黑河中游河道生態環境需水量研究

陳紅翔,楊 保,王章勇,黃 凱

(1.中國科學院寒區旱區環境與工程研究所,蘭州730000;2.寧夏大學資源與環境學院,銀川750021)

河流生態環境需水量研究始于20世紀40年代,美國魚類和野生動物保護協會首先研究了河道內流量,提出了確定自然和景觀河流基本流量的河道內流量法。70年代美國環境和淡水資源需求的定量研究得到了飛速發展[1-2]。80年代,部分國家對生態環境需水進行比較系統的研究,如澳大利亞、英國、日本、南非。但是亞洲、東歐、拉丁美洲和非洲的多數國家缺少這方面的研究。我國對生態環境需水研究起步晚,直到90年代,由于河道斷流、河流污染、河流生態系統退化等問題日益嚴重,生態環境需水才被提上日程,并逐漸成為水資源及相關領域的研究熱點[3]。

黑河作為中國第二大內陸河,長期以來,由于人口增長,經濟發展,中游地區人類活動用水量增加,致使進入下游水量急劇減少,導致森林死亡、草場退化、沙漠化擴展,成為中國北方地區沙塵暴的主要沙源地之一[4]。科學確定黑河流域河道生態環境需水量,合理協調經濟發展與生態環境保護之間的水資源利用 ,是黑河流域所面臨的急需解決的關鍵問題。

1 研究區概況

黑河流域位于河西走廊中部,地理位置98°00′-101°30′E,38°-42°N,全長 82l km,面積 14.3 萬km2,其中平原區5萬km2,如圖1所示。研究區的東、西分別與石羊河和疏勒河流域相鄰。黑河流域的南部為祁連山區,是上游水源區,海拔高程1 700～5 564 m,年降水量300～600 mm,冰川雪融水量約4億m3/a。中游區位于鶯落峽至正義峽之間,主要由張掖盆地和酒泉盆地構成,海拔高程1 352～1 700 m,年降水量50～200 mm,年蒸發量大于2 050 mm。

正義峽以北至與蒙古國接壤邊界,是下游區,包括金塔-鼎新盆地和額濟納盆地,海拔高程912～1 249 m,大部為荒漠戈壁,年降水量小于50 mm,最小年份17 mm,額濟納盆地的年蒸發量大于3 700 mm,是嚴重缺水和生態環境脆弱區[4]。

圖1 黑河流域研究區略圖

2 河流生態環境需水計算方法

河流生態環境需水,是指維持水生生物正常生長及保護特殊生物和珍稀物種生存,以及保護和改善河流水質、維持河流水沙平衡、水鹽平衡和河口地區生態環境平衡所需的水量[5]。目前國內外研究河流生態環境需水原理的方法分為6類,即水文學法、生境模擬法、水文-生物分析法、水力學法、綜合法和其他方法,其中水文學法應用最為廣泛[5]。目前還沒有一個國家提出具有權威性的、能夠普遍應用的方法。我國研究河道生態環境需水的方法有：(1)為保證流域生態水利“四大平衡”(水熱平衡、水鹽平衡、水沙平衡、水量平衡)的計算法[6];(2)為達到水環境保護目標、滿足河流納污功能的環境功能設定法,以及污染物-流量關系線法[7]等;(3)為滿足河流基本生態功能、保證不斷流的河流基本生態環境需水量計算法、最枯月平均流量法、假設法等;(4)為滿足河流水量蒸發和滲漏要求的水量補充法[8]等。上述多是借鑒國外的方法,其合理性和機理研究還需進一步探討。本文根據黑河流域實際情況采用Tennant(田納特)法、和月(年)保證率設定法計算黑河中游河道生態環境需水量。

2.1 Tennant(田納特)法

Tennant法,又稱Montana法,該方法將全年分為汛期和非汛期,根據多年平均天然徑流量的百分比和河道生態環境狀況的對應關系,直接計算維持河道功能的生態環境需水量。該法是在考慮保護魚類、野生動物、娛樂和有關環境資源的河流流量狀況下,按照年平均流量的百分數來推薦河流基流的。Tennant法根據流量級別及其對生態的有利程度,將河道內生態環境需水量確定為不同的級別,從“極差”到“最大”共8個級別(見表1),并對不同級別推薦了河流生態用水流量占多年平均流量的百分比[9]。

表1 河流生態環境需水流量狀況

具體計算公式如式(1)。

式中：W——河流生態需水量(m3);Qi——年內第 i個月多年平均流量(m3);Zi——對應第i月的推薦基流百分比(%)。

2.2 月(年)保證率設定法

不同保證率的平均流量不同,因而河道的生態環境狀況和生態需水量也不相同。分別推薦 5個流量等級(極好、非常好、好、中等、最小)對應以下5種假定條件：①將天然年徑流總量全部作為河道內用水;②將天然年徑流量的60%作為河道內用水;③將天然年徑流量的40%作為河道內用水;④將天然年徑流量的30%作為河道內用水;⑤任何情況下,河道月生態需水量不能低于該月天然徑流量的10%[10]。

