大凌河水资源可开发利用率研究

2019-03-26孙良

水利技术监督 2019年2期

孙良

(葫芦岛市水资源管理办公室，辽宁葫芦岛 125000)

满足工业、农业、生活用水是长期以来河流水资源开发利用的根本出发点，而对河流消耗的水资源及其生态系统本身却不够重视。特别是在半干旱半湿润区的辽河流域，随着经济发展与城镇化建设的不断推进，使得并不充沛的水资源供需矛盾更加紧张，河道泥沙淤积、季节性断流、局部地区过渡开采以及不合理水资源配置等用水问题日趋突出，并对生态文明建设构成严重的威胁。在水生态问题持续恶化的条件下，对水资源可开发利用率的相关研究逐渐被提出，探讨分析具有较大开采潜力的东北部河流有助于缓解该区域严重的水生态矛盾。生态需水量研究的内容主要包含对水资源开采利用现状、水文地质条件、环境气候、社会经济发展和生态环境等内容。当前，开展与此先关的有关研究仍处于起步阶段，对河流生态需水量的基本内涵、确定原则、方法以及保证防护措施等方面仍需要进一步的深入研究。对于不同时期的河道仅仅以最小生态需水作为阈值并不能保证生态环境所需的水资源，而应存在一定的径流可变区间[1- 2]。

通过长期的观测流量变化所引起的生态系统的改变进行最佳适宜性流量的判断和估算，其优点是能够对流量变化引起的河流环境与生态响应程度进行细致深入的分析探讨，但需要多个学科和专家的参与，对数据和资料的依赖性较大，且使用难度较高；湿周法和R2-CROSS法是在水力学研究系统中具有代表性的方法，其基本计算依据是基于对、水深、流速、河宽和湿周等相关水文参数的收集和计算，并利用Manning公式进行所需水力参数的测量和获取，其优点是仅对现场进行简单的测量，而对物种-生境关系数据的要求不大，其数据的提取和获得容易，但是对季节性河流的流量确定不准，无法揭示季节性变化特征；水文学法即历史流量法其典型措施有Tennant、7Q10和Texas法，并属于非现场类型，是依据历史流量资料进行河流的推导计算，确定河流的最小标准流量，此方法具有易操作、计算简单等优点，但是因对河道实际情况过于简化，对河道信息、生物参数的相互影响分析较少，往往适用于优化度不高的河段；栖息地法最为典型方法有IFIM法，优点是能够将河流流量和生物信息资料向结合，更能符合实际情况，但对定量化生物信息获取较难，故该方法的推广和应用受到一定限制[3- 5]。

本文以大凌河为例结合该区域水资源开发的主要方式，对河流潜在开发需求进行估算，并探讨分析不同时期的径流可变区间，以期为促进大凌河水资源合理开发与规划提供一定决策依据。

1 研究方法

1.1 聚类法理论

在我国东北部地区的河道径流通常存在较为明显的枯水期、汛期、汛期前与后等季节性特征，本文对大凌河流域按照聚类法与三分法划分为平水期、枯水期和汛期径流特征。聚类法是按照物以类聚的原理将一些列变量进行相关类别的划分，然后根据亲疏关系进行第二次合并，以此循环往复最终得到数据差异较小的同一类别，而对于不同类别之间存在较大的差异。

满足河流基本生态环境功能的径流区间主要有天然最小和最大月均径流，水生生物在此区间范围经过了较长时间的适应，并且能够维持正常的群落结构，而不会发生不可恢复的生态系统破坏。在枯水期大型水电工程会放水增加下游河道径流，从而形成增水河段，在此作用下下游河段小水电引水和大水电放水并进一步形成增水减弱河段。所以，水电站蓄水与放水作用可对水文情形产生较为明显的改变，并大于径流可变区间。

1.2 计算流程

以多年平均月径流作为径流分期的数据基础，然后利用SPSS软件和各月径流数据进行聚类的分析，并得到河流枯水、平水以及汛期3个阶段。对河道径流可变区间在不同时期的变化范围按照下式进行求解：

(1)

(2)

(3)

(4)

在满足河道径流可变区间的条件下，根据可利用水资源占径流总量的比例确定大型水电工程对水资源的可开发利用率。

2 实例应用

2.1 大凌河概况

大凌河流域，大小支流交错，全长398km，面积约为2.35万km2，是辽宁省生活用水及工农业用水的主要供给来源。资料显示，该流域降水量主要集中在每年的7—9月，约占全年降雨量的62.7%，年降水量约为450～810mm，径流量约为16.67亿m3，属于大陆性季风气候区，年平均温度为8.5～12.7℃。

