湟水河谷典型支沟置换挤占河道内生态水量研究

刘柏君，崔长勇，王林威，侯保俭

(黄河勘测规划设计研究院有限公司，河南 郑州 450003)

1 研究背景

青海是国家级战略资源接续和储备基地，是稳藏固疆、经略西部的国家战略安全要地，也是河湟文化发祥地[1- 2]。湟水河谷是青海省政治、经济、交通、文化中心地区，以仅占全省2.9%的土地面积，3.5%的水资源量，支撑了全省58%的人口、57%的GDP和54%的耕地面积。随着国家西部开发战略深入推进、“一带一路”战略的实施及《兰西城市群发展规划》落地，湟水河谷将形成城市群集约高效开发、大区域整体有效保护的大格局，以西宁为中心的城市群将承载全省70%以上的人口，2040年地区经济总量将超万亿元，区域用水需求将快速增长[3- 4]。

青海省东部地区生态地位独特，是青藏高原生态屏障的核心组成部分，国家对其提出了更高的要求[5- 6]：“加大生态修复力度，大力发展生态绿化，维护生态屏障安全”。湟水两岸支沟承载着区域生活、工业、农业用水，支沟水资源开发程度逐年增加，河道内生态需水受挤占严重，难以保证河道内所需生态水量，导致支沟水生态形势更加严峻。通过其他水源进行置换，成为了释放受挤占河道内生态水量的有效方式之一。姜斌和夏朋通过调研南水北调工程受水区不同省市挤占农业与生态用水情况，分析了受水区挤占农业与生态用水的返还方案，从政策、法规方面提出了返还保障措施[7]。付其鲁等分析计算了德州市2008、2014年2个水平年的城市用水和工业用水挤占农业用水和生态用水量[8]。孙建光和韩桂兰对塔里木河流域被挤占的干流绿洲生态水权进行了研究，探究了挤占期，为确定塔河流域挤占干流绿洲生态水权归还和经济补偿提供依据[9]。张发斌采用党河干流地表水向敦煌市供水的方式，研究了市区地下水源置换的问题[10]。可以看出，针对置换挤占河道内生态水量问题并未开展系统、深入的研究。因此，本文通过分析典型支沟水资源与水生态情势，探究河流水资源与水生态问题；基于河道内生态需水量分析结果，提出一种计算置换挤占河道内生态水量方法，从而获取湟水河谷典型支沟河道内置换水量。

2 典型支沟水资源与水生态情势分析

本次在湟水河谷选择人口、耕地分布比较集中的20条支沟作为研究对象，河谷典型支沟概况详见表1。

表1 湟水河谷典型支沟概况

2.1 典型支沟水资源情势

当前仅有西纳川、北川河、沙塘川、引胜沟、小南川、巴州沟等湟水支流设置有水文站。根据1967—2016年实测资料分析，小南川河王家庄站多年平均实测径流量4303万m3，年际变化剧烈，最大年均径流量9829万m3，最小年均径流量2334万m3，极值比为4.21；该站径流年内主要集中在7—10月，占全年58.4%，最小值出现在3月份，仅为13.7万m3。

巴州沟吉家堡站多年平均实测径流量2815万m3，最大年均径流量8386万m3，最小年均径流量970万m3，极值比为8.64，表明该站径流年际变化十分剧烈，径流整体呈现明显的降低趋势；径流年内主要集中在7—10月，占全年61.3%，最小值出现在11月份，仅为39万m3。

西纳川河西纳川站多年平均实测径流量1.41亿m3，最大年均径流量30700万m3，最小年均径流量5085万m3，极值比为6.04，表明该站径流年际变化剧烈；7—10月径流占全年58.6%，多年平均最枯月为2月，仅占全年2.7%。沙塘川河傅家寨站多年平均实测径流量1.0亿m3，最大年均径流量17957万m3，最小年均径流量4348万m3，极值比为4.13，表明该站径流年际变化剧烈；7—10月径流占全年52.3%，多年平均最枯月为4月，占全年4.5%，这与沙塘川河区域内大量灌溉用水有关。

