河道内生态环境流量计算方法探讨

河道内生态环境流量计算方法探讨

井

涌１’２

（１．陕西省水文水资源勘测局，陕西西安７１００６８；

２．长安大学，陕西西安７１００６８）

摘要：河道内生态环境流量的算法仍是当前人们讨论，而实际应用亟待解决的问题。本文提出以河道内每项生态环境功能及下泄弃水的水量（水位）是兼容和重叠的为主线，列表计算河道内多年平均基本河道基流量、多年平均年基本生态环境理论需水量和实际多年平均年基本生态环境需水量的算法模式。应用该方法，利用华县、状头水文站长系列资料，计算渭河河道实际多年平均年基本生态环境需水量为１１．９３—１５．８６亿ｍ３，其中华县、状头站实际多年平均年基本生态环境流量分别为３０ｍ３／ｓ～４１．２ｍ３／ｓ、７．４ｍ３／ｓ～

９．１ｍ３／ｓ。

关键词：河道内；生态流量；计算方法；渭河

１

河道内生态环境需水量估算的若干问题

１．１涵义及计算路径

在特定时空域内实现河道内特定生态环境功能保护目标所需的水量称河道内生态环境需水量。这些生态环境功能主要包括维持河道形态、河流自净能力、生物栖居环境、河口生态系统，以及河道内景观娱乐功能等。

通常实现河道内每一项生态环境功能所需的一定水量（水位）是兼容和重叠的。即河道水流同时具有其自净功能、输沙功能，以及河口生态和景观娱乐功能等。因此，河道内生态环境需水量应以最大（最高）单项生态需水量（水位）为准。其表达式如下：

Ｗｅｎ＝Ｍａｘ｛耽凡ｌ，Ｗｅｎ２，……，耽凡ｉ｝

式中：Ｗｅｎ为河道生态环境需水量；Ｗｅｎｉ为第ｉ项生态环境功能目标需水量。

（１）

每条河流除其固有的主要生态环境功能有所差异外，受人类社会经济发展对水的需求及河道

内生态环境保护的约束，即可持续发展理念的指导，应设定其不同时期、不同河段的生态环境功能保护目标。河道内生态环境需水量取决于希望“恢复”的生态环境目标。不同时段（年代）的生态环境状况，对应不同的生态环境需水量。这样计算的生态环境需水量可称为河道内“多年平均年基本生态环境理论需水量”。

此外，河道内被控制可利用的地表水在满足河道外需用水后，以及不能被控制利用的洪水，会有弃水存在，这些弃水与河道内需水也存在嵌套重复问题。考虑了供河道外可利用地表水后弃水的生态环境需水量可称为河道内“实际多年平均年基本生态环境需水量”。

因此，应对河道内生态环境需水进行分类，以计算其多年平均基本生态环境理论需水量；然后

基金项目：国家重点基础研究发展规划项目（Ｇ１９９９０４３６０２）

作者简介：井涌（１９６６一）．男，陕西华县人，副总工程师。高级工程师，德国下萨克森州东北大学理学硕士。在职博士。研究方向为水资源合理配置与规划。・１７６・

计算其考虑弃水的实际多年平均基本生态环境需水量。１．２河道内生态环境需水量分类

将河道内需用水分为“维持河道基本功能需水”和“河道内社会经济需水”两大类。其中，河道基本功能需水指河道内常年流动的防止河道断流和维持河道水体稀释、自净能力，保护水生生物，保持河床主槽基本形态稳定和冲淤基本平衡的最小流量，称其为“河道基流量”，包括“河口生态环境需水”和“输沙水量”。因输沙水量占很大比重，将其单独列出。河道内社会经济需水可分为“航运”、“水力发电”和“景观、旅游”需水。

２

河道内生态环境需水量估算方法

计算方法‘１】【２】【４】

２．１

２．１．１河道基流量

推荐４种基于原型观测的标准值设定法计算河道基流量：Ｔｅｎｎａｎｔ法、典型月径流法、最小月径流法和连续枯水年月径流法。

（１）Ｔｅｎｎａｎｔ法。Ｔｅｎｎａｎｔ法是美国在对其东、中、西部多条河流的１２种生境、用途参数进行广泛调查基础上提出来的，以推荐的年平均流量百分数设定河道内需水流量，共设８个等级，见表ｌ。