选定科学合理的水文站点是影响水资源可开发利用评价精确性的关键，故本文结合大凌河水文资料，并考虑了朝阳水文站的地形地貌特征，选取该水文站1985—2010年的逐月径流记录作为历史径流数据来源。近年来，主要水资源开发活动及其规划主要集中在大凌河河流的中上游区域，而朝阳水文站是给区域的主要观测站，因此对该流域上中上游水资源开发活动规模可通过下游河道的生态需水阈值的核算进行有效的约束，并为水资源规划与开发提供一定参考[6]。

2.2 径流分期特征分析

根据大凌河朝阳水文站多年径流数据资料，获取该流域分期聚类结果及其多年月均径流量数据[7]，见表1。由表可知，每年的11月—次年5月、6月和10月、7—9月分别为大凌河流域的枯水期、平水期和汛期，分别持续7个月、2个月、3个月，相应的径流总量分别占全年的62.5%、19.4%和18.1%。

表1 径流分析与径流可变区间

2.3 水资源可开发利用率

以同期平均径流量为基准，在枯水、平水和汛期大凌河的径流可变区间分别处于58.0%～180.5%、45.5%～216.2%、37.8%～195.0%。年内动态变化较大的为河道最小生态需水，并且处于同期的37.8%～58.0%范围；占生态需水平均径流最大和最小的时期分别为枯水期、丰水期，年内最大洪流变化区间相对较小处于180.5%～216.2%范围。

大凌河可利用水资源与最小生态需水量年际变化范围为20.8～533.2m3/s和30.1～325.4m3/s；可利用水资源量和河道最小生态需水量最大与最小值分别发生在9月、2月，如图1所示。

图1 大凌河可利用水资源与最小生态需水分布状况

以大凌河朝阳水电站为研究对象，每年的6—10月份该水电站完成需水，并在枯水期进行放水。在汛期和平水期，该水电站最大可需水量为满足生态需水后的可利用水资源量，所以约60.5%的汛期和平水期径流量可作为该水电站的需水量，并以此作为该河流的水资源可开发利用率。如果在枯水期这部分水资源在下游河道释放后，则各月份最大洪流和水文情形模拟结果如图2所示。

图2 大凌河模拟径流量

河道的最大洪流在枯水期均小于河道的模拟径流，这可能与河道生态系统功能与结构在枯水期遭到破坏等因素相关。换言之，对于具有较为明显的丰枯季节性河流，仅仅从河道最小生态需水的角度是无法保证水资源开发活动的合理规划的，同时还要考虑最大洪流和最小生态需水的河道径流可变区间特征。以朝阳水文站为例，对枯水期河道径流满足最大洪流约束时的增加空间进行分析，结果为45.2～130.6m3/s，可增加河道径流量为12.5亿m3，在汛期和平水期水电站能够需水的最大量即为该径流量。所以，河道最大洪流在满足枯水期的约束条件下，可开发利用水资源为径流量的18.6%。满足平水期和汛期的最小生态需水量的可开发利用率要大于满足枯水期河道最大洪流的条件下，通过对比分析两种结果，可为区域水资源开发活动提供一定参考与依据[8]。

2.4 结果分析

大凌河流域具有明显的丰枯特征，并且由于引水工程建设较为滞后，使得该区域长期存在工程型缺水问题。大量水资源在汛期无法得到充分利用，而在枯水期无法满足冬春农业灌溉用水，不利于流域下游区域的农业发展。近年来，许多中小型水利工程陆续修建，在季节性调水方面发挥了较大作用，在一定程度上缓解了大凌河河流的水文情势。下游河道最大径流量在汛期呈现出逐渐减小的趋势，而在枯水期最小径流量呈现出增大的趋势[9]。

在水利工程调节作用下，枯水期增加的河道流量可有助于缓解下游区域冬春季节的农业灌溉用水压力，然而河道径流量在农业灌区引水口和工程设施放水口之间可出现急剧增加的变化趋势，甚至可能发生径流量大于最大洪流的情况，进而对河流生态系统与完整结构造成一定的破坏。目前，水利工程的建设运行和发展规划往往只是考虑了最小生态需水，而对季节性放水可能造成的超过下游河道最大洪流的状况考虑相对较少。

水力学法、水文学法、水文-生物法、综合分析法以及环境功能设定法通常为河道生态需水计算的方法。在河流前期规划阶段要求精度不高的生态需水核算方面，水文学法具有较强的适用性与可行性。在我国其他流域水文学法也得到了较为广泛的应用，传统的水文学法在长期的应用过程中通常是对最小生态需水进行估算。然而，对于特定的生态环境水生生物具有相应的耐受范围，在最小生态需水研究方面未来应对其上、下界限做深入的探讨，并考虑可变区间的作用。因此，本文对河道径流阈值和动态性方面考虑引入河道径流可变区间估算法，具有较强的科学性与可靠性，对于引导流域水资源开发活动可根据可变区间核算成果进行设定[10]。