河道内生态需水及取水断面可调水量研究

李金燕，包淑萍

（1.宁夏大学土木与水利工程学院，宁夏银川750021；2.宁夏回族自治区水文水资源勘测局，宁夏银川750001）

可持续发展的水资源利用需要将生态环境需水纳入到水资源开发利用中，要求水资源的开发利用在满足社会经济发展需水要求的同时，能够保障健康、良性的生态环境。因此，不管是从研究流域或区域生态与环境恢复方略角度考虑，还是为了保护目前还未遭受破坏的生态环境系统，生态需水量的研究都是迫在眉睫的，尤其是西部干旱区域。另外，跨流域调水工程会在某种程度上造成坝址下游河道中水量减少，水资源在各用水户之间必须要重新配置，此时，一旦生态环境需水量被挤占，人类赖以生存的生态系统就会恶化。因此，在调水工程实施过程中，首要考虑的问题是为调水区水域生态系统预留足够的天然水量，以维持调水区原有生态系统的平衡，否则调水工程便失去了其应有的意义。

宁夏中南部城乡饮水安全水源工程是将宁夏南部六盘山东麓水量相对较丰富的泾河流域地表水，输送到宁夏中南部干旱缺水地区的区域性跨流域调水工程。该项目涉及宁夏固原市的原州区、彭阳县、西吉县、泾源县，以及中卫市的海原县部分地区，其中泾源县位于六盘山东麓，属于渭河一级支流泾河发源地，是宁夏降水量和水资源最丰富的地区，也是该工程的调水区，工程地跨泾源县香水镇、兴盛乡、泾河源镇。泾源县境内水系为泾河水系，主要支流有策底河、泾河干流、暖水河、颉河、茹河、洪河。茹河和洪河流域属半干旱地区，水资源比较缺乏，供水保证率很低；策底河、颉河、暖水河及泾河干流地区属半湿润阴湿地区，水资源丰富，用水量较小，水资源比较富余。因此，该工程调出区选择宁夏泾源县泾河流域的策底河、颉河、暖水河及泾河干流。

宁夏中南部城乡饮水安全水源工程是实现宁夏水资源“南北配置、丰枯补给”格局的重大举措。调引汛期富余水量至宁夏中南部干旱缺水地区（清水河流域），通过水资源调蓄利用，与宁夏北部扬黄水及当地库井水联合调度运用，从量和质上提高清水河流域水环境承载能力，实现水资源的综合利用和资源效益的最大优化。该项工程的实施，将大力缓解宁夏中南部地区水资源短缺的情况，有效改善区域生态环境，实现区域水资源优化配置。但前提条件是深入研究调水工程对调水区所产生的不利影响，以保证其生态环境和经济社会的协调发展。因此，为了最大限度发挥工程效益，同时充分保护调水区的生态环境，并和当地社会经济协调发展，必须对调水区可调水量进行充分论证，其中关于维持河流生态系统平衡的生态环境需水量的研究是重中之重，因此对调水区河道内的生态环境需水量进行了系统研究，以期为调水区生态建设、水资源调度提供参考。

1 宁夏中南部城乡饮水安全水源工程调水区径流量分析

1.1 代表站径流量分析

调水区径流选用具有区域代表性的泾河源水文站、三关口水文站实测资料，选用站网密度314 km2／站，符合《水文站网规划技术导则》（SL34-92）中每站控制面积300～1 000 km2的要求。泾河源水文站为泾河干流代表站，三关口水文站为暖水河区域代表站，各代表站下垫面条件与相应流域相近，具有代表性。资料不足的年份采用降水—径流相关法插补，各站资料均插补到1956年。

1998年6月泾河源水文站断面下迁1.5 km，集水面积151 km2，依据《水文资料整编规范》，对于断面有迁移的水文站，如迁移区间无大支流加入，且迁移后集水面积变化＜3%，二站资料可合并使用。泾河源水文站迁站后，集水面积变化为2%，本次分析计算迁站前后资料合并使用。三关口水文站上游无水库蓄水，可直接将天然径流实测值作为序列资料。泾河源水文站上游有龙潭水库，仅蓄水用做发电，可直接采用实测径流值进行径流频率分析。泾源县主要河流有策底河、泾河干流、暖水河、颉河、茹河。径流深为100～300 mm，由南向北逐渐减小，变化幅度较大，南北相差200 mm。泾河源、三关口水文站多年平均年径流量分别为4 616 万、2 777 万 m3，变差系数 CV分别为 0.46、0.50；根据区域特点，偏差系数CS＝2CV。各站1956—2007年年径流量频率曲线见图1、图2。

