河道生态环境水需求优化

3.3.2.1　河道最小生态需水量

河道生态需水是指维持水生生物正常生长及保护特殊生物和珍稀物种生存所需的水量。河道最小生态需水量是指为维系和保护河流的最基本生态功能不受破坏所必须在河道内保留的最小水量。河道最小生态需水量所要满足的生态功能主要是维持水生生物栖息地和维持河流生态系统平衡。

河道最小生态需水量的确定在国外有过大量的研究，其中最为典型的是Tennant法，此外还有7Q10法、湿周法、R2Cross法、栖息地法等。国内杨志峰等还提出了月（年）保证率设定法和最小月（年）计算法[2]。

Tennant法是非现场测定类型的标准设定法。Tennant通过野外实验统计分析表明，河道平均流量的10%、30%、60%对评价河道生物适宜性具有显著的代表性，于是Tennant在1976年提出了Tennant法（也称Montana法）[29，30]。该方法设有8个等级，推荐的基流（河道最小生态需水量）分为汛期（4～9月）和非汛期（10月～次年3月），推荐值以占径流量的百分比来表示，具体见表3-1。该方法简单易行，便于操作，不需要现场测量，适应任何有季节性变化的河流。它不仅适应有水文站点的季节性河流（可通过水文监测资料获得年平均流量，并通过水文、气象资料分辨汛期和非汛期），而且也适应没有水文站的河流（可通过可以接受的水文技术来获得年平均流量）。在美国，该方法通常在优先度不高的河段研究河流标准量推荐值，或作为其他方法的检验。

表3-1　Tennant法推荐的基流流量占平均流量的百分数　单位：%

7Q10法是指采用天然状态下90%保证率代表年最枯连续7天的平均水量作为河流最小流量即标准流量设计值，并以该标准流量设计值作为河流生态需水量[31]。该方法在20世纪70年代传入我国，主要用于计算污染物允许排放量，也应用于许多大型水利工程建设的环境影响评价中。该方法的标准要求较高，鉴于我国经济技术水平较低、南北方水资源情况差别较大的现状，我国对其进行了修改。按照国家标准《制订地方水污染物排放标准的技术原则和方法》（GB3839—83）规定：一般河流采用近10年或90%保证率代表年最枯月平均流量作为河道内生态需水量。

湿周法[32]依据是基于以下假设：即保护好临界区域的水生生物栖息地的湿周，也将对非临界区域的栖息地提供足够的保护。利用湿周（指水面以下河床横断面的线性长度）作为栖息地的质量指标来估算河道内流量值，通过在临界的栖息地区域（通常大部分是浅滩）现场收集河道的几何尺寸和流量数据，并以临界的栖息地类型作为河流的其余部分的栖息地指标。该法通过从多个河道断面的几何尺寸——流量关系实测数据或从单一河道断面的一组几何尺寸——流量数据点绘湿周与流量之间的关系曲线图，然后根据关系图中影响点的位置确定河道内流量的推荐值。由于用该方法得到的河流生态需水量会受到河道形状的影响，因此，该方法大部分应用于宽浅河道。

R2Cross法[33]由科罗拉多州水利局的专家开发应用，假设浅滩是最高临界的河流栖息地类型，保护浅滩栖息地也将保护其他的水生栖息地，如水塘和河道。该方法以曼宁方程为基础，在一个河流断面上用现场收集的数据对未观测的水力学参数进行模拟。平均深度、平均流速和湿周占横截面周长的百分率是与河流栖息地质量有关的水流指标因子，详见表3-2（表中的最小流量即河流生态需水量）。该方法用于浅滩式的河流栖息地类型河流生态需水量的测定。

表3-2　采用R2CROSS单断面法确定最小流量的标准

IFIM（In-stream Flow Incremental Method）法，即河道内流量增量法，它是栖息地法中应用最广泛的方法，是美国常用的方法。IFIM法是定量预测流量变化与鱼类有效栖息地变化关系的最佳方法。IFIM法的栖息地评价依赖于断面资料和水力栖息地模拟技术PHABSIM（Physical Habitat Simulation），需要利用详细的水力和河道形态的实测值和指示生物栖息地相关知识进行流量增加变化对栖息地影响的评价。主要评价指标包括河流中水流流速、最小水深、河床底质、水温、溶解氧、总碱度、浊度、透光度等。该方法在某些流量下（如最枯流量），还有其他变量如鱼类的迁移路径，种群之间的竞争和捕食，食物的供给都未考虑。除了PHABSIM模型，IFIM模型中还包括水质、底质、河道的稳定性、温度、水文和其他影响鱼类产量的模型。IFIM由一套分析工具和计算机模型组成，可以有效地评估水资源开发对下游水生物栖息地的影响。

月（年）保证率设定法是根据系列水文统计资料，在不同的月（年）保证率前提下，以不同的天然年径流量百分比作为河道环境需水量的等级，分别计算不同保证率、不同等级下的月（年）河道基本环境需水量，并以计算出的河道基本环境需水量作为约束条件，计算相应于不同水质目标的污染物排放量及废水排放量，以满足河流的纳污功能[2]。

