王惠英 于魯冀 呂曉燕 范鵬宇
摘要:針對北方地區(qū)河流環(huán)境流量短缺和污染并存的現(xiàn)狀,在綜合考慮水質(zhì)保護與水量維持的情況下界定了河流環(huán)境流量的概念和內(nèi)涵,并探討不同功能目標(biāo)下河流環(huán)境流量的組成。通過分析河流水系特征及河段的空間結(jié)構(gòu)特征,建立了改善河流水質(zhì)所需環(huán)境流量計算模型,同時建立了Tennant和濕周模型計算河流生態(tài)系統(tǒng)所需環(huán)境流量。利用臨潁高村橋的水文水質(zhì)數(shù)據(jù),對清溟河為改善河流水質(zhì)和生態(tài)系統(tǒng)所需環(huán)境流量進行了初步評價,為河流應(yīng)急補水提供了調(diào)控建議,并提出了河道應(yīng)常年保持的流量水平。
關(guān)鍵詞:環(huán)境流量;水質(zhì)水量平衡模型;Tennant法;濕周法;清溟河
中圖分類號:O647.3;X783 文獻標(biāo)識碼:A 文章編號:1672-1683(2017)02-0109-07
流量作為河流最重要的因子之一,是保證河流環(huán)境功能和生態(tài)功能正常發(fā)揮的必備條件。世界自然保護聯(lián)盟將環(huán)境流量定義為“在用水矛盾突出、且用水量可以進行調(diào)度的河流、濕地和沿海區(qū)域,為維持其正常生態(tài)系統(tǒng)及功能所擁有的水量”。國外其他學(xué)者針對環(huán)境流量也進行了定義,也為維持河流生態(tài)健康所需的流量。近10年來,我國學(xué)者結(jié)合我國河流面臨流量短缺和水質(zhì)污染的雙重威脅的實際情況,界定了適用于我國河流的環(huán)境流量內(nèi)涵及組成。其中王西琴等對環(huán)境流量的概念界定的較早,其認(rèn)為環(huán)境流量具有更廣的內(nèi)涵:如滿足白凈功能需求的水量一環(huán)境需水,滿足河道水沙平衡的水量—輸沙需水,滿足生態(tài)系統(tǒng)最低需求的水量—基本生態(tài)需水等。圍繞環(huán)境流量的計算,近年來也有許多研究成果,主要分為兩大類別,一類是基于水質(zhì)水量平衡模型計算為改善河流水質(zhì)所需的環(huán)境流量,一類是生態(tài)需水量相關(guān)計算研究。水質(zhì)水量平衡模型主要通過模型的構(gòu)建,可定量評價生態(tài)補水或不同調(diào)水情景對水質(zhì)的變化。國內(nèi)生態(tài)需水量計算常采用方法有水文學(xué)法(如改進Tennant法、月保證率法)、水力學(xué)法(濕周法和生態(tài)水力學(xué)法)、棲息地模擬法、整體法等。不同河流環(huán)境流量需求不同其適合的計算方法也不同。
本文在分析北方河流環(huán)境流量概念和內(nèi)涵的基礎(chǔ)上,探討不同功能目標(biāo)下環(huán)境流量的組成;結(jié)合北方河流缺水的特征,充分考慮二元水循環(huán)條件下,建立水質(zhì)水量平衡模型,開展為改善河流水質(zhì)所需環(huán)境流量的計算;同時以清溟河為例,采用不同計算方法計算河流生態(tài)系統(tǒng)所需環(huán)境流量,初步確定清溟河環(huán)境流量閾值。
1環(huán)境流量概念與組成界定
1.1環(huán)境流量概念與內(nèi)涵
國內(nèi)外目前對于環(huán)境流量概念與內(nèi)涵沒有統(tǒng)一認(rèn)知,國外主要是指為維持河流生態(tài)系統(tǒng)健康所需的流量,而國內(nèi)存在水質(zhì)污染嚴(yán)重與生態(tài)系統(tǒng)亟需恢復(fù)的雙重問題,多指維持河流生態(tài)環(huán)境功能正常發(fā)揮的流量。