表１

河流流量状况

ｌＯ一３月

推荐的基流平均流量（％）

４～９月

２００

６０一１００

６０

５０

４０

３０

保护鱼类、野生动物、娱乐和有关环境资源的河流流量状况

最大

２００

最佳范围

６０一ｌｏｏ

极好

４０

非常好

３０

好

２０

中

１０

差或最差

１０

极差

Ｏ—１０

１０Ｏ—１０

（２）典型月径流法。在水文站天然径流量长系列的年径流量与长系列多年平均年径流量接近的年份中，选择满足维持河道基本生态环境功能，即河道不发生断流、不发生生态环境问题的枯季月天然径流量，作为计算河道基流量的典型月平均流量，其计算式如下：

Ｑ：＝（虿ｉ×巧＋虿ｆ×疋）×０．０００８６４（２）

式中：Ｑ：为流出第ｉ个水文断面的河道基流量；玩为典型月天然平均流量；ｒｓ、兄分别为典型月年内

非汛期和汛期的总天数。

（３）最小月径流法。在水文站天然月径流长系列中，逐年挑选月最小值组成月最小径流量长

系列，由大到小排序后，进行频率计算，以频率Ｐ＝９０％的最小月径流计算全年河道基流量。

（４）连续枯水年月径流法。选择５一１０年连续枯水年中最小月平均流量计算全年河道基流量。

２．１．２输沙水量

输沙水量指在控制断面输送一定量泥沙所需的天然河川径流量（即含泥沙的“浑水”，不指天然河川径流中输送泥沙的全部或部分“清水”）。河流的输沙功能主要在汛期，应分汛期、非汛期分别计算。输沙水量受流域产水产沙和河床边界动力条件的直接影响，与定条件下的输沙总量和河流含沙量有关。可用计算断面的输沙量和含沙量计算输沙水量。计算式为：

Ｗｓ＝５，／Ｃ■＋．ｓ／Ｃ麓

（３）

式中：Ｓ，、Ｓ，为多年平均汛期、非汛期输沙量（亿ｔ）；Ｃ：：ｌｌ，为汛期或非汛期多年平均最大月平均含沙量的平均值。其计算公式如下：

艮２音。善瞥（ｃ。）

１

ｎｏ

（４）

・１７７・

２．２

四种河道基流计算方法优缺点比较

（Ｉ）Ｔｅｎｎａｎｔ法考虑了河道内的生态和环境功能∞］，建立在美国有广泛代表性的河流原型调查

观测基础上，能客观的反映河道内生态环境需水量。简单易行、便于操作。缺憾是推荐的百分数没有给出相应保护生物的物种及何种环境状况，汛期和非汛期的划分不普适我国河流。显然，可以在我国进行河流原型调查观测研究后加以改进。现阶段应根据研究河流特性及其在区域社会经济发展中的地位和作用，区分描述河流不同生态环境状况的不同等级，参照表１按汛期、非汛期设定不同等级百分数的标准值。

（２）典型月径流法基于实际发生的水文和河道内外良性用水事件，既维持了河道基本功能，又代表了水文断面多年平均的特性，计算的河道基流量客观、可靠。

（３）最小月径流法，因为是小中取小，可以认为是河道基流量的最小阈值，但也可能已经发生河道内的生态环境问题。

（４）连续枯水年月径流法不能反映河道内是否已发生生态环境问题。

２．３

河道基流量及河道内生态环境流量的综合取值

通常上述四种方法算出的河道基流量差距较大，鉴于各自算法的优缺点，本文提出以典型月

径流法为主，参考其他算法成果综合取定“多年平均基本河道基流量”，再与输沙水量对应比较确定河道内“多年平均年基本生态环境理论需水量”，最后与河道内下泄的弃水对应比较确定河道内“实际多年平均年基本生态环境需水量”。

３渭河河道内生态环境流量估算

渭河是黄河最大的一级支流，流经宁夏、甘肃、陕西三省的８４个县（市、区），干流全长８１８ｋｍ，流域面积１３４７６６ｋｍ２。其流域面积和天然径流量均占黄河流域１８％左右，是黄河泥沙的主要输入源。径流分布极不平衡，南岸集水面积占流域面积不足２０％，但产水量占流域产水量的４８％以上，是黄河流域典型代表河流。华县和状头水文站控制了渭河流域９８％的流域面积，本文列举“华

