張 穎，侯慶志，田福昌，3，程鵬榮

(1.青海民族大學(xué)土木與交通工程學(xué)院，青海 西寧 810007；2.天津大學(xué)建筑工程學(xué)院，天津 300101；3.天津大學(xué)水利工程仿真與安全國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300072；4.青海省水利水電勘測(cè)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院有限公司，青海 西寧 810001)

生態(tài)需水保障是水生態(tài)保護(hù)的重要內(nèi)容，對(duì)于維持河流水生態(tài)健康、水資源合理利用、經(jīng)濟(jì)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展具有十分重要的意義。伴隨著一系列國(guó)際科學(xué)研究的推進(jìn)，“生態(tài)需水”[1](Ecological water requirements/Ecological flow)基礎(chǔ)理論不斷豐富，研究范圍不斷擴(kuò)大。生態(tài)需水的計(jì)算方法主要有水力學(xué)法[2]、水文學(xué)法[3]、生境模擬法[4]等多種方法。Men[5]基于河道生態(tài)需水量估算的生態(tài)水力半徑模型(EHRM)理論，以我國(guó)南水北調(diào)西線一期工程鮮水河道孚水文站為例，計(jì)算了滿足河道魚類棲息地的河道內(nèi)生態(tài)需水量。Wu等[6]研究運(yùn)用水文學(xué)、水力學(xué)和生態(tài)棲息地方法，構(gòu)建了黃河下游生態(tài)需水框架(EWRsF)，綜合考慮了河道內(nèi)生態(tài)基流、指示魚類的生存與繁殖、河口沖淤平衡和河口生態(tài)功能。河流生態(tài)需水量已經(jīng)不再是固定的數(shù)值，而是以滿足人與自然合理配置水資源的需求，與河流水生態(tài)保護(hù)目標(biāo)及河流季節(jié)性特征相協(xié)調(diào)的數(shù)值范圍。目前，生態(tài)需水的計(jì)算主要是從流量和生態(tài)保護(hù)目標(biāo)需求等方面進(jìn)行重點(diǎn)考慮，但水生態(tài)保護(hù)中水質(zhì)同樣影響著生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性，因此，應(yīng)將水質(zhì)與水量綜合確定生態(tài)流量。近年來(lái)，很多學(xué)者們對(duì)生態(tài)需水問(wèn)題中水質(zhì)水量耦合模型的運(yùn)用開展了一系列研究。石紅梅[7]建立一維水流模型和一維水質(zhì)模型，對(duì)溫榆河干流水質(zhì)水量過(guò)程進(jìn)行模擬，得到河道水動(dòng)力和水質(zhì)變化規(guī)律。馬甜甜[8]采用MIK11軟件構(gòu)建渾河沈撫段水質(zhì)水量耦合模型，制定不同污染情況下的水庫(kù)下泄方案，并通過(guò)模型進(jìn)行不同下泄條件下的污染物沿程變化情況。汪惠等[9]利用MIKE11構(gòu)建一維水質(zhì)水量耦合模型，模擬引水條件改變后目標(biāo)污染物的改善情況，取得了一定成果。

近年來(lái)，湟水生態(tài)需水問(wèn)題較為突出，湟水干流水電站梯級(jí)開發(fā)集中，河段水電站分布較多，使河流連通性遭到破壞，河流生態(tài)功能嚴(yán)重下降[10]。流域水生態(tài)環(huán)境保護(hù)修復(fù)面臨難點(diǎn)與挑戰(zhàn)，水生態(tài)保護(hù)從水資源、水環(huán)境等角度均存在一定問(wèn)題[11]。湟水承載著區(qū)域生活、工業(yè)、農(nóng)業(yè)用水，水資源開發(fā)程度逐年增加，河道內(nèi)生態(tài)需水被擠占嚴(yán)重，難以保證河道內(nèi)所需生態(tài)水量[12]。湟水生態(tài)需水保障作為水生態(tài)保護(hù)修復(fù)的重點(diǎn)，深入研究其生態(tài)需水的目標(biāo)、配置及下泄影響過(guò)程，對(duì)維護(hù)水生生物多樣性、鞏固水環(huán)境質(zhì)量、提高區(qū)域水資源配置合理性等方面具有重要意義和應(yīng)用價(jià)值。因此，本文針對(duì)湟水流域水資源、水環(huán)境、水生態(tài)等角度的生態(tài)需水問(wèn)題，從水質(zhì)、水量、時(shí)間和空間多角度開展湟水西寧市段生態(tài)需水研究，基于水文學(xué)、水力學(xué)等多種生態(tài)需水計(jì)算方法以及水質(zhì)水量耦合模型，通過(guò)生態(tài)需水的合理性計(jì)算以及生態(tài)流量下泄對(duì)污染物濃度影響的模擬量化，從水質(zhì)、水量角度優(yōu)選出生態(tài)需水方案，研究成果對(duì)區(qū)域水資源配置和水生態(tài)保護(hù)修復(fù)具有重要意義。

