劉勝男

(遼寧省遼陽(yáng)水文局，遼寧 遼陽(yáng) 111000)

0 引 言

河流屬于維持生態(tài)平衡不可或缺的重要部分，科學(xué)合理的計(jì)算河道生態(tài)需水是合理配置流域水資源以及修復(fù)改善河流生態(tài)的主要依據(jù)。河道生態(tài)需水是指河道維持特定生態(tài)功能、水文過(guò)程、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)所需要的水量，即河流系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)其生態(tài)保護(hù)目標(biāo)的需水量[1]。早期，國(guó)內(nèi)外學(xué)者主要從河道枯水流量的角度開(kāi)展生態(tài)需水量的研究，經(jīng)過(guò)年研究已形成整體分析法、棲息地評(píng)價(jià)法、水力學(xué)法、水文學(xué)法等比較成熟的生態(tài)需水估算方法。

水文學(xué)法屬于一種統(tǒng)計(jì)方法，其計(jì)算基本生態(tài)需水量的依據(jù)為河道的徑流資料，較為常用的有NGPRP法、Texasperate法、7Q10法、Tennant法等[5-6]。水文學(xué)法具有簡(jiǎn)單快速、無(wú)需現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定數(shù)據(jù)的優(yōu)點(diǎn)，但該方法沒(méi)有考慮河道現(xiàn)狀的改變、豐枯水年流量的變化且缺乏生物學(xué)資料證明，為證明計(jì)算結(jié)果的生態(tài)效還要獲取必要的參數(shù)、設(shè)定不同的標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)此要開(kāi)展相應(yīng)的野外工作[2-3]。

水力學(xué)法的集中目標(biāo)包括保持河道的基本形態(tài)和保留河流足夠的水量，將水深、比降、河道斷面形狀等水力幾何學(xué)參數(shù)與流量變化相結(jié)合，在此基礎(chǔ)上計(jì)算河流基本生態(tài)需水量，典型方法有R2CROSS法、濕周法、CASMIR法等。一般地，R2CROSS法、濕周法比較適于淺灘式河流棲息地和濕潤(rùn)河網(wǎng)區(qū)，且濕周法計(jì)算時(shí)在一定程度上受到河流形狀的影響[7]。

棲息地評(píng)價(jià)法是以創(chuàng)建適宜的生境為根本目標(biāo)，綜合考慮水生物、水質(zhì)等因素和水力學(xué)方法，利用棲息地指示物種-流量或者棲息地生境-流量相關(guān)關(guān)系，從而計(jì)算河流生態(tài)需水量，代表方法有Basque法、RCHARC法、PHABSIM/IFM法等，適用于生態(tài)保護(hù)目標(biāo)以棲息地及其物種為主的河道，該方法的靈活性較好，但實(shí)際可行性較低，不易被廣泛的推廣應(yīng)用[8-11]。從高到底棲息地法、水文學(xué)法和水力學(xué)法的針對(duì)性逐漸減弱，對(duì)資料條件的要求也不斷降低。

綜合評(píng)價(jià)法是依據(jù)河床形狀、泥沙運(yùn)輸、河岸帶群落與河道流量間的關(guān)系，并考慮生態(tài)整體功能和專家意見(jiàn)來(lái)確定流量的推薦值，此外該推薦值要滿足維持景觀、控制污染、泥沙沖淤、維持棲息地及保護(hù)生物等生態(tài)功能，其中澳大利亞的HEA法和南非的BBM法等整體分析法多適用于流域整體生態(tài)需水計(jì)算。

