渭河干流关键断面生态需水满足状况分析

石国栋

(陕西省渭河生态区保护中心，陕西 西安 710004)

1 引言

有关生态需水的定义不同的学者从不同的角度出发，其理解与定义也各有不同[1]。本文认为河道内的生态需水通常是指在河流不断流的前提下，为了维持特定生态系统的结构和基本生态功能，即为维护河流水沙平衡、水盐平衡及维护河口地区生态环境平衡而保留在河道内的流量(水量)。相关定义与概念随着研究方向和深度的不同而发展变化，Caroline[2]定义了基本生态需水的概念，即为自然环境提供有质量和一定数量的水，保证最好最优地改变天然生态环境系统地过程。1996 年，Gleick[3]认为基本生态需水是保证物种多样性和生态完整性，且最少改变自然生态系统过程所需的一定质量和数量的水量。与国外相比，国内的研究涉及的方面虽多但内容和成果较为宽泛。2001 年，生态需水的定义有广义和狭义两个方面，钱正英等从这两方面进行了说明，广义上指为维持生态系统水热平衡、水沙平衡和水盐平衡等水分平衡所需要的水量;狭义上指维持生态环境不继续恶化且逐渐改善和恢复所需要消耗的水资源量[4]。这一定义具有普遍适用性，得到了各学者的肯定，后续的很多研究也以此为基础[5]。例如，水盐平衡这一理念被用于河口区生态系统生态环境需水量的确定[6-7]，水沙平衡这一理念被用于多沙河流生态环境需水量的确定[8-9]。

国外对河流生态需水的研究相对国内来说比较成熟，各学者提出了许多改进创新的计算方法，主要用于计算生态系统自身对于水资源的需求，如Tennant 法[10]通常作为河流流量推荐值或者检验其他方法的结果;R2-Cross 法[11]根据曼宁公式，在计算河流生态环境需水量时参考河流湖泊平均水深、河宽和水流流速，它主要是用于计算保护水生生物的栖息地;IFIM 法[12]也叫河道内流量增加法，在计算生态环境需水量方面应用较为广泛，主要是采用PHABSIM 模型进行计算。国内河流生态需水的研究计算以国外的成果为基础，通过改进方法或者多个方法综合应用并进行对比的方式进行研究，例如，西南山区小型梯级电站众多而导致了河段减水的严重生态需水问题，针对这个问题郭新春[13]利用Tennant法和R2-CROSS 法计算研究河段的生态需水量，并确定了最小生态需水量;郭江[14]运用Tennant 法对天津市城市河湖生态需水配置进行了研究，并估算出河流湖库的生态需水量和自净需水量，同时利用槽蓄法对蒸发渗漏损失量进行了估算;刘静玲等[15]提出了水量平衡法，该方法认为在没有人为因素的干扰下，湖泊水量处于动态平衡状态;于岚岚等[16]利用改进的逐月频率法研究计算松花江哈尔滨河段的逐月最小、最大和适宜生态需水量，并用Tennant 法对结果进行了检验。随着生态保护工作的推进，相关方法及理论体系也在不断完善，并逐渐适应不同流域的个性化管理。

渭河流域是我国重要的农业、工业和能源基地，人口3387 万。多年来渭河上游水土流失严重、中游水污染加剧、下游河道淤积、生态环境恶化、小水大灾频发。2011 年，陕西省启动了渭河综合整治工程，经过全线整治后的渭河水生态整体状况得到明显改善，但由于发展的需求是处在动态变化之中的，生态需水相关概念、模型方法等也在不断改进，相关试点工作也取得了阶段性进展;结合规划要求，各流域也在不断探索适应性强的管理途径，水生态保障及修复是一项长期任务。因此，以渭河为典型，研究生态环境保护对黄河流域具有引领参考价值，尤其是对关中的社会经济高质量发展具有重要的意义。

2 生态需水分析计算

2.1 分项生态需水计算

考虑渭河干流关键断面的生态需求，本小节重点关注生态基流、重点断面的产卵期流量过程、湿地与景观生态需水、河道输沙需水这四项，分别计算不同时空分布、不同保证率下的生态需水量[17]。

(1)生态基流

从水生生物生存需求考虑，采用实测断面形态与鱼类生长所需水深进行生态基流的计算。为满足鱼类生存，重点保证50 m 断面宽度的河道水深即可。流速的计算采用曼宁公式，生态基流计算结果见表1。

表1 渭河干流关键断面生态基流

(2)重点断面的产卵期流量过程

渭河流域与流量过程相关的鱼类产卵类型为漂浮性卵和粘性卵[18]。对渭河干流各断面“水深-水面宽”关系分析可知，泾河入渭以上河段发生突变，在水深60 cm 处变宽说明有局部边滩的存在。林家村断面就是一个典型例子，根据断面形态，在水深60 cm 时，产卵期流量16 m3/s。

