灌河流域生态需水确定及保障措施分析

郭亚男 韩亚萍 宋文超

摘 要：为了解决灌河生态水量缺乏、水体污染等生态环境问题，根据不同河段生态功能定位，采用Tennant法、MIKE21二维水质模型和水量平衡法计算灌河最小生态水量、水质需水、景观需水等，采用MIKE21水动力模型动态模拟计算四大家鱼、鳝鱼等的敏感生态需水。经综合分析确定灌河年生态需水量为15 142.5万m3，月平均生态需水流量为0.9～11.7 m3/s，进而提出了强化农业节水、推进非常规水源利用、加强河流生态调度等生态水量保障措施。

关键词：生态基流;敏感生态需水;最小生态水量;灌河流域

中图分类号：TV213 文献标志码：A

doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2020.02.013

Abstract： This paper aimed to solve ecological environment problems such as lack of ecological water and water pollution in Guanhe River basin. According to the different river ecological function orientations， the Tennant method， MIKE 21 two-dimensional water quality model and water balance method were adopted to calculate the minimum ecological water requirement， water requirement of water quality and landscape water requirement， the MIKE 21 hydrodynamic model was used to dynamically calculate sensitive ecological water requirement of four famous domestic fishes and Monopterus albus. After comprehensive analysis， it is determined that the ecological water demand of Guanhe River is 151.425 million m3， the monthly average ecological water requirement flow is 0.9-11.7 m3/s， furthermore， it also puts forward the guarantee measures of ecological water quantity， such as strengthening agricultural water saving， promoting the use of unconventional water source， and strengthening river ecological operation.

Key words： ecological base flow; sensitive ecological water requirement; minimum ecological water requirement; Guanhe River basin

社会经济快速发展和对水资源的不合理开发利用，加剧了水资源供需矛盾，引发了河道径流减少、生物多样性锐减、湿地萎缩等一系列生态环境问题。新时代治水思路下，国家和地方政府日益重视生态用水，水利部出台了《关于加快推进水生态文明建设工作的意见》（水资源〔2013〕1号），国务院印发的《水污染防治行动计划》（国发〔2015〕17号）指出要完善江河湖库联合调度机制，科学确定并维持河湖生态水量、流量。生态需水是生态修复的核心问题，保障河道生态需水对涵养地下水源、增强水资源调蓄能力、维持健康水生态系统具有至关重要的作用[1]，因此科学确定及保障河道生态需水尤为重要。

1 研究区概况

灌河地处淮河上游，是淮河二级支流，发源于商城县黄柏山，纵润固始、商城两县，在固始县蒋集镇与史河相汇成为史灌河，于固始县三河尖汇入淮河。灌河干流全长164 km，流域面积1 650 km2。流域年平均降水量1 241.4 mm，年平均水面蒸发能力777.2 mm。流域内水网密布，有大小河流800余条;拥有大、中、小型水库148座，总蓄水能力达10多亿m3，其中：大（2）型水库1座，为鲇鱼山水库，设计总库容9.16亿m3;中型水库1座，为铁佛寺水库，设计总库容3 648万m3。

灌河是淮河的重要支流，自南向北穿越中低山、低山丘陵、丘陵垄岗、平原四大风貌区。流域内山环水润、气候宜人、降水丰沛、资源富饶，拥有古老的山水文化以及地域特色茶文化，旅游资源十分丰富。同时，涉及大别山水源涵养与生物多样性保护重要区、大别山国家级自然保护区和黄柏山国家级森林公园，是淮河流域重要的水源涵养区、生态屏障和生态廊道，生态功能十分重要。

灌河生态基底条件优越，水资源禀赋好，但是随着社会经济的高速发展和水资源的不合理开发利用，生态水量缺乏、水生态系统破坏等问题日益凸显。灌河流域多年平均水资源总量8.51亿m3，而现状实际用水量2.62亿m3，水资源比较丰富。但灌河流经的商城、固始两县已有水资源专项规划未向河道内生态用水配置水量，且鲇鱼山水库的拦蓄改变了河道的水文情势，调度运行中未考虑下游河道生态用水，导致现状烟北头闸以下河段仅在汛期有水，非汛期常出现断流。

2 生态需水量计算

基于灌河水文情势和不同河段的功能定位（鲇鱼山水库以上以修复、保护為主，涵养水源;中游商城城区段营造景观水面，塑造宜居滨水环境;下游郊区段打造田园生态景观，支撑乡村振兴），考虑生态需水过程，计算生态基流和敏感生态需水。

