水利水电工程水资源论证中下泄基流量的计算方法

水利水电工程水资源论证中

下泄基流的计算方法

陈伯文，孙晓安

（湖南省水利水电勘测设计研究总院，长沙410007）

摘要：谋求和谐的人～水关系，将人类活动控制在生态、资源、环境允许范围内，恢复和重建受损的生态系统等问题越来越受到人们的广泛关注和重视。水利水电工程水资源论证应考虑河道下泄基流。根据不同需求可将河道下泄基流分为河道内需水基流和河道外需水基流两大部分。从维护水生态环境的天然结构与功能的目标出发，可以认为河道内需水基流主要是河道内生态需水基流、环境需水基流、航运基流组成，而河道外需水基流主要是河道外生产生活需水基流与生态环境需水基流组成。关键词：水利水电工程；水资源论证；下泄基流；计算方法

生态环境是人类赖以生存生存和发展的空间，水资源是生态环境建设中最重要的、不可替代的物质。随着我国国民经济的快速发展，水资源供需矛盾日益尖锐，如何能使有限的水资源满足国民经济持续发展、水资源的永续利用以及生态环境平衡维护的需要，这是当前亟待解决的薄弱环节和关键问题。

2002年3月24日，水利部、国家计委联合发布了《建设项目水资源论证管理办法》（水利部、国家计委15号令），这标志着建设项目水资源论证制度在我国正式实行。建设项目水资源论证，主要是对建设项目用水的可行性、合理性、对周围环境的作用、对其他用水户的影响等诸多因素进行分析，最终提出建设项目用水的水量、水质、工艺流程、排污等一系列方案的科技咨询活动。2005年5月12日颁布并实施的《建设项目水资源论证导则（试行）》（以下简称《导则》）中明确规定对引水、蓄水等水利水电工程的论证，必须分析对下游水文情势的影响，并提出满足下游生态保护需要的最小流量。水利水电工程特别是大坝工程对于防洪、发电、灌溉、供水、航运等作用巨大，为经济社会发展提供了保障。但大坝对于生态系统的作用是双重的，一方面水库为生物生长提供了丰富的水源，也缓解大洪水对于生态系统的冲击等，这些因素对河流生态系统是有利的。另一方面，大坝对于河流生态系统产生干扰。而根据《导则》的要求，规定其必须下泄基流正是减轻工程对河流生态系统干扰的一种补偿措施，因此水利水电工程下泄基流量的分析就显得尤为重要。水利水电工程下泄基流量根据不同需求可分为河道内需水基流和河道外需水基流两大部分。从维护水生态环境的天然结构与功能的目标出发，可以认为河道内需水基流主要是河道内生态需水基流、环境需水基流、航运基流组成，而河道外需水基流主要是河道外生产生活需水基流与生态环境需水基流组成。

1 生态环境需水的概念

1.1我国生态环境需水研究的发展状况

生态环境需水维系着流域的生态安全、水安全，是生态水文学在水资源与水环境研究中应用的关键科学之一，我国生态需水问题是近几年得到关注并开始研究的。1989年，中国科学院研究所的汤奇成较早提出了生态用水问题，20世纪90年代后期，国家“九五”科技攻关项目“西北地区水资源合理利用与生态环境保护”的实施，真正揭开了我国生态需水研究的序幕，以后许多专家学者对生态需水、生态用水、生态耗水等问题提出不同的观点、定义，丰富了生态需水的理论与学术研究。《21世纪中国可持续发展水资源战略研究》认为：“广义的生态环境用水，是指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”；“狭义的生态环境用水是指为维护生态环境不再恶化并逐渐改善所需要消耗的水资源总量。”刘昌明等提出了在计算生态环境用水中如何估算水热平衡、水盐平衡、水沙平衡和区域水量平衡的方法。以此为基础所做的初步工作表明，全国生态环境用水总量估计为800亿～1000亿m3，主要在黄淮海流域和内陆河流域。

1.2 生态环境需水的定义

由于缺乏统一的概念，给实际的研究工作带来了一些不便或困难，出现了生态、环境需水的混淆，以及生态需水、生态耗水和生态用水的混淆问题，导致了生态、环境需水计算内容和结果的不同。尽管生态需水与环境需水两者之间存在着交叉和重合的部分，但从概念上来讲是两个不同的概念，应该区别对待。生态需水主要侧重在生物维持其自身发展及保护生物多样性方面，环境需水则主要体现在环境改善方面。根据杨志峰等著的《生态环境需水量理论、方法与实践》，认为生态需水是指维持生态系统中具有生命的生物物体水分平衡所需要的水量，而环境需水是指为保护和改善人类居住环境及其水环境所需要的水量。

