遼河流域生態需水量計算及水資源分配研究

曾祥玲

（遼寧省生態環境保護科技中心，遼寧沈陽 110161）

1 引言

美國漁業與野生生物保護組織（United States Fish and Wildlife Service，USFWS）于20 世紀40 年代提出了河流生態需水量的概念并開始進行研究，當時的河流生態需水量是指避免河流生態系統退化的河道最小流量［1-3］。國內外早期關于河流生態需水量的研究主要是對河道枯水流量的研究，隨著研究的深入，河流生態需水量被賦予了更多的內涵與意義［4-8］。目前河流生態需水量是在河道最小生態流量的基礎上加入河道稀釋自凈需水量，河道輸沙需水量，河道水鹽平衡需水量，河口地區生態平衡需水量，水（濕）生生物棲息地需水量，地下水入滲補給需水量，河流系統中天然和人工植被耗水量，保持水體調節氣候、美化景觀等功能所損耗的蒸發量等［9-10］。

2 遼河生態需水量計算方法

由于水資源短缺，水資源開發利用率高，遼河流域的水環境問題應加以重視。合理分配河流生態需水比例，進行水資源優化配置，實現水資源可持續利用，是進行水生態恢復的關鍵，而計算河流生態需水量成為首要解決的問題。

遼河流域的主要環境問題是河道斷流、泥沙淤積、地表水污染等［11］，因此，遼河流域應該以解決河道斷流、泥沙淤積、水體污染為近期的重要治理目標。根據流域存在的主要生態環境問題來確定河流生態需水量類型。遼河流域生態需水量由河流基本生態需水量、河流稀釋自凈需水量、河流輸沙需水量和河流蒸發需水量4 個部分組成。

2.1 河流基本生態需水量

河流基本生態需水量，又稱為河道最小生態流量，是指用以維持河流的基本形態和功能不受破壞，維持水生生物的生長與繁殖所需要的水量。采用月保證率法計算河流基本生態需水量，具體步驟為：根據水文數據，將河流的月天然徑流量進行排序。計算不同保證率（25%，50%，75%，95%）及多年平均狀態下所對應的各月的天然徑流量。以不同的月天然徑流量的百分比作為河流基本生態流量的等級，計算得出不同保證率及多年平均狀態下的月基本生態需水量。

2.2 河流稀釋自凈需水量

河流稀釋自凈需水量采用近10 年最枯（小）月平均流量法計算［12］，即用近10 年最枯（小）月平均流量作為河流稀釋自凈需水量。該方法是由7Q10 法［13］修改而來的，計算公式如下：

式中，Wd為河流稀釋自凈需水量，m3；Wij為近10 年最枯（小）月平均徑流量，m3。

2.3 河流輸沙需水量

河流輸沙需水量是指河流為了維持河道水沙平衡所需水量，每年6—9 月為遼河流域汛期，汛期的輸沙量約占全年輸沙總量的80%以上，因此可以以汛期輸沙需水量代替全年輸沙需水量，而非汛期的輸沙需水量可以忽略。計算公式為：

式中，Ws為河流輸沙需水量，m3；η 為輸沙效率，即入口斷面輸沙量與出口斷面輸沙量的比值；α 為指數，η＜1 時，取α＝1，η＞1 時，取α＝0；Ww為凈水量，m3；W為徑流量，m3；S 為輸沙量，108t；γs為泥沙容量，一般取2.65 t/m3。

2.4 河流蒸發需水量

河流蒸發需水量主要是指由于水面蒸發所需要的補水量。當河流水面蒸發量大于降水量時，河流蒸發需水量為兩者之差；當河流水面蒸發量小于降水量時，河流蒸發需水量為0。計算公式如下［14］：

式中，We為河流蒸發需水量，m3；A 為水面面積，m2；E 為水面蒸發量，mm；P 為降水量，mm。

2.5 河流生態需水量計算方法整合

河流的生態需水量按照其功能類型可分兩類，分別為非消耗型需水量和消耗型需水量，生態需水量則為這兩部分需水量之和。其中非消耗型需水量包括河流基本生態需水量、河流稀釋自凈需水量和輸沙需水量，計算時采用取大原則。消耗型需水量為蒸發需水量［15］。

3 數據來源與分析

本研究所用的數據來源于1996—2010 年中華人民共和國水文年鑒。研究選取遼河干流7 個水文站（福德店、通江口、鐵嶺、馬虎山、平安堡、遼中和六間房）、渾河干流4 個水文站（北口前、撫順、沈陽和邢家窩棚）、太子河干流5 個水文站（小市、本溪、遼陽、小林子和唐馬寨）的天然月徑流量、輸沙率、降水量和蒸發量等資料。根據遼河流域水文要素變化特征，6—9 月為汛期，7—8 月為主汛期，其他月份為非汛期，將遼河流域的需水過程分為汛期和非汛期，分別計算其生態需水量。

4 生態需水量計算

4.1 基本生態需水量

采用月（年）保證率法計算河流基本生態需水量，由于遼河流域水資源開發利用程度較高，采用河流天然徑流量的10%作為河流的基本生態需水量。河流在75%保證率下的基本生態需水量見表1。

表1 基本生態需水量 108 m3

4.2 河流稀釋自凈需水量

應用近10 年最小月平均流量法計算河流稀釋自凈需水量，結果見表2。

表2 稀釋自凈需水量 108 m3

4.3 河流輸沙需水量

遼河的輸沙功能可在6—9 月完成，根據這一特點，本研究只考慮6—9 月輸沙需水量，結果見表3。

表3 輸沙需水量 108 m3

4.4 河流蒸發需水量

以相鄰2 個水文站中間點為分界，分別計算各水文站的蒸發量，若該水文站沒有蒸發量和降水量的相應數據，則采用鄰近水文站的數據，結果見表4。

表4 蒸發需水量 108 m3

4.5 河流生態需水量整合

對各水文站區間的生態需水量進行類型整合，在基本生態流量、稀釋自凈需水量和輸沙需水量中選取最大值，再與蒸發需水量進行疊加，計算得出各水文站在75%保證率下的生態需水量，見表5。

表5 生態需水量 108 m3

5 生態需水與水資源優化配置

遼河干流、渾河干流及太子河干流各水文站生態需水量（P＝75%）與多年平均徑流量的比值見表6。表6 中所得結果可用于各水文站水資源優化配置，即在進行水資源規劃時，各水文站需留出大于該比值的水量，用于生態需水，以保證流域水生態系統健康。

表6 生態需水量與年均徑流量比值

6 結論與建議

（1）本研究計算了遼河、渾河及太子河干流的主要水文站的生態需水量，根據水文資料與生態需水量的對比，可以得出在天然徑流條件下，各水文站基本都能滿足生態需水量的要求，而且還有部分剩余水量，可作為河道外引用水。

（2）遼河、渾河及太子河干流具有明顯的季節性，充分利用汛期水量，既可以避免汛期洪水威脅，又可保證非汛期有水可用。因此應充分利用河流的上游水庫，在汛期蓄水，在非汛期或枯水年放水，以保持河流基本生態需水量，維持河流基本生態功能。

（3）各水文站生態需水量（P＝75%）與多年平均徑流量的比值，可用于各水文站水資源優化配置，即在進行水資源規劃時，各水文站需留出大于該比值的水量，用于生態需水，以保證流域水生態系統健康。