郑州市行洪河道生态需水量研究成果

6.2.2.1　河流生态需水量概念

生态需水量是一个流量区间，而不是一个特定的值，河流的最小生态环境需水量是区间的底线，它是指维系河流的最基本环境功能不受破坏，所必须在河流中常年流动着的最小水量。河流天然的水流情势是维持其生态系统健康的重要保障，其上限也符合自然的规律。但由于人类为防止洪灾，河流的最大流量受到了限制。

为了便于理解，将河流生态需水分为最小生态需水和适宜生态需水计算，该分类是以河流水生物耐受性定律和河流生态需水定义为基础的，河道最小生态需水是指为维持河流生态系统健康所允许的最小需水量，该需水量是要保证水生生物的最低生存条件，也是天然状况下水生生物所能忍受的极限程度，在极限水文状况下，河流生态系统是可以恢复的，当河流的流量小于最小生态流量时，会导致物种消失，种群结构发生改变，生态系统可能不会恢复。适宜生态需水是指维持河流系统健康及生物多样性的最适宜的流量过程，适宜生态流量具有上下限，当流量过程在此范围内，河流生态系统是健康稳定的。

此外，根据生物耐受性原理，水质是一个突变性的致灾因子，在短时间内可以对生态系统造成灾难性的打击，对生态功能来说，水质必须控制在一个特定的范围内。一般来说，对水质要求，生态需水量大于环境需水量，能满足生态需水的水质要求，也能满足环境需水的要求。在现阶段的城市河网区，大多数河流仅限于发挥排水和纳污等功能，并不适合鱼类等水生生物的生存，不具备生态和环境功能，对于这类河道，通常可不予考虑生态需水量。但是对于规划水质较好的河段或区域要开展河流生态需水研究，以恢复河流健康状况。

城市河流具有明显的人工干扰特点，主要表现在:①城市河流是城市生产和生活的就近水源；②城市河流由于人工控制设施众多，大部分靠人工引水满足生态环境需水要求；③城市河流被人为地渠化，使水泥护堤隔断了原有的河道与河岸系统；④城市河流堤岸中基本上是人工种植的植物，其水生生物和岸边植被的物种数也有所下降；⑤城市河流污染，水质恶化，河流生态环境遭到破坏；⑥城市河流的污染物种类基本相同，都是居民的生活污水和工业废水，污染因子基本上都是氨氮、COD 和BOD。

城市河流生态需水是在城市水量水动力欠佳、水质较差的特点下，在确保河道功能区划目标得以实现的情况下，为保护河流的生物多样性，维持基本环境功能所需要的流量。其特点是河流的稀释和自净需水相当大，河网当中绝大多数河流流量过程由人工调控。

6.2.2.2　城市河流生态需水量计算方法

城市河流一般不作为两岸农田的灌溉水源，上游来水主要通过人工调控进入河道，其生态环境需水主要包括:河道基本流量、维持岸边植物生长需水、河流蒸发及渗漏需水、景观效应需水等几个方面组成。下面分别介绍各个生态需水组成计算方法。

1.河道基本流量

目前关于河道基本流量的计算方法较多，总结起来可以分为:水文学法、水力学法、生境模拟法和综合分析法等。综合评价现有计算方法可知，水文学法简单、方便，但考虑因素单一，准确性较差；水力学法虽然考虑了水力学因素，但所需参数需要实测，不易操作；生境模拟法将其重点放在一些河流生物物种的保护，而没有考虑诸如河流规划以及包括河流两岸在内的整个河流生态系统，由此计算出和推荐的流量范围值，并不符合整个河流的管理要求。这四类方法中目前比较常用的方法有Tennant法、月（年）保证率法、河道湿周法和R2CROSS法等。

考虑到城市河流基本上都是小河流，并且具有明显的人工干扰特点，目前河道基本生态流量计算中Tennant法相对于其他方法，应用范围广，而且能考虑汛期和非汛期流量差别。它不仅适用于有水文站点的季节性河流，而且适用于没有水文站点的河流，可通过水文技术来获得平均流量。因此，本研究重点介绍Tennant法在计算生态需水中的应用。

