辽河干流河道内生态需水量研究

何京涛

(辽宁西北供水有限责任公司清河分公司，辽宁 铁岭 112300)

为避免河流生态系统退化，20世纪40年代美国野生动物保护与渔业组织最先开展了生态环境需水量的研究分析，主要是分析河流流量与鱼类产量、生长繁殖之间的作用关系，随后法国、英国以及亚洲等国家逐渐开始接受保持河流最小生态流量的概念，并开展了本国河流生态环境概念、特征以及相关方法的研究。河流水文情势与水生生态之间具有较为复杂的关系，并且各区域水生态系统存在较大差异，从而形成了多种多样的需水量计算方法。资料显示，截止2003年世界上开展生态需水量的研究国家已有44个，所采用的方法已接近200多种，主要有整体分析法、生境模拟法、水力学法以及水文学法等。通过建立目标生物栖息与河流径流量之间的关系，从而得到生态需水量为生境模拟法的主要内容，该方法具有明确的物理意义，并且能够较好的评估河流生态系统与增加的生态需水量之间的变化关系，可为水资源科学分配与河道生态保护提供可靠依据。为全面考虑水利水电建设项目对生态环境需求的影响作用，环保部门提出了生态需水量计算方法和评价技术指南，该方法通过分析水力生境与水生生物之间的适应性，可有效确定水生生物的适宜流量。在一定程度上不仅可简化生境模拟方法，而且具有明确的物理意义并充分体现河流生境与不同流量的作用关系。对于大中型河流，指南推荐了适用的水利生境参数标准和生态流量计算方法，并提出可适当降低中型河流的参数标准，但是难以统一降低后的标准。在很多河流中，由于很难达到设计的生境标准，从而在分析生境时存在较大困难。据此，为准确、合理的确定生态需水量，该方法应依据水生生物保护目标生态习性以及河流自然属性的差异特征[1- 3]。

本文以辽河干流河道为例，依据特定河段内的生境需求和生态水力学方法，通过分析标准推荐使用方法与自然条件下生境条件，综合确定了需水量计算方法与思路。

1 构建生态水力学指标与标准

1.1 理论分析

生态水力学法属于生境模拟法，通过确定适应水生生物的河流矢量计算生态需水量。该方法假设影响水生物种数量、分布变化的主要水力生境参数为湿周、水深、水面宽、流速、过水断面的面积、水文、水面面积等；影响水生物种变化的主要水力形态为缓流、急流、深滩、浅滩等参数。模型可以分为河道水生生境、水力模拟、生态基流量决策三个模块，其中水生生境描述主要是调查分析水生生物对水力生境参数的基本要求，如流速、水深等参数，分析水生生物对水温变化、急流等条件的生存要求；水力模拟是对研究河段利用水力学模型进行不同维度的模拟，对各水力生境参数值在不同流量的变化状况进行研究分析，通过上述两个模块的分析可构建水力生境指标体系；生态急流决策是环评、水文水资源、水生生态等部门工作者结合河道的来水过程、制度政策、社会经济发展状况以及水力生境指标体系，综合确定河道生态基流量[4- 5]。在大中型河流内该方法具有良好的适用性，可用于生态流量的计算分析，而在中型河流内应适当降低其标准。

1.2 参数指标

依据已有文献资料，建立水力学法指标体系和标准，主要包括枯水期的沿程水力生境参数、水面面积、水力形态指标以及水温、断面水深等年内变化指标。水力生境参数主要是为避免某一河段参数计算偏低的情况，对每个区间以及不同区间段的河段长度占总河段长度的百分比进行确定；水面面积指标是指枯水期多年平均流量中不同流量条件下的水面面积所占比例；水力形态是统计不同流量时的较缓流、缓流、急流、较急流的段数，每种形态河段长度及累计河段长度占总长度的比例，对不同流量的深潭、浅滩的个数进行统计分析；水温是对不同流量条件下极端水温断面处的各月水温值进行统计，并反映水文沿程变化特征；断面水深参数是比较分析水力生境参数在较大支沟入汇断面处的年内变化情况。在以上标准下，对大型河流最小流量利用生态水力学法确定其水力生境参数，见表1。

通过在不同河段中的应用以及不断总结归纳水力学方法，从而形成了上述较为完整的评价标准和指标体系。资料显示，计算结果与生境参数标准之间具有较为密切的关系，并且应适当降低中型河流的标准，在很多河流中由于无法达到设计生境标准而不利于生境分析。河流生境条件因生物物种、河流的差异而不尽相同，在利用生态水力学法进行需水量分析时应结合河流特征，在具体河流特征中应用并落实普遍适用的理论，从而得到更加符合实际状况的生态需水量。

