石川河干流生態需水量確定及保障措施初探

張 嫄，張盼紅，王雪真

(陜西省水利電力勘測設計研究院，陜西 西安 710001)

在氣候變化和人類活動背景下，河流生態系統正遭受嚴重威脅，河道斷流、萎縮，水環境惡化等現象在一些中小河流非常普遍，導致這種現象的原因主要有2種：首先，氣候變化對河流生態系統產生深刻影響，許多河流徑流顯著減少，生態環境嚴重惡化[1]；此外，由于經濟社會用水量不斷加大，很多流域水資源過度開發現象嚴重，擠占了必要的生態需水量[2]。

河湖生態流量是指為了維系河流、湖泊等水生態系統的結構和功能，需要保留在河湖內符合水質要求的流量(水量、水位)及其過程[3]。河流生態水量虧缺直接降低了河流的橫向與縱向連通性，導致水流流動性差、河流動力學過程基本消失[4]，影響地表水體自凈能力，進而有可能威脅地下水質安全，同時，河流生態流量不足影響河道內水生生物生存環境，使河道內的生物多樣性及河岸旁的濕地資源遭到破壞，河道水生態環境和河道型濕地生態功能退化。

1 研究背景

石川河流域是陜西省關中水資源極度匱乏的區域之一，流域多年平均降水量586mm，低于關中地區648mm，屬于關中降雨偏少區域。2018年人均水資源占有量為170m3，約為關中地區二分之一(人均水資源量300m3)，不到全省的六分之一(人均水資源量961m3)、全國的十二分之一(人均水資源量1969m3)，遠遠低于國際公認的人均500m3“極度缺水標準”，是陜西省極度缺水地區之一，水資源承載能力極低。

加之石川河流域是陜西省關中地區重要的糧棉生產基地，流域內已形成煤化工、熱電聯產為核心的能源產業集群以及綜合性航空工業基地。石川河流域水資源的開發利用，使河道生態流量得不到滿足，現狀河道常年斷流，河流連通性受到阻礙，河道功能受損，水質達不到相應的水功能要求，濕地面積萎縮、水量減少，天然河道、濕地生態系統退化，河岸帶濕地資源及生態功能得不到保障。河湖健康得不到保障，沿岸居民居住環境變差，距離人民群眾對美好生態環境的需求相差甚遠。

2020年，石川河富平段申請成為陜西富平石川河國家濕地公園。據有關資料，該濕地公園內分布著濕地維管植物31科58屬88種，濕地野生動物20目38科156種，有國家Ⅱ級保護植物野大豆1種，國家Ⅰ級保護動物4種，國家Ⅱ級保護動物7種，還分布著國家Ⅰ級保護動物——黑鸛、大鴇等。濕地生物棲息等功能對水資源、水環境質量等有了更高的要求。所以，確定石川河生態需水量，保障石川河的生態用水，是目前石川河所面臨的最關鍵的問題。

2 方法綜述

國外對于河道內需水量的研究最早可追溯到19世紀[5]，如歐洲水資源管理非常重視河流的“環境需水量”，英國使用“最小可接受流量”強調對河流生態的重視[6]，在20世紀70年代美國西部地區針對河道生態水量的研究取得了巨大進展，在美國，環境需水量是指服務于魚類和野生動物、娛樂及其他具有美學價值目標的水資源需求[7]。

近年，我國經濟社會發展對城市河流的功能需求已由單純注重供水、防洪等功能向防洪、排澇、供水、生態、環境、景觀、文化等多功能轉變。國內城市河流治理的思路正逐漸向在保證防洪、供水安全的前提下，重視河流生態修復的方向發展，國內河流治理工程，如北京永定河治理工程[2]、南水北調中線河北省邢臺市泜河生態補水工程[8]、黑龍江省哈爾濱市何家溝生態補水工程[9]等，均通過生態補水維護河流生態系統健康良性發展。在十四五水利發展規劃中，維持河道健康良好的生態環境，保障河流的生態安全，已經和防洪安全、飲水安全、糧食安全共同成為水利工作的重中之重。在滿足經濟社會發展的同時，制定流域河湖生態流量保障措施，維系河湖健康，為新時期人民群眾對生態環境的獲得感和幸福感提供支撐[10]。

