李金燕，包淑萍

（1.寧夏大學(xué)土木與水利工程學(xué)院，寧夏銀川750021；2.寧夏回族自治區(qū)水文水資源勘測局，寧夏銀川750001）

可持續(xù)發(fā)展的水資源利用需要將生態(tài)環(huán)境需水納入到水資源開發(fā)利用中，要求水資源的開發(fā)利用在滿足社會經(jīng)濟發(fā)展需水要求的同時，能夠保障健康、良性的生態(tài)環(huán)境。因此，不管是從研究流域或區(qū)域生態(tài)與環(huán)境恢復(fù)方略角度考慮，還是為了保護目前還未遭受破壞的生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)，生態(tài)需水量的研究都是迫在眉睫的，尤其是西部干旱區(qū)域。另外，跨流域調(diào)水工程會在某種程度上造成壩址下游河道中水量減少，水資源在各用水戶之間必須要重新配置，此時，一旦生態(tài)環(huán)境需水量被擠占，人類賴以生存的生態(tài)系統(tǒng)就會惡化。因此，在調(diào)水工程實施過程中，首要考慮的問題是為調(diào)水區(qū)水域生態(tài)系統(tǒng)預(yù)留足夠的天然水量，以維持調(diào)水區(qū)原有生態(tài)系統(tǒng)的平衡，否則調(diào)水工程便失去了其應(yīng)有的意義。

寧夏中南部城鄉(xiāng)飲水安全水源工程是將寧夏南部六盤山東麓水量相對較豐富的涇河流域地表水，輸送到寧夏中南部干旱缺水地區(qū)的區(qū)域性跨流域調(diào)水工程。該項目涉及寧夏固原市的原州區(qū)、彭陽縣、西吉縣、涇源縣，以及中衛(wèi)市的海原縣部分地區(qū)，其中涇源縣位于六盤山東麓，屬于渭河一級支流涇河發(fā)源地，是寧夏降水量和水資源最豐富的地區(qū)，也是該工程的調(diào)水區(qū)，工程地跨涇源縣香水鎮(zhèn)、興盛鄉(xiāng)、涇河源鎮(zhèn)。涇源縣境內(nèi)水系為涇河水系，主要支流有策底河、涇河干流、暖水河、頡河、茹河、洪河。茹河和洪河流域?qū)侔敫珊档貐^(qū)，水資源比較缺乏，供水保證率很低；策底河、頡河、暖水河及涇河干流地區(qū)屬半濕潤陰濕地區(qū)，水資源豐富，用水量較小，水資源比較富余。因此，該工程調(diào)出區(qū)選擇寧夏涇源縣涇河流域的策底河、頡河、暖水河及涇河干流。

寧夏中南部城鄉(xiāng)飲水安全水源工程是實現(xiàn)寧夏水資源“南北配置、豐枯補給”格局的重大舉措。調(diào)引汛期富余水量至寧夏中南部干旱缺水地區(qū)（清水河流域），通過水資源調(diào)蓄利用，與寧夏北部揚黃水及當(dāng)?shù)貛炀?lián)合調(diào)度運用，從量和質(zhì)上提高清水河流域水環(huán)境承載能力，實現(xiàn)水資源的綜合利用和資源效益的最大優(yōu)化。該項工程的實施，將大力緩解寧夏中南部地區(qū)水資源短缺的情況，有效改善區(qū)域生態(tài)環(huán)境，實現(xiàn)區(qū)域水資源優(yōu)化配置。但前提條件是深入研究調(diào)水工程對調(diào)水區(qū)所產(chǎn)生的不利影響，以保證其生態(tài)環(huán)境和經(jīng)濟社會的協(xié)調(diào)發(fā)展。因此，為了最大限度發(fā)揮工程效益，同時充分保護調(diào)水區(qū)的生態(tài)環(huán)境，并和當(dāng)?shù)厣鐣?jīng)濟協(xié)調(diào)發(fā)展，必須對調(diào)水區(qū)可調(diào)水量進行充分論證，其中關(guān)于維持河流生態(tài)系統(tǒng)平衡的生態(tài)環(huán)境需水量的研究是重中之重，因此對調(diào)水區(qū)河道內(nèi)的生態(tài)環(huán)境需水量進行了系統(tǒng)研究，以期為調(diào)水區(qū)生態(tài)建設(shè)、水資源調(diào)度提供參考。

