清溟河流域河流環境流量計算與應用

王惠英　于魯冀　呂曉燕　范鵬宇

摘要：針對北方地區河流環境流量短缺和污染并存的現狀，在綜合考慮水質保護與水量維持的情況下界定了河流環境流量的概念和內涵，并探討不同功能目標下河流環境流量的組成。通過分析河流水系特征及河段的空間結構特征，建立了改善河流水質所需環境流量計算模型，同時建立了Tennant和濕周模型計算河流生態系統所需環境流量。利用臨潁高村橋的水文水質數據，對清溟河為改善河流水質和生態系統所需環境流量進行了初步評價，為河流應急補水提供了調控建議，并提出了河道應常年保持的流量水平。

關鍵詞：環境流量；水質水量平衡模型；Tennant法；濕周法；清溟河

中圖分類號：O647.3；X783 文獻標識碼：A 文章編號：1672-1683（2017）02-0109-07

流量作為河流最重要的因子之一，是保證河流環境功能和生態功能正常發揮的必備條件。世界自然保護聯盟將環境流量定義為“在用水矛盾突出、且用水量可以進行調度的河流、濕地和沿海區域，為維持其正常生態系統及功能所擁有的水量”。國外其他學者針對環境流量也進行了定義，也為維持河流生態健康所需的流量。近10年來，我國學者結合我國河流面臨流量短缺和水質污染的雙重威脅的實際情況，界定了適用于我國河流的環境流量內涵及組成。其中王西琴等對環境流量的概念界定的較早，其認為環境流量具有更廣的內涵：如滿足白凈功能需求的水量一環境需水，滿足河道水沙平衡的水量—輸沙需水，滿足生態系統最低需求的水量—基本生態需水等。圍繞環境流量的計算，近年來也有許多研究成果，主要分為兩大類別，一類是基于水質水量平衡模型計算為改善河流水質所需的環境流量，一類是生態需水量相關計算研究。水質水量平衡模型主要通過模型的構建，可定量評價生態補水或不同調水情景對水質的變化。國內生態需水量計算常采用方法有水文學法（如改進Tennant法、月保證率法）、水力學法（濕周法和生態水力學法）、棲息地模擬法、整體法等。不同河流環境流量需求不同其適合的計算方法也不同。

本文在分析北方河流環境流量概念和內涵的基礎上，探討不同功能目標下環境流量的組成；結合北方河流缺水的特征，充分考慮二元水循環條件下，建立水質水量平衡模型，開展為改善河流水質所需環境流量的計算；同時以清溟河為例，采用不同計算方法計算河流生態系統所需環境流量，初步確定清溟河環境流量閾值。

1環境流量概念與組成界定

1.1環境流量概念與內涵

國內外目前對于環境流量概念與內涵沒有統一認知，國外主要是指為維持河流生態系統健康所需的流量，而國內存在水質污染嚴重與生態系統亟需恢復的雙重問題，多指維持河流生態環境功能正常發揮的流量。

本文認為環境流量是指在特定的區域、流域內，在相應的生態保護、恢復或建設目標下，某一時段能夠滿足河流系統生態環境功能所需流量。一方面，河流環境流量可以隨時間和空間變化，表現出動態變化的特征；另一方面，河流環境流量具有協調河流各項基本功能的內涵，表現出在特定時空單元內最大限度地滿足河流主要功能的優先選擇性。

1.2環境流量組成界定

環境流量組成界定需以河流功能分析為基礎，其中水環境功能區劃和水功能區劃中均涉及對河流功能的界定。水環境功能區劃管理目標中只考慮了水質標準，并以水質標準來界定該水質控制區的水域功能，與河流實際使用功能存在一定偏差，而水功能區劃是按相應水域的主導功能來劃定，并考慮了水資源的合理開發和有效保護，因此本文以河南省轄河流為對象，主要依據《河南省水環境功能區劃》和《河南省水功能區劃》來分析河流功能。

結合河流功能界定結果及廣義環境流量的概念及內涵，不考慮河流社會功能所對應的水利流量，河南省轄河流環境流量主要由維持水生生物棲息、稀釋自凈、景觀娛樂、防止泥沙淤積、地下水位和蒸發6項流量組成。

