长丰河支流南河“水文完整性”健康评估及合理性分析

王乐文

(甘肃省天水水文站,甘肃 天水 741000)

1 项目背景

河流健康程度直接决定着河岸及周边环境质量,也与人类的健康息息相关。对河流健康状况进行评估,对生态环境的保护具有很强的导向作用,也是河长制实施以来的一项长期工作。随着社会的进步及人类生活水平的提高,河流生态成为人们最关心的话题之一[1]。在干旱半干旱区域,水量相对较少,对河流健康的关心则更为突出。在人类活动的影响下,水循环及其伴生的水生态、水环境和水沙过程发生了深刻变化,水多、水少、水浑、水生态退化与水管理缺失并存,人水关系愈加复杂,原有的生态系统结构、功能和水文过程受到了一定程度的影响[2]。对河流健康程度进行评估,可以为河流管理者提供必要的数据支持并发挥导向作用。

刘俊等[3]对陕西省渭河干流的河流健康程度作了评价,由于渭河是大于50km长度的河流,研究时将渭河干流划分为10个评估河段,对渭河干流的流量过程变异程度、生态流量满足程度等指标进行了评估,但在研究时未分析水资源开发利用率,而渭河水资源利用率较高,对水资源利用率指标缺乏研究,将影响整个河流健康评价的最终结果;李爽[4]采用模糊综合评价模型,选取5个指标重新构建了河流健康评价指标体系和标准等级;寇利卿[5]深入研究了拒马河健康程度,研究认为,提高保证生态流量能力,修复河道生态环境,加大河道整治力度,保证河道的畅通是确保河流健康的重中之重,成县南河流域地处徽成盆地西北方向,流域内人类活动频繁,是徽成盆地主要的工农业生产区域,因此,河流健康与否至关重要;杜斌[6]针对成县南河流域的水污染开展了调查及分析研究,但忽略了流量等的变异过程;张兆新等[7]针对南河的径流等开展了研究,结果表明:南河流域降雨和径流年内分配不均、径流量年际变化大。历史文献中,无论是针对河流健康评估还是成县南河流域的水文完整性的评估均少之又少。按照《河湖健康评估技术导则》(SL/T 793—2020)的要求,河流健康评估“水”准则层分为两个亚准则层,分别是“水文完整性”和“化学完整性”[8]。水文完整性分为“水资源开发利用率”“生态流量满足程度”两个基本指标和“流量过程变异程度”一个备选指标,本文在评估时,选取水文完整性的两个基本指标和“流量过程变异程度”这个备选指标进行评估。评估结论可为河流管理者提供数据支持,在南河河流治理方面也将起到一定的导向作用,对流域内水资源开发利用、水生态修复具有深远意义。

2 区域概况

成县南河[9]流域属长江流域嘉陵江水系,发源于陇南市成县与西和县交界的海酒山,源头属高山峡谷原始森林区,源头海拔2500m,河流全长48km,流域面积399.9km2,占长丰河流域总面积的34%,是长丰河的最大支流。其流域面积占成县总面积的24%。南河流域全部在成县境内,年径流在100万m3以上的支流有5条,主要为棋盘河、小川河等。多年平均年径流量0.82亿m3,流量为2.6m3/s。南河径流年际变化大,流域内降水量和径流年内分配不均匀,也有暴雨、洪水、泥石流,泥石流一般在雨后12h左右形成。流域内植被覆盖率高,水质较好,含沙量小。中游植被较上游略有减少,区间内分布有二郎乡、陈院镇;下游属人类活动密集区,分布有抛沙镇、城关镇、支流丰泉河上游小川镇;河床纵坡14‰以上,上游狭陡,下游流经抛沙镇及成县县城,附近河床有砂质堆积。