3.3.2.2　河道最小环境需水量

河道环境需水是指为保护和改善河流水体水质、维持河流水沙平衡及水盐平衡所需要的水量。河道最小环境需水量是指维系和保护河流的最基本环境功能不受破坏所必须在河道内保留的最小流量。河道最小环境需水量所要满足的环境功能主要是保持水体一定的稀释能力和保持水体一定的自净能力。河道最小环境需水量主要包括河道渗流需水量、河道蒸发需水量、河道自净需水量以及河道输沙需水量。

1.河道渗流需水量

对于常年有水的河道来说，河床含水率一般是饱和的，当河流水位高于两岸地下水水位时，河流将通过渗流补给地下水，反之，在枯水季节地下水则补给河流。因此，一般情况下河道渗流量可忽略不计，但当计算河段内有开采的或规划的傍河水源地且有一定份额的河水补给时，可通过计算河水补给量（袭夺河水量）近似计算河道渗流需水量[21]。(www.xing528.com)

2.河道蒸发需水量Qe

河道蒸发对于维持区域良好的气候环境以及河流系统其他正常生态环境功能具有非常重要的意义[21]。河道蒸发需水量Qe可通过如下公式计算

式中：E为河道蒸发强度，m3/（hm2·s）；A为河道水面面积，hm2。

3.河道自净需水量

河道自净需水量实质上是指利用河流水体通过对污染物的自净功能来保护和改善河流水体水质以确保水体满足生态环境功能要求时，河道中需要保持的最小水量。河道自净需水量的计算与每年进入河道的污染物排放量、水质等基本要求以及环境保护的规划目标密切相关。严格来说，河道自净需水量应根据实际情况结合具体的水质模型进行模拟计算确定，由于这样计算比较复杂，大多采用简化方法计算，我国在《制订地方水污染排放标准的技术原则和方法》（GB3839—83）中就规定“一般河流采用近10年最小月平均流量或90%保证率最小月平均流量”[2]作为河道自净需水量，并以此推算河道污染物允许排放量。这也是便于操作目前应用较普遍的方法，但由于该方法忽视不同河流的具体特性，在实际应用有一定缺陷，因此对计算结果需要充分论证。

河道自净需水量应包括两方面的功能：其一是保持水体一定的稀释能力；其二是保持水体一定的自净能力。因此，河道自净需水量计算也可以从满足河道所要求的水质级别出发，通过建立河道水质模拟或预测模型，进而较为准确的计算河道在不同水文年（比如多年平均、枯水年、平水年等）所需要的河道自净需水量。如宋进喜等[21]就通过建立一维水质数学模型的方法成功的进行了渭河自净需水量的计算。

4.河道输沙需水量

河道输沙需水量就是为了维持河道的冲淤动态平衡，在河道内所必须保持的河道水量。河道内水沙冲淤平衡主要受河道外和河道内两方面因素的制约和影响，河道外的影响主要包括来水来沙条件，其与流域土地资源利用、水资源开发利用、生态植被保护建设、水土流失治理以及河流整治等诸多人工要素有关。河道内的影响主要指河床边界条件，其直接影响水沙动力条件。由于水流含沙量因流域产沙量的多少、流量的大小以及相应的水沙动力条件的不同而不同，因此输送单位泥沙所需的水量也不尽相同。一般情况下可将河道输沙需水量分为汛期、非汛期和洪峰期分别计算，如对于北方河流而言，汛期的输沙量约占全年输沙总量的80%左右，即河流的输沙功能主要在汛期完成[2]。

由于水沙运动特性十分复杂，目前关于输沙需水量的计算方法较缺乏[21]，杨志峰等提出了一种实用的经验方法，在汛期、非汛期、枯水期三种流量状态下，根据不同含沙量级的单位泥沙输送水量，计算河道输沙需水量。首先，依据长期的观测数据资料，建立不同时期（汛期、非汛期、枯水期）、不同含沙量级所对应的单位泥沙输送需水量关系曲线（或统计表）；其次，根据实测资料计算河道含沙量；第三，查询相应的河道单位泥沙输送水量；最后，根据计算河道的实测沙量和相应的单位泥沙输送水量，从而计算不同含沙量级不同月（年）的河道输沙需水量。该方法在黄淮海地区得到了应用验证，简单可行[2]。

3.3.2.3　河道生态环境需水量

上述分析表明，河道生态环境需水量主要包括是河道最小生态需水量、河道渗流需水量、河道蒸发需水量、河道自净需水量以及河道输沙需水量等五项。在这五项需水量中，河道自净需水量在年内分布比较均匀，河道渗流需水量年内分布变化不大，而河道输沙需水量主要集中在汛期，同时，河道最小生态需水量和河道蒸发需水量也是汛期大于非汛期。另一方面，在这五项需水中，只有河道蒸发需水量和河道渗流需水量在河道水量中参与水量转换而消耗掉，对河道中其他生态环境功能的作用小，可以忽略不计，而其余三项均在河道中，从一水多能的特性来看，自净水量在净化污染物的同时也能携带泥沙，输沙水量也具有净化污染物的作用，同样，河道最小生态需水量在对水生生态功能维护的同时也能净化污染物和携带泥沙，反之亦然。

因此，河道生态环境需水量并不是这五项需水量的简单叠加，而是这五项需水量的有机组合。一般地，河道生态环境需水量的合理取值是河道最小生态需水量、河道自净需水量以及河道输沙需水量等三项中的最大者与河道渗流需水量、河道蒸发需水量之和[21]。