石國棟

(陜西省渭河生態(tài)區(qū)保護中心，陜西 西安 710004)

1 引言

有關(guān)生態(tài)需水的定義不同的學(xué)者從不同的角度出發(fā)，其理解與定義也各有不同[1]。本文認為河道內(nèi)的生態(tài)需水通常是指在河流不斷流的前提下，為了維持特定生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和基本生態(tài)功能，即為維護河流水沙平衡、水鹽平衡及維護河口地區(qū)生態(tài)環(huán)境平衡而保留在河道內(nèi)的流量(水量)。相關(guān)定義與概念隨著研究方向和深度的不同而發(fā)展變化，Caroline[2]定義了基本生態(tài)需水的概念，即為自然環(huán)境提供有質(zhì)量和一定數(shù)量的水，保證最好最優(yōu)地改變天然生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)地過程。1996 年，Gleick[3]認為基本生態(tài)需水是保證物種多樣性和生態(tài)完整性，且最少改變自然生態(tài)系統(tǒng)過程所需的一定質(zhì)量和數(shù)量的水量。與國外相比，國內(nèi)的研究涉及的方面雖多但內(nèi)容和成果較為寬泛。2001 年，生態(tài)需水的定義有廣義和狹義兩個方面，錢正英等從這兩方面進行了說明，廣義上指為維持生態(tài)系統(tǒng)水熱平衡、水沙平衡和水鹽平衡等水分平衡所需要的水量;狹義上指維持生態(tài)環(huán)境不繼續(xù)惡化且逐漸改善和恢復(fù)所需要消耗的水資源量[4]。這一定義具有普遍適用性，得到了各學(xué)者的肯定，后續(xù)的很多研究也以此為基礎(chǔ)[5]。例如，水鹽平衡這一理念被用于河口區(qū)生態(tài)系統(tǒng)生態(tài)環(huán)境需水量的確定[6-7]，水沙平衡這一理念被用于多沙河流生態(tài)環(huán)境需水量的確定[8-9]。

國外對河流生態(tài)需水的研究相對國內(nèi)來說比較成熟，各學(xué)者提出了許多改進創(chuàng)新的計算方法，主要用于計算生態(tài)系統(tǒng)自身對于水資源的需求，如Tennant 法[10]通常作為河流流量推薦值或者檢驗其他方法的結(jié)果;R2-Cross 法[11]根據(jù)曼寧公式，在計算河流生態(tài)環(huán)境需水量時參考河流湖泊平均水深、河寬和水流流速，它主要是用于計算保護水生生物的棲息地;IFIM 法[12]也叫河道內(nèi)流量增加法，在計算生態(tài)環(huán)境需水量方面應(yīng)用較為廣泛，主要是采用PHABSIM 模型進行計算。國內(nèi)河流生態(tài)需水的研究計算以國外的成果為基礎(chǔ)，通過改進方法或者多個方法綜合應(yīng)用并進行對比的方式進行研究，例如，西南山區(qū)小型梯級電站眾多而導(dǎo)致了河段減水的嚴重生態(tài)需水問題，針對這個問題郭新春[13]利用Tennant法和R2-CROSS 法計算研究河段的生態(tài)需水量，并確定了最小生態(tài)需水量;郭江[14]運用Tennant 法對天津市城市河湖生態(tài)需水配置進行了研究，并估算出河流湖庫的生態(tài)需水量和自凈需水量，同時利用槽蓄法對蒸發(fā)滲漏損失量進行了估算;劉靜玲等[15]提出了水量平衡法，該方法認為在沒有人為因素的干擾下，湖泊水量處于動態(tài)平衡狀態(tài);于嵐嵐等[16]利用改進的逐月頻率法研究計算松花江哈爾濱河段的逐月最小、最大和適宜生態(tài)需水量，并用Tennant 法對結(jié)果進行了檢驗。隨著生態(tài)保護工作的推進，相關(guān)方法及理論體系也在不斷完善，并逐漸適應(yīng)不同流域的個性化管理。

