周 洋，周 強(qiáng)，李 玫

(1.成都大學(xué)建筑與土木工程學(xué)院，成都 610106；2.成都大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院，成都 610106)

0 引 言

極端氣候事件是對(duì)人類社會(huì)危害最為嚴(yán)重的自然災(zāi)害之一。近些年來，全球氣候變暖問題越來越突出，而且降水的年際變化也比較反常，從而導(dǎo)致極端天氣事件經(jīng)常發(fā)生。隨著人類活動(dòng)的干擾和社會(huì)經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，我國(guó)的水土流失和水質(zhì)惡化等問題也將越來越不可忽視。同時(shí)，我國(guó)水資源短缺的問題也越來越凸顯，其主要受氣候變暖影響所致，引起不同地區(qū)水資源量時(shí)間和空間分布的異常變化。受氣候變暖的影響，水生態(tài)環(huán)境問題有進(jìn)一步惡化的趨勢(shì)，大面積的自然災(zāi)害發(fā)生的頻率和強(qiáng)度也有進(jìn)一步增加的趨勢(shì)。因此，在極端干旱條件下，在充分利用水資源時(shí)，還要預(yù)留一定的生態(tài)需水。生態(tài)需水量研究的一個(gè)重要方面是河道的生態(tài)基流研究，因此保證極端干旱條件下的生態(tài)基流量，對(duì)維持所有物種的生存、保護(hù)、修復(fù)河流生態(tài)系統(tǒng)的完整性和生物多樣性具有重大的意義。促進(jìn)生態(tài)環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展，為子孫后代營(yíng)造一片藍(lán)天。

國(guó)外學(xué)者首先對(duì)美國(guó)西部地區(qū)建立了河流流量與生物的關(guān)系后，提出基于水文學(xué)的Montana[1]估算方法。奠定了河流生態(tài)需水的理論基礎(chǔ)。LEOPOLD L B[2]首先根據(jù)魚類產(chǎn)卵及繁殖需要的適宜流速，通過流量-斷面平均流速關(guān)系曲線確定斷面的適宜生態(tài)流量。我國(guó)有關(guān)生態(tài)需水方面的研究從20 世紀(jì)90 年代開始，參照國(guó)外的一些方法，形成了一套較為成熟的生態(tài)需水理論體系和計(jì)算方法。王西琴[3,4]以黃河最大的支流渭河為例，計(jì)算了渭河關(guān)中段4個(gè)斷面的河道最小環(huán)境需水量。采用月保證率法對(duì)黃河下游基本環(huán)境需水進(jìn)行了計(jì)算。倪晉仁[5]根據(jù)黃河1950年以來的徑流資料，從黃河河流系統(tǒng)的主要功能出發(fā)，給出了保證不同功能區(qū)的最小生態(tài)環(huán)境需水量，并且提出了河流生態(tài)用水量及其閾值確定的各項(xiàng)準(zhǔn)則。王雁林[6]探討了生態(tài)環(huán)境需水量的內(nèi)涵，并且提出了生態(tài)環(huán)境需水量的“內(nèi)部?jī)?yōu)先級(jí)”和“外部?jī)?yōu)先級(jí)”思想,分析了陜西省渭河流域生態(tài)環(huán)境需水量的界定范圍。趙欣勝[7]基于生態(tài)水文學(xué)方法計(jì)算了黃河流域典型濕地生態(tài)環(huán)境需水量。李嘉[8]首次提出了計(jì)算河道最小生態(tài)基流量的生態(tài)水力學(xué)法, 通過水生生物的適宜水力條件確定某河段最小生態(tài)需水量。陳敏建[9]從河流生態(tài)系統(tǒng)的本質(zhì)出發(fā), 提出了以滿足主要魚類生存環(huán)境來計(jì)算適宜生態(tài)流量。劉曉燕[10]等分析了河道內(nèi)魚類和鳥類生境以及近海水生生物繁衍生境的生態(tài)需水, 提出了對(duì)黃河入海水量及其流量過程的具體要求。

