调水工程河道内生态需水量研究及实例分析

1、调水工程河道内生态需水量研究及实例分析吴春华轩晓博 基金项目：中国博士后科学基金资助项目（2005037315）；国家“十一五”科技支撑计划重大项目：南水北调工程若干关键技术研究与应用（2006BAB04A08）作者简介：吴春华（1970），女，河南商丘人，博士后，副教授，主要从事环境生态学研究。E-mail: （黄河勘测规划设计有限公司，河南 郑州450003）【摘 要】生态需水的研究已成为国内外地球科学领域普遍关注的一个热点问题。南水北调西线工程调水河流生态需水量的计算也是调水规模论证的基础。在对生态需水相关理论进行概括总结的基础上，应用国内外较为成熟的水文学和水力学方法，对西线调水工程的

2、河道内生态需水量进行了分析计算，并根据南水北调西线工程调水区独特的生态环境保护目标，考虑主要保护两岸植被及河道内的水生生物，且结果能满足维持河流生态系统健康的需要，选取针对性的方法对河流生态需水量进行了分析与计算。结果表明：为满足不同保护对象对生态环境需水的要求，调水河段生态环境需水采用各月生态环境需水的外包线，即36月为4 m3/s55m3/s，72月为2 m3/s40m3/s。河道内年均生态环境流量分别为：热巴40m3/s，阿安、仁达、珠安达、霍那均为6m3/s，洛若、克柯2均为2.7m3/s。 关键词南水北调西线一期工程；调水河流；生态需水量Study and case analysis

3、 on the Ecological Water Demand in River Channels of Water division project Wu ChunHuaXuan XiaoBo Yellow River Engineering Consulting Co.Ltd., Zhengzhou,450003, HenanAbstract: The field of ecological water demand has been one of the research foci of geographical sciences in the world. The calculatio

4、n of ecological water demand in water exporting river of the first stage of western line from south to north water transfer project is the base of water transfer scale argumentation. Based on the summary of ecological water demand theory research, we calculated the ecological river flow of water tra

5、nsfer project by ripe hydrology and hydraulics method. we also considered the need of keeping river system health and protecting the plants of side banks and the living things in river reaches according to the unique eco-environment of western route in water exporting region and the goal of environm

6、ent protection. Then we selected counter methods to calculate the ecological water demand in river reaches. The results stated that the ecological water demand of water exporting river adopt epibolic various month ecological water. That is 4 m3/s55m3/s from March to June and 2 m3/s40m3/s from July t

7、o February respectively. The yearly average ecological water is 40m3/s m3 s-1 for Reba，6 m3 s-1 for Aan，Renda，Zhuanda and Huona，2.7 m3 s-1 for Luoruo and Keke respectively. Key words: The first stage of western line from south to north water transfer project; Water exporting river; Ecological water

8、demand调水工程的实施，必将导致坝址下游河道水量的减少，而使自然系统中的元素发生“互相挤占用水”现象，一旦生态环境因子的用水被挤占，生态系统就会恶化。因此，对水域生态系统来说，必须预留一部分天然水量，以维持原有生态系统的平衡。河道最小生态需水量是保证在调水后维持河道原有生态的基本河道需水量，在实际调水工程中如何计算和确定河道需水量，对于发挥工程的最大效益、维持河道生态系统良性循环有着非常重要的意义。1 生态需水量的理论1.1 生态需水量概念生态需水（Ecological Water Requirement），有学者认为，是指在一定的生态目标下，维持特定时空范围内生态系统与自然环境正常功能或

9、者恢复到某个稳定状态所需求的水量。在“三生（生活、生产、生态）”共享水资源的条件下，其需水量是实现一定生态系统功能目标客观需要的水资源量。由上述概念看出，生态需水的大小受三方面因素制约，即生态目标、生态特性和生态条件1。但从本质上看，生态需水受两类自然因素的影响：一类是生态系统本身的组成和结构特征，如植被类型、空间结构等；另一类则是包括水分条件在内的外界环境因子，如土壤、日照、气温、大气组成等。因此，受生态系统本身物质、能量循环周期特征以及外界环境因子变化的综合作用，生态需水在不同的时段和空间范围内是不同的。1.2 生态需水量阈值图 1-1 生态系统水分状况水与生态系统的关系是生态需水量计算的

