桑干河最小生态环境需水量分析

邢广军，田景丽

（河北省张家口水文水资源勘测局，河北张家口075000）

桑干河最小生态环境需水量分析

邢广军，田景丽

（河北省张家口水文水资源勘测局，河北张家口075000）

桑干河自册田水库建库以来，地表径流几近消失。为恢复桑干河昔日生机，首先需要确定其最小生态环境需水量。使用分项计算法和Tennant法进行了桑干河最小生态环境需水量的确定，并指出桑干河水生态环境逐步恶化的原因。

生态基流；生态环境需水量；分项计算；Tennant法

1 问题的提出

册田水库建成后，拦截了上游来水，导致中下游年径流量急剧变小，河床抬高，行洪能力变弱，桑干河河道的游荡特性更加明显，大部分河床裸露，河面越来越窄。在基本失去基流的情况下，河道逐渐失去了其基本的功能和用途。为恢复桑干河生机，首先需要确定其最小生态环境需水量，之后才能进行后续的水生态环境恢复工作。

2 桑干河生态环境现状

过去的桑干河水量充沛、水面宽阔、波光粼粼、鱼翔浅底，过河需要摆渡，清澈的河水像玉带一样蜿蜒在阳原、宣化、涿鹿和怀来大地上。著名作家丁玲的《太阳照在桑干河上》便是桑干河涿鹿县一带人民的美好生活写照。

20世纪六七十年代后，桑干河流域内又兴起水土保持，建成一批大中小型蓄水工程和堤防工程，拦蓄了雨水径流。自1997年后，桑干河内许多河段基本上处于断流的状态，沿岸农田饱受干旱影响，河道不规范采砂现象日益严重，裸露的河床和岸坡面目全非。随着年径流量急剧减少，昔日的河滩被围垦变成了农田，河道被无节制占用，导致河道行洪能力不足，一旦发生洪水，可能引发严重的洪涝灾害。随着经济的不合理增长，本被破坏的生态环境也随之更加恶化。

3 最小生态环境需水量计算

3.1 计算方法遴选

根据桑干河流域历史资料积累情况，本次河道内生态环境需水量采用分项计算分析法和Tennant法进行计算分析，并对这两种分析结果进行综合评定，确定河道内最小生态环境需水量值。

3.1.1 分项计算分析法

河道内生态环境需水量包括河道生态基流、改善水质需水量、通河湖库湿地生态需水量、水生生物需水量、河道泥沙输送需水量、冲淤保港和防潮压咸需水量等。分项计算就是先求出各项需水量，然后按照一水多用原则综合确定河道内生态环境需水量。

对桑干河而言，由于只考虑河道内最小生态环境需水量，所以不涉及改善水质需水量、通河湖库湿地生态需水量、水生生物需水量等，河道内最小生态环境需水量可只包括河道生态基流和河道泥沙输送需水量。

（1）河道生态基流。河道生态基流是指为维持河床基本形态、防止河道断流、保持水体天然自净能力和避免河流水体生物群落遭到无法恢复的破坏而保留在河道中的最小水（流）量，采用n年（n≥10）最小月平均流量法计算，其计算公式为：

式中：WE为河道生态基流（m3）；Qi为n年最小月平均流量（m3/s）。

根据桑干河的实际情况，从维持桑干河河道基本形态以及保证一定基流量、维持桑干河一定的稀释自净能力和基本的生态环境等方面考虑确定桑干河生态基流。桑干河建库前、后和现状年最小月平均流量统计的多年最小月平均流量均值分别为11.3、3.20、0.422 m3/s，从结果可以看出册田水库截流后桑干河内多年最小月平均流量变化非常大，因此确定桑干河河道内最小生态环境需水量（河道生态基流）只能以建库前的多年最小月平均流量为基准，即11.3 m3/s。根据式（1）计算，可知河道生态基流WE=3.563 6×108m3。

