湟水河谷典型支溝置換擠占河道內生態水量研究

劉柏君，崔長勇，王林威，侯保儉

(黃河勘測規劃設計研究院有限公司，河南 鄭州 450003)

1 研究背景

青海是國家級戰略資源接續和儲備基地，是穩藏固疆、經略西部的國家戰略安全要地，也是河湟文化發祥地[1- 2]。湟水河谷是青海省政治、經濟、交通、文化中心地區，以僅占全省2.9%的土地面積，3.5%的水資源量，支撐了全省58%的人口、57%的GDP和54%的耕地面積。隨著國家西部開發戰略深入推進、“一帶一路”戰略的實施及《蘭西城市群發展規劃》落地，湟水河谷將形成城市群集約高效開發、大區域整體有效保護的大格局，以西寧為中心的城市群將承載全省70%以上的人口，2040年地區經濟總量將超萬億元，區域用水需求將快速增長[3- 4]。

青海省東部地區生態地位獨特，是青藏高原生態屏障的核心組成部分，國家對其提出了更高的要求[5- 6]：“加大生態修復力度，大力發展生態綠化，維護生態屏障安全”。湟水兩岸支溝承載著區域生活、工業、農業用水，支溝水資源開發程度逐年增加，河道內生態需水受擠占嚴重，難以保證河道內所需生態水量，導致支溝水生態形勢更加嚴峻。通過其他水源進行置換，成為了釋放受擠占河道內生態水量的有效方式之一。姜斌和夏朋通過調研南水北調工程受水區不同省市擠占農業與生態用水情況，分析了受水區擠占農業與生態用水的返還方案，從政策、法規方面提出了返還保障措施[7]。付其魯等分析計算了德州市2008、2014年2個水平年的城市用水和工業用水擠占農業用水和生態用水量[8]。孫建光和韓桂蘭對塔里木河流域被擠占的干流綠洲生態水權進行了研究，探究了擠占期，為確定塔河流域擠占干流綠洲生態水權歸還和經濟補償提供依據[9]。張發斌采用黨河干流地表水向敦煌市供水的方式，研究了市區地下水源置換的問題[10]。可以看出，針對置換擠占河道內生態水量問題并未開展系統、深入的研究。因此，本文通過分析典型支溝水資源與水生態情勢，探究河流水資源與水生態問題；基于河道內生態需水量分析結果，提出一種計算置換擠占河道內生態水量方法，從而獲取湟水河谷典型支溝河道內置換水量。

2 典型支溝水資源與水生態情勢分析

本次在湟水河谷選擇人口、耕地分布比較集中的20條支溝作為研究對象，河谷典型支溝概況詳見表1。

表1 湟水河谷典型支溝概況

2.1 典型支溝水資源情勢

當前僅有西納川、北川河、沙塘川、引勝溝、小南川、巴州溝等湟水支流設置有水文站。根據1967—2016年實測資料分析，小南川河王家莊站多年平均實測徑流量4303萬m3，年際變化劇烈，最大年均徑流量9829萬m3，最小年均徑流量2334萬m3，極值比為4.21；該站徑流年內主要集中在7—10月，占全年58.4%，最小值出現在3月份，僅為13.7萬m3。

巴州溝吉家堡站多年平均實測徑流量2815萬m3，最大年均徑流量8386萬m3，最小年均徑流量970萬m3，極值比為8.64，表明該站徑流年際變化十分劇烈，徑流整體呈現明顯的降低趨勢；徑流年內主要集中在7—10月，占全年61.3%，最小值出現在11月份，僅為39萬m3。

西納川河西納川站多年平均實測徑流量1.41億m3，最大年均徑流量30700萬m3，最小年均徑流量5085萬m3，極值比為6.04，表明該站徑流年際變化劇烈；7—10月徑流占全年58.6%，多年平均最枯月為2月，僅占全年2.7%。沙塘川河傅家寨站多年平均實測徑流量1.0億m3，最大年均徑流量17957萬m3，最小年均徑流量4348萬m3，極值比為4.13，表明該站徑流年際變化劇烈；7—10月徑流占全年52.3%，多年平均最枯月為4月，占全年4.5%，這與沙塘川河區域內大量灌溉用水有關。