渭河流域是我國重要的農(nóng)業(yè)、工業(yè)和能源基地，人口3387 萬。多年來渭河上游水土流失嚴重、中游水污染加劇、下游河道淤積、生態(tài)環(huán)境惡化、小水大災(zāi)頻發(fā)。2011 年，陜西省啟動了渭河綜合整治工程，經(jīng)過全線整治后的渭河水生態(tài)整體狀況得到明顯改善，但由于發(fā)展的需求是處在動態(tài)變化之中的，生態(tài)需水相關(guān)概念、模型方法等也在不斷改進，相關(guān)試點工作也取得了階段性進展;結(jié)合規(guī)劃要求，各流域也在不斷探索適應(yīng)性強的管理途徑，水生態(tài)保障及修復(fù)是一項長期任務(wù)。因此，以渭河為典型，研究生態(tài)環(huán)境保護對黃河流域具有引領(lǐng)參考價值，尤其是對關(guān)中的社會經(jīng)濟高質(zhì)量發(fā)展具有重要的意義。

2 生態(tài)需水分析計算

2.1 分項生態(tài)需水計算

考慮渭河干流關(guān)鍵斷面的生態(tài)需求，本小節(jié)重點關(guān)注生態(tài)基流、重點斷面的產(chǎn)卵期流量過程、濕地與景觀生態(tài)需水、河道輸沙需水這四項，分別計算不同時空分布、不同保證率下的生態(tài)需水量[17]。

(1)生態(tài)基流

從水生生物生存需求考慮，采用實測斷面形態(tài)與魚類生長所需水深進行生態(tài)基流的計算。為滿足魚類生存，重點保證50 m 斷面寬度的河道水深即可。流速的計算采用曼寧公式，生態(tài)基流計算結(jié)果見表1。

表1 渭河干流關(guān)鍵斷面生態(tài)基流

(2)重點斷面的產(chǎn)卵期流量過程

渭河流域與流量過程相關(guān)的魚類產(chǎn)卵類型為漂浮性卵和粘性卵[18]。對渭河干流各斷面“水深-水面寬”關(guān)系分析可知，涇河入渭以上河段發(fā)生突變，在水深60 cm 處變寬說明有局部邊灘的存在。林家村斷面就是一個典型例子，根據(jù)斷面形態(tài)，在水深60 cm 時，產(chǎn)卵期流量16 m3/s。

(3)濕地與景觀生態(tài)需水

換水周期法和湖泊形態(tài)法是水景觀生態(tài)環(huán)境流量計算的常用方法。本小節(jié)選用前者進行計算，同時參照湖泊或類似景觀的換水周期，計算結(jié)果見表2。

表2 各工程景觀生態(tài)需水

(4)河道輸沙需水

維持河床沖淤動態(tài)平衡必須保證的水量，即河流輸沙需水量。該水量受水流含沙量的影響，并隨產(chǎn)沙量、含沙量的年內(nèi)分配而動態(tài)變化。計算輸沙需水時可采用輸沙量法、沖淤比修正法等，但渭河下游由于取水點分布較多且河道變化幅度較大[19]，上述兩種方法計算將會受取水影響，故本節(jié)采用含沙量法計算臨潼與華縣斷面輸沙需水量，計算結(jié)果見表3。輸沙需水量主要體現(xiàn)在各代表年7 月～10 月，各代表年內(nèi)，臨潼斷面輸沙需水量均小于華縣斷面;不同代表年、同一代表年內(nèi)不同月份的輸沙需水量差異較大，尤其是8 月～10 月，P=25%的代表年輸沙量較大。

表3 不同代表年的輸沙需水量

2.2 生態(tài)需水量確定

在分別計算魚類枯水期生態(tài)基流、產(chǎn)卵期流量脈沖過程、汛期輸沙用水、景觀濕地用水等基礎(chǔ)上，統(tǒng)籌兼顧支流匯入、干流重點取水等方面因素，提出各斷面綜合生態(tài)環(huán)境流量控制指標。其中林家村、魏家堡、咸陽、臨潼和華縣五個渭河干流關(guān)鍵水文站斷面的生態(tài)需水量結(jié)果見表4。

表4 渭河干流關(guān)鍵斷面生態(tài)需水量

3 生態(tài)需水滿足狀況分析

3.1 生態(tài)滿足狀況分析

根據(jù)《渭河流域重點治理規(guī)劃》，林家村斷面非汛期(11月～6 月)河道內(nèi)低限生態(tài)環(huán)境流量為10.0 m3/s;《陜西省水資源綜合規(guī)劃》中林家村斷面的非汛期低限環(huán)境用水最小流量為10.0 m3/s，咸陽和華縣分別為15.0 m3/s和20.0 m3/s;《黃河水量調(diào)度條例實施細則(試行)》規(guī)定華縣斷面流量為12.0 m3/s、林家村斷面流量為2.0 m3/s 魏家堡斷面流量為5.0 m3/s、咸陽斷面流量為10.0 m3/s，保證率都為90%。將上述相關(guān)規(guī)劃成果與關(guān)鍵斷面的生態(tài)需水量進行對比分析，以1973 年～2010 年長系列為分析對象，每年共包括11 月至次年6 月的枯季242 天，結(jié)果見表5。

