海城河不同生态保护目标的生态需水研究

2022-06-09梁满意崔锡山王嘉豪

沈阳理工大学学报 2022年2期

梁满意，李艳，崔锡山，王强，王嘉豪

(1.沈阳理工大学环境与化学工程学院，沈阳 110159；2.鞍山市生态环境局，辽宁鞍山 114000；3.鞍山市生态环境保护综合行政执法队，辽宁鞍山 114000)

近年来，随着人们对水资源的大力开发，海城河水生态功能退化、河道断流、水资源短缺等生态环境问题愈发突出[1]。海城河生态需水量的计算是实现海城河水资源合理配置与可持续利用的基本前提条件，在海城市重点流域规划中起着重要作用。

目前对于生态需水并没有清晰统一的概念[2]，我国将“生态环境用水”狭义定义为“为维护生态系统环境不再恶化并逐渐改善修复所需要消耗的水资源总量”[3]。生态需水量的计算方法也没有统一的标准，由于研究角度、研究内容及研究深度不同，学者在研究时多根据实际情况进行分析，采用较为适合的方法。

由于生态系统的多样性和复杂性，生态需水量的计算方法较多，从类型上主要划分为水文学法、水力学法等[4]。水文学法是以河流的历史流量数据为依据，由多年平均天然径流量(或近似天然径流量)的百分比流量作为河流的生态需水量[5]。水文学法具有指标较少、计算相对简便等优点，是河流生态需水量的常用计算方法。水力学法是根据河道的宽度、深度、湿周等水力参数计算河流生态需水量[6]。通过对河道进行简单测量就可得到所需数据，但该方法对生态需水量的计算不能体现出季节变化且受河床形状影响，误差较大。目前多采用水文学法中的Tennant法对河道生态需水量进行简单估算[7-8]。

本文通过对海城河实际情况进行分析，设定保障河道基本流量、满足河道内全部环境功能、满足河道内生态系统健康发展三类不同生态保护目标；采用Tennant法计算河流不同生态环境级别的生态需水量，以中等生态环境级别计算保障河道基本流量的生态需水量；采用环境功能设定法计算满足河道内全部环境功能的生态需水量；采用基于鱼类健康生存条件法计算满足河道内全部生态系统健康发展的生态需水量。通过对海城河不同生态保护目标分类，使海城河生态需水量计算更加精确化、系统化、规范化。

1 海城河概况与数据来源

1.1 海城河概况

海城河为海城市最大河流，是海城市重要的生产生活用水水源。海城河流域面积约1310km2，河长约90.8km。海城河自东南流向西北，流经马风镇、八里镇等18个乡镇。海城河也是太子河重要的一条支流，在牛庄镇汇入太子河。

海城河流域四季分明、气温大体上偏冷，多年平均气温10.2～11.0℃；2016-2019年平均降水量约为584.7mm，降水量多呈现出东南山区降水量高、西北平原降水量低的特点且降水多集中在7-9月，约占全年降水量的61.07%。海城河多年平均径流量约为7.16m3/s。

1.2 数据来源

选取海城河海城(二)水文站作为代表站点计算海城河生态需水量，该水文站位于海城河中下游，集水面积1001km2，约占海城河流域面积的76.4%。

收集2010-2017年的实测流量、含沙量、降水量、水面蒸发量等水文数据，计算得到各量的多年月平均值作为本文计算的主要基础数据，具体数值如表1所示。其中实测流量数据用于计算河流天然径流量，并以此为基础进一步计算河流不同生态环境级别和鱼类健康生存的生态需水量；含沙量数据用于计算河流的输沙需水量；降水量、水面蒸发量数据用于计算河流及水库的蒸发需水量。

2 生态需水量计算方法与目标分类

2.1 生态需水量计算方法

本文分别采用Tennant法、基于鱼类健康生存条件法、环境功能设定法计算不同保护目标的河道生态需水量。

表1 海城河水文数据

Tennant法经常作为其他计算方法的检验算法，是Tennant D L[9]通过对美国多条河流实际野外调查研究确定，并经过实际验证的具有一定代表性的水文学方法。该方法采用多年天然径流量的不同百分比代表可以达到河流不同生态环境级别的流量。本文采用Tennant法计算海城河不同生态环境级别的生态需水量(用于与其他计算方法对比)和生态基流需水量。Tennant法不同时期生态流量标准如表2所示。

表2 Tennant法不同时期生态流量标准

Tennant法中采用的多年天然径流量百分比是经验值，为获得准确的计算结果，本文根据海城河河道实际状况以及鱼类健康生存条件确定多年天然径流量的适宜百分比，以此计算海城河满足鱼类健康生存条件的生态需水量，从而对Tennant法中的多年天然径流量百分比进行优化。

