周晨暉

(塔城水利設(shè)計研究院有限公司,新疆 塔城 834700)

1 生態(tài)需水的內(nèi)涵

1.1 生態(tài)需水的概念

由于生態(tài)需水的復(fù)雜性,目前并未形成統(tǒng)一的概念。在國內(nèi)外現(xiàn)有的研究中,學(xué)者對生態(tài)需水的界定多達(dá)幾十種。我國1990年的《中國水利百科全書》將生態(tài)需水定義為“改善水質(zhì)、協(xié)調(diào)生態(tài)和美化環(huán)境等的水量”;由中國工程院組織43位院士和近300位院外專家參加完成的《21世紀(jì)中國可持續(xù)發(fā)展水資源戰(zhàn)略研究》認(rèn)為:廣義的生態(tài)需水量,是指“維持全球生物地理生態(tài)系統(tǒng)水分平衡所需用的水,包括水熱平衡、水沙平衡、水鹽平衡等”;狹義的生態(tài)需水量,是指“為維護(hù)生態(tài)環(huán)境不再惡化并逐漸改善所需要消耗的水量”[1]。

1.2 生態(tài)需水的特性

1.2.1 時空特性

首先,生態(tài)需水具有時空變化的特征,不同時間和空間的生態(tài)需水具有差異。例如:生態(tài)需水在年內(nèi)和年際之間有所變化,干旱區(qū)、濕地、湖泊、林地和綠洲等生態(tài)分區(qū)所需的生態(tài)水量也不相同。因此,在保證一定時間內(nèi)的總生態(tài)需水量的同時,也要確保生態(tài)需水在不同區(qū)域之間分布的合理性。

1.2.2 質(zhì)量共存特性

生態(tài)需水也是水資源,作為水資源應(yīng)同時具備“質(zhì)”、“量”特性,“質(zhì)”、“量”缺一不可。近年來,隨著人類活動的不斷加劇,水環(huán)境質(zhì)量逐漸下降,水質(zhì)污染已成為目前急需解決的一大難題。因此,在保證生態(tài)需水總量得到滿足的前提下,更要滿足生態(tài)環(huán)境的水質(zhì)的要求。

1.2.3 動態(tài)變化特性

生態(tài)需水的本質(zhì)是維持某種生態(tài)系統(tǒng)平衡所需要的水量,如:滿足微生物、植物、動物等生命體對水量的需求。然而,各類生命體的生物特征總在不斷演替、動態(tài)變化,因此,動態(tài)變化是生態(tài)需水的一大顯著特性。

1.2.4 特定目標(biāo)特性

由于生態(tài)系統(tǒng)的功能具有多樣性且系統(tǒng)內(nèi)物種繁多,各物種對生態(tài)需水的要求各不相同。因此,生態(tài)需水規(guī)則的制定應(yīng)針對某一特目標(biāo),在確定生態(tài)需水量之前,應(yīng)當(dāng)先確定生態(tài)保護(hù)目標(biāo)。

1.2.5 閾值特性

生態(tài)需水具有一定的變動范圍,在此變動范圍內(nèi)可使得生態(tài)系統(tǒng)基本功能不被破壞。因此,存在一個臨界值,生態(tài)系統(tǒng)在臨界值范圍內(nèi)時能夠維持現(xiàn)狀;當(dāng)超越此臨界值,系統(tǒng)的某些基本功能就會明顯減弱,系統(tǒng)健康就會受到損害并趨于惡化甚至衰亡[2]。

2 國內(nèi)外研究進(jìn)展

2.1 國外研究進(jìn)展

國外對生態(tài)需水的研究可追溯到20世紀(jì)40年代,美國魚類和野生動物保護(hù)協(xié)會對河道內(nèi)需水進(jìn)行研究;20世紀(jì)60～70年代,研究者采用了河道內(nèi)需水法來計算景觀河流的需水量;同時探討河道最小需水及其確定方法,并取得了初步性研究成果;在20世紀(jì)80年代初期,生態(tài)需水分配研究的雛形在國外形成,生態(tài)需水計算方法逐漸完善[3]。

