典型北方季节性河流生态需水量研究

翁传松，刘德富，张佳磊，龚 川，沈旭舟

(湖北工业大学土木建筑与环境学院，武汉 430068)

0 引 言

随着我国社会经济的增长以及人口的快速增加，对于水资源的竞争也愈加激烈。相对于工业及生产制造业，农业种植业作为水资源消耗的最大产业对我国经济起到举足轻重的作用[1]，据统计2017年我国农业需水占全年供水量的60%以上[2]。对于我国北方而言，由于常年少雨导致河流水资源匮乏，同时为满足农业灌溉用水，河流来水通过水库调节后经渠道(或管道)被大量引走，由此使得河流水量大幅度减少，与此同时，河流水文过程也发生了较大程度的变化。河流水量的减少，降低了水环境容量，在一定程度上加剧了水环境污染的局面[3]。

生态需水量研究一直是生态学、水文学等多个领域研究的热点之一，是解决水资源基本配置的重要手段[4]。美国渔业与野生动物保护组织于20世纪40年代就提出相关概念，研究主要集中在使河流恢复完善的生态系统方面，主要方法有水文学法、水力学法、栖息地法和综合法[5]。水文学法是最基础也是最为简便的方法，最初是由生态学家与工程学家根据多年野外观测、实践、分析所总结提出的，具有快速低成本，不需要现场考察实测等优点，最常用的水文学法有Tennant 法、Texas法。冯夏清等[6]采用Tennant 法对浑河中下游河道进行生态需水量评价，得到较为合理的结果，但是该方法精度不高，在径流与生态关系不明确的情况下具有较大的误差，因此不适于直接计算某一河段的生态需水量；水力学法适用于较为稳定的河道内，以水力学参数(湿周、宽度、流速等)和生态环境关系为基础来确定稳定河道内生态需水量，最常用的水力学法有湿周法及R2Cross 法。吉利娜等[7]通过从断面对湿周影响的角度出发，分析不同断面形态下湿周-流量关系，结果表明:南水北调西线一期工程所在流域采用该方法会使结果偏小；栖息地法又称生境模拟法，是基于关键物种的水文状况与生物响应关系为基础，通过流量、断面、生物等数据构建生境适宜性曲线，主要包括IFIM法和CASIMIR法。但是该方法所需数据精度高，操作复杂，普适性较差，因此该方法在我国的应用具有一定的局限性[8]；综合法是基于研究区域生态环境整体出发，着眼于生态环境效益及社会效益等多个方面，需要考虑河道内泥沙、流量、河床形状、地下水等多个因素，最后综合专家意见提出一个最优的推荐值。该方法主要包括南非的BBM法[9]，但由于该方法需要广泛的专家意见，时间周期长，成本高且计算结果不精确，因此国内对该种方法借鉴较少[10, 11]。国内对于生态需水的研究起步较晚，但发展较快，主要方法有10月最枯月平均法、最小月平均流量法、逐月频率计算法以及水质目标法等[12]。近些年又有不少研究学者针对国内季节性河流提出了新的生态需水量计算方法。阳书敏等[13]针对南方季节性河流提出一种BOD与COD水质-水量耦合关系模型方法并得到实证；杨访弟等[14]对西北季节性河流分汛期的输沙量因素和非汛期水生生物因素进行研究，使该地区水资源得到有效利用；李想[15]以吉林省季节性河流为例研究干支流水文补偿特性和规律计算了该流域水资源可利用量。以上生态需水量的研究分析了我国南北方季节性河流的特点并考虑了水质、汛期/非汛期和河流水文等因素，可为本文洋河流域生态需水量的计算提供理论依据，但上述季节性河流生态需水量的研究并未考虑到当地农业用水灌溉等因素的影响。

