太子河河道生态环境需水量研究

张志斌

(辽宁省本溪水文局，辽宁本溪 117000)

水是人类生存中不可获缺的资源，其重要性不言而喻。太子河是辽宁省东南部较大的河流之一，其发源地为抚顺市，流经6个市的13个县，整个流域的降水量比较充沛。自上个世纪50年代起，太子河流域上修建起了数座大中型水库，这使得当地的工业和生活用水获得了保障。然而，在大力兴建水利基础设施的同时，却严重忽视了维持河流生态系统平衡对水质和水量的需求，由此导致河道水量日益减少，甚至造成了生态环境退化，这极不利于水资源持续发展。本文以太子河作为研究对象，利用国内外常用的生态环境需水量计算方法对其河道的生态环境需水量进行计算，并提出解决太子河河道生态环境问题的几点建议，期望能够为太子河河道生态环境的改善提供指导。

1 生态环境需水量及其计算方法

1.1 生态环境需水量

目前，对生态需水量的概念尚无统一的界定，鉴于本文研究的是河道系统的生态环境需水量，故此仅从该方面对其进行定义:即流域内的天然水体为了维持自身特定的生态环境功能而需要蓄存及消耗的最小水量。河道内的生态环境需水量具体可分为内需水量和外需水量两个方面。

1)内需水量主要包括:(1)维持河道内所有水生生物繁衍生息所需的水量。(2)维持合理地下水位，保护河流湿地生态平衡以及保持地表水转换所需的入渗补给量与蒸发消耗量。(3)维持河口淡水和咸水平衡以及所需的水量。(4)维持河道系统中水与沙、水与盐平衡的入海水量。(5)使河道系统维持基本自净能力的最小环境水流量。(6)防止河道断流所需的最小径流量。

2)外需水量主要包括:(1)天然与人工生态保护植被、绿地、防护林的实际耗水量。(2)水土流失区域治理过程中的需水量。(3)为了维系特殊生态环境安全的紧急调水量。(4)保持河道外各种景观功能、绿地面积以及水环境条件良好所需的水量。

1.2 计算方法

河道生态环境需水量的计算方法种类较多，共计200余种，下面重点介绍集中国内外常用的计算方法。

1)国外常用的计算方法。在查阅大量的资料后发现，国外在河道生态环境需水量的计算过程中，应用最多的计算方法有以下几类:(1)历史流量法。这种方法主要是以历史流量资料作为计算基础，并依据不同的设定标准，将河流的宽、深与流速按照相应的比例缩小，并将计算获得的平均流量作为对应设定标准的估计值。该方法包括7Q10法、蒙大拿法、Texas法、基本流量法等等。(2)水力学法。这是一种以保留河流足够水量与保持河道基本形态为目标的计算方法。常用的有 WPM法、R2－C法、CASIMIR法等等。(3)栖息地法。该方法虽然使用起来较为灵活，但其实际操作性不强，所以在国外已经很少应用。

2)国内的计算方法。国内在河道生态环境需水量计算中较为常用的方法有以下几种:(1)最小月平均流量法。该方法的计算公式如下:

式中:Wb代表河道的基本生态需水量;T表示换算系数(一般可取 31.536×10－2);n代表统计年数;Qimin代表第 i年实测最小月平均流量(单位:m3/s)。

(2)7Q10改进法。由于国外的7Q10法对河道的要求相对较高，故此业内的专家学者在参考我国GB3838规范标准的基础上对该方法进行了改进，即采用最近10 a最小月平均流量或是90%保证率最小月平均流量作为设计值。

(3)估算法。该方法常被用于计算与河道相连的湿地生物栖息地生态需水量，其计算公式如下:

