大凌河中下游河道生態需水量計算分析

王安琪

(遼寧省朝陽水文局，遼寧 朝陽 122000)

0 引 言

1990s以前，國內外學者大多從河道生態系統的角度開展生態需水量研究，對河流流量主要依據水文歷史資料和7Q10法、Tennant法分析，隨后有水力學者利用濕周法、R2CROSS法對河流所需流量進行計算，但這兩種方法都未考慮生態學相關要求。Petts等從水生生物流量需求及河道物理形態的角度，提出最佳及最小流量的確定方法；Bovee等有機結合生境評價與水力學的方法，構建了模擬與評價生境適宜性的IFIM模型。1990s以后，相繼出現河流統一、連續的概念，Petts等考慮河流生態系統的完整性以及縱向上河流流量的連接性，提出河流生態系統保護中洪泛平原流量發揮著關鍵作用，其中整體法、BBM法為最常用的方法；此外，有學者認為水資源是維持河流生態系統的基本要求，對于水資源的配置管理者應引起高度重視。我國學者劉昌明[1]、湯奇成等[2]相繼提出生態水利和生態用水的概念，從方向上、整體上明確了河道生態需水研究的框架和范疇；嚴登華等[3]提出河流生態需水具有空間與時間上的變化，主要是指滿足一定水質標準且維持地表水體特定功能所需要的水量；李麗娟等結合北方河流特點和生態環境功能，定義了河流輸沙和生態需水量；劉凌[4]研究認為河流生態需水量應包括河流滲漏及防止蒸發的需水量，此期間月(年)保證率設定法、最小月平均流量法為最常用的方法。

目前，尚未形成系統、完善的生態需水量計算方法和理論體系：①隨著河段、時段、季節的變化河流生態需水量發生相應的改變，所以該數值是一個動態值；②不同河流的生態系統特征往往存在一定差異，各河流的生態需水量無法用某固定的方法來計算；③河道上下游存在重復計算生態需水量的問題，從而增大了實際中生態環境的需水配置難度，并給水資源管理中生態需水的應用帶來一定限制。

鑒于此，文章以大凌河中下游為例，針對不同頻率年提出河道需水量分段計算的思路與方法，并將生態需水類型按照大凌河含沙量大、滲漏性強的特征來判定，為解決河流上下游區間重復計算以及多功能生態需水重疊問題，利用河道自凈、滲漏、輸沙、蒸發需水量以及基礎流量等參數構建需水量計算模型，以期為大凌河流域合理開發和水資源配置提供科學的指導。

1 大凌河河道生態需水類型

調查顯示，大凌河主要存在地下水超采、水質污染、泥沙淤積、河道滲漏、河水斷流等環境問題。近年來，大凌河中下游曾多次出現河道干枯、河水斷流的現象，即使不斷流枯其水流量也非常的小；部分河段滲漏問題突出，測得流量為10m3/s時義縣大凌河段的滲漏量達到0.915m3/s；流經黃土地區、碎屑巖、火山巖的大凌河，其含沙量達到57kg/m3，河流中下游淤積嚴重；據統計，每年向大凌河排放的污廢水達到3.68×108t，總河長的41.8%屬于劣Ⅴ類水質，其中水功能區水質80%以上達不到標準要求。2009-2018年，因水資源短缺大凌河地表水開采率達85.2%，農業、工業、城鎮爭水使得生態水量不斷被擠占。所以，河道蒸發、滲漏和主流需水量屬于大凌河主要生態需水類型，其中主流需水量包括汛期輸沙需水、自凈需水和河道基礎流量[5-7]。

2 生態需水量模型

河道需水量需滿足多種功能時，可以遵循最大原則來計算，即河道的主流需水量取各月不同功能需水量的最大值，其表達式如下：

WMi=max{WBi，WCi，WTSi}

(1)

式中：WMi、WBi、WCi、WTSi依次代表第i月的主流需水量、基礎流量、自凈及輸沙需水量，m3/月。

河道月生態需水量利用加和法計算，即對各月滲漏、蒸發、主流需水量求和，然后加和各月的需水量確定年需水量，計算式為：

WRIi=WEi+WSi+WMi

(2)

式中：WRIi、WEi、WSi依次代表第i月的生態、蒸發和滲漏需水量，m3/月。

針對河流上、下游區間重復計算以及不同功能生態需水的交叉重疊問題，以整個河道的滲漏、蒸發需水量加上各個河段主流需水量的最大值得到整個河流的需水量。

2.1 蒸發需水量

各月的蒸發生態需水量利用水面蒸發量、降水量、水域面積等參數確定，其表達式如下：

(3)

式中：WE為蒸發需水量，m3；A、E、P為各月平均的水域面積，m2、蒸發量，mm和降水量，mm，其中以E601水面蒸發器監測數據確定月平均蒸發量。

2.2 滲漏需水量

地下水位低于河水位條件下，河道滲漏補給量應考慮過水狀態與土質類別間的關系，其計算公式為：

WS=WJ·δ·L

(4)

δ=K/Wdjm

(5)

式中：WS、WJ為河道滲漏量與流量，m3/s；L為河流的長度，km；δ為單位長度河道水量損失率，%/km；K為土壤透水性系數；Wdjm為河道的損失流量，m3/s。