生態需水量研究是生態補水工程中確定補水規模的關鍵環節。從20世紀40年代開始，已發展了多種生態環境需水量的研究方法，涉及水文學、水力學、生態學等多種學科。主要的方法有：Tennant法、Qp法(不同頻率最枯月平均值法)、近10a最枯月平均流量(水位)法、河床形態分析法、濕周法、生物空間法、生物需求法、輸沙需水計算法、水量平衡法、單位面積用水法等。新時代河湖生態水量評價需要新思維，必須堅持河流水系整體性，水資源、生態環境和經濟社會協調性等要求，綜合考慮水資源稟賦條件、開發利用狀況、生態環境保護要求等，按照需要與可能相結合，合理確定河湖生態水量目標[11]。本次生態需水量的計算方法綜合考慮選擇水文序列長度、生態目標、河流的具體情況等進行選擇。

3 研究思路

本文以石川河為例，針對河流的實際情況，摸查問題、確定生態目標、選擇典型斷面節點、選擇適宜的多種方法計算河道生態需水量，計算石川河在保障河道常年不斷流、河濱帶濕地植被用水和城市段河湖生態用水的生態目標下的河流生態需水量。本次對石川河河流生態需水量的研究思路如圖1所示。

圖1 河流生態需水量研究思路技術路線

(1)開展河流生態系統調查，評價河流存在的生態問題。可通過現場調查、資料收集等方式，分析項目區水資源、水環境、水生態、社會經濟、現有水利工程分布、生態監測能力、水質監測能力等方面的情況。可以收集行政區劃、主體功能區劃、生態功能區劃、水功能區劃、“一河一策”、生態紅線范圍、三線一單成果、河長制管理等方面的資料，對資料缺乏的地區，可考慮采用衛星遙感、無人機等先進的信息技術進行必要的現場調查和監測。現場調查和收集資料的目的是為了解河流的生態環境狀況，與河流天然狀態下的情況進行對比，從而確定河流現狀存在的生態環境問題及原因。

(2)確定河流生態環境保護目標，以及河流生態環境需水量的計算節點。根據河流生態環境狀態、主要環境問題，結合河流類型、所處區域、水資源條件、開發利用程度、河道用水需求等因素，綜合確定河流生態環境保護目標，并選擇河流內有代表性的河流控制斷面，如水文監測斷面、水質控制斷面、水功能區控制斷面、行政界限、重要水利工程控制斷面、重要支流匯入斷面、重要生態環境敏感目標河段、河道特征和水力條件有顯著變化的河段等，作為河流生態環境需水量計算的節點。還可結合流域綜合規劃、水資源保護規劃、主要江河流域水量分配方案、水利水電工程環境影響評價及取水許可批復等成果，考慮控制斷面代表性及生態保護重要性等，選擇可監控、可調度的斷面作為主要控制斷面[12]。

(3)選擇適宜的生態流量計算方法進行生態需水量的計算，綜合得出河道生態需水量。河流生態需水量包括非消耗性水量和消耗性水量，基本公式為：

Q=Qf+Qx

(1)

式中，Q—河流生態需水量，m3/s；Qf—非消耗性水量，m3/s；Qx—消耗性水量，m3/s。

一般情況下，河道非消耗性水量包括河流基本生態需水量、河道自凈需水量、城區河段生態水面需水量中的循環更新水量等；消耗性水量包括沿河濕地需水量、城區河段生態水面需水量中的蒸發水量、河道地下水補給量等。

4 生態需水量計算方法

4.1 河流生態環境存在問題

根據現場調查，石川河流域目前存在的生態問題如下。

(1)河道生態水量不足，存在斷流情況。石川河流域地處關中平原，人口密度大、人為影響較大，流域內分布有大型灌區、能源產業集群等，水資源開發利用程度過高，擠占河道生態用水，致使河道內生態水量不足，部分河段甚至全年斷流。

(2)地表水水質污染，威脅地下水質安全。根據石川河省控、市控斷面近年的例行監測數據，石川河干流部分監測斷面達不到相應水功能區Ⅳ類水質標準要求，存在COD、氨氮超標情況，河道水質污染對區域地下水水質造成了潛在威脅。

(3)河道斷流造成河道生物多樣性、河岸濕地資源受到嚴重破壞。石川河國家濕地公園資源獨特，是關中平原-渭北黃土高原過渡地帶典型濕地類型，地處生態脆弱帶，集河流濕地、庫塘濕地于一體，以河流濕地特征為主。由于河道斷流，目前河道內魚類種群數量較少，河岸濕地面積萎縮，生態功能退化，制約多種濕地生物的生存繁衍。

