趙海波

(遼寧省白石水庫管理局有限責任公司，遼寧 朝陽 122000)

水系統(tǒng)循環(huán)為實現(xiàn)能量、物質(zhì)循環(huán)的基礎，并深刻影響著生態(tài)系統(tǒng)功能和結(jié)構(gòu)，維持區(qū)域水資源可持續(xù)發(fā)展離不開良好的水生態(tài)環(huán)境。2010年，中國正式發(fā)布了首部有關生態(tài)需水方面的標準《河湖生態(tài)需水評估導則(試行)》。近年來，為保護河流的生態(tài)健康以及促進水資源合理開發(fā)，對水生態(tài)修復和生態(tài)需水量的研究不斷加強[1]，國內(nèi)外研究熱點逐漸轉(zhuǎn)向河流生態(tài)需水的計算方法。

目前，總體上分為棲息地法、整體分析法、水力學法和標準流量法4大類河道生態(tài)需水量計算方法[2]。其中，應用最為廣泛的方法以標準流量法為主，可對河流的生態(tài)流量依據(jù)歷史水位數(shù)據(jù)來計算，主要有河流基本生態(tài)環(huán)境需水量法、年內(nèi)展布計算法、Texas法、7Q10法、Tennant法、可變范圍法、逐月頻率法及水生物基流法等。近年來，根據(jù)不同區(qū)域的特征國內(nèi)學者提出了各自領域的改進方法，如夏自強等[9]以北方中小型河流為例，提出年內(nèi)和年際變化較為劇烈的河流豐、平、枯水期適宜生態(tài)流量，即不同保證率下的流量；吳國燕等[3]對Tennant法的非汛期、汛期河道環(huán)境需水量依據(jù)灌區(qū)河道水文特征周期加以修正；黃強等[4]在黃河干流生態(tài)需水量計算時引入環(huán)境比降參數(shù)；韓會玲等[5]依據(jù)相關資料，以實際案例驗證了季節(jié)修正系數(shù)的有效性；劉昌明等[6]修正了南水北調(diào)西線河流的魚類產(chǎn)卵幼期，在此基礎上探究了河道生態(tài)需水計算方法。本研究對自然因素和社會條件影響下的河流生態(tài)流量利用較為實用的5種水文學分析法計算[7]，并對計算結(jié)果利用生態(tài)環(huán)境標準等級加以評估。

1 河道生態(tài)需水量計算方法

1)中位數(shù)法。從高到低將有限數(shù)集中所有的觀測值排序后，可以確定中位數(shù)為正中間的數(shù)值，若存在偶數(shù)個觀測值則中位數(shù)取兩個中間數(shù)的均值。其中，觀測值樣本容量為影響中位數(shù)的關鍵因素，而極小或極大觀測值對其影響較弱，通過增強數(shù)列代表性可提高其準確度。最后，從小到大按月序列排列多年逐月天然流量，則該月生態(tài)流量值即為月序列的中位數(shù)值。

(1)

式中：qij為第j年第i個月的月均流量，m3/s；i=1，2，…，12；j=1，2，…，40。

3)7Q10法。最小生態(tài)流量值等于連續(xù)7d最枯的90%保證率日平均流量，7Q10法最早用于污水處理長，而對生態(tài)需水量的評估計算應用較少。1970s我國引入該方法，并演變成河流最小生態(tài)流量值等于90%保證率最枯月平均流量或近10a最枯月平均流量。

4)逐月頻率計算法。多年逐月天然流量系列考慮研究區(qū)域水文資料而設立，以枯、平、豐三個系列組成全年12個月序列，并設定枯水序列(90%)、平水系列(75%)和豐水系列(50%)的不同保證率，河流各月最小生態(tài)流量即為保證率所對應的流量。

5)Tennant法。該方法計算的河流生態(tài)需水推薦值等于預先確定的年天然徑流百分比，所以屬于一種標準設定的非現(xiàn)場測定法。將河道生態(tài)環(huán)境狀況劃分為沖刷或最大、最佳范圍、極好、非常好、好、中、差、極差8個等級，并考慮水生生物生育期分為魚類產(chǎn)卵育幼期(4-9月)和一般用水期(10月-次年3月)兩個時間段。不同生態(tài)環(huán)境狀況的流量百分比，見表1。

表1 不同生態(tài)環(huán)境狀況的流量百分比

Tennant法具有操作方便、使用簡單的優(yōu)點，明確水生生物-流量關系后所需數(shù)據(jù)較少，對于缺乏生態(tài)資料的地區(qū)具有較強適用性。然而，實際應用時該方法也存在一定局限：未考慮多泥沙、季節(jié)性明顯、流量變化大的河流特征，以及幾何形態(tài)顯著影響流量等因素。該方法是在詳細勘察11條典型河流的基礎上，運用58個斷面分析水生生物受38個不同流量下生物、化學、物理信息的影響，并由Tennant等人設定的方法，對于社會屬性和自然屬性獨特的河流不能直接應用。

2 大凌河生態(tài)流量的計算

2.1 流域概況

大凌河古稱“渝水”，地處遼西低山丘陵區(qū)也是遼西最大的河流，全長397.0km，流域面積2.35萬km2，主脈沿西南—東北向流經(jīng)朝陽、北票、義縣、錦縣等地區(qū)后匯入渤海。流域內(nèi)屬溫帶季風氣候，年均氣溫8.0-9.0℃，年均降水量500mm，受季風氣候影響全年70-80%降水集中于6-9月，年際降水量存在明顯差異，降水量豐、枯比最高可達3倍。河流水源補給以地下水、大氣降水為主，年際徑流量變化較大，徑流豐、枯比最高達10倍，年蒸散發(fā)1700mm，每年的1—5月為蒸發(fā)量最大、最小時段，。

