西北季节性河流生态环境需水量研究

杨访弟，张永胜

(定西市水利科学研究所，甘肃 定西 743000)

生态环境是关系到人类生存和发展的基本自然条件，生态环境的稳定和平衡是经济社会可持续发展的基础。自20世纪80年代开始，我国就对流域生态环境需水和区域生态环境需水进行研究，到目前为止，生态环境需水量的研究仍处于初步探索阶段，还没有形成标准的、普遍适用的数学表达式。在西北地区，河流水量较小且水量季节变化大，部分月份经常出现断流现象，大部分河流处于黄土高原区，流域内水土流失严重，水流含沙量大。在水资源弥足珍贵，水生态又相对脆弱的地区，合理确定河流生态基流量就显得格外重要。

1 河流特征及现状

甘肃省位于我国西北部，境内大部分地区处于黄河流域，流域主要为黄土高原沟壑区和黄土丘陵区，流域内黄土广泛分布，土层深厚达数十米至百米以上，河流切割较深，沿河两岸是低平的川地，植被极差，水土流失严重。在该流域内虽有地表径流，但量较小。地下水储量较少，埋藏深，下渗的雨水除部分补给深层地下水外，多耗于雨后的土壤蒸发。综上，该流域内水资源量较少，年内分配很不均匀，且水中含沙量较大。

进入90年代后，黄河流域部分支流生态环境问题异常严重，断流、污染事件频繁发生，河流的功能基本丧失。黄河一级支流祖厉河和渭河上游是北方季节性河流，河流水量小且季节变化大，每年11月至次年4月断流，但河道周边居民的生活污水又只能排入河道，经常有一股股的恶臭从河道中散发出来，河道成了新的污染源。每年5～10月的汛期，暴雨形成径流，陡涨陡落，峰高量小，且携沙量大，洪水危害性较大。黄河健康与修复问题已经是必须重视的问题，黄河修复的优先行动之一为生态流量及流量过程的维持。

2 流域生态需水量理论分析

河道生态基流一般认为是维持河流水体特定生态环境功能、保持河道基本形态，河道内径流必须储存消耗的最小流量[1]。河流生态环境用水主要包括河流生态维持用水、污染防治用水、输沙用水、河口生态环境用水以及娱乐环境与河流景观用水[2]。

根据西北季节性河流的特征，流域生态环境需水和区域生态环境需水的确定也应该分时段来确定。在每年11月至次年4月底的断流期，流域内突降大暴雨的几率较小，流域内没有水流也就没有泥沙下泄，没有输沙的要求，河流生态环境用水主要为维持枯水期河流中水生物正常生长所需水量，即生态基流；每年5～10月是汛期，大量泥沙随水排到河流中，造成河流淤积严重，特别是祖丽河和渭河流域。因此，为维持水沙平衡、维持冲刷与侵蚀的动态平衡、维持河道的天然特征，需要一定的生态环境用水量与之匹配，这部分水量就是汛期河道的生态环境需水量。

西北季节性河流原本河道生物物种单一，维持枯水期河流中水生物正常生长的生态基流量相对较小，且对水质要求并不高，但在枯水季节沿岸居民的生活污水要进入河道，河流水质被污染，将使河流的生态环境功能遭受直接的破坏，河道内必须留有一定的水量来维持水体的自净功能，保证河流水质达标。所以此时段的河道内生态环境需水量是生态基流和自净需水量两者中的较大者。汛期河道内生态环境需水量是维持水沙平衡的水量，该水量应该是生态基流、输沙需水量、自净需水量三者之中的最大者。

3 流域生态需水量算例

以最具代表性的黄河上游支流关川河为例，探索适合西北季节性河流生态环境需水量的计算方法，并证明以上流域生态需水量理论分析的合理性。关川河位于甘肃省定西市区内，定西市内关川河上1957年设有巉口水文站，2000年撤销，期间共实测到连续44年的径流资料。本文选用巉口站1957～2000年的径流资料进行分析。

目前，在生态基流研究领域主要形成了水力学方法、水文学方法、整体分析法和栖息地法四类计算方法[3]。其中Tennant法是水文学方法中较常用的一种方法，本文采用引入回归分析思想的改进Tennant法[4]，使计算出的生态基流更符合实际情况。

维持河流水沙平衡需水量：关川河是多泥沙河流，必须考虑输沙需水量，以维持河流形态的动态平衡。在一定的输沙总量要求下，输沙水量取决于水流含沙量的大小，河流汛期输沙用水量的公式如下:

(1)

式中，Ws—年输沙需水量，m3；St—多年平均输沙量，关川河巉口站为67.9×108kg；Cij—第i年第j月的月平均含沙量，关川河巉口站汛期月均含沙量的平均值为250kg/m3；n—统计年数，关川河巉口水文站实测资料44年。

关川河在枯水季节有一定的排污要求，因此河道内必须留有一定的水量来维持水体的自净功能，保证河流水质达标。环境自净需水量的计算方法主要有Tennant法和7Q10法。鉴于西北地区水资源本就很贫乏的现状，我国对其进行了改进，依据GB/T3839- 1983《制订地方水污染物排放标准的技术原则和方法》规定计算结果见表1。

表1 三种方法计算关川河生态基流量结果

根据表1中数据，按照改进Tennant法计算的非汛期生态基流量为0.026m3/s，汛期生态基流量0.093m3/s；7Q10法计算的河道自净需水量为0.012m3/s；输沙用水量公式计算的汛期河道输沙需水量为0.861m3/s。非汛期7Q10法计算生态需水量为Tennant法的46%，非汛期河道内生态流量只要能满足河流中水生物正常生长的生态基流量0.026m3/s，就能满足河道自净需水量0.012m3/s。即在非汛期北方季节性河流的生态流量由维持河流中水生物正常生长的生态基流量决定。汛期河道自净需水量为生态基流量的13%，生态基流量为输沙需水量的11%，输沙需水量远远大于生态基流量，即在汛期北方季节性河流的生态流量由维持河流形态动态平衡的输沙需水量0.861m3/s决定。

生态基流量0.026m3/s为输沙需水量0.861m3/s的3%，这样在非汛期按生态基流下泄的水资源量为41.1万m3，按输沙需水下泄的水资源量为1361万m3，即在非汛期通过合理确定河道内生态流量可以节约水资源1320万m3，这对于干旱缺少，水资源非常匮乏的西北地区是非常有意义的。

4 结语

西北季节性河流水资源量缺乏，径流主要由暴雨形成，水中携带有大量的泥沙。现阶段经济用水与生态用水矛盾非常突出。根据区域特点和生态流量确定原则(功能性需求、主功能优先、分河段考虑、分时段考虑等)，将河道生态流量分为汛期和非汛期来确定，非汛期仅为汛期的3%。这样分期制定合理的生态基流量，利用引洮工程合理调配水资源，有效解决了生态用水和经济用水的矛盾，执行了最严格的水资源管理制度。