時間：2011-11-02來源：中國水利水電科學研究院學報
摘要：本文基于生態水文學原理，結合流域三生用水格局以及污染源分布格局和污染物排放強度格局，以流域內水生態系統及其影響因素為研究對象，運用GIS技術，對太子河干流水體及其周圍陸地所在的空間單元進行分類與整合，生成了11個太子河流域生態需水估算分區，分區內具有相對一致的生態需水特性；在分區的基礎上，結合太子河干流水生態特征，通過水文系列分析，選擇小市、本溪、葠窩、遼陽、小林子和唐馬寨6個水文站1956—2008年以及1956—1973年兩個實測流量系列，采用水文學法對觀音閣水庫以下的7個分區進行了逐月河道內生態需水估算，估算結果顯示了近天然水文情勢的生態水量過程變化，有助于太子河干流水環境改善以及水生態恢復；估算的各站年生態需水量占年徑流量的30%左右，能夠在不影響現有水資源利用格局的前提下，通過合理的水資源優化配置，實現生態需水要求。
關鍵詞：生態水文；生態需水估算；太子河流域
中圖分類號：X522 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3031（2011）01-0009-07
The subdividing for instream flow calculation and the calculating of instream flow in the Taizi River Basin
LI Guo-qiang，ZHANG Shi-jie，PENG Wen-qi，TAN Hong-wu
Abstract：This paper describes a method of dividing eco-region for instream flow calculation and provides an example of instream flow calculating based on eco-region. Through analyzing natural elements and aquatic ecological characteristics of the Taizi River Basin，and considering the pattern of ecological and economic water use，the spatial distribution of pollution source，and the discharging intensity of pollution，the 11 eco-regions for instream flow calculation have been generated based on GIS. Furthermore，the instream flow of the main stream of the Taizi River below for the 7 eco-regions downstream of the Guanyinge Reservoir has been calculated，using the series data of 1956-2008 and 1956-1973. The result from the calculation demonstrates that the instream flow has a near natural flow regime and the annual instream flow accounts for about 30% of the annual runoff at any hydrologic station. The instream flow is available by the improvement of water environment and the restoration of aquatic ecosystem.
Key words：eco-hydrology；eco-region for instream flow calculation；Taizi River Basin
1 研究背景
對處在修復進程中的退化河流來說，保障河道內生態需水是生態修復的重要前提條件。河道內生態需水閾值實際上應表達為其主要水生生物向適應的流量過程，但生物目標改變時，河道內生態需水閾值也隨之變化。在河流生態系統中，水文情勢的變化決定了大多數生態過程、有機物、營養物以及細菌等的變化速率［1］；有證據表明，水文情勢的變化促進了物理和化學條件在時間和空間上的多樣性［2］；水文情勢的5個核心組成部分，包括水流的變異性、變化幅度、變化頻率、變化速率、持續時長以及發生時間，是水生態系統完整性以及生物多樣性維持的關鍵要素［3-4］。
在流域尺度上，河道內生態需水的目標隨著空間位置的不同有所變化；另外退化河流的生態修復具有階段性，消除引起河流退化的干擾源，如水環境惡化和水文情勢改變，與經濟社會以及科技水平的發達程度密切相關。通常來說，解決水環境惡化問題大致能夠預期，而消除或者改善水文條件需要更長的時間表，河道生態需水目標隨時間也在發生變化。由此，分區、分時是河道內生態需水研究的必然選擇。
