大凌河流域生态需水量定量计算研究

郭 莹

(辽宁省凌海市水利事务服务中心，辽宁 凌海 121200)

0 引 言

20世纪40年代，美国USFWS组织最早提出避免河流生态系统退化所需的最小流量即为生态需水量，对于河流生态需水量国内外早期的研究多侧重于枯水流量的探讨，随着研究的深入逐渐被赋予更多的内涵[1-4]。目前，河流生态需水量综合考虑了美化景观、保持水体调节气候等功能所消耗的蒸发量，河流系统中人工与天然植被耗水量、地下水入渗补给和水(湿)生生物栖息地需水量，河口地区生态平衡、河道水盐平衡、河道输沙、河道自净稀释需水量以及最小生态流量等。

1 大凌河流域

1.1 现状分析

大凌河是辽宁省西部最大的河流，呈西东向，全长453km，流域面积23235km2，其中辽宁境内占全流域的86%。大凌河在宫山咀水库(建凌水库)以上基本为山区，沿河地势较陡，河道坡度超过5‰，白石水库以下趋向平缓，坡度1‰左右。流域左侧河网水系密布，主要有凉水河子河、细河、老虎山河、第二牤牛河等支流。干流建有宫山咀、阎王鼻子和白石三座控制性水库，将大凌河按照各河段河流特征可以划分成河源段、上游段、中游段和下游段。

目前，大凌河流域面临着水资源开发利用率高、水资源短缺、水生态功能退化等问题，而水生态恢复的关键是实现水资源可持续利用、水资源优化配置和河流生态需水比例的合理分配，其首要解决的问题就是计算河流生态需水量。根据大凌河流域地表水污染、泥沙淤积、河道断流等环境问题，明确流域近期重点治理目标，在河流生态需水量类型确定时考虑流域存在的主要生态环境问题，并以河流蒸发、输沙、自净稀释、基本生态需水量4个部分构成大凌河流域生态需水量。

1.2 数据来源

根据2006-2020年水文年鉴获取研究所用的数据，选取大凌河流域12个水文站(建凌、哈巴气、上窝堡、朝阳、大凌河、锦县、叶柏寿、德力吉、凉水河子、六合成、迷力营子、复兴堡)的蒸发量、降水量、输沙率和天然月径流量等资料。考虑各水文要素变化特征确定大凌河流域6-9月、7-8月和其他月份为汛期、主汛期、非汛期，按汛期和非汛期合理分析流域需水过程，在此基础上计算确定生态需水量。

2 生态需水量定量计算

2.1 蒸发需水量

以水面蒸发所需要的补水量作为河流蒸发需水量，水面蒸发量大于或<降水量时河流蒸发需水量We(m3)取两者之差和0，其表达式为：

(1)

式中：E为水面蒸发量；P为降水量，mm；A为水面面积，m2。

2.2 输沙需水量

以维持河道水沙平衡所需水量作为河流输沙需水量，大凌河流域汛期为每年6-9月份，全年80%以上的输沙量都发生在汛期。因此，可以忽略非汛期输沙需水量，即全年的输沙需水量仅考虑汛期的，其表达式为：

Ws=ηαWω

(2)

Wω=W-S/γs

(3)

式中：Ws为河流输沙需水量；Wω为净水量，m3；η为入口与出口断面的输沙量之比，即输沙效率；α为与η相关的调整系数，在α的情况下α取1，在η≥1的情况下α取0；W为径流量，m3；S为输沙量，108t；γs为泥沙容重，文中取2.7t/m3。

2.3 自净稀释需水量

文章利用由7Q10法修改而来的近10年最枯(小)月平均流量法计算河流稀释自净需水量Wd(m3)，其表达式为：

Wd=min{Wij}

(4)

式中：Wij为近10年最枯(小)月平均径流量，m3。

2.4 基本生态需水量

河流基本生态需水量是指维持水生生物繁殖生长以及河流基本功能、形态不受破坏所需要的水量，也被称为最小生态流量。河流基本生态需水量利用月保证率法的计算流程如下：①将月天然径流量按照水文数据合理排序，计算多年平均以及25%、50%、75%、95%不同保证率下各月的天然径流量；②河流基本生态流量等级按不同月天然径流量百分比确定，并计算确定多年平均和不同保证率下的月基本生态需水量。

2.5 生态需水量整合

考虑不同的功能类型可以将河流生态需水量划分成消耗型和非消耗型两类，这两部分之和即为生态需水量。其中，消耗型以蒸发需水量为主，非消耗型主要有河流输沙、自净稀释和基本生态需水量，遵循取大原则计算确定。

3 结果与分析

3.1 流域生态需水量

1)蒸发需水量。以相邻水文站中间点为界限依次计算各水文站蒸发量，若没有降水量和蒸发量相关数据则考虑利用邻近水文站数据，如表1。

表1 大凌河蒸发需水量 108m3

2)输沙需水量。考虑到6-9月份是大凌河输沙集中期的实际情况，流域输沙需水量仅计算6-9月这一时期，结果如表2。

表2 大凌河输沙需水量 108m3

3)自净稀释需水量。文章采用7Q10法修改而来的近10年最枯(小)月平均流量法计算，如表3。

4)基本生态需水量。考虑到大凌河流域具有较高的水资源开发利用程度，故河流基本生态需水量取河流天然径流量的10%，计算基本生态需水量(75%保证率)如表4。

5)生态需水量整合。通过整合各水文站不同类型的生态需水量，即蒸发需水量与输沙、自净稀释、基本生态需水量的最大值相叠加确定75%保证率下生态需水量，如表5。

表3 大凌河自净稀释需水量 108m3

表4 大凌河基本生态需水量 108m3

表5 大凌河生态需水量整合 108m3

3.2 水资源配置与生态需水

75%保证率下(P=75%)大凌河干流和第二牤牛河、老虎山河、凉水河、牤牛河、细河各水站生态需水量与多年平均径流量之比，如表6。表6中的数据，可以为优化配置各水文站水资源提供数据支撑，水资源规划时各水文站预留水量必须超过该比值，从而保证生态环境用水和流域水系统循环。

表6 大凌河生态需水量与年均径流量之比

4 结 论

1)定量计算了大凌河干流及其主要支流典型水文站的生态需水量，通过对比生态需水量与水文资料确定天然径流条件下能够满足生态需水要求，剩余部分水量还可用于河道外饮水。

2)大凌河干流及其主要支流的季节性特征显著，充分利用汛期水量既能保证非汛期用水又能避免汛期洪水威胁。因此，应充分利用河流上游水库枯水年或非汛期放水和汛期蓄水，从而维持河流基本生态徐水灵以及生态功能。

3)通过比较多年平均径流量和各水文站生态需水量，可以为优化配置流域水资源提供数据支持，水资源规划时各水文站预留水量必须超过该比值，以此保证生态环境用水和流域水系统循环。