大凌河中下游河道生态需水量计算分析

王安琪

(辽宁省朝阳水文局，辽宁 朝阳 122000)

0 引 言

1990s以前，国内外学者大多从河道生态系统的角度开展生态需水量研究，对河流流量主要依据水文历史资料和7Q10法、Tennant法分析，随后有水力学者利用湿周法、R2CROSS法对河流所需流量进行计算，但这两种方法都未考虑生态学相关要求。Petts等从水生生物流量需求及河道物理形态的角度，提出最佳及最小流量的确定方法；Bovee等有机结合生境评价与水力学的方法，构建了模拟与评价生境适宜性的IFIM模型。1990s以后，相继出现河流统一、连续的概念，Petts等考虑河流生态系统的完整性以及纵向上河流流量的连接性，提出河流生态系统保护中洪泛平原流量发挥着关键作用，其中整体法、BBM法为最常用的方法；此外，有学者认为水资源是维持河流生态系统的基本要求，对于水资源的配置管理者应引起高度重视。我国学者刘昌明[1]、汤奇成等[2]相继提出生态水利和生态用水的概念，从方向上、整体上明确了河道生态需水研究的框架和范畴；严登华等[3]提出河流生态需水具有空间与时间上的变化，主要是指满足一定水质标准且维持地表水体特定功能所需要的水量；李丽娟等结合北方河流特点和生态环境功能，定义了河流输沙和生态需水量；刘凌[4]研究认为河流生态需水量应包括河流渗漏及防止蒸发的需水量，此期间月(年)保证率设定法、最小月平均流量法为最常用的方法。

目前，尚未形成系统、完善的生态需水量计算方法和理论体系：①随着河段、时段、季节的变化河流生态需水量发生相应的改变，所以该数值是一个动态值；②不同河流的生态系统特征往往存在一定差异，各河流的生态需水量无法用某固定的方法来计算；③河道上下游存在重复计算生态需水量的问题，从而增大了实际中生态环境的需水配置难度，并给水资源管理中生态需水的应用带来一定限制。

鉴于此，文章以大凌河中下游为例，针对不同频率年提出河道需水量分段计算的思路与方法，并将生态需水类型按照大凌河含沙量大、渗漏性强的特征来判定，为解决河流上下游区间重复计算以及多功能生态需水重叠问题，利用河道自净、渗漏、输沙、蒸发需水量以及基础流量等参数构建需水量计算模型，以期为大凌河流域合理开发和水资源配置提供科学的指导。

1 大凌河河道生态需水类型

调查显示，大凌河主要存在地下水超采、水质污染、泥沙淤积、河道渗漏、河水断流等环境问题。近年来，大凌河中下游曾多次出现河道干枯、河水断流的现象，即使不断流枯其水流量也非常的小；部分河段渗漏问题突出，测得流量为10m3/s时义县大凌河段的渗漏量达到0.915m3/s；流经黄土地区、碎屑岩、火山岩的大凌河，其含沙量达到57kg/m3，河流中下游淤积严重；据统计，每年向大凌河排放的污废水达到3.68×108t，总河长的41.8%属于劣Ⅴ类水质，其中水功能区水质80%以上达不到标准要求。2009-2018年，因水资源短缺大凌河地表水开采率达85.2%，农业、工业、城镇争水使得生态水量不断被挤占。所以，河道蒸发、渗漏和主流需水量属于大凌河主要生态需水类型，其中主流需水量包括汛期输沙需水、自净需水和河道基础流量[5-7]。

2 生态需水量模型

河道需水量需满足多种功能时，可以遵循最大原则来计算，即河道的主流需水量取各月不同功能需水量的最大值，其表达式如下：

WMi=max{WBi，WCi，WTSi}

(1)

式中：WMi、WBi、WCi、WTSi依次代表第i月的主流需水量、基础流量、自净及输沙需水量，m3/月。

河道月生态需水量利用加和法计算，即对各月渗漏、蒸发、主流需水量求和，然后加和各月的需水量确定年需水量，计算式为：

WRIi=WEi+WSi+WMi

(2)

式中：WRIi、WEi、WSi依次代表第i月的生态、蒸发和渗漏需水量，m3/月。

针对河流上、下游区间重复计算以及不同功能生态需水的交叉重叠问题，以整个河道的渗漏、蒸发需水量加上各个河段主流需水量的最大值得到整个河流的需水量。

2.1 蒸发需水量

各月的蒸发生态需水量利用水面蒸发量、降水量、水域面积等参数确定，其表达式如下：

(3)

式中：WE为蒸发需水量，m3；A、E、P为各月平均的水域面积，m2、蒸发量，mm和降水量，mm，其中以E601水面蒸发器监测数据确定月平均蒸发量。

2.2 渗漏需水量

地下水位低于河水位条件下，河道渗漏补给量应考虑过水状态与土质类别间的关系，其计算公式为：

WS=WJ·δ·L

(4)

δ=K/Wdjm

(5)

式中：WS、WJ为河道渗漏量与流量，m3/s；L为河流的长度，km；δ为单位长度河道水量损失率，%/km；K为土壤透水性系数；Wdjm为河道的损失流量，m3/s。

