清溟河流域河流环境流量计算与应用

王惠英　于鲁冀　吕晓燕　范鹏宇

摘要：针对北方地区河流环境流量短缺和污染并存的现状，在综合考虑水质保护与水量维持的情况下界定了河流环境流量的概念和内涵，并探讨不同功能目标下河流环境流量的组成。通过分析河流水系特征及河段的空间结构特征，建立了改善河流水质所需环境流量计算模型，同时建立了Tennant和湿周模型计算河流生态系统所需环境流量。利用临颍高村桥的水文水质数据，对清溟河为改善河流水质和生态系统所需环境流量进行了初步评价，为河流应急补水提供了调控建议，并提出了河道应常年保持的流量水平。

关键词：环境流量；水质水量平衡模型；Tennant法；湿周法；清溟河

中图分类号：O647.3；X783 文献标识码：A 文章编号：1672-1683（2017）02-0109-07

流量作为河流最重要的因子之一，是保证河流环境功能和生态功能正常发挥的必备条件。世界自然保护联盟将环境流量定义为“在用水矛盾突出、且用水量可以进行调度的河流、湿地和沿海区域，为维持其正常生态系统及功能所拥有的水量”。国外其他学者针对环境流量也进行了定义，也为维持河流生态健康所需的流量。近10年来，我国学者结合我国河流面临流量短缺和水质污染的双重威胁的实际情况，界定了适用于我国河流的環境流量内涵及组成。其中王西琴等对环境流量的概念界定的较早，其认为环境流量具有更广的内涵：如满足白净功能需求的水量一环境需水，满足河道水沙平衡的水量—输沙需水，满足生态系统最低需求的水量—基本生态需水等。围绕环境流量的计算，近年来也有许多研究成果，主要分为两大类别，一类是基于水质水量平衡模型计算为改善河流水质所需的环境流量，一类是生态需水量相关计算研究。水质水量平衡模型主要通过模型的构建，可定量评价生态补水或不同调水情景对水质的变化。国内生态需水量计算常采用方法有水文学法（如改进Tennant法、月保证率法）、水力学法（湿周法和生态水力学法）、栖息地模拟法、整体法等。不同河流环境流量需求不同其适合的计算方法也不同。

本文在分析北方河流环境流量概念和内涵的基础上，探讨不同功能目标下环境流量的组成；结合北方河流缺水的特征，充分考虑二元水循环条件下，建立水质水量平衡模型，开展为改善河流水质所需环境流量的计算；同时以清溟河为例，采用不同计算方法计算河流生态系统所需环境流量，初步确定清溟河环境流量阈值。

1环境流量概念与组成界定

1.1环境流量概念与内涵

国内外目前对于环境流量概念与内涵没有统一认知，国外主要是指为维持河流生态系统健康所需的流量，而国内存在水质污染严重与生态系统亟需恢复的双重问题，多指维持河流生态环境功能正常发挥的流量。

本文认为环境流量是指在特定的区域、流域内，在相应的生态保护、恢复或建设目标下，某一时段能够满足河流系统生态环境功能所需流量。一方面，河流环境流量可以随时间和空间变化，表现出动态变化的特征；另一方面，河流环境流量具有协调河流各项基本功能的内涵，表现出在特定时空单元内最大限度地满足河流主要功能的优先选择性。

1.2环境流量组成界定

环境流量组成界定需以河流功能分析为基础，其中水环境功能区划和水功能区划中均涉及对河流功能的界定。水环境功能区划管理目标中只考虑了水质标准，并以水质标准来界定该水质控制区的水域功能，与河流实际使用功能存在一定偏差，而水功能区划是按相应水域的主导功能来划定，并考虑了水资源的合理开发和有效保护，因此本文以河南省辖河流为对象，主要依据《河南省水环境功能区划》和《河南省水功能区划》来分析河流功能。

结合河流功能界定结果及广义环境流量的概念及内涵，不考虑河流社会功能所对应的水利流量，河南省辖河流环境流量主要由维持水生生物栖息、稀释自净、景观娱乐、防止泥沙淤积、地下水位和蒸发6项流量组成。

