大凌河流域生態(tài)需水量定量計算研究

郭 瑩

(遼寧省凌海市水利事務(wù)服務(wù)中心，遼寧 凌海 121200)

0 引 言

20世紀40年代，美國USFWS組織最早提出避免河流生態(tài)系統(tǒng)退化所需的最小流量即為生態(tài)需水量，對于河流生態(tài)需水量國內(nèi)外早期的研究多側(cè)重于枯水流量的探討，隨著研究的深入逐漸被賦予更多的內(nèi)涵[1-4]。目前，河流生態(tài)需水量綜合考慮了美化景觀、保持水體調(diào)節(jié)氣候等功能所消耗的蒸發(fā)量，河流系統(tǒng)中人工與天然植被耗水量、地下水入滲補給和水(濕)生生物棲息地需水量，河口地區(qū)生態(tài)平衡、河道水鹽平衡、河道輸沙、河道自凈稀釋需水量以及最小生態(tài)流量等。

1 大凌河流域

1.1 現(xiàn)狀分析

大凌河是遼寧省西部最大的河流，呈西東向，全長453km，流域面積23235km2，其中遼寧境內(nèi)占全流域的86%。大凌河在宮山咀水庫(建凌水庫)以上基本為山區(qū)，沿河地勢較陡，河道坡度超過5‰，白石水庫以下趨向平緩，坡度1‰左右。流域左側(cè)河網(wǎng)水系密布，主要有涼水河子河、細河、老虎山河、第二牤牛河等支流。干流建有宮山咀、閻王鼻子和白石三座控制性水庫，將大凌河按照各河段河流特征可以劃分成河源段、上游段、中游段和下游段。

目前，大凌河流域面臨著水資源開發(fā)利用率高、水資源短缺、水生態(tài)功能退化等問題，而水生態(tài)恢復的關(guān)鍵是實現(xiàn)水資源可持續(xù)利用、水資源優(yōu)化配置和河流生態(tài)需水比例的合理分配，其首要解決的問題就是計算河流生態(tài)需水量。根據(jù)大凌河流域地表水污染、泥沙淤積、河道斷流等環(huán)境問題，明確流域近期重點治理目標，在河流生態(tài)需水量類型確定時考慮流域存在的主要生態(tài)環(huán)境問題，并以河流蒸發(fā)、輸沙、自凈稀釋、基本生態(tài)需水量4個部分構(gòu)成大凌河流域生態(tài)需水量。

1.2 數(shù)據(jù)來源

根據(jù)2006-2020年水文年鑒獲取研究所用的數(shù)據(jù)，選取大凌河流域12個水文站(建凌、哈巴氣、上窩堡、朝陽、大凌河、錦縣、葉柏壽、德力吉、涼水河子、六合成、迷力營子、復興堡)的蒸發(fā)量、降水量、輸沙率和天然月徑流量等資料。考慮各水文要素變化特征確定大凌河流域6-9月、7-8月和其他月份為汛期、主汛期、非汛期，按汛期和非汛期合理分析流域需水過程，在此基礎(chǔ)上計算確定生態(tài)需水量。

2 生態(tài)需水量定量計算

2.1 蒸發(fā)需水量

以水面蒸發(fā)所需要的補水量作為河流蒸發(fā)需水量，水面蒸發(fā)量大于或<降水量時河流蒸發(fā)需水量We(m3)取兩者之差和0，其表達式為：

(1)

式中：E為水面蒸發(fā)量；P為降水量，mm；A為水面面積，m2。

2.2 輸沙需水量

以維持河道水沙平衡所需水量作為河流輸沙需水量，大凌河流域汛期為每年6-9月份，全年80%以上的輸沙量都發(fā)生在汛期。因此，可以忽略非汛期輸沙需水量，即全年的輸沙需水量僅考慮汛期的，其表達式為：

Ws=ηαWω

(2)

Wω=W-S/γs

(3)

式中：Ws為河流輸沙需水量；Wω為凈水量，m3；η為入口與出口斷面的輸沙量之比，即輸沙效率；α為與η相關(guān)的調(diào)整系數(shù)，在α的情況下α取1，在η≥1的情況下α取0；W為徑流量，m3；S為輸沙量，108t；γs為泥沙容重，文中取2.7t/m3。

