高度人工干扰流域河流环境流量分区界定研究

王惠英 于鲁冀

摘要：根据我国河流生态系统受损和水质污染的双重特点，建立了闸坝分布密集、无水文站流域的节点流量推求方法，基于分区的思想确定了不同区域环境流量的组成，构建了不同区域环境流量计算模型，并以清潩河（许昌段）流域为例进行了计算分析。环境流量以平均降水量、平均高程、地表粗糙度、土地利用强度为指标进行一级分区，以小流域坡度、河道弯曲度、水网密度、水利工程密度和小流域污染负荷等为指标进行二级分区，根据环境流量分区结果，清潩河（许昌段）流域可分为城市人工高度干扰区域和自然河道两大类型区域。城市人工高度干扰区环境流量组成包括维持稀释自净、景观-A If，、蒸发和地下水水位4种流量，自然河道区环境流量组成包括维持水生生物栖息、蒸发和地下水水位3种流量。采用河段环境流量计算模型及汇流式整合模型计算得到清潩河（许昌段）流域6个节点1-12月应保障的最小环境流量，并采用校准后的Tennant法对计算结果进行了合理性分析。

关键词：环境流量;分区;高度人工干扰;自然河道;清淇河

中图分类号：O647.3;X783 文献标志码：A

1 研究背景

随着经济社会的发展，人类生存发展与水资源有效供给之间的矛盾日益突出，河湖生态环境用水被挤占，河流环境流量难以保障。河流环境流量是维持河流生态系统健康的基础Meijer等[1]利用水资源规划方案“ribasim”的新功能，计算了高、低脉冲洪水下的环境流量;Zooho等[2]建立了基于嫡的生态水文系统动态相关的环境流量计算模型。我国环境流量计算方法有水文学法、水力学法、栖息地模擬法、整体法等，杨志峰等[3]对黄淮海地区生态环境需水进行了系统研究;王西琴等[4]提出一种满足河流稀释自净功能的环境需水量计算方法;门宝辉等[5]采用改进的Tennant法计算了南水北调西线河道内生态需水量;刘昌明等[6]提出了考虑河道生态流速的生态水力半径法，计算河道内生态需水量;张远等[7]以鱼类为保护目标，采用FLOWS法计算其所需的流量条件。上述研究多适用于受人工干扰程度高的自然河道环境流量的计算，同时是在水文站点资料较为齐全的条件下开展的，侧重计算河流生态系统所需的环境流量。我国河流面临生态系统受损和水质污染的双重威胁，为保障河流经济社会功能的正常发挥，河流闸坝分布密集，人工干扰程度高，上述方法不能满足我国河流特殊背景下环境流量的计算。

综合考虑河流生态系统及维持一定水质双重需求，将闸坝分布密集，污水处理厂排水和外部调水作为主要河道水源的清潩河（许昌段）流域为例，提出了无水文站点地区节点流量的推求方法，基于分区思想确定不同区域环境流量的组成，结合区域特点科学确定环境流量，同时为保障环境流量所需水资源量，水资源配置时将此计算结果作为河道内生态需水量进行配置。

2 环境流量内涵及分区分类

2.1 环境流量内涵

对于环境流量的内涵目前无统一认知，国外研究多认为环境流量是维持河流生态系统完整性使其正常发挥河流生态系统功能所需的流量[8-10]，国内环境流量研究起步较晚，现有研究中有关概念有“生态需水量”“生态环境需水量”“生态基流”“生态流量”“环境流量”等，多从不同研究需求来界定环境流量的内涵。本研究立足国内河流生态系统受损和污染的现状，认为环境流量是指在特定的区域、流域内，在相应的水环境和水生态保护、恢复或建设目标下，河流为维持一定自净能力达到不同水质目标及保障其他主导功能发挥所必须的流量，环境流量概念侧重水质达标及主导功能发挥。国际上认为环境流量是维持河流生态系统完整性所需的流量，由于河流发展阶段不同，因此对环境流量内涵的界定不同。

2.2 环境流量分区分类

（1）区域概况。菨濋河发源于新郑沟草园，流经长葛市、许昌县、魏都区（许昌市区）、鄢陵县和临颖县，流域面积2362km²，全长149km，其中许昌境内流域面积1585km²。许昌市位于河南省中部，属北温带大陆性季风气候区，降水量年际变化幅度较大，年内分配不均。清潩河许昌段（长葛市增福庙水库一临颖高村桥）全长44.8km，包括长葛市景观娱乐用水区、长葛排污控制区、长葛市许昌过渡区、许昌景观娱乐用水区、许昌排污控制区5个功能区。清潩河流域1958-1972年在许昌三里桥设有水文站，1973年改为水位站，1978年撤销，流域内1978年后无水文资料。该河段汛期输沙量约占全年的90%，不属多沙、感潮河流，沿途未设引水管理设施，为保障生活、农业及河湖生态用水，常年从北汝河调水，每年调水量约1.2亿m³。许昌市多年平均水面蒸发量为1027mm，多年平均径流深75mm。