(3)湿地与景观生态需水

换水周期法和湖泊形态法是水景观生态环境流量计算的常用方法。本小节选用前者进行计算，同时参照湖泊或类似景观的换水周期，计算结果见表2。

表2 各工程景观生态需水

(4)河道输沙需水

维持河床冲淤动态平衡必须保证的水量，即河流输沙需水量。该水量受水流含沙量的影响，并随产沙量、含沙量的年内分配而动态变化。计算输沙需水时可采用输沙量法、冲淤比修正法等，但渭河下游由于取水点分布较多且河道变化幅度较大[19]，上述两种方法计算将会受取水影响，故本节采用含沙量法计算临潼与华县断面输沙需水量，计算结果见表3。输沙需水量主要体现在各代表年7 月～10 月，各代表年内，临潼断面输沙需水量均小于华县断面;不同代表年、同一代表年内不同月份的输沙需水量差异较大，尤其是8 月～10 月，P=25%的代表年输沙量较大。

表3 不同代表年的输沙需水量

2.2 生态需水量确定

在分别计算鱼类枯水期生态基流、产卵期流量脉冲过程、汛期输沙用水、景观湿地用水等基础上，统筹兼顾支流汇入、干流重点取水等方面因素，提出各断面综合生态环境流量控制指标。其中林家村、魏家堡、咸阳、临潼和华县五个渭河干流关键水文站断面的生态需水量结果见表4。

表4 渭河干流关键断面生态需水量

3 生态需水满足状况分析

3.1 生态满足状况分析

根据《渭河流域重点治理规划》，林家村断面非汛期(11月～6 月)河道内低限生态环境流量为10.0 m3/s;《陕西省水资源综合规划》中林家村断面的非汛期低限环境用水最小流量为10.0 m3/s，咸阳和华县分别为15.0 m3/s和20.0 m3/s;《黄河水量调度条例实施细则(试行)》规定华县断面流量为12.0 m3/s、林家村断面流量为2.0 m3/s 魏家堡断面流量为5.0 m3/s、咸阳断面流量为10.0 m3/s，保证率都为90%。将上述相关规划成果与关键断面的生态需水量进行对比分析，以1973 年～2010 年长系列为分析对象，每年共包括11 月至次年6 月的枯季242 天，结果见表5。

表5 渭河干流关键断面生态需水满足状况

渭河干流关键断面林家村和魏家堡生态需水的保证率分别为27.6%和56.9%，断面缺水情况分别高达175 天和104 天，与规划的90%保证率相差甚远，将林家村和魏家堡断面流量提升到8. 6m3/s、11.6 m3/s 的低限生态环境流量已经很难，12.8 m3/s、23.5 m3/s 的适宜生态环境流量就更无法保障，一半以上的天数生态流量无法达标，尤其在枯水期，该河段接近断流，水生态与水环境问题十分突出，对水环境产生了很多不利影响，尤其是以鱼类为主的各类水生动植物的生长和繁殖。同时两侧灌区从水库提水灌溉、水电站引水发电，多因素综合作用影响了下游河道流量过程，使得林家村魏家堡河段在枯水期河道几乎接近于断流。因此生态综合治理的聚焦点应该放在林家村和魏家堡断面，进行重点治理与修复。

3.2 不满足的原因分析

宝鸡至咸阳断面水资源可利用量本身较少，承载能力极其有限，但地区工农业发展需水量很大。为保障宝鸡咸阳渭北旱原地区农业灌溉，宝鸡峡水库于2003 年完成加坝加闸改造，服务于地区农业灌溉需求，从而致使宝鸡峡大坝至魏家堡渠首80 km 渭河河道枯水期缺水严重;由2016 年宝鸡市水资源利用情况可知，该年生态环境用水为0.09 亿m3，占用水总量的0.02%，与之相比，农业用水量为2.96 亿m3，占用水总量的72.7%，城镇公共用水量0.07 亿m3，工业用水量0.3 亿m3，居民生活用水量0.6 亿m3，而根据近期或未来用水情况和发展规划，各类用水户用水量不会有较大波动，工农业用水比较稳定，占用水总量比重较大，生活用水和生态环境用水逐年少量增加，既要满足当地城镇生活、工农业生产等所需的水量，也要将滩区绿地、各类水景观、滨河公园、生态湿地等水量需求考虑其中，尤其是保证林家村-魏家堡河段的生态用水，上述种种矛盾势必会加剧各用户竞争用水态势，在上述背景下，各类用户间“争水”“抢水”将表现为长期化、常态化。

4 结论

本文从渭河干流关键断面的实际生态需求出发，分项计算了5 个关键断面的生态基流、重点断面的产卵期流量过程、湿地与景观生态需水以及河道输沙需水，并与相关规划成果进行了对比分析，分析结果表明，生态需水满足程度由高到低的断面依次是临潼、华县、咸阳、魏家堡以及林家村，并且通过对不满足的原因分析，指出渭河生态综合治理的聚焦点应放在生态问题最为严重的林家村与魏家堡断面，在常态化竞争用水的前提下，保障渭河林家村与魏家堡断面的生态需水对于渭河干流水生态环境向好发展具有重要作用。