基于Tennant和R2-CROSS的滇池流域河流生態(tài)需水量計算

陳 晨，張劉東，倪匡迪，胥曉蓉

（云南農(nóng)業(yè)大學(xué)水利學(xué)院 昆明 650201）

0 引言

滇池流域位于云貴高原中部，總流域面積2920 km2，流域內(nèi)大小河流數(shù)十條，是滇池流域水資源交替循環(huán)的主要來源[1]。研究滇池流域的城市生態(tài)需水量是把握該流域的水資源、水生態(tài)與水環(huán)境相互聯(lián)系[2]，是促進滇池流域水資源可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵性問題。計算生態(tài)流量的方法很多，如劉鐵龍等[3]通過構(gòu)建Zenga指數(shù)來量化分析河流的生態(tài)流量；李偉等[4]通過結(jié)合Tennant法、枯水頻率法、流量歷時曲線法、最小月平均流量法和RVA法等的計算結(jié)果綜合比較出丹江的生態(tài)流量。Tennant法也叫蒙大拿法，起源于美國，是目前應(yīng)用最廣泛的生態(tài)流量計算方法[5]。該法不需要現(xiàn)場測量數(shù)值，而是以歷史流量為基礎(chǔ)確定河道生態(tài)需水量，采用年平均天然徑流量的百分比作為推薦流量，在不同月份采用不同百分比來估算河道生態(tài)需水量。參考其他研究者：10%的平均流量是支撐大多數(shù)水生物短期生存棲息地的最小瞬時流量[6]；當(dāng)河流流量占年均流量的20%～60%時，河寬、水深及流速一般是令人滿意的[7]。其優(yōu)點在于只需獲得當(dāng)?shù)匾欢屋^長時間的流量資料，就能根據(jù)相應(yīng)系數(shù)快捷計算出當(dāng)?shù)睾恿魃鷳B(tài)基流量[8]。目前，我國水文監(jiān)測站網(wǎng)尚不完善，許多河流缺少流量站，在流量資料缺乏條件下，可建立水位與流量、流量與河道生態(tài)平衡和生物多樣性等的關(guān)系[9，10]，運用這樣的方法對湖泊和河流的生態(tài)需水和生態(tài)水位進行計算。R2-CROSS法綜合考慮了水力學(xué)、水文學(xué)、生物學(xué)、地質(zhì)學(xué)等方面，是全世界無水文資料的河湖水系統(tǒng)生態(tài)需水量研究最常見的方法之一[11]。滇池流域的水生態(tài)問題受到廣泛關(guān)注，但河流生態(tài)需水的研究報道較少。本文采用經(jīng)驗法研究滇池流域河流生態(tài)需水量，對流域生態(tài)保護提供指導(dǎo)。

1 數(shù)據(jù)來源

本文所用的河流資料來自于調(diào)查資料以及昆明市統(tǒng)計局官網(wǎng)，綠化植物的灌溉定額來自《云南省用水定額標(biāo)準(zhǔn)》（DB53T168-2013），多年的平均降雨量和蒸發(fā)量來自于《云南省水資源綜合規(guī)劃》。

2 研究方法

生態(tài)需水量是指一個特定區(qū)域內(nèi)的生態(tài)系統(tǒng)需水量，是指維持生物地理生態(tài)系統(tǒng)水分平衡所需用的水，是為維護生態(tài)環(huán)境不再惡化保護河流水生生物、維持生態(tài)系統(tǒng)健康和滿足水資源可持續(xù)利用所需要的水資源量[12]，通過查閱大量的文獻來看，Tennant法和R2-CROSS法比較適合滇池流域河流的生態(tài)需水量計算，因此本文采用的研究方法為Tennant法和R2-CROSS法。

2.1 Tennant法

滇池流域內(nèi)河流眾多，大多為源近短流的山區(qū)性河流，集水面積大于100 km2的有盤龍江等7條河流。滇池流域生態(tài)需水量應(yīng)該結(jié)合河道基流、河流水面蒸發(fā)需水量、河流滲漏需水量、河道外綠化帶需水量等多方面共同分析，以計算出維持滇池流域生態(tài)系統(tǒng)健康和滿足水資源可持續(xù)利用所需要的水資源量。