1 問(wèn)題的提出

不同計(jì)算方法的適用范圍及其適用條件存在一定差異，應(yīng)考慮數(shù)據(jù)資料獲取的難易程度與費(fèi)用、計(jì)算結(jié)果的精度要求、人們的生態(tài)環(huán)境價(jià)值觀和河流類(lèi)型等因素選定生態(tài)需水評(píng)估方法。目前，學(xué)術(shù)界尚未形成統(tǒng)一、完善的生態(tài)環(huán)境價(jià)值理念，國(guó)內(nèi)相關(guān)研究處于初期階段，缺乏綜合考慮地理學(xué)、生態(tài)學(xué)、水文學(xué)等知識(shí)定量計(jì)算河道生態(tài)需水量的方法以及現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)數(shù)據(jù)，關(guān)于定量計(jì)算河道生態(tài)需水量、水資源與河流生態(tài)關(guān)系的研究較淺?，F(xiàn)有研究多利用實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)及生態(tài)資料實(shí)現(xiàn)生態(tài)需水的計(jì)算，結(jié)合現(xiàn)階段的研究現(xiàn)狀，我國(guó)河道生態(tài)需水研究最適合的方法為水文學(xué)法，可以作為宏觀手段研究大空間尺度流域和區(qū)域，為提高水文學(xué)法的適用性還需進(jìn)一步研究其評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。

流量歷時(shí)保證率是時(shí)段總天數(shù)中某時(shí)段內(nèi)(年度、季度、月度)流量持續(xù)超過(guò)某數(shù)值天數(shù)所占的比例，在流量歷時(shí)保證率中應(yīng)用最廣的是以年為時(shí)段的保證率。因年內(nèi)的日數(shù)較多，年時(shí)段日平均流量歷時(shí)曲線繪制時(shí)一般以月或季為時(shí)段分蘇統(tǒng)計(jì)歷時(shí)。Texas法將水文季節(jié)變化因素與Tennant法有機(jī)結(jié)合，并考慮區(qū)域內(nèi)已知的水生物、魚(yú)類(lèi)總量等典型動(dòng)物群生存狀況對(duì)水量的需求設(shè)定月平均流量保證率，生態(tài)流量就是符合該保證率的月平均流量。Texas法最先考慮了區(qū)域水文特征(如月流量變化大)和不同生物特性(如孵化器或產(chǎn)卵期)條件下的月需水量，該方法是一種優(yōu)于現(xiàn)有同類(lèi)方法的流量歷時(shí)保證率法。

1)流域生態(tài)系統(tǒng)與河道生態(tài)需水密切相關(guān)，水文條件對(duì)于維持水生態(tài)循環(huán)發(fā)揮著關(guān)鍵作用，而干旱區(qū)特性顯著的生態(tài)系統(tǒng)不可能出現(xiàn)于濕潤(rùn)區(qū)。河道生態(tài)系統(tǒng)的優(yōu)劣和結(jié)構(gòu)主要取決于河道水文條件，此外水文條件的適應(yīng)性也在一定程度上影響著生態(tài)系統(tǒng)。所以，河道生態(tài)需水的計(jì)算要符合流域的生態(tài)系統(tǒng)特性和水文特征，季節(jié)性明顯的河流生態(tài)需水要適應(yīng)生態(tài)系統(tǒng)對(duì)水文條件的季節(jié)性要求和水文氣象的季節(jié)性特征。以流量歷時(shí)保證率為指標(biāo)、以季或月為單位控制生態(tài)需水過(guò)程，該方法易于推廣應(yīng)用且計(jì)算分析簡(jiǎn)單，能夠兼顧生態(tài)系統(tǒng)適應(yīng)性和流域季節(jié)特征。然而，針對(duì)雨熱不同季的區(qū)域或河流，若以流量歷時(shí)保證率為控制指標(biāo)明顯與生態(tài)系統(tǒng)實(shí)際需求不符，所以非常有必要優(yōu)化調(diào)整流量歷時(shí)保證率法。