Tennant法（又称Montana法）是一种非现场测定类型的标准设定法。Tennant在分析了美国11条河流的断面数据后发现河宽、流速和水深在流量小于年平均流量的10%时增加幅度较大，当流量大于年平均流量的10%时，对应水力参数的增长幅度下降。提出以年平均流量的10%作为水生生物生长最低标准下限，年平均流量的30%作为水生生物的满意流量。该法是不需要现场测定数据类型的经验设定法，河道推荐流量以预先确定的年均流量百分比为基准，这是一种更多地依赖于统计的方法，这种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。划分的流量等级标准设定见表6-4。

表6-4　河流流量等级标准设定Tennant法

2.河流水面蒸发需水量

河流的水面蒸发是河流水量消耗的重要方式之一，必须将这部分水进行补充，才能保证入水和出水平衡的情况下，水位保持基本不变，水量不至于减少或干涸。通常根据各河段的断面形状，设计水深、河段长度和当地气象资料计算各河段的水面蒸发量。

河流水面蒸发需水量Wre:

式中　Ar——河流水面面积，km2；

Ew——河流水面蒸发量，mm/a；

P——河流内降水量，mm/a。

3.河流渗漏需水量

当河流中有水存在，水位抬高、水压加大，且地下水位又较低的情况下就会产生渗漏，一般计算河流、水库渗漏量的经验公式为:

式中　W 河渗——河流年渗漏损失，m3；

F河——河流年均水面面积，m2；

W湖渗——湖泊、水库年渗漏损失，m3；

W蓄——湖泊、水库年均蓄水量，m3；

k1、k2——经验系数，见表6-5。

表6-5　渗漏损失计算经验系数表

4.河道外绿化带需水量

河道外绿化带生态需水在一定程度上消耗河流水量，城市绿地生态用水一般采用面积定额法计算，计算公式如下:

式中　W 绿——城市绿地生态需水量，m3/a；

ψ——绿化用水定额，m3/a·m2；

F——绿化带覆盖面积，m2。

6.2.2.3　郑州市水系生态需水量的计算

1.河流生态需水量计算

（1）生态需水量计算组成及方法。

根据上述城市水系生态需水计算理论方法，结合郑州市水系基本资料的详尽程度，本研究生态需水计算的内容和方法见表6-6。

表6-6　生态需水计算内容及方法

（2）河流基本流量。

郑州市河流基本上都是小河流，缺少水文观测资料，仅贾鲁河干流（中牟）有部分实测水文资料，其水文站为中牟水文站，控制流域面积2106km2，多年平均径流量（1965—2008年）为42989万m3，多年平均流量为13.57m3/s。为了推求郑州市其他河流的年均径流量，可以通过相关河流控制流域面积间接推求。郑州市水系河流径流量计算结果见表6-7。

表6-7　郑州市河流年均径流量计算成果表

续表

根据Tennant法，可以计算出各流量状况下河流推荐值，见表6-8。

表6-8　郑州市水系河流需水量推荐值单位:万m3

(www.xing528.com)

（3）水面蒸发需水量。

根据1951—2004 年降水量资料，多年平均降水量为637.0mm，多年 （1971—1980年）平均蒸发量为1853.2mm，可见年蒸发量大于年降水量，根据河流水面蒸发需水量公式（6-21）计算郑州市各河流水面蒸发量，计算结果见表6-9。

表6-9　郑州市水系河流水面年蒸发需水量

（4）河道渗漏需水量。

在计算郑州市水系河流湖泊渗漏蓄水量时，根据河流渗漏需水计算经验公式 （6-22）进行计算，其中自然河段k1取1.0m，渠化河道取0.5m。郑州市水系主要河流渗漏需水量见表6-10。