2.1.1 河道基本生態(tài)流量

河道基本生態(tài)需水量是指能夠維持河道基本生態(tài)功能的水資源量[13]，通過以往的研究可知，年均徑流量的10%、20%、30%分別是保障河流水生生物正常生長的棲息地最低、適宜和最佳生態(tài)基流[14，15]。河流的生態(tài)需水一般是用生態(tài)流量表示，而且這一數(shù)值不是固定的。對于一條河流，在不同河段和不同月份，河流的生態(tài)需求是變化的，因此，本文采用河流多年平均徑流量來計算河道基本生態(tài)流量。應(yīng)用Tennant法計算河流河道生態(tài)基流的公式為：

式中：Wt為河道生態(tài)基流，m3/s；M為河流多年平均徑流量，m3/s；N為推薦基流簡單百分比，%。

2.1.2 河流水面蒸發(fā)需水量

河流的水面蒸發(fā)是河流水量消耗的重要方式之一[16]，水面蒸發(fā)需水量計算公式為：

式中：WE為河流水面蒸發(fā)需水量，億m3/a；A為河流水面面積，km2；E為水面蒸發(fā)量，mm/a；P為河道內(nèi)降水量，mm/a。

2.1.3 河流滲漏需水量

當(dāng)河道水位高于兩岸地下水位時，河道將通過滲漏的方式補給河道兩岸地下水。假定河道滲漏段內(nèi)損失均勻，沿程流量按等比級數(shù)遞減。河道滲漏補給量的公式為：

式中：Q河為河道滲漏量，m3/s；k為經(jīng)驗系數(shù)，水文地質(zhì)條件為優(yōu)良、中級、差等時取值分別為0～0.5 m、0.5～1.0 m、1.0～2.0 m；A為河流水面面積，km2。

2.1.4 河道外綠化帶需水量

一般采用面積定額法[17]來計算河道外綠化帶需水消耗的河流水量，其計算公式為：

式中：W綠為綠地生態(tài)需水量，m3/a；φ為綠化用水定額，m3/（m2·a）；F為綠化帶覆蓋面積，m2。

2.2 R2-CROSS法

R2-CROSS法主要基于曼寧方程[18]，假設(shè)保護淺灘就是保護最臨界的河流棲息地。河流的水深、流速以及濕周率是需要研究與棲息地質(zhì)量有關(guān)的水流指示因子。使用R2-CROSS法確定棲息地最小流量的參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)如表1所示。

表1 R2-CROSS法確定生態(tài)流量的標(biāo)準(zhǔn)

3 結(jié)果

根據(jù)昆明市河流屬于季節(jié)性河流的特征，按Tennant法的評價標(biāo)準(zhǔn)[19]，部分?jǐn)?shù)據(jù)來自于其他研究者的研究成果[20]，以多年平均徑流量的20%作為河道適宜基本生態(tài)流量的推薦值，結(jié)合式（1），計算出河道基本生態(tài)需水量（見表3）。根據(jù)《云南省水資源綜合規(guī)劃》項目的調(diào)查評價成果，滇池流域多年平均降雨量為925.7 mm，多年平均蒸發(fā)量為1 466.9 mm。多年平均蒸發(fā)量高于多年平均降雨量，根據(jù)式（2）計算出河流的水面蒸發(fā)需水量。流域河道分渠化河段和自然河段，河道的水文地質(zhì)條件較好，式（3）的經(jīng)驗系數(shù)k取0.5 m，計算出河流的河流滲漏需水量。根據(jù)《云南省用水定額標(biāo)準(zhǔn)》（DB53T168-2013），綠化用水定額取2910 m3/hm2，根據(jù)式（4）可以求得河道綠化的需水量，計算結(jié)果見表2。