1 區(qū)域概況

湟水是黃河上游重要的一級(jí)支流，發(fā)源于海晏縣的包呼圖山，由西向東從托落圖流入湟源縣、湟中縣、西寧市區(qū)，從小峽橋口流出西寧市，于民和縣下川口注入黃河，干流全長(zhǎng)96 km。湟水西寧市段從湟源峽至小峽橋口，境內(nèi)河長(zhǎng)占干流總長(zhǎng)的25.5%，流域面積7 334.6 km2，占湟水流域面積的45.7%，研究范圍見(jiàn)圖1。

圖1 研究范圍示意

根據(jù)青海省水資源公報(bào)等資料，湟水水資源量變化趨勢(shì)為2001年～2004年以偏枯為主，2005年以后總體轉(zhuǎn)豐。西寧市多年平均降水量為536.2 mm，水資源多年平均總量為13.14億m3，水資源量為降水補(bǔ)給型，使水資源年際及年內(nèi)分布不均，豐枯年懸殊，以西寧站為例，見(jiàn)圖2。水資源分布與經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展布局不匹配，人均水資源量占全國(guó)人均水資源量的1/4，占青海省人均水資源量的1/20。近5年，湟水流域地表水資源屬于偏豐階段，以西寧站為例，其地表徑流量總體大于多年平均地表徑流量，見(jiàn)圖3。根據(jù)1956年～2016年湟水西寧站實(shí)測(cè)地表徑流量分析，60年中僅有12年實(shí)測(cè)地表徑流量大于多年平均地表徑流量，見(jiàn)圖4。湟水干流西寧市段城區(qū)人口集中，特征污染物大量集中排放，枯水期河流流量較少。因此，湟水西寧市段的水資源量嚴(yán)重不足。

圖2 湟水西寧站年內(nèi)地表徑流量變化情況

圖3 湟水西寧站近5年地表徑流量變化示意

圖4 湟水西寧站近60年地表徑流量演變趨勢(shì)

2010年～2019年，西寧湟水流域廢污水排放量變化幅度不大，但主要污染物COD呈現(xiàn)明顯減少趨勢(shì)，氨氮呈增加態(tài)勢(shì)。工業(yè)和城鎮(zhèn)生活用水量占總用水量的35.02%，城區(qū)廢污水大量集中排放的壓力依然存在。通過(guò)西寧市湟水流域水環(huán)境綜合治理，根據(jù)西寧市主要國(guó)控和省控?cái)嗝?015年～2019年水質(zhì)評(píng)價(jià)，湟水干流主要控制斷面水質(zhì)總體呈現(xiàn)改善趨勢(shì)，但扎馬隆、小峽橋等斷面仍出現(xiàn)1月～4月枯水期水質(zhì)不穩(wěn)定達(dá)標(biāo)狀況。

湟水魚類資源調(diào)查顯示湟水流域有魚類36種，其中土著魚類有14種，外來(lái)魚類有22種，隸屬于4目8科26屬。鯉形目魚類為主要類群，有2科19屬25種，鮭形有3科4屬6種，鱸形目有2科2屬4種，合鰓魚目有1科1屬1種。湟水底棲動(dòng)物群落結(jié)構(gòu)及水質(zhì)評(píng)價(jià)狀況顯示湟水流域底棲動(dòng)物共有8目25科42屬(種)，密度為15～394個(gè)/m2，其中以水生昆蟲占優(yōu)勢(shì)類群。湟水干流水生生境破碎化情況較為嚴(yán)重，河流廊道生態(tài)功能出現(xiàn)退化，魚類生物棲息地、河谷生態(tài)系統(tǒng)等發(fā)生較大改變。湟水干流的魚類資源量和種類都在迅速減少，在湟水干流多巴以上河段還有少量魚類群體數(shù)量，種類少，湟水干流多巴以下河段特別是西寧河段魚類已基本絕跡。

湟水作為黃河青海流域生態(tài)保護(hù)和高質(zhì)量發(fā)展的重點(diǎn)區(qū)域，隨著蘭西城市群、西寧—海東都市圈等區(qū)域戰(zhàn)略及引黃濟(jì)寧、引大濟(jì)湟等重要調(diào)水工程的實(shí)施，湟水西寧市段的水資源供需矛盾將會(huì)更加凸顯，隨之帶來(lái)的水生態(tài)保護(hù)問(wèn)題和水安全隱患依然存在?？傮w而言，湟水流域西寧市段呈現(xiàn)水資源、水環(huán)境和水生態(tài)“三水”問(wèn)題相互交織狀況，考慮到湟水干支流特征污染物與地表徑流量有著較高關(guān)聯(lián)性，未來(lái)枯水年、枯水期湟水干支流生態(tài)需水、水質(zhì)將面臨不穩(wěn)定達(dá)標(biāo)風(fēng)險(xiǎn)。