本文認(rèn)為環(huán)境流量是指在特定的區(qū)域、流域內(nèi),在相應(yīng)的生態(tài)保護、恢復(fù)或建設(shè)目標(biāo)下,某一時段能夠滿足河流系統(tǒng)生態(tài)環(huán)境功能所需流量。一方面,河流環(huán)境流量可以隨時間和空間變化,表現(xiàn)出動態(tài)變化的特征;另一方面,河流環(huán)境流量具有協(xié)調(diào)河流各項基本功能的內(nèi)涵,表現(xiàn)出在特定時空單元內(nèi)最大限度地滿足河流主要功能的優(yōu)先選擇性。
1.2環(huán)境流量組成界定
環(huán)境流量組成界定需以河流功能分析為基礎(chǔ),其中水環(huán)境功能區(qū)劃和水功能區(qū)劃中均涉及對河流功能的界定。水環(huán)境功能區(qū)劃管理目標(biāo)中只考慮了水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn),并以水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)來界定該水質(zhì)控制區(qū)的水域功能,與河流實際使用功能存在一定偏差,而水功能區(qū)劃是按相應(yīng)水域的主導(dǎo)功能來劃定,并考慮了水資源的合理開發(fā)和有效保護,因此本文以河南省轄河流為對象,主要依據(jù)《河南省水環(huán)境功能區(qū)劃》和《河南省水功能區(qū)劃》來分析河流功能。
結(jié)合河流功能界定結(jié)果及廣義環(huán)境流量的概念及內(nèi)涵,不考慮河流社會功能所對應(yīng)的水利流量,河南省轄河流環(huán)境流量主要由維持水生生物棲息、稀釋自凈、景觀娛樂、防止泥沙淤積、地下水位和蒸發(fā)6項流量組成。
2環(huán)境流量計算模型構(gòu)建
2.1水質(zhì)水量平衡模型的構(gòu)建
基于二元水循環(huán)的思想,將工業(yè)/生活排水等回歸水作為河道內(nèi)流量一部分的前提下,建立了測算環(huán)境流量的水質(zhì)水量平衡模型。
(1)模型具體構(gòu)建思路。
水箱模型:在研究河段入河節(jié)點的實測徑流的基礎(chǔ)上,統(tǒng)計分析該河流或河段的降雨徑流、排水、取水和調(diào)水等水量的輸入、輸出,建立水量平衡;
一維水質(zhì)模型:在水量平衡基礎(chǔ)上,考慮輸入、輸出污染物的衰減與降解,并采用一維水質(zhì)模型模擬計算污染源變化引起的水質(zhì)變化結(jié)果,并建立污染物通量平衡。
根據(jù)河流或河段不同階段水質(zhì)目標(biāo)要求,基于通過。建立水量水質(zhì)平衡模型,測算分析保障河流水質(zhì)達標(biāo)所需的水量。河段水質(zhì)水量平衡模型示意圖見圖1。
其中圖1中Q為輸入輸出水量,P為輸入輸出污染物總量。
(2)模型計算參數(shù)的確定。
主要針對該模型中的降雨徑流Q6和自凈削減量P凈中的綜合衰減系數(shù)k進行說明。其他參數(shù)可根據(jù)掌握的2014年的流量及水質(zhì)數(shù)據(jù)進行確定。
降雨徑流Q6
河道徑流量的計算方法主要有等值線圖法、水位比擬法、徑流系數(shù)法、水文勘察法和經(jīng)驗公式法本文中河段內(nèi)的徑流量的推算采用徑流系數(shù)法。
徑流系數(shù)法是指當(dāng)小流域或附近有年降雨量資料時,且降雨與徑流產(chǎn)生密切關(guān)系時,可利用多年平均降雨量與徑流量之間的關(guān)系計算徑流量即利用年降雨量的平均值與徑流系數(shù)推求多年平均徑流量,計算公式為:
