寧夏固水區(qū)受水區(qū)河道內(nèi)生態(tài)環(huán)境需水量分析

寧夏固水區(qū)受水區(qū)河道內(nèi)生態(tài)環(huán)境需水量分析

寧夏固原地區(qū)南部六盤(pán)山東麓的地表水充分利用，通過(guò)收集和調(diào)整，向北運(yùn)輸至寧夏中部干旱地區(qū)的元州區(qū)、西吉縣、彭陽(yáng)縣和海原縣（以下簡(jiǎn)稱“受水區(qū)”）。該項(xiàng)目的實(shí)施是寧夏自治區(qū)政府解決受水區(qū)干旱缺水的戰(zhàn)略性舉措,這一舉措給固原城鄉(xiāng)飲水水源工程受水區(qū)水資源帶來(lái)了新的要求,即查清該區(qū)域水資源開(kāi)發(fā)、利用和保護(hù)現(xiàn)狀,找出水資源開(kāi)發(fā)和管理等方面存在的問(wèn)題,立足于水資源的合理開(kāi)發(fā)和配置,提出解決受水區(qū)水資源緊缺的基本思路和措施。為此諸多研究機(jī)構(gòu)對(duì)固原城鄉(xiāng)引水工程受水區(qū)水資源配置問(wèn)題進(jìn)行過(guò)一些論證和研究,但至今尚未有人對(duì)受水區(qū)生態(tài)環(huán)境需水及在其基礎(chǔ)上如何合理進(jìn)行水資源配置開(kāi)展全面和系統(tǒng)的研究。鑒于此,筆者對(duì)受水區(qū)河道內(nèi)的生態(tài)環(huán)境需水進(jìn)行系統(tǒng)研究,以期對(duì)受水區(qū)生態(tài)建設(shè)、水資源合理配置及可持續(xù)發(fā)展提供參考。1主要?dú)庀鬄?zāi)害及流域受水區(qū)包括寧夏南部山區(qū)固原市的原州區(qū)、彭陽(yáng)縣、西吉縣以及中部干旱區(qū)中衛(wèi)市的海原縣,總面積11204km2,屬黃土丘陵區(qū),干旱少雨,多年平均降水量為350~499mm,年平均水面蒸發(fā)量為850~1200mm,蒸發(fā)強(qiáng)烈,旱災(zāi)是當(dāng)?shù)氐闹饕獨(dú)庀鬄?zāi)害。受水區(qū)所涉及到的流域主要有清水河流域、葫蘆河流域、涇河流域以及祖厲河流域。其中彭陽(yáng)縣境內(nèi)河流主要有涇河支流洪河、茹河和蒲河;西吉縣境內(nèi)河流水系主要有葫蘆河、清水河、祖厲河;原州區(qū)境內(nèi)河流水系主要有葫蘆河、清水河;海原縣境內(nèi)河流水系主要為清水河。2河道內(nèi)生態(tài)環(huán)境需水量河道內(nèi)生態(tài)環(huán)境需水量包括維持河道內(nèi)水生生物、河道外人工飼養(yǎng)動(dòng)物及野生動(dòng)物正常生存需水量、維持河流水沙平衡需水量、保持河流水體自凈功能的水量、補(bǔ)充河流蒸發(fā)所需水量等［1－5］。河道內(nèi)生態(tài)環(huán)境需水量不是上述各分項(xiàng)的簡(jiǎn)單疊加,筆者根據(jù)研究區(qū)域的特點(diǎn),對(duì)上述各分項(xiàng)之間的相互關(guān)系進(jìn)行分析,從而進(jìn)一步對(duì)受水區(qū)河道內(nèi)的生態(tài)環(huán)境需水量進(jìn)行分類和界定。(1)受水區(qū)內(nèi)人工飼養(yǎng)動(dòng)物的飲用水屬于畜牧業(yè)用水,而野生動(dòng)物飲水雖屬生態(tài)環(huán)境需水的范疇,但因野生動(dòng)物數(shù)量很少,需水所占比例也很小,因此這部分水量可忽略。(2)受水區(qū)河流汛期徑流集中,泥沙含量大,汛期輸沙量占全年輸沙總量的80%以上,即河流的輸沙功能主要在汛期完成,維持河流水沙平衡的需水量很少,因此河道內(nèi)生態(tài)環(huán)境需水量忽略輸沙需水量。通過(guò)對(duì)上述受水區(qū)生態(tài)環(huán)境需水特點(diǎn)的分析,同時(shí)從方便計(jì)算的角度考慮,將受水區(qū)河道內(nèi)生態(tài)環(huán)境需水量進(jìn)一步界定為維持水生生物正常生存的河流基本生態(tài)環(huán)境需水量、稀釋自凈需水量、蒸發(fā)需水量和滲漏需水量。