從目前已掌握的文獻(xiàn)來看，對(duì)生態(tài)基流的計(jì)算還缺乏對(duì)這種極端氣候事件下的計(jì)算和分析，與此同時(shí)全年都保證不變的生態(tài)基流會(huì)對(duì)河道生態(tài)環(huán)境造成影響，參考健康河流的狀態(tài)，生態(tài)基流還要有一定的維持時(shí)間，如若滿足不了，那么對(duì)河流生態(tài)環(huán)境的破壞將是不可逆的。即便采取任何生態(tài)修復(fù)手段，都無法恢復(fù)。本文以渭河寶雞段為例，采用水文學(xué)的Tennant法和最小日平均流量法以及水力學(xué)的濕周法分別對(duì)極端干旱年份(百年一遇)下渭河寶雞段的生態(tài)基流量進(jìn)行計(jì)算。對(duì)于季節(jié)性河流，這種極端干旱變化條件對(duì)生態(tài)基流的影響具有重要的意義，也為極端干旱年份的水資源的合理調(diào)配提供理論依據(jù)。開展本次研究，不僅有重要的科學(xué)價(jià)值，而且在水污染防治和生態(tài)環(huán)境保護(hù)等方面具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 健康河流生態(tài)效應(yīng)分析

通過對(duì)渭河上游林家村斷面大旱的1929年的逐日平均流量分析，從圖1中可以看出，河流流量的大小交錯(cuò)、交替出現(xiàn)。無論大流量還是小流量甚至斷流都只維系一定的時(shí)間段。而整個(gè)流量過程恰恰形成了河流的穩(wěn)定生態(tài)功能，包括小的細(xì)流乃至干涸斷流。小流量甚至干涸則對(duì)應(yīng)著生態(tài)位較高的物種可以存活下來，淘汰那些適應(yīng)能力差的生物物種。小流量沉積下的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)還可以為其他動(dòng)植物物種所利用。

1929年是有名的特大干旱年，在第224～239 d，最低流量為3.4 m3/s，此流量維持了10 d。在極端干旱年低流量維持的時(shí)間比較短暫。那么我們認(rèn)為在這樣干旱條件下河流是健康的，是可以參照，河流生態(tài)環(huán)境未受到破壞。

圖1 渭河林家村斷面1929年逐日平均流量Fig.1 Flow duration curve day by day in Weihe river of Linjiacun Section int he year of 1929

2 渭河寶雞段生態(tài)基流計(jì)算

目前計(jì)算生態(tài)基流的方法有水文學(xué)方法[11]、生境法[12]、整體分析方法和水力學(xué)方法[13,14]。本文采用水文學(xué)和水力學(xué)的濕周發(fā)分別進(jìn)行計(jì)算。

2.1 最小日平均流量

最小日平均流量法就是以河流最小月平均實(shí)測(cè)徑流量的多年平均值作為河流的基本生態(tài)環(huán)境需水量，計(jì)算公式為:

(1)

式中：W為河流基本生態(tài)需水量；Qij為第i年第j月的平均流量，m3/s；T為換算系數(shù)，其值為3 153.6 萬s；n為統(tǒng)計(jì)年數(shù)。最小日平均流量多年平均值法見公式(2)。

(2)

式中：Qm為第m月的河流生態(tài)基流量，m3/s；Qij為第m月第i年第j天的平均流量，m3/s。

2.2 Tennant法[1]

Tennant法將多年平均徑流的百分比作為基礎(chǔ)流量，此方法認(rèn)為多年平均徑流量的10%是維持河流生態(tài)系統(tǒng)健康的最小基礎(chǔ)流量。將此結(jié)果作為渭河寶雞段的生態(tài)基流量的參照。

2.3 濕周法

水力學(xué)中的濕周法一般僅適用于寬淺河道和拋物線形河道。其中渭河寶雞段林家村站的斷面形狀恰為拋物線形。濕周法計(jì)算的步驟是先繪制出河道斷面，然后根據(jù)斷面資料繪制水位與濕周的關(guān)系曲線，并運(yùn)用水文學(xué)中的水位流量關(guān)系曲線，最后綜合分析確定出濕周流量關(guān)系曲線。在濕周流量關(guān)系曲線中找出變化曲折的拐點(diǎn)，將此拐點(diǎn)的流量值作為維持河道內(nèi)生態(tài)需水的臨界流量值，本研究分析的基礎(chǔ)資料主要來源于1995 年實(shí)測(cè)水位流量歷史資料和實(shí)測(cè)大斷面資料, 在此基礎(chǔ)上計(jì)算渭河寶雞段最小生態(tài)流量。濕周-流量關(guān)系式為公式(3)。

(3)