10、重要理论依据。生态系统作为一个有机体，具有自我调节功能，维持生态系统健康所需的水分不是在一个特定的点上，而是在一定的范围内变化的，此范围就构成了生态水分需求的阈值区间。对一特定的生态系统而言，若以其基本健康的水平来衡量，在临界和良好状态之间波动，对应着一个特定的需水阈值区间Wmin， Wopti，Wmax，如图1-1所示2。只有水分条件处于阈值区间内，生态系统才能维持相对的平衡。把用以维持生态系统物质、能量输入输出平衡的最小水分状况称为最小生态需水量（Wmin）。对于调水工程关键在于确定Wmin，在保证满足调水河流生态功能用水情况下，尽量多调水，以发挥工程最大效益。2 生态需水量的计算方法国外

11、从20世纪40年代就开始注意生态需水量问题，此后，相继研究并提出了各种生态需水计算方法3。国内在近20年来，逐渐对生态需水有了足够的重视，开展了大量关于生态需水量的研究。按学科分，有水文学、水力学、生态学方法和综合法。生态学方法主要是基于生态管理的目标，研究现存或期望生物对水量的需求和分配，代表方法有PHABSIM法等。综合法4是从生态系统的整体出发，根据专家意见综合研究流量、泥沙运输、河床形状与河岸带群落之间的关系，使推荐的河道流量能够满足生境综合功能，代表方法有南非的BBM法5（建立分区法）。生态学法和综合法对物种信息、实践和参数的要求比较高，由于西线地区缺乏相关资料，在计算分析过程中，以

12、水文学和水力学的方法为主。2.1水文学方法 水文学方法一般是首先对系统进行描述，包括水量、持续时间和淹没频率等。主要关注最小流量和水位的保持，该法又称为标准设定法或快速评价法，是根据简单的水文指标对河流流量进行设定。最常用的方法有Tennant法6、 Texas7、河流基本环境需水量法8、7Q10法9、污染物与流量关系曲线法3以及月（年）保证率设定法【10】等。 Tennant法Tennant法是一种依赖于统计的方法，建立在历史流量记录的基础上并将平均每年自然流量的简单百分比作为基流，更适宜于季节性为基础的需求。它是以预先确定的年平均流量百分数作为河流推荐基流量。一般将多年平均流量的10% 作

13、为最小的河流生态需水量（表2-1）。表2-1 河流生态用水的流量状况推荐标准（平均流量的） 流量对生态的有利程度 最大 最佳 很好 十分好 好 中 差 极差 一般用水期（103月） 200 60100 40 30 20 10 10 010 鱼类产卵育幼期（49月） 200 60100 60 50 40 30 10 010 Texas法Texas法是在Tennant法的基础上进一步考虑了季节变化因素，将50保证率下月流量(中值流量)的特定百分率作为最小基本流量。特定百分率的选取在原Texas法中根据河流的生物习性要求，譬如历史上鱼类在不同月份所需要的流量。2.1.3 其它方法此外，还有河流基本生

14、态需水量法，该法采用河流最小月平均实测径流量的多年平均值作为河流生态需水量。7Q10法近来也被作为一种主要的计算方法，该法从控制污染源的角度出发，采用90保证率最枯连续7天的平均水量作为河流最小流量设计值。在污染比较严重的地区，污染物与流量关系曲线法和月（年）保证率设定法等也得到广泛应用，这两种方法是从河道污染的角度，通过分析流量与污染物相关关系，确立不同水质目标下的河道需水量。本文在此不予详细介绍。2.2水力学方法水力学方法是根据河道水力参数（如河宽、水深、断面面积、流速和湿周等）确定河流所需流量。代表方法有湿周法11、生态水力半径法12等。湿周法湿周法（wetted perimeter m

15、ethod）是利用湿周(过水断面上，河槽被水流浸湿部分的周长)作为衡量栖息指标的质量来估算河道内流量的最小值。该法的依据是基于以下假设：湿周和水生生物栖息地有某种关系，湿周通常随着河流流量的增大而增加，当湿周超过某临界值后，河流流量的大幅度增加也只能导致湿周的微小变化（宽浅型河道），即河流湿周存在一个临界值。保护好水生生物栖息地的临界湿周区域，也就基本上满足非临界区域水生生物栖息地保护的最低要求。首先建立河道断面湿周和流量的关系曲线，依据该曲线确定变化点的位置，估算最小需水量推荐值。以矩形断面为例来说明湿周法计算最小生态需水量的步骤：（1）根据水力学公式，我们可推导出矩形断面湿周与流量关系如下

