堵河生態需水計算及保障研究

黃擁軍 鮑喜蕊

(1.丹江口市水利水電工程建筑勘測設計院， 湖北 丹江口 442700； 2.湖北浩川水利水電工程有限公司， 湖北 十堰 442000)

堵河生態需水計算及保障研究

黃擁軍1鮑喜蕊2

(1.丹江口市水利水電工程建筑勘測設計院， 湖北 丹江口 442700； 2.湖北浩川水利水電工程有限公司， 湖北 十堰 442000)

堵河生態環境狀態逐漸惡化，亟需研究確定生態需水并采取合理措施予以保障。本文在對照分析4種生態需水計算方法的基礎上，考慮實際條件后，選擇應用廣泛的蒙大拿方法計算堵河的生態需水。計算結果表明，堵河干流的生態流量應為16.4m3/s，霍河水庫需要向下游河道保證的生態流量為0.75m3/s。此外，研究確定了堵河上水利工程的調控規則，用以保障堵河生態需水流量的實現。本研究對于堵河流域水資源保護與可持續利用、南水北調中線工程水源地保護以及竹山縣積極構建生態園林城市，都具有重要意義。

堵河； 生態需水； 生態需水計算方法； 保障

1 引 言

水資源極其重要但又十分脆弱[1]。中國水資源總量居世界第六位，但時空分布不均，而且人均水資源占有量僅為世界人均水資源量的25%。總體而言，中國水資源嚴重短缺，由此帶來了一系列問題——嚴重制約我國經濟社會的可持續發展，以及環境生態不斷惡化[2]。面對生態問題日益嚴重的趨勢，研究流域(區域)生態需水顯得尤為緊迫和重要,目的是為水資源的科學合理配置提供決策依據, 最終實現水資源綜合效益的最大化[3]。

我國許多學者在國外研究的基礎上，對流域(區域)生態需水的理論與計算進行了深入研究。鄭紅星等[4]指出，生態需水一般是指為維護生態環境系統穩定、維持水體特定功能，并逐步改善生態環境所需的流量或水量。徐志俠等[5]在對比國內外計算河流生態需水量的方法的基礎之上，闡述了各種方法的優缺點和使用條件。孫濤等[6]面對河口生態需水計算的需求，總結了目前研究取得的成果和存在的問題，探討了未來研究應該突破的關鍵技術。此外，多位研究人員使用不同方法計算了不同流域(區域)的生態需水，比如，魏彥昌等[7]根據海河流域不同生態系統類型的特征，探討了各生態系統類型生態需水的計算方法，并選擇合適的方法核算了生態需水量；劉新華等[8]在分析了塔里木河下游河道的特點及考慮實際條件后，選用水力學法計算了河道的最小生態需水量；還有諸多應用實例，限于篇幅，在此不一一詳述。

堵河是漢江最大的支流，是南水北調中線工程核心水源區——丹江口水庫的重要入庫河流之一，對丹江口水庫的水量和水質有著極其重要的影響，而且堵河干流是竹山縣最重要的水源，與竹山縣居民的生產生活息息相關，其生態環境的狀況受到公眾和政府的密切關注[9]。 由于人口增長和經濟社會發展等諸多因素，堵河的生態環境狀態總體呈惡化趨勢，亟需采取合理措施進行生態保護[10]。然而對于堵河的生態需水尚未有相關研究，本文的目標即是確定堵河的生態需水量，并且研究采取措施使得堵河生態用水需求得到保障。

2 研究區域

2.1 堵河流域概況

堵河流域位于鄂西北漢江南岸，處于東經108°36′～110°44′和北緯31°24′～32°47′之間，地跨陜西、湖北兩省，屬于漢江的支流，河流全長大約354km，總落差超過500m，流域面積大約12500km2。堵河由西、南兩條(支)源流在兩河口匯合后向北流經竹山縣城、房縣姚坪和鄖縣葉大、十堰市區黃龍水庫后注于漢江，再經漢江匯入丹江口水庫。堵河流域地理位置見圖1。

圖1 堵河流域地理位置

2.2 竹山縣概況

竹山縣位于湖北省十堰市，總面積約3588km2，總人口約44萬，全縣的所有河流都屬于堵河水系。堵河可以說是竹山縣的母親河，為竹山縣的發展提供了源源不斷的水資源，竹山縣的社會經濟發展全部依賴于堵河。在堵河流域上，先后建設了松樹嶺水電站、潘口水電站和小漩水電站等梯級水電站，并陸續投入發電，給竹山縣經濟和社會可持續發展帶來了極大動力，但與此同時，也改變了河流的天然流態，給堵河生態環境和竹山縣城景觀變化帶來了一定負面影響。堵河水利工程分布見圖2。