县一状头”水文站的计算过程。

３．１

多年平均基本河道基流量

渭河华县、状头站１９５６～２０００年多年平均天然年径流量分别为８５．２１亿ｍ３和９．０５亿ｍ３，分

别采用Ｔｅｎｎａｎｔ法、典型月径流法、最小月径流法和连续枯水年月径流法计算两站的河道基流量。其中，典型月径流法两站的典型年均为１９７７年。这是由于渭河１９５０、１９６０年代处于丰水期，且人类活动影响河道内外生态环境需水不明显；１９８０、１９９０年代处于连续枯水期，河道外社会经济用水挤占河道内生态环境用水较严重，不宜选为典型。１９７０年代处于平水期，且人类开发利用河川径流对河道内需水量的影响，基本上还不产生河道基本功能退化的负效应，故可以在１９７０年代选典型年。华县、状头站１９７７年年径流量分别为７９．１亿ｍ３和９．３３亿ｍ３，分别与其多年平均天然年径

流量接近，以１９７７年的月最小径流（华县出现在３月为１．３１亿ｍ３，状头在１月为０．３３亿ｍ３）作为

计算多年平均基本河道基流量的依据。

比较分析４种算法的优缺点和计算结果，综合渭河流域地表水开发利用中生态环境的历史和现状，确定描述渭河河道内基本生态环境差、中、好三种状况对应的低、中、高三个方案的多年平均基本河道基流量极限阈值见表２。

３．２

多年平均年基本生态环境理论需水量

河道基流量与输沙水量各自汛期、非汛期对应比较的大者之和，为多年平均年基本生态环境

理论需水量。

・１７８・

表２渭河华县、状头、“华县＋状头”断面多年平均基本河道基流量成果表

单位：亿ｍ３

河道基流量

华县

状头

华县

状头

备

注

非汛期

９．５８１．０２１２．７８１．３６Ｔｅｎｎａｔ法

汛期３．２０．３４

４．２６０．４５Ｔ１５为Ｔｅｎｎａｔ法１５％１２０为Ｔｅｎｎａｔ法２０％

全年１２．７８

Ｔ１５

１．３６

Ｔ１５

１７．０４

Ｔ２０

１．８ｌ

１２０

非汛期

８．９２．２２典型月径流法

汛期６．８２１．７４全年１５．７２３．９６非汛期

７．６７

１．２ｌ最小月径流法

汛期５．８９

Ｏ．９５全年１３．５６２．１６非汛期

４．９７０．６１０年连枯月径

汛期

３．７９

０．４８流法

全年

８．７６

１．０８

多年平均基本河道基流量

低方案

中方案

高方案

非汛期

９．５１０

１３

华县

汛期６

６７

全年１５．５１６

２０

非汛期

１．２

１．３５２．２０

状头

汛期０．３Ｏ．５１．５全年１．５

１．８５３．７

非汛期

１０．７

１１．３５１５．２

华县＋状头

汛期６．３

６．５８．５全年

１７．０

１７．８５

２３．７

唐先海、钱意颖、陈景梁、董雪娜等先后研究了泾、洛、渭河的水沙变化及其发展趋势认为，１９７０年是渭河水系水沙变化的转折年…，据此确定１９５６—１９６９年代表渭河河道天然水沙状态。选择１９８０～２０００年为近期流域下垫面条件下的流域及河道产水产沙和输沙状态，１９５６—２０００年为长系列流域河流水沙状态。对应的输沙水量为高、中、低方案的河流输沙状况。用式（３）与式（４）计算华县、状头站输沙水量（过程省略），结果见表３。