1 寧夏中南部城鄉(xiāng)飲水安全水源工程調(diào)水區(qū)徑流量分析

1.1 代表站徑流量分析

調(diào)水區(qū)徑流選用具有區(qū)域代表性的涇河源水文站、三關(guān)口水文站實測資料，選用站網(wǎng)密度314 km2／站，符合《水文站網(wǎng)規(guī)劃技術(shù)導(dǎo)則》（SL34-92）中每站控制面積300～1 000 km2的要求。涇河源水文站為涇河干流代表站，三關(guān)口水文站為暖水河區(qū)域代表站，各代表站下墊面條件與相應(yīng)流域相近，具有代表性。資料不足的年份采用降水—徑流相關(guān)法插補，各站資料均插補到1956年。

1998年6月涇河源水文站斷面下遷1.5 km，集水面積151 km2，依據(jù)《水文資料整編規(guī)范》，對于斷面有遷移的水文站，如遷移區(qū)間無大支流加入，且遷移后集水面積變化＜3%，二站資料可合并使用。涇河源水文站遷站后，集水面積變化為2%，本次分析計算遷站前后資料合并使用。三關(guān)口水文站上游無水庫蓄水，可直接將天然徑流實測值作為序列資料。涇河源水文站上游有龍?zhí)端畮欤瑑H蓄水用做發(fā)電，可直接采用實測徑流值進行徑流頻率分析。涇源縣主要河流有策底河、涇河干流、暖水河、頡河、茹河。徑流深為100～300 mm，由南向北逐漸減小，變化幅度較大，南北相差200 mm。涇河源、三關(guān)口水文站多年平均年徑流量分別為4 616 萬、2 777 萬 m3，變差系數(shù) CV分別為 0.46、0.50；根據(jù)區(qū)域特點，偏差系數(shù)CS＝2CV。各站1956—2007年年徑流量頻率曲線見圖1、圖2。

圖1 涇河源水文站徑流量頻率曲線

圖2 三關(guān)口水文站徑流量頻率曲線

1.2 截引溝道徑流量分析計算

涇河流域?qū)幭木硟?nèi)可供選擇的引水河段為策底河、頡河、暖水河和涇河干流。截引區(qū)共有截引溝道12條，龍?zhí)端畮?、西峽水庫、紅家峽、黃林寨、蘭大莊、石嘴子、新民林場7條截引溝道選用涇河源水文站為代表站，臥羊川、清水溝、白家峽、暖水河截引溝和暖水河水庫5條溝道選用三關(guān)口水文站為代表站。應(yīng)用寧夏水文水資源勘測局編制的1956—2000年多年平均年徑流深等值線圖，初步查算得各截引溝多年平均徑流深值，再用區(qū)域代表水文站1956—2007年與1956—2000年年均徑流量的比值，修正多年平均徑流深值，計算得各截引溝道設(shè)計年徑流量，見表1（其中各月徑流量和與全年存在的略微差異是四舍五入引起的）。

