沂河流域河流生态需水研究

通信作者:陆宝宏,教授。E-mail:lubaohong@126.com

沂河流域河流生态需水研究

陆建宇1,陆宝宏1,2,王猛1,甄亿位1,朱从飞1,史贤举1

(1.河海大学水文水资源学院,江苏 南京210098;

2.河海大学水文水资源与水利工程科学国家重点实验室,江苏 南京210098)

摘要：基于沂河临沂站的天然径流和实测径流资料,遵循水量平衡基本原理,结合河流生态需水量、可取水量,提出一种新的河流生态需水分析方法,以满足河流生态需水量要求为前提,分析沂河河流可取水量、可取水比例及不同水平年条件下沂河河流生态需水保证程度。结果表明:沂河河流生态需水量、生态需水比例阈值分别为3.43亿～20.63亿m3、12.50%～75.17%,河流可取水水量、可取水比例的阈值分别为6.80亿～24.0亿m3、24.79%～87.50%,河流实际取水量、实际取水比例分别为8.65亿m3、31.53 %;丰、平、枯、特枯水平年条件下,仅有特枯水年部分月份河流最小生态需水量不能够满足,河流适宜生态需水保证程度则处于较低水平。因此,在减少河流取水量的同时,有必要通过一定的水利工程调度,适当增加河道内生态用水量,以维持沂河河流生态环境的健康、稳定。

关键词：沂河流域;临沂站;生态需水量;可取水量;生态需水保证率

基金项目:国家自然科学基金(NSFC-50979023);水利部公益性行业科研专项(201201026);江苏省博士后基金(1302029C);江苏省高校研究生科研创新计划(KYZZ_0144)

作者简介:陆建宇(1989—),男,硕士研究生,研究方向为生态水文学及水资源规划。E-mail:lujianyuchn@126.com

中图分类号：TV213.4 文献标志码：A

收稿日期：(2014-12-19编辑：徐娟)

DOI：10.3880/j.issn.1004-6933.2015.03.016

DOI：10.3880/j.issn.1004-6933.2015.03.014

Study of ecological water demand in Yi River Basin

LU Jianyu1, LU Baohong1,2,WANG Meng1, ZHEN Yiwei1, ZHU Congfei1, SHI Xianju1

(1.CollegeofHydrologyandWaterResources,HohaiUniversity,Nanjing210098,China;

2.StateKeyLaboratoryofHydrology-WaterResourcesandHydraulicEngineering,

HohaiUniversity,Nanjing210098,China)

Abstract：Based on the natural and observed runoff data at Linyi station of Yi River, conforming to the basic principle of water balance, and according to the ecological water demand and water withdrawals of the river, a kind of ecological water demand analysis method was put forward to analyze the water withdrawals, water withdrawals ratio and guarantee degree of ecological water demand of Yi River under the condition of different level years on the premise of meeting the ecological water demand requirements. The results show that the thresholds of ecological water demand, ecological water demand ratio are 0.343 billion～2.063 billion cubic meters and 12.50%～75.17%, respectively. The thresholds of water withdrawals, water withdrawals ratio are 0.680 billion～2.400 billion cubic meters and 24.79%～87.50%, respectively. The actual water withdrawals, actual water withdrawals ratio are 0.865 billion cubic meters and 31.53%, respectively. Under the condition of wet year, normal year, dry year and especially dry year, only the minimum ecological water demand of some months in especially dry year can’t be met, and the guarantee degree of optimal ecological water demand of Yi River is relatively at a low level. Therefore, while reducing the water withdrawals from the river, it is necessary to increase modest ecological water by water scheduling of certain water conservancy project, keeping the ecological environment of Yi River healthy and stable.

