陳 晨，張劉東，倪匡迪，胥曉蓉

（云南農(nóng)業(yè)大學(xué)水利學(xué)院 昆明 650201）

0 引言

滇池流域位于云貴高原中部，總流域面積2920 km2，流域內(nèi)大小河流數(shù)十條，是滇池流域水資源交替循環(huán)的主要來(lái)源[1]。研究滇池流域的城市生態(tài)需水量是把握該流域的水資源、水生態(tài)與水環(huán)境相互聯(lián)系[2]，是促進(jìn)滇池流域水資源可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵性問(wèn)題。計(jì)算生態(tài)流量的方法很多，如劉鐵龍等[3]通過(guò)構(gòu)建Zenga指數(shù)來(lái)量化分析河流的生態(tài)流量；李偉等[4]通過(guò)結(jié)合Tennant法、枯水頻率法、流量歷時(shí)曲線法、最小月平均流量法和RVA法等的計(jì)算結(jié)果綜合比較出丹江的生態(tài)流量。Tennant法也叫蒙大拿法，起源于美國(guó)，是目前應(yīng)用最廣泛的生態(tài)流量計(jì)算方法[5]。該法不需要現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量數(shù)值，而是以歷史流量為基礎(chǔ)確定河道生態(tài)需水量，采用年平均天然徑流量的百分比作為推薦流量，在不同月份采用不同百分比來(lái)估算河道生態(tài)需水量。參考其他研究者：10%的平均流量是支撐大多數(shù)水生物短期生存棲息地的最小瞬時(shí)流量[6]；當(dāng)河流流量占年均流量的20%～60%時(shí)，河寬、水深及流速一般是令人滿意的[7]。其優(yōu)點(diǎn)在于只需獲得當(dāng)?shù)匾欢屋^長(zhǎng)時(shí)間的流量資料，就能根據(jù)相應(yīng)系數(shù)快捷計(jì)算出當(dāng)?shù)睾恿魃鷳B(tài)基流量[8]。目前，我國(guó)水文監(jiān)測(cè)站網(wǎng)尚不完善，許多河流缺少流量站，在流量資料缺乏條件下，可建立水位與流量、流量與河道生態(tài)平衡和生物多樣性等的關(guān)系[9，10]，運(yùn)用這樣的方法對(duì)湖泊和河流的生態(tài)需水和生態(tài)水位進(jìn)行計(jì)算。R2-CROSS法綜合考慮了水力學(xué)、水文學(xué)、生物學(xué)、地質(zhì)學(xué)等方面，是全世界無(wú)水文資料的河湖水系統(tǒng)生態(tài)需水量研究最常見(jiàn)的方法之一[11]。滇池流域的水生態(tài)問(wèn)題受到廣泛關(guān)注，但河流生態(tài)需水的研究報(bào)道較少。本文采用經(jīng)驗(yàn)法研究滇池流域河流生態(tài)需水量，對(duì)流域生態(tài)保護(hù)提供指導(dǎo)。

1 數(shù)據(jù)來(lái)源

本文所用的河流資料來(lái)自于調(diào)查資料以及昆明市統(tǒng)計(jì)局官網(wǎng)，綠化植物的灌溉定額來(lái)自《云南省用水定額標(biāo)準(zhǔn)》（DB53T168-2013），多年的平均降雨量和蒸發(fā)量來(lái)自于《云南省水資源綜合規(guī)劃》。

2 研究方法

生態(tài)需水量是指一個(gè)特定區(qū)域內(nèi)的生態(tài)系統(tǒng)需水量，是指維持生物地理生態(tài)系統(tǒng)水分平衡所需用的水，是為維護(hù)生態(tài)環(huán)境不再惡化保護(hù)河流水生生物、維持生態(tài)系統(tǒng)健康和滿足水資源可持續(xù)利用所需要的水資源量[12]，通過(guò)查閱大量的文獻(xiàn)來(lái)看，Tennant法和R2-CROSS法比較適合滇池流域河流的生態(tài)需水量計(jì)算，因此本文采用的研究方法為Tennant法和R2-CROSS法。

2.1 Tennant法

滇池流域內(nèi)河流眾多，大多為源近短流的山區(qū)性河流，集水面積大于100 km2的有盤龍江等7條河流。滇池流域生態(tài)需水量應(yīng)該結(jié)合河道基流、河流水面蒸發(fā)需水量、河流滲漏需水量、河道外綠化帶需水量等多方面共同分析，以計(jì)算出維持滇池流域生態(tài)系統(tǒng)健康和滿足水資源可持續(xù)利用所需要的水資源量。