16、： 在宽浅型河道近似有： 其中：P为湿周，Q为流量，B为河宽，S为水力坡度。（2）根据以上式子，绘制湿周P与流量的变化关系图，可分为对数拟合和线性拟合两种类型；（3）根据关系式，求，分布应用各自方法求得斜率和曲率，得出MEIFR（最小生态需水量）。生态水力半径法该法是刘昌明院士提出的新方法，以谢才公式为基础，假设天然河道的流态属于明渠均匀流，且流速分布均匀，通过生物学调查得到水生生物适宜的流速，根据该流速计算其对应的生态水力半径：式中v生态为生态流速，不同鱼类的洄游流速不同，一般为0.4 m/s1.4 m/s；R生态为过水断面的生态水力半径，m；n为河道糙率；J为河道的水力坡度。该生态水力半径

17、计算求得的对应流量即为含有水生生物信息和河道断面信息的生态流量。3 实例研究及结果分析西线南水北调作为一项巨大的跨流域调水工程，是从长江上游调水至黄河上游来解决黄河流域水资源不足和我国华北部分地区干旱缺水的重大战略措施。西线调水地区地处青藏高原，水资源丰富，水质较好，区内植被覆盖完好，生态环境基本保持自然状态。但由于海拔高，气候寒冷，当地的自然生活条件较为艰苦，对于河流的基础资料，很难直接取得。针对这种条件特殊的地区，采用了水文学方法中的Tennant法、Texas法与水力学方法中的湿周法、生态水力半径法等进行分析计算，并根据西线调水河流地区的生态保护目标，采取针对保护水生生物的方法计算分析了

18、生态需水是量，最终共同确定调水河流河道内的生态需水量。3.1河道内生态环境需水量分析调水河段有不同的生态环境保护对象和目标，需要同时满足多种生态功能对应着的不同类型的生态需水。在生态需水计算时，在分析满足不同类型生态需水后，按照最大值的原则，选择其中最大值作为河段的河道需水，这样即可同时满足其他功能对水量的需求。西线调水河流生态环境水量分为两部分，一是河段基本生态环境需水，即按照目前国内外常用的分析方法，分析一般规律条件下调水河段生态环境需要的水量；二是重点保护对象的需水，即以鱼类为代表，分析鱼类生长中特殊时期繁殖期需要的水量过程。取两者外包线作为西线调水河段的生态环境需水。基本生态环境需水根

19、据调水河段生态系统特点、主要保护对象和目标的需求，西线调水河段保护对象主要包括水生生物、岸边植被、水环境等，基本生态环境需水是全河段均要满足的功能，也是保证全河段具有连续径流的条件。因此，选择多种方法对调水河流河道内生态环境需水量进行了分析，结果见表3-1。表3-1 各引水坝址下游河道基本生态环境需水量分析结果 单位：m3/s河流坝址坝址多年平均流量Tennant法7Q10法最小月平均径流法按国家环保局11号文件规定水力半径法湿周法生态环境流量范围值基本生态流量推荐值良好生态环境标准一般生态环境标准近10年最枯月平均流量90%保证率最枯月平均流量雅砻江干流热巴192.554.6 35.3 29

20、.035.244.59.649.811.069.654.6 35达曲阿安31.79.0 5.8 2.43.86.03.35.04.602.49.0 5泥曲仁达36.410.3 6.7 1.02.14.63.68.33.721.010.3 5色曲洛若13.13.7 2.4 1.01.11.81.31.03.7 2杜柯河珠安达45.813.0 8.4 4.04.26.44.63.503.513.0 5玛柯河霍那35.110.0 6.4 3.44.97.23.59.91.271.310.0 5阿柯河克柯219.25.4 3.5 1.71.82.41.93.71.91.75.4 2由表3-1可见，由于