2.3 主流需水量

基于大凌河中下游生態環境實際需求確定主流需水量，即輸沙需水量WTS、自凈需水量WC、基礎徑流量WB。

1)輸沙需水量WTS。一般河流年輸沙總量的80%發生于汛期，即汛期是完成河流輸沙功能的主要時段。因此，維持河流形態動態平衡的有效手段是充分利用汛期較強洪水的輸沙功能，可利用下述公式計算汛期輸沙需水量，即：

WTSij=Wij/Cmax

(6)

式中：WTSij、Sij為第i年第j的輸沙需水量和輸沙量；Cmax為年均最大月含沙量。

2)自凈需水量WC。該參數是指河流改善水質、凈化入河流污染物所需要保持的最小水量，由于計算河流基礎徑流量的方法與選用近10a最小月平均流量的方法基本相同，所以主流需水量計算時可以不考慮河流自凈需水量。

3)基礎徑流量WB。該參數是指維持水生態系統健康、保證河道不斷流的最小需水量，對此可利用Tennant法確定。考慮到整個河道均涉及基礎徑流量，因此維持水生態系統所需要的最小用水量可以取大凌河中游義縣水文站天然徑流量的10%，即最低極限流量。

3 結果與分析

3.1 生態需水量計算

以大凌河流域6個水文站(即建凌、哈巴氣、大城子、朝陽、義縣、凌海)1983-2018年實測徑流資料為基礎，通過排頻確定豐水年(P=20%)、平水年(P=50%)、枯水年(P=75%)、特枯水年(P=95%)依次為1986年、1993年、2000年、2009年，然后對4個水文頻率年的生態需水量按照大凌河各河段特點依次計算。

不同水文站間的滲漏需水量、蒸發需水量利用公式(1)-(6)計算確定，各水文頻率年蒸發、滲漏需水量，見表1。根據以上計算結果依次確定各水文站的輸沙需水量，各水文頻率年輸沙需水量，見表2，在此基礎上計算大凌河中下游生態需水量，各水文頻率年生態需水量，見表3。

表1 各水文頻率年蒸發、滲漏需水量

表2 各水文頻率年輸沙需水量

表3 各水文頻率年生態需水量 104m3

3.2 結果分析

由表3-4可知，相對于枯水年生態需水量豐水年明顯較高，其原因為豐水年輸沙、滲漏和水面蒸發需水量均高于枯水年；7-9月份50%和20%頻率年的生態需水量較高，年內分布上95%、75%頻率年生態需水量較均勻；大凌河中下游95%、70%、50%、20%水文頻率年的生態需水量依次為1.4239×108m3、1.8540×108m3、2.5061×108m3、4.0837×108m3，基礎徑流、輸沙、滲漏、蒸發需水量總體上占生態需水的17.19%、21.05%、76.23%、2.72%。不同生態需水類型所占比例，見表4。

大凌河中下游各頻率年生態需水量相差較大，并且組成比例具有一定差異，對河流生態需水量利用某固定值來分析明顯與實際不符。因此，隨著年際、時段、季節的變化河流生態需水量發生相應的改變，該值是一項動態變化值。

表4 不同生態需水類型所占比例

生態需水量占多年平均和代表年徑流量比例，見表5。由表5可知，大凌河中下游在95%、70%、50%、20%水文頻率年的生態需水量占代表年徑流量比例依次為87.12%、60.04%、60.26%、56.41%，占多年平均流量比例依次為18.91%、28.25%、45.20%、72.61%，由此表明地表水資源在大凌河中下游流域的利用率依次為12.88%、39.96%、39.74%、43.59%。另外，河流生態需水量取多年平均流量百分比中的某定值與河流實際情況不符。

表5 生態需水量占多年平均和代表年徑流量比例

4 結 論

文章以大凌河中下游為例，利用河道需水量計算模型揭示了不同月份、不同年際河道需水量分配規律，主要結論如下：

1)主流、蒸發和滲漏需水量屬影響流域生態需水量的主要因素，以基礎徑流量與輸沙需水量的較大值作為主流需水量，且整個河流的主流需水量取5個河段的最大值，由此可有效解決了河流上下游區間重復計算以及不同功能生態需水的交叉重疊問題。

2)隨季節的變化不同生態需水類型發生相應的改變，如75%、50%、20%頻率年的主流需水量都低于輸沙需水量，而95%頻率呈現出相反的特征。總體上，基礎徑流、輸沙、滲漏、蒸發需水量占生態需水的17.19%、21.05%、76.23%、2.72%。

3)大凌河中下游95%、70%、50%、20%水文頻率年的生態需水量依次為1.4239×108m3、1.8540×108m3、2.5061×108m3、4.0837×108m3，占代表年徑流量比例依次為87.12%、60.04%、60.26%、56.41%，這表明地表水資源在大凌河中下游流域的利用率依次為12.88%、39.96%、39.74%、43.59%。國際上公認的地表水極限開采程度、合理開采程度為40%和30%，可見大凌河中下游地表水綜合開發程度已明顯超出河道水體的提供能力，即河流生態需水已被大量的擠占。為實現水資源的合理利用和持續管理，必須對流域水資源分河段分時段的實施有效的管控措施。