此外，引胜沟八里桥站多年平均实测径流量6794万m3，最大年均径流量13398万m3，最小年均径流量3943万m3，极值比为3.4，相比其他站，该站径流年际变化相对较小，而该站径流整体呈现微微的下降趋势；该站径流年内基本集中在7—10月，占全年79.4%，多年平均最枯月为3月，径流仅有90万m3，占全年1.3%。

通过计算，20条支沟近10年平均天然径流量为9.2亿m3，现状地表供水量为3.90亿m3，平均地表水开发利用率42.4%。湟水南北岸支沟来水量年内分布极为不均，径流主要集中在7—10月，占全年径流量的60%左右，1—2月径流量占比均在14%以下。通过分析，南岸支沟1956—2010年年均天然径流相比于1956—2000年呈减少趋势，其中，马哈拉沟年均天然径流减少量高达2184.3万m3，虎狼沟、巴州沟、隆治沟、松树沟的年均天然径流减少量分别为1530.5万、1505.2万、1234.6万、1079.8万m3。

2.2 典型支沟水生态情势

根据2008—2011年调查，湟水支沟北川河、沙塘川分布有珍稀濒危鱼类2种，分别为极边扁咽齿鱼与拟鲇高原鳅；分布地方保护鱼类5种，分别为黄河雅罗鱼、花斑裸鲤、黄河裸裂尻鱼、极边扁咽齿鱼和拟鲇高原鳅[11- 12]。现状，由于支沟水资源过度开发利用，造成土著鱼类资源和物种资源发生衰退。

同时，湟水南北岸典型支沟水质达标率为80.16%，不达标河沟主要为北川河朝阳以下河段、南川河西宁市区段、沙塘川八一桥以下河段，水质均在IV类～劣V类。污染最为严重的是南川河与北川河，如南川河六一桥至南川河口段水质为劣V类，生态需氧量与氨氮均超标严重，加之部分支沟地表水资源开发利用程度较大，造成河沟自净能力较弱，支沟河道内缺水情势更为显著。

2.3 存在问题

综上发现，南北岸各支沟现状年地表水资源开发利用程度逐年提升，地表水资源开发利用程度超过40%的支沟为12条，超过60%的有6条，南岸虎狼沟、南川河、小南川河、祁家川、隆治沟地表水资源开发利用程度已分别高达94.6%、73.2%、75.9%、75.1%、79.9%，北岸云谷川、沙塘川、哈拉直沟地表水资源开发利用程度已分别高达56.3%、62.5%、56.9%，详见表2。湟水南北岸各典型支沟河道内生态水量受挤占严重，导致河沟水生态质量变差、水生态系统恶化。未来随着区域西纳川、杨家、文祖口等十多座中小型水库建成运用，当地水资源开发利用程度将进一步提高，河道内水资源受挤压形势将更加严峻。

3 典型支沟河道内生态需水量计算

3.1 计算原则

湟水是黄河流域湿地的集中分布区之一，具有重要水源涵养和生物多样性保护等功能，对维持黄河水生态安全具有重要意义；湟水水系土著鱼类是黄河濒危鱼类保护及中国生物多样性保护的重要组成部分，其濒危保护鱼类物种及种群保护是对维系黄河上游鱼类物种资源至关重要，具有重要生态保护价值[13]。结合湟水支沟水资源与水生态情势，明确了典型支沟的河道内生态保护目标为：①保障支沟河道内生态基流；②维持支沟生物栖息地健康；③保障支沟连通性及特有的地貌特征；④维护支沟景观效果；⑤保护支沟范围内环境敏感区[14- 15]。

表2 湟水河谷典型支沟水资源开发利用程度分析

3.2 计算方法

鉴于典型支沟径流及生态监测资料较少，由此，基于典型支沟1956—2010年天然径流数据，采用Tennant法计算河道内生态环境需水量，该法使用起来较为简单、方便[16- 17]。采用水利部SL/Z 712—2014《河湖生态环境需水计算规划》中生态基流计算推荐比值，见表3，湟水南北岸典型支沟4—6月灌溉期及鱼类产卵期生态需水量按照同时期径流量的40%确定，丰水期7—10月生态需水量按照同时期径流量的40%确定，包含枯水期在内的11—3月生态需水量按照同时期径流量的20%确定，对应河流流量状况均为“好”。

