程建民,陳永娟

(甘肅省張掖市甘蘭水利水電建筑設(shè)計(jì)院，甘肅 張掖 734000)

生態(tài)環(huán)境是人類生存和發(fā)展的基本條件，是經(jīng)濟(jì)和社會發(fā)展的基礎(chǔ)。隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，水資源過度開發(fā)利用，出現(xiàn)了河流斷流、水質(zhì)惡化、濕地消退、生物多樣性減少、水土流失嚴(yán)重等一系列生態(tài)環(huán)境問題，生態(tài)環(huán)境需水越來越受到了各級政府及其相關(guān)部門的重視，2013年9月7日，習(xí)近平總書記在哈薩克斯坦納扎爾巴耶夫大學(xué)發(fā)表演講時(shí)指出：“我們既要綠水青山，也要金山銀山，寧要綠水青山，不要金山銀山，而且綠水青山就是金山銀山。”生動形象地表達(dá)了我們黨和政府大力推進(jìn)生態(tài)建設(shè)的鮮明態(tài)度和堅(jiān)定決心，要按照綠色發(fā)展理念，樹立大局觀、長遠(yuǎn)觀、整體觀，堅(jiān)持保護(hù)優(yōu)先，堅(jiān)持節(jié)約資源和保護(hù)環(huán)境的基本國策，把生態(tài)文明建設(shè)融入經(jīng)濟(jì)建設(shè)、政治建設(shè)、文化建設(shè)、社會建設(shè)各方面和全過程，建設(shè)美麗中國，努力開創(chuàng)社會主義生態(tài)文明新時(shí)代。

黑河是我國西北地區(qū)的第二大內(nèi)陸河流，上世紀(jì)后期，隨著社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展、人口的增加，黑河流域用水量加大，進(jìn)入下游額濟(jì)納的水量減少，居延海干涸，生態(tài)環(huán)境受到影響，引起了黨中央、國務(wù)院的高度重視，決定從2001年開始實(shí)施黑河水量調(diào)度，十幾年以來，平均每年向居延海注水10億m3，黑河下游生態(tài)得到有效恢復(fù)和改善。盡管如此，黑河上游興建的水力發(fā)電工程，部分企業(yè)為了追求效益，不按規(guī)定下泄生態(tài)基流。2016年習(xí)總書記對祁連山自然保護(hù)區(qū)生態(tài)環(huán)境保護(hù)工作做出兩次重要批示，相關(guān)省、市、縣區(qū)政府高度重視，加大對祁連山自然保護(hù)區(qū)和黑河生態(tài)環(huán)境整治力度，對黑河干流水電站來水，一項(xiàng)極為重要的任務(wù)是合理確定電站下泄生態(tài)基流量，嚴(yán)格落實(shí)生態(tài)基流下泄措施，確保生態(tài)流量下泄到位，維護(hù)好減水河段水生態(tài)環(huán)境質(zhì)量。

1 黑河流域概況

黑河位于河西走廊中部，發(fā)源于青藏高原北部的祁連山中段，范圍介于東徑96°40′～102°04′，北緯37°45′～42°40′之間。上游海拔介于1700～5000m之間，4000m以上發(fā)育有現(xiàn)代冰川，最高峰團(tuán)結(jié)峰海拔5826.8m，山峰終年積雪。黑河干流從祁連山發(fā)源地到尾閭居延海，全長約928km，總流域面積11.6萬km2，其中干流鶯落峽以上為上游，河道長313km，流域面積10009km2，河床平均比降1%，天然落差約3000m，是黑河流域的產(chǎn)流區(qū)。上游又分東西兩岔，西岔野牛溝發(fā)源于海拔4145m的鐵里干山主峰南坡，自北西向南東流經(jīng)約208km至祁連縣黃藏寺村；東岔八寶河發(fā)源于祁連縣俄博灘東的景陽嶺，海拔4200m，自東向西北流經(jīng)106km至黃藏寺村。東西兩岔在黃藏寺村匯合后，折向北流經(jīng)95km至鶯落峽稱甘州河，出山后進(jìn)入張掖盆地稱黑河。

鶯落峽至正義峽為中游，河道長204km，流域面積2.56萬km2，河床比降1/100～1/1000，海拔高程介于1300～1700m之間。中游地區(qū)綠洲、荒漠、戈壁、沙漠?dāng)嗬m(xù)分布，地勢平坦，是河西走廊的重要組成部分，這里光熱資源充足，晝夜溫差大，是甘肅省重要的農(nóng)業(yè)灌溉區(qū)。中游為黑河徑流的利用區(qū)，該河段河道的突出特點(diǎn)表現(xiàn)為地表水、地下水的多次轉(zhuǎn)換和重復(fù)利用。

表1 黑河鶯落峽、正義峽站多年平均流量年內(nèi)分配表 單位：m3/s

正義峽以下為下游，河道長411km，流域面積8.04萬km2，海拔高程介于900～1300m。穿越北山，流經(jīng)金塔鼎新盆地，改稱額濟(jì)納河(也稱弱水)，向北流注入內(nèi)蒙古額濟(jì)納旗境內(nèi)的居延海。黑河流域水系圖如圖1所示。