表1 各截引溝道多年平均年徑流量月分配 萬m3

2 調(diào)水區(qū)河道內(nèi)生態(tài)需水量研究

干旱區(qū)域通常需要確定的是河道內(nèi)最小生態(tài)環(huán)境需水量，最小生態(tài)環(huán)境需水量指為保護水體的稀釋、自凈能力、輸沙功能，維持河流最基本的生態(tài)環(huán)境功能使其免遭破壞，所必須在河道內(nèi)預(yù)留的最小水量。根據(jù)對寧夏中南部干旱區(qū)域生態(tài)環(huán)境需水量的界定，河道內(nèi)生態(tài)環(huán)境需水量理論上包括河流基本生態(tài)環(huán)境需水量、輸沙需水量、河流水質(zhì)稀釋自凈需水量、河道水面蒸發(fā)需水量4部分［1］。據(jù)此建立河道內(nèi)生態(tài)環(huán)境需水量模型：

式中：Qhn為河道內(nèi)生態(tài)環(huán)境需水量；Qjb為河流基本生態(tài)環(huán)境需水量；Qss為河道輸沙需水量；Qjh為河流水質(zhì)稀釋自凈需水量；Qzf為河道水面蒸發(fā)需水量。

2.1 河流基本生態(tài)環(huán)境需水量研究

河流基本生態(tài)環(huán)境需水量指保障河道年內(nèi)各個時段徑流量維持某種水平，維持水生生物正常生長、保證河流基本生態(tài)環(huán)境功能不受破壞所需水量。其計算方法主要歸納為歷史流量法、水力學(xué)法、棲息地定額法和整體法4類，其中：歷史流量法具有代表性的方法是Tenant法（Montna法）、最小月平均流量法、7Q10法；水力學(xué)法的典型方法是濕周法；整體法的代表性方法為BBM法；棲息地定額法的主要方法是IFIM法。調(diào)水區(qū)缺乏對河流生態(tài)數(shù)據(jù)的系統(tǒng)監(jiān)測，因此河道基本生態(tài)環(huán)境需水量應(yīng)用最廣泛的方法是水文學(xué)法，即歷史流量法。

2.1.1 改進的Tennant法估算河流基本生態(tài)環(huán)境需水量

（1）Tennant法原理及改進。Tennant法是一種建立于干旱半干旱地區(qū)，通過分析大量流量和棲息地環(huán)境之間的實測資料，建立二者之間的相互關(guān)系，從而確定河流基本生態(tài)環(huán)境需水量的經(jīng)驗方法。Tennant法最大的優(yōu)點是不需要對水文資料進行現(xiàn)場測量，只需要掌握河流的多年平均徑流量資料。對于設(shè)置水文站點的河流，可以從水文站點的歷史觀測資料估算多年平均徑流量；沒有設(shè)置水文站點的河流，年均徑流量可以通過合理的水文技術(shù)手段獲得。同時，大量研究結(jié)果證明在Tennant法計算得到的流量條件下，河道內(nèi)的水生生物和生態(tài)系統(tǒng)能夠維持良好的生存及發(fā)展狀態(tài)，因此該方法在干旱半干旱地區(qū)得到了廣泛應(yīng)用［2-10］。

Tennant法是1976年由Tennant D L提出來的。20世紀60年代中期至70年代中期，Tennant等對6條分布于蒙大拿（Montana）州、4條分布于懷俄明州、1條在內(nèi)布拉斯加州的共11條河流展開了生態(tài)需水調(diào)查研究，因此該方法又叫Montana法。他們的研究是在不同河流、不同流量狀態(tài)、不同斷面展開的，利用大量觀測數(shù)據(jù)建立了水生生物棲息地參數(shù)與年平均流量的關(guān)系，Tennant最終推斷：要保證絕大多數(shù)水生生物的生存，河道內(nèi)所必需的最低流量大約為多年平均天然流量的10%。該方法根據(jù)汛期和非汛期的差異，以不同河道基本生態(tài)環(huán)境需水量占徑流量的百分比為標準［3-4］分為 8 個等級，見表 2。