2 研究數(shù)據(jù)及方法

2.1 研究數(shù)據(jù)

本文通過(guò)對(duì)湟水西寧市段的多年水資源量、地表徑流變化趨勢(shì)、水質(zhì)達(dá)標(biāo)狀況、污染物排放現(xiàn)狀、水生生物種類及分布的調(diào)查及分析，得出湟水西寧市段枯水期水質(zhì)不達(dá)標(biāo)、污染物負(fù)荷逐漸加重、生態(tài)需水保障程度較低等現(xiàn)狀問(wèn)題。采用多種方法計(jì)算生態(tài)需水量，再結(jié)合流域水循環(huán)和水平衡、河流生態(tài)需水和經(jīng)濟(jì)社會(huì)用水的相互關(guān)系，構(gòu)建水質(zhì)水量耦合模型，從時(shí)間、空間角度模擬分析不同生態(tài)需水量下泄對(duì)湟水水質(zhì)的影響，對(duì)模擬結(jié)果進(jìn)行分析，選擇滿足水質(zhì)水量綜合目標(biāo)的生態(tài)流量，并提出湟水干流水生態(tài)保護(hù)的對(duì)策及建議。

本次選取湟水西寧市段水質(zhì)監(jiān)測(cè)斷面作為水質(zhì)控制斷面，上、下游分別選擇新寧橋斷面和小峽橋斷面，水量控制斷面選擇湟水西寧水文站斷面。結(jié)合污染物負(fù)荷強(qiáng)度、水質(zhì)監(jiān)測(cè)情況、污染源調(diào)查情況等綜合考慮，選擇COD和氨氮作為污染物控制指標(biāo)。水文數(shù)據(jù)采用湟水西寧水文站60 a長(zhǎng)系列實(shí)測(cè)水文資料(徑流、流量、水位等)，水質(zhì)數(shù)據(jù)采用湟水新寧橋、小峽橋等水質(zhì)控制斷面2018年月均水質(zhì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。本次采用MIKE11軟件中的HD和AD模塊構(gòu)建水質(zhì)水量耦合模型，以生態(tài)需水計(jì)算結(jié)果作為斷面下泄流量模擬湟水水質(zhì)變化情況。基礎(chǔ)數(shù)據(jù)包括湟水西寧市段河道斷面參數(shù)、湟水干流西寧市段沿河排污口的排污量、排污口位置、主要污染物等數(shù)據(jù)；湟水干流湟源、西寧、樂(lè)都及主要支流的西納川、南川河、北川河等水文站流量、水位實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)；湟水干流新寧橋、小峽橋等斷面水質(zhì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。

2.2 生態(tài)流量計(jì)算方法

目前，國(guó)內(nèi)有關(guān)黃河水生態(tài)保護(hù)及生態(tài)需水的研究較為豐富，但是有關(guān)湟水的生態(tài)需水研究并不多。湟水流域已經(jīng)開展的生態(tài)需水計(jì)算方法包括Tennant法、90%保證率最枯月平均流量法等，均以水文學(xué)方法為主，且生態(tài)需水中水質(zhì)水量耦合模型的運(yùn)用較少。

在生態(tài)需水計(jì)算方法的選擇中，水文學(xué)法中月保證率法[13]是以北方季節(jié)性河流為例證提出的方法，而湟水作為西北地區(qū)的河流具有很強(qiáng)的季節(jié)性特征，適合采用月保證率法。而年內(nèi)同頻率展布法雖然克服了傳統(tǒng)水文計(jì)算法的經(jīng)驗(yàn)性和主觀性，但不能反映不同時(shí)期季節(jié)性河流的徑流變化，本次選擇改進(jìn)年內(nèi)同頻率展布法來(lái)進(jìn)行生態(tài)需水計(jì)算，可以很好解決這個(gè)問(wèn)題。生態(tài)水力半徑法作為水力學(xué)法的代表，在湟水區(qū)域還未開展過(guò)運(yùn)用，本次使用該方法進(jìn)行生態(tài)需水計(jì)算。綜合考慮，本文采用不同頻率最枯月平均值法、改進(jìn)年內(nèi)同頻率展布法、生態(tài)水力半徑法計(jì)算研究生態(tài)需水量。

