生态需水理论在金塔区供水工程中的应用

周晨晖

(塔城水利设计研究院有限公司,新疆 塔城 834700)

1 生态需水的内涵

1.1 生态需水的概念

由于生态需水的复杂性,目前并未形成统一的概念。在国内外现有的研究中,学者对生态需水的界定多达几十种。我国1990年的《中国水利百科全书》将生态需水定义为“改善水质、协调生态和美化环境等的水量”;由中国工程院组织43位院士和近300位院外专家参加完成的《21世纪中国可持续发展水资源战略研究》认为:广义的生态需水量,是指“维持全球生物地理生态系统水分平衡所需用的水,包括水热平衡、水沙平衡、水盐平衡等”;狭义的生态需水量,是指“为维护生态环境不再恶化并逐渐改善所需要消耗的水量”[1]。

1.2 生态需水的特性

1.2.1 时空特性

首先,生态需水具有时空变化的特征,不同时间和空间的生态需水具有差异。例如:生态需水在年内和年际之间有所变化,干旱区、湿地、湖泊、林地和绿洲等生态分区所需的生态水量也不相同。因此,在保证一定时间内的总生态需水量的同时,也要确保生态需水在不同区域之间分布的合理性。

1.2.2 质量共存特性

生态需水也是水资源,作为水资源应同时具备“质”、“量”特性,“质”、“量”缺一不可。近年来,随着人类活动的不断加剧,水环境质量逐渐下降,水质污染已成为目前急需解决的一大难题。因此,在保证生态需水总量得到满足的前提下,更要满足生态环境的水质的要求。

1.2.3 动态变化特性

生态需水的本质是维持某种生态系统平衡所需要的水量,如:满足微生物、植物、动物等生命体对水量的需求。然而,各类生命体的生物特征总在不断演替、动态变化,因此,动态变化是生态需水的一大显著特性。

1.2.4 特定目标特性

由于生态系统的功能具有多样性且系统内物种繁多,各物种对生态需水的要求各不相同。因此,生态需水规则的制定应针对某一特目标,在确定生态需水量之前,应当先确定生态保护目标。

1.2.5 阈值特性

生态需水具有一定的变动范围,在此变动范围内可使得生态系统基本功能不被破坏。因此,存在一个临界值,生态系统在临界值范围内时能够维持现状;当超越此临界值,系统的某些基本功能就会明显减弱,系统健康就会受到损害并趋于恶化甚至衰亡[2]。

2 国内外研究进展

2.1 国外研究进展

国外对生态需水的研究可追溯到20世纪40年代,美国鱼类和野生动物保护协会对河道内需水进行研究;20世纪60～70年代,研究者采用了河道内需水法来计算景观河流的需水量;同时探讨河道最小需水及其确定方法,并取得了初步性研究成果;在20世纪80年代初期,生态需水分配研究的雏形在国外形成,生态需水计算方法逐渐完善[3]。

国外早期的生态需水研究以满足河流的航运功能而进行;随着河流污染问题的加剧,国外学者开始对最小可接受需水进行研究;随着人类活动的加剧和水环境的恶化,河流生态系统结构和功能遭到破坏,为恢复河流生态系统功能,生态可接受流量范围的研究逐渐展开[4-5]。

2.2 国内研究进展

我国对生态需水的研究始于20世纪后期,研究者在引进国外生态需水计算方法的同时,结合国内实际,发展了诸多适用于国内地区的生态需水计算方法,取得了较大的进展。如:2005年,鲍卫锋等建立了不同标准下的生态需水分类体系,并以西北黄土高原地区延安市为例,详细计算了河道内及河道外生态需水;2007年,董福平等在分析不同级别的流量出现频率的基础上,提出了计算河流生态用水的方法[6-7]。上述方法为生态需水的准确计算及后续研究提供了思路。2012年,韩振华等构建了识别性生态需水计算模型,对闽江流域非汛期、鱼类产卵期、汛期3个时段的生态需水进行了计算,为其水资源和水环境的综合治理提供了参考[8]。从以上研究可看出,近年来生态径流量的研究正日趋成熟。

