避免河流水生生物群落遭受到無(wú)法恢復(fù)的破壞等；敏感生態(tài)流量主要包括重要水生生物生態(tài)需水等。具體見(jiàn)表1。

表1 涇河各斷面生態(tài)需水分析

2.3 水文資料評(píng)價(jià)及徑流分析計(jì)算

平?jīng)鏊恼?974 年建站，實(shí)測(cè)資料缺失年份本次利用崆峒水文站與平?jīng)鏊恼就教烊粡搅飨嚓P(guān)分析，相關(guān)系數(shù)R=0.9634，相關(guān)性較好，利用兩站相關(guān)關(guān)系將平?jīng)鏊恼灸陱搅餮娱L(zhǎng)為1956 年～2016 年。涇川水文站徑流資料缺失1956 年～1972 年份點(diǎn)繪降水量與徑流深關(guān)系，點(diǎn)據(jù)散亂無(wú)明顯偏離，將涇川水文站年徑流延長(zhǎng)為1956 年～2016 年。繪制八里橋與涇川站1956 年～2016 年年徑流時(shí)序圖和差積曲線圖，見(jiàn)圖2。八里橋站系列中包含了10 個(gè)豐水年、6 個(gè)偏豐年、16 個(gè)平水年、17 個(gè)偏枯年，11 個(gè)枯水年。涇川站系列中包含了6 個(gè)豐水年、7 個(gè)偏豐年、22 個(gè)平水年、19 個(gè)偏枯年，6 個(gè)枯水年。利用八里橋水文站與涇川水文站1956 年～2016 年61 年徑流系列，采用P-Ⅲ型曲線適線，進(jìn)行統(tǒng)計(jì)計(jì)算。得到八里橋水文站平均流量Q0=3.96 m3/s，多年平均徑流量為1.25 億m3，Cv=0.60，Cs=2.0Cv；涇川站多年平均流量 Q0=7.67 m3/s，多年平均徑流量為 2.42 億 m3，Cv=0.58，Cs=2.5Cv。

圖2 八里橋與涇川站1956 年～2016 年年徑流時(shí)序圖和差積曲線圖

平鎮(zhèn)橋?yàn)樗|(zhì)監(jiān)測(cè)斷面，并非水文監(jiān)測(cè)斷面，缺乏長(zhǎng)序列水文資料，采用面積比擬法推求各斷面長(zhǎng)系列月徑流過(guò)程。推求方法為：

式中：W 為非控制區(qū)徑流量，萬(wàn)m3；F 參為參證站徑流量，萬(wàn)m3；F 為非控制區(qū)面積，萬(wàn) m3；ɑ 為修正系數(shù)。

涇河流域涇川斷面以上流域面積約3145 km2，平鎮(zhèn)橋斷面以上流域面積約2035 km2，八里橋斷面以上流域面積約1305 km2，由于八里橋斷面以上區(qū)域大部分屬于關(guān)山地區(qū)，降水量較大，平鎮(zhèn)橋斷面以八里橋至涇川斷面比例計(jì)算更加準(zhǔn)確，其面積比約占39.68%。涇河水文測(cè)站生態(tài)流量控制斷面徑流分析計(jì)算成果見(jiàn)表2。

表2 生態(tài)流量控制斷面徑流分析計(jì)算成果表

2.4 生態(tài)流量分析計(jì)算

2.4.1 生態(tài)基流

本次采用Qp法、Tennant 法、歷史流量法、近十年最枯月流量法對(duì)涇河的生態(tài)流量進(jìn)行計(jì)算。其中Tennant 法以實(shí)測(cè)徑流量的10%作為非汛期基本生態(tài)需水量初值。涇河各斷面生態(tài)流量指標(biāo)計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表3。其中Qp法和近十年最枯月流量法計(jì)算的基本生態(tài)環(huán)境需水量顯著偏小，不能滿足水環(huán)境用水基本需求，河流基本生態(tài)功能無(wú)法持續(xù)維持。

表3 涇河基本生態(tài)環(huán)境需水量初值計(jì)算匯總表 單位：m3/s

2.4.2 敏感生態(tài)流量

涇河下游存在土著魚(yú)類(lèi)的棲息河段，魚(yú)類(lèi)產(chǎn)卵期為每年的4 月～6 月，河流及河漫灘濕地植被需水關(guān)鍵期為每年4 月～5 月，植被生長(zhǎng)期為6 月～9 月。結(jié)合北方河流年內(nèi)變化規(guī)律，將每年4 月～6 月作為敏感期進(jìn)行敏感生態(tài)流量分析，涇河對(duì)應(yīng)流速0.3 m/s～0.8 m/s，有淹沒(méi)岸邊的流量過(guò)程，在魚(yú)類(lèi)棲息地河段需維持一定水面，水深在1 m 左右，滿足魚(yú)類(lèi)產(chǎn)卵生態(tài)水量需求（以鯉魚(yú)為需水對(duì)象）。本次敏感生態(tài)流量計(jì)算以Tennant 法為基礎(chǔ)，根據(jù)涇河保護(hù)目標(biāo)分布，選擇多年平均實(shí)測(cè)流量的30%～40%作為4 月～6 月份敏感生態(tài)流量初值。在此基礎(chǔ)上，分析需水對(duì)象繁殖期和生長(zhǎng)期對(duì)水深、流速、水面寬等要求，涇川斷面敏感生態(tài)流量為2.1 m3/s～3.0 m3/s。

