馮夏清，李劍輝

(遼寧省水文局，沈陽(yáng) 110003)

河流是地球上重要的生態(tài)系統(tǒng)，是水體、營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)和泥沙的循環(huán)載體，也是哺育人類歷史文明的偉大搖籃。在大規(guī)模人類活動(dòng)和全球氣候變化雙重因素的作用下，河流生態(tài)系統(tǒng)出現(xiàn)了河道斷流、水質(zhì)惡化、含沙量大、生物多樣性受損以及重要或敏感水生生物消亡等一系列問題。協(xié)調(diào)好河流生態(tài)系統(tǒng)的開發(fā)利用與保護(hù)治理，保障河流生態(tài)系統(tǒng)健康，對(duì)流域或區(qū)域水安全、生態(tài)安全和社會(huì)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展等方面具有重要意義。

河道生態(tài)需水量是維持河流生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、功能和生態(tài)過程所需要的水量，是河流生態(tài)系統(tǒng)健康的基本保障，也是實(shí)現(xiàn)面向生態(tài)的水資源配置的關(guān)鍵[1,2]。為了維持河流生態(tài)系統(tǒng)的健康和滿足流域水資源可持續(xù)利用的需求，必須重視和滿足河道生態(tài)需水量。

1 研究區(qū)概況

渾河為遼寧省東部地區(qū)的較大河流，發(fā)源于撫順市清原縣長(zhǎng)白山支脈滾馬嶺，全長(zhǎng)415.4 km，流域面積11 481 km2。渾河干流代表性水文站有4個(gè)：北口前站、撫順站、沈陽(yáng)站和邢家窩棚站?？紤]到流域的地形地貌特點(diǎn)以及水文站點(diǎn)分布情況(見圖1)，以北口前和沈陽(yáng)水文站為分界點(diǎn)將干流劃分為上游、中游和下游3個(gè)區(qū)段，即：北口前以上為上游段，北口前至沈陽(yáng)為中游段，沈陽(yáng)以下為下游段。渾河上游主要為山區(qū)，山地海拔高程400～800 m；中游為低山丘陵區(qū)，地形較緩；下游為平原區(qū)。渾河干流水文特性表見表1。

渾河流域?qū)儆跍貛Т箨懶约撅L(fēng)氣候，夏季濕熱多雨，冬季嚴(yán)寒干燥，多年平均降水量為650～800 mm，降水主要集中在7、8月份，多年平均氣溫為5～9 ℃，最高氣溫出現(xiàn)在7月，最低氣溫在1月。1958年在渾河干流上修建了大伙房水庫(kù)。大伙房水庫(kù)主要為沈陽(yáng)、撫順2市提供工農(nóng)業(yè)和生活用水，同時(shí)流域內(nèi)還有鞍山、遼陽(yáng)等大型城市對(duì)水資源利用的需求較大，造成上游下泄流量顯著減少，中下游水資源供需矛盾日益突出，如何保障渾河中下游河道生態(tài)需水量已成為該流域亟待解決的問題。因此將大伙房水庫(kù)以下受流域水資源開發(fā)利用影響較大的中下游河段作為渾河河道生態(tài)需水量研究的重點(diǎn)區(qū)域。

圖1 渾河流域水系Fig.1 The water systems in the Hunhe River basin

站名控制面積/km2河長(zhǎng)/km比降/%)多年平均年徑流量/億m3年最大徑流量/億m3年最小徑流量/億m3北口前18321050.3655.0414.101.57撫順66881880.23015.9947.305.39沈陽(yáng)79442450.17915.8649.204.60邢家窩棚110903590.10419.7467.174.16

本文選取渾河中下游撫順、沈陽(yáng)和邢家窩棚水文站作為控制斷面，采用1956-2011年天然徑流量、1956-2014年斷面實(shí)測(cè)的流速和流量資料，采用月保證率法和魚類生境法計(jì)算不同等級(jí)的河道生態(tài)需水量，并采用Tennant法驗(yàn)證計(jì)算方法的合理性，為流域水資源合理配置提供科學(xué)依據(jù)。

