石川河干流生态需水量确定及保障措施初探

张 嫄，张盼红，王雪真

(陕西省水利电力勘测设计研究院，陕西 西安 710001)

在气候变化和人类活动背景下，河流生态系统正遭受严重威胁，河道断流、萎缩，水环境恶化等现象在一些中小河流非常普遍，导致这种现象的原因主要有2种：首先，气候变化对河流生态系统产生深刻影响，许多河流径流显著减少，生态环境严重恶化[1]；此外，由于经济社会用水量不断加大，很多流域水资源过度开发现象严重，挤占了必要的生态需水量[2]。

河湖生态流量是指为了维系河流、湖泊等水生态系统的结构和功能，需要保留在河湖内符合水质要求的流量(水量、水位)及其过程[3]。河流生态水量亏缺直接降低了河流的横向与纵向连通性，导致水流流动性差、河流动力学过程基本消失[4]，影响地表水体自净能力，进而有可能威胁地下水质安全，同时，河流生态流量不足影响河道内水生生物生存环境，使河道内的生物多样性及河岸旁的湿地资源遭到破坏，河道水生态环境和河道型湿地生态功能退化。

1 研究背景

石川河流域是陕西省关中水资源极度匮乏的区域之一，流域多年平均降水量586mm，低于关中地区648mm，属于关中降雨偏少区域。2018年人均水资源占有量为170m3，约为关中地区二分之一(人均水资源量300m3)，不到全省的六分之一(人均水资源量961m3)、全国的十二分之一(人均水资源量1969m3)，远远低于国际公认的人均500m3“极度缺水标准”，是陕西省极度缺水地区之一，水资源承载能力极低。

加之石川河流域是陕西省关中地区重要的粮棉生产基地，流域内已形成煤化工、热电联产为核心的能源产业集群以及综合性航空工业基地。石川河流域水资源的开发利用，使河道生态流量得不到满足，现状河道常年断流，河流连通性受到阻碍，河道功能受损，水质达不到相应的水功能要求，湿地面积萎缩、水量减少，天然河道、湿地生态系统退化，河岸带湿地资源及生态功能得不到保障。河湖健康得不到保障，沿岸居民居住环境变差，距离人民群众对美好生态环境的需求相差甚远。

2020年，石川河富平段申请成为陕西富平石川河国家湿地公园。据有关资料，该湿地公园内分布着湿地维管植物31科58属88种，湿地野生动物20目38科156种，有国家Ⅱ级保护植物野大豆1种，国家Ⅰ级保护动物4种，国家Ⅱ级保护动物7种，还分布着国家Ⅰ级保护动物——黑鹳、大鸨等。湿地生物栖息等功能对水资源、水环境质量等有了更高的要求。所以，确定石川河生态需水量，保障石川河的生态用水，是目前石川河所面临的最关键的问题。

2 方法综述

国外对于河道内需水量的研究最早可追溯到19世纪[5]，如欧洲水资源管理非常重视河流的“环境需水量”，英国使用“最小可接受流量”强调对河流生态的重视[6]，在20世纪70年代美国西部地区针对河道生态水量的研究取得了巨大进展，在美国，环境需水量是指服务于鱼类和野生动物、娱乐及其他具有美学价值目标的水资源需求[7]。

近年，我国经济社会发展对城市河流的功能需求已由单纯注重供水、防洪等功能向防洪、排涝、供水、生态、环境、景观、文化等多功能转变。国内城市河流治理的思路正逐渐向在保证防洪、供水安全的前提下，重视河流生态修复的方向发展，国内河流治理工程，如北京永定河治理工程[2]、南水北调中线河北省邢台市泜河生态补水工程[8]、黑龙江省哈尔滨市何家沟生态补水工程[9]等，均通过生态补水维护河流生态系统健康良性发展。在十四五水利发展规划中，维持河道健康良好的生态环境，保障河流的生态安全，已经和防洪安全、饮水安全、粮食安全共同成为水利工作的重中之重。在满足经济社会发展的同时，制定流域河湖生态流量保障措施，维系河湖健康，为新时期人民群众对生态环境的获得感和幸福感提供支撑[10]。