Key words： Yi River Basin;Linyi station;ecological water demand;water withdrawals;guarantee rate of ecological water demand

近年来,人类过度开发和不合理利用水资源,导致世界河流面临不同程度的生态问题[1],并引发河流生源要素、生物多样性和区域生态环境的改变。为确保水资源的可持续利用,全世界开始关注维持河流自然流动状态的水质和水量[1],因此如何合理地确定河流生态需水量已成为当前以及今后生态水文学的研究热点[2]。

沂河是淮河流域沂沭泗水系中一大支流,属于我国严重缺水区域之一。近年来,随着社会经济的快速发展,流域水资源开发利用率不断增加。目前,沂河流域地表水开发利用率为74%[3],远超出国际公认的40%警戒线,处于过度开发阶段。同时,沂河干流水质已遭到不同程度的污染[4-7],水质性缺水威胁到部分地区的用水安全[4]。针对沂河流域上述相关问题,大量学者开展了深入研究,但成果多倾向于水文要素演变规律[3]、水资源开发利用[4]、水质评价[5]和浮游植物分析[6]等。在河流生态需水方面,仅有王萍[7]对临沂站断面生态质量进行了初步评价,采用改进的Tennant法计算了沂河李庄闸下泄生态流量。鉴于沂河主要控制站——临沂站河流断面为中度污染,生态系统脆弱,河流已处于亚健康状态[7]以及流域水资源供需矛盾日益突出的形势,笔者尝试基于水量平衡原理,结合河流生态需水量、可取水量,提出一种新的河流生态需水分析方法,从分析河流天然径流的角度出发,对沂河河流生态需水进行研究,力求为维持沂河河流生态环境的健康、稳定,保障流域水资源的可持续利用提供一定的参考。

1相关概念及计算方法

1.1河流生态需水量及生态需水比例计算

河流是最重要的水生态系统类型之一, 必须保证一定质量和数量的水资源。一般而言,河流生态需水量可以理解为保护河流生态系统结构的完整性和生物多样性所需要的水量或流量[8-9]。河流水文变化过程是随机的,其生态需水量不是一个固定值,而是在一个域值区间内变化[10]。对于某一个特定的生态保护目标,其生态需水量是由最小、适宜、最大需水量限定的一系列区间值构成的,其下限是最小生态需水量,上限是最大生态需水量。

沂河流域地处半干旱半湿润地区,水资源供需矛盾较为突出,在河流生态系统中出现水资源过剩的几率相对较小,基本可以忽略最大生态需水问题,其河流生态需水量应控制在最小生态需水量和适宜生态需水量之间,河流最小、适宜生态需水量与其多年平均天然径流量的比值构成了河流生态需水比例的阈值区间。根据上述解释,可将沂河生态需水阈值区间表示为:[Wmin,Wopti],河流生态需水比例的阈值区间定义为[11]

(1)

式中:Wmin、Wopti分别为河流最小、适宜生态需水量,亿m3;Wn为河流天然径流量,亿m3;Pmin、Popti分别为河流最小、适宜生态需水比例,%。

以沂河天然径流为基础,采用生态径流相关计算方法,在最小、适宜生态径流量计算结果的基础上,得到最小、适宜生态需水量。①最小生态需水量。选用逐月次最小值法[12]、近10年最枯月平均流量法[13]和90%保证率最枯月平均流量法[13]计算沂河河流最小生态需水量。②适宜生态需水量。根据文献[6-7]的研究成果,沂河底栖动物主要包括软体动物、水生昆虫、水栖寡毛类、多毛类,共24种;浮游植物以蓝藻门和绿藻门为主,共有5门39属;浮游动物以轮虫和枝角类为主,有63属;鱼类以鲤科鱼类为主,有23种。上述水生生物的组成和数量,与沂河河流水体的丰、枯、污染程度有着密切关系。现阶段,河流适宜生态需水量的计算多采用逐月频率法,即根据历史流量数据,将一年划分为丰、平、枯3个时期,对各时期拟定不同的保证率,确定在不同保证率下各时期的需水量,即得到该年的适宜生态需水过程[2]。该方法在确定河流适宜生态需水量时,不仅考虑了河流生态系统对水量的要求,还兼顾了不同时期生态系统的不同要求。为保证河流生态功能、水生生物和水环境的安全,计算非汛期各月的适宜生态径流量宜选用较低保证率,最终选择文献[2]、[12]、[14]所提的3种逐月频率法。考虑到Tennant法在生态需水评价方面的局限性,采用改进的Tennant法,即以各月流量的同期均值比替代年均值比,评价上述计算结果的合理性。最后,通过多种分析结果的综合比较和综合论证,确定河流最小、适宜生态需水量。

