岫岩县大洋河河道生态需水量计算方法研究

刘胜男

(辽宁省辽阳水文局，辽宁 辽阳 111000)

0 引 言

河流属于维持生态平衡不可或缺的重要部分，科学合理的计算河道生态需水是合理配置流域水资源以及修复改善河流生态的主要依据。河道生态需水是指河道维持特定生态功能、水文过程、系统结构所需要的水量，即河流系统实现其生态保护目标的需水量[1]。早期，国内外学者主要从河道枯水流量的角度开展生态需水量的研究，经过年研究已形成整体分析法、栖息地评价法、水力学法、水文学法等比较成熟的生态需水估算方法。

水文学法属于一种统计方法，其计算基本生态需水量的依据为河道的径流资料，较为常用的有NGPRP法、Texasperate法、7Q10法、Tennant法等[5-6]。水文学法具有简单快速、无需现场测定数据的优点，但该方法没有考虑河道现状的改变、丰枯水年流量的变化且缺乏生物学资料证明，为证明计算结果的生态效还要获取必要的参数、设定不同的标准，对此要开展相应的野外工作[2-3]。

水力学法的集中目标包括保持河道的基本形态和保留河流足够的水量，将水深、比降、河道断面形状等水力几何学参数与流量变化相结合，在此基础上计算河流基本生态需水量，典型方法有R2CROSS法、湿周法、CASMIR法等。一般地，R2CROSS法、湿周法比较适于浅滩式河流栖息地和湿润河网区，且湿周法计算时在一定程度上受到河流形状的影响[7]。

栖息地评价法是以创建适宜的生境为根本目标，综合考虑水生物、水质等因素和水力学方法，利用栖息地指示物种-流量或者栖息地生境-流量相关关系，从而计算河流生态需水量，代表方法有Basque法、RCHARC法、PHABSIM/IFM法等，适用于生态保护目标以栖息地及其物种为主的河道，该方法的灵活性较好，但实际可行性较低，不易被广泛的推广应用[8-11]。从高到底栖息地法、水文学法和水力学法的针对性逐渐减弱，对资料条件的要求也不断降低。

综合评价法是依据河床形状、泥沙运输、河岸带群落与河道流量间的关系，并考虑生态整体功能和专家意见来确定流量的推荐值，此外该推荐值要满足维持景观、控制污染、泥沙冲淤、维持栖息地及保护生物等生态功能，其中澳大利亚的HEA法和南非的BBM法等整体分析法多适用于流域整体生态需水计算。

1 问题的提出

不同计算方法的适用范围及其适用条件存在一定差异，应考虑数据资料获取的难易程度与费用、计算结果的精度要求、人们的生态环境价值观和河流类型等因素选定生态需水评估方法。目前，学术界尚未形成统一、完善的生态环境价值理念，国内相关研究处于初期阶段，缺乏综合考虑地理学、生态学、水文学等知识定量计算河道生态需水量的方法以及现场观测数据，关于定量计算河道生态需水量、水资源与河流生态关系的研究较浅。现有研究多利用实测数据及生态资料实现生态需水的计算，结合现阶段的研究现状，我国河道生态需水研究最适合的方法为水文学法，可以作为宏观手段研究大空间尺度流域和区域，为提高水文学法的适用性还需进一步研究其评价标准。

流量历时保证率是时段总天数中某时段内(年度、季度、月度)流量持续超过某数值天数所占的比例，在流量历时保证率中应用最广的是以年为时段的保证率。因年内的日数较多，年时段日平均流量历时曲线绘制时一般以月或季为时段分苏统计历时。Texas法将水文季节变化因素与Tennant法有机结合，并考虑区域内已知的水生物、鱼类总量等典型动物群生存状况对水量的需求设定月平均流量保证率，生态流量就是符合该保证率的月平均流量。Texas法最先考虑了区域水文特征(如月流量变化大)和不同生物特性(如孵化器或产卵期)条件下的月需水量，该方法是一种优于现有同类方法的流量历时保证率法。

