基于生態流量滿足分析的涇河生態流量研究

魏 凱，魏幫成

（1.甘肅甘蘭水利水電勘測設計院有限責任公司，甘肅 蘭州 730000；2.蘭州建設投資（控股）集團有限公司，甘肅 蘭州 730000）

0 背景

近年來，隨著社會經濟的飛速發展，平涼市工農業及生活用水量劇增，水資源供需矛盾凸顯，特別是涇河崆峒區段生態用水無法得到保證，水生態系統遭到破壞。為了實現水環境與社會經濟的協調發展，推動水資源的合理開發和利用，維持河流生態需水的呼聲越來越高。河道內生態環境需水量是指維持水生生物正常生長所需水量[1]，目前主要流行四種方法，水文學法[2]、水力學法[3]、水生生物棲息地法[4]及綜合分析法[5]。水文學法計算相對簡單，且對水文資料需求較少，主要為Tennant 法；水力學法是通過水位、流速、水力半徑、濕周等河流水力學參數來估算生態需水量；水生物棲息地法需要同時考慮河流的水文特點和生物需求；綜合分析法主要考慮水生態功能的整體性。本文根據涇河流域的特點，使用Qp法、Tennant 法、頻率曲線法、近十年最枯月流量法及涇河納污能力設計流量分別計算涇河最小生態需水量，并通過生態流量滿足程度分析，最終提出適合涇河實際的生態流量目標值。

1 涇河流域概述

涇河發源于寧夏回族自治區涇源縣關山東麓老龍潭，源地海撥高程2600 m，干流自西北向東南流經寧夏、甘肅、陜西三省區的固原、平涼、慶陽和咸陽等城市，從咸陽市長武縣湯渠村進入陜西省，在陜西省西安市高陵縣涇渭灣鎮陳家灘匯入渭河，全長455.1 km，河道平均比降4.77‰，流域面積45421 km2。總落差2179.9 m，年徑流量20.7 億m3。甘肅省境內流域面積占流域面積占流域總面積的2/3，流域地貌特征分為北部黃土丘陵區、中部黃土塬區、西南部山地林區和東南部山川區，多年平均流量約53.1 m3/s，多年年平均輸沙量3.82 億t，是黃河泥沙的主要來源之一。

據統計，涇河內共分布有魚類3 目5 科22 屬27 種，其中8 種屬人工放養魚類，野生魚類有19 種，占總種類數的70.4%，分別占甘肅省魚類資源（105 種）的18.1%和隴東黃土高原魚類資源（22 種）的86.4%。涇河自上而下的崆峒水庫、八里橋、平鎮橋、涇川等4 個水質斷面中，崆峒水庫斷面除了枯水農灌期水質為Ⅲ類外，水質基本維持在Ⅱ類；八里橋和涇川斷面水質也相對較好，全年水質達到了Ⅲ類。

2 生態流量分析

2.1 控制斷面選擇

根據河湖生態環境需水計算相關規范并結合涇河實際情況，生態流量控制斷面選擇考慮以下因素：①重要控制斷面；②省（市、縣）界重要斷面；③有涉水重要保護目標分布的斷面；④水利樞紐工程所在的河段代表斷面；⑤有水文站長系列水文資料支撐。根據以上原則，本次研究選取涇河八里橋、平鎮橋、涇川3 處斷面。八里橋是重要水工程斷面，平鎮橋是主要水文站斷面，涇川是跨界斷面。具體位置見圖1。

圖1 涇河各斷面范圍分布示意圖

2.2 生態需水分析

本次涇河生態流量包括生態基流和敏感生態流量。其中生態基流指為維持河流基本形態和基本生態功能的河道內最小流量，河流基本生態功能主要為防止河道斷流和水質惡化、避免河流水生生物群落遭受到無法恢復的破壞等；敏感生態流量主要包括重要水生生物生態需水等。具體見表1。

表1 涇河各斷面生態需水分析

2.3 水文資料評價及徑流分析計算

平涼水文站1974 年建站，實測資料缺失年份本次利用崆峒水文站與平涼水文站同步天然徑流相關分析，相關系數R=0.9634，相關性較好，利用兩站相關關系將平涼水文站年徑流延長為1956 年～2016 年。涇川水文站徑流資料缺失1956 年～1972 年份點繪降水量與徑流深關系，點據散亂無明顯偏離，將涇川水文站年徑流延長為1956 年～2016 年。繪制八里橋與涇川站1956 年～2016 年年徑流時序圖和差積曲線圖，見圖2。八里橋站系列中包含了10 個豐水年、6 個偏豐年、16 個平水年、17 個偏枯年，11 個枯水年。涇川站系列中包含了6 個豐水年、7 個偏豐年、22 個平水年、19 個偏枯年，6 個枯水年。利用八里橋水文站與涇川水文站1956 年～2016 年61 年徑流系列，采用P-Ⅲ型曲線適線，進行統計計算。得到八里橋水文站平均流量Q0=3.96 m3/s，多年平均徑流量為1.25 億m3，Cv=0.60，Cs=2.0Cv；涇川站多年平均流量 Q0=7.67 m3/s，多年平均徑流量為 2.42 億 m3，Cv=0.58，Cs=2.5Cv。