圖2 堵河水利工程分布

2.3 堵河生態系統現狀

堵河干流規劃建設五級水庫，龍背灣水庫、松樹嶺水庫、潘口水庫和小漩水庫四座水庫在竹山縣境內，其中小漩水庫位于堵河干流城關鎮內河段；黃龍灘水庫在堵河下游。霍河在城關鎮霍河口匯入堵河，為了開發利用清潔能源，霍河現已建成兩座水電站——霍河二級水電站和霍河三級水電站。霍河二級水電站的尾水會直接流至霍河三級水電站，經過水電站發電之后下泄。但在枯水期，由于來水較少，導致兩級水電站之間出現干涸的河段大約長4.5km。

因此，堵河干流被人為建設的多級水利工程逐級攔蓄后，天然的水文情勢已經被極大地改變。尤其是在枯水期，包括竹山縣城內河段的多段河道經常出現斷流現象，嚴重破壞了堵河干流的生態系統，也嚴重破壞了竹山縣城的整體市容市貌。鑒于此，竹山縣政府與老百姓面臨一項迫在眉睫的重要任務，就是對堵河生態需水加以研究并精準控制。

3 生態需水計算方法

經過國內外學者多年研究，河流生態環境需水量計算的常用方法可總結為4種[11]——水文學法、水力學法、棲息地評價法和整體分析法，這4種方法的描述、代表模型、優點、缺點以及適用范圍見表1。由于我國大部分河流監督管理還不完善，缺乏長期且有效的生物監測資料，導致棲息地評價法和整體分析法在我國應用十分困難；但是記錄保存的水文資料一般較為完整，所以水文學方法在我國應用最多。

表1 生態需水計算方法[11]

4 堵河生態需水計算

由于資料收集等原因，通過詳細對比分析4種生態需水計算方法的特點后，采用國內外應用最為廣泛的蒙大拿法(Tennant 法)進行研究。蒙大拿法(Tennant 法)是為了滿足河流水生生物、河流景觀及娛樂設施對流量的基本需求，將預先研究確定的科學合理的多年平均流量的百分比作為生態流量，生態流量計算見式(1)。河內流量與水生生物、河流景觀及娛樂設施的關系見表2。此法認為，為了保障絕大多數水生生物在短時間內生存所必定需要的瞬時最低流量，無論在何種條件下，河流流量都應至少維持在多年平均流量的5%～10%。

(1)

式中Qe——生態流量；

α——百分比；

表2 河內流量與水生生物、河流景觀及娛樂設施的關系

堵河是一條大型河流，根據多年觀測經驗，當河流流量占多年平均流量的5%～10%時，仍有一定的水深、河寬和水流速度，可以使河流的魚類洄游、生存以及城市景區旅游、市容景觀的一般需求得到滿足，因此可確定多年平均流量的10%為堵河的生態需水流量。

每年4—9月，堵河基本處于汛期，河道內流量較大，河道的生態需水僅靠各級水利工程下放的流量即可基本滿足。根據搜集的竹山水文站的長系列實測資料，發現在天然狀況下，堵河干流的多年平均流量為164m3/s，因此，按照前述方法，即可確定堵河干流的生態流量為16.4m3/s。而環境保護部門測算及批準小漩水電站工程要保證的生態流量為16.7m3/s，與上述計算結果非常接近，證明選擇的計算方法是合適的，而且計算結果是合理的。

此外，霍河水庫入庫流量多年平均值為7.48m3/s，按照前述方法，即可確定霍河水庫需要向下游河道保證的生態流量為0.75m3/s，就能基本維持霍河二級電站下游河流的生態結構與功能。

5 堵河生態需水保障

針對上述堵河生態需水的結果，主要有3段河道的生態需水需要水利工程的調控來保障。經過翔實的調研分析，認為需要采取的保障措施如下：

a.第一段河道：小漩水庫至潘口水庫壩址。小漩水庫作為潘口水庫的反調節水庫，兩庫會聯合調度運行。為了保證小漩水庫至潘口水庫壩址的區間河段有足夠水量，兩庫聯合調度規則為：小漩水庫與潘口電站聯合運行調峰的時間為13h，小漩水庫在其余11h應釋放生態流量。

b.第二段河道：城關壅水壩至小漩水庫壩址。為了保證城關壅水壩至小漩水庫壩址處的河流生態需水，在小漩水電站僅保證下泄生態流量甚至無水下泄時，堵河干流城關鎮壅水壩(正常蓄水位為248.5m)應該使得水位壅高。此外，這個措施還能夠為堵河城區河段營造穩定的景觀水面，改善市容環境。

c.第三段河道：城關壅水壩至對峙河口。城關壅水壩至對峙河口河段位于黃龍灘水庫庫尾。根據多年調度運行的實際經驗發現，黃龍灘水庫水位經常位于正常蓄水位(247m)以下，尤其在枯水期，會造成此河段水量不足，嚴重時甚至會斷流。因此，為了保證壅水壩至對峙河口河段的生態系統正常運行，就需要上游控制性水利樞紐下泄生態流量。

