渾河上游最小和適宜生態(tài)需水量計算分析及評估

李曉娜

(營口市水利勘測建筑設(shè)計院有限公司，遼寧 營口 115000)

0 引 言

河道生態(tài)需水是維持河流生態(tài)健康發(fā)展和生物多樣性的重要保障[1]。當前，隨著城市生活、工業(yè)、農(nóng)業(yè)、生態(tài)用水矛盾日益緊張，河道生態(tài)需水常常不能得到有效滿足[2]。為保障河道內(nèi)的生態(tài)需水，需要對滿足其河流生態(tài)環(huán)境狀況的生態(tài)需水量進行測算，從而為區(qū)域生態(tài)環(huán)境用水規(guī)劃提供重要的依據(jù)[3]。當前，對于河道生態(tài)需水量研究取得一定成果，大致可以歸為三類，第一類為水文學方法，基于河道斷面天然來水數(shù)據(jù)，分析其生態(tài)需水量，第二類為基于水力學方法，通過水力學模擬分析確定滿足河流生態(tài)環(huán)境狀況的需水量。第三類為綜合方法，通過對長序列的水文資料進行分析，確定滿足河流生態(tài)需水條件的水量。綜合考慮不同方法的操作及資料獲取的難易程度，當前水文學方法在許多流域得到不同程度的應(yīng)用，但是在渾河流域還未得到相關(guān)應(yīng)用，為保障渾河流域的河道生態(tài)系統(tǒng)健康，結(jié)合渾河上游南章黨水文站、南口前水文站建站以來的天然來水數(shù)據(jù)，對渾河上游的最小、適宜生態(tài)徑流進行計算，并基于生態(tài)徑流計算結(jié)果，對其生態(tài)需水進行計算。

1 生態(tài)徑流內(nèi)涵和生態(tài)徑流計算方法

天然狀況下滿足河流生態(tài)系統(tǒng)健康和穩(wěn)定的徑流過程為河流的生態(tài)徑流。生態(tài)徑流主要可歸納為最大、最小以及適宜生態(tài)徑流。滿足河流系統(tǒng)健康穩(wěn)定需要的最小和最大流量為最小就最大生態(tài)徑流。基于最小或最大生態(tài)徑流得到的需水量為最小和最大生態(tài)需水量。滿足河流穩(wěn)定及物種多樣性的適宜的徑流為適宜生態(tài)徑流，基于該徑流的需水量為適宜生態(tài)需水量[4-6]。對于生態(tài)系統(tǒng)而言最小和最大生態(tài)徑流是較為不利的條件。適宜生態(tài)徑流過程是保持水生生物種群和河流生態(tài)系統(tǒng)健康適宜的生態(tài)徑流量。當前國內(nèi)外生態(tài)徑流常用的計算方法主要為3種：①水文學方法，常用方法有Tennant法、最小連續(xù)30d平均流量法以及7Q10法、最大、最小生態(tài)徑流法、適宜生態(tài)徑流法；②水力學方法，常用的方法有IFIM法和CASIMIR法；③綜合方法，常用的方法有澳大利亞的基準測量法以及南非的建塊法。水文學方法僅需要較長序列的水文資料，而其他兩種方法需要河道斷面以及生物學資料，資料獲取及方法操作的難易度都較高。為此文章主要選用水文學方法中應(yīng)用較為廣泛的最大、最小生態(tài)徑流以及適宜生態(tài)徑流法，基于渾河上游南章黨水文站、南口前水文站建站以來的天然來水數(shù)據(jù)，對渾河上游的最小、適宜生態(tài)徑流進行計算，并基于生態(tài)徑流計算結(jié)果，對其生態(tài)需水進行計算。

最小生態(tài)徑流法：一般在超過20a的天然月徑流系列中取最小值生態(tài)徑流量為最小生態(tài)徑流過程。該方法認為在天然條件下該最小的徑流過程使得水生生物安全渡過且生態(tài)系統(tǒng)未被破壞。在這種流量條件下水生生物及種群結(jié)構(gòu)可以得到有效恢復(fù)。最小生態(tài)徑流過程與天然徑流年內(nèi)分配具有一定的相似性，才能使得水生生物中區(qū)對河流水位年內(nèi)變化過程完全適應(yīng)。最小生態(tài)徑流過應(yīng)具有豐、平、枯連續(xù)變化的特性，而不是穩(wěn)定不變的。逐月最小生態(tài)徑流方法可以滿足豐、平、枯的連續(xù)變化，而最小連續(xù)30d平均流量法、7Q10法、Tennant法得到的最小生態(tài)徑流不能滿足連續(xù)變化的要求。