2.2.1 不同頻率最枯月平均值法

不同頻率最枯月平均值法[14-15]是指以某一控制斷面的長(zhǎng)系列(n≥30 a)水文特征資料為依據(jù)，選擇每年的最枯月流量或徑流量排頻，并按照不同頻率下的最枯月平均流量或徑流量作為控制斷面的生態(tài)流量。本次采用1956年～2018年實(shí)測(cè)水文系列數(shù)據(jù)，計(jì)算不同頻率最枯月流量。首先將西寧站長(zhǎng)系列實(shí)測(cè)流量、徑流等資料還原計(jì)算后以每年最枯月排頻，其次結(jié)合湟水季節(jié)性特征情況，對(duì)年內(nèi)生態(tài)流量按照豐水期(7月～10月)、平水期(4月～6月)、枯水期(11月～翌年3月)三個(gè)時(shí)段進(jìn)行計(jì)算，其中豐水期按75%保證率計(jì)算、平水期按90%保證率計(jì)算，枯水期按95%保證率計(jì)算，將對(duì)應(yīng)頻率的月平均流量作為控制斷面生態(tài)流量，得出年內(nèi)對(duì)應(yīng)的河流生態(tài)流量過(guò)程。

2.2.2 改進(jìn)年內(nèi)同頻率展布法

根據(jù)水生態(tài)環(huán)境現(xiàn)狀分析，湟水西寧市段水資源年際、年內(nèi)分布不均，水資源量為降水補(bǔ)給型，豐枯年懸殊，且降雨年內(nèi)分布不均，主要集中在7月～10月。湟水河生態(tài)系統(tǒng)具有明顯的季節(jié)性特征[16-17]，其中4月～6月為土著魚類活躍期、河流濕地和河谷植被需水高峰期；7月～10月是水量集中時(shí)段，是水生生物和植被生長(zhǎng)的關(guān)鍵時(shí)段；11月～翌年3月是枯水期，應(yīng)保障河流生態(tài)環(huán)境功能不喪失的基本水流過(guò)程。因此，結(jié)合實(shí)際情況，從豐枯季節(jié)時(shí)期的劃分、極值去除等方面對(duì)年內(nèi)同頻率展布法[18]進(jìn)行改進(jìn)，以1956年～2018年西寧水文站還原計(jì)算后的天然徑流為基礎(chǔ)，同時(shí)根據(jù)河流季節(jié)性特征及關(guān)鍵保護(hù)目標(biāo)的需水時(shí)間分布，按照豐水期(7月～10月)、平水期(4月～6月)和枯水期(11月～翌年3月)3個(gè)時(shí)段進(jìn)行各月生態(tài)流量的計(jì)算。首先去除各月徑流系列中的最大值和最小值，分別計(jì)算各時(shí)段的多年平均徑流量，并以不同時(shí)段內(nèi)月最小平均徑流量與多年平均徑流量之比作為均值比，最后以不同時(shí)段內(nèi)多年月平均徑流量為基準(zhǔn)，按照均值比分別計(jì)算3個(gè)時(shí)段的生態(tài)流量，得到湟水西寧市段生態(tài)流量的年內(nèi)分布過(guò)程。

2.2.3 生態(tài)水力半徑法

生態(tài)水力半徑是以流速作為影響物種(魚類)生長(zhǎng)、繁殖的關(guān)鍵生態(tài)水文特征量。生態(tài)水力半徑法是通過(guò)河道糙率、水力坡度及水生態(tài)保護(hù)物種的生態(tài)流速確定過(guò)水?dāng)嗝娴乃Π霃?，再以生態(tài)水力半徑計(jì)算滿足生物適宜生存需求的生態(tài)流量。該方法是由明渠均勻流公式進(jìn)行推導(dǎo)，得出水力半徑與河道糙率、流速、水力坡度之間的關(guān)系，見(jiàn)公式(1)，在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步計(jì)算生態(tài)需水，見(jiàn)公式(2)[19]。

(1)

(2)

式中，R生態(tài)為生態(tài)水力半徑，m；n為河道糙率；v為流速，m/s；J為水力坡度；QE為生態(tài)流量，m3/s；A為過(guò)水?dāng)嗝婷娣e，m2。

以河流特性及生物特性確定生態(tài)流速，根據(jù)《青海省湟水流域生態(tài)流量實(shí)施方案》，湟水干流有魚類19種，其中以黃河裸裂尻魚為土著魚類中的優(yōu)勢(shì)物種，研究表明[20]，該種魚類產(chǎn)卵旺季主要在5月～6月，平均體長(zhǎng)約140 mm，根據(jù)黃河裸裂尻魚的生活習(xí)性判斷其適宜流速為0.3～0.6 m/s。由于指示生物的產(chǎn)卵生長(zhǎng)期主要在5月～6月，因此本次生態(tài)流速按汛期(4月～10月)和非汛期(11月～翌年3月)選取，汛期流速取0.6 m/s，非汛期流速取0.3 m/s。西寧水文站平均實(shí)測(cè)比降為4.0‰，糙率為0.033，根據(jù)生態(tài)流速及公式(1)計(jì)算汛期及非汛期生態(tài)水力半徑，同時(shí)建立實(shí)測(cè)流量與水力半徑的關(guān)系圖，擬合流量-水力半徑關(guān)系曲線，見(jiàn)圖5，由生態(tài)水力半徑和曲線圖得出對(duì)應(yīng)的生態(tài)流量。