洋河流域一直以来作为京津冀绿色农副产品的保障基地，不仅为该地区带来可观的经济收入也为周边地区提供了安全、绿色的果蔬产品。据统计1957-2012年间洋河多年平均天然径流量为4.74 亿m3,而2003-2012十年间洋河平均天然径流量仅为1.93 亿m3。由于洋河流域水资源总量少，水资源开发利用较高，供需矛盾突出。近年来洋河干流呈现出频繁“断流”现象，水资源量严重不足且该流域点面源污染十分严重，部分干流指标未能达到“水十条”要求，严重影响了当地农业经济的发展，给生态环境带来了极大的隐患。因此面对洋河流域水资源问题，既要考虑水量水质问题，还应关注农业灌溉问题，笔者将通过水文学法及水质目标法计算出洋河流域最小、适宜及理想生态需水量，利用Cropwat模型计算出目标区域内农作物需水量，并通过改进上游水库调度方式给予洋河流域农作物充足的水源，为维持北方季节性河流生态系统经济、社会和环境综合效益的发挥提供技术支撑。

1 材料与方法

1.1 研究区域概述

洋河属海河流域永定河水系上游的一条支流，该河流起源于内蒙古自治区察哈尔右翼前旗与兴和县的东、西洋河，流经张家口市在怀来县夹河村附近与桑干河汇合一同注入官厅水库，是典型的季节性河流[16]。张家口市地处河北省西北部，位于东经113°50′～116°30′、北纬39°30′～42°10′[17]。该流域属半干旱大陆性季风气候，受到西北气流的控制，冬春两季多风少雨雪，气候干燥；夏秋两季受偏南海洋暖湿气流控制，雨水相对较多，全年降雨量约400 mm且降雨量年际变化明显，雨水分配不均，河道常因此出现“断流”现象， “十年九旱”是张家口市的典型气候特征[18]。张家口市水资源储备严重不足，多年平均水资源量约为22 亿m3，多年平均人均占有量为399 m3，约为全国平均值的1/5，仅为世界平均值的1/20，因此该地区水资源极为匮乏[17]。

友谊水库位于尚义县与内蒙古自治区兴和县交界处，为永定河水系上游最主要的水利枢纽工程，控制流域面积2 250 km2，总库容为1.16 亿m3，可调洪库容0.39 亿m3，溢洪道最大泄流量为2 384 m3/s，是一座以防洪、灌溉为主，兼顾水产养殖的大(2)型水利枢纽工程[19]。

图1 洋河干流典型水文站点及监测断面Fig.1 Typical hydrological stations and monitoring sections of the main stream of Yanghe River

洋河流域共有国控监测断面及大小水文站点几十座，本文选取沿洋河干流从上至下游具有代表性的4个断面：左卫断面、响水铺断面、鸡鸣驿断面和八号桥断面，如图1所示。选取2013-2016年流量、流速、水质等数据对洋河进行河道生态需水量计算。

1.2 洋河流域生态需水量计算方法

1.2.1 Tennant 法

Tennant 法[20]，又称为蒙大拿法，该方法是建立在多年历史水文数据之上构建流量与栖息地之间的关系，将每年平均流量的10%作为河道内维持生物多样性的最基本的流量，也称最小生态需水量(表1)。但是由于该方法并未考虑水量的年内分配，因此该方法只适用于最初对优先度不高的河段计算，本文将其作为对其他方法的一种检验，公式为：

(1)

式中：Wt为河道环境需水量；Mi为一年内第i个月多年平均流量；Ni为第i月份的推荐基流百分比。

表1 Tennant 法对河流生态需水推荐标准Tab.1 Tennant recommendation criteria for river ecological water eemand

各月用水量占年度总量的比例如式(2)所示[6]：

(2)

式中：Ri为各月用水量比例，下标i为月份；Wij为第j年第i月天然河道径流量；Wj为不同j年度天然河道总径流量；n为天然径流量统计年数。

1.2.2 最小月平均流量法

最小月平均流量法，是以河流最小月平均实测径流量的多年平均值作为河流的基本生态环境需水量，公式为[21,22]：

(3)

式中：Wb为河流基本生态需水量，亿m3；T为换算基数，T=31.536×106；n为统计年数；Qij为第i年第j月的月平均流量，m3/s。

1.2.3 防治河流水质污染的生态需水量

以水质目标为约束手段，考虑河段上游污染物浓度、河段内排出的污水量以及污染物在河段内的衰减系数可以综合得到河段水质控制目标下的需水量[23]，如下(4)所示：

(4)

