劉麗君，鄧國(guó)立

(1. 黑龍江省環(huán)境工程評(píng)估中心，哈爾濱150001;2. 黑龍江省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，哈爾濱150080)

0 前 言

在20 世紀(jì)70年代和80年代，水資源開(kāi)發(fā)利用和相關(guān)水利規(guī)劃很少考慮維持自然生態(tài)環(huán)境的需水，直到20 世紀(jì)90年代人類(lèi)才逐漸認(rèn)識(shí)到自然生態(tài)環(huán)境需水的重要性。生態(tài)需水量是21 世紀(jì)初期引入我國(guó)的新概念，由于該概念有許多含義相似或相互交叉的概念與定義，目前在國(guó)際上和在我國(guó)也沒(méi)有基本得到公認(rèn)的定義和計(jì)算方法。生態(tài)需水可概略劃分為河道外植被生態(tài)需水量和河道內(nèi)生態(tài)需水量，目前河流內(nèi)生態(tài)需水量的計(jì)算方法較多，主要有水文學(xué)法、水力學(xué)法、組合法和綜合法等。

北方寒區(qū)河流水量較小且水量季節(jié)變化大，部分月份經(jīng)常出現(xiàn)斷流現(xiàn)象，冰封期河面全部?jī)鼋Y(jié)，部分河流常出現(xiàn)“連底凍”現(xiàn)象，冰封期中小河流中生物量極少。因此，北方寒區(qū)河流的生態(tài)需水季節(jié)性差異也較大，其確定應(yīng)區(qū)別于南方豐水地區(qū)河流?，F(xiàn)有的生態(tài)需水量計(jì)算方法均存在一定的局限性，較難適應(yīng)北方寒區(qū)河流的生態(tài)需水計(jì)算。

1 河道內(nèi)生態(tài)需水量計(jì)算方法

1.1 Tennant 法

Tennant 法是根據(jù)水文資料和年平均徑流量百分?jǐn)?shù)來(lái)描述河道內(nèi)流量狀態(tài)。該方法認(rèn)為:多年平均流量的10%是保持大多數(shù)水生生物短時(shí)間生存所推薦的最低短時(shí)流量;多年平均流量的30%是保持大多數(shù)水生生物有良好棲息條件所推薦的基本流量，多年平均流量的60%是為大多數(shù)水生生物在主要生長(zhǎng)期提供優(yōu)良至極好棲息條件所推薦的基本流量。

局限性:未考慮水量的年內(nèi)分配，水生生物對(duì)流量的要求在不同季節(jié)不同。該方法根據(jù)多年平均流量的一定比例統(tǒng)一劃定，未考慮水量需求的年內(nèi)變化問(wèn)題，與水生生物生境要求不相符合。

1.2 最小月平均徑流法

最小月平均徑流法是以最小月平均實(shí)測(cè)徑流量的多年平均值作為河流的基本生態(tài)需水量。在該水量下，可滿(mǎn)足下游需水要求，保證河道不斷流。在水利項(xiàng)目中，常采用90%保證率最枯月平均流量法計(jì)算?？筛鶕?jù)已有水文系列最枯月平均流量觀測(cè)結(jié)果，按保證率計(jì)算求得。

局限性:適合于干旱、半干旱區(qū)域，生態(tài)環(huán)境目標(biāo)復(fù)雜河流，對(duì)北方缺水地區(qū)生態(tài)環(huán)境目標(biāo)相對(duì)單一地區(qū)，計(jì)算結(jié)果偏差較大。

1.3 濕周法

濕周法采用濕周作為棲息地質(zhì)量指標(biāo)，繪制臨界棲息地區(qū)域濕周與流量的關(guān)系曲線，根據(jù)濕周流量關(guān)系圖中的轉(zhuǎn)折點(diǎn)確定河道推薦流量值。

局限性:受河道形狀影響較大，河床形狀不穩(wěn)定且隨時(shí)間變化的河道，沒(méi)有穩(wěn)定的濕周流量關(guān)系曲線，也沒(méi)有固定的增長(zhǎng)變化點(diǎn)。

1.4 R2—Cross 法

R2—Cross 法采用河流寬度、平均水深、平均流速以及濕周率等指標(biāo)來(lái)評(píng)估河流棲息地的保護(hù)水平，從而確定河流目標(biāo)流量。

局限性:不能確定季節(jié)性河流的流量; 精度不高; 不適合北方寒區(qū)的季節(jié)性河流。

1.5 水文—生物分析法

水文—生物分析法是采用多變量回歸統(tǒng)計(jì)方法。建立初始生物數(shù)據(jù)與環(huán)境條件的關(guān)系，來(lái)判斷生物對(duì)河流流量的需求，以及流量變化對(duì)生物物種的影響。

局限性:生物數(shù)據(jù)難獲得; 對(duì)影響因素之間的相互作用關(guān)系缺乏認(rèn)識(shí)。主要應(yīng)用于受人類(lèi)影響較小的河流。

1.6 綜合法

綜合法確定河流的生態(tài)環(huán)境需水量是從河流生態(tài)系統(tǒng)整體出發(fā)，根據(jù)專(zhuān)家意見(jiàn)綜合研究流量、泥沙運(yùn)輸、河床形狀與河岸帶群落之間的關(guān)系。