國外早期的生態(tài)需水研究以滿足河流的航運功能而進(jìn)行;隨著河流污染問題的加劇,國外學(xué)者開始對最小可接受需水進(jìn)行研究;隨著人類活動的加劇和水環(huán)境的惡化,河流生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能遭到破壞,為恢復(fù)河流生態(tài)系統(tǒng)功能,生態(tài)可接受流量范圍的研究逐漸展開[4-5]。

2.2 國內(nèi)研究進(jìn)展

我國對生態(tài)需水的研究始于20世紀(jì)后期,研究者在引進(jìn)國外生態(tài)需水計算方法的同時,結(jié)合國內(nèi)實際,發(fā)展了諸多適用于國內(nèi)地區(qū)的生態(tài)需水計算方法,取得了較大的進(jìn)展。如:2005年,鮑衛(wèi)鋒等建立了不同標(biāo)準(zhǔn)下的生態(tài)需水分類體系,并以西北黃土高原地區(qū)延安市為例,詳細(xì)計算了河道內(nèi)及河道外生態(tài)需水;2007年,董福平等在分析不同級別的流量出現(xiàn)頻率的基礎(chǔ)上,提出了計算河流生態(tài)用水的方法[6-7]。上述方法為生態(tài)需水的準(zhǔn)確計算及后續(xù)研究提供了思路。2012年,韓振華等構(gòu)建了識別性生態(tài)需水計算模型,對閩江流域非汛期、魚類產(chǎn)卵期、汛期3個時段的生態(tài)需水進(jìn)行了計算,為其水資源和水環(huán)境的綜合治理提供了參考[8]。從以上研究可看出,近年來生態(tài)徑流量的研究正日趨成熟。

3 生態(tài)需水計算方法

目前,計算生態(tài)需水的方法主要有水文學(xué)法、水力學(xué)法、棲息地法和整體分析法。

3.1 水文學(xué)法

水文學(xué)方法計算生態(tài)需水時是基于某一頻率的流量,該方法是我國計算生態(tài)徑流量較為常用的方法,此方法計算簡單,可使計算結(jié)果和水資源規(guī)劃更好地結(jié)合,雖需要時間序列比較長的流量資料,但較易獲得,因此常被運用于實際計算中。

3.2 水力學(xué)法

水力學(xué)方法計算生態(tài)需水時,首先需要收集現(xiàn)場數(shù)據(jù),通過數(shù)據(jù)分析來建立流量與棲息地因子之間的相關(guān)關(guān)系,根據(jù)此相關(guān)關(guān)系來確定生態(tài)需水。該方法需要現(xiàn)場數(shù)據(jù),需要較長的時間和較大的人力和物力,但該數(shù)據(jù)的測量較為簡單,獲取相對容易,也被學(xué)者運用于計算中。

3.3 棲息地法

棲息地法目前被認(rèn)為是最可信的評價方法,該方法計算生態(tài)需水時,是基于某特定的物種對水力條件的要求,進(jìn)來求得生態(tài)需水量。該方法遵循生物原則、一般以某種特定的生物為研究對象,可定量化地將生物資料和需水量進(jìn)行結(jié)合,因此比起其他方法更可信。

3.4 整體分析法

該方法是從研究區(qū)生態(tài)環(huán)境整體出發(fā),集中相關(guān)學(xué)科的專家小組意見,通過綜合研究河道內(nèi)流量、泥沙運輸、河床形狀與河岸帶群落之間的關(guān)系確定流量的推薦值,并要求這個推薦值能夠同時滿足生物保護(hù)、棲息地維持、泥沙沖淤、污染控制和景觀維持等整體生態(tài)功能[9]。

4 實例分析

4.1 工程概況

托里縣廟爾溝鎮(zhèn)金塔區(qū)供水工程位于托里縣境內(nèi)的柳樹溝河上,是一座以城鎮(zhèn)生活和工業(yè)用水為主,兼顧綠化用水的綜合供水工程。供水工程由取水工程和輸水工程兩部分組成,取水工程為柳樹溝渠首工程,輸水工程為暗渠結(jié)合管道。