式中：Q0为某一河段内需水量，m3/s；Wp为排污量，g/s；q1为排污流量，m3/s；Cs为控制浓度，mg/L；S1为排污口排出的污染物浓度，mg/L；K为污染物综合衰减系数，1/d；u为断面流速，m/s；C0为河流上游来水中污染物浓度，mg/L；x为河流上下断面间的距离，km。

1.2.4 河道外作物需水量

CROPWAT模型是联合国粮农组织(FAO)研发的一款作物需水量模型[24, 25]，可对各种作物的参考作物蒸发蒸腾量ET0，作物蒸发蒸腾量ETc进行计算。CROPWAT模型模拟作物需水量所需的输入参数包括气象数据、土壤数据和作物数据，其中气象数据包括：气温、降水、风速、日照时间和湿度。计算作物需水量一般采用FAO推荐的Penman-Monteith计算并利用CROPWAT进行模拟，如下(5)～(7)所示：

ETc=EToKc

(5)

其中：

(6)

CWR=10ETc

(7)

式中：ETc为作物总蒸散发量，mm；ETo为参考作物蒸发蒸腾量，mm；Kc为作物系数；Δ为饱和水汽压与温度相关区县的斜率，kPa/℃；Rn为作物表面净辐射量，MJ/(m2·d)；G为土壤热通量，MJ/(m2·d)；r为湿度计常数，kPa/℃；T为平均气温，℃；Pa、Pd分别为饱和、实测水汽压，kPa；V2为2 m高处的风速，m/s；CWr为作物单位面积需水量，m3/hm2；10为单位转换系数，将作物总蒸散发量ETc的单位mm转换为m3/hm2)。

1.2.5 资料来源

本文资料均来源于《中华人民共和国水文年鉴—海河流域水文资料(第3卷)》。

2 计算结果与分析

2.1 基于水量条件考虑洋河生态需水量

全国流域中北方流域由于水文条件时空差异显著导致年均降雨量分布不均，河道内生态系统冬季温度较低，一些河道长期处于冰封状态对需水量要求较低；随着温度不断升高，生态系统对水量的需求也不断攀升，本文所运用的最小月平均流量法由于未考虑到流域径流的时间变化特征，因此为充分了解河道需水量随时间变化以保证河道基本生态需水量，根据河流典型断面及水文资料采用各月径流量占年度总径流量的比例来表示各断面天然径流时间变化，如图2所示。

12月-次年2月，年内径流量占年度总量比例较小，左卫、响水铺、鸡鸣驿和八号桥断面所占比例分别为1.92%、5.20%、5.19%和13.26%，因此本文将12月-次年2月设定为洋河干流枯水期，3月-11月为丰水期。考虑我国北方河流的特性以及鱼类产卵、农业种植因素，本文将在最小月平均流量法得出洋河干流最小环境需水量的基础上，设定其140%，160%分别为适宜生态需水量和理想生态需水量，若某一断面最小生态需水量小于实测天然径流量的10%时，以实测天然径流量的10%作为该断面结果，最终计算结果如表2所示。

图2 洋河干流各断面径流量年内分布Fig.2 Annual runoff distribution of the main stream of Yanghe River

表2 洋河干流各断面生态需水量计算结果 亿m3

表2是基于水量因素考虑下洋河干流生态需水量计算结果，其结果表明：研究期间左卫断面由于在枯水期(12月-次年2月)、丰水期(3月-11月)均出现河道断流现象，因此该断面生态需水量所得结果在丰水期及枯水期相同，除左卫断面外响水铺、鸡鸣驿和八号桥断面生态需水量在丰水期均大于枯水期；在不考虑水质情况下，各断面实测多年平均年径流量均能够满足洋河干流最小生态需水量的要求。