2.1.1 河道基本生態(tài)流量

河道基本生態(tài)需水量是指能夠維持河道基本生態(tài)功能的水資源量[13]，通過(guò)以往的研究可知，年均徑流量的10%、20%、30%分別是保障河流水生生物正常生長(zhǎng)的棲息地最低、適宜和最佳生態(tài)基流[14，15]。河流的生態(tài)需水一般是用生態(tài)流量表示，而且這一數(shù)值不是固定的。對(duì)于一條河流，在不同河段和不同月份，河流的生態(tài)需求是變化的，因此，本文采用河流多年平均徑流量來(lái)計(jì)算河道基本生態(tài)流量。應(yīng)用Tennant法計(jì)算河流河道生態(tài)基流的公式為：

式中：Wt為河道生態(tài)基流，m3/s；M為河流多年平均徑流量，m3/s；N為推薦基流簡(jiǎn)單百分比，%。

2.1.2 河流水面蒸發(fā)需水量

河流的水面蒸發(fā)是河流水量消耗的重要方式之一[16]，水面蒸發(fā)需水量計(jì)算公式為：

式中：WE為河流水面蒸發(fā)需水量，億m3/a；A為河流水面面積，km2；E為水面蒸發(fā)量，mm/a；P為河道內(nèi)降水量，mm/a。

2.1.3 河流滲漏需水量

當(dāng)河道水位高于兩岸地下水位時(shí)，河道將通過(guò)滲漏的方式補(bǔ)給河道兩岸地下水。假定河道滲漏段內(nèi)損失均勻，沿程流量按等比級(jí)數(shù)遞減。河道滲漏補(bǔ)給量的公式為：

式中：Q河為河道滲漏量，m3/s；k為經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，水文地質(zhì)條件為優(yōu)良、中級(jí)、差等時(shí)取值分別為0～0.5 m、0.5～1.0 m、1.0～2.0 m；A為河流水面面積，km2。

2.1.4 河道外綠化帶需水量

一般采用面積定額法[17]來(lái)計(jì)算河道外綠化帶需水消耗的河流水量，其計(jì)算公式為：

式中：W綠為綠地生態(tài)需水量，m3/a；φ為綠化用水定額，m3/（m2·a）；F為綠化帶覆蓋面積，m2。

2.2 R2-CROSS法

R2-CROSS法主要基于曼寧方程[18]，假設(shè)保護(hù)淺灘就是保護(hù)最臨界的河流棲息地。河流的水深、流速以及濕周率是需要研究與棲息地質(zhì)量有關(guān)的水流指示因子。使用R2-CROSS法確定棲息地最小流量的參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)如表1所示。

表1 R2-CROSS法確定生態(tài)流量的標(biāo)準(zhǔn)

3 結(jié)果

根據(jù)昆明市河流屬于季節(jié)性河流的特征，按Tennant法的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)[19]，部分?jǐn)?shù)據(jù)來(lái)自于其他研究者的研究成果[20]，以多年平均徑流量的20%作為河道適宜基本生態(tài)流量的推薦值，結(jié)合式（1），計(jì)算出河道基本生態(tài)需水量（見(jiàn)表3）。根據(jù)《云南省水資源綜合規(guī)劃》項(xiàng)目的調(diào)查評(píng)價(jià)成果，滇池流域多年平均降雨量為925.7 mm，多年平均蒸發(fā)量為1 466.9 mm。多年平均蒸發(fā)量高于多年平均降雨量，根據(jù)式（2）計(jì)算出河流的水面蒸發(fā)需水量。流域河道分渠化河段和自然河段，河道的水文地質(zhì)條件較好，式（3）的經(jīng)驗(yàn)系數(shù)k取0.5 m，計(jì)算出河流的河流滲漏需水量。根據(jù)《云南省用水定額標(biāo)準(zhǔn)》（DB53T168-2013），綠化用水定額取2910 m3/hm2，根據(jù)式（4）可以求得河道綠化的需水量，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2。