式中：Q為河道流量，m3/s;A為過水面積，m2;P為濕周，m;S為水力坡度；n為粗糙系數(shù)。

按照濕周計(jì)算方法，林家村斷面的濕周流量關(guān)系曲線如圖2。

圖2 林家村斷面濕周-流量關(guān)系曲線Fig.2 Chart of relationship between wetted perimeter and flow in Linjiacun section

2.4 三種方法計(jì)算結(jié)果

以渭河寶雞段林家村斷面為例，采用水文學(xué)方法的最小日平均流量法、Tennant和水力學(xué)的濕周法分別進(jìn)行計(jì)算。通過水利年鑒和資料收集，發(fā)現(xiàn)1994-1997年陜西遭遇了歷史上罕見的特大干旱，關(guān)中大部分縣區(qū)全年僅降水300～400 mm, 比常年偏少40%～50%,1995年大旱類似于歷史上有名的1929年大旱。按照1994-1997年各水文站實(shí)測(cè)年徑流，按照同倍比縮小的原則，估計(jì)百年一遇的特大干旱年與1994-1997年的徑流比值，作為百年一遇的設(shè)計(jì)徑流值。計(jì)算結(jié)果如表1。

表1 不同方法的渭河寶雞段生態(tài)基流Tab.1 Ecological basic flow in Weihe river of Baoji Section is calculated by two different method

3 生態(tài)基流結(jié)果分析

按照表1中的生態(tài)基流計(jì)算結(jié)果，本研究最后以Tennant 法計(jì)算的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證，Tennant 法確定的最小生態(tài)流量是取多年平均徑流量的10%, 確定的數(shù)值可以作為一個(gè)參考值，認(rèn)為這個(gè)流量可以提供給河流一個(gè)最基本的水生生態(tài)環(huán)境，可以維持水生物種的最基本生存。最小日平均流量法的取值偏小，最后經(jīng)過分析，最小生態(tài)流量采用濕周法計(jì)算的數(shù)值是比較合理的,最后確定渭河林家村斷面的生態(tài)基流量應(yīng)為2.51 m3/s。占極端干旱年流量的11.6%。

這三種結(jié)果要求的是全年都保證這個(gè)最小的流量，由1929年干旱年的健康河流的逐日平均流量分析我們可以知道，干旱年最小流量維持的時(shí)間大約在10 d左右。全年都保證不變的生態(tài)基流會(huì)對(duì)生態(tài)環(huán)境造成影響。在河道中，如果由于人類的影響而使流量過低，或者干旱持續(xù)時(shí)間過長(zhǎng)，大量的個(gè)體將會(huì)死亡，進(jìn)而危害到某些物種的當(dāng)?shù)財(cái)?shù)量。破壞水生動(dòng)植物的棲息地。所以，無論生態(tài)基流采用那種計(jì)算方法給出，極端干旱年份的小流量維持的時(shí)間是有限制的，不能維持過長(zhǎng)。否則造成生態(tài)環(huán)境的破壞。另外極端干旱條件下，水資源的數(shù)量也是有限的，不必一直保持不變的生態(tài)基流量。

由以上分析，對(duì)極端干旱條件下的生態(tài)基流的考察要考慮自然因素，遵循自然的規(guī)律。本文最后參照健康河流的實(shí)際過程，確定渭河寶雞段枯水期的生態(tài)基流量維持的時(shí)間，最后生態(tài)基流量取2.51 m3/s,維持的時(shí)間為10 d。只有滿足這兩個(gè)條件，才能真正意義上保持極端干旱年份的河流的生態(tài)健康。

4 結(jié) 語

本文運(yùn)用濕周法、最小日平均流量和Tennant法對(duì)極端干旱條件下渭河寶雞段的生態(tài)基流進(jìn)行計(jì)算，參考渭河寶雞林家村斷面特大干旱年1929年的逐日流量分析，最終得到渭河寶雞林家村斷面的流量和維持的時(shí)間。對(duì)于季節(jié)性河流，計(jì)算極端干旱變化條件下的生態(tài)基流量具有重要的意義，可維持極端干旱條件下的河流生態(tài)健康，保證水資源的可持續(xù)發(fā)展和利用。也可為極端干旱年份的水資源的合理調(diào)配提供理論依據(jù)。在以后的研究中，要保證這樣的低水流量和持續(xù)的時(shí)間，在實(shí)際中如何控制也是個(gè)需要探討的問題。

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