3.3 计算结果

通过计算可知，湟水河谷20条典型支沟河道内生态需水量合计3.35亿m3。其中，湟水北岸西纳川等9条支沟河道内生态需水总量为2.2亿m3，详见表4。

湟水南岸大南川等11条支沟河道内生态需水总量为1.15亿m3，详见表5。

表3 不同流量百分比对应河道内生态环境状况 单位：%

4 置换挤占河道内生态水量研究

4.1 计算方法提出

考虑到近年来，青海省以西宁市为中心城市，以乐都区为副中心城市，以湟源县、湟中县、大通县、互助县、平安区、民和县和中心镇为节点，大力推进东部城市群建设，加快青海社会经济发展。湟水干流与南北两岸支沟作为东部城市群的供水河流，水资源合理开发利用与保持河道生态平衡显得尤为重要。现状湟水支沟主要灌溉期4—6月份来水量不足，用水量较大，水资源供需矛盾突出，有些特枯水年常发生断流，河道内需水受挤占严重，最基本生态、稀疏自净用水无法得到保障，制约了东部城市群生态、水资源、社会经济的可持续发展。

表4 湟水北岸典型支沟河道内生态需水月过程 单位：万m3

表5 湟水南岸典型支沟河道内生态需水月过程 单位：万m3

因此，基于典型支沟现状农业、工业、生活需水量，采用长系列径流调节计算置换挤占河道内生态水量。置换挤占河道内生态水量估算方法为：

(1)采用典型支沟河道内生态需水量计算结果。

(2)根据生态优先原则，优先满足生态需水，其次满足生活、工业、灌溉等生产用水。

(3)根据支沟来水、河道内需水、现状用水、调节库容等，采用长系列径流资料进行逐月水量平衡计算，分析各典型支沟生态优先下河道外缺水量。

(4)选择P=75%～80%年份分析计算的支沟现状河道外生产(主要是灌溉)缺水量作为生态优先下支沟河道外需补水量。

所选支沟中具有一定调蓄能力的水库见表6。

4.2 计算结果

经长系列计算分析，P=75%～80%年份，湟水河谷典型支沟置换挤占河道内生态水量为8484万m3。其中，北岸支沟为2483万m3，南岸支沟为6001万m3。未来可通过外流域调水工程置换挤占河道内的生态水量。结果详见表7—8。

表6 典型支沟现状调蓄水库 单位：万m3

表7 南岸典型支沟水量分析结果 单位：万m3

表8 北岸典型支沟水量分析结果 单位：万m3

5 结语

湟水河谷在国家“一带一路”战略中有着极其重要的区位优势和重要地位，更是《兰州-西宁城市群发展规划》中的重要组成部分。然而，随着湟水河谷人口增加和经济的迅速发展，区域需水量迅猛增长，湟水河谷南北岸典型支沟河道内水资源受挤占严重，导致河沟水生态质量变差、水生态系统恶化。未来随着区域十多座中小型水库建成运用，当地水资源开发利用程度进一步提高，河道内水资源受挤压形势将更加严峻。如何计算河道内受挤占生态水量，是保障河道生态安全的重要问题。

本文通过分析典型支沟水资源与水生态情势，探究支沟面临的水资源与水生态问题，基于支沟河道内生态需求计算各支沟河道内生态需水量，最后基于典型支沟现状农业、工业、生活需水量，采用长系列径流调节计算置换挤占河道内生态水量。结果显示，P=75%～80%年份，湟水河谷典型支沟置换挤占河道内生态水量为8484万m3，其中，北岸与南岸支沟分别为2483万、6001万m3。本文的研究成果能够为湟水河谷生态保护、水资源高效开发利用、区域节水与调水工程规模论证提供有力参考。