3 黑河生態環境需水量計算

根據黑河流域鶯落峽和正義峽徑流數據[11-19](見表2),運用上述兩種方法計算黑河生態環境需水量。計算結果見(表3)和(表4)。

遵循最小環境需水量占徑流不低于10%的原則,選擇Tenant法4級標準(好)計算鶯落峽生態環境需水量為4.755億m3/a,正義峽生態環境需水量為3.06億m3/a,各占多年平均徑流量的比例為30%。

表2 黑河流域代表站多年平均徑流量年內分配

表3 Tennant方法計算結果 億m3/a

表4 月保證率法計算結果 億m3/a

由月保證率方法(中等)計算結果可知,保證率為50%,75%,90%三種情況下鶯落峽生態環境需水量分別為4.74,4.26,3.87億m3/a,分別占徑流量的30%,26.88%,24.42%;正義峽生態環境需水量為3.06,2.28,1.89億m3/a,分別占徑流量的30%,22.3%,18.5%。

從保護生態的角度來看,Tennant法是從大量研究統計所得到的平均規律,在 Tennant法計算結果的流量條件下,河道內的水生生物和生態系統能夠處于一種較為良好的狀態,是保持河道內的水生生物和生態系統較為良好狀態的基本流量。因此本文采用Tenant法4級標準(好)計算結果,即鶯落峽生態環境需水量為4.755億m3/a,正義峽生態環境需水量為3.06億m3/a,各占多年平均來水量的30%。

4 結論與討論

研究結果表明：黑河流域中游鶯落峽生態環境需水量為4.755億m3/a,約占河流地表水資源來水量的30%,正義峽生態環境需水量為3.06億m3/a,約占河流地表水資源來水量的30%。如果減去河道生態環境需水量后,鶯落峽和正義峽實際平均過水量分別為11.085億m3/a和7.14億m3/a,區域間減少水量為3.945億m3/a。這一減少水量基本可以滿足鶯落峽與正義峽間工農業正常生產和河道蒸發下滲損失水量[19]。

對于河流系統而言,河流基礎生態環境需水量同時也兼顧部分輸沙排鹽、河流水質凈化等功能。汛期河流來水量較大,不僅可以滿足其基礎生態環境需水量,有時也可能因為來水量較大,超過合理的生態環境需水量。李麗娟研究[20]表明,海灤河生態環境需水量約占地表徑流量的54%,認為海灤河流域水資源開發率超過40%時,就會對生態環境造成嚴重影響。本文認為,黑河屬內陸河,其水資源被反復利用,遠遠超出國際公認的合理開發程度30%,極限開發程度40%,因此,黑河流域河道生態需水量整合后為10.44億m3/a,即占河流水量的30%,同時可以滿足河流系統基礎生態環境需水量。王西琴等[9]研究認為,西北內陸河流域生態需水量應占水資源總量的50%左右,與本研究結果比較,說明黑河中游河道生態環境需水量占水資源總量的30%是有道理的。

如果黑河流域水資源量隨著氣候變化和人類活動的加劇而減少,其河道水量無法滿足河流生態環境需水量,將會導致黑河流域綠洲面積減少,沙化退化面積增加,下游河道斷流加劇,湖泊干枯,地下水位下降,水質礦化度升高,水生態系統惡化。目前,黑河流域水資源問題不容樂觀,已經成為制約流域內社會經濟發展和生態環境改善的瓶頸,因此在進行黑河流域系統規劃時,應充分考慮維持河流系統生態平衡的重要性,保證河流系統的生態環境需水量。主要的保證措施可分為兩個方面：一是增加河流流量：二是降低河流生態環境需水量。同時,注意水資源的合理利用和節約,加大水資源保護管理與監控能力的建設,提高黑河水資源保護管理工作的現代化水平。這樣,才能保證整個流域有足夠的生態環境用水,維持生態環境不致惡化,才能在實現經濟效益的同時實現環境效益。

生態環境需水的研究對于我國可持續發展戰略的實施具有重大意義。但國內定量研究河流生態環境需水起步較晚,又缺少長系列的河道生態實測資料,因此,目前的計算大多套用國外方法或僅以歷史流量為依據,較少物理實驗模型為支撐,無法準確判斷其計算結果的實際價值。在水資源缺乏的情況下,河流生態用水必然擠占農業用水、工業用水和生活用水,限制國民經濟的發展,因此定量研究河流生態環境需水量應結合水資源的整體規劃,應以堅持可持續發展觀與構建和諧社會為總體目標、以水資源綜合利用效益最大為經濟目標,將尋求最小生態環境需水量、特別是河道內最小生態環境需水量的有效計算方法作為今后生態環境需水量的研究重點。

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