21、各种方法的保护对象和生态目标不同，计算的河道最小生态环境流量有一定差别。采用湿周法、近10年最枯月平均流量法以及按环保总局11号文计算的结果最小，采用Tennant法中的良好生态环境标准所计算的结果最大。要求的各坝址下游临近河段的生态流量范围为：热巴为9.6 m3/s54.6 m3/s，阿安、仁达分别为2.4 m3/s 9.0 m3/s、1.0 m3/s 10.3 m3/s，洛若为1.0 m3/s 3.7 m3/s，珠安达为3.5 m3/s 13.0 m3/s，霍那为1.3 m3/s 10.0 m3/s，克柯2为1.7 m3/s 5.4 m3/s。根据坝下临近河段径流汇入分析，在坝下10km2

22、0km范围内即有较大支流的汇入，调水后河道基流恢复较快，河道内水量将沿程增多，生态环境流量也将迅速增加。根据各坝址计算的生态流量范围值以及各坝下汇流情况，本次暂推荐的各坝址下游临近河段生态环境流量分别为：热巴35 m3/s，阿安、仁达、珠安达、霍那均为5m3/s，洛若、克柯2均为2 m3/s，该流量满足维持引水坝址下游临近河段生态用水需求，并且均大于国家环保局11号文规定的最小生态流量。重点保护对象生态需水西线工程调水河段河谷深切，年降水量在700mm左右，坝址两岸地下水位高于河水位，经同位素分析，区内地下水单向补给河水，植被生长基本靠天然降水，调水引起的河道水量变化对临岸植被的影响有限；调水

23、河段人烟稀少，植被覆盖度好，污染源主要是有机物为主的面源，调水后虽然减少了径流量，但污染源浓度增加有限。河段内重点保护对象为以鱼类为代表的水生生物。鱼类是该系统中对水的变化最为敏感的主要生态保护对象，调水后水量减少，水位下降，从而可能影响到以鱼类为主的水生动物的生长和繁殖，对水生生态系统构成一定的不利影响。因此，必须考虑对调水区鱼类，特别是对特有的珍贵稀有鱼类的保护，维持其最小的生态需水量。繁殖期法此方法以生态基流量应满足重要物种的繁衍生息着手研究，从满足重要生物类群的繁殖条件出发，估算生态基流量。雅砻江水系主要是满足大渡软刺裸裂尻鱼、短须裂腹鱼、裸腹叶须鱼、厚唇裸重唇鱼和青石爬鮡的繁殖、索饵

24、和越冬条件。大渡河水系的色曲、杜柯河、玛柯河和阿柯河主要需要保护的鱼类是虎嘉鱼、齐口裂腹鱼、大渡软刺裸裂尻鱼和青石爬鮡。虎嘉鱼的繁殖时间是3月中旬，齐口裂腹鱼的繁殖时间是4月，大渡软刺裸裂尻鱼的繁殖时间是5月，青石爬鮡的繁殖时间是9月。虎嘉鱼、齐口裂腹鱼和青石爬鮡均在干流产卵。工程影响区内主要的保护种类和经济种类的繁殖期都较早，为45月，此时各河流的流量比冬季最小流量只是略有增加，在一年之中属低流量。这些鱼类繁殖过后，留在附近河段觅食肥育，此时较好的食物条件对亲鱼恢复体能和为来年繁殖积蓄物质都是十分重要的，因此河段还应有一定的流量来为这些鱼提供较好的摄食和避护场所，故起码应该维持其繁殖时所需要

25、的较小流量，才能使鱼类有较为充足的水体空间。为了满足主要鱼类繁殖期对流量的需求，应该保障45月的流量能保留原河段同期平水年的平均流量，就可以满足保护鱼类和主要经济鱼类的繁殖和索饵需求，最低状况下应该保证各河流原4月份的流量为生态基流量。根据南水北调项目专用水文站的实测资料，特枯年份（95）霍纳35月份平均流量为6.116.3m3/s(表3-2)，最低为6m3/s。因此，大渡河水系的杜柯河和玛柯河最小下泄流量在5m3/s可以基本满足鱼类繁殖的需求。依据此方法推算出各河流的生态基流量如下：雅砻江热巴坝址下泄流量应在42.3108.4m3/s，最低42.3 m3/s。达曲阿安坝址下泄流量应在5.51