局限性:需要多專(zhuān)業(yè)的專(zhuān)家隊(duì)伍，資源消耗大，需要時(shí)間長(zhǎng)。

2 改進(jìn)的Tennant 法

北方寒區(qū)河流生態(tài)需水主要為水生生物( 魚(yú)類(lèi)) 需水，4—6月為魚(yú)類(lèi)的主要產(chǎn)卵期，生態(tài)需水量相對(duì)較大，12 至翌年3月為冰封期，生態(tài)需水量相對(duì)較小，生態(tài)需水的季節(jié)性差異較大。并且冰封期降水補(bǔ)給很少，冰封期各月的流量很小或接近于斷流狀態(tài)，小于多年平均流量的10%。

通過(guò)對(duì)已有生態(tài)需水量計(jì)算方法介紹，可以看出現(xiàn)有的各方法很難直接應(yīng)用于北方寒區(qū)河流中水利工程下游生態(tài)需水量的確定。根據(jù)已有方法的特點(diǎn)，本文對(duì)Tennant 法進(jìn)行適當(dāng)?shù)母倪M(jìn)，Tennant 法生態(tài)需水計(jì)算僅劃分為10月—翌年3月和4—9月兩個(gè)時(shí)段，兩個(gè)時(shí)段的生態(tài)需水計(jì)算全部以多年平均流量的百分比來(lái)確定。

具體的改進(jìn)方法為: 根據(jù)北方寒區(qū)河流生態(tài)需水的特點(diǎn)，將計(jì)算時(shí)段劃分為12月—翌年3月、4月—6月和7月—11月。由于北方寒區(qū)河流12月—3月為冰封期，來(lái)水量很少，生態(tài)需水也相對(duì)較小，將12月—3月各月的多年平均流量作為最小生態(tài)需水量;4月—6月為北方冷水性魚(yú)類(lèi)的產(chǎn)卵前，考慮到魚(yú)類(lèi)產(chǎn)卵對(duì)流量和流速的需求，將多年平均流量的30%作為該時(shí)段的最小生態(tài)需水量;7月—11月將多年平均流量的20%作為最小生態(tài)需水量。

3 計(jì)算實(shí)例

林海水庫(kù)位于牡丹江一級(jí)支流海浪河中上游，是以牡丹江和海林兩市供水和發(fā)電為主，兼顧農(nóng)田灌溉和防洪的綜合利用水利樞紐工程。近期2015年每年提供城市用水2.41 億m3，遠(yuǎn)期2030年每年提供城市用水3.05 億m3。林海常規(guī)水電站裝機(jī)容量60 MW，保證出力8.41 MW，電站以調(diào)峰為主。水庫(kù)建成后，通過(guò)調(diào)節(jié)天然徑流，可使本流域內(nèi)的水田灌溉面積由6 140 hm2擴(kuò)大至8 667 hm2，改善已有水田的灌溉臨界期缺水的狀況。

林海水庫(kù)工程實(shí)施后，將會(huì)顯著改變下游的水文情勢(shì)，并對(duì)水庫(kù)壩址下游的生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生影響。海浪河內(nèi)棲息有國(guó)家保護(hù)魚(yú)類(lèi)黑龍江茴魚(yú)和細(xì)鱗魚(yú)，河流兩岸植被發(fā)育良好，輸沙量較少。因此，水庫(kù)下游河段的水土保持、河道沖沙需水和植被生長(zhǎng)等多不是主要問(wèn)題，生態(tài)需水計(jì)算時(shí)主要需要考慮的是下游河段的水生生物保護(hù)。

12月—翌年3月為冰封期，生態(tài)需水較小，維持天然來(lái)水現(xiàn)狀;黑龍江茴魚(yú)產(chǎn)卵期在4月中旬—5月初，細(xì)鱗魚(yú)產(chǎn)卵期在4月—6月初，因此將4月—6月最小生態(tài)流量定為多年平均流量的30%; 將多年平均流量的20%作為7月—11月最小生態(tài)需水量。

表1 林海水庫(kù)壩址斷面最小生態(tài)需水量計(jì)算成果表 m3/s

4 結(jié) 語(yǔ)

本文結(jié)合北方寒區(qū)河流生態(tài)需水的特點(diǎn)對(duì)Tennant 法進(jìn)行了改進(jìn)，彌補(bǔ)了其不適合流量季節(jié)性變化大的河流，并將改進(jìn)后的Tennant 法應(yīng)用于牡丹江市林海水庫(kù)最小生態(tài)流量的計(jì)算中。改進(jìn)后應(yīng)用的計(jì)算結(jié)果表明，改進(jìn)后求得的最小生態(tài)需水量更好地體現(xiàn)了研究河段流量豐枯的季節(jié)性。改進(jìn)后的Tennant 法能適應(yīng)季節(jié)性強(qiáng)的北方寒區(qū)河流，拓寬了Tennant 法的適用范圍。

由于北方寒區(qū)河流也存在著水生生物種群和冰封期時(shí)間的差異，因此，本次研究?jī)H僅是為北方寒區(qū)河流最小生態(tài)需水確定提供了一種新思路。在進(jìn)行具體河流最小生態(tài)需水量計(jì)算時(shí)，尚應(yīng)結(jié)合河流的生態(tài)需水特點(diǎn)進(jìn)行時(shí)段的劃分和流量百分比的確定。

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［2］鐘華平，劉恒，耿雷華，等. 河道內(nèi)生態(tài)需水估算方法及其評(píng)述［J］. 水科學(xué)進(jìn)展，2006，17(3) :430－434.

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