2)流域水資源開(kāi)發(fā)利用需求與河道生態(tài)需水目標(biāo)相輔相成，應(yīng)統(tǒng)籌生態(tài)、生產(chǎn)和生活需水合理規(guī)劃水資源開(kāi)發(fā)利用。水資源緊張區(qū)域的“三生用水”存在非常明顯的脅迫關(guān)系，對(duì)此無(wú)法較高的設(shè)定生態(tài)需水目標(biāo)，通常以滿足最基本需求作為條件確定合理的生態(tài)需水；水資源豐富的區(qū)域存在相對(duì)較低的水資源開(kāi)發(fā)程度，顯然也可以提高生態(tài)需水目標(biāo)，為營(yíng)造良好的生態(tài)環(huán)境可以預(yù)留足夠的生態(tài)用水。生態(tài)需水總量控制指標(biāo)取多年平均徑流量中生態(tài)需水量所占的比例，該指標(biāo)考慮了“三生”用水，其具有較強(qiáng)的可行性。一般地，特定流域的流量與流量歷時(shí)保證率之間存在穩(wěn)定關(guān)系，將河流生態(tài)流量利用流量歷時(shí)保證率法計(jì)算，能夠獲取較穩(wěn)定的成果，該方法具有廣泛的推廣應(yīng)用前景。

3)人們對(duì)生態(tài)的認(rèn)識(shí)、需求與河道生態(tài)需水目標(biāo)有關(guān)，如何合理的確定最優(yōu)生態(tài)系統(tǒng)需水量？極端環(huán)保主義者認(rèn)為最好的就是自然的，在水資源開(kāi)發(fā)利用時(shí)忽視以人為本，過(guò)于強(qiáng)調(diào)以自然為本或環(huán)境為本的理念，因此對(duì)水資源開(kāi)發(fā)產(chǎn)生一定的限制；若對(duì)水資源盲目的開(kāi)發(fā)利用或一味地強(qiáng)調(diào)改造自然，人類(lèi)將對(duì)生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生極大的破壞，最終受到生態(tài)系統(tǒng)的報(bào)復(fù)。因此，必須通過(guò)科學(xué)研究充分的認(rèn)識(shí)生態(tài)系統(tǒng)，準(zhǔn)確計(jì)算適應(yīng)于區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展的生態(tài)需水，生態(tài)需水目標(biāo)要便于接受和理解，并且能夠利用流量歷時(shí)保證率衡量。

2 改進(jìn)流量歷時(shí)保證率法

本研究以受人為影響較小且系列年限不低于30年的逐日平均流量為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，以月為單位反映季節(jié)變化特征，從大到小依次排列各月的逐日流量Qij，其中(i=1，2，…，N；j=1，2，…，12)；QNi、Q1j代表序列流量中年內(nèi)j月的最小與最大流量值。然后對(duì)歷時(shí)保證率Pj的年內(nèi)j月流量Qpj進(jìn)行計(jì)算，其表達(dá)式為：

Qpi=Qj|P(Qij≥Qj)=Pj

(1)

借鑒現(xiàn)有研究成果和等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)定各月達(dá)到基流、一般、良好、優(yōu)秀等級(jí)的生態(tài)流量為各月歷時(shí)保證率為90%、75%、60%、50%的流量。根據(jù)水資源開(kāi)發(fā)利用需求、生態(tài)系統(tǒng)特征、氣候條件和降水特點(diǎn)，合理優(yōu)化、改進(jìn)流量歷時(shí)保證率，在年歷時(shí)保證率不變的情況下對(duì)時(shí)段流量歷時(shí)保證率計(jì)算結(jié)果，按照經(jīng)驗(yàn)直接以月尺度作平滑修正，從而體現(xiàn)水熱同步、以豐補(bǔ)枯的特點(diǎn)，保證生態(tài)需水結(jié)果更加符合流域特征。

3 實(shí)例分析

大洋河屬于遼東半島最大的獨(dú)流入海河流，占地1968.42km2，總長(zhǎng)230.2km，發(fā)源于岫巖縣偏嶺鄉(xiāng)，主要有雅河、牤牛河、哨子河、連河水等支流。該流域?qū)俦睖貛駶?rùn)季風(fēng)氣候，春季多旱寡澇、冬季多雪干冷、夏季高溫多雨、秋季陰晴多變，四季分明，雨熱同步，年均降水量860mm，對(duì)河道內(nèi)生態(tài)需水利用流量歷時(shí)保證率法計(jì)算具有明顯的優(yōu)勢(shì)[12-14]。

