河道生态需水量分析及计算方法研究

余艳华

（新疆鼎耀工程咨询有限公司 新疆乌鲁木齐 830001）

在梯级水电站实现更安全的防洪保障、更大的发电效益、以及提供优质供水的同时，其强大的径流调节能力亦对河流的天然生态系统造成空前的压力。引水式与混合式电站进行引水发电、堤坝式电站进行调峰运行将造成坝下河段减水；河道外用水水利工程如引水、调水及供水等也会使得下游河道减水。河道水文情势发生改变将对该河道生产、生活用水、水生生态与河道景观等带来一系列负面影响。为确保河流基本生态需求，水利水电工程须进行一定生态流量下泄，并将之纳入到工程水资源配置中加以统筹考虑，方可确保河流水电动能经济规模及水资源配置与“绿色”发展方向保持一致。因而，如何对河流生态需水进行确定、评价，也已成为各级相关政府部门与众多学者所关注的问题。

1 河道生态需水量分析

河道生态需水量包括河道外生态需水，主要指维护陆地生态系统功能所需水量，由降水直接补给和水利工程提供；河道内生态环境需水，指维护河流基本功能（生态、环境、冲沙等）所需水量，主要包括河道（包括河口）生态基流、河流水生生物需水、维持河流一定稀释净化能力、保持河道水流泥沙冲淤平衡和湖泊湿地生态所需的水量。根据对象和河道功能需求可以分为：

1.1 生态基流：保持河道不断流，具有维持水生生态最低生存的水流条件；

1.2 水生生物需水：包括水生生物（河谷林、鱼类等）自身生长和维持栖息地环境所需水流条件；

1.3 维持水体一定稀释自净能力所必须维持的最小环境基流（水）量，维护水功能；

1.4 防止河流泥沙淤积所需水量：维持河道基本形态；

1.5 河口生态需水：维持河口地区生态系统完整和功能；

1.6 湖泊湿地生态需水：维持湖泊湿地一定规模和基本功能确定生态流量需要科学性和动态性。

2 河道生态需水量计算方法

从上述我们可以发现河道生态需水量仅是基于某一具体河段且具有不可确定性。河道需水量，简言之，它在一定范围内波动，一般情况下具有两个端点值，即最小需水量与最大需水量。若河道流量小于最小需水量抑或是高于最大需水量，便会对该河流的某种生态功产生影响。目前我国关于河道生态需水量计算方法尚处于起步阶段，关于坝下游最小下泄流量确定方法主要有以下几种方法。

2.1 河道外植被需水量-间接计算法（改进的彭曼公式）

在非充分灌溉条件下或水分不足时，采用改进的彭曼公式：

2.2 河道内水生生态需水量—有水文学法、水力学法、组合法、生境模拟法、综合法及生态水力学法

2.2.1 水文学法是以历史流量为基准，通过水文指标来实现对河道生态环境需水量的确定。Tennant法、河流最小月平均径流法为目前国内最为广泛应用的水文学法。

Tennant法：即以水文资料为基础，通过年平均径流量百分数来实现对该河道内流量状态加以描述。

表1 护鱼类、野生动物、娱乐和有关环境资源的河流流量状况

式中：Wb—河流的基本生态需水量，亿立方米；

Qij—第i年j月的月平均流量，m3/s；

n—统计年数；

T—换算系数，值为31.536×106s。

2.2.2 水力学法，即根据栖息地的保护类型相关标准而设定的模型，其中主要包括湿周法与R2-CROSS法。

湿周法：该方法将湿周作为栖息地质量标准，对临界栖息区域关系曲线加以绘制，并根据所绘制的湿周流量关系图中转折点来对河道的推荐流量值进行确定。

R2-CROSS法：此法以河宽、流速、平均水深及湿周率等相关指标来实现对该河流栖息地保护水平进行评估，以确定该河流的目标流量。其中：湿周率指某一过水断面在某一流量时的湿周占多年平均流量满湿周的百分比。

2.2.3 组合法（水文——生物分析法）

此法采用多变量回归法，通过建立物种生物量、环境条件等初始生物数据间的关系来对生物对该河流流量需求以及流量变化对生物物种的影响进行判断。

2.2.4 生境模拟法

此法通过模拟指示物种所需水利条件来对河流流量进行确定。将水深、流速、基质及覆盖物模拟成流量变化对该河道物种种类、数量及分布产生影响的重要因素。对指示物种在流速与水深等适宜要求进行调查，并绘制相应的环境参数与喜好度间的适宜性曲线。将河道横断面分隔成W的q个部分单元，而后以适宜性曲线为参照来对各部分水位喜好度、流速喜好度、河面覆盖喜好

最小月平均径流法：通过对该河道数年最小月平均实测径流量平均值加以计算并将计算所得值作为该河道的基本生态环境需水量，例如：度以及基质喜好度进行确定。可将本文下述公式用于对各断面与各指示物种的权重可利用面积(WUA）的计算。Ai表示宽度w，长度为两相邻断面距离阴影部分水平面积。

式中：Ai—宽度为w，长度为两个相邻断面距离的阴影部分的水平面积。

对不同流量下WUA进行计算，并绘制WUA与流量曲线，其中WUA越大，则表明该流量下生物的生境越适宜。

2.2.5 综合法：典型代表为BBM法，此法以河流生态系统整体为基础，并纳入专家意见以对该河流流量、泥沙运输、河床形状及河岸带群落间关系进行综合研究。

2.2.6 生态水力学法：此法以水生生物对水力生境的适应来确定所需流量，即生境模拟法。

2.3 河流水环境维持最小稀释净化所需水量

2.3.17 Q10 法：此法以90%保证率最枯连续7天平均水量为河流最小流量设计值。

2.3.2 稳态水质模型：以河流的每一个排污口为河段分界线，将河流概化为多个河段，对一般内陆河段，污染物允许排放量的公式为：

对潮汐河段和河网化河段，污染物允许排放量的公式为：

2.3.3 环境功能设定法：此法以该河流水质保护的相关标准与污染物排放浓度为基础来推算与该河流自净、稀释等环境功能相符合的需水量。通过将河流分成i小段，将各小段作为独立的闭合汇水区，通过水质模型与水量平衡法来实现对河道各段需水量Qvi(i=1,2,…,n,）的计算与求和，即可得出该河流环境需水量。

3 结语

目前，国内在生态需水量方面的研究尚处于起步阶段，因而还未形成一个公认的系统的方法。而对其计算的方法理论框架较多，实际应用还需要不断地完善。国外对生态需水量的研究开始较早，也提出来很多方法和理论，但其是否与我国国情相符还需要进一步的讨论。为了满足河道水生态环境最小需水量要求,保持最小下泄流量极为必要。尤其在近年来越来越多的水电站工程的建立，对河道下游的水生态系统造成了不同程度的影响，因此，最小下泄流量就变得极为重要。

[1]崔起,于颖.河道生态需水量计算方法综述[J].东北水利水电，2008(282）:44-46.

[2]环评函〔2006〕4号.关于印发《水电水利建设项目河道生态用水、低温水和过鱼设施环境影响评价技术指南（试行）》的函.

[3]崔瑛,张强,陈晓宏,江涛.生态需水理论与方法研究进展[J].湖泊科学.2010(04）.