岫巖縣大洋河河道生態(tài)需水量計算方法研究

劉勝男

(遼寧省遼陽水文局，遼寧 遼陽 111000)

0 引 言

河流屬于維持生態(tài)平衡不可或缺的重要部分，科學合理的計算河道生態(tài)需水是合理配置流域水資源以及修復改善河流生態(tài)的主要依據。河道生態(tài)需水是指河道維持特定生態(tài)功能、水文過程、系統結構所需要的水量，即河流系統實現其生態(tài)保護目標的需水量[1]。早期，國內外學者主要從河道枯水流量的角度開展生態(tài)需水量的研究，經過年研究已形成整體分析法、棲息地評價法、水力學法、水文學法等比較成熟的生態(tài)需水估算方法。

水文學法屬于一種統計方法，其計算基本生態(tài)需水量的依據為河道的徑流資料，較為常用的有NGPRP法、Texasperate法、7Q10法、Tennant法等[5-6]。水文學法具有簡單快速、無需現場測定數據的優(yōu)點，但該方法沒有考慮河道現狀的改變、豐枯水年流量的變化且缺乏生物學資料證明，為證明計算結果的生態(tài)效還要獲取必要的參數、設定不同的標準，對此要開展相應的野外工作[2-3]。

水力學法的集中目標包括保持河道的基本形態(tài)和保留河流足夠的水量，將水深、比降、河道斷面形狀等水力幾何學參數與流量變化相結合，在此基礎上計算河流基本生態(tài)需水量，典型方法有R2CROSS法、濕周法、CASMIR法等。一般地，R2CROSS法、濕周法比較適于淺灘式河流棲息地和濕潤河網區(qū)，且濕周法計算時在一定程度上受到河流形狀的影響[7]。

棲息地評價法是以創(chuàng)建適宜的生境為根本目標，綜合考慮水生物、水質等因素和水力學方法，利用棲息地指示物種-流量或者棲息地生境-流量相關關系，從而計算河流生態(tài)需水量，代表方法有Basque法、RCHARC法、PHABSIM/IFM法等，適用于生態(tài)保護目標以棲息地及其物種為主的河道，該方法的靈活性較好，但實際可行性較低，不易被廣泛的推廣應用[8-11]。從高到底棲息地法、水文學法和水力學法的針對性逐漸減弱，對資料條件的要求也不斷降低。

綜合評價法是依據河床形狀、泥沙運輸、河岸帶群落與河道流量間的關系，并考慮生態(tài)整體功能和專家意見來確定流量的推薦值，此外該推薦值要滿足維持景觀、控制污染、泥沙沖淤、維持棲息地及保護生物等生態(tài)功能，其中澳大利亞的HEA法和南非的BBM法等整體分析法多適用于流域整體生態(tài)需水計算。

1 問題的提出

不同計算方法的適用范圍及其適用條件存在一定差異，應考慮數據資料獲取的難易程度與費用、計算結果的精度要求、人們的生態(tài)環(huán)境價值觀和河流類型等因素選定生態(tài)需水評估方法。目前，學術界尚未形成統一、完善的生態(tài)環(huán)境價值理念，國內相關研究處于初期階段，缺乏綜合考慮地理學、生態(tài)學、水文學等知識定量計算河道生態(tài)需水量的方法以及現場觀測數據，關于定量計算河道生態(tài)需水量、水資源與河流生態(tài)關系的研究較淺。現有研究多利用實測數據及生態(tài)資料實現生態(tài)需水的計算，結合現階段的研究現狀，我國河道生態(tài)需水研究最適合的方法為水文學法，可以作為宏觀手段研究大空間尺度流域和區(qū)域，為提高水文學法的適用性還需進一步研究其評價標準。

流量歷時保證率是時段總天數中某時段內(年度、季度、月度)流量持續(xù)超過某數值天數所占的比例，在流量歷時保證率中應用最廣的是以年為時段的保證率。因年內的日數較多，年時段日平均流量歷時曲線繪制時一般以月或季為時段分蘇統計歷時。Texas法將水文季節(jié)變化因素與Tennant法有機結合，并考慮區(qū)域內已知的水生物、魚類總量等典型動物群生存狀況對水量的需求設定月平均流量保證率，生態(tài)流量就是符合該保證率的月平均流量。Texas法最先考慮了區(qū)域水文特征(如月流量變化大)和不同生物特性(如孵化器或產卵期)條件下的月需水量，該方法是一種優(yōu)于現有同類方法的流量歷時保證率法。