大洋河共設(shè)立了7處水文站，其中觀測(cè)資料系列較長(zhǎng)且數(shù)據(jù)精度較高的有沙里寨、岫巖、文家街水文站，以各水文站長(zhǎng)系列水文資料為基礎(chǔ)準(zhǔn)確計(jì)算河道內(nèi)生態(tài)流量，水文站信息如表1所示。

表1 水文站信息表

通過(guò)對(duì)系列資料的統(tǒng)計(jì)分析，確定多年平均流量與各水文站各月平均流量之間的關(guān)系，如圖1所示。

圖1 各月平均占多年平均流量比例

從圖1看出，沙里寨、岫巖較文家街水文站的各月平均流量明顯偏高，這主要與各水文站徑流特征、汛期降水條件等因素有關(guān)。大洋河多年平均流量與各月歷時(shí)保證率流量之間的關(guān)系，如圖2所示。

(a)沙里寨水文站

(b)岫巖水文站

(c)文家街

從圖2可知，大洋河水文變化規(guī)律與各月歷時(shí)保證率流量保持較高一致性，各水文站能夠較為客觀、準(zhǔn)確的反映水文特征。各月歷時(shí)保證率為90%、75%、60%、50%時(shí)的累計(jì)徑流量占年均徑流量的比例依次為10%-15%、20%-30%、30%-40%、40%-50%，計(jì)算結(jié)果與河湖生態(tài)需水評(píng)估導(dǎo)則、生態(tài)環(huán)境需水計(jì)算規(guī)范中的生態(tài)環(huán)境狀況(差、中、好、非常好)的生態(tài)需水量高度吻合。

當(dāng)達(dá)到基流等級(jí)時(shí)河道內(nèi)生態(tài)需水量占年均徑流量的10%-15%，這與常用的以10%多年平均流量作為基流以及國(guó)內(nèi)有關(guān)規(guī)范非常接近；當(dāng)達(dá)到優(yōu)秀等級(jí)時(shí)河道內(nèi)生態(tài)需水量占年均徑流量的10%-50%，加之能夠用于生態(tài)脈沖的洪水剩余可利用的水量約占40%，這與40%的水資源開(kāi)發(fā)利用極限相接近。然而，在年內(nèi)分配上河道流量極不均衡，最豐與最枯月流量比最高達(dá)到8-10倍，豐水期流量偏多對(duì)合理利用水資源產(chǎn)生制約；枯水期流量偏少尤其是高溫季，河道應(yīng)有足夠的流量。所以，有必要優(yōu)化、調(diào)整流量歷時(shí)保證率法。

以多年平均歷時(shí)保證率為90%、75%、60%、50%且年生態(tài)需水總量占年均徑流量的10%、20%、30%、40%作為達(dá)到基流、一般、良好、優(yōu)秀等級(jí)的生態(tài)需水控制參數(shù)，取平均值的50%和150%作為最小月(11月-次年1月)、最大月(4月-6月)的需水量，綜合考慮生態(tài)系統(tǒng)、氣象、水文等因素的需水過(guò)程或?qū)嶋H需求，經(jīng)平穩(wěn)變化確定其他月份的需水量。將大洋河各水文站生態(tài)需水量進(jìn)行人為的優(yōu)化調(diào)整，見(jiàn)表2和圖3。