2 辽河干流河道内生态需水量

2.1 流域概况

辽河流域位于我国东北地的南部，发源于河北省平泉县，不仅是我国重要的粮食生产基地，而且流域内工业发展充分，经济较为发达。流域内各支流纵横交错、蜿蜒曲折，主要支流有老何哈、浑河、太子河、柴河等，主流长1345km，占地面积为21.9万km2。属于半湿润半干旱季风气候，冬季漫长寒冷、夏季炎热干燥，年均降水量为900mm，径流量为126亿m3，每年的6—9月为降雨密集期，并且多以暴雨或强降雨的形式出现，降雨量由东南向西北方向整体呈降低趋势。区域内海拔高度由西北向中南部逐渐降低，最高和最低处约为1650mm和860m；气温在平原地区较高，山地较低由南向北整体呈降低趋势，多年平均气温为4～9℃，由南向北方向年蒸发量依次递减并处于为982～1650mm范围。在水资源三级分区中可将辽河流域划分为辽宁区、吉林区、蒙古区以及河北区4个区域。辽河流域水资源储蓄量较大，干流河道地形蜿蜒，水质良好，水域范围内存在丰富的饵料为水生生物栖息、生长的理想区域。香鱼为该水系溯河性洄游鱼类并且已被列入我国濒危动物，在不同生命时段具有不同的栖息环境要求[6- 9]。

2.2 生态需水量计算方法

生态需水量主要包括输沙需水量、自净需水量、生态基流量、蒸散发量4方面内容，其中蒸散发为消耗型水量，而其他三类为非消耗性水量。

生态基流量是为维持河流水生生物正常生长与繁殖、河流基本形态所需要的水量，维持河流的功能不仅要保证季节性河流非汛期的不断流，满足水生物的生长需要，而且还要为水生物汛期的繁殖提供适宜的生存条件，据此可采用月年保证率法确定河道生态基流量[10]。该方法是依据水文统计系列资料，选取河道生态基流等级为不用月年的天然径流百分比，分别对不同等级、保证率下的月年生态急流进行计算，主要流程为：①对天然径流量依据系列水文资料进行由大到小的排序，然后分别对不同保证率下的天然流量进行求解，从而得到个月均值。②结合水文统计资料对不同保证率条件下的生态急流等级，选取为相应年份的年天然径流量百分比并进行生态基流的计算。假定河道内用水为天然径流量的60%，则河道生态需水量最高上限可设定为径流量均值的60%，在高于此标准的条件下可采取河道外取水的方式，计算方法为：

表1 水力生境参数标准

(1)

根据90%保证率最小月平均流量或近10年最枯月平均流量法对自净需水量进行求解，方法为：

Wd=min{Wij}

(2)

式中，Wd、min{Wij}—河道稀释自净水量与近10年最小月平均流量，m3。

全年输沙总量的80%通常为河流汛期的输沙量，汛期为完成河流输沙功能的主要时期。所以，可不考虑非汛期对输沙水量的影响作用。利用汛期较大洪水量和人工调水调沙的手段完成河道输沙要求，可有利于水资源的开发利用，其计算方法为：

Ws=ηα×WW

(3)

(4)

(5)

水面蒸发耗水为蒸散发量主要来源，单位水面上的蒸发深度即为河流水面蒸发能力，蒸发耗水计算方法为：

We=(Ew-P)HL

(6)

式中，We—水面蒸发量，m3；EW、P—实测水面蒸发量与河道平均降水量，mm；H、L—河流断面平均水面宽度和河长。

2.3 生态需水整合

分区整合与类型整合为生态需水整合的主要内容，其中分区整合又包括分区整合又包括分区内和分区间的整合，类型整合包括非消耗需水和消耗需水整合。采取累加的原则作为消耗型需水的计算，并按照最大值原则对非消耗型需水计算，计算方法为：

WR=max(Wb+Wd+Ws)+We

(7)

各区间的生态需水贡献量的总和即为整个河道的生态需水量，计算方法为：

q=(qn-qn-1)+(qn-1-qn-2)+…+(q1-0)=qn

(8)