1)流域生態(tài)系統與河道生態(tài)需水密切相關，水文條件對于維持水生態(tài)循環(huán)發(fā)揮著關鍵作用，而干旱區(qū)特性顯著的生態(tài)系統不可能出現于濕潤區(qū)。河道生態(tài)系統的優(yōu)劣和結構主要取決于河道水文條件，此外水文條件的適應性也在一定程度上影響著生態(tài)系統。所以，河道生態(tài)需水的計算要符合流域的生態(tài)系統特性和水文特征，季節(jié)性明顯的河流生態(tài)需水要適應生態(tài)系統對水文條件的季節(jié)性要求和水文氣象的季節(jié)性特征。以流量歷時保證率為指標、以季或月為單位控制生態(tài)需水過程，該方法易于推廣應用且計算分析簡單，能夠兼顧生態(tài)系統適應性和流域季節(jié)特征。然而，針對雨熱不同季的區(qū)域或河流，若以流量歷時保證率為控制指標明顯與生態(tài)系統實際需求不符，所以非常有必要優(yōu)化調整流量歷時保證率法。

2)流域水資源開發(fā)利用需求與河道生態(tài)需水目標相輔相成，應統籌生態(tài)、生產和生活需水合理規(guī)劃水資源開發(fā)利用。水資源緊張區(qū)域的“三生用水”存在非常明顯的脅迫關系，對此無法較高的設定生態(tài)需水目標，通常以滿足最基本需求作為條件確定合理的生態(tài)需水；水資源豐富的區(qū)域存在相對較低的水資源開發(fā)程度，顯然也可以提高生態(tài)需水目標，為營造良好的生態(tài)環(huán)境可以預留足夠的生態(tài)用水。生態(tài)需水總量控制指標取多年平均徑流量中生態(tài)需水量所占的比例，該指標考慮了“三生”用水，其具有較強的可行性。一般地，特定流域的流量與流量歷時保證率之間存在穩(wěn)定關系，將河流生態(tài)流量利用流量歷時保證率法計算，能夠獲取較穩(wěn)定的成果，該方法具有廣泛的推廣應用前景。

3)人們對生態(tài)的認識、需求與河道生態(tài)需水目標有關，如何合理的確定最優(yōu)生態(tài)系統需水量？極端環(huán)保主義者認為最好的就是自然的，在水資源開發(fā)利用時忽視以人為本，過于強調以自然為本或環(huán)境為本的理念，因此對水資源開發(fā)產生一定的限制；若對水資源盲目的開發(fā)利用或一味地強調改造自然，人類將對生態(tài)環(huán)境產生極大的破壞，最終受到生態(tài)系統的報復。因此，必須通過科學研究充分的認識生態(tài)系統，準確計算適應于區(qū)域經濟發(fā)展的生態(tài)需水，生態(tài)需水目標要便于接受和理解，并且能夠利用流量歷時保證率衡量。

2 改進流量歷時保證率法

本研究以受人為影響較小且系列年限不低于30年的逐日平均流量為基礎數據，以月為單位反映季節(jié)變化特征，從大到小依次排列各月的逐日流量Qij，其中(i=1，2，…，N；j=1，2，…，12)；QNi、Q1j代表序列流量中年內j月的最小與最大流量值。然后對歷時保證率Pj的年內j月流量Qpj進行計算，其表達式為：

Qpi=Qj|P(Qij≥Qj)=Pj

(1)

借鑒現有研究成果和等級劃分標準，設定各月達到基流、一般、良好、優(yōu)秀等級的生態(tài)流量為各月歷時保證率為90%、75%、60%、50%的流量。根據水資源開發(fā)利用需求、生態(tài)系統特征、氣候條件和降水特點，合理優(yōu)化、改進流量歷時保證率，在年歷時保證率不變的情況下對時段流量歷時保證率計算結果，按照經驗直接以月尺度作平滑修正，從而體現水熱同步、以豐補枯的特點，保證生態(tài)需水結果更加符合流域特征。

3 實例分析

大洋河屬于遼東半島最大的獨流入海河流，占地1968.42km2，總長230.2km，發(fā)源于岫巖縣偏嶺鄉(xiāng)，主要有雅河、牤牛河、哨子河、連河水等支流。該流域屬北溫帶濕潤季風氣候，春季多旱寡澇、冬季多雪干冷、夏季高溫多雨、秋季陰晴多變，四季分明，雨熱同步，年均降水量860mm，對河道內生態(tài)需水利用流量歷時保證率法計算具有明顯的優(yōu)勢[12-14]。

大洋河共設立了7處水文站，其中觀測資料系列較長且數據精度較高的有沙里寨、岫巖、文家街水文站，以各水文站長系列水文資料為基礎準確計算河道內生態(tài)流量，水文站信息如表1所示。

表1 水文站信息表

通過對系列資料的統計分析，確定多年平均流量與各水文站各月平均流量之間的關系，如圖1所示。

圖1 各月平均占多年平均流量比例

從圖1看出，沙里寨、岫巖較文家街水文站的各月平均流量明顯偏高，這主要與各水文站徑流特征、汛期降水條件等因素有關。大洋河多年平均流量與各月歷時保證率流量之間的關系，如圖2所示。