4.2 生態目標和計算節點的確定

石川河河道生態需水目標可初步定為最低和適宜2個層次。最低生態目標為：維持枯水河槽的水量要求，基流為來水量的10%，保持自然河段生態系統基本形態；維持水功能區納污能力，保護水域使用功能的水質要求；維持沿岸濕地植物用水；保證城市河段內河湖生態用水。適宜生態目標主要包括：生態水量為來水量的30%，保持適宜的景觀水面，增加對地下水的回補，恢復原有生物多樣性和功能。

根據調查，石川河流域涉及銅川市、渭南市富平縣、西安市閻良區和臨潼區，省控、市控斷面也分布在縣(區)出入境處，其中富平縣石川河段已申請成為國家濕地公園。鑒于石川河水資源開發利用率較高，又處于水資源匱乏地區，本次按照最低生態目標，選擇石川河流域的岔口斷面、富(平)-閻(良)分界斷面、石川河入渭口斷面作為計算節點。

4.3 生態需水量計算方法

根據現場調查和生態目標，石川河生態需水主要包括河道生態基流、維持水體自凈稀釋水量、生態水面循環更新流量以及濱河帶植被需水量。不同計算節點河段的生態環境需水量具有一定的差異性，主要是在空間、時間上會有不同需求。需計算各節點基本生態需水量，河道自凈需水量、城區河段生態水面循環更新水量，同時考慮沿河植被需水的消耗性水量，得出各節點生態需水量。

4.3.1各斷面基本生態環境需水量Qb的確定

基本生態環境需水量可采用Tennant法、不同頻率最枯月平均值法、近10a最枯月平均流量法進行分析。

(1)采用Tennant法用歷史流量資料確定年內不同時段的生態環境需水量，不同河道內生態環境狀況對應的流量百分比見表1。

表1 不同河道內生態環境狀況對應的流量百分比 單位：%

(2)采用不同頻率最枯月平均值法時，要對實測水文資料進行還原和修正，選擇90%和95%保證率下的最枯月平均流量作為節點基本生態環境需水量。

(3)近10a最枯月平均流量法適合水文資料系列較短時近似采用。經比較，采用近10a最枯月平均流量法所得出的各斷面生態環境需水量與其他方法相差最大，最終選擇90%保證率最枯月平均流量、95%保證率最枯月平均流量和10%多年平均徑流量法的中間值，即最終選用10%多年平均流量作為本次石川河各控制斷面基本生態環境需水量。

4.3.2河道水體自凈需水量Qc的確定

為了保證河流各功能區段內水質達到相應的標準，還需要考慮石川河沿岸排污口出水水質和排污量，以此計算河流自凈需水量，主要計算因子選擇氨氮、COD。

采用采用穩態的、一維的水質模型估算河流自凈需水量，在忽略縱向彌散作用下，一維水質模型解析式為：

C=C0exp(-kx1/86400u)

(2)

式中，C0—初始濃度，mg/L；k—一階動力學反應速度，1/d；X—沿河流方向距離，m；C—位于污染源(排放口)下游x處的水質濃度，mg/L。

經計算，各斷面維持水體自凈能力的水量在0.06～0.23m3/s之間。此外，還應對補水水源水質進行分析，考慮補水水源的水質影響，復核生態補水量。

4.3.3城區河段生態水面需水量的確定

采取水量平衡法計算湖泊的生態需水量，本次計算范圍內的攔水壩均位于城區，且進行了防滲，本次忽略其滲漏損失，僅計算蒸發損失量和維持水面水質的循環更新水量，經過計算，石川河全年蒸發量Qe約為79.91萬m3，維持生態水面循環更新的水量Qr約為1037.68萬m3。

4.3.4維持沿河濕地需水量Qp的確定

濕地植被、土壤、生物棲息地、地下水補給以及水域生態需水量是濕地生態需水量的各組成部分[13]。石川河沿河道兩岸分布有濕地、植被等，結合項目區原始氣象資料，計算植被生態需水。經過計算，石川河植被生長期(4～10月)生態需水量為0.06～0.33m3/s。

