渭河干流關鍵斷面生態需水滿足狀況分析

石國棟

(陜西省渭河生態區保護中心，陜西 西安 710004)

1 引言

有關生態需水的定義不同的學者從不同的角度出發，其理解與定義也各有不同[1]。本文認為河道內的生態需水通常是指在河流不斷流的前提下，為了維持特定生態系統的結構和基本生態功能，即為維護河流水沙平衡、水鹽平衡及維護河口地區生態環境平衡而保留在河道內的流量(水量)。相關定義與概念隨著研究方向和深度的不同而發展變化，Caroline[2]定義了基本生態需水的概念，即為自然環境提供有質量和一定數量的水，保證最好最優地改變天然生態環境系統地過程。1996 年，Gleick[3]認為基本生態需水是保證物種多樣性和生態完整性，且最少改變自然生態系統過程所需的一定質量和數量的水量。與國外相比，國內的研究涉及的方面雖多但內容和成果較為寬泛。2001 年，生態需水的定義有廣義和狹義兩個方面，錢正英等從這兩方面進行了說明，廣義上指為維持生態系統水熱平衡、水沙平衡和水鹽平衡等水分平衡所需要的水量;狹義上指維持生態環境不繼續惡化且逐漸改善和恢復所需要消耗的水資源量[4]。這一定義具有普遍適用性，得到了各學者的肯定，后續的很多研究也以此為基礎[5]。例如，水鹽平衡這一理念被用于河口區生態系統生態環境需水量的確定[6-7]，水沙平衡這一理念被用于多沙河流生態環境需水量的確定[8-9]。

國外對河流生態需水的研究相對國內來說比較成熟，各學者提出了許多改進創新的計算方法，主要用于計算生態系統自身對于水資源的需求，如Tennant 法[10]通常作為河流流量推薦值或者檢驗其他方法的結果;R2-Cross 法[11]根據曼寧公式，在計算河流生態環境需水量時參考河流湖泊平均水深、河寬和水流流速，它主要是用于計算保護水生生物的棲息地;IFIM 法[12]也叫河道內流量增加法，在計算生態環境需水量方面應用較為廣泛，主要是采用PHABSIM 模型進行計算。國內河流生態需水的研究計算以國外的成果為基礎，通過改進方法或者多個方法綜合應用并進行對比的方式進行研究，例如，西南山區小型梯級電站眾多而導致了河段減水的嚴重生態需水問題，針對這個問題郭新春[13]利用Tennant法和R2-CROSS 法計算研究河段的生態需水量，并確定了最小生態需水量;郭江[14]運用Tennant 法對天津市城市河湖生態需水配置進行了研究，并估算出河流湖庫的生態需水量和自凈需水量，同時利用槽蓄法對蒸發滲漏損失量進行了估算;劉靜玲等[15]提出了水量平衡法，該方法認為在沒有人為因素的干擾下，湖泊水量處于動態平衡狀態;于嵐嵐等[16]利用改進的逐月頻率法研究計算松花江哈爾濱河段的逐月最小、最大和適宜生態需水量，并用Tennant 法對結果進行了檢驗。隨著生態保護工作的推進，相關方法及理論體系也在不斷完善，并逐漸適應不同流域的個性化管理。

渭河流域是我國重要的農業、工業和能源基地，人口3387 萬。多年來渭河上游水土流失嚴重、中游水污染加劇、下游河道淤積、生態環境惡化、小水大災頻發。2011 年，陜西省啟動了渭河綜合整治工程，經過全線整治后的渭河水生態整體狀況得到明顯改善，但由于發展的需求是處在動態變化之中的，生態需水相關概念、模型方法等也在不斷改進，相關試點工作也取得了階段性進展;結合規劃要求，各流域也在不斷探索適應性強的管理途徑，水生態保障及修復是一項長期任務。因此，以渭河為典型，研究生態環境保護對黃河流域具有引領參考價值，尤其是對關中的社會經濟高質量發展具有重要的意義。

2 生態需水分析計算

2.1 分項生態需水計算

考慮渭河干流關鍵斷面的生態需求，本小節重點關注生態基流、重點斷面的產卵期流量過程、濕地與景觀生態需水、河道輸沙需水這四項，分別計算不同時空分布、不同保證率下的生態需水量[17]。

(1)生態基流

從水生生物生存需求考慮，采用實測斷面形態與魚類生長所需水深進行生態基流的計算。為滿足魚類生存，重點保證50 m 斷面寬度的河道水深即可。流速的計算采用曼寧公式，生態基流計算結果見表1。

表1 渭河干流關鍵斷面生態基流

(2)重點斷面的產卵期流量過程

渭河流域與流量過程相關的魚類產卵類型為漂浮性卵和粘性卵[18]。對渭河干流各斷面“水深-水面寬”關系分析可知，涇河入渭以上河段發生突變，在水深60 cm 處變寬說明有局部邊灘的存在。林家村斷面就是一個典型例子，根據斷面形態，在水深60 cm 時，產卵期流量16 m3/s。