W=1000×C×P×F (1)式中:W為年徑流量(m3);C為該地區(qū)徑流系數(shù),與研究區(qū)域植被、地形、地質(zhì)、主河道長度等因素有關(guān),可通過公式C=R/P計算徑流系數(shù);P為多年平均降雨量(1982年-2012水文站點數(shù)據(jù))(mm);R為多年平均徑流深(1982年-2012水文站點數(shù)據(jù))(mm);F為控制河段流域面積(km2)。
綜合削減系數(shù)k
針對區(qū)段內(nèi)水量不平衡,需要首先進行水量平筑在水量平衡中以斷面實測值為準(zhǔn)可增加平衡水量(△Q),其值等于上斷面流量與區(qū)段內(nèi)匯入水量和下斷面流量之差。因此,本文確定的k值的綜合削減系數(shù)為計算公式為:
(2)
2.2Tennant法計算模型
Tennant法屬于水文學(xué)方法的一種,其所需數(shù)據(jù)為某斷面在人工干擾較少時期,自然狀態(tài)下近40年左右的逐月實測流量數(shù)據(jù)。特殊情況下,若河道長期人工干擾嚴(yán)重,自然狀態(tài)下的流量數(shù)據(jù)年份不足,此時可采用自然狀態(tài)下近10年左右的流量數(shù)據(jù)。
根據(jù)我國的北方河流的實際需水特點,對于Tennant方法的水期劃分要進行改進。在我國北方內(nèi)陸河流中4月-6月為河流魚類產(chǎn)卵和各類植物復(fù)蘇生長的高峰期;7月-10月為傳統(tǒng)意義上的雨季,降水豐沛,河道水量明顯增加,流量變大;11月一次年3月降水較少,河道水量較小,受溫度影響,有些河段甚至出現(xiàn)結(jié)冰現(xiàn)象,河流的水生動植物進入冬眠期,生態(tài)需水量相對較小。因此,將河流生態(tài)需水按季節(jié)劃分為三個時段能更好地反映河流實際的來水過程。依據(jù)Tennant法的環(huán)境流量標(biāo)準(zhǔn)確定三個用水期的環(huán)境流量標(biāo)準(zhǔn)見表1。
2.3濕周法計算模型
濕周法是以濕周作為衡量棲息地質(zhì)量的指標(biāo),來估算河道內(nèi)流量最小值的方法。它根據(jù)河道的水力特性參數(shù),如濕周、水力半徑、平均水深等,由實測的河道斷面濕周與斷面流量之間的對應(yīng)關(guān)系,繪制濕周流量關(guān)系曲線,該曲線上的突變點對應(yīng)的流量值即為河道最小生態(tài)流量。本文采用濕周法中的斜率法對清溟河環(huán)境流量進行計算。
(1)建立濕周-流量關(guān)系。
依據(jù)典型性、穩(wěn)定性和實用性的原則選擇河道斷面,結(jié)合斷面的形態(tài)依據(jù)表2來建立濕周-流量關(guān)系,并進行曲線擬合。
(2)確定臨界點。
取濕周-流量關(guān)系曲線上斜率為1的點為臨界點,對函數(shù)p(q)求導(dǎo),使dp/dp=1成立,即可算出最小生態(tài)流量q。
3清溟河環(huán)境流量計算結(jié)果分析
清溟河屬淮河流域沙潁河水系,發(fā)源于新鄭市,流經(jīng)長葛市、許昌縣、魏都區(qū)(許昌市區(qū))、臨潁縣、鄢陵等縣(市、區(qū)),至鄢陵縣陶城閘下匯入潁河,全長149 km,流域面積2 362 km2。流域水系圖見圖2。
3.1基于水質(zhì)水量平衡模型計算結(jié)果分析
清溟河省控臨潁高村橋斷面的“十二五”省政府責(zé)任目標(biāo)、消除劣V類水體目標(biāo)和水環(huán)境功能區(qū)劃水質(zhì)目標(biāo)具體目標(biāo)值見表3。