1)流域生态系统与河道生态需水密切相关，水文条件对于维持水生态循环发挥着关键作用，而干旱区特性显著的生态系统不可能出现于湿润区。河道生态系统的优劣和结构主要取决于河道水文条件，此外水文条件的适应性也在一定程度上影响着生态系统。所以，河道生态需水的计算要符合流域的生态系统特性和水文特征，季节性明显的河流生态需水要适应生态系统对水文条件的季节性要求和水文气象的季节性特征。以流量历时保证率为指标、以季或月为单位控制生态需水过程，该方法易于推广应用且计算分析简单，能够兼顾生态系统适应性和流域季节特征。然而，针对雨热不同季的区域或河流，若以流量历时保证率为控制指标明显与生态系统实际需求不符，所以非常有必要优化调整流量历时保证率法。

2)流域水资源开发利用需求与河道生态需水目标相辅相成，应统筹生态、生产和生活需水合理规划水资源开发利用。水资源紧张区域的“三生用水”存在非常明显的胁迫关系，对此无法较高的设定生态需水目标，通常以满足最基本需求作为条件确定合理的生态需水；水资源丰富的区域存在相对较低的水资源开发程度，显然也可以提高生态需水目标，为营造良好的生态环境可以预留足够的生态用水。生态需水总量控制指标取多年平均径流量中生态需水量所占的比例，该指标考虑了“三生”用水，其具有较强的可行性。一般地，特定流域的流量与流量历时保证率之间存在稳定关系，将河流生态流量利用流量历时保证率法计算，能够获取较稳定的成果，该方法具有广泛的推广应用前景。

3)人们对生态的认识、需求与河道生态需水目标有关，如何合理的确定最优生态系统需水量？极端环保主义者认为最好的就是自然的，在水资源开发利用时忽视以人为本，过于强调以自然为本或环境为本的理念，因此对水资源开发产生一定的限制；若对水资源盲目的开发利用或一味地强调改造自然，人类将对生态环境产生极大的破坏，最终受到生态系统的报复。因此，必须通过科学研究充分的认识生态系统，准确计算适应于区域经济发展的生态需水，生态需水目标要便于接受和理解，并且能够利用流量历时保证率衡量。

2 改进流量历时保证率法

本研究以受人为影响较小且系列年限不低于30年的逐日平均流量为基础数据，以月为单位反映季节变化特征，从大到小依次排列各月的逐日流量Qij，其中(i=1，2，…，N；j=1，2，…，12)；QNi、Q1j代表序列流量中年内j月的最小与最大流量值。然后对历时保证率Pj的年内j月流量Qpj进行计算，其表达式为：

Qpi=Qj|P(Qij≥Qj)=Pj

(1)

借鉴现有研究成果和等级划分标准，设定各月达到基流、一般、良好、优秀等级的生态流量为各月历时保证率为90%、75%、60%、50%的流量。根据水资源开发利用需求、生态系统特征、气候条件和降水特点，合理优化、改进流量历时保证率，在年历时保证率不变的情况下对时段流量历时保证率计算结果，按照经验直接以月尺度作平滑修正，从而体现水热同步、以丰补枯的特点，保证生态需水结果更加符合流域特征。

3 实例分析

大洋河属于辽东半岛最大的独流入海河流，占地1968.42km2，总长230.2km，发源于岫岩县偏岭乡，主要有雅河、牤牛河、哨子河、连河水等支流。该流域属北温带湿润季风气候，春季多旱寡涝、冬季多雪干冷、夏季高温多雨、秋季阴晴多变，四季分明，雨热同步，年均降水量860mm，对河道内生态需水利用流量历时保证率法计算具有明显的优势[12-14]。

大洋河共设立了7处水文站，其中观测资料系列较长且数据精度较高的有沙里寨、岫岩、文家街水文站，以各水文站长系列水文资料为基础准确计算河道内生态流量，水文站信息如表1所示。

表1 水文站信息表

通过对系列资料的统计分析，确定多年平均流量与各水文站各月平均流量之间的关系，如图1所示。

图1 各月平均占多年平均流量比例

从图1看出，沙里寨、岫岩较文家街水文站的各月平均流量明显偏高，这主要与各水文站径流特征、汛期降水条件等因素有关。大洋河多年平均流量与各月历时保证率流量之间的关系，如图2所示。