图1 泾河源水文站径流量频率曲线

图2 三关口水文站径流量频率曲线

1.2 截引沟道径流量分析计算

泾河流域宁夏境内可供选择的引水河段为策底河、颉河、暖水河和泾河干流。截引区共有截引沟道12条，龙潭水库、西峡水库、红家峡、黄林寨、兰大庄、石嘴子、新民林场7条截引沟道选用泾河源水文站为代表站，卧羊川、清水沟、白家峡、暖水河截引沟和暖水河水库5条沟道选用三关口水文站为代表站。应用宁夏水文水资源勘测局编制的1956—2000年多年平均年径流深等值线图，初步查算得各截引沟多年平均径流深值，再用区域代表水文站1956—2007年与1956—2000年年均径流量的比值，修正多年平均径流深值，计算得各截引沟道设计年径流量，见表1（其中各月径流量和与全年存在的略微差异是四舍五入引起的）。

表1 各截引沟道多年平均年径流量月分配 万m3

2 调水区河道内生态需水量研究

干旱区域通常需要确定的是河道内最小生态环境需水量，最小生态环境需水量指为保护水体的稀释、自净能力、输沙功能，维持河流最基本的生态环境功能使其免遭破坏，所必须在河道内预留的最小水量。根据对宁夏中南部干旱区域生态环境需水量的界定，河道内生态环境需水量理论上包括河流基本生态环境需水量、输沙需水量、河流水质稀释自净需水量、河道水面蒸发需水量4部分［1］。据此建立河道内生态环境需水量模型：

式中：Qhn为河道内生态环境需水量；Qjb为河流基本生态环境需水量；Qss为河道输沙需水量；Qjh为河流水质稀释自净需水量；Qzf为河道水面蒸发需水量。

2.1 河流基本生态环境需水量研究

河流基本生态环境需水量指保障河道年内各个时段径流量维持某种水平，维持水生生物正常生长、保证河流基本生态环境功能不受破坏所需水量。其计算方法主要归纳为历史流量法、水力学法、栖息地定额法和整体法4类，其中：历史流量法具有代表性的方法是Tenant法（Montna法）、最小月平均流量法、7Q10法；水力学法的典型方法是湿周法；整体法的代表性方法为BBM法；栖息地定额法的主要方法是IFIM法。调水区缺乏对河流生态数据的系统监测，因此河道基本生态环境需水量应用最广泛的方法是水文学法，即历史流量法。

2.1.1 改进的Tennant法估算河流基本生态环境需水量

（1）Tennant法原理及改进。Tennant法是一种建立于干旱半干旱地区，通过分析大量流量和栖息地环境之间的实测资料，建立二者之间的相互关系，从而确定河流基本生态环境需水量的经验方法。Tennant法最大的优点是不需要对水文资料进行现场测量，只需要掌握河流的多年平均径流量资料。对于设置水文站点的河流，可以从水文站点的历史观测资料估算多年平均径流量；没有设置水文站点的河流，年均径流量可以通过合理的水文技术手段获得。同时，大量研究结果证明在Tennant法计算得到的流量条件下，河道内的水生生物和生态系统能够维持良好的生存及发展状态，因此该方法在干旱半干旱地区得到了广泛应用［2-10］。

Tennant法是1976年由Tennant D L提出来的。20世纪60年代中期至70年代中期，Tennant等对6条分布于蒙大拿（Montana）州、4条分布于怀俄明州、1条在内布拉斯加州的共11条河流展开了生态需水调查研究，因此该方法又叫Montana法。他们的研究是在不同河流、不同流量状态、不同断面展开的，利用大量观测数据建立了水生生物栖息地参数与年平均流量的关系，Tennant最终推断：要保证绝大多数水生生物的生存，河道内所必需的最低流量大约为多年平均天然流量的10%。该方法根据汛期和非汛期的差异，以不同河道基本生态环境需水量占径流量的百分比为标准［3-4］分为 8 个等级，见表 2。