生态需水量研究是生态补水工程中确定补水规模的关键环节。从20世纪40年代开始，已发展了多种生态环境需水量的研究方法，涉及水文学、水力学、生态学等多种学科。主要的方法有：Tennant法、Qp法(不同频率最枯月平均值法)、近10a最枯月平均流量(水位)法、河床形态分析法、湿周法、生物空间法、生物需求法、输沙需水计算法、水量平衡法、单位面积用水法等。新时代河湖生态水量评价需要新思维，必须坚持河流水系整体性，水资源、生态环境和经济社会协调性等要求，综合考虑水资源禀赋条件、开发利用状况、生态环境保护要求等，按照需要与可能相结合，合理确定河湖生态水量目标[11]。本次生态需水量的计算方法综合考虑选择水文序列长度、生态目标、河流的具体情况等进行选择。

3 研究思路

本文以石川河为例，针对河流的实际情况，摸查问题、确定生态目标、选择典型断面节点、选择适宜的多种方法计算河道生态需水量，计算石川河在保障河道常年不断流、河滨带湿地植被用水和城市段河湖生态用水的生态目标下的河流生态需水量。本次对石川河河流生态需水量的研究思路如图1所示。

图1 河流生态需水量研究思路技术路线

(1)开展河流生态系统调查，评价河流存在的生态问题。可通过现场调查、资料收集等方式，分析项目区水资源、水环境、水生态、社会经济、现有水利工程分布、生态监测能力、水质监测能力等方面的情况。可以收集行政区划、主体功能区划、生态功能区划、水功能区划、“一河一策”、生态红线范围、三线一单成果、河长制管理等方面的资料，对资料缺乏的地区，可考虑采用卫星遥感、无人机等先进的信息技术进行必要的现场调查和监测。现场调查和收集资料的目的是为了解河流的生态环境状况，与河流天然状态下的情况进行对比，从而确定河流现状存在的生态环境问题及原因。

(2)确定河流生态环境保护目标，以及河流生态环境需水量的计算节点。根据河流生态环境状态、主要环境问题，结合河流类型、所处区域、水资源条件、开发利用程度、河道用水需求等因素，综合确定河流生态环境保护目标，并选择河流内有代表性的河流控制断面，如水文监测断面、水质控制断面、水功能区控制断面、行政界限、重要水利工程控制断面、重要支流汇入断面、重要生态环境敏感目标河段、河道特征和水力条件有显著变化的河段等，作为河流生态环境需水量计算的节点。还可结合流域综合规划、水资源保护规划、主要江河流域水量分配方案、水利水电工程环境影响评价及取水许可批复等成果，考虑控制断面代表性及生态保护重要性等，选择可监控、可调度的断面作为主要控制断面[12]。

(3)选择适宜的生态流量计算方法进行生态需水量的计算，综合得出河道生态需水量。河流生态需水量包括非消耗性水量和消耗性水量，基本公式为：

Q=Qf+Qx

(1)

式中，Q—河流生态需水量，m3/s；Qf—非消耗性水量，m3/s；Qx—消耗性水量，m3/s。

一般情况下，河道非消耗性水量包括河流基本生态需水量、河道自净需水量、城区河段生态水面需水量中的循环更新水量等；消耗性水量包括沿河湿地需水量、城区河段生态水面需水量中的蒸发水量、河道地下水补给量等。

4 生态需水量计算方法

4.1 河流生态环境存在问题

根据现场调查，石川河流域目前存在的生态问题如下。

(1)河道生态水量不足，存在断流情况。石川河流域地处关中平原，人口密度大、人为影响较大，流域内分布有大型灌区、能源产业集群等，水资源开发利用程度过高，挤占河道生态用水，致使河道内生态水量不足，部分河段甚至全年断流。

(2)地表水水质污染，威胁地下水质安全。根据石川河省控、市控断面近年的例行监测数据，石川河干流部分监测断面达不到相应水功能区Ⅳ类水质标准要求，存在COD、氨氮超标情况，河道水质污染对区域地下水水质造成了潜在威胁。

(3)河道断流造成河道生物多样性、河岸湿地资源受到严重破坏。石川河国家湿地公园资源独特，是关中平原-渭北黄土高原过渡地带典型湿地类型，地处生态脆弱带，集河流湿地、库塘湿地于一体，以河流湿地特征为主。由于河道断流，目前河道内鱼类种群数量较少，河岸湿地面积萎缩，生态功能退化，制约多种湿地生物的生存繁衍。

