大凌河水資源可開發利用率研究

孫 良

(葫蘆島市水資源管理辦公室，遼寧 葫蘆島 125000)

滿足工業、農業、生活用水是長期以來河流水資源開發利用的根本出發點，而對河流消耗的水資源及其生態系統本身卻不夠重視。特別是在半干旱半濕潤區的遼河流域，隨著經濟發展與城鎮化建設的不斷推進，使得并不充沛的水資源供需矛盾更加緊張，河道泥沙淤積、季節性斷流、局部地區過渡開采以及不合理水資源配置等用水問題日趨突出，并對生態文明建設構成嚴重的威脅。在水生態問題持續惡化的條件下，對水資源可開發利用率的相關研究逐漸被提出，探討分析具有較大開采潛力的東北部河流有助于緩解該區域嚴重的水生態矛盾。生態需水量研究的內容主要包含對水資源開采利用現狀、水文地質條件、環境氣候、社會經濟發展和生態環境等內容。當前，開展與此先關的有關研究仍處于起步階段，對河流生態需水量的基本內涵、確定原則、方法以及保證防護措施等方面仍需要進一步的深入研究。對于不同時期的河道僅僅以最小生態需水作為閾值并不能保證生態環境所需的水資源，而應存在一定的徑流可變區間[1- 2]。

通過長期的觀測流量變化所引起的生態系統的改變進行最佳適宜性流量的判斷和估算，其優點是能夠對流量變化引起的河流環境與生態響應程度進行細致深入的分析探討，但需要多個學科和專家的參與，對數據和資料的依賴性較大，且使用難度較高；濕周法和R2-CROSS法是在水力學研究系統中具有代表性的方法，其基本計算依據是基于對、水深、流速、河寬和濕周等相關水文參數的收集和計算，并利用Manning公式進行所需水力參數的測量和獲取，其優點是僅對現場進行簡單的測量，而對物種-生境關系數據的要求不大，其數據的提取和獲得容易，但是對季節性河流的流量確定不準，無法揭示季節性變化特征；水文學法即歷史流量法其典型措施有Tennant、7Q10和Texas法，并屬于非現場類型，是依據歷史流量資料進行河流的推導計算，確定河流的最小標準流量，此方法具有易操作、計算簡單等優點，但是因對河道實際情況過于簡化，對河道信息、生物參數的相互影響分析較少，往往適用于優化度不高的河段；棲息地法最為典型方法有IFIM法，優點是能夠將河流流量和生物信息資料向結合，更能符合實際情況，但對定量化生物信息獲取較難，故該方法的推廣和應用受到一定限制[3- 5]。

本文以大凌河為例結合該區域水資源開發的主要方式，對河流潛在開發需求進行估算，并探討分析不同時期的徑流可變區間，以期為促進大凌河水資源合理開發與規劃提供一定決策依據。

1 研究方法

1.1 聚類法理論

在我國東北部地區的河道徑流通常存在較為明顯的枯水期、汛期、汛期前與后等季節性特征，本文對大凌河流域按照聚類法與三分法劃分為平水期、枯水期和汛期徑流特征。聚類法是按照物以類聚的原理將一些列變量進行相關類別的劃分，然后根據親疏關系進行第二次合并，以此循環往復最終得到數據差異較小的同一類別，而對于不同類別之間存在較大的差異。

滿足河流基本生態環境功能的徑流區間主要有天然最小和最大月均徑流，水生生物在此區間范圍經過了較長時間的適應，并且能夠維持正常的群落結構，而不會發生不可恢復的生態系統破壞。在枯水期大型水電工程會放水增加下游河道徑流，從而形成增水河段，在此作用下下游河段小水電引水和大水電放水并進一步形成增水減弱河段。所以，水電站蓄水與放水作用可對水文情形產生較為明顯的改變，并大于徑流可變區間。

1.2 計算流程

以多年平均月徑流作為徑流分期的數據基礎，然后利用SPSS軟件和各月徑流數據進行聚類的分析，并得到河流枯水、平水以及汛期3個階段。對河道徑流可變區間在不同時期的變化范圍按照下式進行求解：

(1)

(2)

(3)

(4)

在滿足河道徑流可變區間的條件下，根據可利用水資源占徑流總量的比例確定大型水電工程對水資源的可開發利用率。

2 實例應用

2.1 大凌河概況

大凌河流域，大小支流交錯，全長398km，面積約為2.35萬km2，是遼寧省生活用水及工農業用水的主要供給來源。資料顯示，該流域降水量主要集中在每年的7—9月，約占全年降雨量的62.7%，年降水量約為450～810mm，徑流量約為16.67億m3，屬于大陸性季風氣候區，年平均溫度為8.5～12.7℃。

選定科學合理的水文站點是影響水資源可開發利用評價精確性的關鍵，故本文結合大凌河水文資料，并考慮了朝陽水文站的地形地貌特征，選取該水文站1985—2010年的逐月徑流記錄作為歷史徑流數據來源。近年來，主要水資源開發活動及其規劃主要集中在大凌河河流的中上游區域，而朝陽水文站是給區域的主要觀測站，因此對該流域上中上游水資源開發活動規模可通過下游河道的生態需水閾值的核算進行有效的約束，并為水資源規劃與開發提供一定參考[6]。