結(jié)合上述水質(zhì)目標(biāo)要求,以2014年水質(zhì)及流量數(shù)據(jù)為基準(zhǔn),不同的水質(zhì)要求設(shè)定不同的計算條件,開展環(huán)境流量計算,具體計算條件如下:
(1)“十二五”省政府責(zé)任目標(biāo)測算條件:考慮2014年流域規(guī)劃、碧水工程計劃中相關(guān)治污工程已建成、碧水工程計劃中相關(guān)治污工程已建成,上述工程2015年正常運行。
(21消除劣V類水體目標(biāo):入河工業(yè)點源、集中污水處理廠有地方流域標(biāo)準(zhǔn)的按標(biāo)準(zhǔn)要求的排放濃度達標(biāo)排放計算,無流域標(biāo)準(zhǔn)的工業(yè)點源按《污水綜合排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB 8978-1996)一級標(biāo)準(zhǔn)(COD≤100mg/L、氨氮≤15 mg/L)達標(biāo)排放計算,集中污水處理廠按《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB 18918-2002)一級A標(biāo)準(zhǔn)(COD≤50 mg/L、氨氮≤5mg/L、生活污水處理率≥85%)達標(biāo)排放計算。
(3)水環(huán)境功能區(qū)劃水質(zhì)目標(biāo):入河工業(yè)點源執(zhí)行COD≤50 mg/L、氨氮≤5 mg/L,集中污水處理廠執(zhí)行COD≤40 mg,L、氨氮≤3 mg/L。
依據(jù)上述計算條件,2014年清溟河現(xiàn)狀年平均流量為2 03 m3/s,為實現(xiàn)不同水質(zhì)目標(biāo),清溟河高村橋斷面處所需新增環(huán)境流量見表4。
由于實現(xiàn)三種水質(zhì)目標(biāo)所需環(huán)境流量的計算條件與目標(biāo)值均不同,所以計算結(jié)果不能相互比較,但可以看出通過工業(yè)點源和集中污水處理廠的進一步提標(biāo),可以減少為實現(xiàn)水質(zhì)目標(biāo)所需的新增流量。
3.2基于Tennant模型計算結(jié)果分析
依據(jù)清溟河三里橋水文站1958年-1970年的流量數(shù)據(jù),采用Tennant法計算清溟河生態(tài)系統(tǒng)所需的環(huán)境流量見表5。
Tennant法計算所得清溟河生態(tài)系統(tǒng)所需的環(huán)境流量適宜范圍采用“好”級別的流量范圍,為0.16-1.67 m3/s,其中豐水期適宜流量范圍為0.75-1.67 m3/s、平水期0.16~0.37 m3/s、枯水期0.16-0.49 m3/s。適宜的流量過程見圖3,從枯水期到豐水期所需的流量有呈驟然增加的變化趨勢,平水期和枯水期則變化不大。
3.3基于濕周模型計算結(jié)果分析
(1)典型年的選取。
根據(jù)清溟河三里橋站1958年-1970年歷年流量數(shù)據(jù)進行水文頻率計算,選取頻率P=25%、P=50%和P=75%所對應(yīng)的年份作為豐水年、平水年和枯水年的典型年。三里橋站水文頻率和典型年計算結(jié)果見表6。
(2)斷面特征。
因清溟河三里橋水文站無實測斷面資料,使用2009年清溟河河道治理工程設(shè)計斷面圖作為研究斷面(圖4),斷面為梯形的硬質(zhì)化河道,底寬6=15m,邊坡系數(shù)m=0.833。
(3)計算結(jié)果。
根據(jù)梯形斷面流量和濕周關(guān)系公式(表2),計算各典型年各月平均流量對應(yīng)的濕周,并進行曲線擬合,不同水平年的流量濕周關(guān)系曲線見圖5。