圖2 八里橋與涇川站1956 年～2016 年年徑流時序圖和差積曲線圖

平鎮橋為水質監測斷面，并非水文監測斷面，缺乏長序列水文資料，采用面積比擬法推求各斷面長系列月徑流過程。推求方法為：

式中：W 為非控制區徑流量，萬m3；F 參為參證站徑流量，萬m3；F 為非控制區面積，萬 m3；ɑ 為修正系數。

涇河流域涇川斷面以上流域面積約3145 km2，平鎮橋斷面以上流域面積約2035 km2，八里橋斷面以上流域面積約1305 km2，由于八里橋斷面以上區域大部分屬于關山地區，降水量較大，平鎮橋斷面以八里橋至涇川斷面比例計算更加準確，其面積比約占39.68%。涇河水文測站生態流量控制斷面徑流分析計算成果見表2。

表2 生態流量控制斷面徑流分析計算成果表

2.4 生態流量分析計算

2.4.1 生態基流

本次采用Qp法、Tennant 法、歷史流量法、近十年最枯月流量法對涇河的生態流量進行計算。其中Tennant 法以實測徑流量的10%作為非汛期基本生態需水量初值。涇河各斷面生態流量指標計算結果見表3。其中Qp法和近十年最枯月流量法計算的基本生態環境需水量顯著偏小，不能滿足水環境用水基本需求，河流基本生態功能無法持續維持。

表3 涇河基本生態環境需水量初值計算匯總表 單位：m3/s

2.4.2 敏感生態流量

涇河下游存在土著魚類的棲息河段，魚類產卵期為每年的4 月～6 月，河流及河漫灘濕地植被需水關鍵期為每年4 月～5 月，植被生長期為6 月～9 月。結合北方河流年內變化規律，將每年4 月～6 月作為敏感期進行敏感生態流量分析，涇河對應流速0.3 m/s～0.8 m/s，有淹沒岸邊的流量過程，在魚類棲息地河段需維持一定水面，水深在1 m 左右，滿足魚類產卵生態水量需求（以鯉魚為需水對象）。本次敏感生態流量計算以Tennant 法為基礎，根據涇河保護目標分布，選擇多年平均實測流量的30%～40%作為4 月～6 月份敏感生態流量初值。在此基礎上，分析需水對象繁殖期和生長期對水深、流速、水面寬等要求，涇川斷面敏感生態流量為2.1 m3/s～3.0 m3/s。

2.5 生態流量滿足程度分析

采用流量滿足程度指標進行評價分析，生態流量滿足程度指評價時段內滿足生態流量的時長所占評價時段總時長的比例。涇河斷面采用 1975 年 ～2000 年、2001 年 ～2016 年月均流量系列進行評價，八里橋斷面由于在1982 年～1997 年間撤站，資料完整程度不夠，其滿足評價序列僅對1974 年～2016 年已有資料進行評價。所確定的生態基流原則上以月均流量滿足程度不低于90%為準，最終確定八里橋斷面非汛期生態基流為0.13 m3/s，涇川斷面0.75 m3/s。具體見表4。

表4 涇河八里橋、涇川斷面生態基流月均流量滿足程度統計表 單位：m3/s

2.6 生態流量綜合確定

基于平涼市水資源持續衰減的實際情況，平涼涇河生態流量以維持河流基本生態環境用水需求為目標，重點保障枯水期基本生態環境需水量，保證河道不斷流、水質不惡化為目標，維護河流基本生態環境功能發揮。同時考慮到涇河水資源相對條件較好，且上游有崆峒水庫可以調節水量，綜合考慮流域社會經濟需求和河流生態環境需求，平衡社會經濟發展和河流生態環境需水，確定涇河各斷面生態流量見表5。

表5 涇河基本生態環境需水量初值計算匯總表 單位：m3/s

3 生態流量保障措施建議

3.1 合理規劃、建設水利工程

采用規劃水資源調節工程、增強節水能力等自身挖潛手段，以及實施外流域引水，增加境內水資源量等補充手段，并加大節水力度，加強非常規水利用，對提高生態流量滿足程度、改善境內水生態環境起到積極作用。

3.2 加強組織協調

崆峒區、涇川縣聯合制定保障生態流量可行方案。將涇川斷面生態流量納入地方經濟社會發展規劃，全面推行用水總量控制，保障基本生態環境水量。

3.3 增設自動水文觀測站

平鎮橋斷面均屬水質監測斷面，缺乏必要的監測手段，建議新增相應的水文監測斷面，增強生態流量監控。

3.4 建立生態流量管理制度

將涇河的生態流量納入平涼市水資源調度方案。由平涼市政府制定地方法規，成立生態調度管理機構，將生態流量納入區域水資源統一管理，切實保障生態流量。

3.5 研究生態流量補償機制

在涇河上下游各地區間提出跨區域（流域、行政區）的生態補償機制，提出以直接支付生態補償金為內容的補償方式。

3.6 加強管理與監督

加強水利工程運行管理和監督，加大流域生態環境保護力度，嚴格執行“三條紅線”水資源總量控制、用水效率控制和水功能區限制排污總量控制。同時將區域生態流量保障程度納入地方最嚴格水資源管理考核體系。

4 結語

涇河是平涼市人民的母親河。保障涇河生態流量是落實平涼市水安全保障的底線，在發展與保護同步推進形勢下，對推動涇河流域生態保護及綠色發展具有重要意義，本文經分析計算，確定了涇河主要斷面生態基流并提出系列保障措施，可供從事水資源開發、保護及管理工作者借鑒。