表３

渭河华县、状头断面基本生态环境理论需水量分类统计表

单位：亿ｍ３

华

县

状

头

华县＋状头

项

目

低方案

中方案

高方案

低方案

中方案

高方案

低方案

中方案

高方案

非汛期

９．５１０１３１．２

１．３５２．２０１０．７１１．３５１５．２

河道基流量

汛期６６

７Ｏ．３Ｏ．５１．５６．３６．５８．５全年１５．５

１６

２０

１．５

１．８５

３．７

１７．Ｏ

１７．８５

２３．７

非汛期

７．０４

７．３ｌ９．８７１．０１．Ｏｌ１．０２

８．０４

８．３２ｌＯ．８９输沙汛期１１．Ｏ

１５．５２２．３２．９２．９ｌ２．９ｌ１３．９

１８．４１２５．２ｌ水量

全年１８．０４

２２．８１３２．１７３．９

３．９２

３．９３２１．９４

２６．７３３６．１多年平均年基非汛期９．５ｌＯ１３１．２１．３５２．２０ｌＯ．７１１．３５

１５．２本生态环境理汛期１１．０１５．５２２．３２．９

２．９ｌ２．９ｌ１３．９１８．４１

２５．２ｌ论需水量｝

全年

２０．５

２５．５

３５．３

３．１４．２６

５．１ｌ

２４．６

２９．７６

４０．４ｌ

｝多年平均年基本生态环境理论需水量等于河道基流量与输沙水量非汛期、汛期需水量比较大者之和。

・１７９・

３．３

实际多年平均年基本生态环境需水量

由于汛期河道内各类基本生态环境需水量与难于控制利用下泄的弃水相互嵌套重复，若下泄

弃水大于河道基流和输沙水量中的任何一个，则汛期实际河道内基本生态环境需水量取“Ｏ”，反之应取两者的差值。汛期实际河道内基本生态环境需水量加上非汛期河道基流和输沙水量中的大者，即为河道内“实际多年平均年基本生态环境需水量”。省略难于控制利用下泄的弃水量计算过程Ｈ］。采用列表法计算简洁、明了，计算结果见表４。

表４渭河华县、状头断面实际基本生态环境需水量估算表

华

项

目

低方案

汛期难于控制利用下泄弃水量

非汛期

河道基流量

汛期全年非汛期

输沙水量

汛期全年

多年平均基本生态环境理论需水量实际多年平均年基本生态环境需水量

非汛期汛期全年

９．５０９．５

１０

０ｌＯ

单位：亿ｍ，

华县＋状头

县

中方案

高方案

低方案

状中方案

头

高方案

低方案

中方案高方案

１８．９９２０．５２２５．８２１．６７１．９３２．２５２０．６６２２．４５２８．０７

９．５６１５．５７．０４１１．０

ｌＯ６１６７．３ｌ１５．５２２．８ｌ

１３

７

１．２０．３

１．５

１．３５Ｏ．５

１．８５

２．２１．５３．７１．０２２．９ｌ３．９３

ｌＯ．７１１．３５６．５

１７．８５

１５．２８．５２３．７ｌＯ．８９

２５．２ｌ

６．３

１７

２０９．８７２２．３３２．１７

Ｉ．０２．９０３．９０

１．０ｌ２．９ｌ３．９２

８．０４

１３．９ｌ２１．９５

８．３２１８．４１２６．７３

１８．０４

３６．１

２０．５２５．５３５．３３．１４．２６５．１ｌ２４．６２９．７６４０．４１

１３Ｏ

１３

１．２１．２３２．４３

１．３５

０．９８

２．２１０．７Ｉ．２３１１．９３

１１．３５Ｏ．９８１２．３３

１５．２０．６６１５．８６

Ｏ．６６２．８６

２．３３

４结语

本文提出以河道内每项生态环境功能及下泄弃水的水量（水位）是兼容和重叠的为主线，计算河道内生态环境流量的算法更好的反映了客观、接近生产实际，特别对北方缺水河流区兼顾流域社会经济发展和河流生态环境保护的水资源开发利用有较大的现实意义。但还需进一步完善河道基流量、输沙水量与下泄弃水量之间的对应取值计算关系。利用华县和状头水文站１９５６—２０００年长系列实测和统计数据，计算渭河河道实际多年平均年基本生态环境需水量为１１．９３一１５．８６亿ｍ３，其中华县、状头站实际多年平均年基本生态环境流量分别为３０ｍ３／ｓ一４１．２ｍ３／ｓ、

７．４ｍ３／ｓ一９．１ｍ３／ｓ。

参考文献：

［１］王西琴，刘昌明，等．河道最小环境需水量确定方法及其应用研究（Ⅱ）一应用［Ｊ］．环境科学学报．２００１，２１（５）：５５０．［２］全国水资源综合规划编制工作领导小组办公室．全国水资源综合规划编制工作文件［ｚ］．２００３．［３］钱意颖，董雪娜，等．黄河水沙变化研究［Ｍ］．郑州：黄河水利出版社，２００２：１３４、３３３．【４］井涌，秦大庸，等．地表水可利用量计算方法研究［Ｊ］．水文，２００６（增刊）：３７．

・１８０・