2.2 徑流分期特征分析

根據大凌河朝陽水文站多年徑流數據資料，獲取該流域分期聚類結果及其多年月均徑流量數據[7]，見表1。由表可知，每年的11月—次年5月、6月和10月、7—9月分別為大凌河流域的枯水期、平水期和汛期，分別持續7個月、2個月、3個月，相應的徑流總量分別占全年的62.5%、19.4%和18.1%。

表1 徑流分析與徑流可變區間

2.3 水資源可開發利用率

以同期平均徑流量為基準，在枯水、平水和汛期大凌河的徑流可變區間分別處于58.0%～180.5%、45.5%～216.2%、37.8%～195.0%。年內動態變化較大的為河道最小生態需水，并且處于同期的37.8%～58.0%范圍；占生態需水平均徑流最大和最小的時期分別為枯水期、豐水期，年內最大洪流變化區間相對較小處于180.5%～216.2%范圍。

大凌河可利用水資源與最小生態需水量年際變化范圍為20.8～533.2m3/s和30.1～325.4m3/s；可利用水資源量和河道最小生態需水量最大與最小值分別發生在9月、2月，如圖1所示。

圖1 大凌河可利用水資源與最小生態需水分布狀況

以大凌河朝陽水電站為研究對象，每年的6—10月份該水電站完成需水，并在枯水期進行放水。在汛期和平水期，該水電站最大可需水量為滿足生態需水后的可利用水資源量，所以約60.5%的汛期和平水期徑流量可作為該水電站的需水量，并以此作為該河流的水資源可開發利用率。如果在枯水期這部分水資源在下游河道釋放后，則各月份最大洪流和水文情形模擬結果如圖2所示。

圖2 大凌河模擬徑流量

河道的最大洪流在枯水期均小于河道的模擬徑流，這可能與河道生態系統功能與結構在枯水期遭到破壞等因素相關。換言之，對于具有較為明顯的豐枯季節性河流，僅僅從河道最小生態需水的角度是無法保證水資源開發活動的合理規劃的，同時還要考慮最大洪流和最小生態需水的河道徑流可變區間特征。以朝陽水文站為例，對枯水期河道徑流滿足最大洪流約束時的增加空間進行分析，結果為45.2～130.6m3/s，可增加河道徑流量為12.5億m3，在汛期和平水期水電站能夠需水的最大量即為該徑流量。所以，河道最大洪流在滿足枯水期的約束條件下，可開發利用水資源為徑流量的18.6%。滿足平水期和汛期的最小生態需水量的可開發利用率要大于滿足枯水期河道最大洪流的條件下，通過對比分析兩種結果，可為區域水資源開發活動提供一定參考與依據[8]。

2.4 結果分析

大凌河流域具有明顯的豐枯特征，并且由于引水工程建設較為滯后，使得該區域長期存在工程型缺水問題。大量水資源在汛期無法得到充分利用，而在枯水期無法滿足冬春農業灌溉用水，不利于流域下游區域的農業發展。近年來，許多中小型水利工程陸續修建，在季節性調水方面發揮了較大作用，在一定程度上緩解了大凌河河流的水文情勢。下游河道最大徑流量在汛期呈現出逐漸減小的趨勢，而在枯水期最小徑流量呈現出增大的趨勢[9]。

在水利工程調節作用下，枯水期增加的河道流量可有助于緩解下游區域冬春季節的農業灌溉用水壓力，然而河道徑流量在農業灌區引水口和工程設施放水口之間可出現急劇增加的變化趨勢，甚至可能發生徑流量大于最大洪流的情況，進而對河流生態系統與完整結構造成一定的破壞。目前，水利工程的建設運行和發展規劃往往只是考慮了最小生態需水，而對季節性放水可能造成的超過下游河道最大洪流的狀況考慮相對較少。

水力學法、水文學法、水文-生物法、綜合分析法以及環境功能設定法通常為河道生態需水計算的方法。在河流前期規劃階段要求精度不高的生態需水核算方面，水文學法具有較強的適用性與可行性。在我國其他流域水文學法也得到了較為廣泛的應用，傳統的水文學法在長期的應用過程中通常是對最小生態需水進行估算。然而，對于特定的生態環境水生生物具有相應的耐受范圍，在最小生態需水研究方面未來應對其上、下界限做深入的探討，并考慮可變區間的作用。因此，本文對河道徑流閾值和動態性方面考慮引入河道徑流可變區間估算法，具有較強的科學性與可靠性，對于引導流域水資源開發活動可根據可變區間核算成果進行設定[10]。

3 結語

本文以大凌河流域為例，建立了包含最大洪流和最小生態需水的河道徑流可變區間估算法，并分析了河道徑流的閾值性和動態性特征，得出的主要結論如下：

(1)在汛期和平水期，朝陽水電站最大可需水量為滿足生態需水后的可利用水資源量，即60.5%的汛期和平水期徑流量可作為該水電站的需水量，并以此作為該河流的水資源可開發利用率。

(2)對枯水期河道徑流滿足最大洪流約束時的增加空間進行分析，結果為45.2～130.6m3/s，可增加河道徑流量為12.5億m3，河道最大洪流在滿足枯水期的約束條件下，可開發利用水資源為徑流量的18.6%。

(3)滿足平水期和汛期的最小生態需水量的可開發利用率要大于滿足枯水期河道最大洪流的條件下，對比分析兩種結果，可為區域水資源開發活動提供一定參考與依據。本文對河道徑流閾值和動態性方面考慮引入河道徑流可變區間估算法，具有較強的科學性與可靠性，對于引導流域水資源開發活動可根據可變區間核算成果進行設定。