6 結 論

堵河是南水北調中線工程水源區——丹江口水庫的重要入庫河流之一，是竹山縣居民生產生活的重要水源，其生態環境受到公眾和政府的密切關注。為了實現堵河水資源的合理配置與可持續利用，以及流域(區域)生態與環境的保護，需要確定堵河流域的生態需水量，并采取合理措施予以保障。

本文在對比分析4種生態需水計算方法的基礎上，基于實際條件，選擇國內外應用廣泛的蒙大拿方法來計算堵河的生態需水，并根據計算結果確定了堵河干流的生態流量為16.4m3/s，霍河水庫需要向下游河道保證的生態流量為0.75m3/s。此外，根據多年調度運行的情況，確定了堵河水利工程的調控規則，用以保障堵河生態需水流量的實現。本研究對于堵河流域水資源保護與可持續利用、南水北調中線工程水源地保護以及竹山縣積極構建生態園林城市，都具有重要意義。

[1] World Water Assessment Programme. The United Nations World Water Development Report 4: Managing Water Under Uncertainty and Risk[R].UNESCO,2012.

[2] 宋先松,石培基,金蓉.中國水資源空間分布不均引發的供需矛盾分析[J].干旱區研究,2005,22(2):162-166.

[3] 嚴登華,王浩,王芳,等.我國生態需水研究體系及關鍵研究命題初探[J].水利學報,2007,38(3):267-273.

[4] 鄭紅星,劉昌明,豐華麗.生態需水的理論內涵探討[J].水科學進展,2004,15(5):626-633.

[5] 徐志俠,陳敏建,董增川.河流生態需水計算方法評述[J].河海大學學報(自然科學版),2004,32(1):6-9.

[6] 孫濤,徐靜,劉方方,等.河口生態需水研究進展[J].水科學進展,2010,21(2):282-288.

[7] 魏彥昌,苗鴻,歐陽志云,等.海河流域生態需水核算[J].生態學報,2004,24(10):2100-2107.

[8] 劉新華，徐海量，凌紅波,等.塔里木河下游生態需水估算[J].中國沙漠,2013,33(4):1198-1205.

[9] 陳方鑫.堵河流域水源涵養林有效LAI的時空變化及其持水效應的研究[D].武漢：華中農業大學,2013.

[10] 顧勝,李思悅,張全發.漢江堵河流域地表水質時空變化特征[J].長江流域資源與環境,2009,183(1):41-46.

[11] 高凡,黃強,暢建霞.我國生態需水研究現狀、面臨挑戰與未來展望[J].長江流域資源與環境,2011,20(6):755-760.

Research on ecological water demand calculation and security in Duhe River

HUANG Yongjun1, BAO Xirui2

(1.DanjiangkouWaterConservancyandHydropowerEngineeringConstructionSurveyDesignInstitute,Danjiangkou442700,China; 2.HubeiHaochuanWaterConservancyandHydropowerEngineeringCo.,Ltd.,Shiyan442000,China)

Ecological environment state is deteriorated gradually in Duhe River. Ecological water demand should be studied and determined, and reasonable measures should be adopted for safeguarding. In the paper, widely-applied Montana method is selected for calculating ecological water demand of Duhe River after consideration of actual condition on the basis of controlling and analyzing four methods of calculating ecological water demand. Calculation results show that ecological flow should be 16.4m3/s in main stream of Duhe River. The guaranteed ecological flow of Huohe Reservoir to downstream rivers should be 0.75m3/s. In addition, the regulation rules of water conservancy projects on Duhe River should be studied and confirmed, thereby realizing ecological water demand flow of Duhe River. The study has important significance to water resources protection and sustainable utilization of Duhe River, water source protection of south-to-north water transfer midline project and active construction of ecological garden city in Zhushan County.

Duhe River; ecological water demand; calculation method of ecological water demand; security

10.16616/j.cnki.10-1326/TV.2017.04.010

TV214

A

2096-0131(2017)04- 0027- 04