遼河干流生態(tài)需水量計(jì)算及生態(tài)環(huán)境評價(jià)研究

白偉樺

（遼寧省河庫管理服務(wù)中心（遼寧省水文局），遼寧沈陽 110003）

生態(tài)需水早期的研究是以滿足航運(yùn)需求為目地的枯水期河流最小流量計(jì)算[1-4]，但隨著社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，水資源的開發(fā)利用范圍和強(qiáng)度不斷增加，而水資源利用率較低，造成水資源短缺、污染等生態(tài)問題，生態(tài)環(huán)境受到嚴(yán)重威脅。生態(tài)環(huán)境的惡化及野生動物的消亡引起了國際的高度重視，研究者們開始把目光轉(zhuǎn)向河道內(nèi)生態(tài)需水[5-7]。隨著河流生態(tài)用水需求的不斷變化，河流生態(tài)需水的內(nèi)涵和意義也更加豐富[8-11]。目前，已有的研究將河道內(nèi)的生態(tài)需水量在最小流量的基礎(chǔ)上加入了河流稀釋自凈、輸沙、蒸發(fā)、補(bǔ)給地下水、維持水鹽平衡、調(diào)節(jié)氣候、觀賞等功能性用水需求[12-16]。

1 研究區(qū)概況

遼河干流全長523 km，河谷開闊，河道迂回曲折，支流眾多，地處中緯度，屬溫帶大陸性氣候，其特點(diǎn)為寒冷期長，平原風(fēng)大，東濕西干。遼河干流封凍期通常在11 月下旬至12 月初，解凍期一般在次年3 月上旬至中旬[17，18]。

遼河流域是典型的季節(jié)性河流，在非汛期及冰封期容易發(fā)生水資源短缺現(xiàn)象，且遼河流域水資源開發(fā)程度較高，水環(huán)境問題不容小覷[19-21]。因此，以遼河干流為例計(jì)算河流生態(tài)需水量，實(shí)現(xiàn)水資源的可持續(xù)利用，是恢復(fù)遼河水生態(tài)環(huán)境的重要舉措。

2 生態(tài)需水量計(jì)算

遼河干流主要存在的環(huán)境問題有河道斷流、河床淤積、物種多樣性下降等問題[22-24]，因此，遼河干流生態(tài)需水計(jì)算應(yīng)以解決河道斷流、河床淤積、水體污染為目標(biāo)。根據(jù)上述問題，本文將需水量劃分為河流基本生態(tài)需水量、河流輸沙需水量、河流稀釋自凈需水量及蒸發(fā)需水量。

2.1 河流基本生態(tài)需水量

在生態(tài)環(huán)境需水量的概念中，一般把用以維持生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定，保證河流基本形態(tài)不被破壞，并供給水生生物不同生育期所需要的水量，稱為河流基本生態(tài)需水量，也叫河流最小生態(tài)流量。月保證率法是河流基本生態(tài)需水量的一種常見的計(jì)算方法，具體計(jì)算步驟：通過對河流實(shí)測月徑流數(shù)據(jù)進(jìn)行排序，計(jì)算出多年平均狀態(tài)下和不同保證率下（25%，50%，75%，95%）相應(yīng)的月徑流量；取不同百分?jǐn)?shù)的月徑流量對生態(tài)流量保障程度進(jìn)行等級劃分，進(jìn)而計(jì)算得到各等級程度的月基本生態(tài)需水量。

2.2 河流輸沙需水量

河流輸沙需水量通常指河道保持水流暢通、不發(fā)生淤積、滿足水沙動態(tài)平衡時(shí)的需水量，一般利用多年平均含沙量法計(jì)算，其計(jì)算公式：

式中：Ws為河流輸沙需水量，m3；St為多年平均輸沙量，kg；Cmax為多年最大月平均含沙量的均值，kg/m3；n為統(tǒng)計(jì)年份個(gè)數(shù)；Ci為單年月平均含沙量，kg/m3。

2.3 河流稀釋自凈需水量

稀釋自凈需水量是評價(jià)河流納污能力的指標(biāo)之一，一般利用近10 年最枯月均流量法進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算公式：

式中：Wd為河流稀釋自凈需水量，m3；Wij為近10年最枯（小）月平均徑流量，m3。

2.4 河流蒸發(fā)需水量

河流蒸發(fā)需水量通常指水體水面蒸散發(fā)量，數(shù)據(jù)由20 cm 蒸發(fā)器和E601蒸發(fā)器觀測所得。具體計(jì)算公式[25]：

式中：We為河流蒸發(fā)需水量，m3；A為水面面積，m2；E為水面蒸發(fā)量，mm；P為降水量，mm。

2.5 河流生態(tài)需水量成果整合

河流生態(tài)需水量根據(jù)功能的不同，可分為消耗型需水量和非消耗型需水量，河流整體生態(tài)需水量則將這兩類需水量疊加。其中，消耗型需水量指水體蒸發(fā)需水量，非消耗性需水量包含河流基本生態(tài)需水量、河流輸沙需水量及河流稀釋自凈需水量等，在計(jì)算中應(yīng)取最大值以滿足整體用水需求[26]。

