基于河流健康的浑河中下游河道生态需水量计算

冯夏清，李剑辉

(辽宁省水文局，沈阳 110003)

河流是地球上重要的生态系统，是水体、营养物质和泥沙的循环载体，也是哺育人类历史文明的伟大摇篮。在大规模人类活动和全球气候变化双重因素的作用下，河流生态系统出现了河道断流、水质恶化、含沙量大、生物多样性受损以及重要或敏感水生生物消亡等一系列问题。协调好河流生态系统的开发利用与保护治理，保障河流生态系统健康，对流域或区域水安全、生态安全和社会经济可持续发展等方面具有重要意义。

河道生态需水量是维持河流生态系统结构、功能和生态过程所需要的水量，是河流生态系统健康的基本保障，也是实现面向生态的水资源配置的关键[1,2]。为了维持河流生态系统的健康和满足流域水资源可持续利用的需求，必须重视和满足河道生态需水量。

1 研究区概况

浑河为辽宁省东部地区的较大河流，发源于抚顺市清原县长白山支脉滚马岭，全长415.4 km，流域面积11 481 km2。浑河干流代表性水文站有4个：北口前站、抚顺站、沈阳站和邢家窝棚站。考虑到流域的地形地貌特点以及水文站点分布情况(见图1)，以北口前和沈阳水文站为分界点将干流划分为上游、中游和下游3个区段，即：北口前以上为上游段，北口前至沈阳为中游段，沈阳以下为下游段。浑河上游主要为山区，山地海拔高程400～800 m；中游为低山丘陵区，地形较缓；下游为平原区。浑河干流水文特性表见表1。

浑河流域属于温带大陆性季风气候，夏季湿热多雨，冬季严寒干燥，多年平均降水量为650～800 mm，降水主要集中在7、8月份，多年平均气温为5～9 ℃，最高气温出现在7月，最低气温在1月。1958年在浑河干流上修建了大伙房水库。大伙房水库主要为沈阳、抚顺2市提供工农业和生活用水，同时流域内还有鞍山、辽阳等大型城市对水资源利用的需求较大，造成上游下泄流量显著减少，中下游水资源供需矛盾日益突出，如何保障浑河中下游河道生态需水量已成为该流域亟待解决的问题。因此将大伙房水库以下受流域水资源开发利用影响较大的中下游河段作为浑河河道生态需水量研究的重点区域。

图1 浑河流域水系Fig.1 The water systems in the Hunhe River basin

站名控制面积/km2河长/km比降/%)多年平均年径流量/亿m3年最大径流量/亿m3年最小径流量/亿m3北口前18321050.3655.0414.101.57抚顺66881880.23015.9947.305.39沈阳79442450.17915.8649.204.60邢家窝棚110903590.10419.7467.174.16

本文选取浑河中下游抚顺、沈阳和邢家窝棚水文站作为控制断面，采用1956-2011年天然径流量、1956-2014年断面实测的流速和流量资料，采用月保证率法和鱼类生境法计算不同等级的河道生态需水量，并采用Tennant法验证计算方法的合理性，为流域水资源合理配置提供科学依据。

2 浑河中下游河道生态需水量计算

2.1 月保证率法计算河道生态需水量

月保证率法[3]是针对我国北方河流所提出的方法，在传统水文学方法的基础上将月保证率与河道生态需水量等级相联系。综合考虑研究区域的气候特征、径流的年内变化特征、河流形态等因素来确定各月保证率。

根据浑河中下游各水文站径流量年内分配情况(见图2)，5-9月径流量占年径流总量的73%～85%，10月至次年4月径流比例小。针对北方河流的特性，5-9月为鱼类产卵育幼期，此阶段对河道水量、流速有着特殊要求。考虑上述情况，丰水期(5-9月)计算50%保证率天然流量、枯水期(10月至次年4月)计算75%保证率下的天然流量。在不同的月保证率天然流量确定基础上，设定其20%、40%和60%分别为最小、适宜和理想生态需水量。当月最小生态需水量占天然径流量的比例小于10%时，以月天然径流量的10%作为最小生态需水量[4]。

图2 浑河中下游各水文站径流量年内分配比例Fig.2 Intra-annual distribution of streamflow at the stations in the middle and lower reaches of Hunhe River

基于月保证率法的浑河中下游各水文站河道生态需水量计算结果见表2。从表2中可以看出，丰水期5-9月各水文站各等级生态需水量占全年生态需水量的比例为82%～86%。从中游到下游，河道生态需水量逐渐增加。从增加的幅度来看，从中游到下游，理想生态需水量增加幅度最大，其次是适宜生态需水量，最小生态需水量增加幅度最小。

表2 基于月保证率法的浑河中下游河道生态需水量计算结果 亿m3

2.2 鱼类生境法

鱼类生境法是陈敏建等[5]提出的一种针对河流生态系统典型物种的生存繁殖需求所确定的河流流量，是由水文测站控制断面资料、流速流量关系以及典型物种产卵繁殖关键期所需要的水流条件共同计算确定的，此法注重水生生物生存繁殖的关键期和鱼类生境需求。

浑河鱼类资源丰富，据相关资料统计流域检出鱼类50余种，其中以鲤鱼为主[6]，鲤鱼一般是在5月上旬至6月上旬产卵。另外浑河流域还有一些洄游性鱼类，其中以鲚鱼为主，该鱼种5月份溯水而上开始产卵繁殖。同时这一时期也是农业生产灌溉期，用水矛盾较为突出，因此选取5月作为关键期。