2.5 生態(tài)流量滿足程度分析

采用流量滿足程度指標(biāo)進(jìn)行評(píng)價(jià)分析，生態(tài)流量滿足程度指評(píng)價(jià)時(shí)段內(nèi)滿足生態(tài)流量的時(shí)長(zhǎng)所占評(píng)價(jià)時(shí)段總時(shí)長(zhǎng)的比例。涇河斷面采用 1975 年 ～2000 年、2001 年 ～2016 年月均流量系列進(jìn)行評(píng)價(jià)，八里橋斷面由于在1982 年～1997 年間撤站，資料完整程度不夠，其滿足評(píng)價(jià)序列僅對(duì)1974 年～2016 年已有資料進(jìn)行評(píng)價(jià)。所確定的生態(tài)基流原則上以月均流量滿足程度不低于90%為準(zhǔn)，最終確定八里橋斷面非汛期生態(tài)基流為0.13 m3/s，涇川斷面0.75 m3/s。具體見(jiàn)表4。

表4 涇河八里橋、涇川斷面生態(tài)基流月均流量滿足程度統(tǒng)計(jì)表 單位：m3/s

2.6 生態(tài)流量綜合確定

基于平?jīng)鍪兴Y源持續(xù)衰減的實(shí)際情況，平?jīng)鰶芎由鷳B(tài)流量以維持河流基本生態(tài)環(huán)境用水需求為目標(biāo)，重點(diǎn)保障枯水期基本生態(tài)環(huán)境需水量，保證河道不斷流、水質(zhì)不惡化為目標(biāo)，維護(hù)河流基本生態(tài)環(huán)境功能發(fā)揮。同時(shí)考慮到?jīng)芎铀Y源相對(duì)條件較好，且上游有崆峒水庫(kù)可以調(diào)節(jié)水量，綜合考慮流域社會(huì)經(jīng)濟(jì)需求和河流生態(tài)環(huán)境需求，平衡社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和河流生態(tài)環(huán)境需水，確定涇河各斷面生態(tài)流量見(jiàn)表5。

表5 涇河基本生態(tài)環(huán)境需水量初值計(jì)算匯總表 單位：m3/s

3 生態(tài)流量保障措施建議

3.1 合理規(guī)劃、建設(shè)水利工程

采用規(guī)劃水資源調(diào)節(jié)工程、增強(qiáng)節(jié)水能力等自身挖潛手段，以及實(shí)施外流域引水，增加境內(nèi)水資源量等補(bǔ)充手段，并加大節(jié)水力度，加強(qiáng)非常規(guī)水利用，對(duì)提高生態(tài)流量滿足程度、改善境內(nèi)水生態(tài)環(huán)境起到積極作用。

3.2 加強(qiáng)組織協(xié)調(diào)

崆峒區(qū)、涇川縣聯(lián)合制定保障生態(tài)流量可行方案。將涇川斷面生態(tài)流量納入地方經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展規(guī)劃，全面推行用水總量控制，保障基本生態(tài)環(huán)境水量。

3.3 增設(shè)自動(dòng)水文觀測(cè)站

平鎮(zhèn)橋斷面均屬水質(zhì)監(jiān)測(cè)斷面，缺乏必要的監(jiān)測(cè)手段，建議新增相應(yīng)的水文監(jiān)測(cè)斷面，增強(qiáng)生態(tài)流量監(jiān)控。

3.4 建立生態(tài)流量管理制度

將涇河的生態(tài)流量納入平?jīng)鍪兴Y源調(diào)度方案。由平?jīng)鍪姓贫ǖ胤椒ㄒ?guī)，成立生態(tài)調(diào)度管理機(jī)構(gòu)，將生態(tài)流量納入?yún)^(qū)域水資源統(tǒng)一管理，切實(shí)保障生態(tài)流量。

3.5 研究生態(tài)流量補(bǔ)償機(jī)制

在涇河上下游各地區(qū)間提出跨區(qū)域（流域、行政區(qū)）的生態(tài)補(bǔ)償機(jī)制，提出以直接支付生態(tài)補(bǔ)償金為內(nèi)容的補(bǔ)償方式。

3.6 加強(qiáng)管理與監(jiān)督

加強(qiáng)水利工程運(yùn)行管理和監(jiān)督，加大流域生態(tài)環(huán)境保護(hù)力度，嚴(yán)格執(zhí)行“三條紅線”水資源總量控制、用水效率控制和水功能區(qū)限制排污總量控制。同時(shí)將區(qū)域生態(tài)流量保障程度納入地方最嚴(yán)格水資源管理考核體系。

4 結(jié)語(yǔ)

涇河是平?jīng)鍪腥嗣竦哪赣H河。保障涇河生態(tài)流量是落實(shí)平?jīng)鍪兴踩Ｕ系牡拙€，在發(fā)展與保護(hù)同步推進(jìn)形勢(shì)下，對(duì)推動(dòng)涇河流域生態(tài)保護(hù)及綠色發(fā)展具有重要意義，本文經(jīng)分析計(jì)算，確定了涇河主要斷面生態(tài)基流并提出系列保障措施，可供從事水資源開(kāi)發(fā)、保護(hù)及管理工作者借鑒。