擬建渠首工程位于柳樹溝河出山口處,壩址斷面多年平均徑流量為1190×104m3,年可取水量為417.7×104m3,引水流量0.28 m3/s,正常運行水位850.0m,20a一遇洪峰流量45.1 m3/s,設(shè)計洪水位851.01m,50a一遇洪峰流量60.6 m3/s,校核洪水位851.23m。

輸水工程總長19.625km,設(shè)計流量為0.28～0.139m3/s。其中渠首至分水池段,全長7.23km,設(shè)計流量為0.28m3/s;分水池至水廠段,全長10.545km,設(shè)計流量為0.219～0.139m3/s;水廠至金塔區(qū)輸水管道總長1.85km,設(shè)計流量為0.262m3/s。

托里縣廟爾溝鎮(zhèn)金塔區(qū)供水工程建成后可以保障柳樹溝河下游廟爾溝鎮(zhèn)金塔區(qū)、招金北疆礦業(yè)和廟爾溝鎮(zhèn)金塔區(qū)周邊綠化用水要求。

4.2 流域概況

柳樹溝河發(fā)源于加依爾山東南坡,河流平、枯水期河水主要靠泉水及河道側(cè)滲補給,汛期則由積雪融水和降水補給河流,河流流程長,沿途下滲、蒸發(fā)量較大,河流到下游出山口后水量逐漸減小。河流出山口以上區(qū)域,河流發(fā)育較顯著,河道下切較深,岸邊比較規(guī)則,寬度變化不大,河床較穩(wěn)定,河道平均坡降19.6‰。出山口以下河段,河流切開山前洪積扇后流向南,最后散失于洪積扇緣潛水溢出帶的沼澤、濕地。以擬建水源工程渠首處為控制斷面,河長77km,集水面積1851km2。斷面多年平均徑流量為1080×104m3。

4.3 生態(tài)環(huán)境概況

加依爾山位于莫湖臺洼地的南緣,最高點海拔2026m,山脈呈東北-西南走向,西南端與瑪依勒山連接,東北端尖滅于鐵木耳達(dá)門谷地,區(qū)域中部分布有許多山間封閉洼地。

海拔1500m以上區(qū)域,在整個流域內(nèi)所占面積較小,由于地勢高,西來水汽受阻易形成降水,年降水量200～300mm,夏季氣候涼爽,牧草繁茂,是優(yōu)良的夏牧場。山體陰坡和河谷內(nèi)主要混生有云衫、柳樹、白樺、苦楊等喬木和灌木混生林,另外在西南部的博依達(dá)斯怕依附近零星分布有小面積的灌木叢林。

海拔1500m以下至出山口低山丘陵區(qū)域,山體地勢低,降水減少,氣候干燥,風(fēng)大,山體破碎,巖石裸露,風(fēng)蝕地貌尤為明顯。本區(qū)域主要為冬牧場和少部分春秋牧場,地表植被以蒿屬和旱生灌木為主,呈干旱荒漠草原景觀,只在山間溝谷生長有柳樹、白樺、苦楊等喬木林。

出山口以下區(qū)域,地貌類型以平坦的沖積平原為主,本區(qū)域由于地勢較低,加上準(zhǔn)噶爾盆地地形的強烈影響,氣候干旱,年降水偏少,風(fēng)沙較大(處在風(fēng)口地帶)。由于該區(qū)域為谷地兩側(cè)山地河流匯集之地,水源補給充沛,地下水位高,分布有一定面積的沼澤、濕地,林草豐茂,是較好的冬牧場和打草場。植被主要由小喬木、梭梭灌木超旱生植物群落組成。

4.4 生態(tài)保護(hù)目標(biāo)確定

加依爾山山頂平坦,夏季涼爽多雨,牧草繁茂,是優(yōu)良的夏牧場;中山地帶的上部土壤類型為山地栗鈣土和灰色森林土,陰坡和河谷分布有云杉、白樺、柳樹林;中低山帶降水減少,土壤為棕鈣土。地表植被以蒿屬和旱生灌木類為主,山間溝谷生長有少量苦楊、柳樹等喬木林。