(a)沙里寨水文站

(b)岫巖水文站

(c)文家街

從圖2可知，大洋河水文變化規(guī)律與各月歷時保證率流量保持較高一致性，各水文站能夠較為客觀、準確的反映水文特征。各月歷時保證率為90%、75%、60%、50%時的累計徑流量占年均徑流量的比例依次為10%-15%、20%-30%、30%-40%、40%-50%，計算結果與河湖生態(tài)需水評估導則、生態(tài)環(huán)境需水計算規(guī)范中的生態(tài)環(huán)境狀況(差、中、好、非常好)的生態(tài)需水量高度吻合。

當達到基流等級時河道內生態(tài)需水量占年均徑流量的10%-15%，這與常用的以10%多年平均流量作為基流以及國內有關規(guī)范非常接近；當達到優(yōu)秀等級時河道內生態(tài)需水量占年均徑流量的10%-50%，加之能夠用于生態(tài)脈沖的洪水剩余可利用的水量約占40%，這與40%的水資源開發(fā)利用極限相接近。然而，在年內分配上河道流量極不均衡，最豐與最枯月流量比最高達到8-10倍，豐水期流量偏多對合理利用水資源產生制約；枯水期流量偏少尤其是高溫季，河道應有足夠的流量。所以，有必要優(yōu)化、調整流量歷時保證率法。

以多年平均歷時保證率為90%、75%、60%、50%且年生態(tài)需水總量占年均徑流量的10%、20%、30%、40%作為達到基流、一般、良好、優(yōu)秀等級的生態(tài)需水控制參數，取平均值的50%和150%作為最小月(11月-次年1月)、最大月(4月-6月)的需水量，綜合考慮生態(tài)系統、氣象、水文等因素的需水過程或實際需求，經平穩(wěn)變化確定其他月份的需水量。將大洋河各水文站生態(tài)需水量進行人為的優(yōu)化調整，見表2和圖3。

表2 修正的P和R成果

圖3 優(yōu)化的生態(tài)流量與年均流量之比

通過對比分析圖2、圖3可知，優(yōu)化調整后的年生態(tài)需水量有所減少，其原因為枯水期生態(tài)流量略有增加而豐水期生態(tài)流量減少較多，優(yōu)化后的水熱同步性更好且年內生態(tài)需水過程更加平穩(wěn)，可見優(yōu)化調整后的生態(tài)流量可以更好的滿足生態(tài)系統需求。然而，優(yōu)化調整后較大的改變了各月流量歷時保證率，但基本未改變年均歷時保證率。

借鑒河流魚類生境參數以及生態(tài)水深-流速法的河段生態(tài)需水量計算方法，魚類生境最低標準要求水域水面面積≥70%、平均流速≥0.3m/s、平均水深≥0.3m，將魚類最低生態(tài)需水按照以上參數估算，結果如表3所示。

表3 河流生境最低流量

從表3可知，將大洋河3個水文站的魚類生境最低流量利用生態(tài)水深-流速法計算，其最低流量整體達到10%-20%的年均流量，處于汛期“一般”至“基流”生態(tài)流量等級之間。通常條件下，認為“基流”無法維持生態(tài)系統的需求，“一般”等級總體上可以維持河流的正常狀態(tài)。所以，河道生態(tài)需水量利用生態(tài)水深-流速法確定的評價標準與圖3的成果基本保持相同。此外，流域調蓄工程是保證水系統循環(huán)和河道內生態(tài)需水的重要措施。例如，文家街站年均徑流深可達到1000mm，但枯水期易發(fā)生河道干枯、河水斷流的現象，且該時段屬高溫期，仍然存在顯著的雨熱不同步現象，對生態(tài)系統循環(huán)產生不利影響，為了改善生態(tài)系統質量通常需要建設補水工程。

4 結 論

1)目前，我國河道生態(tài)需水最適合的研究方法是水文學法，流量歷時保證率不僅能兼顧生態(tài)系統適應性較好的方式以及典型生物群落生存狀況對水量的需求，而且可以反映季節(jié)特征，該方法易于推廣且計算較為簡單。

2)流域生態(tài)系統與河道生態(tài)需水存在密切聯系，人們對生態(tài)的認識、流域水資源開發(fā)利用需求與生態(tài)需水目標有關。為了使得年內生態(tài)水量過程更加平穩(wěn)、更好反映生態(tài)系統的需求以及水熱同步性更好，有必要優(yōu)化改進流量歷時保證率。

3)將河道生態(tài)需水量利用生態(tài)水深-流量法確定的評價標準與改進流量歷時保證率計算結果基本一致，河湖生態(tài)需水評估導則和生態(tài)需水計算規(guī)范中的基流、一般、良好、優(yōu)秀等級的生態(tài)需水要求與多年平均歷時保證率90%、75%、60%、50%的生態(tài)流量匹配度較高，可見改進的流量歷時保證率法具有較強的適用性、較高的精準度。

4)實質上改進流量歷時保證率法仍屬于水文學法的范疇，該方法未考慮豐枯水年流量變化以及水資源與河道間的關系，生物學證明資料也較為缺乏，對此仍需進一步深入研究。