（2）河道输沙需水量。河道输沙需水量是指保持河道水流泥沙冲淤平衡所需水量，主要与河道上游来水来沙条件、泥沙颗粒组成、河流类型及河道形态有关。桑干河属河床比较大的山区河流，一般情况下水流处于非饱和输沙状态。为了输沙排沙、维持冲刷与侵蚀的动态平衡，需要一定的生态环境需水量与之相匹配，因此可用多年最大月平均含沙量代表水流对泥沙的输送能力来计算输沙需水量，输沙需水量可用下式计算：

式中：WS为年输沙需水量（m3）；Sl为多年平均输沙量（kg）；SCW,max为多年最大月平均含沙量（kg/m3）。

根据桑干河的实际情况，从维持河道水沙平衡、保证输沙排沙来考虑确定河道输沙需水量。桑干河建库前、后和现状年年输沙量为4 877×104、151×104、7.39×104t，年最大月平均含沙量为147.5、50.9、37.9 kg/m3。建库前、后和近期输沙需水量计算结果，见表1。

表1 建库前、后和近期输沙需水量比较

由表1可知，建库前的时段比较符合桑干河输沙需水情况，建库后和近期受水利工程控制输沙量和平均含沙量都受到较大影响，不再具备代表性，因此选择建库前的输沙需水量作为桑干河的输沙需水量，即WS=3.306 4×108m3。

（3）分项计算分析法最小生态环境需水量确定。比较河道生态基流和河道输沙需水量可知前者大于后者，因此河道最小生态环境需水量应取河道生态基流量3.563 6×108m3。

需要说明的是，对于桑干河而言，蒸发量和河道输沙需水量不是一个数量级，人工景观用水一般采用地下水或中水，本次分析论证暂不考虑。

3.1.2 Tennant法

Tennant法将全年分为2个计算时段，根据多年平均流量百分比和河道内生态环境状况的对应关系，直接计算维持河道一定功能的生态环境需水量。Tennant法中，河道内不同流量百分比和与之相对应的生态环境状况见表2。

表2 不同流量百分比对应的河道内生态环境状况（部分）

根据Tennant法，维持河道一定功能的年需水量计算公式如下：

式中：WR为多年平均条件下维持河道一定功能的年需水量（m3）；Mi为第i月天数（d）；Qi为第i月多年平均流量（m3/s）；Pi为第i月生态环境需水百分比。

将1 a分为2个计算时段即4—9月为多水期、10月—次年3月为少水期，不同时段流量百分比有所不同。少水期选取多年平均流量的20%，多水期选取多年平均流量的40%作为河道生态环境需水量，计算结果见表3。

表3 Tennant法不同时期需水量计算结果

经分析，选取3.215 1×108m3作为Tennant法计算的桑干河最小生态环境需水量。

3.2 桑干河最小生态环境需水量的确定

根据分项计算分析法和Tennatn法比较，结合桑干河实际情况，确定分项计算分析法结果WE= 3.563 6×108m3为桑干河生态环境需水量。而近期最小年径流平均值为0.133 1×108m3，只占生态环境需水量的3.7%，缺口为3.430 5×108m3。

4 结语

桑干河最小生态环境需水量的巨大缺口，造成了桑干河目前逐步恶化的水生态环境形势，恢复桑干河水生态环境的第一步便是补充生态基流。因此，需要通过各种符合自然规律的方式为河道补充生态基流，逐步达到最小生态环境需水量的目的。

[1]SL/Z 479-2010，河湖生态需水量评估导则（试行）[S].

[2]芮孝芳.水文学原理[M].北京：中国水利水电出版社，2008.

[3]梁忠民.水文水利计算（2版）[M].北京：中国水利水电出版社，2008.

TV213.4；X821

A

1004-7328（2017）04-0015-03

10.3969/j.issn.1004-7328.2017.04.005

2017—03—11

邢广军（1970—），男，高级工程师，主要从事水文水资源分析研究工作。