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标题 漓江流域生态需水量的研究
范文 黄丹　郭纯青　徐宁涛



摘要：近年来漓江水资源短缺问题给流域社会经济发展带来严重阻碍，对生态需水量的研究有利于该区域水资源的可持续利用。选择了月保证率法计算生态需水量，但由于漓江流域降雨量季节性分布不均匀，径流量的年内和年际变化都比较大，因此对月保证率法进行了改进，最终得到50%保证率下需水等级为“好”时的生态需水量为适宜生态需水量，结果为18.45亿m3，最小生态需水量为5.88亿m3。最后用Tennant法对结果进行检验，并分析了产生误差的原因。
关键词：漓江流域；生态需水量；月保证率法；Tennant法
中图分类号：TV21 文献标志码：A 文章编号：1672-1683（2014）06-0026-05
漓江流域社会经济的发展，尤其是近年来旅游开发不断深入后桂林市用水量的不断增加，对漓江流域生态系统的干扰正在不断地扩大。漓江流域虽然水资源丰富，但其时间和空间分布却极为不均匀，枯季水资源紧张，加之水资源配置中对生态需水的考虑并不全面，生态用水被挤占，在一定程度上损害了河流生态系统的功能。为了保证区域水资源的可持续利用，对漓江流域的生态需水量进行研究显得十分必要。
Covic[1]在1993年提出生态需水量的定义，即保证恢复和维持生态系统健康发展所需要的水量。中国工程院在“21世纪中国可持续发展水资源战略研究”项目[2]中将狭义的生态环境用水定义为“维护生态环境不再恶化并逐步改善所需要消耗的水资源总量”。将广义的生态环境用水定义为“维持全球生物地理生态系统水分平衡所需用的水，包括水热平衡、水沙平衡、水盐平衡等，都是生态环境用水”。崔树彬[3]、冯宝平[4]、李丽娟[5]、王芳[6]等学者研究了不同地区不同生态系统的需水量，并给出了需水量各自的概念和内涵。在这些研究中，主要集中于中国北方干旱和半干旱地区，而对南方河流的需水量研究相对缺乏，本文所研究的漓江流域是位于中国南方的桂东北的一条重要河流。
1 研究区域介绍
漓江属珠江水系桂江支流上游，起源于兴安、灵川两县交界的猫儿山，流经桂林市区和阳朔县，最后到达平乐县城附近与恭城河交汇，全长214 km，流域面积12 285 km2[7]。本文研究区域是指从兴安至到阳朔间的漓江河段，流域面积为5 585 km2[8]，包括川江、小溶江、甘棠江、桃花江、相思江等支流。
漓江是一条以雨水补给为主的河流，降雨汇流迅速，雨洪反应敏捷[9]。据桂林水文站资料，漓江年均降水量为1 853.7 mm，年均径流量41.8 亿m3，年均径流深1 510 mm，径流系数0.63，径流模数48.2 L/（s·km2）。实测最大和最小流量分别为1952年所测的5 210 m3/s和1951年所测的3.8 m3/s，丰水年径流量是枯水年径流量的2.2倍。以渡头水文站1976年-2003年的流量统计图（图1、图2）为例可知，漓江径流量年内分配很不均匀，年际变化也较大[10]。
从整个系统来看，漓江的基本功能是维持生态系统的良性循环，保证全流域人群的生存条件和生活需求；同时漓江作为桂林经济活动、工农业用水的主要水源地，保证这一区域工农业生产和发展社会生产力也是它极为重要的、不可或缺的功能，漓江流域不同区间的功能是各有侧重或者不同的，干流、支流、水库、水渠、湖塘的功能也互有区别。本文主要考虑漓江主干流的生态需水，即保证恢复和维持漓江流域生态系统健康发展所需要的水量。
2 漓江流域生态需水量计算
河道生态需水量的计算方法已超过200种，大致分为水文学方法、水力学方法、栖息地法和整体分析法四大类[11]。其中水文学方法比较简单，所需要的资料易获得，在中国也应用的最为广泛。本文采用月保证率法[12]计算漓江生态需水量（采用桂林站站数据），并将其与Tennant法的计算结果进行比较，检验是否满足水质的要求。