2.3 主流需水量

基于大凌河中下游生态环境实际需求确定主流需水量，即输沙需水量WTS、自净需水量WC、基础径流量WB。

1)输沙需水量WTS。一般河流年输沙总量的80%发生于汛期，即汛期是完成河流输沙功能的主要时段。因此，维持河流形态动态平衡的有效手段是充分利用汛期较强洪水的输沙功能，可利用下述公式计算汛期输沙需水量，即：

WTSij=Wij/Cmax

(6)

式中：WTSij、Sij为第i年第j的输沙需水量和输沙量；Cmax为年均最大月含沙量。

2)自净需水量WC。该参数是指河流改善水质、净化入河流污染物所需要保持的最小水量，由于计算河流基础径流量的方法与选用近10a最小月平均流量的方法基本相同，所以主流需水量计算时可以不考虑河流自净需水量。

3)基础径流量WB。该参数是指维持水生态系统健康、保证河道不断流的最小需水量，对此可利用Tennant法确定。考虑到整个河道均涉及基础径流量，因此维持水生态系统所需要的最小用水量可以取大凌河中游义县水文站天然径流量的10%，即最低极限流量。

3 结果与分析

3.1 生态需水量计算

以大凌河流域6个水文站(即建凌、哈巴气、大城子、朝阳、义县、凌海)1983-2018年实测径流资料为基础，通过排频确定丰水年(P=20%)、平水年(P=50%)、枯水年(P=75%)、特枯水年(P=95%)依次为1986年、1993年、2000年、2009年，然后对4个水文频率年的生态需水量按照大凌河各河段特点依次计算。

不同水文站间的渗漏需水量、蒸发需水量利用公式(1)-(6)计算确定，各水文频率年蒸发、渗漏需水量，见表1。根据以上计算结果依次确定各水文站的输沙需水量，各水文频率年输沙需水量，见表2，在此基础上计算大凌河中下游生态需水量，各水文频率年生态需水量，见表3。

表1 各水文频率年蒸发、渗漏需水量

表2 各水文频率年输沙需水量

表3 各水文频率年生态需水量 104m3

3.2 结果分析

由表3-4可知，相对于枯水年生态需水量丰水年明显较高，其原因为丰水年输沙、渗漏和水面蒸发需水量均高于枯水年；7-9月份50%和20%频率年的生态需水量较高，年内分布上95%、75%频率年生态需水量较均匀；大凌河中下游95%、70%、50%、20%水文频率年的生态需水量依次为1.4239×108m3、1.8540×108m3、2.5061×108m3、4.0837×108m3，基础径流、输沙、渗漏、蒸发需水量总体上占生态需水的17.19%、21.05%、76.23%、2.72%。不同生态需水类型所占比例，见表4。

大凌河中下游各频率年生态需水量相差较大，并且组成比例具有一定差异，对河流生态需水量利用某固定值来分析明显与实际不符。因此，随着年际、时段、季节的变化河流生态需水量发生相应的改变，该值是一项动态变化值。

表4 不同生态需水类型所占比例

生态需水量占多年平均和代表年径流量比例，见表5。由表5可知，大凌河中下游在95%、70%、50%、20%水文频率年的生态需水量占代表年径流量比例依次为87.12%、60.04%、60.26%、56.41%，占多年平均流量比例依次为18.91%、28.25%、45.20%、72.61%，由此表明地表水资源在大凌河中下游流域的利用率依次为12.88%、39.96%、39.74%、43.59%。另外，河流生态需水量取多年平均流量百分比中的某定值与河流实际情况不符。

表5 生态需水量占多年平均和代表年径流量比例

4 结 论

文章以大凌河中下游为例，利用河道需水量计算模型揭示了不同月份、不同年际河道需水量分配规律，主要结论如下：

1)主流、蒸发和渗漏需水量属影响流域生态需水量的主要因素，以基础径流量与输沙需水量的较大值作为主流需水量，且整个河流的主流需水量取5个河段的最大值，由此可有效解决了河流上下游区间重复计算以及不同功能生态需水的交叉重叠问题。

2)随季节的变化不同生态需水类型发生相应的改变，如75%、50%、20%频率年的主流需水量都低于输沙需水量，而95%频率呈现出相反的特征。总体上，基础径流、输沙、渗漏、蒸发需水量占生态需水的17.19%、21.05%、76.23%、2.72%。

3)大凌河中下游95%、70%、50%、20%水文频率年的生态需水量依次为1.4239×108m3、1.8540×108m3、2.5061×108m3、4.0837×108m3，占代表年径流量比例依次为87.12%、60.04%、60.26%、56.41%，这表明地表水资源在大凌河中下游流域的利用率依次为12.88%、39.96%、39.74%、43.59%。国际上公认的地表水极限开采程度、合理开采程度为40%和30%，可见大凌河中下游地表水综合开发程度已明显超出河道水体的提供能力，即河流生态需水已被大量的挤占。为实现水资源的合理利用和持续管理，必须对流域水资源分河段分时段的实施有效的管控措施。