辽河干流生态需水量计算及生态环境评价研究

白伟桦

（辽宁省河库管理服务中心（辽宁省水文局），辽宁沈阳 110003）

生态需水早期的研究是以满足航运需求为目地的枯水期河流最小流量计算[1-4]，但随着社会经济的发展，水资源的开发利用范围和强度不断增加，而水资源利用率较低，造成水资源短缺、污染等生态问题，生态环境受到严重威胁。生态环境的恶化及野生动物的消亡引起了国际的高度重视，研究者们开始把目光转向河道内生态需水[5-7]。随着河流生态用水需求的不断变化，河流生态需水的内涵和意义也更加丰富[8-11]。目前，已有的研究将河道内的生态需水量在最小流量的基础上加入了河流稀释自净、输沙、蒸发、补给地下水、维持水盐平衡、调节气候、观赏等功能性用水需求[12-16]。

1 研究区概况

辽河干流全长523 km，河谷开阔，河道迂回曲折，支流众多，地处中纬度，属温带大陆性气候，其特点为寒冷期长，平原风大，东湿西干。辽河干流封冻期通常在11 月下旬至12 月初，解冻期一般在次年3 月上旬至中旬[17，18]。

辽河流域是典型的季节性河流，在非汛期及冰封期容易发生水资源短缺现象，且辽河流域水资源开发程度较高，水环境问题不容小觑[19-21]。因此，以辽河干流为例计算河流生态需水量，实现水资源的可持续利用，是恢复辽河水生态环境的重要举措。

2 生态需水量计算

辽河干流主要存在的环境问题有河道断流、河床淤积、物种多样性下降等问题[22-24]，因此，辽河干流生态需水计算应以解决河道断流、河床淤积、水体污染为目标。根据上述问题，本文将需水量划分为河流基本生态需水量、河流输沙需水量、河流稀释自净需水量及蒸发需水量。

2.1 河流基本生态需水量

在生态环境需水量的概念中，一般把用以维持生态系统稳定，保证河流基本形态不被破坏，并供给水生生物不同生育期所需要的水量，称为河流基本生态需水量，也叫河流最小生态流量。月保证率法是河流基本生态需水量的一种常见的计算方法，具体计算步骤：通过对河流实测月径流数据进行排序，计算出多年平均状态下和不同保证率下（25%，50%，75%，95%）相应的月径流量；取不同百分数的月径流量对生态流量保障程度进行等级划分，进而计算得到各等级程度的月基本生态需水量。

2.2 河流输沙需水量

河流输沙需水量通常指河道保持水流畅通、不发生淤积、满足水沙动态平衡时的需水量，一般利用多年平均含沙量法计算，其计算公式：

式中：Ws为河流输沙需水量，m3；St为多年平均输沙量，kg；Cmax为多年最大月平均含沙量的均值，kg/m3；n为统计年份个数；Ci为单年月平均含沙量，kg/m3。

2.3 河流稀释自净需水量

稀释自净需水量是评价河流纳污能力的指标之一，一般利用近10 年最枯月均流量法进行计算，计算公式：

式中：Wd为河流稀释自净需水量，m3；Wij为近10年最枯（小）月平均径流量，m3。

2.4 河流蒸发需水量

河流蒸发需水量通常指水体水面蒸散发量，数据由20 cm 蒸发器和E601蒸发器观测所得。具体计算公式[25]：

式中：We为河流蒸发需水量，m3；A为水面面积，m2；E为水面蒸发量，mm；P为降水量，mm。

2.5 河流生态需水量成果整合

河流生态需水量根据功能的不同，可分为消耗型需水量和非消耗型需水量，河流整体生态需水量则将这两类需水量叠加。其中，消耗型需水量指水体蒸发需水量，非消耗性需水量包含河流基本生态需水量、河流输沙需水量及河流稀释自净需水量等，在计算中应取最大值以满足整体用水需求[26]。

3 数据来源与分析

研究采用的数据来源于辽宁省水文局2000—2019 年实测水文资料，采用了辽河干流5 个水文测站（福德店、铁岭、马虎山、平安堡、六间房）的实测径流量、输沙率、降水量和蒸发量等数据。根据辽河流域季节性径流变化特性，将辽河干流的需水过程分为汛期（6—9 月）和非汛期（其他月份），分别计算其生态需水量。

4 结果分析

4.1 基本生态需水量

河流基本生态需水量利用月（年）保证率法计算。考虑辽河干流水资源供应范围广、开发利用程度较高，河流供水保证率取75%，河流基本生态需水量取天然径流量的10%，辽河干流基本生态需水量见表1。

表1 辽河干流基本生态需水量108 m3

4.2 河流输沙需水量

河流输沙是河流必不可少的功能之一，是维持河道冲淤平衡的关键。辽河干流全线存在冲淤现象，因此，输沙需水量在汛期及非汛期均应考虑。辽河干流非汛期、汛期及全年输沙需水量计算成果见表2。由表2 可知，汛期与非汛期输沙需水量差异较为明显。

表2 辽河干流输沙需水量108 m3

4.3 稀释自净需水量

河流稀释自净功能是影响河流水质的重要因素，此次研究采用近10 年最枯月均流量法计算河流稀释自净需水量，计算结果见表3。由表3 可知，受天然径流丰枯变化影响，汛期与非汛期需水量差异明显，其中，福德店站的实测水文径流数据远小于其余4 站，故福德店站需水量计算成果均小于其他四站成果。

表3 辽河干流稀释自净需水量108 m3

4.4 河流蒸发需水量

河流蒸发需水量计算的水面面积分界线取相邻两个水文站的中点，对于降水、蒸发等观测资料不足的测站，可利用相邻站点的观测资料。河流蒸发需水量计算成果见表4。

表4 辽河干流蒸发需水量108 m3

4.5 河流生态需水量整合

将计算所得的各水文站生态需水量根据消耗型需水量叠加，非消耗型需水量取最大值原则进行整合处理，整理得到75%保证率下辽河干流各水文站生态需水量，见表5。由表5可知，福德店站水文数据监测范围内的生态保障能力较弱，必要时需向临近水库借调以保证生态环境平稳健康运转。

表5 辽河干流生态需水量108 m3

5 辽河干流生态环境评价分析

辽河干流各水文站生态需水量（P＝75%）与多年平均径流量的比值见表6。表6 中所得结果可用于各水文站生态环境评价分析，根据生态需水量占径流量的比值可知，辽河干流各水文站范围内的天然径流量可基本满足生态环境用水需求，且存在剩余水量用于水资源调配，以实现水资源可持续利用。

表6 生态需水量与年径流量比值108 m3

6 结语

辽河干流属于典型的季节性河流，汛期降雨集中，水量充沛，应多加以利用，在避免汛期洪涝灾害威胁的同时，补给非汛期用水需求，从而保证河流全年生态用水需求，维持河流生态环境健康稳定运行。此次研究计算了辽河干流主要水文站的生态需水量，并根据多年平均径流量与生态需水量的对比，得出各水文站监测范围内的天然径流量可基本满足生态环境用水需求，且存在剩余水量，可进行外部供水，从而实现水资源利用率最大化，实现水资源可持续利用。