流域范圍內(nèi)以山丘為主，極少數(shù)為平原，自西北向東南地勢從山地、丘陵過渡到山前傾斜平原至渤海西岸，地形起伏波動明顯，海拔為400-1200m。研究區(qū)地形破碎、地質(zhì)發(fā)育良好，溝壑分布以土石質(zhì)“V”型為主，土壤類別多褐土，土層較薄、有機質(zhì)含量低且土質(zhì)疏松。以林業(yè)和農(nóng)業(yè)用地為主，流域內(nèi)發(fā)現(xiàn)點源、非點源污染，并且大型工礦企業(yè)較少，由于化肥施用量高、農(nóng)業(yè)較為發(fā)達其水體環(huán)境以非點源污染為主。水中生物受湖泊富營養(yǎng)化的影響較大，鳙魚、草魚、鰱魚、鯽魚等大型魚類數(shù)量不斷減少，每年的4-5月為其繁育期；小型經(jīng)濟魚類(如湖鱭)約占總產(chǎn)量的80%，其優(yōu)勢明顯，繁殖期為每年6-7月。

2.2 生態(tài)流量計算

文章利用大凌河干流朝陽水文站1980-2018年天然徑流資料計算河道內(nèi)生態(tài)需水量，考慮河流受到水生生物、經(jīng)濟社會、生產(chǎn)生活、降雨蒸發(fā)等因素影響，將一年周期劃分為枯水期(10月-次年次月)、豐水期(5-9月)兩個時間段。對大凌河年內(nèi)展布法、近10a最小月平均流量法、逐月頻率法、Tennant法、中位數(shù)法計算，生態(tài)流量計算值，見表2；并對計算結(jié)果利用生態(tài)環(huán)境標準等級評價，生態(tài)環(huán)境評價等級，見表3。

表2 生態(tài)流量計算值 m3/s

表3 生態(tài)環(huán)境評價等級

2.3 結(jié)果與分析

1)通過對比可知，年內(nèi)展布法和近10a最小月平均流量法(7Q10法)的非汛期評價結(jié)果均為極差等級，生態(tài)需水量計算整體偏小，較小的汛期徑流降低了河床輸沙能力，對河流納污造成不利作用。對于年內(nèi)豐、枯特性變化明顯的河流預先設定流量標準的Tennant法不適用，即流域降雨強度較大且降水時間比較集中，年內(nèi)流量分配具有較大差異，利用該方法計算的汛期生態(tài)需水量明顯偏小。運用逐月頻率法計算的流量結(jié)果維護了年內(nèi)分布的河流徑流完整性，對于季節(jié)性變化明顯的河流具有較強的表征能力；較大的汛期流量有利于河流納污、養(yǎng)分輸送，并且漲水可以擴展產(chǎn)卵水域，可對鱭魚產(chǎn)卵和生長創(chuàng)造有利條件。中位數(shù)法有效解決了極端值對平均值產(chǎn)生影響的問題，顯著提升生態(tài)需水量閾值計算的可靠度與精準度。

2)將河流生態(tài)需水量利用逐月頻率法計算時，年內(nèi)各個時期不適用統(tǒng)一的保證率，其原因為河流的社會功能屬性和自然屬性在年內(nèi)不同時期內(nèi)有所差異。因此，年內(nèi)各個時期的生態(tài)需水量應根據(jù)河流在雙重因素影響下(人類活動和自然界)，可以發(fā)揮其良好功能并呈現(xiàn)基本健康狀態(tài)情況來確定。

3)深入對比不同方法的標準流量，可采用多年同期平均流量的40%-60%、65%-75%計算河道枯水期(10月-次年4月)和豐水期(5-9月)生態(tài)需水量。大凌河年內(nèi)逐月最小生態(tài)流量，見表4。

表4 大凌河年內(nèi)逐月最小生態(tài)流量

3 結(jié) 論

1)硝態(tài)氮、氨氮、總磷等非點源污染為大凌河的主要污染物，并且非點源污染輸出受降雨徑流影響顯著，該過程屬于一個不斷積累或沖刷的過程?？紤]污染物影響計算的河道生態(tài)需水量，可以在滿足水體自凈要求的同時防止下游受長期污染物積累而產(chǎn)生高負荷現(xiàn)象。

2)大凌河魚類繁殖的高峰期以每年4-7月為主，最小生態(tài)流量(表4)在該時段所對應的水位可以淹沒沿岸旱草、淺灘，增加水域面積為魚類產(chǎn)卵創(chuàng)造有利條件，并且高流量提供充足的事物以滿足幼魚生長需要。采用同期均值比進行評價以及對生態(tài)需水量利用逐月頻率法計算，可以充分反映大凌河年內(nèi)徑流分配差異大、汛期流量大、時間長等特點，該方法具有較強適用性。

3)河流生態(tài)功能涉及灌溉、發(fā)電、涵養(yǎng)水源、航運、娛樂景觀、地下水補給、稀釋自凈、輸沙、排鹽、維持水生物棲息地等，河流生態(tài)需水量因功能屬性的不同而存在一定差異。