蒲石河流域下游河道最小生态需水量研究

傅 尧，刘 利，段 亮，宋永会

（中国环境科学研究院，北京100012）

水是维持河流水域功能及其生态系统的前提和基础.水利水电工程的建设将对工程淹没区、河流水文情势、水生生物以及坝址下游的生态环境产生巨大影响.为保护坝址下游的基本生态需求，水利水电工程必须下泄一定的生态流量，用以保护水生生物多样性，以及生产、生活和景观用水需求.河流本身具有调节气候、补充土壤含水、调蓄洪水、排水、输沙排盐、稀释降解污染物等多种生态功能［1－2］，而人类活动也可使其功能减弱.当前我国河流水质、水量面临许多问题，诸如地下水超采、河流补给、工农业生产引水增大使河道流量减小、污染加重等.为了改善河道的生态环境质量，学术界引入了河道生态环境需水量的理论来控制或维护河道生态系统的平衡，使其能保持所需的最小水量和基本水质.

生态需水量的研究起步于20世纪40年代的美国，源于渔业生产，是为了保障其生存规定的必须保持的河流最小的生态流量；之后英国、澳大利亚等国也在定量化计算方法上开展了研究.国内的研究重点目前集中在西北干旱、半干旱地区［3］，以及黄、淮、海、辽等河流生态环境问题严重的地区［4－5］.

河流生态需水量的计算方法很多，从水文学角度出发，一般应用Tennant方法、90%保证率最枯月平均流量计算法和10a最枯月平均流量法等，但每一种方法都有一定的缺陷.本文将几种方法应用于同一个工程，并结合工程的实际情况确定其最小生态流量，也是对河流生态需水量确定方法的一种新的尝试.

1 流域环境及水电工程概况

1.1 蒲石河流域环境概况

蒲石河是鸭绿江下游右岸的一级支流，发源于辽宁省宽甸满族自治县县城以北约23km 的大川头镇大川头村四方顶西麓的龙爪沟，由北向南流经宽甸县的大川头镇、宽甸镇、青椅山镇等9个乡镇.蒲石河全长121.8km，流域面积1 212km2，地理坐标为北纬40°19′～40°56′、东经124°24′～124°53′.流域北高南低，最高点高程1 270m，河口处高程约30m，最大高差约1 200m，流域上游平均高程多为500～800m，中下游为100～500m.蒲石河河道弯曲狭窄，凹岸一般紧靠陡峻的山体，凸岸多为河漫滩，漫滩宽度50～200m，多由卵石组成.再向上是二级台地或山体，其河谷平均宽度100～200m.蒲石河河道平均比降为4‰，河床多由砂卵石组成，河岸比较稳定.蒲石河流域水系图见图1.

图1 蒲石河流域水系图

1.2 电站工程概况

蒲石河抽水蓄能电站是东北地区第一座大型抽水蓄能电站，是全国重点水电建设项目.蒲石河抽水蓄能电站分为上水库、地下厂房系统和下水库三大主体部分.其中上水库位于东洋河村泉眼沟沟首，下水库区位于鸭绿江右岸支流蒲石河下游的小孤山村王家街.电站枢纽建筑物主要由上水库及上水库钢筋混凝土面板堆石坝、引水隧洞、地下厂房枢纽及地面开关站、下水库及下水库泄洪排砂闸坝等组成.上水库有效库容1 029×104m3，下水库有效库容1 284×104m3，装机容量1 200 MW.

2 流域生态需水量计算

2.1 计算生态需水量的必要性

生态环境需水量目前还没有一个确切的定义，主要观点是以维护区域生态、生物群落的稳定为基础，维持各种功能的发挥所需的最小水量的一种耦合［6］，可分为生态需水量和环境需水量.生态需水指区域生态系统达到某种水平或维持某种生态系统平衡所需要的水量；环境需水则是指为了保护水环境、改善人类居住环境所需要的水量［7］.从河流生态系统来讲，保证一定的生态环境需水量，才能遏制水环境质量的不断恶化，保持河流在枯水期不致断流而永续利用.这就要求人们在进行水资源开发尤其是建设水利水电工程时要充分考虑生产生活用水、水生生物需水以及景观用水需求等.因此，保证一定的生态下泄流量，维护坝下河段的基本功能和生态系统稳定是水利水电工程建设中必须要考虑的一个重要问题.

水库或水电站运行过程中，受调度运行的影响，坝址下游水流流态及流量与天然河道完全不同.水利水电工程建设往往使下游河段形成减水段，河道流量减小、水生生物的生活习性及生存条件发生变化，河段内的藻类、底栖生物、鱼类等水生动植物的种类、数量和分布也相应发生变化，流域内物种多样性将呈逐年减少的态势；河道两侧的陆生植物其生存状况也会受到影响［2，6］.因此，计算水库或水电站运行期间下游河道的生态需水量是维持其生态系统安全运行的基本保障.

2.2 生态需水量计算原则

由于国内对河流生态需水的计算研究起步较晚，迄今为止，对生态环境需水量还没有一个明确的、公认统一的计算原则、标准和方法［8－9］.从生态环境的要求出发，李丽娟等认为［10］，河流系统生态环境需水量主要应包括：河流系统中天然和人工植被耗水量；维持水（湿）生生物栖息地所需的水量；维持河口地区生态平衡所需的水量；维持河流系统水沙平衡、水盐平衡的入海水量；保持河流系统一定自净能力的水量；保持水体调节气候、美化景观等功能而损耗的蒸发量；维持合理的地下水位所必需的入渗补给水量等.目前为多数学者认可的河道最小生态需水量是指为维系和保护河流的最基本生态功能不受破坏所必须在河道内保留的最小水量，其理论上由河流的基流组成.