参考相关资料[7,8]，鱼类产卵繁殖期水流流速范围为0.2～0.6 m/s，据此设定不同等级的流速要求，利用建立的流速～流量关系方程计算关键期河道生态需水量，然后利用各月天然径流量分配比例得到全年和各月的河道生态需水量。利用鱼类生境法估算的浑河中下游河道生态需水量结果见表3。从表3中可以看出，从中游到下游，各控制断面流量流速关系稳定，河道生态需水量逐渐增加。

表3 基于鱼类生境法浑河中下游河道生态需水量计算结果Tab.3 Results of EWRs at different sections in the middle and lower reaches of Hunhe River based on fish habitat method

3 计算结果分析

3.1 浑河中下游河道生态需水量的确定

为验证上述方法计算结果的合理性，采用Tennant法[4,9]计算河道生态需水量。在考虑浑河径流年内变化特征的基础上，设定一般用水期(10月至次年4月)最小、适宜和理想等级的生态需水量依次为多年平均月天然径流量的10%、20%和30%；鱼类产卵育幼期(5-9月)相应取20%、30%、40%。由不同计算方法成果对比情况(见表4)可知，2种方法计算结果与Tennant法的计算结果比较接近，差异度均小于25%，满足合理性要求[10]。

由于最小生态需水量是维持河流健康的最小临界值，因此最小生态需水量取2种方法的最大值；考虑到本流域水资源紧缺，短期内三生用水矛盾仍然存在，需要平衡河流生态系统的生态功能与经济功能的发挥，所以适宜和理想生态需水量取2种方法的最小值。最终确定的最小生态需水量都是鱼类生境法计算结果，说明鱼类生境法计算的最小生态需水量对月保证率法计算成果有较好校正作用。

与本区域以往研究成果相比，邢家窝棚站最小生态需水量计算结果与张远等[11]的研究结果相似，相差0.77 亿m3。

表4 基于不同计算方法的浑河中下游河道生态需水量计算结果比较Tab.4 Comparisons between the results of EWRs with different methods in the middle and lower reaches of Hunhe River

3.2 浑河中下游河道生态需水量特征分析

从中游到下游，各控制断面生态需水量随着径流量的增加而增加。各控制断面河道生态需水量年内丰枯变化过程与天然径流量变化过程相一致，其中5-9月河道生态需水量占全年生态需水量的比例在80%～85%，与各控制断面天然径流比例相近。浑河各控制断面各等级生态需水量占各控制断面多年平均天然径流的14%～44%。

将各站各等级生态需水量计算结果与多年平均实测径流量进行对比分析(见图3)，可以看出：各水文站多年平均径流量可以满足河道生态需水的要求，5-9月份在满足河道生态需水量的前提下，剩余水量较多，可满足河道外生态需水和水库汛期蓄水的要求。

图3 浑河中下游河道生态需水量与多年平均实测流量的比较Fig.3 Comparisons between EWRs and measured streamflow in the middle and lower reaches of Hunhe River

2015年浑河流域地表水资源总量为16.21 亿m3，地表水供水量10.81 亿m3，地表水资源开发利用率为67%，以控制面积占流域总面积97%的邢家窝棚站为代表，河道基本生态需水量占流域地表水资源总量的23%，在地表水资源开发利用量中的比例为35%，河道流量全年基本能够满足生态需水量的要求，但主要问题是枯水季节的部分时段河道流量难以满足鱼类生存需要，需要调整水库调度方式和水库下泄流量。

4 结 语

(1)采用月保证率法和鱼类生境法计算浑河中下游河道生态需水量，并采用Tennant法对月保证率法和鱼类生境法计算成果进行合理性分析，得出月保证率法和鱼类生境法计算成果合理，在河流健康保护中有应用价值。

(2)确定浑河中下游各控制断面最小、适宜和理想生态需水量，各控制断面河道生态需水量年内丰枯变化过程与天然径流量变化过程相一致，各水文站多年平均径流量可以满足河道生态需水的要求，5-9月份在满足河道生态需水量的前提下，可满足河道外生态需水和水库汛期蓄水的要求。

□

[1] 李云玲,谢永刚,谢悦波.生态环境用水权的界定和分配[J].河海大学学报(自然科学版),2004,32(2): 29-32.

[2] 丛振涛,倪广恒.生态水权的理论与实践[J].中国水利, 2006,(19):21-24.

[3] 王西琴,刘昌明,张 远.黄淮海平原河道基本环境需水研究[J].地理研究, 2003,22(2):169-176.

[4] 杨志峰,崔保山,刘静玲,等.生态环境需水量理论、方法与实践[M].北京科学出版社, 2003:35-49.

[5] 陈敏建,丰华丽,王立群,等.适宜生态流量计算方法研究[J].水科学进展, 2007,18(5):745-750.

[6] 张志军.浑河中、上游水生生物多样性及其保护[J].辽宁城乡环境科技,2010,20(5),55-58.

[7] 刘建康,何碧梧.中国淡水鱼类养殖学[M].北京:科学出版社,1992.

[8] 赵希坤,韩桢锷.鱼类克服流速能力的试验[J].水产学报,1980, 4(1):31-37.

[9] Tennant D L. Instream flow regimes for fish, wildlife, recreation and relative environmental resources[J]. Fisheries, 1976,1(4):6-10.

[10] 王 伟,杨晓华,王银堂.滦河下游河道生态需水量[J].水科学进展, 2009,20(4):560-565.

[11] 张远,郑丙辉,王西琴,等.辽河流域浑河、太子河生态需水量研究[J].环境科学学报, 2007,27(6):937-943.