2环境流量计算模型构建

2.1水质水量平衡模型的构建

基于二元水循环的思想，将工业/生活排水等回归水作为河道内流量一部分的前提下，建立了测算环境流量的水质水量平衡模型。

（1）模型具体构建思路。

水箱模型：在研究河段入河节点的实测径流的基础上，统计分析该河流或河段的降雨径流、排水、取水和调水等水量的输入、输出，建立水量平衡；

一维水质模型：在水量平衡基础上，考虑输入、输出污染物的衰减与降解，并采用一维水质模型模拟计算污染源变化引起的水质变化结果，并建立污染物通量平衡。

根据河流或河段不同阶段水质目标要求，基于通过。建立水量水质平衡模型，测算分析保障河流水质达标所需的水量。河段水质水量平衡模型示意图见图1。

其中图1中Q为输入输出水量，P为输入输出污染物总量。

（2）模型计算参数的确定。

主要针对该模型中的降雨径流Q₆和自净削减量P_净中的综合衰减系数k进行说明。其他参数可根据掌握的2014年的流量及水质数据进行确定。

降雨径流Q₆

河道径流量的计算方法主要有等值线图法、水位比拟法、径流系数法、水文勘察法和经验公式法本文中河段内的径流量的推算采用径流系数法。

径流系数法是指当小流域或附近有年降雨量资料时，且降雨与径流产生密切关系时，可利用多年平均降雨量与径流量之间的关系计算径流量即利用年降雨量的平均值与径流系数推求多年平均径流量，计算公式为：

W=1000×C×P×F （1）式中：W为年径流量（m³）；C为该地区径流系数，与研究区域植被、地形、地质、主河道长度等因素有关，可通过公式C=R/P计算径流系数；P为多年平均降雨量（1982年-2012水文站点数据）（mm）；R为多年平均径流深（1982年-2012水文站点数据）（mm）；F为控制河段流域面积（km²）。

综合削减系数k

针对区段内水量不平衡，需要首先进行水量平筑在水量平衡中以断面实测值为准可增加平衡水量（△Q），其值等于上断面流量与区段内汇入水量和下断面流量之差。因此，本文确定的k值的综合削减系数为计算公式为：

（2）

2.2Tennant法计算模型

Tennant法属于水文学方法的一种，其所需数据为某断面在人工干扰较少时期，自然状态下近40年左右的逐月实测流量数据。特殊情况下，若河道长期人工干扰严重，自然状态下的流量数据年份不足，此时可采用自然状态下近10年左右的流量数据。

根据我国的北方河流的实际需水特点，对于Tennant方法的水期划分要进行改进。在我国北方内陆河流中4月-6月为河流鱼类产卵和各类植物复苏生长的高峰期；7月-10月为传统意义上的雨季，降水丰沛，河道水量明显增加，流量变大；11月一次年3月降水较少，河道水量较小，受温度影响，有些河段甚至出现结冰现象，河流的水生动植物进入冬眠期，生态需水量相对较小。因此，将河流生态需水按季节划分为三个时段能更好地反映河流实际的来水过程。依据Tennant法的环境流量标准确定三个用水期的环境流量标准见表1。

2.3湿周法计算模型

湿周法是以湿周作为衡量栖息地质量的指标，来估算河道内流量最小值的方法。它根据河道的水力特性参数，如湿周、水力半径、平均水深等，由实测的河道断面湿周与断面流量之间的对应关系，绘制湿周流量关系曲线，该曲线上的突变点对应的流量值即为河道最小生态流量。本文采用湿周法中的斜率法对清溟河环境流量进行计算。

（1）建立湿周-流量关系。

依据典型性、稳定性和实用性的原则选择河道断面，结合断面的形态依据表2来建立湿周-流量关系，并进行曲线拟合。

（2）确定临界点。

取湿周-流量关系曲线上斜率为1的点为临界点，对函数p（q）求导，使dp/dp=1成立，即可算出最小生态流量q。

3清溟河环境流量计算结果分析

清溟河属淮河流域沙颍河水系，发源于新郑市，流经长葛市、许昌县、魏都区（许昌市区）、临颍县、鄢陵等县（市、区），至鄢陵县陶城闸下汇入颍河，全长149 km，流域面积2 362 km²。流域水系图见图2。

3.1基于水质水量平衡模型计算结果分析

清溟河省控临颍高村桥断面的“十二五”省政府责任目标、消除劣V类水体目标和水环境功能区划水质目标具体目标值见表3。

结合上述水质目标要求，以2014年水质及流量数据为基准，不同的水质要求设定不同的计算条件，开展环境流量计算，具体计算条件如下：

（1）“十二五”省政府责任目标测算条件：考虑2014年流域规划、碧水工程计划中相关治污工程已建成、碧水工程计划中相关治污工程已建成，上述工程2015年正常运行。

（21消除劣V类水体目标：入河工业点源、集中污水处理厂有地方流域标准的按标准要求的排放浓度达标排放计算，无流域标准的工业点源按《污水综合排放标准》（GB 8978-1996）一级标准（COD≤100mg/L、氨氮≤15 mg/L）达标排放计算，集中污水处理厂按《城镇污水处理厂污染物排放标准》（GB 18918-2002）一级A标准（COD≤50 mg/L、氨氮≤5mg/L、生活污水处理率≥85%）达标排放计算。