2 渾河中下游河道生態(tài)需水量計(jì)算

2.1 月保證率法計(jì)算河道生態(tài)需水量

月保證率法[3]是針對(duì)我國(guó)北方河流所提出的方法，在傳統(tǒng)水文學(xué)方法的基礎(chǔ)上將月保證率與河道生態(tài)需水量等級(jí)相聯(lián)系。綜合考慮研究區(qū)域的氣候特征、徑流的年內(nèi)變化特征、河流形態(tài)等因素來確定各月保證率。

根據(jù)渾河中下游各水文站徑流量年內(nèi)分配情況(見圖2)，5-9月徑流量占年徑流總量的73%～85%，10月至次年4月徑流比例小。針對(duì)北方河流的特性，5-9月為魚類產(chǎn)卵育幼期，此階段對(duì)河道水量、流速有著特殊要求?？紤]上述情況，豐水期(5-9月)計(jì)算50%保證率天然流量、枯水期(10月至次年4月)計(jì)算75%保證率下的天然流量。在不同的月保證率天然流量確定基礎(chǔ)上，設(shè)定其20%、40%和60%分別為最小、適宜和理想生態(tài)需水量。當(dāng)月最小生態(tài)需水量占天然徑流量的比例小于10%時(shí)，以月天然徑流量的10%作為最小生態(tài)需水量[4]。

圖2 渾河中下游各水文站徑流量年內(nèi)分配比例Fig.2 Intra-annual distribution of streamflow at the stations in the middle and lower reaches of Hunhe River

基于月保證率法的渾河中下游各水文站河道生態(tài)需水量計(jì)算結(jié)果見表2。從表2中可以看出，豐水期5-9月各水文站各等級(jí)生態(tài)需水量占全年生態(tài)需水量的比例為82%～86%。從中游到下游，河道生態(tài)需水量逐漸增加。從增加的幅度來看，從中游到下游，理想生態(tài)需水量增加幅度最大，其次是適宜生態(tài)需水量，最小生態(tài)需水量增加幅度最小。

表2 基于月保證率法的渾河中下游河道生態(tài)需水量計(jì)算結(jié)果 億m3

2.2 魚類生境法

魚類生境法是陳敏建等[5]提出的一種針對(duì)河流生態(tài)系統(tǒng)典型物種的生存繁殖需求所確定的河流流量，是由水文測(cè)站控制斷面資料、流速流量關(guān)系以及典型物種產(chǎn)卵繁殖關(guān)鍵期所需要的水流條件共同計(jì)算確定的，此法注重水生生物生存繁殖的關(guān)鍵期和魚類生境需求。

渾河魚類資源豐富，據(jù)相關(guān)資料統(tǒng)計(jì)流域檢出魚類50余種，其中以鯉魚為主[6]，鯉魚一般是在5月上旬至6月上旬產(chǎn)卵。另外渾河流域還有一些洄游性魚類，其中以鱭魚為主，該魚種5月份溯水而上開始產(chǎn)卵繁殖。同時(shí)這一時(shí)期也是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)灌溉期，用水矛盾較為突出，因此選取5月作為關(guān)鍵期。

參考相關(guān)資料[7,8]，魚類產(chǎn)卵繁殖期水流流速范圍為0.2～0.6 m/s，據(jù)此設(shè)定不同等級(jí)的流速要求，利用建立的流速～流量關(guān)系方程計(jì)算關(guān)鍵期河道生態(tài)需水量，然后利用各月天然徑流量分配比例得到全年和各月的河道生態(tài)需水量。利用魚類生境法估算的渾河中下游河道生態(tài)需水量結(jié)果見表3。從表3中可以看出，從中游到下游，各控制斷面流量流速關(guān)系穩(wěn)定，河道生態(tài)需水量逐漸增加。

表3 基于魚類生境法渾河中下游河道生態(tài)需水量計(jì)算結(jié)果Tab.3 Results of EWRs at different sections in the middle and lower reaches of Hunhe River based on fish habitat method