3 數(shù)據(jù)來源與分析

研究采用的數(shù)據(jù)來源于遼寧省水文局2000—2019 年實(shí)測水文資料，采用了遼河干流5 個(gè)水文測站（福德店、鐵嶺、馬虎山、平安堡、六間房）的實(shí)測徑流量、輸沙率、降水量和蒸發(fā)量等數(shù)據(jù)。根據(jù)遼河流域季節(jié)性徑流變化特性，將遼河干流的需水過程分為汛期（6—9 月）和非汛期（其他月份），分別計(jì)算其生態(tài)需水量。

4 結(jié)果分析

4.1 基本生態(tài)需水量

河流基本生態(tài)需水量利用月（年）保證率法計(jì)算?？紤]遼河干流水資源供應(yīng)范圍廣、開發(fā)利用程度較高，河流供水保證率取75%，河流基本生態(tài)需水量取天然徑流量的10%，遼河干流基本生態(tài)需水量見表1。

表1 遼河干流基本生態(tài)需水量108 m3

4.2 河流輸沙需水量

河流輸沙是河流必不可少的功能之一，是維持河道沖淤平衡的關(guān)鍵。遼河干流全線存在沖淤現(xiàn)象，因此，輸沙需水量在汛期及非汛期均應(yīng)考慮。遼河干流非汛期、汛期及全年輸沙需水量計(jì)算成果見表2。由表2 可知，汛期與非汛期輸沙需水量差異較為明顯。

表2 遼河干流輸沙需水量108 m3

4.3 稀釋自凈需水量

河流稀釋自凈功能是影響河流水質(zhì)的重要因素，此次研究采用近10 年最枯月均流量法計(jì)算河流稀釋自凈需水量，計(jì)算結(jié)果見表3。由表3 可知，受天然徑流豐枯變化影響，汛期與非汛期需水量差異明顯，其中，福德店站的實(shí)測水文徑流數(shù)據(jù)遠(yuǎn)小于其余4 站，故福德店站需水量計(jì)算成果均小于其他四站成果。

表3 遼河干流稀釋自凈需水量108 m3

4.4 河流蒸發(fā)需水量

河流蒸發(fā)需水量計(jì)算的水面面積分界線取相鄰兩個(gè)水文站的中點(diǎn)，對于降水、蒸發(fā)等觀測資料不足的測站，可利用相鄰站點(diǎn)的觀測資料。河流蒸發(fā)需水量計(jì)算成果見表4。

表4 遼河干流蒸發(fā)需水量108 m3

4.5 河流生態(tài)需水量整合

將計(jì)算所得的各水文站生態(tài)需水量根據(jù)消耗型需水量疊加，非消耗型需水量取最大值原則進(jìn)行整合處理，整理得到75%保證率下遼河干流各水文站生態(tài)需水量，見表5。由表5可知，福德店站水文數(shù)據(jù)監(jiān)測范圍內(nèi)的生態(tài)保障能力較弱，必要時(shí)需向臨近水庫借調(diào)以保證生態(tài)環(huán)境平穩(wěn)健康運(yùn)轉(zhuǎn)。

表5 遼河干流生態(tài)需水量108 m3

5 遼河干流生態(tài)環(huán)境評價(jià)分析

遼河干流各水文站生態(tài)需水量（P＝75%）與多年平均徑流量的比值見表6。表6 中所得結(jié)果可用于各水文站生態(tài)環(huán)境評價(jià)分析，根據(jù)生態(tài)需水量占徑流量的比值可知，遼河干流各水文站范圍內(nèi)的天然徑流量可基本滿足生態(tài)環(huán)境用水需求，且存在剩余水量用于水資源調(diào)配，以實(shí)現(xiàn)水資源可持續(xù)利用。

表6 生態(tài)需水量與年徑流量比值108 m3

6 結(jié)語

遼河干流屬于典型的季節(jié)性河流，汛期降雨集中，水量充沛，應(yīng)多加以利用，在避免汛期洪澇災(zāi)害威脅的同時(shí)，補(bǔ)給非汛期用水需求，從而保證河流全年生態(tài)用水需求，維持河流生態(tài)環(huán)境健康穩(wěn)定運(yùn)行。此次研究計(jì)算了遼河干流主要水文站的生態(tài)需水量，并根據(jù)多年平均徑流量與生態(tài)需水量的對比，得出各水文站監(jiān)測范圍內(nèi)的天然徑流量可基本滿足生態(tài)環(huán)境用水需求，且存在剩余水量，可進(jìn)行外部供水，從而實(shí)現(xiàn)水資源利用率最大化，實(shí)現(xiàn)水資源可持續(xù)利用。