表2 Tennant法推薦的基流標準

使用Tennant法時需要注意的是：該方法是在收集、監(jiān)測干旱半干旱地區(qū)永久性河流大量流量資料基礎(chǔ)上建立起來的，推薦河道基流標準在河流多年平均流量10%～200%范圍內(nèi)設(shè)定，不同基流標準代表水生生物棲息地生態(tài)環(huán)境質(zhì)量優(yōu)劣不同。但這種方法沒有考慮河流的幾何形態(tài)對流量的影響，沒有考慮流量變化大的河流及季節(jié)性河流，實際應(yīng)用中應(yīng)根據(jù)研究區(qū)域的實際情況對河道基本流量標準進行適當(dāng)修正［5-6］。

根據(jù)研究區(qū)域的實際情況，通過分析河道徑流分配情況及規(guī)律，對Tennant法進行了改進，即將河流生態(tài)環(huán)境需水量計算在時間上進一步細化，生態(tài)環(huán)境需水量占天然徑流量的百分比也稍作改進。研究區(qū)12月至次年3月河流處于冰凍期，水生動物處于休眠期，這段時間對水量的要求較低，將多年平均徑流量的10%作為最小生態(tài)環(huán)境需水量的計算基準；4—5月雖然天氣逐漸轉(zhuǎn)暖，但通過分析研究區(qū)徑流分布的實際情況可知，河道的徑流量依然很小，同時考慮到水資源量十分緊缺的現(xiàn)實情況，該時段最小生態(tài)環(huán)境需水量的計算依然確定為多年平均徑流量的10%；6—9月是包括研究區(qū)域在內(nèi)的北方地區(qū)的主要降雨季節(jié)，河流徑流量達到最大，水生動植物處于生理活躍期，需水量通常達到最大，綜合考慮研究區(qū)域徑流的實際情況，最小生態(tài)環(huán)境需水量的計算取該時段多年平均徑流量的15%；10—11月天氣逐漸轉(zhuǎn)冷，水生動植物活動逐漸減弱，最小生態(tài)環(huán)境需水量取多年平均徑流量的10%［11-12］。

基于以上分析，計算河道內(nèi)基本生態(tài)環(huán)境需水量時，將全年劃分為兩個計算時段，即10月至次年5月取多年平均徑流量的10%作為最小生態(tài)環(huán)境需水量的計算基準，6—9月取值為15%。同時，根據(jù)表2，考慮研究區(qū)的實際情況，將多年平均徑流量的30%作為估算適宜狀態(tài)時河道內(nèi)的基本生態(tài)環(huán)境需水量；參照眾多干旱區(qū)域生態(tài)環(huán)境需水量研究成果［2，10］，生態(tài)環(huán)境需水量最大值均取各時段徑流量的150%，見表3。

表3 改進的Tenant法設(shè)定的基流標準

（2）河流徑流資料調(diào)查分析及生態(tài)需水量估算。根據(jù)調(diào)出區(qū)各截引溝道天然徑流量月分配情況，應(yīng)用改進的Tenant法估算截引溝道基本生態(tài)環(huán)境需水量。對于干旱半干旱區(qū)域估算過程中僅考慮最小值和適宜值，結(jié)果見表4。

表4 Tenant法估算各截引溝道基本生態(tài)環(huán)境需水量月分配 萬m3

2.1.2 最小月平均流量法估算河流基本生態(tài)環(huán)境需水量

國內(nèi)許多學(xué)者根據(jù)我國河流實際情況提出了一些估算河流基本生態(tài)環(huán)境需水量的水文學(xué)方法，其中最典型的是最小月平均流量法。該方法通過實測的河流最小月平均徑流量，將河流的基本生態(tài)環(huán)境需水量取為多年平均值，計算公式為

式中：Qij為第i年第j月的河流月均流量（最小月平均實測流量），m3／s；T為常數(shù)，將時間年轉(zhuǎn)化為秒；n為統(tǒng)計年數(shù)。

根據(jù)調(diào)查統(tǒng)計的水文資料，采用最小月平均流量法評估各截引溝道基本生態(tài)環(huán)境需水量的最小值，結(jié)果見表5。