4.2 生态目标和计算节点的确定

石川河河道生态需水目标可初步定为最低和适宜2个层次。最低生态目标为：维持枯水河槽的水量要求，基流为来水量的10%，保持自然河段生态系统基本形态；维持水功能区纳污能力，保护水域使用功能的水质要求；维持沿岸湿地植物用水；保证城市河段内河湖生态用水。适宜生态目标主要包括：生态水量为来水量的30%，保持适宜的景观水面，增加对地下水的回补，恢复原有生物多样性和功能。

根据调查，石川河流域涉及铜川市、渭南市富平县、西安市阎良区和临潼区，省控、市控断面也分布在县(区)出入境处，其中富平县石川河段已申请成为国家湿地公园。鉴于石川河水资源开发利用率较高，又处于水资源匮乏地区，本次按照最低生态目标，选择石川河流域的岔口断面、富(平)-阎(良)分界断面、石川河入渭口断面作为计算节点。

4.3 生态需水量计算方法

根据现场调查和生态目标，石川河生态需水主要包括河道生态基流、维持水体自净稀释水量、生态水面循环更新流量以及滨河带植被需水量。不同计算节点河段的生态环境需水量具有一定的差异性，主要是在空间、时间上会有不同需求。需计算各节点基本生态需水量，河道自净需水量、城区河段生态水面循环更新水量，同时考虑沿河植被需水的消耗性水量，得出各节点生态需水量。

4.3.1各断面基本生态环境需水量Qb的确定

基本生态环境需水量可采用Tennant法、不同频率最枯月平均值法、近10a最枯月平均流量法进行分析。

(1)采用Tennant法用历史流量资料确定年内不同时段的生态环境需水量，不同河道内生态环境状况对应的流量百分比见表1。

表1 不同河道内生态环境状况对应的流量百分比 单位：%

(2)采用不同频率最枯月平均值法时，要对实测水文资料进行还原和修正，选择90%和95%保证率下的最枯月平均流量作为节点基本生态环境需水量。

(3)近10a最枯月平均流量法适合水文资料系列较短时近似采用。经比较，采用近10a最枯月平均流量法所得出的各断面生态环境需水量与其他方法相差最大，最终选择90%保证率最枯月平均流量、95%保证率最枯月平均流量和10%多年平均径流量法的中间值，即最终选用10%多年平均流量作为本次石川河各控制断面基本生态环境需水量。

4.3.2河道水体自净需水量Qc的确定

为了保证河流各功能区段内水质达到相应的标准，还需要考虑石川河沿岸排污口出水水质和排污量，以此计算河流自净需水量，主要计算因子选择氨氮、COD。

采用采用稳态的、一维的水质模型估算河流自净需水量，在忽略纵向弥散作用下，一维水质模型解析式为：

C=C0exp(-kx1/86400u)

(2)

式中，C0—初始浓度，mg/L；k—一阶动力学反应速度，1/d；X—沿河流方向距离，m；C—位于污染源(排放口)下游x处的水质浓度，mg/L。

经计算，各断面维持水体自净能力的水量在0.06～0.23m3/s之间。此外，还应对补水水源水质进行分析，考虑补水水源的水质影响，复核生态补水量。

4.3.3城区河段生态水面需水量的确定

采取水量平衡法计算湖泊的生态需水量，本次计算范围内的拦水坝均位于城区，且进行了防渗，本次忽略其渗漏损失，仅计算蒸发损失量和维持水面水质的循环更新水量，经过计算，石川河全年蒸发量Qe约为79.91万m3，维持生态水面循环更新的水量Qr约为1037.68万m3。

4.3.4维持沿河湿地需水量Qp的确定

湿地植被、土壤、生物栖息地、地下水补给以及水域生态需水量是湿地生态需水量的各组成部分[13]。石川河沿河道两岸分布有湿地、植被等，结合项目区原始气象资料，计算植被生态需水。经过计算，石川河植被生长期(4～10月)生态需水量为0.06～0.33m3/s。