2.1 月保证率法
2.1.1 月保证率法简介
月（年）保证率设定法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流生态需水量的等级，分别计算不同保证率、不同等级下的月（年）河流基本生态需水量，计算步骤如下。
（1）根据系列水文资料，对各月天然径流量按从小到大进行排列。
（2）计算月不同保证率（P50%、P60%、P70%、P80%、P90%）下所对应的水文年及多年平均情况下的各月天然流量、多年平均值。
（3）以上述计算的各月天然径流量作为原始数据，分5个推荐流量等级（极好、非常好、好、中、最小）计算各月的河道环境需水量，分别采用年平均天然径流量的100%，60%，40%，30%，和10%作为河道内用水时[13]。以年天然径流量的30%、10%作为河道内用水时，可能会出现月河道生态需水量占多年月平均天然径流量的百分比小于10%的情况，此时，则按前上一种百分比的月河道生态需水上限计算（如：30%假设出现就按照40%假设计算）；如果按照上一种假设下的上限计算出的月生态需水量占其月流量的百分比远大于10%，则仍按10%计算，即遵循月河道生态需水量与月天然径流量的百分比不能低于10%的基本原则。国外研究表明，如果河道流量低于10%，则河流生态系统健康得不到保障，河流的生态环境就会遭到破坏[14]。考虑到漓江流域降雨量季节性分布不均匀，径流量的年内和年际变化都比较大，若按传统月保证率法计算，结果会出现一定偏差，因此本文对月保证率设定法进行了改进。设i合保证率下第j月的某一推荐流量等级（k）的河道生态需水量为Qi，j，k，传统月保证率设定法计算如式（1）。Wk为某一推荐流量等级（k）所采用的年平均径流量比例。
当式（1）计算得到的不同保证率下的逐月河道生态需水量出现了小于月平均径流量10%的情况时，需要进一步依照式（2）[15]对结果进行修正。
2.1.2 生态需水量的年内分布
桂林站1958年-2003 年平均流量的变化情况，见图3，天然径流量排序结果，见表1。
采用月（年）保证率法计算得出需水等级为“好”时不同保证率年份漓江生态需水量的年内分布（图4），研究区全年生态需水量和河流逐月生态需水量变化趋势均随着保证率的降低而不断增加，但逐月生态需水在12月至来年2月主要受控于当月径流量，3月-11月主要受控于年平均径流量，而多年平均月径流量对其影响很小。
2.1.3 生态需水量的影响因素
月保证率法计算结果（表2）表明，生态需水量随着保证率的升高而不断减少，“极好”等级下50%保证率年份的生态需水量比90%保证率年份增加了22.6%，而“最小”等级下相应的增加比例仅为8.08%，说明需水量等级越高、不同保证率年份下需水量增加的幅度就越大；保证率比需水等级对生态需水量的影响要大，即生态需水量是一个相对硬性的需求，与径流量的年际变化关系并不太紧密，受降雨年际变化的影响也相对较小。本文以P50%保证率下需水等级为“好”时的生态需水量18.45亿m3为适宜生态需水量，占多年平均径流量的45%，最小生态需水量为5.88亿m3，占多年平均径流量的14%。
2.2 Tennant法
2.2.1 Tennant法简介
Tennant法是美国的Donald Leroy Tennant对大西洋与 Rocky 山之间Mason-Dixon 一带上百条河流，经过17年的研究总结出来的，是应用最广泛的水文学方法[16]。该方法通常在研究人为开发程度不高的河流中作为河流流量推荐值时使用，因为此方法所需的水文资料比较简单，结果较为准确，所以在以往研究中常被作为其他方法的一种检验，在本文中也运用此方法检验月保证率法的可靠性。该方法提出的河流流量推荐值是以预先设定的年平均流量的百分数为基础的。具体计算标准见表3。