表6-10　郑州市水系主要河流年渗漏需水量

（5）河道外绿化带需水量。

根据式（6-23），郑州市生态需水定额取值为223m3/亩，则根据各河道外绿化带面积计算河道外绿化带需水量，计算结果见表6-11。

表6-11　郑州市水系河道外绿化带需水量计算

续表

（6）河流生态需水量计算结果。

根据对河流生态需水量不同组成部分计算结果，河流基本流量计算分为了不同等级，本研究为了便于实际管理操作，枯水期（10～3月）通常选取年均流量的10%作为最小生态需水量，30%作为适宜生态需水量，60%～100%作为最佳生态需水量；丰水期 （4～9月）30%作为最小生态需水量，50%作为适宜生态需水量，60%～100%为最佳生态需水量。由于郑州市水资源缺乏，只能靠外来引水进行补水，基本不能满足最大生态需水量，因此，本研究暂不考虑最大生态需水量。同时为了便于研究闸坝水质水量联合调度，河流生态需水量采取河流流量推荐值，见表6-12。

表6-12　郑州市水系河流基本流量推荐值单位:m3/s

此外，河流水面蒸发需水量、河道渗漏需水量和河道外绿化带需水量为河道基本生态流量之外需要补充的水量，以保障河道基本生态流量，表6-13为其统计表。

表6-13　郑州市河流其他生态需水量统计结果单位:万m3

续表

由表6-12和表6-13，可计算郑州市水系河流生态流量推荐结果见表6-14。

表6-14　郑州市水系河流生态流量推荐值　单位:m3/s

（7）河流生态需水量计算结果合理性分析。

为了分析本研究所采用计算方法的合理性，本研究结果与 《郑州市生态水系规划》报告中河流生态需水计算结果进行综合对比，其中《郑州市生态水系规划》报告计算是根据河道生态补水方法计算，由于《规划》报告计算结果没有考虑枯水期和丰水期，本研究为了对比分析，将丰水期和枯水期最小生态流量的平均值与《生态水系规划》报告结果进行对比，表6-15为郑州市生态水系河流生态需水计算结果比较。

表6-15　河流生态需水量结果比较

续表

根据表6-15，可见本研究计算结果与 《生态水系规划》报告有一定差别，但总体相差不大，其中索须河和七里河计算结果比《生态水系规划》报告结果稍大，而东风渠、金水河、熊耳河计算结果偏小，由于这几条河流位于郑州市中心区穿过，考虑到河流生态景观需要，补水可以适当加大，如采取适宜生态需水和最佳生态需水进行生态补水。

2.湖泊生态需水量计算

本研究中涉及到龙湖、龙子湖、西流湖3个湖泊，其中龙湖、龙子湖为规划水库。本研究中龙湖、龙子湖、西流湖生态需水量，直接采用《郑州市生态水系规划》报告中工作成果，结果见表6-16。

表6-16　郑州市湖泊生态需水量结果

3.水系近期生态需水量计算分析

根据郑州市生态水系建设实施情况，2010 年底实现郑州市生态水系河流全线通水，因此，生态水系近期生态需水量计算，取河流最小生态流量推荐值总和为17156万m3，见表6-17。郑州市湖泊生态需水量为13598万m3，则郑州市生态水系生态需水量结果为30754万m3。

表6-17　郑州市水系近期生态需水量

续表

4.水系中远期生态需水量分析预测

根据原来《南水北调中线工程河南省受水区城市供水工程规划》，南水北调中线一期工程于2010年建成通水，后来由于各种原因，推迟到2014年建成通水，中线工程以解决城市生活和工业用水为主。南水北调中线一期工程郑州市分配水量为33170万m3/a，包括贾寨口门和郑湾口门。南水北调中线二期工程预计2030年建成，但其分配给郑州市的水量未定。

本研究根据南水北调一期工程通水后，南水北调水资源可以置换目前郑州市引黄水资源量，这样郑州市生活和工业用南水北调水，而置换出的黄河水可供郑州市生态水系，在很大程度上满足生态需求。

在这种情况下，郑州市水系河流生态需水可以采取适宜生态需水，考虑到东风渠、金水河和熊耳河景观用水需求，可以加大需水量，以营造更大水面，因此这3条河流采取最佳生态需水量，其他河流采用适宜生态需水量，而湖泊生态需水不变和近期相同。则中远期河流生态需水量结果见表6-18。

表6-18　郑州市水系中远期生态需水量

2014年南水北调通水后，郑州市水系河流生态需水量为32246万m3，考虑湖泊生态需水量13598万m3，则郑州市生态水系生态需水量结果为45844万m3。