水库生态需水计算方法对比浅析

目前我国的生态水位研究仍然处于初始阶段，20世纪80年代开始，我国开始对鱼类资源的开发和保护给予重视，同时，生态系统的生态需水的研究也逐步开展起来。不同领域提出了许多生态需水计算方法，这些方法大多是借鉴国外的方法，合理性和机理值得进一步探讨。考虑到国内生物资料及大量现场观测数据缺乏的情况，实际分析水库生态需水时，应结合研究区域的实际情况采用不同的计算方法，分析不同生态水位计算方法的优缺点，对比已有的基础资料，选择出合理可行的计算水库生态需水量的方法，确定维持水库生态系统不发生严重退化所需的水量及水位。

一、水库概况

众兴水库地处安徽省合肥市肥东县境内，位于长江流域巢湖水系店埠河上游，是一座以灌溉为主，结合防洪、供水等综合利用的中型反调节水库。工程由水库大坝、进水闸、泄洪洞、非常溢洪道、防洪闸、取水口等组成，水库控制流域面积114km2，总库容9946 万m3。下游保护范围有肥东县城、撮镇、二电厂等，保护人口约30 万，保护耕地约20 万亩，是肥东县重要的供水、灌溉水源地。

二、水库生态需水计算方法选择

根据肥东县众兴水库历年逐日实测水位资料、水面面积、库容以及对应年份的水环境情况等基础资料，经综合分析后，选择水文学方法（年保证率设定法）、栖息地方法（生物空间最小需求法）计算众兴水库最低生态水位，并对结果进行对比分析，合理取用。

三、水库生态需水计算

1.水文学法——年保证率设定法

参照最枯月平均流量法及水文学中Taxas 法，结合众兴水库的实际情况，采用最低年平均水文代表年法来计算最低生态水位，计算公式为：

式中：Hmin为最低生态水位；为某保证率下所对应的水文代表年年平均水位；μ 为权重。计算步骤如下：

（1）根据系列水文资料，对历年最低水位按照从小到大的顺序进行排列；

（2）根据水库自然地理、结构和功能选择适宜的保证率（50%、75%、90%），然后计算该保证率下所对应的水文代表年；

（3）计算水文代表年年平均水位；

（4）确定权重μ。

以水文代表年年平均水位作为最低生态水位，因没有考虑生物因素，计算结果可能与客观情况有一定差别。此外由于众兴水库存在人为的调水、引水、蓄水等方面的调度，水库水位经过一系列的调度运行，与一般情况下水库调度有一定区别，但是根据众兴水库1988—2018年多年实测水位资料可以看出，众兴水库水位由于有供水、灌溉等功能，且可以采用滁河干渠补水，水位一直维持相对较高的水平。

为了使成果更加符合实际情况，故用权重μ 来进行调整，它反映的是水文代表年年平均水位与最低生态水位的接近程度。计算有两种方法：①专家判断法；②根据水文年生态系统健康等级来估算。对于生态系统健康登记的研究，通常将生态系统健康等级分为优、较好、中等、差和极差5 个级别。当水文代表年生态系统健康等级为较好以上时，说明该年的水位为正常水位，这时，计算结果应适当往下调；生态系统健康为中等时，说明该年的水位能维持生态系统的平衡；生态系统健康等级为差或者极差时，说明该年的水位不能满足生态系统的需水要求，此时，计算结果应适当上调。再由生态水文学原理，可确定权重μ 与生态系统健康等级的对应关系，如表1所示。

选取1988—2018年最低水位资料，按从大到小的顺序排列。根据经验频率公式：P=m/(n+1)×100%，取P=90%。计算得相应的水文代表年为1996年，该年最低水位为38.42m，依据当前水库调度运行办法，该水位已低于死水位，且维持时间12d，因此必然对库区生态环境会产生较大影响。该年的月平均水位如表2所示。

对水文代表年的生态系统健康进行评价，由于众兴水库水环境条件较好，库区内部生态物种丰富，但库岸周边生态湿地发展欠缺，因此判定结果为中等，再由生态系统健康等级与权重的对应关系，选择权重为1.000。将所得数据代入公式中，由此可得众兴水库最低生态水位为42.35m。

2.栖息地方法——生物空间最小需求法

生物空间最小需求法用水库各类生物对生存空间的需求来确定最低生态水位。水库水位是和水库生物生存空间一一对应的，因此，用水库水位作为水库生物生存空间的指标。水库植物、鱼类等为维持各自群落不严重衰退均需要一个最低生态水位。取这些最低生态水位的最大值，即为水库最低生态水位，表示为：