依據(jù)《寧夏回族自治區(qū)縣(區(qū))水資源詳查報(bào)告》中關(guān)于各行政區(qū)域長(zhǎng)流水溝道調(diào)查結(jié)果,本文僅計(jì)算受水區(qū)內(nèi)長(zhǎng)流水河道的生態(tài)環(huán)境需水量。3計(jì)算與分析3.1河流的基本生態(tài)環(huán)境需要水3.1.1河道基本生態(tài)環(huán)境需水量tTennant法是依據(jù)觀測(cè)資料而建立起來(lái)的適用于干旱半干旱地區(qū)流量和棲息地質(zhì)量之間的經(jīng)驗(yàn)方法。該方法不需要現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量,在有水文站點(diǎn)的河流,年平均流量的估算可以從歷史資料獲得;在沒(méi)有水文站點(diǎn)的河流,可通過(guò)可以接受的水文技術(shù)來(lái)獲得,因此該方法在干旱半干旱地區(qū)得到了廣泛應(yīng)用。從保護(hù)生態(tài)的角度來(lái)看,Tennant法是從大量研究統(tǒng)計(jì)中得到的平均規(guī)律,是保持河道內(nèi)的水生生物和生態(tài)系統(tǒng)較為良好狀態(tài)的基本流量。結(jié)合研究區(qū)的實(shí)際情況,本文采用Tennant法計(jì)算河道內(nèi)基本生態(tài)環(huán)境需水量。表1為受水區(qū)域各縣(區(qū))河道徑流量的月分配情況。3.1.2基本生態(tài)環(huán)境需水量根據(jù)流量級(jí)別及其對(duì)生態(tài)的有利程度,運(yùn)用Tennant法將河道內(nèi)生態(tài)環(huán)境需水量確定為不同的級(jí)別,并為不同級(jí)別推薦了河流生態(tài)環(huán)境需水量占多年平均徑流量的百分比。依據(jù)Tennant法分析受水區(qū)徑流分配情況及規(guī)律,將河流生態(tài)環(huán)境需水量計(jì)算在時(shí)間上進(jìn)一步細(xì)化,生態(tài)環(huán)境需水量占天然徑流量的百分比也稍作改進(jìn)。受水區(qū)地處西北干旱半干旱區(qū)域,其中1—3月和12月,河流基本處于冰凍期,河流流量較小,水生動(dòng)植物處于休眠狀態(tài),對(duì)水量的要求較低,選擇該時(shí)段多年平均徑流量的10%作為最小生態(tài)環(huán)境需水量;4—5月雖然天氣轉(zhuǎn)暖,但從研究區(qū)徑流分布的實(shí)際情況來(lái)看,這一時(shí)段河道的徑流量依然很小,同時(shí)考慮研究區(qū)水資源緊缺的情況,該時(shí)段依然選擇多年平均徑流量的10%作為最小生態(tài)環(huán)境需水量;6—9月是研究區(qū)的主要降雨季節(jié),河流流量最大,水生動(dòng)植物的需水量也最大,綜合考慮研究區(qū)情況,選擇該時(shí)段多年平均徑流量的15%作為最小生態(tài)環(huán)境需水量;10—11月天氣轉(zhuǎn)冷,水生動(dòng)植物活動(dòng)減弱,選擇該時(shí)段多年平均徑流量的10%作為最小生態(tài)環(huán)境需水量［6］。基于上述分析,將河道內(nèi)基本生態(tài)環(huán)境需水量計(jì)算全年分為兩段:10月—次年5月基本生態(tài)環(huán)境需水量的最小值取多年平均徑流量的10%;6—9月取多年平均徑流量的15%。選擇Tenant法4級(jí)標(biāo)準(zhǔn)(“好”),即生態(tài)環(huán)境需水量占多年平均徑流量的比例為30%［7］,計(jì)算河道處于較好狀態(tài)時(shí)的河道內(nèi)基本生態(tài)環(huán)境需水量;生態(tài)環(huán)境需水量的最大值各時(shí)段均取平均徑流量的150%。