（2）清潩河（许昌段）流域环境流量分区。以流域生态水文特征进行环境流量一级分区，主要反映气候、地势、土壤、植被和水文等自然环境要素对流域水生态系统空间差异的影响，分区指标为多年平均降水量、平均高程、地表粗糙度、土地利用强度。一级分区可分为清潩河北部少水生态区和清潩河中南部平水生态区。环境流量二级分区主要反映河段尺度上的栖息地环境以及人为干扰程度，分区指标为小流域坡度、河道弯曲度、水网密度、水利工程密度、小流域污染负荷、物理生境质量。根据环境流量分区结果，清潩河（许昌段）流域可分为城市人工高度干扰区域和自然河道两大类型区域，其中：城市人工高度干扰区环境流量组成包括维持稀释自净、景观娱乐、蒸发和地下水水位4种流量;自然河道区环境流量组成包括维持水生生物栖息、蒸发和地下水水位3种流量。

3 环境流量模型

根据环境流量的定义和组成，结合清潩河（许昌段）流域特点，确定不同类别环境流量的计算方法及模型。维持稀释自净所需流量采用水质水量平衡模型计算[11-13]，同时考虑水功能区纳污能力核算中的设计流量综合确定;景观娱乐所需流量是指维持河流系统与其周边环境组成优美景观，并满足游客在水上进行娱乐活动所需流量[14]，目前无统一公认的计算方法，本研究采用水深和水面面积方法来确定;维持水生生物栖息所需流量采用Tennant方法和湿周法综合确定[5，15];维持河流地下水水位所需流量根据达西定律确定;河流蒸发所需流量采用水面面积、水面蒸发深以及降水量等参数进行计算。

上述流量都为河道内所需流量，存在重复现象，在进行环境流量整合时，不能简单的叠加，河流非消耗性需水流量取各个分项的最大值，河流环境流量等于河流非消耗性需水流量与消耗性需水流量之和[16]，其中河流消耗性需水为蒸发及维持地下水水位所需流量。结合上述分析，不同分区上游河段环境流量整合模型分为城市人工高度干扰区和自然河道区，城市人工高度干扰区模型为

自然河道区模型为式中：Q_xszjⁿ、Q_jgylⁿ、Q_qxdⁿ、Q_dxswⁿ、Q_zfⁿ和Q_hjⁿ分别为第n河段稀释自净、景观娱乐、水生生物栖息地、维持地下水水位、水面蒸发流量和环境流量;Q_fxhⁿ为非消耗性需水流量，即稀释自净和景观娱乐所需流量的最大值。

根据上述不同分区、不同河段计算环境流量结果，对其进行整合得到下游河段（可代表整条河流）所需环境流量，以汇流式河流水系为例来说明具体整合计算模型（见图1）：式中：Q为下游河段的环境流量;Q_ifxh为上游所有河段的消耗性流量;Q₁₁、Q₂₁、Q₃₁为上游河段非消耗性流量。

4 清潩河（許昌段）流域环境流量

4.1 流域不同节点环境流量推求

清潩河（许昌段）流域未设水文站点，无实测径流量资料，需要采用间接途径推求每个节点的流量。清潩河为颖河一级支流，颖河在清潩河汇入点上下游设置有化行和黄桥两个水文站，两个水文站具有长系列（1956-2013年）水文资料，本研究采用上述水文站天然径流量数据等资料推求清潩河（许昌段）流域不同节点流量。首先，通过GIS软件提取许昌地区DEM图;然后，根据控制单元划分结果，计算每个控制单元的流域面积（即汇水面积）;最后，采用水文比拟法和参数等值线法等间接推求多年平均径流量及年内分配。水文比拟法计算公式为式中：Q_设、Q^参分别为设计流域和参证流域1956-2013年多年平均径流量，m³，k₁、k₂分别为流域面积和年降水量的修正系数;A_设、A_参分别为设计流域和参证流域的流域面积，km²;P_设、P_参分别为设计流域和参证流域1956-2013年多年平均降水量，mm。

参数等值线法主要通过水文特征值的参数等值线图进行计算，以1956-2000年平均径流深等值线图计算年平均径流量。利用GIS找出各控制单元的形心，并根据每个控制单元形心附近的两条等值线按比例内插计算各形心处的多年平均径流深，再乘以对应控制单元的流域面积，得到各控制单元1956-2013年多年平均径流量：

Q_设=mRA（7）式中：Q_设为设计流域1956-2013年多年平均径流量，m³;R为多年平均径流深，mm汹为流域面积，km²;m为单位换算系数，m取1000。