逐月頻率計算法：首先基于豐、平、枯三個歷時時期的流量資料，對不同時期不同保證率下的徑流量進行計算，得到適應(yīng)生態(tài)徑流過程。該方法可綜合考慮河道生態(tài)水量以及不同時期生態(tài)系統(tǒng)需求。由于天然徑流和生態(tài)系統(tǒng)是相適應(yīng)的，因此需要對于生態(tài)系統(tǒng)不同時期的水量進行計算。結(jié)合不同時期徑流變化特征、水生生物結(jié)構(gòu)變化、生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定程度滿足水文條件的需求。文章結(jié)合前人的研究基礎(chǔ)[16]以及渾河上游來水特征，對渾河上游豐水期(7、8月份)、枯水期(每年的11月份至次年的2月份)、平水期(其他月份)。按照撫順市水資源二次評價成果，將三個時期的保證率分別設(shè)定為豐水期為40%、枯水期為70%、平水期為50%，對渾河上游適宜生態(tài)徑流進行計算[7-9]。

2 渾河上游生態(tài)需水計算

文章以渾河上游的南口前和南章黨為計算水文站點，南口前水文站集水面積為189km2，南章黨水文站集水面積為333.5km2，南口前和南章黨分別為渾河上游主要控制水文站，距離大伙房水庫較近，為分析渾河上游最小和適宜生態(tài)需水量，分別結(jié)合最小生態(tài)徑流方法和逐月頻率計算方法，結(jié)合兩個站點建站以來歷年天然來水數(shù)據(jù)，對渾河上游最小和適宜生態(tài)需水量進行計算。

2.1 最小生態(tài)需水計算

采用最小逐月生態(tài)徑流方法對渾河上游最小生態(tài)徑流過程進行計算，并在此基礎(chǔ)上進行最小生態(tài)需水量的計算，結(jié)果見表1。

表1 渾河上游最小生態(tài)徑流及生態(tài)需水計算結(jié)果

2.2 適宜生態(tài)需水計算

分別按照將三個時期的保證率分別設(shè)定為豐水期為40%、枯水期為70%、平水期為50%，對渾河上游適宜生態(tài)徑流進行計算。計算結(jié)果見表2。

表2 渾河上游適宜生態(tài)徑流及生態(tài)需水計算結(jié)果

3 成果評價及分析

采用Tennant法對渾河上游南章黨和南口前兩站的生態(tài)需水進行評估分析，分析結(jié)果如表3和表4所示。從南口前和南章黨最小生態(tài)需水分析可看出非汛期(10月-3月)的比重分別為33.4%和36.5%，通過Tennant評價在非汛期生態(tài)環(huán)境狀況較差，這主要是因為最小生態(tài)需水只能滿足河流生態(tài)需水最低要求，尤其是在枯水期，由于河道來水量較少，使得最小生態(tài)需水很難滿足河流生態(tài)環(huán)境狀況。而進入豐水期(4月-9月)由于來水量較大，采用最小生態(tài)需水基本可以達到河流生態(tài)環(huán)境狀況達到較好的狀況。適宜生態(tài)需水量按照豐水期、枯水期、平水期通過不同保證率進行生態(tài)需水的計算，從適宜生態(tài)需水結(jié)果可看出，采用不同時期保證率計算條件下，枯水期(10月-3月)下徑流的比重均可達到40%以上，通過Tennant評估下渾河上游可以達到較好的生態(tài)環(huán)境狀況。進入豐水期，隨著來水量的增加，采用適應(yīng)生態(tài)徑流計算方法得到渾河上游4-9月生態(tài)徑流，生態(tài)徑流量占同期多年年均流量的比重達到50%以上，通過Tennant法評價的河流狀況達到好等級[10-12]。綜合以上分析，在枯水期渾河上游生態(tài)需水滿足度較低，生態(tài)環(huán)境狀況很難得到有效保障，需要進行水庫調(diào)蓄作用，增加河道內(nèi)的生態(tài)需水，結(jié)合不同時期不同保證率下采用適應(yīng)生態(tài)需水量均可在枯水期和豐水期對河道內(nèi)生態(tài)環(huán)境狀況進行不同程度的改善。

表3 渾河上游最小生態(tài)徑流量評價結(jié)果

表4 渾河上游適宜生態(tài)徑流量評價結(jié)果

4 結(jié) 論

1)通過分析，在進行渾河上游適宜生態(tài)需水計算時，渾河上游豐水期(7、8月份)的保證率應(yīng)為40%、枯水期(每年的11月份至次年的2月份)保證率應(yīng)為70%、平水期(其他月份)的保證率應(yīng)為50%。

2)渾河上游非汛期(10月-3月)的徑流比重分別為33.4%和36.5%，通過Tennant評價在非汛期生態(tài)環(huán)境狀況較差，這主要是因為最小生態(tài)需水只能滿足河流生態(tài)需水最低要求，尤其是在枯水期，由于河道來水量較少，使得最小生態(tài)需水很難滿足河流生態(tài)環(huán)境狀況。而進入豐水期(4月-9月)由于來水量較大，采用最小生態(tài)需水基本可以達到河流生態(tài)環(huán)境狀況達到較好的狀況。

3)在枯水期渾河上游生態(tài)需水滿足度較低，生態(tài)環(huán)境狀況很難得到有效保障，需要進行水庫調(diào)蓄作用，增加河道內(nèi)的生態(tài)需水，結(jié)合不同時期不同保證率下采用適應(yīng)生態(tài)需水量均可在枯水期和豐水期對河道內(nèi)生態(tài)環(huán)境狀況進行不同程度的改善[13-15]。