5 生态需水量Qx的确定及保障措施

5.1 生态需水量计算公式推导

根据上文分析，本次生态需水量对各计算节点处进行了以下几个方面生态需水的计算：①基本生态需水量Qb；②河道自净需水量Qc；③城区河段生态水面蒸发量Qe、循环更新水量Qr；④沿河植被需水Qp。其中，基本生态需水量Qb、河道自净需水量Qc、以及城区河段生态水面需水量中的循环更新水量Qr均为非消耗性水量，沿河湿地需水Qp和城区河段生态水面需水量中的蒸发水量Qe均为消耗性水量，消耗性水量和非消耗水量外包得出各节点生态需水量。本次建立以下公式来确定各节点处的生态需水量。

Q=max(Qb，Qc，Qr)+Qe+Qp

(3)

计算得出石川河各河段生态环境需水量，见表2。

表2 石川河各计算河段生态需水量 单位：m3/s

5.2 生态用水保障措施

(1)积极推进灌区农业节水。针对水资源匮乏和农业发展现状，把石川河流域泾惠渠、桃曲坡、交口和东雷抽黄二期等4个大型灌区的农业节水作为节水型社会建设的重点区域，鼓励喷灌、微灌等节水农业灌溉方式，降低农业用水量，提高农业生产中的水资源利用效率。

(2)积极推进工业节水。挖掘工业节水潜力，加快先进节水技术装备推广应用，推进煤炭、煤化工等高耗水产业节水增效，严格限制高耗水产业发展；加快工业园区等企业间串联用水、分质用水，一水多用和循环利用，实现水资源梯级优化利用；通过限价、补贴等方式，积极推进能源产业集群企业工业节水，大力发展节水新工艺新技术，提高工业用水重复率，降低万元工业增加值用水量。

(3)加强上游调蓄性工程的生态流量调度管理。针对流域上游调蓄性工程，应加强生态流量调度，石川河上游大型调蓄工程有桃曲坡水库，应加强该水库的生态流量下泄及保障措施，安装生态流量在线监测系统，不断修正完善水库调度方案，健全生态流量下泄管理制度和监管体系，提高生态流量保障水平。

(4)加强非常规水源利用。在水资源短缺、水资源开发利用潜力不大的地区，在科学合理开发利用地表水、地下水资源的同时，加强再生水利用、雨水集蓄利用、矿井水利用等非常规水源的多元化利用，扩大再生水的利用规模，有效提高用水效率。

(5)建设水系连通工程。建设水系连通工程，增强水体流动性，提升水资源调蓄和净化能力，实现支流间的丰枯调剂，从水资源相对丰沛的临近河流向生态水量严重不足的河流相机补水，保障支流不断流、改善水生态环境。以石川河为例，近期计划改造泾惠渠徐木抽水站，修建二支渠至富平县城石川河上游段补水线路，向石川河岔口以下生态湿地补水，远期通过修建洛河入雷塬水库引水工程、雷塬水库扩容工程和雷塬水库～漆水河线路工程向石川河进行生态补水。

6 结论与建议

6.1 结论

从水体自净、蒸发、植被等各方面的生态需水量计算结果可以得出如下结论。

(1)对于石川河这种西北部的河流，影响生态流量的因素主要为河道外湿地植被需水、城区段水面蒸发等消耗性水量。

(2)生态目标的确定是计算生态需水量的基础，生态目标越高，生态水量数值越大。针对石川河开发利用程度过高、河流多处已出现常年断流的现状，生态基流量取多年平均天然流量的10%仅能满足其最低的生态目标，外包消耗性水量的生态水量计算结果约占河道多年年均天然流量百分比的12%～15%。随着各种生态用水保障措施的有力实施，可以对河流生态目标提出更高的要求。

(3)根据文献及资料，石川河岔口至阎良段，由于历史上多年连续超采地下水，存在地表水补给地下水形式的河道渗漏，但由于资料有限，本次生态水量的计算并未考虑河道渗漏水量，该部分水量属于消耗性水量，在地质勘查得出结果后，需要进一步对流域生态水量进行修正。

6.2 建议

为了更好地确定河湖生态水量，保障河道基本生态流量，建议尽快建立主要河流不同控制断面的的生态流量监测系统，健全生态流量监管体系；另外，考虑到生态补水工程通常是从临近河流或渠道修建输水工程，供水水源多样、输水线路较长，导致生态补水成本较大，因此，亟需建立生态用水补偿机制，解决生态补水工程的经费来源。