3 生态需水计算方法

目前,计算生态需水的方法主要有水文学法、水力学法、栖息地法和整体分析法。

3.1 水文学法

水文学方法计算生态需水时是基于某一频率的流量,该方法是我国计算生态径流量较为常用的方法,此方法计算简单,可使计算结果和水资源规划更好地结合,虽需要时间序列比较长的流量资料,但较易获得,因此常被运用于实际计算中。

3.2 水力学法

水力学方法计算生态需水时,首先需要收集现场数据,通过数据分析来建立流量与栖息地因子之间的相关关系,根据此相关关系来确定生态需水。该方法需要现场数据,需要较长的时间和较大的人力和物力,但该数据的测量较为简单,获取相对容易,也被学者运用于计算中。

3.3 栖息地法

栖息地法目前被认为是最可信的评价方法,该方法计算生态需水时,是基于某特定的物种对水力条件的要求,进来求得生态需水量。该方法遵循生物原则、一般以某种特定的生物为研究对象,可定量化地将生物资料和需水量进行结合,因此比起其他方法更可信。

3.4 整体分析法

该方法是从研究区生态环境整体出发,集中相关学科的专家小组意见,通过综合研究河道内流量、泥沙运输、河床形状与河岸带群落之间的关系确定流量的推荐值,并要求这个推荐值能够同时满足生物保护、栖息地维持、泥沙冲淤、污染控制和景观维持等整体生态功能[9]。

4 实例分析

4.1 工程概况

托里县庙尔沟镇金塔区供水工程位于托里县境内的柳树沟河上,是一座以城镇生活和工业用水为主,兼顾绿化用水的综合供水工程。供水工程由取水工程和输水工程两部分组成,取水工程为柳树沟渠首工程,输水工程为暗渠结合管道。

拟建渠首工程位于柳树沟河出山口处,坝址断面多年平均径流量为1190×104m3,年可取水量为417.7×104m3,引水流量0.28 m3/s,正常运行水位850.0m,20a一遇洪峰流量45.1 m3/s,设计洪水位851.01m,50a一遇洪峰流量60.6 m3/s,校核洪水位851.23m。

输水工程总长19.625km,设计流量为0.28～0.139m3/s。其中渠首至分水池段,全长7.23km,设计流量为0.28m3/s;分水池至水厂段,全长10.545km,设计流量为0.219～0.139m3/s;水厂至金塔区输水管道总长1.85km,设计流量为0.262m3/s。

托里县庙尔沟镇金塔区供水工程建成后可以保障柳树沟河下游庙尔沟镇金塔区、招金北疆矿业和庙尔沟镇金塔区周边绿化用水要求。

4.2 流域概况

柳树沟河发源于加依尔山东南坡,河流平、枯水期河水主要靠泉水及河道侧渗补给,汛期则由积雪融水和降水补给河流,河流流程长,沿途下渗、蒸发量较大,河流到下游出山口后水量逐渐减小。河流出山口以上区域,河流发育较显著,河道下切较深,岸边比较规则,宽度变化不大,河床较稳定,河道平均坡降19.6‰。出山口以下河段,河流切开山前洪积扇后流向南,最后散失于洪积扇缘潜水溢出带的沼泽、湿地。以拟建水源工程渠首处为控制断面,河长77km,集水面积1851km2。断面多年平均径流量为1080×104m3。

4.3 生态环境概况

加依尔山位于莫湖台洼地的南缘,最高点海拔2026m,山脉呈东北-西南走向,西南端与玛依勒山连接,东北端尖灭于铁木耳达门谷地,区域中部分布有许多山间封闭洼地。

海拔1500m以上区域,在整个流域内所占面积较小,由于地势高,西来水汽受阻易形成降水,年降水量200～300mm,夏季气候凉爽,牧草繁茂,是优良的夏牧场。山体阴坡和河谷内主要混生有云衫、柳树、白桦、苦杨等乔木和灌木混生林,另外在西南部的博依达斯怕依附近零星分布有小面积的灌木丛林。

海拔1500m以下至出山口低山丘陵区域,山体地势低,降水减少,气候干燥,风大,山体破碎,岩石裸露,风蚀地貌尤为明显。本区域主要为冬牧场和少部分春秋牧场,地表植被以蒿属和旱生灌木为主,呈干旱荒漠草原景观,只在山间沟谷生长有柳树、白桦、苦杨等乔木林。