圖5 Q～R關(guān)系

2.3 生態(tài)流量模擬的水質(zhì)水量耦合模型

水質(zhì)水量耦合模型由水動(dòng)力模塊和水質(zhì)模塊組成，模擬范圍是湟水西寧市段，模型上邊界為湟水入城區(qū)段處，下邊界為湟水出城區(qū)段處，北川河、南川河等主要支流作為源匯項(xiàng)加入湟水干流模型。模型耦合采用松散耦合形式，水量模型模擬河網(wǎng)水動(dòng)力條件，同時(shí)以模擬結(jié)果中的流速、流量、斷面過(guò)水面積、槽蓄量等水力參數(shù)作為水質(zhì)模型的水動(dòng)力輸入條件，同時(shí)兩模塊采用同一計(jì)算單元和時(shí)間步長(zhǎng)，進(jìn)行斷面處COD和氨氮的濃度變化過(guò)程模擬。

2.3.1 水量模型

選取平水年2018年作為模擬期，水量模型上邊界條件采用湟源站、石崖莊水文站月平均流量過(guò)程，時(shí)間步長(zhǎng)為30 d，下邊界條件采用湟水干流大峽、樂(lè)都水文站的水位數(shù)據(jù)。模型模擬河段為湟水水文站至下游樂(lè)都水文站斷面的湟水干流，河網(wǎng)形狀通過(guò)DEM數(shù)據(jù)提取的湟水干流shp文件確定，并對(duì)河道進(jìn)行概化處理，通過(guò)主要支流及支流水文站的水力、水文特征數(shù)據(jù)，將主要支流加入概化后的河網(wǎng)中。河道斷面根據(jù)收集的1∶1 000地形圖剖切的河道橫斷面圖及流量水位關(guān)系確定。MIKE11水動(dòng)力模塊是將河流視為一維均質(zhì)流體，通過(guò)一維圣維南方程組來(lái)描述河流動(dòng)力規(guī)律，根據(jù)河流形態(tài)及水動(dòng)力特性，對(duì)河段建立數(shù)值模型，采用Abbott六點(diǎn)隱式差分格式，通過(guò)追趕交替法求解圣維南方程組的數(shù)值解[21]。圣維南方程組表達(dá)式為

(3)

(4)

(5)

式中，Q為平均流量，m3/s；A為過(guò)水?dāng)嗝婷娣e，m2；t、x分別為時(shí)間、空間坐標(biāo)；q為單位河長(zhǎng)的旁側(cè)的入流流量，m3/s；α為動(dòng)力系數(shù)，取1.0；g為重力加速度；Z為水位，m；vx為流速在水流方向上的分量，m/s；R為水力半徑；C為謝才系數(shù)；n為曼寧系數(shù)。

2.3.2 水質(zhì)模型

水質(zhì)模型是以水動(dòng)力模型為基礎(chǔ)，將水動(dòng)力模型模擬結(jié)果中的流量、流速、水位等數(shù)據(jù)作為水質(zhì)模型的水動(dòng)力輸入條件，模擬因子的水質(zhì)變化情況。根據(jù)區(qū)域污染物排放情況，本次以COD和氨氮作為計(jì)算指標(biāo)。選取平水年2018年作為模擬期，水質(zhì)模型邊界條件采用湟水干流扎麻隆、報(bào)社橋、小峽橋、灣子橋等站點(diǎn)的實(shí)測(cè)水質(zhì)資料。在開邊界與點(diǎn)源處放置相應(yīng)的污染物排放過(guò)程，邊界范圍內(nèi)的污染物入河方式均為點(diǎn)狀排放，根據(jù)研究區(qū)域兩岸污水處理廠的現(xiàn)狀排污數(shù)據(jù)，按照點(diǎn)源將其添加到河網(wǎng)中，面源污染根據(jù)2018年西寧市環(huán)境統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)中的污染物排放數(shù)據(jù)及統(tǒng)計(jì)年鑒中的人口、耕地、養(yǎng)殖數(shù)量等數(shù)據(jù)進(jìn)行估算，均勻概化到一定長(zhǎng)度的河道中，以此作為污染輸入條件。水質(zhì)模塊采用一維對(duì)流擴(kuò)散方程[22]，其基本表達(dá)式為

(6)

(7)

式中，c為選定模擬污染物的濃度，mg/L；u為平均流速，m/s；Ex為擴(kuò)散系數(shù)，m2/s；B為河流的水面寬度，m；h為水深，m；i為水力坡降；K為污染物的衰減系數(shù)，d-1。