3 资料及研究方法

3.1 水资源开发利用率

水资源开发利用率是指开发利用水量与区域水资源总量之比,用以反映水资源利用的程度与水平。水资源开发利用率反映了社会活动对水量的影响,以及流域的开发程度。计算公式为

式中:WRUI为水资源开发利用率,%;WS为取水量,万m3;WR为水资源总量,万m3。

成县南河处于长江流域嘉陵江水系,属南方区,赋分时按照南方区的标准赋分。水资源开发利用率评估赋分标准见表1。

表1 水资源开发利用率评估赋分标准

3.2 流量过程变异程度

流量过程变异程度是指河流评估基准年实测月径流过程与天然月径流过程的差异,由基准年逐月实测径流量与天然月径流量的平均偏离程度表达。计算公式见式(1)、式(2),赋分标准见表2。

表2 流量过程变异程度指标评估赋分标准

(1)

(2)

3.3 生态流量满足程度

生态流量是指河流在自然状态下,为维持河流生态环境所需的最基本的水量,常用的计算方法有Tennant法、90%保证率法、近10年最枯月流量法、流量历时曲线法、湿周法等。其赋分标准见表3。

表3 河流生态用水满足程度评估赋分标准

4 水文完整性指标计算及赋分

成县水资源总量为12.76亿m3,其中自产水资源量为3.31亿m3。南河曾设有南河桥水文站,测站以上集水面积为375km2,仅有1985—1990年共6年的水文实测资料,不具有代表性。南河入河口下游1.1km的长丰河上设有成县水文站,测站以上集水面积为1502km2,至2021年已有连续63年的水文实测资料,成县站多年平均年径流量为2.631亿m3,汛期5—10月径流量约占年径流量的77.1%,枯期12月至次年3月径流量约占年径流量的12.9%。本次径流分析计算依据成县水文站的实测资料,采用水文比拟法、径流深等值线法[10]推算南河的径流量。水文比拟法计算公式为

(3)

式中:W评估河段为南河径流量,万m3;W成县为成县水文站径流量,万m3;F评估河段为断面集水面积,km2;F成县为成县水文站控制面积,km2;α为径流量修正系数,取α=1.00。

径流深等值线法通过查水文图集得出数据,计算径流量。通过两种不同方法计算南河多年平均径流量,结果分别为:水文比拟法为0.7005亿m3,径流深等值线法为0.7998亿m3,两种计算方法结果相差993万m3。2021年成县水文站及南河各评估河段月径流计算结果见表4。

表4 2021年成县水文站月径流量成果 单位:万m3

利用水文比拟法计算分析范围内各评估河段的实测月径流量,见表5。点绘磨坝村断面、东郊村断面、成县站断面的逐月流量过程进行对比,见图1,可以看出流量过程基本一致,说明本次计算流量基本可靠。

图1 评估断面与成县站逐月流量过程对比

表5 2021年南河各评估河段月径流量成果 单位:万m3

两种计算方法基本原理相同,都是以成县水文站资料为基础。水文比拟法以成县站1959—2021年水文实测资料为依据,计算结果可反映出近年来径流的变化情况,较真实可靠;径流深等值线法成果是20世纪80年代依据现有水文测站的径流资料,通过分析计算得出的大区域内的径流情况,有水文站点少、系列资料短的缺点,因此采用水文比拟法的计算结果更为可靠。

4.1 水资源开发利用率

根据成县城市总体规划纲要(2008—2025年),中心城区包括城关镇、抛沙镇及陈院镇,至远期2025年人口要达到22万,建设用地面积22km2,将建成城南、河东、抛沙3座水厂,城市供水总规模达6.5万m3/d。

城区原供水主要以城南孙家坝3眼机井为水源,由成县供排水公司负责向东河以西老城区供水,日最大供水量约为6580m3,另一处供水工程以高峰水库作为补充水源,主要承担东河以东的新城区的供水任务,供水能力不足2000m3/d。2019年7月成县城区供水磨坝峡水源(水库)工程建成后,成县城区及周边乡镇均由磨坝峡水库统一供水,原供水水源停供,作为备用水源。根据磨坝峡水库管理所提供的供水量资料,确定近2年年平均供水量为900万m3,表明开发的南河流域水资源主要用于城区供水,南河水资源利用率为12.8%。