2環境流量計算模型構建

2.1水質水量平衡模型的構建

基于二元水循環的思想，將工業/生活排水等回歸水作為河道內流量一部分的前提下，建立了測算環境流量的水質水量平衡模型。

（1）模型具體構建思路。

水箱模型：在研究河段入河節點的實測徑流的基礎上，統計分析該河流或河段的降雨徑流、排水、取水和調水等水量的輸入、輸出，建立水量平衡；

一維水質模型：在水量平衡基礎上，考慮輸入、輸出污染物的衰減與降解，并采用一維水質模型模擬計算污染源變化引起的水質變化結果，并建立污染物通量平衡。

根據河流或河段不同階段水質目標要求，基于通過。建立水量水質平衡模型，測算分析保障河流水質達標所需的水量。河段水質水量平衡模型示意圖見圖1。

其中圖1中Q為輸入輸出水量，P為輸入輸出污染物總量。

（2）模型計算參數的確定。

主要針對該模型中的降雨徑流Q₆和自凈削減量P_凈中的綜合衰減系數k進行說明。其他參數可根據掌握的2014年的流量及水質數據進行確定。

降雨徑流Q₆

河道徑流量的計算方法主要有等值線圖法、水位比擬法、徑流系數法、水文勘察法和經驗公式法本文中河段內的徑流量的推算采用徑流系數法。

徑流系數法是指當小流域或附近有年降雨量資料時，且降雨與徑流產生密切關系時，可利用多年平均降雨量與徑流量之間的關系計算徑流量即利用年降雨量的平均值與徑流系數推求多年平均徑流量，計算公式為：

W=1000×C×P×F （1）式中：W為年徑流量（m³）；C為該地區徑流系數，與研究區域植被、地形、地質、主河道長度等因素有關，可通過公式C=R/P計算徑流系數；P為多年平均降雨量（1982年-2012水文站點數據）（mm）；R為多年平均徑流深（1982年-2012水文站點數據）（mm）；F為控制河段流域面積（km²）。

綜合削減系數k

針對區段內水量不平衡，需要首先進行水量平筑在水量平衡中以斷面實測值為準可增加平衡水量（△Q），其值等于上斷面流量與區段內匯入水量和下斷面流量之差。因此，本文確定的k值的綜合削減系數為計算公式為：

（2）

2.2Tennant法計算模型

Tennant法屬于水文學方法的一種，其所需數據為某斷面在人工干擾較少時期，自然狀態下近40年左右的逐月實測流量數據。特殊情況下，若河道長期人工干擾嚴重，自然狀態下的流量數據年份不足，此時可采用自然狀態下近10年左右的流量數據。

根據我國的北方河流的實際需水特點，對于Tennant方法的水期劃分要進行改進。在我國北方內陸河流中4月-6月為河流魚類產卵和各類植物復蘇生長的高峰期；7月-10月為傳統意義上的雨季，降水豐沛，河道水量明顯增加，流量變大；11月一次年3月降水較少，河道水量較小，受溫度影響，有些河段甚至出現結冰現象，河流的水生動植物進入冬眠期，生態需水量相對較小。因此，將河流生態需水按季節劃分為三個時段能更好地反映河流實際的來水過程。依據Tennant法的環境流量標準確定三個用水期的環境流量標準見表1。

2.3濕周法計算模型

濕周法是以濕周作為衡量棲息地質量的指標，來估算河道內流量最小值的方法。它根據河道的水力特性參數，如濕周、水力半徑、平均水深等，由實測的河道斷面濕周與斷面流量之間的對應關系，繪制濕周流量關系曲線，該曲線上的突變點對應的流量值即為河道最小生態流量。本文采用濕周法中的斜率法對清溟河環境流量進行計算。

（1）建立濕周-流量關系。

依據典型性、穩定性和實用性的原則選擇河道斷面，結合斷面的形態依據表2來建立濕周-流量關系，并進行曲線擬合。

（2）確定臨界點。

取濕周-流量關系曲線上斜率為1的點為臨界點，對函數p（q）求導，使dp/dp=1成立，即可算出最小生態流量q。

3清溟河環境流量計算結果分析

清溟河屬淮河流域沙潁河水系，發源于新鄭市，流經長葛市、許昌縣、魏都區（許昌市區）、臨潁縣、鄢陵等縣（市、區），至鄢陵縣陶城閘下匯入潁河，全長149 km，流域面積2 362 km²。流域水系圖見圖2。

3.1基于水質水量平衡模型計算結果分析

清溟河省控臨潁高村橋斷面的“十二五”省政府責任目標、消除劣V類水體目標和水環境功能區劃水質目標具體目標值見表3。

結合上述水質目標要求，以2014年水質及流量數據為基準，不同的水質要求設定不同的計算條件，開展環境流量計算，具體計算條件如下：

（1）“十二五”省政府責任目標測算條件：考慮2014年流域規劃、碧水工程計劃中相關治污工程已建成、碧水工程計劃中相關治污工程已建成，上述工程2015年正常運行。

（21消除劣V類水體目標：入河工業點源、集中污水處理廠有地方流域標準的按標準要求的排放濃度達標排放計算，無流域標準的工業點源按《污水綜合排放標準》（GB 8978-1996）一級標準（COD≤100mg/L、氨氮≤15 mg/L）達標排放計算，集中污水處理廠按《城鎮污水處理廠污染物排放標準》（GB 18918-2002）一級A標準（COD≤50 mg/L、氨氮≤5mg/L、生活污水處理率≥85%）達標排放計算。