表5 渭河干流關(guān)鍵斷面生態(tài)需水滿足狀況

渭河干流關(guān)鍵斷面林家村和魏家堡生態(tài)需水的保證率分別為27.6%和56.9%，斷面缺水情況分別高達175 天和104 天，與規(guī)劃的90%保證率相差甚遠，將林家村和魏家堡斷面流量提升到8. 6m3/s、11.6 m3/s 的低限生態(tài)環(huán)境流量已經(jīng)很難，12.8 m3/s、23.5 m3/s 的適宜生態(tài)環(huán)境流量就更無法保障，一半以上的天數(shù)生態(tài)流量無法達標，尤其在枯水期，該河段接近斷流，水生態(tài)與水環(huán)境問題十分突出，對水環(huán)境產(chǎn)生了很多不利影響，尤其是以魚類為主的各類水生動植物的生長和繁殖。同時兩側(cè)灌區(qū)從水庫提水灌溉、水電站引水發(fā)電，多因素綜合作用影響了下游河道流量過程，使得林家村魏家堡河段在枯水期河道幾乎接近于斷流。因此生態(tài)綜合治理的聚焦點應(yīng)該放在林家村和魏家堡斷面，進行重點治理與修復(fù)。

3.2 不滿足的原因分析

寶雞至咸陽斷面水資源可利用量本身較少，承載能力極其有限，但地區(qū)工農(nóng)業(yè)發(fā)展需水量很大。為保障寶雞咸陽渭北旱原地區(qū)農(nóng)業(yè)灌溉，寶雞峽水庫于2003 年完成加壩加閘改造，服務(wù)于地區(qū)農(nóng)業(yè)灌溉需求，從而致使寶雞峽大壩至魏家堡渠首80 km 渭河河道枯水期缺水嚴重;由2016 年寶雞市水資源利用情況可知，該年生態(tài)環(huán)境用水為0.09 億m3，占用水總量的0.02%，與之相比，農(nóng)業(yè)用水量為2.96 億m3，占用水總量的72.7%，城鎮(zhèn)公共用水量0.07 億m3，工業(yè)用水量0.3 億m3，居民生活用水量0.6 億m3，而根據(jù)近期或未來用水情況和發(fā)展規(guī)劃，各類用水戶用水量不會有較大波動，工農(nóng)業(yè)用水比較穩(wěn)定，占用水總量比重較大，生活用水和生態(tài)環(huán)境用水逐年少量增加，既要滿足當(dāng)?shù)爻擎?zhèn)生活、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)等所需的水量，也要將灘區(qū)綠地、各類水景觀、濱河公園、生態(tài)濕地等水量需求考慮其中，尤其是保證林家村-魏家堡河段的生態(tài)用水，上述種種矛盾勢必會加劇各用戶競爭用水態(tài)勢，在上述背景下，各類用戶間“爭水”“搶水”將表現(xiàn)為長期化、常態(tài)化。

4 結(jié)論

本文從渭河干流關(guān)鍵斷面的實際生態(tài)需求出發(fā)，分項計算了5 個關(guān)鍵斷面的生態(tài)基流、重點斷面的產(chǎn)卵期流量過程、濕地與景觀生態(tài)需水以及河道輸沙需水，并與相關(guān)規(guī)劃成果進行了對比分析，分析結(jié)果表明，生態(tài)需水滿足程度由高到低的斷面依次是臨潼、華縣、咸陽、魏家堡以及林家村，并且通過對不滿足的原因分析，指出渭河生態(tài)綜合治理的聚焦點應(yīng)放在生態(tài)問題最為嚴重的林家村與魏家堡斷面，在常態(tài)化競爭用水的前提下，保障渭河林家村與魏家堡斷面的生態(tài)需水對于渭河干流水生態(tài)環(huán)境向好發(fā)展具有重要作用。