表2 修正的P和R成果

圖3 優(yōu)化的生態(tài)流量與年均流量之比

通過(guò)對(duì)比分析圖2、圖3可知，優(yōu)化調(diào)整后的年生態(tài)需水量有所減少，其原因?yàn)榭菟谏鷳B(tài)流量略有增加而豐水期生態(tài)流量減少較多，優(yōu)化后的水熱同步性更好且年內(nèi)生態(tài)需水過(guò)程更加平穩(wěn)，可見(jiàn)優(yōu)化調(diào)整后的生態(tài)流量可以更好的滿足生態(tài)系統(tǒng)需求。然而，優(yōu)化調(diào)整后較大的改變了各月流量歷時(shí)保證率，但基本未改變年均歷時(shí)保證率。

借鑒河流魚(yú)類(lèi)生境參數(shù)以及生態(tài)水深-流速法的河段生態(tài)需水量計(jì)算方法，魚(yú)類(lèi)生境最低標(biāo)準(zhǔn)要求水域水面面積≥70%、平均流速≥0.3m/s、平均水深≥0.3m，將魚(yú)類(lèi)最低生態(tài)需水按照以上參數(shù)估算，結(jié)果如表3所示。

表3 河流生境最低流量

從表3可知，將大洋河3個(gè)水文站的魚(yú)類(lèi)生境最低流量利用生態(tài)水深-流速法計(jì)算，其最低流量整體達(dá)到10%-20%的年均流量，處于汛期“一般”至“基流”生態(tài)流量等級(jí)之間。通常條件下，認(rèn)為“基流”無(wú)法維持生態(tài)系統(tǒng)的需求，“一般”等級(jí)總體上可以維持河流的正常狀態(tài)。所以，河道生態(tài)需水量利用生態(tài)水深-流速法確定的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)與圖3的成果基本保持相同。此外，流域調(diào)蓄工程是保證水系統(tǒng)循環(huán)和河道內(nèi)生態(tài)需水的重要措施。例如，文家街站年均徑流深可達(dá)到1000mm，但枯水期易發(fā)生河道干枯、河水?dāng)嗔鞯默F(xiàn)象，且該時(shí)段屬高溫期，仍然存在顯著的雨熱不同步現(xiàn)象，對(duì)生態(tài)系統(tǒng)循環(huán)產(chǎn)生不利影響，為了改善生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量通常需要建設(shè)補(bǔ)水工程。

4 結(jié) 論

1)目前，我國(guó)河道生態(tài)需水最適合的研究方法是水文學(xué)法，流量歷時(shí)保證率不僅能兼顧生態(tài)系統(tǒng)適應(yīng)性較好的方式以及典型生物群落生存狀況對(duì)水量的需求，而且可以反映季節(jié)特征，該方法易于推廣且計(jì)算較為簡(jiǎn)單。

2)流域生態(tài)系統(tǒng)與河道生態(tài)需水存在密切聯(lián)系，人們對(duì)生態(tài)的認(rèn)識(shí)、流域水資源開(kāi)發(fā)利用需求與生態(tài)需水目標(biāo)有關(guān)。為了使得年內(nèi)生態(tài)水量過(guò)程更加平穩(wěn)、更好反映生態(tài)系統(tǒng)的需求以及水熱同步性更好，有必要優(yōu)化改進(jìn)流量歷時(shí)保證率。

3)將河道生態(tài)需水量利用生態(tài)水深-流量法確定的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)與改進(jìn)流量歷時(shí)保證率計(jì)算結(jié)果基本一致，河湖生態(tài)需水評(píng)估導(dǎo)則和生態(tài)需水計(jì)算規(guī)范中的基流、一般、良好、優(yōu)秀等級(jí)的生態(tài)需水要求與多年平均歷時(shí)保證率90%、75%、60%、50%的生態(tài)流量匹配度較高，可見(jiàn)改進(jìn)的流量歷時(shí)保證率法具有較強(qiáng)的適用性、較高的精準(zhǔn)度。

4)實(shí)質(zhì)上改進(jìn)流量歷時(shí)保證率法仍屬于水文學(xué)法的范疇，該方法未考慮豐枯水年流量變化以及水資源與河道間的關(guān)系，生物學(xué)證明資料也較為缺乏，對(duì)此仍需進(jìn)一步深入研究。