式中:Wq代表生物栖息地需水量;At，Bt，Ht分别代表湿地面积、水面面积百分比和水深，这三项数据可由 GPS、GIS和RS技术获得。

2 河道生态环境需水量问题分析

生态环境需水量是解决河流生态环境问题不可或缺的重要条件之一，通过相关计算能够得出河道生态环境的实际需水量，由此可以为河流生态环境的改善提供数据支撑。鉴于此，本文以太子河作为研究对象，对其河道生态需水量的相关问题进行分析。

相关统计数据结果显示，太子河流域多年平均径流量约为36.8亿 m3，该流域的总用水量为 18.75亿 m3，其中农业用水量占47.25%，工业占40.58%，生活用水占12.17%。

2.1 维系河道基本功能的需水量计算

采用10a最小月平均流量法进行计算，计算公式如下:

式中:WEB代表维系河道基本功能的需水量(单位:m3);Qmin代表最近10年内第 i年的最小月平均流量。按照观测站最近10 a的最小月平均流量进行计算后得出最小月平均流量的平均值为11.7 m3/s，将该计算结果带入到公式(3)中可得 WEB=3.69 ×108m3。

2.2 维持河道净化功能的需水量

可以采用污染稀释净化法对河道水体净化功能的需水量进行计算，计算公式如下:

式中:WJ(t，i)代表第 i河段内 t时段污染水体稀释净化的需水量(单位:m3);W(t，i)代表第 i河段内 t时段的污水总排量;λ代表河流稀释系数(污水未经处理时可取3.0，经过处理后的污水则可取1.0)。通过查阅相关资料后，计算得出太子河城区段年平均污水总排量为1.66×108m3，其中处理量为 5.83×108m3，未处理量为 1.08 ×108m3，由此可计算得出:

2.3 输沙需水量

由于太子河本身属于少沙性质的河流，相关调查统计数据结果显示，河道多年平均输沙量为45.9×104T。因河道输沙的时间多集中在汛期，故此，输沙需水量可以采用多年汛期平均含沙量的倒数来近似替代，具体计算公式如下:

式中:WS代表河道年输沙的需水量(单位:m3);Sl表示多年平均输沙量(单位:g)SCW表示多年汛期平均含少量。结合观测站近44年汛期平均含沙量的资料进行计算后得出太子河河道多年汛期的平均含沙量为881 g/m3，再按照多年平均输沙量 45.9×104T可计算出 WS=5.21×108m3。

2.4 维系人工湖相关功能的需水量

为了有效改善市区内的整体环境，近几年里，在太子河城区段上总共修建了5座蓄水工程，由此形成了5个人工湖。为此，需要对维系人工湖相关功能的需水量进行计算，具体包括以下几个方面的内容:人工湖的水面蒸发量、年内水体更换量以及水体渗漏量。按照水体总量的平衡原理，其计算公式如下:

式中:Wh代表人工湖所需的补水量(单位:m3);Wz，We，Wf则分别代表人工湖更换水、水面蒸发以及水体渗漏所需的补水量(单位:m3)。

1)更换水所需的补水量计算。相关资料显示，太子河城区段内的5个人工湖的单个需水量约为 0.012×108m3，由此可计算出:

Wz=0.012×108m3×5=0.06×108m3。

2)水面蒸发所需的补水量计算。有相关资料可知，5个人工湖的单个水面积约为0.4km2，按照观测站实测的年降雨量、年蒸发量以及年径流深，可以计算出水面蒸发的净损失量为:We=3.58 ×108m3。

3)水体渗漏所需的补水量计算。因这5个人工湖由上游至下游依次建设在太子河的城区段上，所以，从上游湖中渗漏出来的水势必会流入到下游湖中，鉴于此，在对水体渗漏所需的补水量进行计算，仅仅需要计算位于最上游单个人工湖的渗漏量。此外，由于人工湖的型式为翻板闸拦河板，其基础为混凝土，可在计算过程中将渗漏水量忽略不计。由此计算得出:Wf=0.064 ×108m3。