南河为河源溪流,磨坝峡以上为水源保护区,沿线多为海拔较高的山地地带,流域开发利用程度低,通过计算得出,南河水资源开发利用率指标值赋分为100分。

4.2 流量过程变异程度

流量过程变异程度研究分为两个河段进行,分别是磨坝村以上河段、东郊村以上河段。磨坝村以上河段开发利用程度较低,区域内无工业用水,只有二郎乡全部及陈院镇极少部分居民生活用水,而且在人口聚集的村镇采用地下水集中供水,只有极少部分散居户引用山泉水,对天然径流总量及分配过程影响较小,评估基准年流量过程变异程度在0.05以内,因此流量过程变异程度指标赋分为100分;南河下游东郊村河段为成县城区,区域内人口、工商业户众多,用水需求量大,全部由磨坝峡水库供给,对天然径流总量及分配过程影响较大,评估基准年流量过程变异程度为0.43,按照线性插值法计算流量过程变异程度指标赋分为47.3分。磨坝村以上河段长36.2km,东郊村以上河段长11.8km,占比分别为0.75和0.25,以河长占比为权重,计算得南河流量过程变异程度指标综合赋分为86.8分。

4.3 生态流量满足程度

分别计算南河4—9月及10月至次年3月最小日均流量占相应时段多年平均流量的百分比。经统计,成县水文站多年平均流量为8.33m3/s;2021年4—9月最小日平均流量为2.31m3/s,2021年10月至2022年3月最小日平均流量为2.31m3/s。经过计算得出南河各评估河段流量,见表6。

表6 南河2021年各评估河段流量计算

根据两个评估河段多年平均流量、各评估河段2021年10月至2022年3月最小日均流量、4—9月最小日均流量,进行赋分,生态流量保障程度指标最终赋分见表7和表8。

表7 磨坝村段生态用水满足程度指标赋分计算

表8 东郊村段生态用水满足程度指标赋分计算

根据两个评估河段生态用水满足程度指标赋分值,得到南河生态流量用水满足程度指标EFr值为80分。按照《河湖生态需水评估导则》(SL/Z 479—2010)[11],河流生态需水可采用流量历时曲线法计算,采用30年以上的系列流量资料,构建各月流量历时曲线,将90%或95%频率对应的流量作为生态流量。选取成县水文站1959—2021年历年最枯月平均流量进行频率计算,得出成县站多年最枯月平均流量为1.89m3/s,查《甘肃省水文图集》Cv=0.5,Cs/Cv=2.5,90%保证率时Kp=0.47,则保证率流量为0.89m3/s,根据水文比拟法计算,得出南河生态需水量为0.24m3/s,为南河多年平均流量的10.8%,与山区性河流特性相吻合。由此可见,南河生态流量用水满足程度指标赋分较为合理。

5 南河“水文完整性”赋分及健康评估

水文完整性亚准则层分值根据水资源开发利用率、流量过程变异程度、生态流量满足程度等3个指标分值和权重综合计算,得分为89.4分,见表9。

表9 南河水文完整性亚准则层赋分

6 结论及建议

6.1 结论

本文通过南河“水文完整性”亚准则层中水资源开发利用率、生态流量满足程度和流量过程变异程度计算,结合现有资料的收集调研,按照《河湖健康评估技术导则》(SL/T 793—2020)的要求,采用分级指标评分法,逐级加权,对成县南河流域水文完整性进行了深入的研究,主要得出以下结论:水资源开发利用率为12.8%,赋分100分;生态流量满足程度赋分为80分;流量过程变异程度赋分86.8分。三项指标按照权重计算,最终得到南河河流“水文完整性”亚准则层健康指数为89.4分。

对比河湖健康评估分级表,确定南河水文完整性健康评估结论为:南河河流“水文完整性”亚准则层为健康状态,水资源开发利用率低,流量变异程度小,生态流量满足保障较好。

6.2 建议

建议促进南河流域治理体系和治理能力现代化,持续改善南河河流面貌,大力推进南河流域综合治理,强化各级政府在河湖规划管理和水资源统一调度、管理和综合执法等方面的职能。成县南河水文完整性评估结果为健康,需要通过小流域综合管理,尊重自然、顺应自然、保护自然的理念,处理好河湖管理保护与开发利用的关系,强化规划约束,促进河流休养生息、维护河流生态功能,逐步提高南河流域水文完整性健康水平。