（3）水环境功能区划水质目标：入河工业点源执行COD≤50 mg/L、氨氮≤5 mg/L，集中污水处理厂执行COD≤40 mg，L、氨氮≤3 mg/L。

依据上述计算条件，2014年清溟河现状年平均流量为2 03 m³/s，为实现不同水质目标，清溟河高村桥断面处所需新增环境流量见表4。

由于实现三种水质目标所需环境流量的计算条件与目标值均不同，所以计算结果不能相互比较，但可以看出通过工业点源和集中污水处理厂的进一步提标，可以减少为实现水质目标所需的新增流量。

3.2基于Tennant模型计算结果分析

依据清溟河三里桥水文站1958年-1970年的流量数据，采用Tennant法计算清溟河生态系统所需的环境流量见表5。

Tennant法计算所得清溟河生态系统所需的环境流量适宜范围采用“好”级别的流量范围，为0.16-1.67 m³/s，其中丰水期适宜流量范围为0.75-1.67 m³/s、平水期0.16～0.37 m³/s、枯水期0.16-0.49 m³/s。适宜的流量过程见图3，从枯水期到丰水期所需的流量有呈骤然增加的变化趋势，平水期和枯水期则变化不大。

3.3基于湿周模型计算结果分析

（1）典型年的选取。

根据清溟河三里桥站1958年-1970年历年流量数据进行水文频率计算，选取频率P=25%、P=50%和P=75%所对应的年份作为丰水年、平水年和枯水年的典型年。三里桥站水文频率和典型年计算结果见表6。

（2）断面特征。

因清溟河三里桥水文站無实测断面资料，使用2009年清溟河河道治理工程设计断面图作为研究断面（图4），断面为梯形的硬质化河道，底宽6=15m，边坡系数m=0.833。

（3）计算结果。

根据梯形断面流量和湿周关系公式（表2），计算各典型年各月平均流量对应的湿周，并进行曲线拟合，不同水平年的流量湿周关系曲线见图5。

采用斜率法确定临界点，得出各典型年环境流量为：Q_（P=25%）=q，Q_m=1.05 m³/s，Q_（P=25%）=0.03 m³/s，Q_（P=25%）=0.01 m³/s。为了验证该方法计算结果是否符合实际情况，将湿周法计算结果与Tennant法计算结果进行对比分析，见表7。

由表7可知，湿周法计算清溟河三里桥断面P=25%丰水年河道内环境流量超出Tennant法所设定鱼类产卵育幼期和一般用水期中适宜环境流量，而P=50%平水年和P=75%枯水年环境流量远远小于Tennant法所设定鱼类产卵育幼期和一般用水期中最小环境流量，其中豐水年（1963年）生态水力学法计算环境流量结果为Tennant法设定的鱼类产卵育幼期适宜环境流量的129.6%，得到了Tennant法的验证，而平水年和枯水年的环境流量计算结果不能采用。造成这一结果的原因可能为清溟河三里桥水文站流量数据序列只有14年，且其中枯水年比例较高，导致经验频率计算结果不能很好地反映三里桥站真实的水文频率。本文采用丰水年计算结果即环境流量为1.05m³/s。

3.4环境流量计算结果整体分析

（1）河道应保障的常态环境流量。

湿周法计算得出的结果为1.05 m³/s，是全年的平均流量，没有分不同水期和月份计算，而Ten-nant法计算所得为每个月份的较适宜的流量，由Tennant法计算的“好”级别的流量值可以看出，只有7月、8月的流量大于湿周法所计算流量，其他月份均小于湿周法计算流量。为最大程度地保障河流生态系统所需流量，7月、8月份采用Tennant法计算值，其他月份均采用湿周法计算值，则清溟河河道应保障的常态环境流量计算结果见表8。

（2）河道改善水质所需应急补水。

根据实现不同水质目标所需环境流量计算结果，实现“十二五”省政府责任目标是最为迫切的，需新增环境流量为1.5 m³/s；而消除劣V类水体目标和水环境功能区划水质目标是假设进一步提标排污条件下，远期才能实现。因此，近期清溟河河道改善水质所需的环境流量为1.5 m³/s。

4结论

（1）环境流量是能够满足河流系统生态环境功能所需流量，应结合河流功能特点界定环境流量的组成并选择适用的计算方法。

（2）本研究考虑“取、用、耗、排”社会水循环及降雨、蒸发等自然水循环建立水质水量平衡模型，清溟河为实现“十二五”省政府责任目标、消除劣V类水体目标和水环境功能区划水质目标分别需要的环境流量为1.5 m³/s、0.6 m³/s、0.42 m³/s，作为应急补水时环境流量调控的参考值。

（3）本研究采用Termant法所计算的环境流量为0.16～1.67 m³/s、湿周法计算结果为1.05 m³/s。

（4）经分析，本研究建议清溟河不同月份保障环境流量值不同：1月-6月份1.05 m³/s、7月份1.67 m³/s、8月份1.42 m³/s。