2.1 生态基流

生态基流为维持河流基本形态和生态功能，防止河道断流，避免河流水生态系统功能遭受无法恢复性破坏的河道内最小流量[2]，包括维持河道基本生态功能的最小生态水量，以及满足水质目标要求的水质需水和局部景观水位要求的景观需水，分别采用Tennant法、MIKE21二维水质模型和水量平衡法进行计算。

（1）最小生态水量。最小生态水量是维系生态环境系统基本功能的水量[3]。灌河最小生态水量计算采用目前应用最广泛的水文学方法——Tennant法，该方法根据水文资料计算多年平均流量，并以多年平均流量的百分数为推荐流量[4]，见表1。Tennant法使用简单、方便，考虑了临近栖息地、水力学和生物学因素[5]，适用于常年性河流。灌河属于北方常年性河流，承担着重要的农灌供水任务，因此综合考虑灌河的水资源开发利用和生态功能，非汛期按多年平均径流量的20%计算，汛期按多年平均径流量的30%计算。根据鲇鱼山水文站资料进行计算，结果见表2。

（2）水质需水。水质需水是指满足灌河不同水功能区水质目标要求所需的最小水量。根据水功能区划，鲇鱼山水库大坝—商城陶家河入河口上游600 m水质目标为地表水Ⅱ类;商城陶家河入河口上游600 m—商城陶家河入河口下游1 800 m水质目标为地表水Ⅲ类;商城陶家河入河口下游1 800 m—灌河入史河口水质目标为地表水Ⅱ类。根据灌河现状水质超标因子以及污染源分析，选取TP、COD和NH3-N作为评价指标。水质Ⅱ类标准要求TP、COD、NH3-N浓度不大于0.1、15.0、0.5 mg/L;水质Ⅲ类标准要求TP、COD、NH3-N浓度不大于0.2、20.0、1.0 mg/L。

通过实施污水处理厂尾水湿地净化、支流汇入口湿地净化、滩地表流湿地等水环境治理工程，利用MIKE21二维水质模型模拟不同流量下水质演化情况，并绘制TP、COD和NH3-N流量浓度曲线（见图1）。MIKE21是丹麦水力研究所（DHI）开发的二维水动力学软件，该模型用户界面友好，具有强大的前、后处理功能，拥有独立的二维水质模块，与水动力模型耦合计算能够精确模拟指标因子的变化情况[6-7]。根据模拟结果，实施水环境治理措施后，控制下泄流量为0.9 m3/s即可达到水功能区划水质目标要求，即水质需水流量为0.9 m3/s，见图2、表3。

（3）景观需水。景观需水是指维持河流与沿岸重要自然景观结构和功能完整性需要保留的水量。灌河中游城区段（8.3 km），为营造良好的景观效果，需要维持一定的蓄水水位。采用水量平衡法，通过分析河道内输入、输出项的平衡关系，计算维持一定蓄水水位需要补充的水量。灌河中游城区段需补充水量为蒸发量和渗漏量，蒸发量计算公式为

式中：WE为河道蒸发耗水量，万m3;Ep为商城县灌河流域水面蒸发能力，mm;L为计算河段长度，m;b为计算河段水面宽度，m。

由此计算灌河城区段月平均水面蒸发量见表4。河道渗漏主要为河道底部渗漏和岸边侧渗，渗漏损失主要与渗漏面积、河床渗透介质参数及地下水埋深有关。根据地勘结果，河床地层岩性主要为砂卵石，但地下水位较高，地下水埋深一般为0.3～7.1 m，综合考虑，按最高景观水位对应的水体规模估算渗漏量，渗漏损失率取25%，年渗漏损失量为124.5万m3。

2.2 敏感生态需水

灌河流域鲇鱼山水库坝址以下河段分布有四大家鱼、鳝鱼等，繁殖期（4—8月）需要洪水脉冲的刺激进行产卵，对水深和流速有一定要求，其中：四大家鱼适宜水深为0.3～12.0 m，适宜流速为0.3～1.8 m/s;鳝鱼适宜水深为0.6～2.0 m，适宜流速为0.1～0.2 m/s。非繁殖期主要考虑生态基流。利用MIKE21构建水动力模型，该模型可以模拟各种作用力产生的水位和流速变化，用户界面好，处理功能强大，被广泛应用于二维仿真模拟[7]，因此应用该模型模拟不同流量下生态敏感区流速、水深，进而确定满足鱼类等生存的生态流量。灌河补水流量为11.7 m3/s时水深、流速分布见图3，具体计算结果见表2。