(3)濕地與景觀生態需水

換水周期法和湖泊形態法是水景觀生態環境流量計算的常用方法。本小節選用前者進行計算，同時參照湖泊或類似景觀的換水周期，計算結果見表2。

表2 各工程景觀生態需水

(4)河道輸沙需水

維持河床沖淤動態平衡必須保證的水量，即河流輸沙需水量。該水量受水流含沙量的影響，并隨產沙量、含沙量的年內分配而動態變化。計算輸沙需水時可采用輸沙量法、沖淤比修正法等，但渭河下游由于取水點分布較多且河道變化幅度較大[19]，上述兩種方法計算將會受取水影響，故本節采用含沙量法計算臨潼與華縣斷面輸沙需水量，計算結果見表3。輸沙需水量主要體現在各代表年7 月～10 月，各代表年內，臨潼斷面輸沙需水量均小于華縣斷面;不同代表年、同一代表年內不同月份的輸沙需水量差異較大，尤其是8 月～10 月，P=25%的代表年輸沙量較大。

表3 不同代表年的輸沙需水量

2.2 生態需水量確定

在分別計算魚類枯水期生態基流、產卵期流量脈沖過程、汛期輸沙用水、景觀濕地用水等基礎上，統籌兼顧支流匯入、干流重點取水等方面因素，提出各斷面綜合生態環境流量控制指標。其中林家村、魏家堡、咸陽、臨潼和華縣五個渭河干流關鍵水文站斷面的生態需水量結果見表4。

表4 渭河干流關鍵斷面生態需水量

3 生態需水滿足狀況分析

3.1 生態滿足狀況分析

根據《渭河流域重點治理規劃》，林家村斷面非汛期(11月～6 月)河道內低限生態環境流量為10.0 m3/s;《陜西省水資源綜合規劃》中林家村斷面的非汛期低限環境用水最小流量為10.0 m3/s，咸陽和華縣分別為15.0 m3/s和20.0 m3/s;《黃河水量調度條例實施細則(試行)》規定華縣斷面流量為12.0 m3/s、林家村斷面流量為2.0 m3/s 魏家堡斷面流量為5.0 m3/s、咸陽斷面流量為10.0 m3/s，保證率都為90%。將上述相關規劃成果與關鍵斷面的生態需水量進行對比分析，以1973 年～2010 年長系列為分析對象，每年共包括11 月至次年6 月的枯季242 天，結果見表5。

表5 渭河干流關鍵斷面生態需水滿足狀況

渭河干流關鍵斷面林家村和魏家堡生態需水的保證率分別為27.6%和56.9%，斷面缺水情況分別高達175 天和104 天，與規劃的90%保證率相差甚遠，將林家村和魏家堡斷面流量提升到8. 6m3/s、11.6 m3/s 的低限生態環境流量已經很難，12.8 m3/s、23.5 m3/s 的適宜生態環境流量就更無法保障，一半以上的天數生態流量無法達標，尤其在枯水期，該河段接近斷流，水生態與水環境問題十分突出，對水環境產生了很多不利影響，尤其是以魚類為主的各類水生動植物的生長和繁殖。同時兩側灌區從水庫提水灌溉、水電站引水發電，多因素綜合作用影響了下游河道流量過程，使得林家村魏家堡河段在枯水期河道幾乎接近于斷流。因此生態綜合治理的聚焦點應該放在林家村和魏家堡斷面，進行重點治理與修復。

3.2 不滿足的原因分析

寶雞至咸陽斷面水資源可利用量本身較少，承載能力極其有限，但地區工農業發展需水量很大。為保障寶雞咸陽渭北旱原地區農業灌溉，寶雞峽水庫于2003 年完成加壩加閘改造，服務于地區農業灌溉需求，從而致使寶雞峽大壩至魏家堡渠首80 km 渭河河道枯水期缺水嚴重;由2016 年寶雞市水資源利用情況可知，該年生態環境用水為0.09 億m3，占用水總量的0.02%，與之相比，農業用水量為2.96 億m3，占用水總量的72.7%，城鎮公共用水量0.07 億m3，工業用水量0.3 億m3，居民生活用水量0.6 億m3，而根據近期或未來用水情況和發展規劃，各類用水戶用水量不會有較大波動，工農業用水比較穩定，占用水總量比重較大，生活用水和生態環境用水逐年少量增加，既要滿足當地城鎮生活、工農業生產等所需的水量，也要將灘區綠地、各類水景觀、濱河公園、生態濕地等水量需求考慮其中，尤其是保證林家村-魏家堡河段的生態用水，上述種種矛盾勢必會加劇各用戶競爭用水態勢，在上述背景下，各類用戶間“爭水”“搶水”將表現為長期化、常態化。

4 結論

本文從渭河干流關鍵斷面的實際生態需求出發，分項計算了5 個關鍵斷面的生態基流、重點斷面的產卵期流量過程、濕地與景觀生態需水以及河道輸沙需水，并與相關規劃成果進行了對比分析，分析結果表明，生態需水滿足程度由高到低的斷面依次是臨潼、華縣、咸陽、魏家堡以及林家村，并且通過對不滿足的原因分析，指出渭河生態綜合治理的聚焦點應放在生態問題最為嚴重的林家村與魏家堡斷面，在常態化競爭用水的前提下，保障渭河林家村與魏家堡斷面的生態需水對于渭河干流水生態環境向好發展具有重要作用。