环境功能设定法[10]是从不同生态环境功能角度出发，将河流的生态基本流量、渗漏、输沙等环境功能需水量看作河流的生态需水总量组成部分；该方法条理分明、角度全面，但不同生态环境功能需水量之间存在部分重合，生态需水总量需按照相应规则计算整合[11]。

2.2 不同生态保护目标分类

海城河属北方河流，其气候、降水量、输沙量等季节变化性大，据此将海城河的生态保护目标分成三类。

(1)第一类生态保护目标

保障河道基本流量需求[12]，即满足河道不断流、短期维持河道内鱼类生存的最低生态需水量，此时河道水面宽度、水深、流速明显减少，水生栖息地已经退化。

(2)第二类生态保护目标

基本满足河流全部环境功能的生态需水量，即保障河流拥有一定的输沙能力、拥有满足一定水质要求的净化能力等，河流环境功能得到全部满足，此时河道水深、水面宽度、流速显著提高，可以为鱼类提供较好的生存环境。

(3)第三类生态保护目标

满足河道内全部生态系统稳定发展的生态需水量，即为河道内最佳生态需水量，此时河道流速、水面宽度、水深可以为水生生物提供优良的生态环境，水生动物显著增多，岸边植被水量充足，生态环境良好、景色优美。

3 生态需水量计算

3.1 Tennant法生态需水量计算

3.1.1 天然径流水量的还原计算

河流水文站等监测断面的实际水量监测值并非河流天然径流量，而是人类生产生活开发利用上游水资源后的剩余水量。将受人类影响后的河川径流水量恢复到无人类活动影响的天然径流水量过程，称为天然径流水量的还原。根据海城河的实际状况，海城河的天然径流水量主要包括水文站实测水量、海城市年耗水量、海城市引入水量、海城市水库蓄水变化量等。其计算公式为

WT=WS+WN+WG+WC±WY±WF±WK

(1)

式中：WT为河道天然径流水量，m3；WS为水文站实测水量，m3；WN为农业用水耗损量，m3；WG为工业用水耗损量，m3；WC为生活用水耗损量，m3；WY为跨区域引水量，m3；WF为河流分洪水量，m3；WK为水库蓄水变量，m3。海城河多年月平均天然径流量计算结果如表1所示。

3.1.2 河道内生态需水量的计算

利用水文资料和水资源公报数据得到海城河天然径流量后，根据Tennant法计算河道内生态需水量。计算公式为

WR=QRT

(2)

(3)

式中：WR为河道生态需水量，m3；QR为Tennant法推荐河道内生态流量，m3/s；T为计算时段长度，s；Qi为一年中第i个月的天然径流量，m3/s；Ni为Tennant法推荐河道生态流量比例。

根据Tennant法计算得到不同生态环境级别的海城河生态需水量见表3所示。

表3 Tennant法的河流生态需水量 108m3

3.2 满足鱼类健康生存条件的生态需水量计算

3.2.1 满足鱼类健康生存条件的天然径流量百分比

文献[13]的研究表明，河流平均水深为0.3m、平均流速为0.23m/s是许多水生生物(尤其是鱼类)健康生存的临界条件，平均水深0.46～0.61m、平均流速0.46～0.61m/s是水生生物健康生存的最佳范围。本文计算中取平均水深0.61m、平均流速0.61m/s为海城河水生生物最佳生存栖息条件，平均水深0.46m、平均流速0.46m/s为水生生物良好生存栖息条件。

将海城河划分成牛庄镇西小村至东四街道的下游河段(长约19km)、东四街道至拦河社区的城市段河段(长约11km)、拦河社区以上的上游河段(长约60.8km)，根据基础水文数据分别计算其一般用水期和鱼类产卵育幼期的平均河宽、水生生物健康生存的良好需水流量和最优需水流量，结果如表4所示。

根据表4中数据进一步计算得到海城河不同时期的良好需水流量、最优需水流量与还原计算后的平均流量之比，结果如表5所示。

表4 不同时期的河段宽度及良好和最优需水流量

表5 不同时期的良好和最优需水流量与平均流量比例

根据表5中数据，将一般用水期的良好需水流量所占比例67.19%和鱼类产卵育幼期的最优需水流量所占比例87.80%作为鱼类健康生存的需水流量与平均流量的适宜百分比，以此优化Tennant法推荐的百分比。

3.2.2 满足鱼类健康生存条件的生态需水量

根据已确定的鱼类健康生存需水流量与平均流量的百分比及表3中的平均水量，计算得到海城河鱼类产卵育幼期生态需水量为2.19×108m3、海城河一般用水期生态需水量为0.85×108m3，故海城河基于鱼类健康生存的生态需水量为3.04×108m3。

3.3 环境功能设定法生态需水量计算

3.3.1 生态基流需水量

河道的生态基流需水量一般采用Tennant法、流量历时曲线法、保证率法等。根据Tennant法不同时期不同生态环境级别的生态流量标准，以生态环境级别中的中等级别作为海城河生态基流需水量的计算标准。