清潩河（许昌段）流域水文比拟法和参数等值线法计算结果及多年平均径流量见表1。采用水文比拟法和参数等值线法两种方法的平均值作为每个节点多年平均天然径流量计算结果，下游河段多年平均天然径流量是上游河段与汇入支流累加所得，见表1。根据年径流量计算结果，将化黄区间（化行水文站一黄桥水文站）代表年的月径流量分配比乘以研究流域的年径流量得到年径流量的年内分配。

4.2 环境流量计算

城市人工高度干扰区非消耗性环境流量主要包括维持稀释自净功能所需流量和景观娱乐所需流量。参考许昌市水环境容量测算研究，维持稀释自净功能所需流量中化学需氧量（COD）、氨氮综合衰减系数k_sj分别为0.15/d和0.18/d;维持景观娱乐需水涉及清溟河禄马桥、高村桥和清泥河南外环桥.水深取值分别为1.0～1.5、1.5～3.0、1.0～2.0m。

3个河段水功能区水质目标为Ⅳ类，研究基准年为2014年，水质现状为劣Ⅴ类，其中维持稀释自净所需流量采用水质水量平衡方法的计算结果偏大，采用此结果河道内保障环境流量所需水量占许昌市水资源总需水量预测值的30%，水资源不可承受，因此维持稀释自净所需流量采用纳污能力设计流量。综上考虑，依据上述主要参数计算的非消耗性环境流量见表2。

自然河道区域非消耗性流量主要指维持水生生物栖息地所需流量。小泥河大石桥、石梁河三张闸和小洪河地方铁路老桥为自然河道区域，由于小泥河大石桥河段环境流量计算需要进行整合，因此先计算石梁河三张闸和小洪河地方铁路老桥河段的环境流量。计算方法采用Tennant法和湿周法，根据长系列（1953-2013年）化黄区间天然径流量数据推算得到节点流量数据，湿周法计算时采用现场实测大断面数据，计算时3个河段沿河流方向的高程差与相应的河流长度的比值为0.0004，河道糙率为0.025。自然河道区域维持水生生物栖息地所需流量计算结果采用Tennant法和湿周法中的最大值，结果见表3。

根据城市人工高度干扰区和自然河道区非消耗性环境流量计算结果，加上蒸发和维持地下水水位等消耗性流量（蒸发量采用水面面积乘以水面蒸发深计算得到，维持地下水水位即渗漏损失量采用渗漏补水范围乘以补给系数计算得到），同时根据环境流量计算整合模型，计算得到下游河段所需环境流量，见表4。

4.3 研究结果合理性分析

采用校准后的Tennant法对上述计算结果进行合理性分析，校准后的Tennant方法计算标准：一般用水期（10月至翌年3月）取多年平均月流量的10%作为最小环境流量，鱼类产卵育幼期（4-9月）取多年平均月流量的30%作为最小环境流量;适宜环境流量，两个时期分别取多年平均月流量的20%和40%。本研究采用的方法为功能分析法，与Tennant计算结果对比见表5。

流域除汛期外基本无天然径流，主要水源为污水处理厂排水等回归水，因此采用Tennant法计算时采用的还原后的天然径流量值较小，导致Tennant法计算结果偏小。但由表5可知，功能分析法确定的不同控制单元关键节点不同时段的环境流量均大于Tennant法计算所得的最小及适宜环境流量值，结果较为合理。同时对保障环境流量所需的水资源量进行了测算，共需7518.71万m³/a，约占许昌市多年（2000-2015年）平均用水量的9.53%，从水资源角度计算结果较为合理。

5 结论

通过分区开展环境流量界定与计算研究，建立了城市人工高度干扰区域和自然河道区域最小环境流量计算模型和环境流量整合模型，并对清潩河（许昌段）流域水系河段进行了分析计算，结果表明：城市人工高度干扰区环境流量主要包括稀释自净所需流量和景观娱乐所需流量，该类型河段环境流量包括非消耗流量和消耗性流量，清潩河禄马桥、清泥河南外环桥、清潩河高村桥河段所需环境流量分别为0.353～1.323，0.196～0.746、1.041～3.251m³/s：自然河道区域环境流量主要是维持水生生物栖息地所需流量（采用Tennant法和湿周法的最大值来确定）与蒸发、维持地下水水位消耗性需水流量，石梁河三张闸、小洪河地方铁路老桥、小泥河大石桥河段所需环境流量分别为0.176～0.751、0.173～0.998、0.294～1.096m³/s。计算结果大于采用校准后的Tennant法计算所得最小和适宜环境流量，同时从水资源的角度分析，为保障河道内环境流量，总需水量为7518.71万m³，占许昌市多年（2000-2015）平均用水量的9.53%，计算结果较为合理。

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