2.2 基于水质条件考虑洋河生态需水量

当水量满足河道生态需水量要求时，若水质条件不达标依然会导致生态系统遭到破坏，水质污染严重，水体内水生生物因栖息地遭受破坏无法生存甚至死亡，岸坡水生植物无法生长。因此在计算生态需水量时不仅需要考虑水量问题，水质问题不能忽视。张家口市人民政府于2016年印发关于《张家口市水污染防治工作方案》即“水十条”，其总体目标是拟于2020年张家口市水环境质量得到改善，第二阶段目标即2018年至2020年：全市河流水质优良(达到或优于Ⅲ类水)比例总体达到70%以上，丧失使用功能(劣Ⅴ类)水体断面小于10%左右[26]。

表3 2018年8月洋河干流各断面水质情况 mg/L

表4 COD环境需水量 万m3

表环境需水量 万m3

2.3 考虑作物生态需水量

洋河流域作为京津冀绿色农副产品保障基地，同时又是我国粮食主场区。据《2016年张家口市经济年鉴》表明，粮食作物占所有作物类别比例高达73%，其次为薯类、蔬菜、油料和豆类，如图3、图4所示。

图3 2016年张家口市农作物种植面积Fig.3 Crop planting area of zhangjiakou in 2016

图4 2016年张家口市农作物种植比例Fig.4 Crop planting proportion of zhangjiakou in 2016

考虑到洋河干流典型断面的位置，选取洋河上游-下游沿岸怀安县、万全县、张家口市、宣化区、怀来县、涿鹿县6个区县，以谷子(4月-8月)、玉米(5月初-9月)、胡麻籽(4月底-8月底)、西红柿(3月初-7月)、马铃薯(3月-7月)5种主要作物为例进行作物需水量计算，各区县作物需水量如表6所示。

表6 2016年各区县作物需水量 万m3

如表6所示，玉米需水量在各区县所占比重最大，占有量为4 371 万m3，其次为谷子、马铃薯、西红柿和胡麻籽，它们的需水量分别为512、331、29、18 万m3。为保障各区县作物正常生长需从洋河干流引水灌溉，按典型断面丰水期对各区县进行引水，则水量供应对比如表7所示。

表7 水量供应对比表 亿m3

2.4 生态需水量方法验证与分析

为明确洋河干流生态需水量计算的合理性，本文采用Tennant 法对基于水量水质考虑的生态需水量结果进行验证，计算结果如表8所示。

表8 不同方法对生态需水量的比较 亿m3

在保证河流基本生态需水量的情况下，洋河作为该流域最大的一条干流，为周边区县农业种植业不断提供水源。通过作物需水量的计算得出若以左位断面为引水口对怀安县、万全县进行引水则不能满足当地作物需水要求，水量亏缺值为0.006 亿m3；响水铺，鸡鸣驿和八号桥断面则能满足作物丰水期需水量。因此为满足怀安县、万全县作物需水要求因从上游水库进行调水，2016年丰水期友谊水库水位过程线如图5所示。针对2016年怀安县、万全县作物需水亏缺值，友谊水库在其丰水期应向下游补给0.006 亿m3的水源。依据上述友谊水库调度方式，适量增加水源补给，在给当地居民带来可观经济效益的同时还可以改善水质，平衡土壤水盐关系，促进鱼类繁殖等[28]，对河道生态环境起到积极的作用。洋河干流作为北方典型季节性河流，与其他北方以种植业为主的流域有许多相似之处，因此在计算北方季节性河流生态需水量时可为当地职能部门提供技术支撑。

图5 2016年丰水期水库水位过程线Fig.5 The water level process line of the reservoir during the 2016 high water season

3 结 论

(2)在水库供水方面：依据2016年友谊水库丰水期(3-11月)水位过程线及相关资料得出其可调洪库容为0.39 亿m3；在作物需水方面：本文选取的五种主要作物其生长周期为3月初-9月均位于洋河流域丰水期(3月-11月)内，利用CROPWAT模型计算了洋河流域主要区县农业作物的需水量，提出了基于保障洋河流域作物灌溉问题生态需适量的计算，得出友谊水库需向下流补灌0.006 亿m3水源才能满足作物需水要求。

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