3 計(jì)算結(jié)果分析

3.1 渾河中下游河道生態(tài)需水量的確定

為驗(yàn)證上述方法計(jì)算結(jié)果的合理性，采用Tennant法[4,9]計(jì)算河道生態(tài)需水量。在考慮渾河徑流年內(nèi)變化特征的基礎(chǔ)上，設(shè)定一般用水期(10月至次年4月)最小、適宜和理想等級(jí)的生態(tài)需水量依次為多年平均月天然徑流量的10%、20%和30%；魚類產(chǎn)卵育幼期(5-9月)相應(yīng)取20%、30%、40%。由不同計(jì)算方法成果對(duì)比情況(見表4)可知，2種方法計(jì)算結(jié)果與Tennant法的計(jì)算結(jié)果比較接近，差異度均小于25%，滿足合理性要求[10]。

由于最小生態(tài)需水量是維持河流健康的最小臨界值，因此最小生態(tài)需水量取2種方法的最大值；考慮到本流域水資源緊缺，短期內(nèi)三生用水矛盾仍然存在，需要平衡河流生態(tài)系統(tǒng)的生態(tài)功能與經(jīng)濟(jì)功能的發(fā)揮，所以適宜和理想生態(tài)需水量取2種方法的最小值。最終確定的最小生態(tài)需水量都是魚類生境法計(jì)算結(jié)果，說明魚類生境法計(jì)算的最小生態(tài)需水量對(duì)月保證率法計(jì)算成果有較好校正作用。

與本區(qū)域以往研究成果相比，邢家窩棚站最小生態(tài)需水量計(jì)算結(jié)果與張遠(yuǎn)等[11]的研究結(jié)果相似，相差0.77 億m3。

表4 基于不同計(jì)算方法的渾河中下游河道生態(tài)需水量計(jì)算結(jié)果比較Tab.4 Comparisons between the results of EWRs with different methods in the middle and lower reaches of Hunhe River

3.2 渾河中下游河道生態(tài)需水量特征分析

從中游到下游，各控制斷面生態(tài)需水量隨著徑流量的增加而增加。各控制斷面河道生態(tài)需水量年內(nèi)豐枯變化過程與天然徑流量變化過程相一致，其中5-9月河道生態(tài)需水量占全年生態(tài)需水量的比例在80%～85%，與各控制斷面天然徑流比例相近。渾河各控制斷面各等級(jí)生態(tài)需水量占各控制斷面多年平均天然徑流的14%～44%。

將各站各等級(jí)生態(tài)需水量計(jì)算結(jié)果與多年平均實(shí)測(cè)徑流量進(jìn)行對(duì)比分析(見圖3)，可以看出：各水文站多年平均徑流量可以滿足河道生態(tài)需水的要求，5-9月份在滿足河道生態(tài)需水量的前提下，剩余水量較多，可滿足河道外生態(tài)需水和水庫(kù)汛期蓄水的要求。

圖3 渾河中下游河道生態(tài)需水量與多年平均實(shí)測(cè)流量的比較Fig.3 Comparisons between EWRs and measured streamflow in the middle and lower reaches of Hunhe River

2015年渾河流域地表水資源總量為16.21 億m3，地表水供水量10.81 億m3，地表水資源開發(fā)利用率為67%，以控制面積占流域總面積97%的邢家窩棚站為代表，河道基本生態(tài)需水量占流域地表水資源總量的23%，在地表水資源開發(fā)利用量中的比例為35%，河道流量全年基本能夠滿足生態(tài)需水量的要求，但主要問題是枯水季節(jié)的部分時(shí)段河道流量難以滿足魚類生存需要，需要調(diào)整水庫(kù)調(diào)度方式和水庫(kù)下泄流量。

4 結(jié) 語(yǔ)

(1)采用月保證率法和魚類生境法計(jì)算渾河中下游河道生態(tài)需水量，并采用Tennant法對(duì)月保證率法和魚類生境法計(jì)算成果進(jìn)行合理性分析，得出月保證率法和魚類生境法計(jì)算成果合理，在河流健康保護(hù)中有應(yīng)用價(jià)值。

(2)確定渾河中下游各控制斷面最小、適宜和理想生態(tài)需水量，各控制斷面河道生態(tài)需水量年內(nèi)豐枯變化過程與天然徑流量變化過程相一致，各水文站多年平均徑流量可以滿足河道生態(tài)需水的要求，5-9月份在滿足河道生態(tài)需水量的前提下，可滿足河道外生態(tài)需水和水庫(kù)汛期蓄水的要求。

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