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要的水量。河道最小生态需水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，其理论上由河流的基流量组成。河道最小生态需水量所要满足的生态功能主要包括：①维持水生生物栖息地。②维持河流生态系统平衡。

河道环境需水是指为保护和改善河流水体水质、为维持河流水沙平衡、水盐平衡及维持河口地区生态环境平衡所需要的水量。河道最小环境需水量是指为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水量，其理论上由河流的基流量组成。河道最小环境需水量所要满足的环境功能主要包括：①保持水体一定的稀释能力。②保持水体一定的自净能力。

2 河道内需水基流的计算方法

Q）主要是河道内生态需水基流、环境需水基流、航运基流组成，河道内需水基流（

iwu

其计算方法如下：

Q）。主要是保持河流水环境容量的

①维持河道稀释自净能力所需水量的环境基流（

ef

需水量，本文认为环境基流的计算可针对北方缺水地区与南方丰水地区的实际情况区别对待。对于北方缺水地区，通常可用Tennant 法或90%保证率最枯月平均流量等进行计算确定。对于南方丰水地区，目前水资源突出问题是水质污染，水体对污染物质具有一定稀释、净化的能力，它能通过一系列物理、化学和生物作用，使污染物浓度逐渐降低，使水质恢复到原来状态，保持水域生态平衡，这称为水环境容量。水环境容量的大小，与水体水量以及水体对污染物的降解能力有关，水量越大、对污染物降解能力越强，则水环境容量也越大。

对许多河流来说，不要求污染源的排放量跟随水量的变化而变化，因此可采用稳态水质模型，计算设计流量下的环境容量。一般河流水功能区纳污能力可采用一维对流推移方程：

C k X

C u ∙-=∂∂ （1） 解得：)/ex p()(0u x k C x C ∙-= （2） 上式中：C （x ）为控制断面污染物浓度（mg/l ）；C 0为 起始断面污染物浓度（mg/l ）；k 为污染物综合自净计算（1/s ）；x 为排污口下游断面距控制断面纵向距离（m ）；u 为设计流量下岸边污染带的平均流速（m/s ）。

污染物一般是沿河岸分多处排放的，每一河段内可能存在多个污染源。为简化计算，可将计算河段内的多个排污口概化为一个集中的排污口，该排污口位于河段中间点，相当于一个集中点源，该集中点源的实际自净长度为河段长的一半，设河段长度为L ，则污染物自净长度为L/2。因此，对河段下断面，其污染物浓度为：

)2/ex p()/ex p(0u kL Q m u kL C C r

L x -+-== （3） 故河段水功能区纳污能力为：

r s Q u kL u kL C C m )2/ex p()]/ex p([][0--= （4） 上两式中，[m]为河段纳污能力（g/s ）；r Q 为河段设计流量（采用90%保证率最枯月平均流量或近10年最枯月平均流量，m 3

/s ）。

对河流来说，当计算所得允许纳污量[m]小于河段实际纳污量时，为了使河段水质达到要求的水质标准，有两种解决方法：一是削减污染源的排污量；二是在经过环境规划分析或考虑治理污染的现实可能性后，认为河流必须接纳一定量污染物（此量超过允许纳污量）的情况下，可通过增加河流流量的方法，增加河流对污染物的稀释、自净能力，此时河流所需的流量Q 0，即为维持河流一定量稀释净化能力的环境需水量。各河段Q 0的大小，可通过（4）反求： )

/ex p()2/ex p(00u kL C C u kL W Q s P ---= （5） 上式中，Wp 为河段必须接受的最小排污量（mg/s ）。

②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水量的生态基流（e Q ）。对于河流生态水量的计算，目前在国际国内虽然流行多种计算方法，但至今尚无统一方法和标准，一般采用流量计算和生境分析的方法进行求算，由于各方法计算成果差异较大，采用单一计算方法可能产生较大误差，因此可采取多种方法计算，对计算成果进行比较，并结合生境分析来决定成果取值。常用的计算方法有：湿周法、曼宁公式（即R2CROSS ）法、河道内流量增加珐、法国1/10多年平均流量法（又称法国乡村法）以及影响生物群落生态分析法等。