笔者认为，生态环境需水量是一个动态的变量，随着时间的不断推移，相关数据势必会随之发生改变，上述计算结果只能作为一个参考数据。但本文所选取的计算方法却是在前人不断的实践中总结出来的，每种计算方法都具有自己的特点，如10 a最小月平均流量法适用于计算维系河道基本功能的需水量等，这些方法在生态环境需水量的计算中具有十分重要的作用，只要正确选择方法，并结合相关数据，便可准确计算出河道生态环境需水量。

3 解决河道生态环境问题的几点建议

根据上文对太子河河道生态环境需水量的计算分析，笔者认为，想要有效解决太子河河道的生态环境问题，应当从宏观上进行统筹规划，并对当地的生态背景进行详细调查，同时还要结合生态环境需水量的特点，制定出科学合理、切实可行的整治措施。鉴于此，笔者提出以下几点建议，期望能够对太子河河道生态环境的改善有所帮助。

3.1 减少污水与废水的总排放量

太子河流域的水体污染问题由来已久，并且实际情况也相对比较复杂，其中工业废水与生活污水是河道水质的主要影响因素。为了保护太子河河道的水资源和水环境，应当尽可能减少污水和废水的总排放量，具体可采取如下措施:要求工业企业积极推行清洁生产工艺;严禁使用国家命令禁止的设备和生产工艺;部分生产工艺相对比较落后的企业应当进行技术改造，以此来减少废水的排放量;要做好工业结构调整，减少用水量多、能耗大、污染严重的企业。

3.2 建立完善的水资源保护体系

应当从水资源保护的角度出发，对污染物入河的总量进行有效控制，并按照当地水资源的实际需求量对水体进行功能分区，然后再依据河道的水文特征等情况，合理选择计算方法，得出各个功能区域最大的允许纳污量，最后依据相关政策方针，实施排污总量控制，借此来改善太子河的水质，使其发挥出应有的作用和效益。

3.3 增强河道本身的自净能力

由于太子河地处我国北方，气候比较寒冷，从而使得河道本身的自净能力较差，这在一定程度上加剧了河流污染，从而导致河道需要大量的稀释水，致使河道生态需水量增大。为此，可通过修建水库等控制措施，来增强河道自身的净化能力，以此来减少稀释水的用量。

4 结语

本文以太子河作为研究对象，对其河道生态需水量进行研究，由此得出如下结论:

(1)根据太子河流域的相关统计数据结果，得出其河道生态需水量的主要内容包括:维系河道基本功能的需水量、维持河道净化功能的需水量、输沙需水量以及维系人工湖相关功能的需水量。

(2)分别采用不同的计算方法进行了计算，进而得出了各项内容的具体需水量数值，即维系河道基本功能的需水量为3.69×108m3、维持河道净化功能的需水量为 3.82×108m3、输沙需水量为5.21×108m3、维系人工湖相关功能需水量为(0.06 ×108m3+3.58 ×108m3+0.064 ×108m3=3.704×108m3。

(3)由于太子河属于北方河流，其自身蒸发量并不是很大，所以在本文中并未对该河道的蒸发需水量进行计算。

(4)因为本文是基于改善太子河河道生态环境的角度进行研究，所以河道生态环境需水量的计算是全文的重点，计算所得的结果对河道生态环境改善措施的制定具有一定的指导作用。

[1]张远.杨志峰.王西琴.河道生态环境分区需水量的计算方法与实例分析[J].环境科学学报.2012(5).

[2]王沛芳.王超.李智勇.山区城市河流生态环境需水量计算模式及其应用[J].河海大学学报(自然科学版).2010(4).

[3]黄小雪.姜跃良.蒋红.流域梯级开发中河道生态环境需水量研究[J].水力发电学报.2013(4).

[4]张代青.高军省.河道内生态环境需水量计算方法的研究现状及其改进探讨[J].水资源与水工程学报.2013(5).

[5]秦丽杰.邱红.陶国芳.河道生态环境需水量的界定及水环境保护[J].环境科学与管理.2011(8).