黑龍江省主要河流生態(tài)需水量的分析與研究

王宏偉，王 俊

(黑龍江省水利科學研究院，哈爾濱150080)

0 引 言

水是生命之源，是自然資源環(huán)境的主要組成部分，水資源是國民經濟發(fā)展和社會進步的生命線，也是人類生存和經濟社會發(fā)展的物質基礎。黑龍江省生態(tài)環(huán)境保護問題，不僅關系到省內水資源可持續(xù)發(fā)展問題，而且也可引發(fā)國際敏感問題，其生態(tài)治理和環(huán)境保護具有不可替代的戰(zhàn)略意義。同時隨著我省經濟快速發(fā)展，工業(yè)化和城市化加快，人們對水資源的數量和質量的要求也越來越高，并且超計劃用水和大量污水排放，導致水資源有效利用量減少，水環(huán)境惡化，在水資源有限的情況下，人為過量使用必然擠占自然生態(tài)系統(tǒng)所需的水資源量，引起自然生態(tài)系統(tǒng)的變化。就目前而言，如何充分利用水資源的同時，保證生態(tài)系統(tǒng)的需水量，達到人與自然生態(tài)系統(tǒng)的協(xié)調發(fā)展，是當前急需解決的問題，是促進建設環(huán)境友好型社會發(fā)展的需要，更是人與自然和諧共處發(fā)展的需要。因此，開展對黑龍江省主要河道生態(tài)環(huán)境需水量的研究，不僅是實現嫩江、黑龍江、松花江、烏蘇里江和綏芬河流域水資源的合理利用、科學保護和有效進行流域水污染控制管理的重要環(huán)節(jié)之一; 同時，也為建設生態(tài)大省提供技術支撐和基礎依據。

本文通過對全省21 條主要江河，33個主要河段斷面河道生態(tài)環(huán)境需水量估算，提出河流生態(tài)環(huán)境需水量的科學數據，為我省河流水資源的優(yōu)化配置和水環(huán)境改善提供技術支持，并以此提出符合實際情況的控制措施，在今后的河流開發(fā)利用中最大限度滿足河流自身生態(tài)環(huán)境用水需要。

1 河流生態(tài)需水的相關概念

1.1 河道生態(tài)需水

河道生態(tài)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所需要的水量。

1.2 河道最小生態(tài)需水

河道最小生態(tài)需水是指維系和保護河流的最基本生態(tài)功能不受破壞，所必須在河道內保留的最小水量，基理論上由河流的基流量組成。河道最小生態(tài)需水量所要滿足的生態(tài)功能主要包括:①維持水生生物棲息地，②維持河流生態(tài)系統(tǒng)平衡。

1.3 河道環(huán)境需水

河道環(huán)境需水是指為保護和改善河流水體水質、為維持河流水沙平衡、水鹽平衡及維持河口地區(qū)生態(tài)環(huán)境平衡所需要的水量。

1.4 河道最小環(huán)境需水量

為維系和保護河流的最基本環(huán)境功能不受破壞，所必須在河道內保留的最小水量，是在特定時間和空間為滿足特定的河流系統(tǒng)功能所需的最小臨界水量的總稱。其理論上由河流的基流量組成，但其不是一個固定不變的值，而是一個與河流特性、河段位置和時段范圍相關的量。河道最小環(huán)境需水量所要滿足的環(huán)境功能主要包括:①保持水體一定的稀釋能力;②保持水體一定的自凈能力。需要指出的是對于河流基本的污染凈化功能的維持，要求全年各時段都要有相應的水量保證。河流最小生態(tài)環(huán)境需水量是河流生態(tài)環(huán)境功能可能受損或遭致死亡的警戒信息，它給出的是一種迫近病態(tài)狀況的非正常信號，而不是正常情況下河流生態(tài)環(huán)境功能健康狀態(tài)的反映。只有在河流水量大于最小生態(tài)環(huán)境需水量時，才能討論河流生態(tài)環(huán)境功能處于何種程度的健康狀態(tài)。

2 黑龍江省主要河流生態(tài)需水實例計算分析

黑龍江省位于我國東北地區(qū)的北部，是中國位置最北、緯度最高和氣溫最低的邊疆省份。北部、東北部以黑龍江和烏蘇里江主航道與俄羅斯為界，東南部以老爺嶺東麓與俄羅斯相鄰;西部為大興安嶺縱貫，與內蒙古自治區(qū)毗鄰; 南部、西南部與吉林省接壤。黑龍江省河流眾多，流域面積在50 km2以上的河流有1 918條，5 000 km2以上的河流有27 條，10 000 km2以上的河流有18 條，構成了黑龍江、松花江( 含嫩江) 、烏蘇里江和綏芬河4 大水系。

本次對黑龍江省主要河流生態(tài)需水的計算分析采用月保證率法計算成果，并采用Montana 法進行驗證。由于生態(tài)需水量不是一個固定值，而是在一個閾值區(qū)間內變化。對全省21 條主要江河，33個水文斷面，采用月(年) 保證率法、蒙大拿法計算河道生態(tài)需水量，結果列入表1。