采用斜率法確定臨界點,得出各典型年環(huán)境流量為:Q(P=25%)=q,Qm=1.05 m3/s,Q(P=25%)=0.03 m3/s,Q(P=25%)=0.01 m3/s。為了驗證該方法計算結(jié)果是否符合實際情況,將濕周法計算結(jié)果與Tennant法計算結(jié)果進行對比分析,見表7。
由表7可知,濕周法計算清溟河三里橋斷面P=25%豐水年河道內(nèi)環(huán)境流量超出Tennant法所設(shè)定魚類產(chǎn)卵育幼期和一般用水期中適宜環(huán)境流量,而P=50%平水年和P=75%枯水年環(huán)境流量遠遠小于Tennant法所設(shè)定魚類產(chǎn)卵育幼期和一般用水期中最小環(huán)境流量,其中豐水年(1963年)生態(tài)水力學(xué)法計算環(huán)境流量結(jié)果為Tennant法設(shè)定的魚類產(chǎn)卵育幼期適宜環(huán)境流量的129.6%,得到了Tennant法的驗證,而平水年和枯水年的環(huán)境流量計算結(jié)果不能采用。造成這一結(jié)果的原因可能為清溟河三里橋水文站流量數(shù)據(jù)序列只有14年,且其中枯水年比例較高,導(dǎo)致經(jīng)驗頻率計算結(jié)果不能很好地反映三里橋站真實的水文頻率。本文采用豐水年計算結(jié)果即環(huán)境流量為1.05m3/s。
3.4環(huán)境流量計算結(jié)果整體分析
(1)河道應(yīng)保障的常態(tài)環(huán)境流量。
濕周法計算得出的結(jié)果為1.05 m3/s,是全年的平均流量,沒有分不同水期和月份計算,而Ten-nant法計算所得為每個月份的較適宜的流量,由Tennant法計算的“好”級別的流量值可以看出,只有7月、8月的流量大于濕周法所計算流量,其他月份均小于濕周法計算流量。為最大程度地保障河流生態(tài)系統(tǒng)所需流量,7月、8月份采用Tennant法計算值,其他月份均采用濕周法計算值,則清溟河河道應(yīng)保障的常態(tài)環(huán)境流量計算結(jié)果見表8。
(2)河道改善水質(zhì)所需應(yīng)急補水。
根據(jù)實現(xiàn)不同水質(zhì)目標(biāo)所需環(huán)境流量計算結(jié)果,實現(xiàn)“十二五”省政府責(zé)任目標(biāo)是最為迫切的,需新增環(huán)境流量為1.5 m3/s;而消除劣V類水體目標(biāo)和水環(huán)境功能區(qū)劃水質(zhì)目標(biāo)是假設(shè)進一步提標(biāo)排污條件下,遠期才能實現(xiàn)。因此,近期清溟河河道改善水質(zhì)所需的環(huán)境流量為1.5 m3/s。
4結(jié)論
(1)環(huán)境流量是能夠滿足河流系統(tǒng)生態(tài)環(huán)境功能所需流量,應(yīng)結(jié)合河流功能特點界定環(huán)境流量的組成并選擇適用的計算方法。
(2)本研究考慮“取、用、耗、排”社會水循環(huán)及降雨、蒸發(fā)等自然水循環(huán)建立水質(zhì)水量平衡模型,清溟河為實現(xiàn)“十二五”省政府責(zé)任目標(biāo)、消除劣V類水體目標(biāo)和水環(huán)境功能區(qū)劃水質(zhì)目標(biāo)分別需要的環(huán)境流量為1.5 m3/s、0.6 m3/s、0.42 m3/s,作為應(yīng)急補水時環(huán)境流量調(diào)控的參考值。
(3)本研究采用Termant法所計算的環(huán)境流量為0.16~1.67 m3/s、濕周法計算結(jié)果為1.05 m3/s。
(4)經(jīng)分析,本研究建議清溟河不同月份保障環(huán)境流量值不同:1月-6月份1.05 m3/s、7月份1.67 m3/s、8月份1.42 m3/s。