西北季節性河流生態環境需水量研究

楊訪弟，張永勝

(定西市水利科學研究所，甘肅 定西 743000)

生態環境是關系到人類生存和發展的基本自然條件，生態環境的穩定和平衡是經濟社會可持續發展的基礎。自20世紀80年代開始，我國就對流域生態環境需水和區域生態環境需水進行研究，到目前為止，生態環境需水量的研究仍處于初步探索階段，還沒有形成標準的、普遍適用的數學表達式。在西北地區，河流水量較小且水量季節變化大，部分月份經常出現斷流現象，大部分河流處于黃土高原區，流域內水土流失嚴重，水流含沙量大。在水資源彌足珍貴，水生態又相對脆弱的地區，合理確定河流生態基流量就顯得格外重要。

1 河流特征及現狀

甘肅省位于我國西北部，境內大部分地區處于黃河流域，流域主要為黃土高原溝壑區和黃土丘陵區，流域內黃土廣泛分布，土層深厚達數十米至百米以上，河流切割較深，沿河兩岸是低平的川地，植被極差，水土流失嚴重。在該流域內雖有地表徑流，但量較小。地下水儲量較少，埋藏深，下滲的雨水除部分補給深層地下水外，多耗于雨后的土壤蒸發。綜上，該流域內水資源量較少，年內分配很不均勻，且水中含沙量較大。

進入90年代后，黃河流域部分支流生態環境問題異常嚴重，斷流、污染事件頻繁發生，河流的功能基本喪失。黃河一級支流祖厲河和渭河上游是北方季節性河流，河流水量小且季節變化大，每年11月至次年4月斷流，但河道周邊居民的生活污水又只能排入河道，經常有一股股的惡臭從河道中散發出來，河道成了新的污染源。每年5～10月的汛期，暴雨形成徑流，陡漲陡落，峰高量小，且攜沙量大，洪水危害性較大。黃河健康與修復問題已經是必須重視的問題，黃河修復的優先行動之一為生態流量及流量過程的維持。

2 流域生態需水量理論分析

河道生態基流一般認為是維持河流水體特定生態環境功能、保持河道基本形態，河道內徑流必須儲存消耗的最小流量[1]。河流生態環境用水主要包括河流生態維持用水、污染防治用水、輸沙用水、河口生態環境用水以及娛樂環境與河流景觀用水[2]。

根據西北季節性河流的特征，流域生態環境需水和區域生態環境需水的確定也應該分時段來確定。在每年11月至次年4月底的斷流期，流域內突降大暴雨的幾率較小，流域內沒有水流也就沒有泥沙下泄，沒有輸沙的要求，河流生態環境用水主要為維持枯水期河流中水生物正常生長所需水量，即生態基流；每年5～10月是汛期，大量泥沙隨水排到河流中，造成河流淤積嚴重，特別是祖麗河和渭河流域。因此，為維持水沙平衡、維持沖刷與侵蝕的動態平衡、維持河道的天然特征，需要一定的生態環境用水量與之匹配，這部分水量就是汛期河道的生態環境需水量。

西北季節性河流原本河道生物物種單一，維持枯水期河流中水生物正常生長的生態基流量相對較小，且對水質要求并不高，但在枯水季節沿岸居民的生活污水要進入河道，河流水質被污染，將使河流的生態環境功能遭受直接的破壞，河道內必須留有一定的水量來維持水體的自凈功能，保證河流水質達標。所以此時段的河道內生態環境需水量是生態基流和自凈需水量兩者中的較大者。汛期河道內生態環境需水量是維持水沙平衡的水量，該水量應該是生態基流、輸沙需水量、自凈需水量三者之中的最大者。

3 流域生態需水量算例

以最具代表性的黃河上游支流關川河為例，探索適合西北季節性河流生態環境需水量的計算方法，并證明以上流域生態需水量理論分析的合理性。關川河位于甘肅省定西市區內，定西市內關川河上1957年設有巉口水文站，2000年撤銷，期間共實測到連續44年的徑流資料。本文選用巉口站1957～2000年的徑流資料進行分析。

目前，在生態基流研究領域主要形成了水力學方法、水文學方法、整體分析法和棲息地法四類計算方法[3]。其中Tennant法是水文學方法中較常用的一種方法，本文采用引入回歸分析思想的改進Tennant法[4]，使計算出的生態基流更符合實際情況。

維持河流水沙平衡需水量：關川河是多泥沙河流，必須考慮輸沙需水量，以維持河流形態的動態平衡。在一定的輸沙總量要求下，輸沙水量取決于水流含沙量的大小，河流汛期輸沙用水量的公式如下:

(1)

式中，Ws—年輸沙需水量，m3；St—多年平均輸沙量，關川河巉口站為67.9×108kg；Cij—第i年第j月的月平均含沙量，關川河巉口站汛期月均含沙量的平均值為250kg/m3；n—統計年數，關川河巉口水文站實測資料44年。

關川河在枯水季節有一定的排污要求，因此河道內必須留有一定的水量來維持水體的自凈功能，保證河流水質達標。環境自凈需水量的計算方法主要有Tennant法和7Q10法。鑒于西北地區水資源本就很貧乏的現狀，我國對其進行了改進，依據GB/T3839- 1983《制訂地方水污染物排放標準的技術原則和方法》規定計算結果見表1。

表1 三種方法計算關川河生態基流量結果

根據表1中數據，按照改進Tennant法計算的非汛期生態基流量為0.026m3/s，汛期生態基流量0.093m3/s；7Q10法計算的河道自凈需水量為0.012m3/s；輸沙用水量公式計算的汛期河道輸沙需水量為0.861m3/s。非汛期7Q10法計算生態需水量為Tennant法的46%，非汛期河道內生態流量只要能滿足河流中水生物正常生長的生態基流量0.026m3/s，就能滿足河道自凈需水量0.012m3/s。即在非汛期北方季節性河流的生態流量由維持河流中水生物正常生長的生態基流量決定。汛期河道自凈需水量為生態基流量的13%，生態基流量為輸沙需水量的11%，輸沙需水量遠遠大于生態基流量，即在汛期北方季節性河流的生態流量由維持河流形態動態平衡的輸沙需水量0.861m3/s決定。

生態基流量0.026m3/s為輸沙需水量0.861m3/s的3%，這樣在非汛期按生態基流下泄的水資源量為41.1萬m3，按輸沙需水下泄的水資源量為1361萬m3，即在非汛期通過合理確定河道內生態流量可以節約水資源1320萬m3，這對于干旱缺少，水資源非常匱乏的西北地區是非常有意義的。

4 結語

西北季節性河流水資源量缺乏，徑流主要由暴雨形成，水中攜帶有大量的泥沙。現階段經濟用水與生態用水矛盾非常突出。根據區域特點和生態流量確定原則(功能性需求、主功能優先、分河段考慮、分時段考慮等)，將河道生態流量分為汛期和非汛期來確定，非汛期僅為汛期的3%。這樣分期制定合理的生態基流量，利用引洮工程合理調配水資源，有效解決了生態用水和經濟用水的矛盾，執行了最嚴格的水資源管理制度。