3 生態(tài)流量計(jì)算及過(guò)程模擬

3.1 生態(tài)流量計(jì)算結(jié)果

通過(guò)上述3種方法，利用湟水西寧水文站1956年～2018年長(zhǎng)系列水文資料的實(shí)測(cè)流量還原計(jì)算后的天然徑流量進(jìn)行生態(tài)需水量的計(jì)算，結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 不同方法的生態(tài)流量計(jì)算結(jié)果 m3/s

本次計(jì)算結(jié)果與Tennant法相比，其生態(tài)流量過(guò)程對(duì)比線如圖6所示。Tennant法生態(tài)流量10月～翌年3月采用多年平均流量的10%計(jì)算，4月～9月采用多年平均流量的20%計(jì)算，根據(jù)《湟水流域綜合規(guī)劃環(huán)境影響報(bào)告書》中西寧控制斷面的生態(tài)流量結(jié)果為：4月～6月生態(tài)流量為9.3 m3/s，7月～10月生態(tài)流量為12.2 m3/s，11月～翌年3月為5.6 m3/s。水力半徑法、不同頻率最枯月平均值法與Tennant法上下限較為接近，因此說(shuō)明這2種方法具有合理性。改進(jìn)年內(nèi)同頻率展步法與Tennant法下限較為接近，上限與Tennant法相差較大，但相比只區(qū)分汛期、非汛期的Tennant法，該方法生態(tài)流量年內(nèi)變化更符合季節(jié)性特征，與年內(nèi)徑流變化特征相符，因此也同樣具有合理性。3種方法相比，水力半徑法、不同頻率最枯月平均值法的生態(tài)流量過(guò)程對(duì)于工程調(diào)控和流量監(jiān)控預(yù)警更加便捷，而改進(jìn)年內(nèi)同頻率展布法則更符合河流季節(jié)性變化特征，對(duì)于生態(tài)保護(hù)與河流健康更加適宜。

圖6 生態(tài)流量過(guò)程對(duì)比線

3.2 基于水質(zhì)水量耦合模型的生態(tài)流量模擬

3.2.1 模型率定與驗(yàn)證

湟水西寧市段水動(dòng)力模型采用西寧水文站2018年1月～5月的實(shí)測(cè)流量和水位數(shù)據(jù)進(jìn)行糙率系數(shù)的率定，最終確定河道糙率系數(shù)取值為0.033～0.035；采用西寧水文站2018年6月～12月的實(shí)測(cè)流量和水位數(shù)據(jù)進(jìn)行模型驗(yàn)證工作，率定、驗(yàn)證結(jié)果見(jiàn)圖7。以水動(dòng)力模型模擬結(jié)果作為輸入條件，同時(shí)增加水質(zhì)邊界條件，選擇與水動(dòng)力模型相同的模擬時(shí)段和時(shí)間步長(zhǎng)，采用小峽橋水質(zhì)監(jiān)測(cè)斷面2018年1月～5月的實(shí)測(cè)水質(zhì)數(shù)據(jù)對(duì)擴(kuò)散系數(shù)和降解系數(shù)率定，最終確定污染物擴(kuò)散系數(shù)取值為1.0，COD和氨氮的降解系數(shù)分別為0.21～0.25 d-1、0.15～0.20 d-1；采用2018年6月～12月的實(shí)測(cè)水質(zhì)數(shù)據(jù)對(duì)模型進(jìn)行驗(yàn)證，COD濃度率定及驗(yàn)證結(jié)果見(jiàn)圖8。

圖7 西寧水文站斷面流量率定、驗(yàn)證

圖8 小峽橋斷面COD濃度率定、驗(yàn)證

根據(jù)模擬驗(yàn)證結(jié)果，西寧水文站的水位計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)值的平均絕對(duì)誤差在0.2 m以內(nèi)，其水位模擬值相對(duì)誤差為8%，流量誤差為5%～7%，且模型的計(jì)算水位和流量變化與實(shí)測(cè)值較為一致。水質(zhì)模擬結(jié)果顯示小峽橋斷面的COD和氨氮相對(duì)誤差均小于10%，模型參數(shù)基本合理，可反映出湟水西寧市段的水質(zhì)變化過(guò)程。

3.2.2 生態(tài)流量下泄方案

上述章節(jié)在考慮水量、生物棲息地等因素的前提下進(jìn)行了生態(tài)需水的計(jì)算，根據(jù)水質(zhì)水量耦合模型設(shè)定不同的西寧水文站斷面生態(tài)流量下泄邊界條件，推求新寧橋、小峽橋水質(zhì)斷面的污染物濃度值，根據(jù)污染物濃度的下降幅度，最終選擇湟水西寧段滿足水質(zhì)水量綜合條件生態(tài)需水量。

