太子河流域河道内生态需水分区估算研究

2011-05-21李国强张士杰彭文启谭红武

中国水利水电科学研究院学报 2011年1期

李国强，张士杰，彭文启，谭红武

（中国水利水电科学研究院水环境研究所，北京 100038）

1 研究背景

对处在修复进程中的退化河流来说，保障河道内生态需水是生态修复的重要前提条件。河道内生态需水阈值实际上应表达为其主要水生生物向适应的流量过程，但生物目标改变时，河道内生态需水阈值也随之变化。在河流生态系统中，水文情势的变化决定了大多数生态过程、有机物、营养物以及细菌等的变化速率［1］；有证据表明，水文情势的变化促进了物理和化学条件在时间和空间上的多样性［2］；水文情势的5个核心组成部分，包括水流的变异性、变化幅度、变化频率、变化速率、持续时长以及发生时间，是水生态系统完整性以及生物多样性维持的关键要素［3-4］。

在流域尺度上，河道内生态需水的目标随着空间位置的不同有所变化；另外退化河流的生态修复具有阶段性，消除引起河流退化的干扰源，如水环境恶化和水文情势改变，与经济社会以及科技水平的发达程度密切相关。通常来说，解决水环境恶化问题大致能够预期，而消除或者改善水文条件需要更长的时间表，河道生态需水目标随时间也在发生变化。由此，分区、分时是河道内生态需水研究的必然选择。

退化河流中分区生物目标具有两层含义：一是随空间位置变化，河流生态系统本底特征改变，产生分区生物目标；二是随修复进程，不同干扰类型消除进度不同产生的分区生物目标。对于前者，国内外众多研究者根据生态水文原理，采用土地利用、土壤、自然植被和地形等自然因素，对河流生态系统本底特征进行了生态水文分区［5-8］；然而，对于后者还没有相关研究出现。由于退化河流往往处在“三生”用水竞争激烈的流域，水资源开发与河流生态系统保护的冲突在相当长的时间内仍将持续［9］，生态需水保障更多的时候要服从于流域水资源管理的要求，但是国内的生态需水研究很少加以考虑，多是针对特定类型的水生态系统［10-15］。因此在退化河流生态修复的初期，针对与生态修复进程相适应的河道内生态需水目标，研究河道内生态需水对退化河流的生态修复尤为重要。

为此，本文以太子河流域为例，尝试进行了以生态需水估算分区为基础的河道内生态需水估算研究。太子河流域所在的辽河流域是国家重点进行水体污染治理的“三河”之一，在“十一五”阶段已经开始了污染控源工作；随着治理措施效果的显现，太子河干流水质状况将逐渐好转，水生态系统将逐渐得到恢复，太子河流域为典型的处在修复进程中的退化河流。本文首先以流域内水生态系统及其影响因素为研究对象，对水体及其周围陆地所在的空间单元进行的分类与整合，作为生态需水目标确定及分区、分期生态需水估算的基础；再根据现阶段生态修复进程，采用水文学法进行了河道内生态需水估算。

2 研究区概况

太子河流域位于122°23′-122°53′E，40°28′-41°39′N之间（图1），全境位于辽宁省境内，流域面积1.39×104km2。太子河全长413km，流经本溪、辽阳及鞍山三市，于三岔河口与浑河汇合后经大辽河入海。太子河属温带大陆性季风气候，多年平均气温在5～8℃之间，多年平均蒸发量1100～1600mm，多年平均降水量748mm，由东南向西北递减。太子河流域的降水大多集中在汛期，其中6—9月降水量约占全年的75%，7—8月降水量约占全年的50%以上。流域的径流补给主要来自于降水，暴雨是太子河流域降水的主要组成部分，地表径流具有明显的季节性特征。太子河流域多年平均径流量为36.8亿m3，总用水量为18.75亿m3，其中农业用水量为8.86亿m3，工业用水量为7.61亿m3，生活用水量为2.28亿m3。太子河流域处于长白、华北、内蒙3个植物区系交汇地带，流域东部山区植被主要为次生针阔叶混交林及其次生蒙古栎林；流域中部丘陵区位强烈干扰后形成的阔叶林矮林；流域西部的平原区为一年一熟农业植被及草甸区。太子河流域工、农业均比较发达，工业以冶炼、石油化工等重工业为主，集中分布在本溪市区、辽阳市区以及鞍山市区；流域内分布有浑沙灌区、辽阳灌区等多个大型灌区，是我国重要的商品粮基地。

