基于河道生态需水量计算方法的研究

赵海波

(辽宁省白石水库管理局有限责任公司，辽宁 朝阳 122000)

水系统循环为实现能量、物质循环的基础，并深刻影响着生态系统功能和结构，维持区域水资源可持续发展离不开良好的水生态环境。2010年，中国正式发布了首部有关生态需水方面的标准《河湖生态需水评估导则(试行)》。近年来，为保护河流的生态健康以及促进水资源合理开发，对水生态修复和生态需水量的研究不断加强[1]，国内外研究热点逐渐转向河流生态需水的计算方法。

目前，总体上分为栖息地法、整体分析法、水力学法和标准流量法4大类河道生态需水量计算方法[2]。其中，应用最为广泛的方法以标准流量法为主，可对河流的生态流量依据历史水位数据来计算，主要有河流基本生态环境需水量法、年内展布计算法、Texas法、7Q10法、Tennant法、可变范围法、逐月频率法及水生物基流法等。近年来，根据不同区域的特征国内学者提出了各自领域的改进方法，如夏自强等[9]以北方中小型河流为例，提出年内和年际变化较为剧烈的河流丰、平、枯水期适宜生态流量，即不同保证率下的流量；吴国燕等[3]对Tennant法的非汛期、汛期河道环境需水量依据灌区河道水文特征周期加以修正；黄强等[4]在黄河干流生态需水量计算时引入环境比降参数；韩会玲等[5]依据相关资料，以实际案例验证了季节修正系数的有效性；刘昌明等[6]修正了南水北调西线河流的鱼类产卵幼期，在此基础上探究了河道生态需水计算方法。本研究对自然因素和社会条件影响下的河流生态流量利用较为实用的5种水文学分析法计算[7]，并对计算结果利用生态环境标准等级加以评估。

1 河道生态需水量计算方法

1)中位数法。从高到低将有限数集中所有的观测值排序后，可以确定中位数为正中间的数值，若存在偶数个观测值则中位数取两个中间数的均值。其中，观测值样本容量为影响中位数的关键因素，而极小或极大观测值对其影响较弱，通过增强数列代表性可提高其准确度。最后，从小到大按月序列排列多年逐月天然流量，则该月生态流量值即为月序列的中位数值。

(1)

式中：qij为第j年第i个月的月均流量，m3/s；i=1，2，…，12；j=1，2，…，40。

3)7Q10法。最小生态流量值等于连续7d最枯的90%保证率日平均流量，7Q10法最早用于污水处理长，而对生态需水量的评估计算应用较少。1970s我国引入该方法，并演变成河流最小生态流量值等于90%保证率最枯月平均流量或近10a最枯月平均流量。

4)逐月频率计算法。多年逐月天然流量系列考虑研究区域水文资料而设立，以枯、平、丰三个系列组成全年12个月序列，并设定枯水序列(90%)、平水系列(75%)和丰水系列(50%)的不同保证率，河流各月最小生态流量即为保证率所对应的流量。

5)Tennant法。该方法计算的河流生态需水推荐值等于预先确定的年天然径流百分比，所以属于一种标准设定的非现场测定法。将河道生态环境状况划分为冲刷或最大、最佳范围、极好、非常好、好、中、差、极差8个等级，并考虑水生生物生育期分为鱼类产卵育幼期(4-9月)和一般用水期(10月-次年3月)两个时间段。不同生态环境状况的流量百分比，见表1。

表1 不同生态环境状况的流量百分比

Tennant法具有操作方便、使用简单的优点，明确水生生物-流量关系后所需数据较少，对于缺乏生态资料的地区具有较强适用性。然而，实际应用时该方法也存在一定局限：未考虑多泥沙、季节性明显、流量变化大的河流特征，以及几何形态显著影响流量等因素。该方法是在详细勘察11条典型河流的基础上，运用58个断面分析水生生物受38个不同流量下生物、化学、物理信息的影响，并由Tennant等人设定的方法，对于社会属性和自然属性独特的河流不能直接应用。