以富拉爾基站全年河道生態(tài)需水量為例，由表1 可以看出，采用月(年) 保證率法計算，該站在50%保證率下，年生態(tài)需水量16.39 億～97.13 億m3，分別占天然多年平均徑流量的9% ～54%;在75%保證率下10.80 億～62.60 億m3，分別占6% ～35%;在95%保證率下5.51 億～29.95 億m3，分別占3% ～16%; 在多年平均情況下，介于18.22 億～109.56 億m3，分別占10% ～60%。采用Montana 法計算所得的富拉爾基站河道生態(tài)需水量，介于18.16 億～102.80 億m3，分別占天然多年平均徑流量的10% ～40%。

月(年) 保證率法針對不同代表年分別計算富拉爾基站生態(tài)環(huán)境需水量，并精確到月，這樣可以近似反映河道年內季節(jié)變化及年際徑流豐枯變化對生態(tài)需水的影響，更符合實際，蒙大拿法使用方法，計算結果可以做為月(年) 保證率法的檢驗，因此采用這兩種方法計算河道生態(tài)環(huán)境需水量比較合理。應說明的是，本次計算只考慮基本維護河流生態(tài)系統(tǒng)不致退化所需的最小水量，沒有考慮河流納污、稀釋、自凈及輸沙等環(huán)境功能需水。

圖1 不同保證率下主要站點河道基本生態(tài)需水

生態(tài)需水隨著年徑流的年季變化表現出一定的周期性變化特點，在豐水期有較大的需水量，在枯水期有較小的生態(tài)需水年最小值。表2 和圖2 是在不同保證率下，各水文站斷面河道基本生態(tài)需水情況。在多年平均、平水年( 50%) 、枯水年(75%) 、特枯年(95%)4 種情況下各水文測站斷面河道基本生態(tài)需水變化較大: 多年平均變化在0.0599 億m3～72.91 億m3，50% 保 證 率 變 化 在 0.0322 億m3～68.98 億m3，75% 保 證 率 變 化 在 0.0123 億m3～53.37 億m3，95% 保 證 率 變 化 在 0.0011 億m3～36.58 億m3。以上4 種情況，變化范圍的最低值均出現在呼蘭河慶安站，最大值均出現在松花江干流佳木斯站。

以富拉爾基站為例，見表2。在多年平均、平水年(50%) 、枯水年(75%) 、特枯年(95%) 河道基本生態(tài)需水量依次為18.22 億m3，16.39 億m3，10.80 億m3，5.51 億m3。

富拉爾基站基本生態(tài)月需水過程見圖2。

圖2 富拉爾基站基本生態(tài)需水量月分配過程圖

生態(tài)環(huán)境需水量隨著生態(tài)環(huán)境保護目標的不同會發(fā)生相應的變化。對生態(tài)環(huán)境功能的要求越高，相應的生態(tài)環(huán)境需水量也越多，反之亦然。因此生態(tài)需水不是一個定值，其隨著保護目標的變化而變化。

圖2 可以看出，生態(tài)需水隨著年徑流的年季變化表現出一定的周期性變化特點，在豐水期有較大的需水量，在枯水期有較小的生態(tài)需水量。在不同保證率下，河道基本生態(tài)需水量變化為:多年平均＞平水年(50%) ＞枯水年(75%) ＞特枯年(95%) 。

3 生態(tài)需水量研究展望

生態(tài)環(huán)境需水量是一個新概念，涉及生態(tài)學、水文學、地學等學科，需要多學科聯合研究。其理論基礎、原理方法有待進一步探索。

1) 生態(tài)需水量的理論機制與計算方法研究包括不同生態(tài)類型的生態(tài)需水特征;基于生態(tài)過程的不同類型生態(tài)需水的量化模型，包括不同植被組合的生態(tài)需水量，生態(tài)需水研究中的尺度問題及不同尺度轉換方法等;河流系統(tǒng)中尤其是水生生物生態(tài)需水量等的定量化研究以及不同類型生態(tài)需水量的耦合關系等方面的研究。

2) 生態(tài)需水量與經濟需水的合理配置研究研究生態(tài)需水的目的是維持生態(tài)系統(tǒng)的良性循環(huán)，而在水資源短缺的條件下，生態(tài)需水往往被經濟需水擠占，因此在可持續(xù)的水資源系統(tǒng)中如何實現生態(tài)需水與經濟需水的協(xié)調，亦即如何實現生態(tài)系統(tǒng)可持續(xù)的水資源優(yōu)化配置模式，滿足單位產值的水資源消耗最小，生態(tài)服務最大，是今后研究的重點。

3) 生態(tài)需水相關領域科學問題的研究，包括: 水文循環(huán)的生態(tài)控制機理; 生態(tài)系統(tǒng)健康評價的理論和方法; 不同尺度水循環(huán)模型的耦合等。

表1 全年河道生態(tài)需水量計算成果表 萬m3

續(xù)表1 全年河道生態(tài)需水量計算成果表 萬m3

表2 不同保證率各河流斷面河道最小年生態(tài)需水量萬m3

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