出山口以下区域,地貌类型以平坦的冲积平原为主,本区域由于地势较低,加上准噶尔盆地地形的强烈影响,气候干旱,年降水偏少,风沙较大(处在风口地带)。由于该区域为谷地两侧山地河流汇集之地,水源补给充沛,地下水位高,分布有一定面积的沼泽、湿地,林草丰茂,是较好的冬牧场和打草场。植被主要由小乔木、梭梭灌木超旱生植物群落组成。

4.4 生态保护目标确定

加依尔山山顶平坦,夏季凉爽多雨,牧草繁茂,是优良的夏牧场;中山地带的上部土壤类型为山地栗钙土和灰色森林土,阴坡和河谷分布有云杉、白桦、柳树林;中低山带降水减少,土壤为棕钙土。地表植被以蒿属和旱生灌木类为主,山间沟谷生长有少量苦杨、柳树等乔木林。

由此可见,本工程所在区域内除云杉、白桦、柳树林、灌木类植被外,并无需要特殊保护的动物或水生物。因此,可确定生态保护目标为区域内的各类植物。

4.5 生态需水计算

4.5.1 计算方法

通过对比前述各种生态需水计算方法可知:

1)水文学法是的优点是不需要现场测定数据,简单快速。虽然未考虑生物需求和生物间的相互作用,但对于无特殊保护要求的生态环境系统较为适用。

2)水力学法包含了更多更为具体的河流信息,只需进行简单的现场测量,数据容易获得。但未能考虑河流中具体的物种不同生命阶段的需求;该方法主要适用于小型河流或者流量很小且相对稳定的河流、泥沙含量小,水环境污染不明显的河流,且推荐的流量是主要为了满足某些无脊椎动物以及特殊物种保护的需要。

3)栖息地方法生物学基础牢固,在水力学的基础上考虑了水量、流速、水质和水生物种等影响因素,比前两种方法更具灵活性,但需要投入相当多的时间、资金和专门技术,需要的生物资料常常难以获得。

4)综合法克服了栖息地法只针对一、二种指示生物的缺点,强调河流是一个生态系统整体,是目前最为合理的一种方法。但是该法需要的人力、物力是最大的,费用最高,数据最多,使其应用受到一定的限制。

本工程所在区域内保护目标为流域内的各类植被,并无需要特殊保护的动物或水生物,维持河道现状稳定需保证具有一定的生态基流,因此可采用水文学法计算生态需水。

4.5.2 生态需水计算

生态基流指维持水生生态系统稳定、基本功能不被破坏所需的最小水量,一般应大于或等于多年平均流量的10%。庙尔沟镇金塔区供水工程实施后,拟建渠首断面以下河段径流量将减少,为不影响下游河道生态环境,本次拟建渠首断面以下生态基流按以下原则下放:丰水期(4月～6月)按多年平均流量的30%、枯水期(7月～翌年3月)按多年平均流量的10%进行下放。渠首断面多年平均年月径流量统计表见表1。

表1 渠首断面多年平均年月径流量统计表

拟建渠首断面处多年平均年径流量为1212万m3,多年平均流量为0.532m3/s,则枯水期(7月～次年3月)生态基流≥0.0532m3/s,汛期(4～6月)生态基流≥0.160m3/s,各月生态基流计算成果表见表2;各月生态需水计算结果见表3。

表2 各月生态基流计算成果表

表3 各月生态需水量计算成果表

5 结 论

托里县庙尔沟镇金塔区供水工程位于托里县境内的柳树沟河上,由取水工程和输水工程两部分组成。该工程实施后,拟建渠首断面以下河段径流量将减少。为不影响下游河道生态环境,本次拟建渠首断面以下生态基流按以下原则下放:丰水期(4月～6月)按多年平均流量的30%、枯水期(7月～翌年3月)按多年平均流量的10%进行下放。拟建渠首断面处多年平均年径流量为1212万m3,多年平均流量为0.532m3/s,经计算,枯水期(7月～次年3月)生态基流≥0.0532m3/s,汛期(4～6月)生态基流≥0.160m3/s。通过采用水文学法对工程生态需水进行计算,可为工程建设和运行提供理论依据。