表5 最小月平均流量法估算各截引溝道基本生態(tài)環(huán)境需水量

對比最小月平均流量法確定的各截引溝道基本生態(tài)環(huán)境需水量最小值與Tennant法確定的最小值可以看出，最小月平均流量法的估算值略大于Tennant法的，但考慮到Tennant法除了確定最小生態(tài)環(huán)境需水量外，同時確定了生態(tài)環(huán)境需水量的適宜值，對于調(diào)水區(qū)可調(diào)水量能夠提出更為具體的合理化建議，因此河道內(nèi)基本生態(tài)環(huán)境需水量采用 Tennant法的估算結(jié)果。

2.2 河道輸沙需水量

河道排泄能力降低，下游河道堤防決口、洪水泛濫乃至生物多樣性遭受破壞的根本原因是，河流系統(tǒng)在水少沙多的情況下，水體中所含大量泥沙導(dǎo)致河床淤積、水位抬升。河道輸沙平衡需水量指保證河道沖刷與侵蝕維持動態(tài)平衡所需要的與之相匹配的生態(tài)環(huán)境水量。在輸沙總量一定的情況下，水流含沙量的大小直接決定了輸沙需水量的大小。北方河流通常在汛期完成其輸沙功能，其河流輸沙生態(tài)環(huán)境需水量主要指在汛期用于輸沙的水量。最大月含沙量法是北方河道輸沙需水量計算常用的方法。

李麗娟等［10］將多年平均輸沙量與多年最大月平均含沙量的平均值之比，作為河流汛期輸沙需水量，計算公式如下：

式中：St為多年平均輸沙量，kg；Cmax為多年最大月平均含沙量的平均值，kg／m3；Cij為第 i年 j月的月平均含沙量，kg／m3。

采用最大月含沙量法估算研究區(qū)各截引溝道年輸沙需水量，見表6（西峽水庫和龍?zhí)端畮煸跊芎痈闪魃?，含沙量極小，不計其輸沙需水量）。

表6 截引溝道多年平均輸沙需水量月分配 萬m3

2.3 河流水面蒸發(fā)需水量

對于河流而言，水面蒸發(fā)是熱量轉(zhuǎn)移和水量轉(zhuǎn)移的綜合反映，是水文循環(huán)和水量平衡的基本要素之一。水面蒸發(fā)將會造成河流水量減少，并使得水體中的污染物濃度進一步增大，河流的生態(tài)環(huán)境遭受破壞，因此河流蒸發(fā)水量也應(yīng)納入生態(tài)環(huán)境需水的范疇。

根據(jù)《寧夏回族自治區(qū)縣（區(qū)）水資源詳查報告》和《寧夏回族自治區(qū)第二次土地調(diào)查圖集》，涇源縣河道水面面積為0.46 km2，涇源縣屬于半濕潤地區(qū)，多年平均水面蒸發(fā)量為869 mm，多年平均降雨量為650 mm，蒸發(fā)量稍大于降雨量。按下式計算河流水面蒸發(fā)需水量［11-12］。

式中：A為河流水面面積，km2；E為蒸發(fā)量，mm；P為降水量，mm。

根據(jù)上式可知涇源縣河道水面年蒸發(fā)量為10.07萬m3，這個量與各截引溝道河道內(nèi)基本生態(tài)需水量及輸沙需水量的和相比較，是極小的，因此這部分需水量可忽略不計。