由此可見,本工程所在區(qū)域內(nèi)除云杉、白樺、柳樹林、灌木類植被外,并無需要特殊保護(hù)的動物或水生物。因此,可確定生態(tài)保護(hù)目標(biāo)為區(qū)域內(nèi)的各類植物。

4.5 生態(tài)需水計算

4.5.1 計算方法

通過對比前述各種生態(tài)需水計算方法可知:

1)水文學(xué)法是的優(yōu)點是不需要現(xiàn)場測定數(shù)據(jù),簡單快速。雖然未考慮生物需求和生物間的相互作用,但對于無特殊保護(hù)要求的生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)較為適用。

2)水力學(xué)法包含了更多更為具體的河流信息,只需進(jìn)行簡單的現(xiàn)場測量,數(shù)據(jù)容易獲得。但未能考慮河流中具體的物種不同生命階段的需求;該方法主要適用于小型河流或者流量很小且相對穩(wěn)定的河流、泥沙含量小,水環(huán)境污染不明顯的河流,且推薦的流量是主要為了滿足某些無脊椎動物以及特殊物種保護(hù)的需要。

3)棲息地方法生物學(xué)基礎(chǔ)牢固,在水力學(xué)的基礎(chǔ)上考慮了水量、流速、水質(zhì)和水生物種等影響因素,比前兩種方法更具靈活性,但需要投入相當(dāng)多的時間、資金和專門技術(shù),需要的生物資料常常難以獲得。

4)綜合法克服了棲息地法只針對一、二種指示生物的缺點,強調(diào)河流是一個生態(tài)系統(tǒng)整體,是目前最為合理的一種方法。但是該法需要的人力、物力是最大的,費用最高,數(shù)據(jù)最多,使其應(yīng)用受到一定的限制。

本工程所在區(qū)域內(nèi)保護(hù)目標(biāo)為流域內(nèi)的各類植被,并無需要特殊保護(hù)的動物或水生物,維持河道現(xiàn)狀穩(wěn)定需保證具有一定的生態(tài)基流,因此可采用水文學(xué)法計算生態(tài)需水。

4.5.2 生態(tài)需水計算

生態(tài)基流指維持水生生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定、基本功能不被破壞所需的最小水量,一般應(yīng)大于或等于多年平均流量的10%。廟爾溝鎮(zhèn)金塔區(qū)供水工程實施后,擬建渠首斷面以下河段徑流量將減少,為不影響下游河道生態(tài)環(huán)境,本次擬建渠首斷面以下生態(tài)基流按以下原則下放:豐水期(4月～6月)按多年平均流量的30%、枯水期(7月～翌年3月)按多年平均流量的10%進(jìn)行下放。渠首斷面多年平均年月徑流量統(tǒng)計表見表1。

表1 渠首斷面多年平均年月徑流量統(tǒng)計表

擬建渠首斷面處多年平均年徑流量為1212萬m3,多年平均流量為0.532m3/s,則枯水期(7月～次年3月)生態(tài)基流≥0.0532m3/s,汛期(4～6月)生態(tài)基流≥0.160m3/s,各月生態(tài)基流計算成果表見表2;各月生態(tài)需水計算結(jié)果見表3。

表2 各月生態(tài)基流計算成果表

表3 各月生態(tài)需水量計算成果表

5 結(jié) 論

托里縣廟爾溝鎮(zhèn)金塔區(qū)供水工程位于托里縣境內(nèi)的柳樹溝河上,由取水工程和輸水工程兩部分組成。該工程實施后,擬建渠首斷面以下河段徑流量將減少。為不影響下游河道生態(tài)環(huán)境,本次擬建渠首斷面以下生態(tài)基流按以下原則下放:豐水期(4月～6月)按多年平均流量的30%、枯水期(7月～翌年3月)按多年平均流量的10%進(jìn)行下放。擬建渠首斷面處多年平均年徑流量為1212萬m3,多年平均流量為0.532m3/s,經(jīng)計算,枯水期(7月～次年3月)生態(tài)基流≥0.0532m3/s,汛期(4～6月)生態(tài)基流≥0.160m3/s。通過采用水文學(xué)法對工程生態(tài)需水進(jìn)行計算,可為工程建設(shè)和運行提供理論依據(jù)。