此外，引勝溝八里橋站多年平均實測徑流量6794萬m3，最大年均徑流量13398萬m3，最小年均徑流量3943萬m3，極值比為3.4，相比其他站，該站徑流年際變化相對較小，而該站徑流整體呈現微微的下降趨勢；該站徑流年內基本集中在7—10月，占全年79.4%，多年平均最枯月為3月，徑流僅有90萬m3，占全年1.3%。

通過計算，20條支溝近10年平均天然徑流量為9.2億m3，現狀地表供水量為3.90億m3，平均地表水開發利用率42.4%。湟水南北岸支溝來水量年內分布極為不均，徑流主要集中在7—10月，占全年徑流量的60%左右，1—2月徑流量占比均在14%以下。通過分析，南岸支溝1956—2010年年均天然徑流相比于1956—2000年呈減少趨勢，其中，馬哈拉溝年均天然徑流減少量高達2184.3萬m3，虎狼溝、巴州溝、隆治溝、松樹溝的年均天然徑流減少量分別為1530.5萬、1505.2萬、1234.6萬、1079.8萬m3。

2.2 典型支溝水生態情勢

根據2008—2011年調查，湟水支溝北川河、沙塘川分布有珍稀瀕危魚類2種，分別為極邊扁咽齒魚與擬鲇高原鰍；分布地方保護魚類5種，分別為黃河雅羅魚、花斑裸鯉、黃河裸裂尻魚、極邊扁咽齒魚和擬鲇高原鰍[11- 12]。現狀，由于支溝水資源過度開發利用，造成土著魚類資源和物種資源發生衰退。

同時，湟水南北岸典型支溝水質達標率為80.16%，不達標河溝主要為北川河朝陽以下河段、南川河西寧市區段、沙塘川八一橋以下河段，水質均在IV類～劣V類。污染最為嚴重的是南川河與北川河，如南川河六一橋至南川河口段水質為劣V類，生態需氧量與氨氮均超標嚴重，加之部分支溝地表水資源開發利用程度較大，造成河溝自凈能力較弱，支溝河道內缺水情勢更為顯著。

2.3 存在問題

綜上發現，南北岸各支溝現狀年地表水資源開發利用程度逐年提升，地表水資源開發利用程度超過40%的支溝為12條，超過60%的有6條，南岸虎狼溝、南川河、小南川河、祁家川、隆治溝地表水資源開發利用程度已分別高達94.6%、73.2%、75.9%、75.1%、79.9%，北岸云谷川、沙塘川、哈拉直溝地表水資源開發利用程度已分別高達56.3%、62.5%、56.9%，詳見表2。湟水南北岸各典型支溝河道內生態水量受擠占嚴重，導致河溝水生態質量變差、水生態系統惡化。未來隨著區域西納川、楊家、文祖口等十多座中小型水庫建成運用，當地水資源開發利用程度將進一步提高，河道內水資源受擠壓形勢將更加嚴峻。

3 典型支溝河道內生態需水量計算

3.1 計算原則

湟水是黃河流域濕地的集中分布區之一，具有重要水源涵養和生物多樣性保護等功能，對維持黃河水生態安全具有重要意義；湟水水系土著魚類是黃河瀕危魚類保護及中國生物多樣性保護的重要組成部分，其瀕危保護魚類物種及種群保護是對維系黃河上游魚類物種資源至關重要，具有重要生態保護價值[13]。結合湟水支溝水資源與水生態情勢，明確了典型支溝的河道內生態保護目標為：①保障支溝河道內生態基流；②維持支溝生物棲息地健康；③保障支溝連通性及特有的地貌特征；④維護支溝景觀效果；⑤保護支溝范圍內環境敏感區[14- 15]。

表2 湟水河谷典型支溝水資源開發利用程度分析

3.2 計算方法

鑒于典型支溝徑流及生態監測資料較少，由此，基于典型支溝1956—2010年天然徑流數據，采用Tennant法計算河道內生態環境需水量，該法使用起來較為簡單、方便[16- 17]。采用水利部SL/Z 712—2014《河湖生態環境需水計算規劃》中生態基流計算推薦比值，見表3，湟水南北岸典型支溝4—6月灌溉期及魚類產卵期生態需水量按照同時期徑流量的40%確定，豐水期7—10月生態需水量按照同時期徑流量的40%確定，包含枯水期在內的11—3月生態需水量按照同時期徑流量的20%確定，對應河流流量狀況均為“好”。