根據(jù)湟水西寧市段的實(shí)際情況及西寧市水文站現(xiàn)狀下泄流量，綜合擬定生態(tài)需水調(diào)控方案[23]。方案1為生態(tài)水力半徑法對(duì)應(yīng)的生態(tài)需水下泄方案，方案2為不同頻率最枯月平均值法對(duì)應(yīng)的生態(tài)需水下泄方案，方案3為改進(jìn)年內(nèi)同頻率展布法對(duì)應(yīng)的生態(tài)需水下泄方案，考慮工程調(diào)控方便，生態(tài)需水下泄流量均取整。由于湟水12月～翌年4月易出現(xiàn)水面凍結(jié)及河干等情況，而4月～10月考慮農(nóng)業(yè)灌溉的水量需求，對(duì)應(yīng)的生態(tài)需水下泄流量有所降低，具體下泄方案見(jiàn)表2。3種下泄方案對(duì)應(yīng)的水質(zhì)初始條件保持一致，根據(jù)水質(zhì)監(jiān)測(cè)資料，西寧水文站斷面上游的扎麻隆斷面滿足Ⅳ類水質(zhì)要求，入流水質(zhì)濃度參照GB 3838—2002《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》中的標(biāo)準(zhǔn)限值，以Ⅳ類水質(zhì)對(duì)應(yīng)污染物濃度值作為上邊界條件。

表2 西寧水文站斷面各月生態(tài)需水下泄方案 m3/s

3.2.3 生態(tài)流量模擬結(jié)果分析

3種生態(tài)需水下泄方案下，新寧橋斷面與小峽橋斷面的COD和氨氮濃度的模擬結(jié)果見(jiàn)圖9、10。3種需水下泄方案下，小峽橋斷面相對(duì)新寧橋斷面的污染物濃度下降幅度變化情況，見(jiàn)表3，下降幅度指小峽橋相對(duì)新寧橋污染物濃度的減少量與小峽橋污染物濃度的比值。

表3 新寧橋、小峽橋斷面模擬污染物COD、氨氮下降幅度 %

圖9 新寧橋、小峽橋斷面模擬COD濃度變化

圖10 新寧橋、小峽橋斷面模擬氨氮濃度變化

由表3可知，方案1中，新寧橋和小峽橋斷面污染物濃度下降幅度變化不太明顯，COD和氨氮濃度平均變化分別為3%、4%。這是由于12月～翌年4月的非汛期下泄流量較小，污染物的遷移轉(zhuǎn)化作用不明顯，污染物降解主要源于水體自凈作用。汛期與非汛期下泄流量的不同，導(dǎo)致斷面污染物濃度的不同。方案2和方案3中，新寧橋和小峽橋斷面的污染物濃度下降幅度相比方案1有所提高，這是由于方案2、3中非汛期和汛期的下泄流量對(duì)比方案1均有一定程度的增加，湟水西寧市段水體流動(dòng)性增強(qiáng)，水動(dòng)力因子促進(jìn)了水體的水量交換和污染物遷移轉(zhuǎn)化，可見(jiàn)生態(tài)需水量的增加有利于湟水河西寧段水質(zhì)的改善。

由表3還可知，不同方案兩斷面污染物濃度隨時(shí)間呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，且隨下泄流量的增加污染物濃度下降幅度越大。對(duì)比3個(gè)方案，污染物濃度的下降幅度逐漸提高，其中，方案3兩斷面COD和氨氮濃度下降幅度相比方案2提高了約1.4%、1.2%，而方案2較方案1提高了約1.3%、1.1%。但相對(duì)同一方案的不同月份，污染物濃度的下降幅度與生態(tài)需水下泄量非線性相關(guān)，隨著生態(tài)需水下泄量的增加，污染物濃度下降幅度有減小的趨勢(shì)，證明水質(zhì)改善效果在逐漸減弱。方案3相對(duì)于方案2水質(zhì)斷面中的COD和氨氮濃度在汛期有較大程度的下降，但與水質(zhì)目標(biāo)相比，污染物濃度的水平仍然較高，這是由于斷面污染物本底濃度較高，從而削弱了生態(tài)需水下泄量增加對(duì)區(qū)域水質(zhì)的改善效果。

由圖9、10可知，不同方案下兩斷面枯水期仍出現(xiàn)Ⅳ類～劣Ⅴ類水質(zhì)，主要水質(zhì)斷面污染物濃度于枯水期3月達(dá)到全年峰值，隨后逐月下降，在豐水期7月上升，10月達(dá)到全年最低值，11月～12月枯水期污染物濃度又開始呈上升態(tài)勢(shì)。一方面是由于特征污染物與地表徑流量有著較高關(guān)聯(lián)性，枯水期水量較少，水質(zhì)存在超標(biāo)問(wèn)題；另一方面湟水西寧市段呈現(xiàn)較為嚴(yán)重的污染狀態(tài)，主要污染物排放為COD和氨氮，大部分源于農(nóng)村面源污染。湟水西寧市段后續(xù)隨著引大濟(jì)湟、引黃濟(jì)寧工程的建設(shè)運(yùn)行，雖然會(huì)增加北川河和湟水干流西寧以下河段的生態(tài)水量和環(huán)境容量，但同時(shí)也會(huì)新增湟水西寧市段廢污水及污染物的入河量，進(jìn)而增加水環(huán)境壓力。

