水庫生態(tài)需水計算方法對比淺析

目前我國的生態(tài)水位研究仍然處于初始階段，20世紀80年代開始，我國開始對魚類資源的開發(fā)和保護給予重視，同時，生態(tài)系統(tǒng)的生態(tài)需水的研究也逐步開展起來。不同領(lǐng)域提出了許多生態(tài)需水計算方法，這些方法大多是借鑒國外的方法，合理性和機理值得進一步探討。考慮到國內(nèi)生物資料及大量現(xiàn)場觀測數(shù)據(jù)缺乏的情況，實際分析水庫生態(tài)需水時，應(yīng)結(jié)合研究區(qū)域的實際情況采用不同的計算方法，分析不同生態(tài)水位計算方法的優(yōu)缺點，對比已有的基礎(chǔ)資料，選擇出合理可行的計算水庫生態(tài)需水量的方法，確定維持水庫生態(tài)系統(tǒng)不發(fā)生嚴重退化所需的水量及水位。

一、水庫概況

眾興水庫地處安徽省合肥市肥東縣境內(nèi)，位于長江流域巢湖水系店埠河上游，是一座以灌溉為主，結(jié)合防洪、供水等綜合利用的中型反調(diào)節(jié)水庫。工程由水庫大壩、進水閘、泄洪洞、非常溢洪道、防洪閘、取水口等組成，水庫控制流域面積114km2，總庫容9946 萬m3。下游保護范圍有肥東縣城、撮鎮(zhèn)、二電廠等，保護人口約30 萬，保護耕地約20 萬畝，是肥東縣重要的供水、灌溉水源地。

二、水庫生態(tài)需水計算方法選擇

根據(jù)肥東縣眾興水庫歷年逐日實測水位資料、水面面積、庫容以及對應(yīng)年份的水環(huán)境情況等基礎(chǔ)資料，經(jīng)綜合分析后，選擇水文學方法（年保證率設(shè)定法）、棲息地方法（生物空間最小需求法）計算眾興水庫最低生態(tài)水位，并對結(jié)果進行對比分析，合理取用。

三、水庫生態(tài)需水計算

1.水文學法——年保證率設(shè)定法

參照最枯月平均流量法及水文學中Taxas 法，結(jié)合眾興水庫的實際情況，采用最低年平均水文代表年法來計算最低生態(tài)水位，計算公式為：

式中：Hmin為最低生態(tài)水位；為某保證率下所對應(yīng)的水文代表年年平均水位；μ 為權(quán)重。計算步驟如下：

（1）根據(jù)系列水文資料，對歷年最低水位按照從小到大的順序進行排列；

（2）根據(jù)水庫自然地理、結(jié)構(gòu)和功能選擇適宜的保證率（50%、75%、90%），然后計算該保證率下所對應(yīng)的水文代表年；

（3）計算水文代表年年平均水位；

（4）確定權(quán)重μ。

以水文代表年年平均水位作為最低生態(tài)水位，因沒有考慮生物因素，計算結(jié)果可能與客觀情況有一定差別。此外由于眾興水庫存在人為的調(diào)水、引水、蓄水等方面的調(diào)度，水庫水位經(jīng)過一系列的調(diào)度運行，與一般情況下水庫調(diào)度有一定區(qū)別，但是根據(jù)眾興水庫1988—2018年多年實測水位資料可以看出，眾興水庫水位由于有供水、灌溉等功能，且可以采用滁河干渠補水，水位一直維持相對較高的水平。