1.2河流可取水量及实际取水量计算

对于河流生态系统而言,在不考虑开采地下水的前提下,河流生态需水量与从河流中的取水量存在着此消彼长的关系。若从河流中取水过多,留给河流生态系统的水量过少,河流生态需水得不到满足,水生生物的生长和繁殖就将受到抑制,此状况长期持续下去,将会破坏河流水生生物的完整性,河流生态系统服务功能也将衰弱[15]。因此,应在优先满足河流生态需水的前提下,再将流域水资源重新协调或分配。

沂河河流生态需水量是在最小、适宜生态需水量所构成的阈值区间内变化的,相应地沂河河流可取水量也应存在一个变化的阈值区间,即河流最大可取水量、适宜可取水量。基于水量平衡,借鉴文献[16-17]，笔者将河流生态需水量与从河流中的可取水量间的关系表示为

(2)

(3)

式中:Wc为河流断面可取水量,亿m3;We为河流生态需水量,亿m3;Wf为河流实际取水量,亿m3(其中,河流的蒸发、渗漏损失量均计入Wf中);Wo为河流实测径流量,亿m3。

1.3不同水平年条件下河流生态需水保证率

河流生态需水能否得到满足是河流健康评价的基础,近年来,沂河天然径流量呈现减少趋势,河流生态需水日趋紧张,河流实测径流是否真正满足河流生态需水要求需要足够重视。因此,需将河流实测径流过程与生态需水过程进行比较,获得河流生态需水保证程度,以便在今后天然来水较少的时段,采取相对科学的手段调配水量,以改善河流水生态质量。

基于河流生态需水着重考虑不利的原则,取保证率为25%、50%、75%、95%天然径流量所对应的年份作为丰、平、枯、特枯水年,若出现多个年份天然径流值与设计值都比较接近,再按照“年内分配最不利”(汛期径流过多,非汛期水量过少)的原则,确定各代表年份。不同水平年条件下,河流实测径流量与河流生态需水量的比值,即为其生态需水保证率。

(4)

式中:θ为不同水平年条件下的河流生态需水保证率,%。

2计算结果及分析

沂河是淮河流域沂沭泗水系中最大的一支,位于山东省东南部。沂河发源于沂蒙山南麓,流经临沂市所辖的13个县、市,于江苏新沂注入骆马湖。沂河河道全长333km,流域总面积为11820km2。临沂站是沂河主要控制站,临沂站以上河道长223km,水系大致呈扇形,集水面积为10315km2,占全流域面积的87.3%[18]。山丘区约占流域总面积的70%,平原区所占比例约为30%。其中,流域上游为山丘区,植被相对较差,土壤风化层较薄,涵养水分能力较差,中下游为平原区,土质多为壤土,植被状况较好。受台风、南北切变、黄淮气旋和地形的影响,沂河汛期洪水陡涨陡落,容易形成洪涝灾害,非汛期流量较小,甚至出现河道断流,水资源形势严峻。临沂站设立于1950年4月,位于东经118°24′,北纬35°01′,分析数据采用其1958—2000年共43a的天然月径流资料及实测月径流资料。

2.1最小、适宜生态需水量及生态需水比例

图1为采用逐月次最小值法得到的河流年内最小生态径流过程。由逐月次最小值法得出的最小生态径流量为10.87m3/s,占天然径流多年平均值的12.60%;采用近10年最枯月平均流量法得到的最小生态径流量为2.95m3/s,占天然径流多年平均值的3.39%;采用90%保证率最枯月平均流量得到的最小生态径流量为2.91m3/s,占天然径流多年平均值的3.34%。