5 生態需水量Qx的確定及保障措施

5.1 生態需水量計算公式推導

根據上文分析，本次生態需水量對各計算節點處進行了以下幾個方面生態需水的計算：①基本生態需水量Qb；②河道自凈需水量Qc；③城區河段生態水面蒸發量Qe、循環更新水量Qr；④沿河植被需水Qp。其中，基本生態需水量Qb、河道自凈需水量Qc、以及城區河段生態水面需水量中的循環更新水量Qr均為非消耗性水量，沿河濕地需水Qp和城區河段生態水面需水量中的蒸發水量Qe均為消耗性水量，消耗性水量和非消耗水量外包得出各節點生態需水量。本次建立以下公式來確定各節點處的生態需水量。

Q=max(Qb，Qc，Qr)+Qe+Qp

(3)

計算得出石川河各河段生態環境需水量，見表2。

表2 石川河各計算河段生態需水量 單位：m3/s

5.2 生態用水保障措施

(1)積極推進灌區農業節水。針對水資源匱乏和農業發展現狀，把石川河流域涇惠渠、桃曲坡、交口和東雷抽黃二期等4個大型灌區的農業節水作為節水型社會建設的重點區域，鼓勵噴灌、微灌等節水農業灌溉方式，降低農業用水量，提高農業生產中的水資源利用效率。

(2)積極推進工業節水。挖掘工業節水潛力，加快先進節水技術裝備推廣應用，推進煤炭、煤化工等高耗水產業節水增效，嚴格限制高耗水產業發展；加快工業園區等企業間串聯用水、分質用水，一水多用和循環利用，實現水資源梯級優化利用；通過限價、補貼等方式，積極推進能源產業集群企業工業節水，大力發展節水新工藝新技術，提高工業用水重復率，降低萬元工業增加值用水量。

(3)加強上游調蓄性工程的生態流量調度管理。針對流域上游調蓄性工程，應加強生態流量調度，石川河上游大型調蓄工程有桃曲坡水庫，應加強該水庫的生態流量下泄及保障措施，安裝生態流量在線監測系統，不斷修正完善水庫調度方案，健全生態流量下泄管理制度和監管體系，提高生態流量保障水平。

(4)加強非常規水源利用。在水資源短缺、水資源開發利用潛力不大的地區，在科學合理開發利用地表水、地下水資源的同時，加強再生水利用、雨水集蓄利用、礦井水利用等非常規水源的多元化利用，擴大再生水的利用規模，有效提高用水效率。

(5)建設水系連通工程。建設水系連通工程，增強水體流動性，提升水資源調蓄和凈化能力，實現支流間的豐枯調劑，從水資源相對豐沛的臨近河流向生態水量嚴重不足的河流相機補水，保障支流不斷流、改善水生態環境。以石川河為例，近期計劃改造涇惠渠徐木抽水站，修建二支渠至富平縣城石川河上游段補水線路，向石川河岔口以下生態濕地補水，遠期通過修建洛河入雷塬水庫引水工程、雷塬水庫擴容工程和雷塬水庫～漆水河線路工程向石川河進行生態補水。

6 結論與建議

6.1 結論

從水體自凈、蒸發、植被等各方面的生態需水量計算結果可以得出如下結論。

(1)對于石川河這種西北部的河流，影響生態流量的因素主要為河道外濕地植被需水、城區段水面蒸發等消耗性水量。

(2)生態目標的確定是計算生態需水量的基礎，生態目標越高，生態水量數值越大。針對石川河開發利用程度過高、河流多處已出現常年斷流的現狀，生態基流量取多年平均天然流量的10%僅能滿足其最低的生態目標，外包消耗性水量的生態水量計算結果約占河道多年年均天然流量百分比的12%～15%。隨著各種生態用水保障措施的有力實施，可以對河流生態目標提出更高的要求。

(3)根據文獻及資料，石川河岔口至閻良段，由于歷史上多年連續超采地下水，存在地表水補給地下水形式的河道滲漏，但由于資料有限，本次生態水量的計算并未考慮河道滲漏水量，該部分水量屬于消耗性水量，在地質勘查得出結果后，需要進一步對流域生態水量進行修正。

6.2 建議

為了更好地確定河湖生態水量，保障河道基本生態流量，建議盡快建立主要河流不同控制斷面的的生態流量監測系統，健全生態流量監管體系；另外，考慮到生態補水工程通常是從臨近河流或渠道修建輸水工程，供水水源多樣、輸水線路較長，導致生態補水成本較大，因此，亟需建立生態用水補償機制，解決生態補水工程的經費來源。