河道生态环境需水量计算公式为
式中：Wt为河道生态环境需水量；Mi为一年内第i个月多年平均流量；Ni对应第i月份的推荐基流百分比。
该方法的优点是不需要现场测量。在有水文站点的河流，年平均流量的估算可以从历史资料中获得；在没有水文站点的河流，可通过可以接受水文技术来获得年平均流量，非常适于我国缺乏足够生态资料的现状。但其缺点是没有区分丰水年、平水年、枯水年的差异，没有考虑水环境、河流的形状和生态环境等影响因素[17]，因此运用此方法所得的需水量存在一定的误差，但作为一种检验方法，其结果依旧具有很强参考性。
2.2.2 Tennant法计算漓江流域生态需水量
采用Tennant法计算漓江流域生态需水（采用桂林站数据），漓江多年平均径流量为41.3亿m3，最大为58.8亿m3，最小为24亿m3，年平均径流深为1 510 mm。年平均降雨量为1 853.7 mm，径流系数为0.63，径流模数48.2 L/（s·km2），平均流量为132.6 m3/s。
历年水文资料显示，漓江干流10月到来年3月为少水期，4月-9月为多水期。为偏安全考虑，且漓江流量较好，本次计算少水期选取多年平均流量的20%作为河道生态环境需水量，多水期选取多年平均流量的40%。
Tennant法下漓江流域生态需水量计算结果见表4。需水等级为“好”时漓江流域适宜生态需水量为15.43亿m3，最小生态需水量为4.24亿m3。而月保证率法的适宜和最小生态需水量分别为18.45亿m3和5.88亿m3，两者有一定的差距，原因是：Tennant法适用于天然河道，而漓江的开发程度较高，对计算结果会产生影响；且两种方法的适用条件有所不同，对于不同的河流需要采用不同的参数，对结果也产生一定影响。但两种方法计算结果的差距在30%以内，因此其计算结果是可信的。
2.3 水质对漓江流域生态需水量影响
以漓江干流入河排污量为计算依据，得出当流量达到30 m3/s时，市区段COD、Cr在Ⅱ类水质目标下的最大允许为不高于现状排放量；当流量达到40 m3/s时，市区段氨氮在Ⅱ类水质目标下的最大允许排放量高于现状排放量，即当需水量保证不小于40 m3/s，漓江水质能够达到Ⅱ类水质，且可保证通航。
综上，满足不同生态功能的漓江流域需水量汇总于表5。桂林市区主要的污染物有COD，Cr，氮氨等，由表6可知在Ⅱ类水质的目标下，满足水质对于COD、Cr的要求时生态需水量为9.46亿m3；满足水质对氨氮的要求时生态需水量为12.61亿m3。因此无论是月保证率法计算所得的18.45亿m3和Tennant法计算所得的15.43亿m3下最大允许排放量均高于现状排放量。其次漓江流域是著名的旅游景区，旅游通行对于这条河流意义重大。据调查，桂林水文站的流量达到9.5亿m3就能保证现有船只的正常通行，因此适宜生态需水量就能满足这一要求。
3 结论
采用月保证率法对漓江流域生态需水量进行计算，结果表明，保证率50%的平水年下漓江适宜生态需水量为18.45亿m3，占多年平均径流量的45%；最小生态需水量为5.88亿m3，占多年平均径流量的14.37%。对比Tennant法的适宜生态需水（15.43亿m3）和最小生态需水量（4.24亿m3）的计算结果，两者有一定的差距，但其差距在30%允许范围内，因此通过Tannant 法对月保证率法进行验证，证明其计算结果可靠。漓江流域全年有一半的时间都没有达到适宜的需水量，为了保证漓江流域的生态需水，使河流各项功能协调发展，有必要通过修建流域补水工程，同时发展森林生态工程等蓄水措施来保证漓江流域的可持续发展。
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更新时间：2025/3/10 17:28:14