退化河流中分區生物目標具有兩層含義：一是隨空間位置變化，河流生態系統本底特征改變，產生分區生物目標；二是隨修復進程，不同干擾類型消除進度不同產生的分區生物目標。對于前者，國內外眾多研究者根據生態水文原理，采用土地利用、土壤、自然植被和地形等自然因素，對河流生態系統本底特征進行了生態水文分區［5-8］；然而，對于后者還沒有相關研究出現。由于退化河流往往處在“三生”用水競爭激烈的流域，水資源開發與河流生態系統保護的沖突在相當長的時間內仍將持續［9］，生態需水保障更多的時候要服從于流域水資源管理的要求，但是國內的生態需水研究很少加以考慮，多是針對特定類型的水生態系統［10-15］。因此在退化河流生態修復的初期，針對與生態修復進程相適應的河道內生態需水目標，研究河道內生態需水對退化河流的生態修復尤為重要。
為此，本文以太子河流域為例，嘗試進行了以生態需水估算分區為基礎的河道內生態需水估算研究。太子河流域所在的遼河流域是國家重點進行水體污染治理的“三河”之一，在“十一五”階段已經開始了污染控源工作；隨著治理措施效果的顯現，太子河干流水質狀況將逐漸好轉，水生態系統將逐漸得到恢復，太子河流域為典型的處在修復進程中的退化河流。本文首先以流域內水生態系統及其影響因素為研究對象，對水體及其周圍陸地所在的空間單元進行的分類與整合，作為生態需水目標確定及分區、分期生態需水估算的基礎；再根據現階段生態修復進程，采用水文學法進行了河道內生態需水估算。
2 研究區概況
太子河流域位于122°23′-122°53′E，40°28′-41°39′N之間（圖1），全境位于遼寧省境內，流域面積1.39×104km2。太子河全長413km，流經本溪、遼陽及鞍山三市，于三岔河口與渾河匯合后經大遼河入海。太子河屬溫帶大陸性季風氣候，多年平均氣溫在5~8℃之間，多年平均蒸發量1 100~1 600mm，多年平均降水量748mm，由東南向西北遞減。太子河流域的降水大多集中在汛期，其中6—9月降水量約占全年的75%，7—8月降水量約占全年的50%以上。流域的徑流補給主要來自于降水，暴雨是太子河流域降水的主要組成部分，地表徑流具有明顯的季節性特征。太子河流域多年平均徑流量為36.8億m3，總用水量為18.75億m3，其中農業用水量為8.86億m3，工業用水量為7.61億m3，生活用水量為2.28億m3。太子河流域處于長白、華北、內蒙3個植物區系交匯地帶，流域東部山區植被主要為次生針闊葉混交林及其次生蒙古櫟林；流域中部丘陵區位強烈干擾后形成的闊葉林矮林；流域西部的平原區為一年一熟農業植被及草甸區。太子河流域工、農業均比較發達，工業以冶煉、石油化工等重工業為主，集中分布在本溪市區、遼陽市區以及鞍山市區；流域內分布有渾沙灌區、遼陽灌區等多個大型灌區，是我國重要的商品糧基地。
圖1 太子河流域位置
3 研究方法
生態需水估算分區主要采用GIS技術，以ArcGIS軟件的水文模塊進行流域水系劃分，再將地形、水系、植被及土地利用等專題圖進行空間疊加處理，以定性分析和專家判斷法確定分區邊界。河道內生態需水采用水文學法進行估算。
本研究使用的植被數據來源于中國植被圖集（1∶100000），在ArcGIS中進行數字化處理；水生態現狀數據來源于遼寧師范大學2010年8月的實地監測數據；土地利用現狀圖來自遼寧水利水電科學研究院根據2006年TM影像解譯，土地利用分類采用中國科學院資源環境數據中心建立分類系統中的3級分類；地形地貌數據采用90m分辨率DEM數據；1958-2006年水文系列數據、2006年流域用水數據以及污染源及污染物排放數據來源于遼寧省水文局。
4 結果及分析
4.1 生態需水估算分區特征
生態需水估算分區首先以流域生態水文特征進行一級分區，分區指標為地形、水系、植被及土地利用，分區間與植被、土地利用等屬性具有明顯差異，表現出不同的生態水文特征；其次根據太子河干流水質現狀特征進行二級分區，二級分區包含的干流段表現出統一的水質時空分布，分區時考慮水功能區劃及水質控制目標；再次根據流域用水特征、污染源分布、排污強度、行政區劃以及水生態現狀特征，將太子河一級支流的集水區進行整合，整合時首先考慮排污強度的相似性，其次考慮污染源分布的集中程度，最后考慮行政區劃的一致性。
圖2 太子河流域生態需水估算分區
太子河流域生態需水估算分區圖見圖2，分區特征見表1。根據地貌、土壤類型、植被以及土地利用等特征進行的生態需水估算一級分區與孟偉等［16］在對太子河流域的生態水文分區基本保持一致，反映了太子河流域本底生態水文特征。
在11個分區中，觀音閣水庫上游區及庫區沒有污染源分布，人類活動較少，河道內水文過程保持天然狀態，水生態完整性良好，因此可不考慮進行生態需水估算；從觀音閣水庫下游區至海城市區，人類活動逐漸增加，水質狀況逐漸變差；本溪城區有大量工業企業，枯水期水質超標；遼河城區及下游各生態需水估算分區，枯水期水體污染狀況加重，每年4—5月的融冰期及灌溉期出現不同程度的水質超標。受水體污染影響，各河段浮游、底棲生物及魚類均以較耐污的種類為優勢。
分區的目的是為進行太子河干流河道內生態需水估算，根據上述各分區現狀特征以及太子河干流水文站空間分布，確定各分區河道內生態需水估算代表斷面見表1。根據以上特征，太子河干流現階段生態需水目標可以確定為改善水質，保障環境流量，同時兼顧恢復近自然水文節律。