為了使成果更加符合實際情況，故用權(quán)重μ 來進行調(diào)整，它反映的是水文代表年年平均水位與最低生態(tài)水位的接近程度。計算有兩種方法：①專家判斷法；②根據(jù)水文年生態(tài)系統(tǒng)健康等級來估算。對于生態(tài)系統(tǒng)健康登記的研究，通常將生態(tài)系統(tǒng)健康等級分為優(yōu)、較好、中等、差和極差5 個級別。當水文代表年生態(tài)系統(tǒng)健康等級為較好以上時，說明該年的水位為正常水位，這時，計算結(jié)果應(yīng)適當往下調(diào)；生態(tài)系統(tǒng)健康為中等時，說明該年的水位能維持生態(tài)系統(tǒng)的平衡；生態(tài)系統(tǒng)健康等級為差或者極差時，說明該年的水位不能滿足生態(tài)系統(tǒng)的需水要求，此時，計算結(jié)果應(yīng)適當上調(diào)。再由生態(tài)水文學原理，可確定權(quán)重μ 與生態(tài)系統(tǒng)健康等級的對應(yīng)關(guān)系，如表1所示。

選取1988—2018年最低水位資料，按從大到小的順序排列。根據(jù)經(jīng)驗頻率公式：P=m/(n+1)×100%，取P=90%。計算得相應(yīng)的水文代表年為1996年，該年最低水位為38.42m，依據(jù)當前水庫調(diào)度運行辦法，該水位已低于死水位，且維持時間12d，因此必然對庫區(qū)生態(tài)環(huán)境會產(chǎn)生較大影響。該年的月平均水位如表2所示。

對水文代表年的生態(tài)系統(tǒng)健康進行評價，由于眾興水庫水環(huán)境條件較好，庫區(qū)內(nèi)部生態(tài)物種豐富，但庫岸周邊生態(tài)濕地發(fā)展欠缺，因此判定結(jié)果為中等，再由生態(tài)系統(tǒng)健康等級與權(quán)重的對應(yīng)關(guān)系，選擇權(quán)重為1.000。將所得數(shù)據(jù)代入公式中，由此可得眾興水庫最低生態(tài)水位為42.35m。

2.棲息地方法——生物空間最小需求法

生物空間最小需求法用水庫各類生物對生存空間的需求來確定最低生態(tài)水位。水庫水位是和水庫生物生存空間一一對應(yīng)的，因此，用水庫水位作為水庫生物生存空間的指標。水庫植物、魚類等為維持各自群落不嚴重衰退均需要一個最低生態(tài)水位。取這些最低生態(tài)水位的最大值，即為水庫最低生態(tài)水位，表示為：

表1 生態(tài)系統(tǒng)健康等級與權(quán)重μ 的對應(yīng)關(guān)系表

表2 水文代表年月（1996年，90%保證率）平均水位表（單位：m）

式中：Hemin為水庫最低生態(tài)水位（m）；Hemini為第i 種生物所需的水庫最低生態(tài)水位（m）；n 為水庫生物種類，水庫生物主要包括藻類、底棲動物和魚類等，選用指示生物，認為指示生物的生存空間得到滿足，其他生物的最小生態(tài)空間也得到滿足。

眾興水庫的生態(tài)現(xiàn)狀調(diào)查結(jié)果顯示，庫區(qū)運行會持續(xù)保證一定的蓄水水位，因此對庫區(qū)內(nèi)的藻類、浮游動植物的生存限制度較低。而眾興水庫內(nèi)魚類物種豐富、數(shù)量充足，一般情況下，魚類作為水生態(tài)系統(tǒng)中的頂級群落，對其他類群的存在和豐度有著重要作用。魚類對水生態(tài)系統(tǒng)具有特殊作用，加之魚類對低水位最為敏感，故將魚類作為指示物，認為魚類的最低生態(tài)水位得到滿足，則其他類型生物的最低生態(tài)水位也得到滿足。

公式簡化如下：

式中：Hemin魚為魚類所需的最低生態(tài)水位（m）。

對于在水庫居住的魚類，水深是最重要和基本的物理棲息地指標，因此，必須為魚類提供最小水深，魚類需求的最小水深加上水庫養(yǎng)殖水位高程即為最低生態(tài)水位。魚類所需的最低生態(tài)水位表示如下：