根据蒲石河流域环境现状，水电站坝下河段生态环境需水量需满足3方面的要求：①使坝下河段生态系统维持稳定所需要的基本水量；②维持坝下河段水环境质量保持自我降解能力所需的最小水量；③维持地下水位动态平衡所需要的补给水量.蒲石河抽水蓄能电站坝下河段内虽然没有需要重点保护的野生鱼类，但保证坝下河段内水生动植物最基本的生存、繁衍环境，应该是计算生态环境需水量要考虑的重要因素.

2.3 生态需水量计算

2.3.1 Tennant方法

Tennant方法是目前国内外应用最为广泛的一种方法［11］.Tennant法也叫Montana法，以预先确定的年平均流量百分数作为河流推荐流量，美国将这种方法作为设定非现场测定类型的一种标准方法［12］.Tennant分析了美国境内11条河流断面的流量数据后发现，如果河道内流量低于多年平均流量的10%，那么河流的生态环境将遭到严重破坏；如果要保证水生生物自由生存，需要达到多年平均流量的30%.因此，基于Tennant方法，将多年平均流量的10%作为河道流量的最低下限（基流）.

Tennant方法推荐的基流分为汛期和非汛期，推荐值以占流量的百分比作为标准，详见表1.

表1 Tennant方法的流量描述

根据蒲石河流域1958—2002年45年的水文资料，利用Tennant法计算的坝址下游的生态需水量结果见表2.

表2 生态需水量计算结果

坝址下游河道生态需水量最适宜的流量是13.7～22.9m3／s.一般用水期（10—3月），坝下游生态基流量需达到2.29m3／s以上，才能避免坝下游生态系统受到破坏；而在鱼类产卵育幼期（4—9月），适宜生态需水量需达到6.87m3／s以上，这是适合种群进一步发展的水量，能够维持种群数量的稳定并呈增加的态势，此时的水量能够为水生生物提供一个适宜的生境.

根据Tennant法的计算原则，河流多年平均流量的10%是为防止生态退化的最小流量，因此，Tennant法估算的蒲石河水电站坝下的生态流量应为2.29m3／s.

2.3.2 90%保证率最枯月平均流量计算法

该方法需要利用河流的多年流量资料建立一系列的月流量时段曲线，然后依据河流自身的特性及其生态环境功能（如水生生物的不同发育阶段对水量的需求等），确定河流每月多年平均值的百分比，以此作为该月的河流生态需水量.

根据蒲石河砬子沟水文站45年径流资料分析，90%保证率下最小生态需水量的计算结果见表3.由表3可见，最小生态需水量为1.32m3／s.

表3 蒲石河下游90%保证率下最小生态需水量

2.3.3 10a最枯月平均流量法

10a最枯月平均流量法是在美国7Q10法的基础上发展而来的，即是保持河道稀释污染物所需的最小流量，也可称为“自净需水量”［13］，这是一个从考虑河流水质角度出发的计算方法.我国自20世纪70年代引入后，在许多大型水利工程建设的环境影响评价中都得到了应用，并将10a最枯月的平均流量作为一项规定写入了《制订地方水污染物排放标准的技术原则与方法》（GB3839－83）中.本文根据蒲石河下游1993—2002年10a中最枯月平均流量（见表4）分析计算的最小生态流量为1.74m3／s.

表4 1993—2002年蒲石河下游月平均流量表 m3／s

2.4 计算结果与分析

水利水电工程的生态下泄流量要从坝址下游的生态环境、生产生活及景观用水等几个方面的用水量来综合考虑.应用Tennant法、90%保证率最枯月平均流量计算法和10a最枯月平均流量法对蒲石河下游河段的河道生态需水量进行分析，计算得出的最小生态需水量结果分别为2.29，1.74和1.32m3／s.

根据蒲石河流域环境现状，加之其为北方河流，一年中水量变化比较大，从近10a下游月平均流量表（见表4）可见，河流月平均水量最大可达177m3／s，最小仅为0.29m3／s，这就需要在选取最小生态需水量时留有一定的余地.电站建成后，对坝下河段生态环境需水量的计算，既要满足河道中水生生态系统的稳定，又要保证河流水环境质量的良好，因此，建议选用1.74m3／s作为蒲石河抽水蓄能电站下游河道的最小下泄流量较为合适，这样既满足了河流的自净需水量，同时也满足了河流的最小生态环境需水量.

3 结论

本文应用Tennant法等三种方法对鸭绿江支流蒲石河电站下游河段最小生态需水量进行了计算，结合蒲石河的水文情势和环境状况，选取10a最枯月平均流量法计算的结果1.74m3／s作为该电站下游河段最小生态需水量.北方的河流受季节的影响，流量变化较大，其最小下泄流量也要分别从河流自净需水量及最小生态环境需水量两个方面考虑，所以将10a最枯月平均流量法和90%保证率最枯月平均流量计算法相结合用于北方河流最小下泄流量的确定是比较适合的.

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