（3）水環境功能區劃水質目標：入河工業點源執行COD≤50 mg/L、氨氮≤5 mg/L，集中污水處理廠執行COD≤40 mg，L、氨氮≤3 mg/L。

依據上述計算條件，2014年清溟河現狀年平均流量為2 03 m³/s，為實現不同水質目標，清溟河高村橋斷面處所需新增環境流量見表4。

由于實現三種水質目標所需環境流量的計算條件與目標值均不同，所以計算結果不能相互比較，但可以看出通過工業點源和集中污水處理廠的進一步提標，可以減少為實現水質目標所需的新增流量。

3.2基于Tennant模型計算結果分析

依據清溟河三里橋水文站1958年-1970年的流量數據，采用Tennant法計算清溟河生態系統所需的環境流量見表5。

Tennant法計算所得清溟河生態系統所需的環境流量適宜范圍采用“好”級別的流量范圍，為0.16-1.67 m³/s，其中豐水期適宜流量范圍為0.75-1.67 m³/s、平水期0.16～0.37 m³/s、枯水期0.16-0.49 m³/s。適宜的流量過程見圖3，從枯水期到豐水期所需的流量有呈驟然增加的變化趨勢，平水期和枯水期則變化不大。

3.3基于濕周模型計算結果分析

（1）典型年的選取。

根據清溟河三里橋站1958年-1970年歷年流量數據進行水文頻率計算，選取頻率P=25%、P=50%和P=75%所對應的年份作為豐水年、平水年和枯水年的典型年。三里橋站水文頻率和典型年計算結果見表6。

（2）斷面特征。

因清溟河三里橋水文站無實測斷面資料，使用2009年清溟河河道治理工程設計斷面圖作為研究斷面（圖4），斷面為梯形的硬質化河道，底寬6=15m，邊坡系數m=0.833。

（3）計算結果。

根據梯形斷面流量和濕周關系公式（表2），計算各典型年各月平均流量對應的濕周，并進行曲線擬合，不同水平年的流量濕周關系曲線見圖5。

采用斜率法確定臨界點，得出各典型年環境流量為：Q_（P=25%）=q，Q_m=1.05 m³/s，Q_（P=25%）=0.03 m³/s，Q_（P=25%）=0.01 m³/s。為了驗證該方法計算結果是否符合實際情況，將濕周法計算結果與Tennant法計算結果進行對比分析，見表7。

由表7可知，濕周法計算清溟河三里橋斷面P=25%豐水年河道內環境流量超出Tennant法所設定魚類產卵育幼期和一般用水期中適宜環境流量，而P=50%平水年和P=75%枯水年環境流量遠遠小于Tennant法所設定魚類產卵育幼期和一般用水期中最小環境流量，其中豐水年（1963年）生態水力學法計算環境流量結果為Tennant法設定的魚類產卵育幼期適宜環境流量的129.6%，得到了Tennant法的驗證，而平水年和枯水年的環境流量計算結果不能采用。造成這一結果的原因可能為清溟河三里橋水文站流量數據序列只有14年，且其中枯水年比例較高，導致經驗頻率計算結果不能很好地反映三里橋站真實的水文頻率。本文采用豐水年計算結果即環境流量為1.05m³/s。

3.4環境流量計算結果整體分析

（1）河道應保障的常態環境流量。

濕周法計算得出的結果為1.05 m³/s，是全年的平均流量，沒有分不同水期和月份計算，而Ten-nant法計算所得為每個月份的較適宜的流量，由Tennant法計算的“好”級別的流量值可以看出，只有7月、8月的流量大于濕周法所計算流量，其他月份均小于濕周法計算流量。為最大程度地保障河流生態系統所需流量，7月、8月份采用Tennant法計算值，其他月份均采用濕周法計算值，則清溟河河道應保障的常態環境流量計算結果見表8。

（2）河道改善水質所需應急補水。

根據實現不同水質目標所需環境流量計算結果，實現“十二五”省政府責任目標是最為迫切的，需新增環境流量為1.5 m³/s；而消除劣V類水體目標和水環境功能區劃水質目標是假設進一步提標排污條件下，遠期才能實現。因此，近期清溟河河道改善水質所需的環境流量為1.5 m³/s。

4結論

（1）環境流量是能夠滿足河流系統生態環境功能所需流量，應結合河流功能特點界定環境流量的組成并選擇適用的計算方法。

（2）本研究考慮“取、用、耗、排”社會水循環及降雨、蒸發等自然水循環建立水質水量平衡模型，清溟河為實現“十二五”省政府責任目標、消除劣V類水體目標和水環境功能區劃水質目標分別需要的環境流量為1.5 m³/s、0.6 m³/s、0.42 m³/s，作為應急補水時環境流量調控的參考值。

（3）本研究采用Termant法所計算的環境流量為0.16～1.67 m³/s、濕周法計算結果為1.05 m³/s。

（4）經分析，本研究建議清溟河不同月份保障環境流量值不同：1月-6月份1.05 m³/s、7月份1.67 m³/s、8月份1.42 m³/s。