由表2、3可知，考慮斷面水質(zhì)隨污染物排放和水量變化情況，對(duì)比不同方案，方案2中1月～3月和10月～12月污染物下降態(tài)勢(shì)較為明顯，而方案3中7月～9月污染物下降幅度較大。由此可見(jiàn)，不同生態(tài)需水下泄流量方案的非汛期月份下泄流量增大能夠改善湟水西寧段水質(zhì)情況，但汛期月份下泄流量增大，污染物濃度下降幅度增加的程度有限，且小峽橋斷面污染物濃度水平始終較高，勉強(qiáng)達(dá)到斷面水質(zhì)目標(biāo)的污染物濃度限值，這是由于湟水西寧市段城鎮(zhèn)集中，COD、氨氮污染負(fù)荷較重，使斷面污染物濃度本底較高。同時(shí)，湟水西寧市段來(lái)水除了干流下泄流量外，還有很大一部分來(lái)自于主要支流匯入，主要支流的生態(tài)需水保障程度也間接影響著新寧橋、小峽橋斷面的水動(dòng)力條件，隨西寧水文站斷面生態(tài)流量下泄條件的改變，污染物遷移、轉(zhuǎn)化作用不明顯，主要仍以稀釋作用為主。此外，本次采用2018年實(shí)測(cè)月均流量作為計(jì)算條件，未能充分考慮可能出現(xiàn)的區(qū)域性極端氣候條件，導(dǎo)致少數(shù)時(shí)段可能存在來(lái)水量的差異，進(jìn)而影響水質(zhì)保護(hù)目標(biāo)。因此，綜合從滿足水質(zhì)條件和水量條件的角度，應(yīng)適當(dāng)?shù)靥岣叻茄雌谠路莸纳鷳B(tài)流量，同時(shí)考慮保障生態(tài)流量的安全性和下泄流量管理統(tǒng)一性，建議非汛期(11月～翌年3月)選擇方案2的下泄生態(tài)流量，其中11月份選擇7 m3/s，與其他月份保持一致；汛期(4月～10月)選擇方案3的生態(tài)需水下泄條件，其中4月～6月與6月保持一致，選擇17 m3/s，7月～10月與7月保持一致，選擇24 m3/s。西寧水文站斷面生態(tài)需水比選結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 西寧水文站斷面各月生態(tài)需水比選結(jié)果 m3/s

4 結(jié) 論

(1)通過(guò)對(duì)湟水西寧市段的水生態(tài)環(huán)境現(xiàn)狀從水資源、水環(huán)境、水生態(tài)的多角度分析，得出其水生態(tài)問(wèn)題在于未來(lái)枯水年、枯水期湟水水質(zhì)將面臨不穩(wěn)定達(dá)標(biāo)風(fēng)險(xiǎn)。本次還原計(jì)算后的天然流量作為生態(tài)流量的計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)，分別采取不同頻率最枯月平均值法、改進(jìn)年內(nèi)同頻率展布法、生態(tài)水力半徑法3種方法計(jì)算河道內(nèi)生態(tài)流量。通過(guò)將計(jì)算結(jié)果與《湟水流域綜合規(guī)劃環(huán)境影響報(bào)告書》中的計(jì)算結(jié)果做對(duì)比，發(fā)現(xiàn)各個(gè)時(shí)段的閾值較為相近，因此，可以得出選擇的計(jì)算方法具有一定的合理性。

(2)利用MIKE11的HD與AD模塊構(gòu)建湟水西寧市段水質(zhì)水量耦合模型，對(duì)3種生態(tài)需水計(jì)算結(jié)果下泄條件進(jìn)行了模擬，發(fā)現(xiàn)生態(tài)需水下泄流量的增加會(huì)影響河流水動(dòng)力條件和斷面水質(zhì)情況，非汛期(11月～翌年3月)水質(zhì)改善效果較為明顯，但汛期月份隨著下泄流量的持續(xù)增大，污染物濃度降低的程度有限，水質(zhì)斷面污染物濃度本底較高。綜合從滿足水質(zhì)條件和水量條件的角度，比選后提出了逐月生態(tài)流量過(guò)程。

(3)本文僅僅考慮了水量水質(zhì)因素影響，對(duì)基本生態(tài)需水進(jìn)行了計(jì)算，而河流生態(tài)系統(tǒng)是多方面的，需進(jìn)一步研究，應(yīng)針對(duì)協(xié)調(diào)滿足社會(huì)經(jīng)濟(jì)生活用水需求，從水庫(kù)、閘壩等水利工程的生態(tài)調(diào)度等方面提高河道內(nèi)生態(tài)需水保障。