2.3 自凈稀釋需水量

文章利用由7Q10法修改而來的近10年最枯(小)月平均流量法計算河流稀釋自凈需水量Wd(m3)，其表達式為：

Wd=min{Wij}

(4)

式中：Wij為近10年最枯(小)月平均徑流量，m3。

2.4 基本生態(tài)需水量

河流基本生態(tài)需水量是指維持水生生物繁殖生長以及河流基本功能、形態(tài)不受破壞所需要的水量，也被稱為最小生態(tài)流量。河流基本生態(tài)需水量利用月保證率法的計算流程如下：①將月天然徑流量按照水文數(shù)據(jù)合理排序，計算多年平均以及25%、50%、75%、95%不同保證率下各月的天然徑流量；②河流基本生態(tài)流量等級按不同月天然徑流量百分比確定，并計算確定多年平均和不同保證率下的月基本生態(tài)需水量。

2.5 生態(tài)需水量整合

考慮不同的功能類型可以將河流生態(tài)需水量劃分成消耗型和非消耗型兩類，這兩部分之和即為生態(tài)需水量。其中，消耗型以蒸發(fā)需水量為主，非消耗型主要有河流輸沙、自凈稀釋和基本生態(tài)需水量，遵循取大原則計算確定。

3 結(jié)果與分析

3.1 流域生態(tài)需水量

1)蒸發(fā)需水量。以相鄰水文站中間點為界限依次計算各水文站蒸發(fā)量，若沒有降水量和蒸發(fā)量相關(guān)數(shù)據(jù)則考慮利用鄰近水文站數(shù)據(jù)，如表1。

表1 大凌河蒸發(fā)需水量 108m3

2)輸沙需水量。考慮到6-9月份是大凌河輸沙集中期的實際情況，流域輸沙需水量僅計算6-9月這一時期，結(jié)果如表2。

表2 大凌河輸沙需水量 108m3

3)自凈稀釋需水量。文章采用7Q10法修改而來的近10年最枯(小)月平均流量法計算，如表3。

4)基本生態(tài)需水量。考慮到大凌河流域具有較高的水資源開發(fā)利用程度，故河流基本生態(tài)需水量取河流天然徑流量的10%，計算基本生態(tài)需水量(75%保證率)如表4。

5)生態(tài)需水量整合。通過整合各水文站不同類型的生態(tài)需水量，即蒸發(fā)需水量與輸沙、自凈稀釋、基本生態(tài)需水量的最大值相疊加確定75%保證率下生態(tài)需水量，如表5。

表3 大凌河自凈稀釋需水量 108m3

表4 大凌河基本生態(tài)需水量 108m3

表5 大凌河生態(tài)需水量整合 108m3

3.2 水資源配置與生態(tài)需水

75%保證率下(P=75%)大凌河干流和第二牤牛河、老虎山河、涼水河、牤牛河、細河各水站生態(tài)需水量與多年平均徑流量之比，如表6。表6中的數(shù)據(jù)，可以為優(yōu)化配置各水文站水資源提供數(shù)據(jù)支撐，水資源規(guī)劃時各水文站預(yù)留水量必須超過該比值，從而保證生態(tài)環(huán)境用水和流域水系統(tǒng)循環(huán)。

表6 大凌河生態(tài)需水量與年均徑流量之比

4 結(jié) 論

1)定量計算了大凌河干流及其主要支流典型水文站的生態(tài)需水量，通過對比生態(tài)需水量與水文資料確定天然徑流條件下能夠滿足生態(tài)需水要求，剩余部分水量還可用于河道外飲水。

2)大凌河干流及其主要支流的季節(jié)性特征顯著，充分利用汛期水量既能保證非汛期用水又能避免汛期洪水威脅。因此，應(yīng)充分利用河流上游水庫枯水年或非汛期放水和汛期蓄水，從而維持河流基本生態(tài)徐水靈以及生態(tài)功能。

3)通過比較多年平均徑流量和各水文站生態(tài)需水量，可以為優(yōu)化配置流域水資源提供數(shù)據(jù)支持，水資源規(guī)劃時各水文站預(yù)留水量必須超過該比值，以此保證生態(tài)環(huán)境用水和流域水系統(tǒng)循環(huán)。