表1 生态系统健康等级与权重μ 的对应关系表

表2 水文代表年月（1996年，90%保证率）平均水位表（单位：m）

式中：Hemin为水库最低生态水位（m）；Hemini为第i 种生物所需的水库最低生态水位（m）；n 为水库生物种类，水库生物主要包括藻类、底栖动物和鱼类等，选用指示生物，认为指示生物的生存空间得到满足，其他生物的最小生态空间也得到满足。

众兴水库的生态现状调查结果显示，库区运行会持续保证一定的蓄水水位，因此对库区内的藻类、浮游动植物的生存限制度较低。而众兴水库内鱼类物种丰富、数量充足，一般情况下，鱼类作为水生态系统中的顶级群落，对其他类群的存在和丰度有着重要作用。鱼类对水生态系统具有特殊作用，加之鱼类对低水位最为敏感，故将鱼类作为指示物，认为鱼类的最低生态水位得到满足，则其他类型生物的最低生态水位也得到满足。

公式简化如下：

式中：Hemin鱼为鱼类所需的最低生态水位（m）。

对于在水库居住的鱼类，水深是最重要和基本的物理栖息地指标，因此，必须为鱼类提供最小水深，鱼类需求的最小水深加上水库养殖水位高程即为最低生态水位。鱼类所需的最低生态水位表示如下：

式中：H 为水库养殖水位高程（m）；h鱼为鱼类所需的最小水深（m）。

众兴库区较多为鲫鱼，也存在鲢鱼、鲤鱼等，此类鱼种大多为浅水鱼，吃水较浅。对众兴水库周边进行调研发现，库区周边也存在不少养殖鲫鱼、鲢鱼等的鱼塘，因此本项目选择鲫鱼为目标种类。根据《水电水利建设项目生态需水、低温水和过鱼设施环境影响评价技术指南（试行）》的函（环评函〔2006〕4 号文）中的大型河流鱼类水力生境参数标准，其中规定了鱼类生境参数中最大水深的最低标准为“鱼类体长的2～3 倍”，因此根据众兴水库库区鱼类特性，选择鱼类所需的最小水深为1.54m。已知众兴水库养殖水面8.4km2，由水位与水面的关系可知，对应水位为42m，则生态空间最小需求法所得最低生态水位为43.54m。

在采用生物空间最小需求法计算生态水位时，只考虑了生态因素，以生物栖息为主要计算原则。但由于众兴水库还具有供水、灌溉、防洪等作用，因此仅考虑生态因素计算出的生态水位无法满足水库正常的运行要求，还需考虑供水灌溉等取水项目，将其与计算出的最低生态水位结合，才是众兴水库正常运行所需要保证的生态水位。

四、生态水位合理性分析

（1）年保证率设定法：根据历史资料的计算，所得结果考虑灌溉、供水等水库运行功效，其计算结果更符合众兴水库的实际情况，但该方法基于水库多年前生态情况较好、更接近自然状态下的生态环境的前提，而水库建设不同于湖泊演变，建设水库对当地水生态环境造成的影响具有短期性和剧烈性的特点，并且众兴水库所采用的历史数据均为水库建成后的资料，没有考虑自然状态下的历史数据，计算结果合理性欠缺。

（2）生物空间最小需求法则更注重生物特性，并且针对水库生态环境特征选择目标物种的做法使其更具有代表性，但众兴水库是淠史杭灌区上的反调节水库，作为肥东县和龙岗开发区的供水水源地，兼具灌溉和供水功能，因此根据生物空间最小需求法所计算出的生态水位后，还需要考虑农业及生活用水量，优化后的计算结果较为合理。

五、结论

生态需水是维系“江河湖库渠”生态系统的基本要素，是控制水资源开发强度的重要指标和统筹“三生”用水的重要基础，事关生态文明建设和水利改革发展的全局。在总结分析国内外生态需水计算方法的基础上，以实际水库工程为例，分别采用水文学方法（年保证率设定法）、栖息地方法（生物空间最小需求法）等方法分析研究水库的生态水位，并对研究成果进行合理性、适用性分析，结果表明：年保证率设定法计算结果更能反应众兴水库实际情况，但其将生态与水文剥离，对生态因素考虑欠缺；生物空间最小需求法以生态因素为主，并且针对水库生态环境特征选择目标物种的做法，使其更具有代表性，更符合现实意义■