4.2 太子河流域水文系列分析
水文系列分析的目的是篩選適合于太子河干流河道內生態需水估算的水文數據。太子河干流兩大控制性水利樞紐，1974年葠窩水庫建成運行，1994年觀音閣水庫建成運行，太子河干流水文情勢及水文節律先后受到了葠窩水庫及觀音閣水庫的控制。
表1 太子河流域生態需水估算分區特征
圖4 葠窩水庫斷面不同水文系列多年平均逐月流量對比
圖3 小市斷面不同水文系列多年平均逐月流量圖3反映了觀音閣水庫對太子河干流水文情勢的影響。在1994年以前，由于4、5月融雪使河道內水量增加，平水期4、5月流量高略于6月，而主汛期發生在8月。觀音閣水庫建成后，在5月為葠窩水庫下泄農業灌溉用水，5月與6月流量差距有所增加；在汛期，由于防洪和蓄水的需求，7、8月流量明顯減少；除1994—2006年受連續枯水年的影響外，9月流量變化不大。從長系列水文數據上看，觀音閣水庫的運行對水文節律的影響較小，但加大了4、5月與6月的流量差距，并使汛期尤其是汛末期流量明顯降低。圖4反映了葠窩水庫以及葠窩水庫與觀音閣水庫聯合調度對太子河干流水文情勢的累積影響。葠窩水庫建成運行后，水文情勢發生了很大的變化。4月份融雪使流量增加的現象被大量增加的引水掩蓋，5月流量接近甚至超過了汛期流量，汛末期9月的流量已經接近了枯水期流量。
從以上水文系列分析中可以看出，與自然水文情勢相比，現狀太子河干流水文情勢已經發生了根本性的變化。由于經濟社會發展的要求，在相當長的時間內，葠窩水庫與觀音閣水庫聯合調度，為工、農業用水服務的現象無法改變。在水生態系統及水生生物要求自然水文情勢，以及經濟社會要求更多的用水雙重約束下，太子河干流生態需水的估算適合采用1956—2006年最長系列的水文數據進行，該系列數據兼顧了受兩大水庫建成前的近自然水文情勢以及建成后經濟社會對水資源的需求。
4.3 太子河流域河道內生態需水估算
（1）河道內生態需水估算方法分析。本研究采用太子河干流小市、本溪、葠窩、遼陽、小林子和唐馬寨6個水文站1956—2006年實測流量系列，逐月估算生態需水；7、8月份（洪水期）：參考蒙大拿法的生態學原理，以同期多年平均流量的20%作為生態需水；4、5、10、11月的平水期及6月的汛前期及9月的汛后期，參考全國水資源綜合規劃等國內相關規劃、導則中生態流量估算方法，采用P=75%月均流量（即月保證率法）作為生態需水；1、2、3、12月枯水期采用P=75%月均流量與多年平均流量10%比較后取外包，各月生態需水不低于多年平均流量10%，以滿足蒙大拿法的最小生態需水量要求。
對水質超標的分區，超標時段恢復自然水文節律并能夠增加生態需水量，其中3月、12月本溪及下游各站，4月葠窩、遼陽及小林子水文站，5月各斷面，采用1958—1973年水文系列（葠窩水庫建設前）P=75%保證率月均流量，可達到恢復自然水文節律并增加生態需水量，改善水質的要求；遼陽水文站實測流量受觀音閣及葠窩水庫調度的疊加影響，葠窩斷面至遼陽段灌溉引水量較大，斷流現象出現頻率較高，實測流量過程不能用于生態需水估算；考慮到遼陽段水質污染較重，且有飲用水源取水口，故移用葠窩水文站數據進行生態需水估算。
（2）河道內生態需水估算結果分析。太子河干流河道內生態需水估算結果見表2。各站逐月河道內生態需水量均大于等于國家規定的納污能力計算的設計水文條件，在污染物入河總量滿足總量控制的前提下，能夠保障干流水質達標；同時從圖5可以看出，估算結果過程線與1958—1973年近自然水文節律基本一致，對太子河干流水生態修復具有重要作用。估算的各站年生態需水量占年徑流量的30%左右，比較現狀河道內流量與估算的河道內生態需水，汛期的生態需水基本能夠得到滿足；但非汛期生態需水的保證率在75%左右。由于太子河流域現狀用水量約占多年平均徑流量的50%，通過觀音閣水庫以及葠窩水庫的聯合調度，能夠在不影響現有水資源利用格局的前提下，通過合理的水資源優化配置，實現生態需水要求。
表2 太子河干流河道內生態需水估算結果
圖5 各站河道內生態需水過程線
5 結論
根據以上分析得到以下幾點認識：（1）根據太子河流域地形地貌、水系、植被、土地利用，太子河干流水質以及流域用水結構、污染源分布及排污強度、行政區劃等特征，太子河流域被分為11個生態需水估算分區；現階段生態需水的首要目標為改善水質；次要目標為盡可能恢復天然的水文節律，以保障太子河干流水生態系統基本功能的維持；（2）太子河干流水文情勢受觀音閣水庫以及葠窩水庫的疊加影響；兩水庫聯合調度改變了天然水文節律，農業用水使水庫下泄水量接近汛期水量；河道內生態需水的估算適合采用1956—2006年最長系列的水文數據進行，該系列數據兼顧了受兩大水庫建成前的近自然水文情勢以及建成后經濟社會對水資源的需求；（3）根據太子河干流小市、本溪、葠窩、遼陽、小林子和唐馬寨6個水文站1956—2006年實測流量系列，逐月估算生態需水；各站年生態需水量占年徑流量的30%左右。
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作者簡介：李國強（1976-），男，博士，主要從事水生態修復和景觀生態學研究。