表2 Tennant法推荐的基流标准

使用Tennant法时需要注意的是：该方法是在收集、监测干旱半干旱地区永久性河流大量流量资料基础上建立起来的，推荐河道基流标准在河流多年平均流量10%～200%范围内设定，不同基流标准代表水生生物栖息地生态环境质量优劣不同。但这种方法没有考虑河流的几何形态对流量的影响，没有考虑流量变化大的河流及季节性河流，实际应用中应根据研究区域的实际情况对河道基本流量标准进行适当修正［5-6］。

根据研究区域的实际情况，通过分析河道径流分配情况及规律，对Tennant法进行了改进，即将河流生态环境需水量计算在时间上进一步细化，生态环境需水量占天然径流量的百分比也稍作改进。研究区12月至次年3月河流处于冰冻期，水生动物处于休眠期，这段时间对水量的要求较低，将多年平均径流量的10%作为最小生态环境需水量的计算基准；4—5月虽然天气逐渐转暖，但通过分析研究区径流分布的实际情况可知，河道的径流量依然很小，同时考虑到水资源量十分紧缺的现实情况，该时段最小生态环境需水量的计算依然确定为多年平均径流量的10%；6—9月是包括研究区域在内的北方地区的主要降雨季节，河流径流量达到最大，水生动植物处于生理活跃期，需水量通常达到最大，综合考虑研究区域径流的实际情况，最小生态环境需水量的计算取该时段多年平均径流量的15%；10—11月天气逐渐转冷，水生动植物活动逐渐减弱，最小生态环境需水量取多年平均径流量的10%［11-12］。

基于以上分析，计算河道内基本生态环境需水量时，将全年划分为两个计算时段，即10月至次年5月取多年平均径流量的10%作为最小生态环境需水量的计算基准，6—9月取值为15%。同时，根据表2，考虑研究区的实际情况，将多年平均径流量的30%作为估算适宜状态时河道内的基本生态环境需水量；参照众多干旱区域生态环境需水量研究成果［2，10］，生态环境需水量最大值均取各时段径流量的150%，见表3。

表3 改进的Tenant法设定的基流标准

（2）河流径流资料调查分析及生态需水量估算。根据调出区各截引沟道天然径流量月分配情况，应用改进的Tenant法估算截引沟道基本生态环境需水量。对于干旱半干旱区域估算过程中仅考虑最小值和适宜值，结果见表4。

表4 Tenant法估算各截引沟道基本生态环境需水量月分配 万m3

2.1.2 最小月平均流量法估算河流基本生态环境需水量

国内许多学者根据我国河流实际情况提出了一些估算河流基本生态环境需水量的水文学方法，其中最典型的是最小月平均流量法。该方法通过实测的河流最小月平均径流量，将河流的基本生态环境需水量取为多年平均值，计算公式为

式中：Qij为第i年第j月的河流月均流量（最小月平均实测流量），m3／s；T为常数，将时间年转化为秒；n为统计年数。

根据调查统计的水文资料，采用最小月平均流量法评估各截引沟道基本生态环境需水量的最小值，结果见表5。

表5 最小月平均流量法估算各截引沟道基本生态环境需水量

对比最小月平均流量法确定的各截引沟道基本生态环境需水量最小值与Tennant法确定的最小值可以看出，最小月平均流量法的估算值略大于Tennant法的，但考虑到Tennant法除了确定最小生态环境需水量外，同时确定了生态环境需水量的适宜值，对于调水区可调水量能够提出更为具体的合理化建议，因此河道内基本生态环境需水量采用 Tennant法的估算结果。

2.2 河道输沙需水量

河道排泄能力降低，下游河道堤防决口、洪水泛滥乃至生物多样性遭受破坏的根本原因是，河流系统在水少沙多的情况下，水体中所含大量泥沙导致河床淤积、水位抬升。河道输沙平衡需水量指保证河道冲刷与侵蚀维持动态平衡所需要的与之相匹配的生态环境水量。在输沙总量一定的情况下，水流含沙量的大小直接决定了输沙需水量的大小。北方河流通常在汛期完成其输沙功能，其河流输沙生态环境需水量主要指在汛期用于输沙的水量。最大月含沙量法是北方河道输沙需水量计算常用的方法。