式中：H 為水庫養(yǎng)殖水位高程（m）；h魚為魚類所需的最小水深（m）。

眾興庫區(qū)較多為鯽魚，也存在鰱魚、鯉魚等，此類魚種大多為淺水魚，吃水較淺。對眾興水庫周邊進行調(diào)研發(fā)現(xiàn)，庫區(qū)周邊也存在不少養(yǎng)殖鯽魚、鰱魚等的魚塘，因此本項目選擇鯽魚為目標種類。根據(jù)《水電水利建設(shè)項目生態(tài)需水、低溫水和過魚設(shè)施環(huán)境影響評價技術(shù)指南（試行）》的函（環(huán)評函〔2006〕4 號文）中的大型河流魚類水力生境參數(shù)標準，其中規(guī)定了魚類生境參數(shù)中最大水深的最低標準為“魚類體長的2～3 倍”，因此根據(jù)眾興水庫庫區(qū)魚類特性，選擇魚類所需的最小水深為1.54m。已知眾興水庫養(yǎng)殖水面8.4km2，由水位與水面的關(guān)系可知，對應(yīng)水位為42m，則生態(tài)空間最小需求法所得最低生態(tài)水位為43.54m。

在采用生物空間最小需求法計算生態(tài)水位時，只考慮了生態(tài)因素，以生物棲息為主要計算原則。但由于眾興水庫還具有供水、灌溉、防洪等作用，因此僅考慮生態(tài)因素計算出的生態(tài)水位無法滿足水庫正常的運行要求，還需考慮供水灌溉等取水項目，將其與計算出的最低生態(tài)水位結(jié)合，才是眾興水庫正常運行所需要保證的生態(tài)水位。

四、生態(tài)水位合理性分析

（1）年保證率設(shè)定法：根據(jù)歷史資料的計算，所得結(jié)果考慮灌溉、供水等水庫運行功效，其計算結(jié)果更符合眾興水庫的實際情況，但該方法基于水庫多年前生態(tài)情況較好、更接近自然狀態(tài)下的生態(tài)環(huán)境的前提，而水庫建設(shè)不同于湖泊演變，建設(shè)水庫對當?shù)厮鷳B(tài)環(huán)境造成的影響具有短期性和劇烈性的特點，并且眾興水庫所采用的歷史數(shù)據(jù)均為水庫建成后的資料，沒有考慮自然狀態(tài)下的歷史數(shù)據(jù)，計算結(jié)果合理性欠缺。

（2）生物空間最小需求法則更注重生物特性，并且針對水庫生態(tài)環(huán)境特征選擇目標物種的做法使其更具有代表性，但眾興水庫是淠史杭灌區(qū)上的反調(diào)節(jié)水庫，作為肥東縣和龍崗開發(fā)區(qū)的供水水源地，兼具灌溉和供水功能，因此根據(jù)生物空間最小需求法所計算出的生態(tài)水位后，還需要考慮農(nóng)業(yè)及生活用水量，優(yōu)化后的計算結(jié)果較為合理。

五、結(jié)論

生態(tài)需水是維系“江河湖庫渠”生態(tài)系統(tǒng)的基本要素，是控制水資源開發(fā)強度的重要指標和統(tǒng)籌“三生”用水的重要基礎(chǔ)，事關(guān)生態(tài)文明建設(shè)和水利改革發(fā)展的全局。在總結(jié)分析國內(nèi)外生態(tài)需水計算方法的基礎(chǔ)上，以實際水庫工程為例，分別采用水文學方法（年保證率設(shè)定法）、棲息地方法（生物空間最小需求法）等方法分析研究水庫的生態(tài)水位，并對研究成果進行合理性、適用性分析，結(jié)果表明：年保證率設(shè)定法計算結(jié)果更能反應(yīng)眾興水庫實際情況，但其將生態(tài)與水文剝離，對生態(tài)因素考慮欠缺；生物空間最小需求法以生態(tài)因素為主，并且針對水庫生態(tài)環(huán)境特征選擇目標物種的做法，使其更具有代表性，更符合現(xiàn)實意義■