基于水文学法的辽河河道生态需水量的研究

陈 俊

(辽宁省抚顺水文局,辽宁 抚顺 113015)

0 引 言

河流是地表水资源的重要载体,是人类赖以生存的根本,同时也是社会经济发展的支撑。当前全球范围内人口快速膨胀、农村向城镇化快速发展,人们对水资源的需求日益增加,水利工程调蓄水行为日渐频繁,人类活动对河流的干扰强度不断增加,河流的生态用水逐渐被挤占,河流生态服务功能逐渐退化,河流健康问题日渐严重。准确分析计算出河道生态需水量和适宜生态流量,可以在满足人类对水资源的需求和保障河流生态可持续发展之间寻求最优的水资源配置和调度方案。本次分析研究对象为辽河,选取辽河上具有代表性水文站观测数据为分析样本,运用多种水文学法进行综合分析研究,研究成果可为辽河生态治理和生态保护提供支撑数据,并为其他流域的生态需水量计算分析提供样例参考。

1 背景概况

辽河是我国七大江河之一,发源于内蒙古自治区克什克腾旗芝瑞镇马架子村,流经吉林省,在辽宁省沈阳市康平县进入辽宁省境内,于盘锦市大洼县汇入渤海。辽河流域面积19.19万km2,河长1383km。辽河流域内植被覆盖良好,自然植被多为阔叶林与针阔叶混交林,地面枯枝落叶层较厚,土壤侵蚀轻微,部分地区与灌木混生,土壤水蚀强烈,水土流失严重。受自然因素和人为因素综合影响,东西辽河汇合口呈现南移、中下游河道和辽河入海口向西迁移。建国后辽河河道变迁主要表现为人工裁弯和筑堤改道等。

2 研究方法

目前,国内外对于生态需水的内涵尚无统一定义,文章中认为生态需水从特性方面考虑可分为河流生态需水、湖沼湿地生态需水以及流域生态消耗型需水。本次研究主要分析其中的河流生态流量,即维持河道及河口各物种生存环境所需的生态流量。目前国内外最常用的分析方法主要可以归类为以下3种:①水文学法,主要有Tennant法、流量历时曲线法、月年保证率法、RAV法等;②水力学法,主要有IFIM法、河道湿周法、物理栖息地模拟模型法、CASIMIR法等;③综合法,主要有澳大利亚的基准测量法以及南非的建块BBM法等。水文学法操作简单,能充分反映河流的季节性变化,但精度低;水力学法要求的数据量少,但操作复杂,必须选择合适的研究断面;栖息地法考虑了选定物种各生长阶段对流量的要求,但针对性和综合性强,研究费用高;综合法是南非相关机构开发的,对大、小流量均考虑了月流量的变化[1]。辽河上下游布设水文站网20余处,均具有长系列径流观测资料,各断面受泥沙冲淤影响较大变化频繁。综合分析上述分析方法优缺点,结合辽河实际情况,文章选取水文学法中的Tennant法、流量历时曲线法、以及RAV法综合分析研究辽河流域河道生态需水[2]。

3 辽河主要断面生态需水量计算

本次选取代表站分别为辽河干流福德店站、铁岭站、马虎山站和六间房站,选取20a以上历年径流数据分析计算辽河干流主要控制站最小、适宜生态需水过程。

3.1 Tennant法

Tennent法是在对大西洋与Rocky山之间上百条河流的径流特征与生态效应进行总结分析的基础上提出的河流生态流量评估方法(Tennent,1976)[3]。该方法以河流多年平均流量百分比的形式表征河流不同程度的流量需求,见表1。

表1 Tennent法生态需水流量标准

Tennent 法对资料要求低,操作简便,在河流生态需水评估中应用较多。需要指出:由于 Tennent 法的评估标准是基于美国部分河流观测与实验提出的,在我国应用时需结合待评估河流特征进行分析,以确保评估的合理性。其中,选择“差”标准,即多年平均天然流量的10%作为最小生态需水,选择“中”标准作为适宜生态需水标准。计算结果见表2。

表2 Tenent法生态需水计算结果

3.2 流量历时曲线法

该方法利用历史流量资料构建各月流量历时曲线,以某个保证率P相应的流量Qp作为河道内生态流量的需求。Qp的频率P可选90%或95%,也可根据情况适当调整。该方法建立在至少20年的流量数据基础上,每一个月给出一个推荐流量,可反映径流在年际、年内的不均匀性。

根据收集到的福德店、铁岭、马虎山、六间房4站天然月流量过程,进行频率分析,以90%保证率的流量作为最小生态需水,以75%保证率流量作为适宜生态需水。计算成果见表3、表4。

表3 流量历时曲线法最小生态需水流量

表4 流量历时曲线法适宜生态需水流量

4 成果评价与分析

从流量历时曲线法和tinnant法分别计算最小生态流量、适宜生态流量的计算结果可以看出,两种算法的成果差异较大,需要根据通过分析研究选择最适合的结果作为最终成果。根据表1的评价标准,我们可以从表2与表3、表2与表4的对比分析数据(表4、表5)中看出,辽河非汛期来水量很少,不能维持河流的水文生态功能,尤其以上游更为严重;进入汛期后来水量虽逐步变大,但仍然不能很好的维持河道生态功能,仅7～9月基本能够满足生态需求。因此在进行水资源规划时,应首先保证河道的生态基流量,减少河道取水。

表5 tinnant法最小生态径流评价结果

表6 tinnant法适宜径流评价结果

综合流量历时曲线法和tinnant法的计算成果,最小生态流量、适宜生态需水宜采用两种方法所得成果的最大值作为最终成果,辽河干流生态需水量选取各水文站断面需水量的最大值,最大限度的确保河道生态功能正常维持,保障河道环境良性循环。因此,本次研究成果详见表7、表8,辽河干流最小生态需水量11.47亿m3,适宜生态需水量20.26亿m3。

表7 辽河干流最小生态需水量整合成果

表8 辽河干流适宜生态需水量整合成果

5 结 语

文章结合辽河干流福德店、铁岭、马虎山和六间房4处水文站实测径流资料,采用水文学法中的流量历时曲线法和tinnant法分别计算了辽河干流河道内的最小生态需水和适宜生态需水,并选用tinnant评价标准对计算结果进行评价,得出以下结论:

1)辽河干流河道内的生态需水仅7～9月可以得到较好的满足,其余时间基本不能满足正常生态需求,因此在进行水资源规划时,应首先保证河道的生态基流量,减少河道取水。同时要充分利用流域内蓄水工程,合理调配水资源,确保辽河河道生态环境良性循环。

2)按照最大值方法计算,对辽河干流生态需水进行整合计算,结果表明,辽河干流最小生态需水量11.47亿m3,适宜生态需水量20.26亿m3。

3)本研究主要围绕水文学法开展辽河干流生态需水量的估算,受资料及技术条件限制,对于影响河道生态需水的其他因素未作考虑,需要在今后的研究中继续深入,综合考虑更多因素,更精准的估算河道的生态需水,更好的为地方水资源规划提供技术支撑。