图1　临沂站河流最小生态径流过程

图2为采用不同保证率的逐月频率法得到的沂河年内适宜生态径流过程,3种保证率计算所得适宜生态径流量依次为65.39m3/s、78.25m3/s和70.94m3/s,占天然径流多年平均值的比例分别为75.19%、89.97%和81.58%。

图2　临沂站河流适宜生态径流过程

借鉴文献[19],选用改进的Tennant法分析最小生态径流和适宜生态径流计算结果的合理性(表1)。

由图1、图2和表1可看出,不同方法的计算结果相差较大。由于沂河天然径流年内分布极不均匀,由近10年最枯月平均流量法和90%保证率最枯月平均流量法计算得到的最小生态径流量严重偏小,会致使河流水生生物栖息地的退化;逐月次最小值法的计算结果不仅能够满足河流的纳污能力和最

表1　临沂站河流生态径流评价

小生态需水基本要求,还可体现沂河天然径流年内连续丰枯变化特征。根据改进的Tennant法评价结果,在多水期和少水期,3种方法计算的适宜生态需水量均能使沂河河流生态系统达到“好”甚至“最佳”状态,因此3种方法的计算结果均可采纳;但方法一能够在保证沂河河流生态系统处于最佳状态的前提下,最大程度削减适宜生态径流量,这一点可从图2和表1中看出。与方法二、三相比,方法一将年内各月均取相同频率,虽减少了丰水期的生态径流量,增大了枯水期生态径流量,均化了年内各月的生态径流过程,但为河流提供了一种更为理想化的生态条件。增加枯水期河流流量,有利于枯水期河流栖息地的保护,水环境安全的维持,控制丰水期河流流量,不但可以缓解水资源紧张态势,还可保障流域经济发展。因此方法一,即年内各月保证率均取50%计算适宜生态需水更为理想。

由沂河河流生态径流过程,得到其生态需水过程(表2)。根据式(1),沂河河流生态需水量、生态需水比例的阈值分别为3.43亿～20.63亿m3、12.50%～75.17%。

表2　临沂站河流生态需水过程　亿m 3

2.2流域河流可取水量及实际取水量

根据式(2)和(3),得到沂河年内可取水及实际取水过程(图3)。由图3可知:①年内适宜取水、最大可取水及实际取水过程走势基本一致,均呈不对称的单峰型变化,年内实际取水过程线稍高于适宜可取水过程线,而远低于最大可取水过程线。其中,1—5月河流可取水量和实际取水量相对较小,且变化平缓,6月份流域开始进入雨季,河流可取水量和实际取水量随降水增多而迅速增加,多于7、8月份达到峰值,9—12月份随降雨减少河流可取水量和实际取水量逐渐落平。②年内最大可取水量出现时间相对集中,主要在6—10月,其他月份可取水量相对较少。其中,最大可取水量最大值为8.16亿m3(7月),占年内最大可取水总量的34.01%;适宜可取水量最大值为2.34亿m3(8月),占年内适宜可取水总量的34.41%;实际取水量最大值为3.50亿m3(7月),占年内实际取水总量的40.46%。不难看出,沂河河流可取水过程和实际取水过程年内差异明显,年内7月河流生态用水受到实际取水挤占,这在一定程度上会对河流生态系统的健康和稳定产生影响,由于其实际取水量远小于最大可取水量,该影响还处于较弱水平。

图3　临沂站河流可取水量及实际取水量

最终,汇总得到河流取水总量分别为:适宜可取水量为6.80亿m3,占天然径流多年平均值的24.79%;最大可取水量为24.00亿m3,占天然径流多年平均值的87.50%;实际取水量为8.65亿m3,占天然径流多年平均值的31.53%。因此,沂河河流可取水量、可取水比例的阈值分别为6.80亿～24.00亿m3、24.79%～87.50%。