采用R2-CROSS法計(jì)算河流生態(tài)需水量時(shí)，河流寬度資料來(lái)自于調(diào)查資料，為了使河流生態(tài)系統(tǒng)正常工作，使用河流的平均寬度作為棲息地最小流量的河流寬度[10]。水深、流速以及濕周率取該河流寬度下對(duì)應(yīng)表2的下限值，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 河流生態(tài)需水量計(jì)算結(jié)果

4 分析與討論

Tennant法通過(guò)計(jì)算滇池流域的河流水面蒸發(fā)需水量、河道滲漏需水量和河道外綠化帶需水量獲得生態(tài)需水量，R2-CROSS法通過(guò)參考河流的水力參數(shù)特征計(jì)算生態(tài)需水量，通過(guò)查閱資料可知，滇池多年入湖平均徑流量為98 454萬(wàn)m3。計(jì)算結(jié)果表明：運(yùn)用Tennant法得出滇池流域河流生態(tài)需水量為16 974.59萬(wàn)m3，運(yùn)用R2-CROSS法得出滇池流域河流生態(tài)需水量為16 715.49萬(wàn)m3，采用Tennant法算出的生態(tài)需水量稍高于R2-CROSS法算出的結(jié)果，兩種方法的計(jì)算結(jié)果相近，計(jì)算結(jié)果具有可參考性。

滇池流域河流年內(nèi)最大月徑流量與最小月徑流量差距很大，在豐水期的河流徑流量可以滿足生態(tài)需水量的要求，但在枯水期，河流徑流量的急劇減少，給河流生態(tài)需水量造成壓力。比較運(yùn)用不同方法算出的集水面積大于100 m2的7條河流生態(tài)需水量可以看出，除撈魚河外，其余6條河流采用Ten?nant法算出的生態(tài)需水量均高于采用R2-CROSS法算出的需水量。盤龍江、寶象河、洛龍河、白魚河、柴河與東大河采用R2-CROSS法算出的生態(tài)需水量分別比采用Tennant法算出的生態(tài)需水量低5.25%、14.38%、18.02%、0.75%、14.69%、13.75%，而撈魚河采用R2-CROSS法算出的生態(tài)需水量比采用Tennant法算出的生態(tài)需水量高29.42%，比較結(jié)果見(jiàn)圖1。通過(guò)R2-CROSS法算出的河流生態(tài)需水量占各河流多年平均流量的20.33%～35.03%，屬于Tennant法中20%～40%較好的范圍內(nèi)，盤龍江的生態(tài)需水量大約占整個(gè)滇池流域生態(tài)需水量的30%，計(jì)算結(jié)果基本合理。

圖1 不同方法下7條大河生態(tài)需水量比較圖

兩種方法計(jì)算的結(jié)果中，烏龍河和老寶象河的計(jì)算結(jié)果差距較大，出現(xiàn)這種誤差的原因是由于R2-CROSS法具有明顯的地域特性，采用R2-CROSS法計(jì)算烏龍河和老寶象河生態(tài)流量時(shí)選擇的下限水深和流速不夠準(zhǔn)確。同時(shí)，烏龍河目前上段已被截?cái)?，采用Tennant法時(shí)選擇的年均徑流量可能低于實(shí)際年均徑流量從而造成較大的誤差。老寶象河屬于昆明古六河之一，水質(zhì)污染較嚴(yán)重，河水渾濁，流速較慢，達(dá)不到R2-CROSS法計(jì)算生態(tài)流量的標(biāo)準(zhǔn)流速，因此采用R2-CROSS法來(lái)估計(jì)老寶象河的生態(tài)需水量誤差較大。

5 結(jié)語(yǔ)

本文采用Tennant法和R2-CROSS法作為自然河流生態(tài)需水量的計(jì)算方法，開(kāi)展滇池流域河流生態(tài)需水量研究。研究結(jié)果表明：兩種方法計(jì)算的河流生態(tài)需水量的范圍為16 715.49萬(wàn)～16 974.59萬(wàn)m3，計(jì)算的河流生態(tài)需水量占入湖平均徑流量的16.98%～17.24%，結(jié)果基本合理。因此，兩種方法對(duì)于計(jì)算河流生態(tài)需水量均具有參考意義。對(duì)于體現(xiàn)季節(jié)變化因素估算水生生物正常生長(zhǎng)的季節(jié)性河流的生態(tài)需水量，采用Tennant法更能滿足需求，對(duì)于水力學(xué)特性較強(qiáng)且河流寬度較小的河流以及山地冷水河流，采用R2-CROSS法更能滿足需求。