式中，qn—出口断面河道生态需水量。

2.4 结果分析

本文所需降水量、径流量、蒸发量、输沙率、河段长度、水面宽度等数据资料分别来自于辽河干流段铁岭、福德店、巨流河、辽中、马虎山以及通江口等水文站点监测资料，1980—2015年水文统计年鉴，对个别年份缺乏的数据资料利用相关分析法插补延长。将辽河干流根据各个水文站可划分为6个时段进行计算，该流域为典型的季节性河流，选取降雨集中期的6—9月作为汛期，其他时间为非汛期。汛期降水量较大并可对河岸防洪带来压力，而在非汛期降水量较低，甚至可能出现断流的现象，因此分别对汛期、非汛期用水过程进行生态需水量的计算[11]。

(1)生态基流量。依据辽河干流1980—2015年天然径流数据资料，分别对多年平均和95%、75%、50%、25%的径流量进行计算，河道生态基流量选取为天然径流的10%，计算结果见表1。

由上表计算结果可以看出，辽河干流生态基流量在多年平均条件下介于25%与50%保证率之间。马虎山的生态基流量在95%与75%保证率下最大，分别为1.05、1.78亿m3，而巨流河生态基流量在25%、50%保证率下以及多年平均最大，分别为2.88、4.46、3.35m3。总而言之，正态基流量较大的区域为巨流河与马虎山，其他区域相对较小。

(2)自净需水量与输沙需水量。对河道自净需水量利用近10年最小月平均流量法进行确定，分别计算各个时段的自净需水量，结果见表2。结果输沙需水量计算结果显示，相对于辽河干流自净需水量和生态基流量，该区域具有较大的输沙需水量，并以8月份最大。马虎山与铁岭断面的输沙需水量相对较大，分别为25.95亿m3和19.70亿m3。综上所述，各段面汛期的自净需水量、生态基流量分别小于其非汛期数值，其原因为河流基本形态主要是由非汛期水量维持，并可为维持水体自净能力与水生物提供良好的生境条件。输沙需水量为组成汛期生态需水量的主要来源，其原因为河道来沙量较大并且往往集中在汛期。

表1 不同条件下的基流量计算结果 单位：亿m3

显示，辽河干流河道稀释自净需水量随着河流向下游的延伸作用而逐渐增大，其主要原因为支流中的污染物与杂质随着河流河流的汇入而不断增大，从而增大了污水排放量和自净需水量。

表2 辽河干流自净与输沙需水量 单位：亿m3

(3)蒸发量。对河道蒸散发量再利用文中所述公式(6)进行确定，其中陆面蒸发量主要是由20cm口径的蒸发器测定，并按照一定的折算系数换算成水面蒸发量，折算系数参考已有资料。结果显示，辽河干流汛期、非汛期以及全年蒸散发量分别为0.04、0.11、0.15m3。结果显示，蒸发量在汛期相对较低，这可能与汛期降水量较大从而对蒸发量具有一定的补给作用。

(4)河道生态需水整合。本文为考虑河道干流分区间整合，仅对分区内整合以及类型整合分别利用公式(7)、(8)进行求解，结果见表3。

表3 生态需水类型整合与分区贡献量计算结果 单位：亿m3

结果显示，相对于其他河段马虎山生态需水量在整合后较大，其原因为该河段下游区域有柳河的汇入并带来大量的泥沙量，该区段为辽河干流泥沙的主要来源，从而增大了其生态需水量；该计算结果与河道实际状况具有良好的一致性，整合结果具有较强的合理性与科学性。非汛期与汛期分区贡献量无法满足辽河干流生态需水量，补给量分别为1.46、7.09亿m3，汛期不仅具有较大的输沙需水量而且其来沙量也较大，非汛期径流量较低无法满足需水量要求。

3 结论

(1)辽河干流生态基流量在多年平均条件下介于25%与50%保证率之间。马虎山的生态基流量在95%与75%保证率下最大，分别为1.05亿m3与1.78亿m3，而巨流河生态基流量在25%、50%保证率下以及多年平均最大，分别为2.88、4.46、3.35m3。

(2)辽河干流河道稀释自净需水量随着河流向下游的延伸作用而逐渐增大，其主要原因为支流中的污染物与杂质随着河流的汇入而不断增大，从而增大了污水排放量和自净需水量。(3)各段面汛期的自净需水量、生态基流量分别小于其非汛期数值，其原因为河流基本形态主要是由非汛期水量维持，并可为维持水体自净能力与水生物提供良好的生境条件。

(4)相对于其他河段马虎山生态需水量在整合后较大，其原因为该河段下游区域有柳河的汇入并带来大量的泥沙量，该区段为辽河干流泥沙的主要来源，从而增大了其生态需水量。