采用R2-CROSS法計算河流生態(tài)需水量時，河流寬度資料來自于調(diào)查資料，為了使河流生態(tài)系統(tǒng)正常工作，使用河流的平均寬度作為棲息地最小流量的河流寬度[10]。水深、流速以及濕周率取該河流寬度下對應(yīng)表2的下限值，計算結(jié)果見表2。

表2 河流生態(tài)需水量計算結(jié)果

4 分析與討論

Tennant法通過計算滇池流域的河流水面蒸發(fā)需水量、河道滲漏需水量和河道外綠化帶需水量獲得生態(tài)需水量，R2-CROSS法通過參考河流的水力參數(shù)特征計算生態(tài)需水量，通過查閱資料可知，滇池多年入湖平均徑流量為98 454萬m3。計算結(jié)果表明：運用Tennant法得出滇池流域河流生態(tài)需水量為16 974.59萬m3，運用R2-CROSS法得出滇池流域河流生態(tài)需水量為16 715.49萬m3，采用Tennant法算出的生態(tài)需水量稍高于R2-CROSS法算出的結(jié)果，兩種方法的計算結(jié)果相近，計算結(jié)果具有可參考性。

滇池流域河流年內(nèi)最大月徑流量與最小月徑流量差距很大，在豐水期的河流徑流量可以滿足生態(tài)需水量的要求，但在枯水期，河流徑流量的急劇減少，給河流生態(tài)需水量造成壓力。比較運用不同方法算出的集水面積大于100 m2的7條河流生態(tài)需水量可以看出，除撈魚河外，其余6條河流采用Ten?nant法算出的生態(tài)需水量均高于采用R2-CROSS法算出的需水量。盤龍江、寶象河、洛龍河、白魚河、柴河與東大河采用R2-CROSS法算出的生態(tài)需水量分別比采用Tennant法算出的生態(tài)需水量低5.25%、14.38%、18.02%、0.75%、14.69%、13.75%，而撈魚河采用R2-CROSS法算出的生態(tài)需水量比采用Tennant法算出的生態(tài)需水量高29.42%，比較結(jié)果見圖1。通過R2-CROSS法算出的河流生態(tài)需水量占各河流多年平均流量的20.33%～35.03%，屬于Tennant法中20%～40%較好的范圍內(nèi)，盤龍江的生態(tài)需水量大約占整個滇池流域生態(tài)需水量的30%，計算結(jié)果基本合理。

圖1 不同方法下7條大河生態(tài)需水量比較圖

兩種方法計算的結(jié)果中，烏龍河和老寶象河的計算結(jié)果差距較大，出現(xiàn)這種誤差的原因是由于R2-CROSS法具有明顯的地域特性，采用R2-CROSS法計算烏龍河和老寶象河生態(tài)流量時選擇的下限水深和流速不夠準(zhǔn)確。同時，烏龍河目前上段已被截斷，采用Tennant法時選擇的年均徑流量可能低于實際年均徑流量從而造成較大的誤差。老寶象河屬于昆明古六河之一，水質(zhì)污染較嚴(yán)重，河水渾濁，流速較慢，達(dá)不到R2-CROSS法計算生態(tài)流量的標(biāo)準(zhǔn)流速，因此采用R2-CROSS法來估計老寶象河的生態(tài)需水量誤差較大。

5 結(jié)語

本文采用Tennant法和R2-CROSS法作為自然河流生態(tài)需水量的計算方法，開展滇池流域河流生態(tài)需水量研究。研究結(jié)果表明：兩種方法計算的河流生態(tài)需水量的范圍為16 715.49萬～16 974.59萬m3，計算的河流生態(tài)需水量占入湖平均徑流量的16.98%～17.24%，結(jié)果基本合理。因此，兩種方法對于計算河流生態(tài)需水量均具有參考意義。對于體現(xiàn)季節(jié)變化因素估算水生生物正常生長的季節(jié)性河流的生態(tài)需水量，采用Tennant法更能滿足需求，對于水力學(xué)特性較強且河流寬度較小的河流以及山地冷水河流，采用R2-CROSS法更能滿足需求。