3 研究方法

生态需水估算分区主要采用GIS技术，以ArcGIS软件的水文模块进行流域水系划分，再将地形、水系、植被及土地利用等专题图进行空间叠加处理，以定性分析和专家判断法确定分区边界。河道内生态需水采用水文学法进行估算。

本研究使用的植被数据来源于中国植被图集（1∶100000），在ArcGIS中进行数字化处理；水生态现状数据来源于辽宁师范大学2010年8月的实地监测数据；土地利用现状图来自辽宁水利水电科学研究院根据2006年TM影像解译，土地利用分类采用中国科学院资源环境数据中心建立分类系统中的3级分类；地形地貌数据采用90m分辨率DEM数据；1958-2006年水文系列数据、2006年流域用水数据以及污染源及污染物排放数据来源于辽宁省水文局。

4 结果及分析

4.1 生态需水估算分区特征生态需水估算分区首先以流域生态水文特征进行一级分区，分区指标为地形、水系、植被及土地利用，分区间与植被、土地利用等属性具有明显差异，表现出不同的生态水文特征；其次根据太子河干流水质现状特征进行二级分区，二级分区包含的干流段表现出统一的水质时空分布，分区时考虑水功能区划及水质控制目标；再次根据流域用水特征、污染源分布、排污强度、行政区划以及水生态现状特征，将太子河一级支流的集水区进行整合，整合时首先考虑排污强度的相似性，其次考虑污染源分布的集中程度，最后考虑行政区划的一致性。

太子河流域生态需水估算分区图见图2，分区特征见表1。根据地貌、土壤类型、植被以及土地利用等特征进行的生态需水估算一级分区与孟伟等［16］在对太子河流域的生态水文分区基本保持一致，反映了太子河流域本底生态水文特征。

在11个分区中，观音阁水库上游区及库区没有污染源分布，人类活动较少，河道内水文过程保持天然状态，水生态完整性良好，因此可不考虑进行生态需水估算；从观音阁水库下游区至海城市区，人类活动逐渐增加，水质状况逐渐变差；本溪城区有大量工业企业，枯水期水质超标；辽河城区及下游各生态需水估算分区，枯水期水体污染状况加重，每年4—5月的融冰期及灌溉期出现不同程度的水质超标。受水体污染影响，各河段浮游、底栖生物及鱼类均以较耐污的种类为优势。

分区的目的是为进行太子河干流河道内生态需水估算，根据上述各分区现状特征以及太子河干流水文站空间分布，确定各分区河道内生态需水估算代表断面见表1。根据以上特征，太子河干流现阶段生态需水目标可以确定为改善水质，保障环境流量，同时兼顾恢复近自然水文节律。

4.2 太子河流域水文系列分析水文系列分析的目的是筛选适合于太子河干流河道内生态需水估算的水文数据。太子河干流两大控制性水利枢纽，1974年葠窝水库建成运行，1994年观音阁水库建成运行，太子河干流水文情势及水文节律先后受到了葠窝水库及观音阁水库的控制。

表1 太子河流域生态需水估算分区特征

图3反映了观音阁水库对太子河干流水文情势的影响。在1994年以前，由于4、5月融雪使河道内水量增加，平水期4、5月流量高略于6月，而主汛期发生在8月。观音阁水库建成后，在5月为葠窝水库下泄农业灌溉用水，5月与6月流量差距有所增加；在汛期，由于防洪和蓄水的需求，7、8月流量明显减少；除1994—2006年受连续枯水年的影响外，9月流量变化不大。从长系列水文数据上看，观音阁水库的运行对水文节律的影响较小，但加大了4、5月与6月的流量差距，并使汛期尤其是汛末期流量明显降低。图4反映了葠窝水库以及葠窝水库与观音阁水库联合调度对太子河干流水文情势的累积影响。葠窝水库建成运行后，水文情势发生了很大的变化。4月份融雪使流量增加的现象被大量增加的引水掩盖，5月流量接近甚至超过了汛期流量，汛末期9月的流量已经接近了枯水期流量。