由式(2)、式(3)计算得到海城河各时期生态基流与生态基流需水量见表6和表7所示。

表6 Tennant法河道生态基流 m3/s

由表6可见，一般用水时期的生态基流为0.81m3/s，鱼类产卵育幼期的生态基流为4.73m3/s。

表7 Tennant法河道生态基流需水量 108m3

由表7可见，不同时期的生态基流需水量计算得到海城河河道内生态基流需水量Wb为0.88×108m3。

3.3.2 河流自净需水量

河流自净需水量是指为了保证河流水质达到一定的地表水水质标准，河道内必须满足的水量。目前，以一定水质要求为标准和以历史流量数据为基础计算最小月平均水流量是确定自净需水量最常用的方法。本文采用最枯月平均流量法计算海城河的自净需水量，计算公式为

(4)

WZ=TQC

(5)

式中：WZ为自净需水量，m3；QC为自净需水流量，m3/s；Qi，min为第i年最枯月平均流量，m3/s；n为统计年数。

以海城(二)水文站2010-2017年流量数据为基础，计算海城河最小月平均流量，进而得到海城河自净需水流量为1.25m3/s，海城河全年自净需水量为0.394×108m3。

3.3.3 河流输沙需水量

为使河水中的沙粒不淤积阻塞河道，河道中需要保持一定流速的水量以满足冲淤平衡，该部分水量称为河流输沙需水量[14]。根据海城河水文资料，海城河输沙多集中在7月至9月汛期，本文主要考虑汛期输沙需水。根据水沙平衡原理，输沙需水量的计算公式为

(6)

(7)

式中：Smax表示多年每月平均含沙量中的最大含沙量，kg/m3；Ct为多年平均输沙量，kg；Wt为输沙需水量，m3；n为统计年数；Sij表示第i年j月的平均含沙量，kg/m3。

由海城(二)水文站2010-2017年河流输沙数据，计算得到海城河年均输沙需水量为1.06×108m3，海城河多年平均输沙量为11.81×104t，多年月平均含沙量最大值为1.12kg/m3。

3.3.4 河流蒸发需水量

当流域的全年水面蒸发量高于全年降水量时，该流域的蒸发需水量等于两者的差值；当全年水面蒸发量低于全年降水量时，该流域的蒸发需水量为零[15]。根据水量平衡原理，蒸发需水量的计算公式为

(8)

式中：We表示一定流域内多年平均蒸发需水量，m3；A表示一定流域内水面平均面积，m2；P表示一定流域内多年平均降水量，m；E表示一定流域内平均蒸发量，m。

由表1中基础数据计算得到海城河流域多年平均蒸发量为1313.66mm。对海城站、牌楼站、接文站等6个水文站数据统计得到多年平均降水量为782.09mm。海城河长90.8km，平均宽度为31.45m，海城河支流水库总面积约为2.19km2。经式(8)计算得到海城河全年蒸发量为0.0268×108m3。

3.3.5 河流渗漏需水量

河床并非完全处于密不透水的封闭状态，河道中的水量往往会通过渗漏对河床周围的地下水进行补给，该部分水量称为渗漏需水量。根据达西定律计算海城河渗漏需水量，计算公式为

Wu=K·I·F·T

(9)

式中：Wu表示渗漏需水量，m3；F表示过水断面，m2；K表示含水层渗漏系数，m/s；I表示水力坡度。

海城(二)站与牛庄镇之间的距离约为23km、平均宽度为31.45m，渗漏系数为15m/d，水力坡度取0.016，时间取365d。经式(9)计算得到海城河渗漏需水量为0.6337×108m3。

由环境功能设定法计算的海城河生态需水量中各环境功能生态需水量之间存在重叠水量，需要按照一定的规则对各环境功能生态需水量进行组合[16]得到生态需水总量WR，其计算公式为

WR=max(Wb，Wz，Wt)+We+Wu

(10)

4 生态需水量结果分析

依据2.2中设定的不同生态保护目标分类，以生态基流需水量作为海城河第一类生态保护目标的需水量；根据环境功能设定法计算的生态需水量作为海城河第二类生态保护目标的需水量，此时生态需水量满足第一类生态保护目标的需水要求；基于鱼类健康生存条件计算的生态需水量作为海城河第三类生态保护目标的需水量，此时的生态需水量满足第一、第二类生态保护目标的需水要求。不同生态保护目标下的生态需水量最终结果见表8所示。

根据表8中数据，结合海城(二)水文站实测流量可知：2010-2017年间不能满足海城河第一类水质目标生态需水量的年份仅有2017年，年径流量约为0.3898×108m3；不能满足海城河第二类生态保护目标的年份有2015年、2016年、2017年，年径流量分别为0.9844×108m3、1.3010×108m3、0.3898×108m3；满足海城河第三类生态保护目标的年份有2010年、2012年，年径流量分别为3.6214×108m3、4.6954×108m3。