3.3 計算結果

通過計算可知，湟水河谷20條典型支溝河道內生態需水量合計3.35億m3。其中，湟水北岸西納川等9條支溝河道內生態需水總量為2.2億m3，詳見表4。

湟水南岸大南川等11條支溝河道內生態需水總量為1.15億m3，詳見表5。

表3 不同流量百分比對應河道內生態環境狀況 單位：%

4 置換擠占河道內生態水量研究

4.1 計算方法提出

考慮到近年來，青海省以西寧市為中心城市，以樂都區為副中心城市，以湟源縣、湟中縣、大通縣、互助縣、平安區、民和縣和中心鎮為節點，大力推進東部城市群建設，加快青海社會經濟發展。湟水干流與南北兩岸支溝作為東部城市群的供水河流，水資源合理開發利用與保持河道生態平衡顯得尤為重要。現狀湟水支溝主要灌溉期4—6月份來水量不足，用水量較大，水資源供需矛盾突出，有些特枯水年常發生斷流，河道內需水受擠占嚴重，最基本生態、稀疏自凈用水無法得到保障，制約了東部城市群生態、水資源、社會經濟的可持續發展。

表4 湟水北岸典型支溝河道內生態需水月過程 單位：萬m3

表5 湟水南岸典型支溝河道內生態需水月過程 單位：萬m3

因此，基于典型支溝現狀農業、工業、生活需水量，采用長系列徑流調節計算置換擠占河道內生態水量。置換擠占河道內生態水量估算方法為：

(1)采用典型支溝河道內生態需水量計算結果。

(2)根據生態優先原則，優先滿足生態需水，其次滿足生活、工業、灌溉等生產用水。

(3)根據支溝來水、河道內需水、現狀用水、調節庫容等，采用長系列徑流資料進行逐月水量平衡計算，分析各典型支溝生態優先下河道外缺水量。

(4)選擇P=75%～80%年份分析計算的支溝現狀河道外生產(主要是灌溉)缺水量作為生態優先下支溝河道外需補水量。

所選支溝中具有一定調蓄能力的水庫見表6。

4.2 計算結果

經長系列計算分析，P=75%～80%年份，湟水河谷典型支溝置換擠占河道內生態水量為8484萬m3。其中，北岸支溝為2483萬m3，南岸支溝為6001萬m3。未來可通過外流域調水工程置換擠占河道內的生態水量。結果詳見表7—8。

表6 典型支溝現狀調蓄水庫 單位：萬m3

表7 南岸典型支溝水量分析結果 單位：萬m3

表8 北岸典型支溝水量分析結果 單位：萬m3

5 結語

湟水河谷在國家“一帶一路”戰略中有著極其重要的區位優勢和重要地位，更是《蘭州-西寧城市群發展規劃》中的重要組成部分。然而，隨著湟水河谷人口增加和經濟的迅速發展，區域需水量迅猛增長，湟水河谷南北岸典型支溝河道內水資源受擠占嚴重，導致河溝水生態質量變差、水生態系統惡化。未來隨著區域十多座中小型水庫建成運用，當地水資源開發利用程度進一步提高，河道內水資源受擠壓形勢將更加嚴峻。如何計算河道內受擠占生態水量，是保障河道生態安全的重要問題。

本文通過分析典型支溝水資源與水生態情勢，探究支溝面臨的水資源與水生態問題，基于支溝河道內生態需求計算各支溝河道內生態需水量，最后基于典型支溝現狀農業、工業、生活需水量，采用長系列徑流調節計算置換擠占河道內生態水量。結果顯示，P=75%～80%年份，湟水河谷典型支溝置換擠占河道內生態水量為8484萬m3，其中，北岸與南岸支溝分別為2483萬、6001萬m3。本文的研究成果能夠為湟水河谷生態保護、水資源高效開發利用、區域節水與調水工程規模論證提供有力參考。