計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2由表2可知,受水區(qū)各縣(區(qū))的河道內(nèi)基本生態(tài)環(huán)境需水量最小值由大到小依次為:原州區(qū)1580萬(wàn)m3、彭陽(yáng)縣1190萬(wàn)m3、西吉縣990萬(wàn)m3、海原縣910萬(wàn)m3。各縣(區(qū))集水面積由大到小依次為海原縣、西吉縣、原州區(qū)、彭陽(yáng)縣。海原縣集水面積雖然很大,但由于其地處寧夏中部干旱帶,降雨稀少,徑流量小,因此其河道基本生態(tài)需水量為最小值。由此可見(jiàn)河道內(nèi)基本生態(tài)環(huán)境需水量大小既取決于區(qū)域降水量又取決于區(qū)域集水面積。受水區(qū)河道內(nèi)基本生態(tài)環(huán)境需水量呈現(xiàn)由南部山區(qū)向中部干旱帶遞減的趨勢(shì),這與徑流量的變化趨勢(shì)相一致。3.2蒸發(fā)需水量計(jì)算對(duì)于河流而言,水面蒸發(fā)是水循環(huán)和水量平衡的基本要素之一,是水量轉(zhuǎn)移和熱量轉(zhuǎn)移的綜合表現(xiàn)。水面蒸發(fā)的結(jié)果使河流的水量減少、水中的大部分污染物濃度相對(duì)增加,因此河流蒸發(fā)應(yīng)該歸入生態(tài)環(huán)境需水的范疇。河流的水量損失很大一部分是蒸發(fā)損失。依據(jù)《寧夏回族自治區(qū)縣(區(qū))水資源詳查報(bào)告》和《寧夏回族自治區(qū)第二次土地調(diào)查圖集》確定各縣(區(qū))河流流域面積、河道水面面積,計(jì)算各縣(區(qū))河流年均蒸發(fā)量。寧夏中南部地區(qū)水面常年蒸發(fā)量大于降雨量,按下式計(jì)算河流水面蒸發(fā)需水量［8］(結(jié)果見(jiàn)表3):式中:Qzf為自由水面蒸發(fā)需水量,萬(wàn)m3;A為河流水面面積,km2;E為蒸發(fā)量,mm;P為降水量,mm。由表3可知,受水區(qū)各縣(區(qū))的河道水面蒸發(fā)需水量由大到小依次為:原州區(qū)203萬(wàn)m3、海原縣144萬(wàn)m3、西吉縣22萬(wàn)m3、彭陽(yáng)縣8萬(wàn)m3,總體呈現(xiàn)出由南向北遞增的趨勢(shì),這與受水區(qū)由南向北蒸發(fā)量大于降雨量的變化趨勢(shì)一致。3.3河道稀釋凈化能力計(jì)算污染稀釋水量是指河流水質(zhì)達(dá)到水功能規(guī)劃要求需增加的水量。河流環(huán)境水量的一個(gè)重要功能是稀釋自凈污染物,流量越大、流速越快,河流的生態(tài)功能就越強(qiáng),對(duì)污染物的稀釋自凈能力就越大。一般可采用功能設(shè)定法計(jì)算,根據(jù)河流的稀釋、自凈等環(huán)境功能,設(shè)定合理的河道稀釋凈化環(huán)境需水量Qjh,表達(dá)式為式中:Qjh為河流污染物稀釋凈化需水量,萬(wàn)m3;Qw為達(dá)標(biāo)排放的廢污水量,萬(wàn)m3;λ為河流稀釋系數(shù),通常情況下取5。通過(guò)對(duì)各縣(區(qū))排污情況實(shí)地調(diào)查,結(jié)合《寧夏回族自治區(qū)縣(區(qū))水資源詳查報(bào)告》,計(jì)算受水區(qū)稀釋凈化生態(tài)環(huán)境需水量(見(jiàn)表4)。3.4河流生態(tài)環(huán)境需要水3.4.1河道需水量河道內(nèi)生態(tài)環(huán)境需水量并不是上述各分項(xiàng)的簡(jiǎn)單疊加,其中河道內(nèi)基本生態(tài)環(huán)境需水量與輸沙需水量及稀釋凈化需水量屬于重疊項(xiàng),各項(xiàng)相比取其大值。由表1和表4可以看出,各縣(區(qū))河道內(nèi)基本生態(tài)環(huán)境需水量大于稀釋自凈需水量,而河道內(nèi)輸沙需水量忽略不計(jì),因此,取基本生態(tài)環(huán)境需水量與蒸發(fā)需水量及滲漏需水量(取基本生態(tài)環(huán)境需水量的10%)疊加作為河道內(nèi)總的生態(tài)環(huán)境需水量(見(jiàn)表5)。