从以上水文系列分析中可以看出，与自然水文情势相比，现状太子河干流水文情势已经发生了根本性的变化。由于经济社会发展的要求，在相当长的时间内，葠窝水库与观音阁水库联合调度，为工、农业用水服务的现象无法改变。在水生态系统及水生生物要求自然水文情势，以及经济社会要求更多的用水双重约束下，太子河干流生态需水的估算适合采用1956—2006年最长系列的水文数据进行，该系列数据兼顾了受两大水库建成前的近自然水文情势以及建成后经济社会对水资源的需求。

4.3 太子河流域河道内生态需水估算

（1）河道内生态需水估算方法分析。本研究采用太子河干流小市、本溪、葠窝、辽阳、小林子和唐马寨6个水文站1956—2006年实测流量系列，逐月估算生态需水；7、8月份（洪水期）：参考蒙大拿法的生态学原理，以同期多年平均流量的20%作为生态需水；4、5、10、11月的平水期及6月的汛前期及9月的汛后期，参考全国水资源综合规划等国内相关规划、导则中生态流量估算方法，采用P=75%月均流量（即月保证率法）作为生态需水；1、2、3、12月枯水期采用P=75%月均流量与多年平均流量10%比较后取外包，各月生态需水不低于多年平均流量10%，以满足蒙大拿法的最小生态需水量要求。

对水质超标的分区，超标时段恢复自然水文节律并能够增加生态需水量，其中3月、12月本溪及下游各站，4月葠窝、辽阳及小林子水文站，5月各断面，采用1958—1973年水文系列（葠窝水库建设前）P=75%保证率月均流量，可达到恢复自然水文节律并增加生态需水量，改善水质的要求；辽阳水文站实测流量受观音阁及葠窝水库调度的叠加影响，葠窝断面至辽阳段灌溉引水量较大，断流现象出现频率较高，实测流量过程不能用于生态需水估算；考虑到辽阳段水质污染较重，且有饮用水源取水口，故移用葠窝水文站数据进行生态需水估算。

（2）河道内生态需水估算结果分析。太子河干流河道内生态需水估算结果见表2。各站逐月河道内生态需水量均大于等于国家规定的纳污能力计算的设计水文条件，在污染物入河总量满足总量控制的前提下，能够保障干流水质达标；同时从图5可以看出，估算结果过程线与1958—1973年近自然水文节律基本一致，对太子河干流水生态修复具有重要作用。估算的各站年生态需水量占年径流量的30%左右，比较现状河道内流量与估算的河道内生态需水，汛期的生态需水基本能够得到满足；但非汛期生态需水的保证率在75%左右。由于太子河流域现状用水量约占多年平均径流量的50%，通过观音阁水库以及葠窝水库的联合调度，能够在不影响现有水资源利用格局的前提下，通过合理的水资源优化配置，实现生态需水要求。

表2 太子河干流河道内生态需水估算结果

5 结论

根据以上分析得到以下几点认识：（1）根据太子河流域地形地貌、水系、植被、土地利用，太子河干流水质以及流域用水结构、污染源分布及排污强度、行政区划等特征，太子河流域被分为11个生态需水估算分区；现阶段生态需水的首要目标为改善水质；次要目标为尽可能恢复天然的水文节律，以保障太子河干流水生态系统基本功能的维持；（2）太子河干流水文情势受观音阁水库以及葠窝水库的叠加影响；两水库联合调度改变了天然水文节律，农业用水使水库下泄水量接近汛期水量；河道内生态需水的估算适合采用1956—2006年最长系列的水文数据进行，该系列数据兼顾了受两大水库建成前的近自然水文情势以及建成后经济社会对水资源的需求；（3）根据太子河干流小市、本溪、葠窝、辽阳、小林子和唐马寨6个水文站1956—2006年实测流量系列，逐月估算生态需水；各站年生态需水量占年径流量的30%左右。

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