根据以上计算结果，敏感期（4—8月）选择敏感生态需水量作为灌河的生态需水量，非敏感期选择生态基流和敏感生态需水的外包值作为灌河的生态需水量。灌河生态需水流量为0.9～11.7 m3/s，年需水量为15 142.5万m3，其中汛期（6—9月）生态需水量为10 311.0万m3，非汛期生态需水量为4 831.5万m3。灌河生态需水过程见表2。

3 生态用水保障措施

（1）强化农业节水。灌河流域现状农业是用水大户，年用水量1.70亿m3，占总用水量的65%，现状农田灌溉水有效利用系数为0.552，最严格水资源管理制度控制目标为0.547，满足要求，但农田灌溉水有效利用系数与河南省平均水平（为0.611）还有一定差距，而且灌河流域规划水平年2020年控制目标为0.608，未来还有一定的节水空间。

因此，应加快推进流域范围内鲇鱼山灌区续建配套与节水改造工程建设，通过干支斗农渠系衬砌、渠系建筑物配套完善和更新改造，加大田间节水设施建设力度，推广微灌、滴灌、低压管道输水灌溉、集雨补灌、水肥一体化、覆盖保墒等技术，水稻灌溉结合浅湿灌溉技术，间歇淹水，减少农业用水量，增加灌河生态用水有效供给。

（2）推进非常规水源利用。流域内降水时空分布不均，且鲇鱼山水库大坝以下99 km、汇流面积726 km2河道内仅有烟北头和马岗两座拦河闸，地表径流未得到充分利用，因此规划在商城城区段烟北头闸下游4.3 km处新建涂寨液压坝，在穿乡镇段新建生态堰，拦蓄地表径流，增加雨洪资源利用量。

新建人工濕地净化工程对灌河沿岸商城县开源污水处理厂、上石桥镇聚源污水处理厂、固始县第二污水处理厂排放尾水进行深度净化，处理达标后回用于灌河。

（3）加强河流生态调度。生态调度应以河流生态需水量为控制目标，结合防洪调度方案，汛期利用水库弃水;统筹协调生态需水与灌溉、生活、工业供水的关系，强化雨洪水、再生水的利用，加强水资源统一调度，在满足鲇鱼山水库常规调度目标的基础上，满足下游河道所需的生态水量，按照生态需水过程控制下泄流量（0.9～11.7 m3/s），同时加装下泄流量监测装置，强化实时监测与监督，确保最小下泄流量。建立生态调度补偿机制，落实生态水量，遵循近自然水流情势和因地、因时、因物种制宜的基本准则，逐步建立起面向灌河生态健康的长效机制。

4 结 语

灌河是淮河重要的支流，生态功能地位十分重要，科学确定及保障生态水量是实现灌河生态功能的基础，是支撑河流生态功能的重要因素，对维持生态系统健康发展起着至关重要的作用。生态水量的确定应符合流域或区域水资源的实际情況和水资源管理需求，为流域水资源管理和保护提供参考。

基于灌河的水文情势和生态功能定位，统筹考虑水生生境需求、水质要求以及亲水性，采用Tennant法、水量平衡法、MIKE 21模型，科学确定灌河月平均生态流量为0.9～11.7 m3/s，年需水总量为15 142.5万m3。同时秉持节水优先理念，坚持节水降耗和节水丰源并举，通过强化农业节水、推进非常规水源利用和加强河流生态调度，完善生态用水保障体系，在满足生活用水的前提下，确保灌河生态用水安全，为水生态保护与修复提供基础保障。

参考文献：

[1] 杨泽凡，胡鹏，赵勇，等.新区建设背景下白洋淀及入淀河流生态需水评价和保障措施研究[J].中国水利水电科学研究院学报，2018，16（6）：563-570.

[2] 水利部.水资源保护规划编制规程：SL 613—2013[S].北京：中国水利水电出版社，2013：4-19.

[3] 陈昂，隋欣，廖文根，等.我国河流生态基流理论研究回顾[J].中国水利水电科学研究院学报，2016，14（6）：401-411.

[4] 牛贺道.城市生态河流规划设计[M].北京：中国水利水电出版社，2017：217-229.

[5] 徐宗学，武玮，于松延.生态基流研究：进展与挑战[J].水力发电学报，2016，35（4）：1-11.

[6] 吕俊.基于MIKE的南宁市南湖环水系水质水量耦合模型的研究[J].广西水利水电，2017（1）：11-14.

[7] 许婷.MIKE21 HD计算原理及应用实例[J].港工技术，2010，47（5）：1-5.

【责任编辑 吕艳梅】