2.4 河流稀釋自凈需水量

河流環(huán)境水量所具備的一個重要功能是稀釋自凈水體中的污染物，其中水體流速越快、流量越大相應(yīng)的河流生態(tài)功能越強，對污染物的稀釋凈化能力越強。據(jù)此，河流稀釋自凈需水量可定義為，河流水質(zhì)達到水功能規(guī)劃要求所需要增加的水量。涇源縣境內(nèi)涇河水系大都屬阿列金分類中的型水，水質(zhì)普遍較好，礦化度基本在1.0 g／L以下。天然水質(zhì)變化由南向北礦化度逐漸增大，最南端涇河源頭礦化度低且水量豐富。寧夏水文水資源勘測局2008年12月、2015年9月對調(diào)水區(qū)域水質(zhì)進行了調(diào)查取樣，從兩次調(diào)查結(jié)果來看，涇源縣由于受人類活動影響小，無工礦污染，水質(zhì)普遍較好，因此河流稀釋自凈需水量忽略不計。

3 調(diào)水區(qū)河道內(nèi)生態(tài)環(huán)境需水量及水資源可利用量分析

3.1 河道內(nèi)生態(tài)環(huán)境需水量分析［13-15］

河道內(nèi)生態(tài)環(huán)境需水量并不是上述各分項的簡單疊加，其中河道內(nèi)基本生態(tài)環(huán)境需水量、輸沙需水量及稀釋自凈需水量屬于重疊項，各項相比取其大值。根據(jù)上述調(diào)查分析可知，涇源縣涇河流域水質(zhì)良好，稀釋凈化需水量為0，同時蒸發(fā)需水量忽略不計。因此涇河流域各截引溝道生態(tài)環(huán)境需水量只考慮基本生態(tài)環(huán)境需水量及輸沙需水量，但這兩項并不能進行簡單的疊加，而是取二者中的較大值作為河道生態(tài)環(huán)境需水量。對比表4和表6可以看出，除去輸沙量為0的月份外，其他各月各截引溝道輸沙需水量介于河道基本生態(tài)環(huán)境需水量最小值和適宜值之間，據(jù)此生態(tài)環(huán)境需水量在各月份的分配中取基本生態(tài)環(huán)境需水量和輸沙需水量中的較大值作為河道的最小生態(tài)環(huán)境需水量，適宜值仍然取河道基本生態(tài)環(huán)境需水量適宜值的估算結(jié)果。

3.2 考慮生態(tài)環(huán)境需水量的截引溝道可利用水量估算

按截引溝道概化年徑流量，扣除截引溝道所在河段河道內(nèi)的生態(tài)環(huán)境需水量，即為截引溝道的可利用水量，并且此次各截引溝道水資源可利用水量結(jié)算考慮了河道的基本生態(tài)環(huán)境需水量及輸沙需水量，同時綜合考慮最小值及適宜值［16-20］。各截引溝道水資源可利用水量估算結(jié)果見表7（暖水河截引溝水量小，不對其可利用水量進行估算）。

表7 各截引溝道可利用水量估算

續(xù)表7

4 結(jié) 語

寧夏固原城鄉(xiāng)飲水安全水源工程是寧夏回族自治區(qū)一項重大的民生工程，該工程的實施雖然將有效緩解寧夏中南部地區(qū)的水資源短缺現(xiàn)狀、改善區(qū)域生態(tài)環(huán)境，但任何一項調(diào)水工程都應(yīng)當(dāng)充分考慮調(diào)出區(qū)的生態(tài)環(huán)境建設(shè)?；谶@樣的理念，對調(diào)水工程截引溝道的生態(tài)需水量進行了系統(tǒng)研究，首先對河道生態(tài)環(huán)境需水量的類型進行了界定，進而采用合理的方法對各類生態(tài)環(huán)境需水量進行了估算分析，最后系統(tǒng)分析了調(diào)水區(qū)各截引溝道生態(tài)環(huán)境需水量的最小值及適宜值，從而得出調(diào)水區(qū)各截引溝道水資源可利用量的最大值及適宜值。本文的研究主要考慮了與河流流量密切相關(guān)的基本生態(tài)環(huán)境需水量及汛期輸沙需水量，有關(guān)生態(tài)環(huán)境需水和調(diào)水區(qū)可調(diào)水量的更全面的結(jié)論尚需要深入研究。