26、9.5m3/s，最低5.5 m3/s。泥曲仁达坝址下泄流量应在3.713.4m3/s，最低3.7m3/s。杜柯河珠安达坝址下泄流量应在6.713.6m3/s，最低6.7 m3/s。玛柯河霍纳坝址下泄流量应在6.116.3m3/s，最低6.1 m3/s。阿柯河克柯坝址下泄流量应在28.8m3/s，最低2 m3/s。表3-2 南水北调西线各坝址逐月流量 （m3/s）坝址123456789101112热巴35.435.242.377.0108.4181.9223.9142.6329.5179.091.352.6阿安3.03.85.510.119.537.448.121.816.114.29.45.6

27、仁达3.12.53.711.413.420.331.318.662.032.112.95.9珠安达5.65.96.710.713.635.761.930.5107.041.421.59.8霍那4.85.16.111.516.345.426.726.445.037.418.49.3克柯1.71.72.04.58.830.932.810.436.011.95.62.8类比法生态基流量估算以同一水系来分析，比如雅砻江及其支流达曲和泥曲的生物组成和群落结构有一定的近似性，只是支流达曲和泥曲的鱼类种类数较雅砻江的鱼类种类数量少而已。达曲和泥曲在霍纳汇合后，河流流量显著增加，在河流经过道孚县时，鱼类的种类

28、数显著增加，且其组成已极为相似，说明道孚的流量已经能满足雅砻江甘孜河段鱼类栖息和生活。从类比法分析，雅砻江在鱼类45月的繁殖季节里维持达曲和泥曲汇合后45月份的流量时，就能满足鱼类群落主要种群的繁衍生息。两者在炉霍汇合后35月份的流量为18.465.8m3/s。故雅砻江热巴坝址在35月的生态基流量为18.465.8 m3/s。阿安和仁达同属雅砻江的二级支流，鱼类群落结构应是相同或非常相似的，泥曲35月的流量为3.713.4 m3/s，其流量小于达曲的5.519.5 m3/s，故可以泥曲35月份的流量3.713.4 m3/s作为达曲和泥曲坝址下游河段的生态基流量。杜柯河和玛柯河坝址河段鱼类群落结

29、构组成相似，霍纳35月的流量为6.116.3 m3/s，其流量小于珠安达的6.713.6 m3/s，故可以霍纳35月的流量6.116.3 m3/s为珠安达的生态基流量。克柯坝址位于阿柯河的河源段，坝址下游河段由于已形成安羌水电站库区，渔业资源量小，且鱼类主要是大渡软刺裸裂尻鱼和麻尔柯河高原鳅，对流量并无很高的要求，因此其下泄流量在25m3/s可以满足鱼类繁衍生息的水文条件。故依据此方法推算出各河流的生态基流量如下：雅砻江热巴坝址下泄流量应在1866m3/s，最低18 m3/s。达曲阿安坝址下泄流量应在3.713.4m3/s，最低3.7 m3/s。泥曲仁达坝址下泄流量应在3.713.4m3/s，

30、最低3.7m3/s。杜柯河珠安达坝址下泄流量应在6.116.3m3/s，最低6.0 m3/s。玛柯河霍纳坝址下泄流量应在6.116.3m3/s，最低6.0 m3/s。阿柯河克柯坝址下泄流量应在25 m3/s。生态水力学法计算生态基流量利用雅砻江、达曲、泥曲、杜柯河、玛柯河和阿柯河等河流的主要代表鱼类所需的水深、流速、水面宽数据，计算生态流量。 根据雅砻江成鱼生境条件，软刺裸裂尻鱼、厚唇裸重唇鱼、裸腹叶须鱼、短须裂腹鱼和青石爬鮡栖息地的水深应为13m，流速应为0.451.74 m/s，因此，雅砻江干流热巴坝址下游最低要维持约1m的水深，0.45 m/s的流速。根据对玛柯河鱼类生境的调查，大渡软刺

31、裸裂尻鱼的水深为0.52.3m，流速变幅较大，为0-0.99m/s。故大渡河水系的杜柯河和玛柯河鱼类栖息地的水深应为0.5m，流速取中间值0.45m/s。虎嘉鱼常栖息于深潭。因此在其分布的玛柯河的仁钦果水电站至柯河乡的水域内，59月虎嘉鱼摄食活动期应保持较深水体。建议此河段的平水期和丰水期流量应维持30 m3/s。达曲和泥曲没有裸腹叶须鱼和短须裂腹鱼这些要求较深水体的鱼类，其中分布的优势种类是软刺裸裂尻鱼和厚唇裸重唇鱼，又由于达曲、泥曲与杜柯河和玛柯河的年径流量相近，因此将达曲和泥曲鱼类生境对水深的要求参照杜柯河和玛柯河的数据，而流速要求则参照雅砻江鱼类栖息地的流速数据，即鱼类生境条件要求水深