李丽娟等［10］将多年平均输沙量与多年最大月平均含沙量的平均值之比，作为河流汛期输沙需水量，计算公式如下：

式中：St为多年平均输沙量，kg；Cmax为多年最大月平均含沙量的平均值，kg／m3；Cij为第 i年 j月的月平均含沙量，kg／m3。

采用最大月含沙量法估算研究区各截引沟道年输沙需水量，见表6（西峡水库和龙潭水库在泾河干流上，含沙量极小，不计其输沙需水量）。

表6 截引沟道多年平均输沙需水量月分配 万m3

2.3 河流水面蒸发需水量

对于河流而言，水面蒸发是热量转移和水量转移的综合反映，是水文循环和水量平衡的基本要素之一。水面蒸发将会造成河流水量减少，并使得水体中的污染物浓度进一步增大，河流的生态环境遭受破坏，因此河流蒸发水量也应纳入生态环境需水的范畴。

根据《宁夏回族自治区县（区）水资源详查报告》和《宁夏回族自治区第二次土地调查图集》，泾源县河道水面面积为0.46 km2，泾源县属于半湿润地区，多年平均水面蒸发量为869 mm，多年平均降雨量为650 mm，蒸发量稍大于降雨量。按下式计算河流水面蒸发需水量［11-12］。

式中：A为河流水面面积，km2；E为蒸发量，mm；P为降水量，mm。

根据上式可知泾源县河道水面年蒸发量为10.07万m3，这个量与各截引沟道河道内基本生态需水量及输沙需水量的和相比较，是极小的，因此这部分需水量可忽略不计。

2.4 河流稀释自净需水量

河流环境水量所具备的一个重要功能是稀释自净水体中的污染物，其中水体流速越快、流量越大相应的河流生态功能越强，对污染物的稀释净化能力越强。据此，河流稀释自净需水量可定义为，河流水质达到水功能规划要求所需要增加的水量。泾源县境内泾河水系大都属阿列金分类中的型水，水质普遍较好，矿化度基本在1.0 g／L以下。天然水质变化由南向北矿化度逐渐增大，最南端泾河源头矿化度低且水量丰富。宁夏水文水资源勘测局2008年12月、2015年9月对调水区域水质进行了调查取样，从两次调查结果来看，泾源县由于受人类活动影响小，无工矿污染，水质普遍较好，因此河流稀释自净需水量忽略不计。

3 调水区河道内生态环境需水量及水资源可利用量分析

3.1 河道内生态环境需水量分析［13-15］

河道内生态环境需水量并不是上述各分项的简单叠加，其中河道内基本生态环境需水量、输沙需水量及稀释自净需水量属于重叠项，各项相比取其大值。根据上述调查分析可知，泾源县泾河流域水质良好，稀释净化需水量为0，同时蒸发需水量忽略不计。因此泾河流域各截引沟道生态环境需水量只考虑基本生态环境需水量及输沙需水量，但这两项并不能进行简单的叠加，而是取二者中的较大值作为河道生态环境需水量。对比表4和表6可以看出，除去输沙量为0的月份外，其他各月各截引沟道输沙需水量介于河道基本生态环境需水量最小值和适宜值之间，据此生态环境需水量在各月份的分配中取基本生态环境需水量和输沙需水量中的较大值作为河道的最小生态环境需水量，适宜值仍然取河道基本生态环境需水量适宜值的估算结果。

3.2 考虑生态环境需水量的截引沟道可利用水量估算

按截引沟道概化年径流量，扣除截引沟道所在河段河道内的生态环境需水量，即为截引沟道的可利用水量，并且此次各截引沟道水资源可利用水量结算考虑了河道的基本生态环境需水量及输沙需水量，同时综合考虑最小值及适宜值［16-20］。各截引沟道水资源可利用水量估算结果见表7（暖水河截引沟水量小，不对其可利用水量进行估算）。

表7 各截引沟道可利用水量估算

续表7

4 结 语

宁夏固原城乡饮水安全水源工程是宁夏回族自治区一项重大的民生工程，该工程的实施虽然将有效缓解宁夏中南部地区的水资源短缺现状、改善区域生态环境，但任何一项调水工程都应当充分考虑调出区的生态环境建设。基于这样的理念，对调水工程截引沟道的生态需水量进行了系统研究，首先对河道生态环境需水量的类型进行了界定，进而采用合理的方法对各类生态环境需水量进行了估算分析，最后系统分析了调水区各截引沟道生态环境需水量的最小值及适宜值，从而得出调水区各截引沟道水资源可利用量的最大值及适宜值。本文的研究主要考虑了与河流流量密切相关的基本生态环境需水量及汛期输沙需水量，有关生态环境需水和调水区可调水量的更全面的结论尚需要深入研究。