2 大凌河生态流量的计算

2.1 流域概况

大凌河古称“渝水”，地处辽西低山丘陵区也是辽西最大的河流，全长397.0km，流域面积2.35万km2，主脉沿西南—东北向流经朝阳、北票、义县、锦县等地区后汇入渤海。流域内属温带季风气候，年均气温8.0-9.0℃，年均降水量500mm，受季风气候影响全年70-80%降水集中于6-9月，年际降水量存在明显差异，降水量丰、枯比最高可达3倍。河流水源补给以地下水、大气降水为主，年际径流量变化较大，径流丰、枯比最高达10倍，年蒸散发1700mm，每年的1—5月为蒸发量最大、最小时段，。

流域范围内以山丘为主，极少数为平原，自西北向东南地势从山地、丘陵过渡到山前倾斜平原至渤海西岸，地形起伏波动明显，海拔为400-1200m。研究区地形破碎、地质发育良好，沟壑分布以土石质“V”型为主，土壤类别多褐土，土层较薄、有机质含量低且土质疏松。以林业和农业用地为主，流域内发现点源、非点源污染，并且大型工矿企业较少，由于化肥施用量高、农业较为发达其水体环境以非点源污染为主。水中生物受湖泊富营养化的影响较大，鳙鱼、草鱼、鲢鱼、鲫鱼等大型鱼类数量不断减少，每年的4-5月为其繁育期；小型经济鱼类(如湖鲚)约占总产量的80%，其优势明显，繁殖期为每年6-7月。

2.2 生态流量计算

文章利用大凌河干流朝阳水文站1980-2018年天然径流资料计算河道内生态需水量，考虑河流受到水生生物、经济社会、生产生活、降雨蒸发等因素影响，将一年周期划分为枯水期(10月-次年次月)、丰水期(5-9月)两个时间段。对大凌河年内展布法、近10a最小月平均流量法、逐月频率法、Tennant法、中位数法计算，生态流量计算值，见表2；并对计算结果利用生态环境标准等级评价，生态环境评价等级，见表3。

表2 生态流量计算值 m3/s

表3 生态环境评价等级

2.3 结果与分析

1)通过对比可知，年内展布法和近10a最小月平均流量法(7Q10法)的非汛期评价结果均为极差等级，生态需水量计算整体偏小，较小的汛期径流降低了河床输沙能力，对河流纳污造成不利作用。对于年内丰、枯特性变化明显的河流预先设定流量标准的Tennant法不适用，即流域降雨强度较大且降水时间比较集中，年内流量分配具有较大差异，利用该方法计算的汛期生态需水量明显偏小。运用逐月频率法计算的流量结果维护了年内分布的河流径流完整性，对于季节性变化明显的河流具有较强的表征能力；较大的汛期流量有利于河流纳污、养分输送，并且涨水可以扩展产卵水域，可对鲚鱼产卵和生长创造有利条件。中位数法有效解决了极端值对平均值产生影响的问题，显著提升生态需水量阈值计算的可靠度与精准度。

2)将河流生态需水量利用逐月频率法计算时，年内各个时期不适用统一的保证率，其原因为河流的社会功能属性和自然属性在年内不同时期内有所差异。因此，年内各个时期的生态需水量应根据河流在双重因素影响下(人类活动和自然界)，可以发挥其良好功能并呈现基本健康状态情况来确定。

3)深入对比不同方法的标准流量，可采用多年同期平均流量的40%-60%、65%-75%计算河道枯水期(10月-次年4月)和丰水期(5-9月)生态需水量。大凌河年内逐月最小生态流量，见表4。

表4 大凌河年内逐月最小生态流量

3 结 论

1)硝态氮、氨氮、总磷等非点源污染为大凌河的主要污染物，并且非点源污染输出受降雨径流影响显著，该过程属于一个不断积累或冲刷的过程。考虑污染物影响计算的河道生态需水量，可以在满足水体自净要求的同时防止下游受长期污染物积累而产生高负荷现象。

2)大凌河鱼类繁殖的高峰期以每年4-7月为主，最小生态流量(表4)在该时段所对应的水位可以淹没沿岸旱草、浅滩，增加水域面积为鱼类产卵创造有利条件，并且高流量提供充足的事物以满足幼鱼生长需要。采用同期均值比进行评价以及对生态需水量利用逐月频率法计算，可以充分反映大凌河年内径流分配差异大、汛期流量大、时间长等特点，该方法具有较强适用性。

3)河流生态功能涉及灌溉、发电、涵养水源、航运、娱乐景观、地下水补给、稀释自净、输沙、排盐、维持水生物栖息地等，河流生态需水量因功能属性的不同而存在一定差异。