32、0.5m，流速0.45m/s。生态基流的计算结果见表3-3。表3-3 各坝址满足鱼类生境需求时的流量（生态基流量）河流水深(m)相应水面宽(m)断面面积(m2)流速(m/s)生态基流量(m3/s)雅砻江1.080800.4536.0达曲0.502512.500.455.63泥曲0.502512.500.455.63杜柯河0.502512.500.455.63玛柯河0.502512.500.455.63阿柯河0.50157.500.453.38综合各方法的计算分析结果见表3-4，可见，考虑调水河段生态环境保护对象基本生态用水需求时，各河段生态需水为2 m3/s40m3/s；考虑重点保护对象用水需

33、求（以鱼类繁殖期为代表），各河段生态需水为4 m3/s55m3/s。为满足不同保护对象对生态环境需水的要求，调水河段生态环境需水采用各月生态环境需水的外包线，即36月为4 m3/s55m3/s，72月为2 m3/s40m3/s。河道内年均生态环境流量分别为：热巴40m3/s，阿安、仁达、珠安达、霍那均为6m3/s，洛若、克柯2均为2.7m3/s。表3-4 各引水坝址调水河段生态环境需水量采用结果 单位：m3/s河流坝址年内各时段生态需水流量生态需水量采用值重点保护对象生态需水（3-6月）基本生态需水（112月）各月生态需水（外包线）年均生态需水3-6月72月雅砻江干流热巴5035503540.

34、0达曲阿安85856.0泥曲仁达85856.0色曲洛若42422.7杜柯河珠安达85856.0玛柯河霍那85856.0阿柯河克柯242422.7各引水坝址推荐的流量主要是维持引水坝址下游临近河段生态用水需求，在实际的水库调度运用中，很多月份特别是非汛期，水库的下泄水量远大于推荐的生态环境低限流量；非汛期调水后有调节能力的水库在45年计算系列中，各水库有7年34年下泄的生态环境流量较调水前该年枯水月份的流量有所增加，其中热巴水库有12年19个月下泄的生态环境流量较调水前该年枯水月份的流量大，阿安水库有27年48个月，仁达水库有34年88个月，珠安达水库有22年37个月，霍那水库有7年12个月，克

35、柯2水库有40年56个月。3.2 对比分析及方法评价以上采用了水文学、水力学及生态水力学三种方法进行了计算，每一种方法都有其适用性和局限性。尽管得出的结果不尽相同，但是所显示的各条河的生态需水量的总体规律基本一致。根据统筹兼顾原则，本次研究综合考虑了3种方法计算的6条河坝址处河道内生态需水量结果的最大和最小值(上限和下限)，并考虑保护水生生物的需要，共同确定河道内生态需水量。各种计算方法有各自的应用目的，考虑的因素也不一样，采取成果的上限和下限隐含着考虑的因素更全面。几种方法在不同的适用性方面各有其优缺点。水文学方法是一种适用广泛的估算河流生态需水量的方法，低成本，而且简单，容易操作，可以快速

36、的得到估算结果是其优点之一。但其依赖统计学的原理，需要尽可能长序列的水文资料来支撑，对于缺资料地区，往往很难利用。另外，缺乏对目前生态价值的直接关注。该法也只是建立在经验上的估算，缺乏足够的理论依据，也没有考虑生物的需水和生物间的相互影响，标准还需验证，只能在优先度不高的河段使用，或者作为其他方法的一种粗略检验。水力学方法是以河道的水力参数作为评价指标，利用水力学理论支撑。该法的优点是只需要简单的现场测量，短期的数据资料就可以满足要求。但是估算结果体现不出季节性，同时该类方法假定河道在时间尺度上是稳定的，并且所选择的横断面概化有一定的误差，实际不能够确切地表征整个河道。生态水力学法是同时考虑河道本身信息和保护水生生物目标的方法。根据河流水生生物的现状调查情况，考虑