2.3不同水平年条件下河流生态需水保证率

图4　临沂站不同水平年条件下生态需水过程

根据表2计算结果,将沂河临沂站断面的河流年内生态需水过程与各水平年的河流年内实测径流过程比较(图4)。由图4可以看出:丰、平、枯、特枯等不同水平年年内实测径流过程均有一定时段无法满足河流生态需水要求。以特枯水年(图4(d))为例,1、8、9、11月份实测径流法无法满足最小生态需水要求,实测径流均未达到适宜生态需水要求,但改进的Tennant法评价结果显示，所计算的特枯水期的1、9、11月最小生态需水量可使沂河河流生态条件达到“最小”,各月适宜生态需水量可使沂河河流生态条件达到“好”甚至“最佳”,这种差异主要是因为改进的Tennant法以各月流量的同期均值比来评价河流的生态条件,虽较Tennant法的“年均值比”有所进步,但各月流量的同期均值比仍难以克服个别极端流量值对计算结果整体的影响。丰水年(图4(a)),实测径流法均能满足最小生态需水要求,6—8月份实测径流能达到适宜生态需水要求;平水年(图4(b))实测径流法均能满足最小生态需水要求,2、3、6月份实测径流能达到适宜生态需水要求;枯水年(图4(c))实测径流法均能满足最小生态需水要求,实测径流均不能达到适宜生态需水要求。

最后,由式(4)得,丰、平、枯、特枯年沂河河流最小生态需水保证率分别为793.57%、447.33%、245.89%和128.49%,适宜生态需水保证率分别为132.01%、74.41%、40.90%和21.37%。不难看出,在年总流量上,特枯水年的最小生态需水能够满足要求,但实际上年内部分月份最小生态需水保证程度不可能超过100%。在其他水平年,上述问题依然存在,这种差异仍是由改进的Tennant法难以克服个别极端流量值对计算结果整体的影响而导致的,因此，在使用改进的Tennant法时应考虑各月天然来水的变化特性及其极端值的影响,或者对改进的Tennant法做进一步完善。

随着不同水平年天然径流量的减少,河流适宜生态需水的保证程度逐渐降低,而河流最小生态需水不能得到满足的时段变化相对较小。作为临沂市的母亲河,沿岸工、农业及生活用水主要取自沂河。流域内农业灌溉用水量大,工业用水重复利用率低,公共基础设施用水浪费严重[4],加之近年来流域降水减少[3],进而导致天然径流量减少[18],这势必会给河流生态需水造成一定的压力。对于受人类活动影响较大的沂河流域,其水资源的时空分布不均衡,特别是年内的变化差异较大,河流生态环境相对脆弱。建议通过实施一定的水利工程调度,将丰水期多余的水量补给枯水期,一方面能够确保枯水期的河流生态需水量,另一方面又能减少丰水期因水量过大可能造成的洪涝灾害损失。

3结语

以沂河主要控制站——临沂站为例,提出一种新的河流生态需水分析方法,在遵循水量平衡原理、满足河流生态需水的前提下,以天然径流、实测径流资料为基础,采用生态径流相关计算方法分析了沂河河流生态需水、可取水量、实际取水量及不同水平年下河流生态需水保证程度,获得了沂河河流生态需水比例阈值、河流可取水量比例的阈值及实际取水比例。需要注意的是,在各水平年,实际河流生态需水保证程度与改进的Tennant法评价结果存在一定的差异,这种差异主要是因为改进的Tennant法以各月流量的同期均值比来评价河流的生态条件,各月流量的同期均值比仍难以克服各别极端流量值对计算结果整体的影响,所以在使用改进的Tennant法时还应考虑各月天然来水的变化特性及其极端值的影响,或者进一步完善改进的Tennant法。最终成果可为促进沂河流域水资源的可持续发展、维护沂河河流生态系统的健康、稳定提供一定的参考依据。

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