考慮研究區(qū)干旱缺水的實(shí)際情況,本文只對(duì)河道處于較好狀態(tài)下的生態(tài)環(huán)境需水量及其最小值進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。由表5可以看出,受水區(qū)河道內(nèi)最小生態(tài)環(huán)境需水量由大到小依次為:原州1941萬(wàn)m3、彭陽(yáng)1328萬(wàn)m3、海原1145萬(wàn)m3、西吉1100萬(wàn)m3,較好狀態(tài)下的生態(tài)環(huán)境需水量也呈現(xiàn)出相同的規(guī)律。河道內(nèi)總生態(tài)環(huán)境需水量與基本生態(tài)環(huán)境需水量也有相同的變化趨勢(shì)。3.4.2基本生態(tài)環(huán)境需水量由河道內(nèi)生態(tài)環(huán)境需水量各分項(xiàng)所占比例(見(jiàn)圖1)可知,位于南部山區(qū)的原州區(qū)、彭陽(yáng)縣、西吉縣河道內(nèi)基本生態(tài)環(huán)境需水量所占比例較大,均在80%以上,蒸發(fā)需水量所占比例卻相對(duì)較小;而中部干旱帶的海原縣河道內(nèi)基本生態(tài)環(huán)境需水量所占比例接近80%,而蒸發(fā)需水比例相對(duì)增大,這與區(qū)域蒸發(fā)量由南向北遞增的趨勢(shì)是一致的。在對(duì)資料缺乏地區(qū)河道內(nèi)生態(tài)環(huán)境需水量進(jìn)行計(jì)算時(shí),如果確定了河道內(nèi)某項(xiàng)需水量,其他項(xiàng)可以此為標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行簡(jiǎn)單估算［7］。3.4.3河道內(nèi)生態(tài)環(huán)境需水量計(jì)算各縣(區(qū))河道內(nèi)生態(tài)環(huán)境需水量占徑流量的比例(見(jiàn)表6)表明:受水區(qū)各縣(區(qū))河道內(nèi)生態(tài)環(huán)境處于較好狀態(tài)時(shí),河道內(nèi)生態(tài)環(huán)境需水量占徑流量的比例為33%~35%,與楊國(guó)憲等［10］的研究成果相吻合;河道內(nèi)生態(tài)環(huán)境需水量最小值占徑流量的比例為11%~17%,與王西琴等［11］的研究成果基本一致。在地表水資源開(kāi)發(fā)利用及配置過(guò)程中,必須保證合適的生態(tài)環(huán)境用水比例,以維持河道內(nèi)生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)的健康、良性發(fā)展,實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)效益的同時(shí)實(shí)現(xiàn)生態(tài)效益。4河道內(nèi)生態(tài)環(huán)境需水量(1)采用Tennant法計(jì)算了受水區(qū)河道內(nèi)基本生態(tài)環(huán)境需水量。根據(jù)受水區(qū)月徑流分布特點(diǎn),對(duì)該方法進(jìn)行了改進(jìn),在時(shí)間上進(jìn)一步細(xì)化,在計(jì)算比例上也進(jìn)行了改進(jìn),計(jì)算結(jié)果更符合研究區(qū)的實(shí)際情況。(2)通過(guò)計(jì)算可知,受水區(qū)河道內(nèi)生態(tài)環(huán)境需水量由大到小依次為:原州區(qū)、彭陽(yáng)縣、海原縣、西吉縣,基本呈現(xiàn)出由南部山區(qū)向中部干旱帶遞減的趨勢(shì)。(3)南部山區(qū)的原州區(qū)、彭陽(yáng)縣、西吉縣河道內(nèi)基本生態(tài)環(huán)境需水量所占比例較大,均在80%以上,蒸發(fā)需水量所占比例相對(duì)較小;中部干旱帶的海