(a)沙里寨水文站

(b)岫岩水文站

(c)文家街

从图2可知，大洋河水文变化规律与各月历时保证率流量保持较高一致性，各水文站能够较为客观、准确的反映水文特征。各月历时保证率为90%、75%、60%、50%时的累计径流量占年均径流量的比例依次为10%-15%、20%-30%、30%-40%、40%-50%，计算结果与河湖生态需水评估导则、生态环境需水计算规范中的生态环境状况(差、中、好、非常好)的生态需水量高度吻合。

当达到基流等级时河道内生态需水量占年均径流量的10%-15%，这与常用的以10%多年平均流量作为基流以及国内有关规范非常接近；当达到优秀等级时河道内生态需水量占年均径流量的10%-50%，加之能够用于生态脉冲的洪水剩余可利用的水量约占40%，这与40%的水资源开发利用极限相接近。然而，在年内分配上河道流量极不均衡，最丰与最枯月流量比最高达到8-10倍，丰水期流量偏多对合理利用水资源产生制约；枯水期流量偏少尤其是高温季，河道应有足够的流量。所以，有必要优化、调整流量历时保证率法。

以多年平均历时保证率为90%、75%、60%、50%且年生态需水总量占年均径流量的10%、20%、30%、40%作为达到基流、一般、良好、优秀等级的生态需水控制参数，取平均值的50%和150%作为最小月(11月-次年1月)、最大月(4月-6月)的需水量，综合考虑生态系统、气象、水文等因素的需水过程或实际需求，经平稳变化确定其他月份的需水量。将大洋河各水文站生态需水量进行人为的优化调整，见表2和图3。

表2 修正的P和R成果

图3 优化的生态流量与年均流量之比

通过对比分析图2、图3可知，优化调整后的年生态需水量有所减少，其原因为枯水期生态流量略有增加而丰水期生态流量减少较多，优化后的水热同步性更好且年内生态需水过程更加平稳，可见优化调整后的生态流量可以更好的满足生态系统需求。然而，优化调整后较大的改变了各月流量历时保证率，但基本未改变年均历时保证率。

借鉴河流鱼类生境参数以及生态水深-流速法的河段生态需水量计算方法，鱼类生境最低标准要求水域水面面积≥70%、平均流速≥0.3m/s、平均水深≥0.3m，将鱼类最低生态需水按照以上参数估算，结果如表3所示。

表3 河流生境最低流量

从表3可知，将大洋河3个水文站的鱼类生境最低流量利用生态水深-流速法计算，其最低流量整体达到10%-20%的年均流量，处于汛期“一般”至“基流”生态流量等级之间。通常条件下，认为“基流”无法维持生态系统的需求，“一般”等级总体上可以维持河流的正常状态。所以，河道生态需水量利用生态水深-流速法确定的评价标准与图3的成果基本保持相同。此外，流域调蓄工程是保证水系统循环和河道内生态需水的重要措施。例如，文家街站年均径流深可达到1000mm，但枯水期易发生河道干枯、河水断流的现象，且该时段属高温期，仍然存在显著的雨热不同步现象，对生态系统循环产生不利影响，为了改善生态系统质量通常需要建设补水工程。

4 结 论

1)目前，我国河道生态需水最适合的研究方法是水文学法，流量历时保证率不仅能兼顾生态系统适应性较好的方式以及典型生物群落生存状况对水量的需求，而且可以反映季节特征，该方法易于推广且计算较为简单。

2)流域生态系统与河道生态需水存在密切联系，人们对生态的认识、流域水资源开发利用需求与生态需水目标有关。为了使得年内生态水量过程更加平稳、更好反映生态系统的需求以及水热同步性更好，有必要优化改进流量历时保证率。

3)将河道生态需水量利用生态水深-流量法确定的评价标准与改进流量历时保证率计算结果基本一致，河湖生态需水评估导则和生态需水计算规范中的基流、一般、良好、优秀等级的生态需水要求与多年平均历时保证率90%、75%、60%、50%的生态流量匹配度较高，可见改进的流量历时保证率法具有较强的适用性、较高的精准度。

4)实质上改进流量历时保证率法仍属于水文学法的范畴，该方法未考虑丰枯水年流量变化以及水资源与河道间的关系，生物学证明资料也较为缺乏，对此仍需进一步深入研究。