圖1

2 河道生態(tài)環(huán)境需水量計(jì)算方法

河道內(nèi)生態(tài)需水量是保證維持河道內(nèi)基本功能和河道生態(tài)環(huán)境所需的水量。即防止河道斷流，保持水體一定的自凈能力，保持河道水流泥沙沖淤平衡和維持河流水生生物生存的最小流量。河道生態(tài)環(huán)境需水量的計(jì)算方法主要有水文學(xué)法、水力學(xué)法、生境模擬法和整體分析法等。水文學(xué)法以歷史流量為基礎(chǔ)，根據(jù)簡單的水文指標(biāo)確定河道內(nèi)生態(tài)需水，水文學(xué)法簡單易行，但要求有長系列水文資料(一般應(yīng)為30年及以上)，常用的代表方法有Tennant法、最枯時(shí)段平均流量法(包括90%保證率最枯月平均流量法、近10年最枯月流量法、月年保證率法和7Q10法等)。水力學(xué)法是根據(jù)水力學(xué)參數(shù)提出的濕周法和R2-Cross法。生境模擬法主要采用生態(tài)學(xué)和生物學(xué)方法，對特定生態(tài)保護(hù)目標(biāo)的需水規(guī)律和特點(diǎn)進(jìn)行分析，代表性方法有河道內(nèi)流量增加法(IFM)和生態(tài)、生理需水觀測法等。整體分析法是以流域?yàn)閱卧?，全面分析河流生態(tài)需水的方法，代表方法主要有南非的建筑堆塊法(BBM)。根據(jù)黑河的特點(diǎn)和實(shí)際情況，本文采用Tennant法、90%保證率最枯月平均流量法、近10年最枯月流量法、月年保證率法來計(jì)算黑河生態(tài)需水量。

3 黑河生態(tài)環(huán)境需水量計(jì)算

根據(jù)黑河鶯落峽站和正義峽站1945～2009年實(shí)測流量資料計(jì)算，鶯落峽站多年平均流量為51.6m3/s，正義峽站多年平均流量為32.2m3/s，見表1。

3.1 Tennant法

Tennant法又稱蒙大拿法。Tennant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)間生存所需的最低短時(shí)徑流量；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需的基本徑流量；多年平均流量的60%是為大多數(shù)水生生物在主要生長期提供優(yōu)良至極好棲息條件所需的基本徑流量。該法是將全年分為汛期(4～9月)和非汛期(10～3月)兩個(gè)時(shí)段，根據(jù)多年平均流量百分比計(jì)算維持河道一定功能的生態(tài)需水量。河道內(nèi)不同生態(tài)環(huán)境狀況和與之對應(yīng)的百分比見表2。

表2 在河道內(nèi)不同生境狀況下推薦的河道流量百分比

計(jì)算公式如下：

式中，Wb—生態(tài)環(huán)境需水量，m3/s；Qi—第i個(gè)月多年平均流量，m3/s；Bi—相應(yīng)第i個(gè)月推薦的基流百分比，%。

一般情況下，非汛期生態(tài)基流應(yīng)不低于多年平均天然徑流量的10%；汛期生態(tài)基流可按多年平均天然徑流量20%～30%確定。該法適用于流量較大的河流，一般作為河流最初目標(biāo)管理、戰(zhàn)略性管理方法使用，要求擁有長序列水文資料，具有方法簡單、快速、便于宏觀管理的特點(diǎn)。計(jì)算結(jié)果見表3。

表3 Tennant法計(jì)算成果 單位：m3/s

3.2 90%保證率最枯月平均流量法

90%保證率最枯月平均流量法是從長系列資料中每年挑選一個(gè)最枯月平均流量，然后進(jìn)行頻率計(jì)算，取保證率90%的最枯月平均流量作為最小生態(tài)環(huán)境需水量。適合水資源量小、開發(fā)利用程度較高的河流，要求擁有長序列水文資料。計(jì)算公式如下：

Wb=Min(Wij)P=90%

式中，Wb—河流最小生態(tài)環(huán)境需水量，m3/s；Min(Wij)P=90%—90%保證率最枯月徑流量，m3/s。

根據(jù)1945～2009年65年最枯月平均流量計(jì)算，結(jié)果見表4。

表4 最枯時(shí)段平均流量法生態(tài)流量計(jì)算結(jié)果 單位:m3/s

3.3 近10年最枯月平均流量法

近10年最枯月平均流量法以河流近10年最枯月平均流量的多年平均值作為河流的基本需水量。該方法采用實(shí)測徑流量作為計(jì)算依據(jù)。計(jì)算公式為：

式中，Wb—河流最小生態(tài)環(huán)境需水量，m3/s；Qmin—第i年實(shí)測最枯月平均流量，m3/s；n—統(tǒng)計(jì)年數(shù)。

計(jì)算結(jié)果見表4。

3.4 月年保證率法

月年保證率法根據(jù)系列水文統(tǒng)計(jì)資料，在不同的月保證率前提下，以不同天然徑流量百分比作為河道環(huán)境需水量的等級，分別計(jì)算不同保證率、不同等級下的月年河道基本環(huán)境需水量。計(jì)算步驟：

(1)根據(jù)系列水文資料，計(jì)算50%、75%、90%保證率下所對應(yīng)的水文年及多年平均情況下的各月天然流量。

(2)以多年平均所對應(yīng)的各月天然徑流量作為原始數(shù)據(jù)，進(jìn)行各月河道環(huán)境需水量計(jì)算，具體方法是分5個(gè)推薦流量等級：很好(100%)、好(60%)、較好(40%)、中(30%)、最小(10%)，分別對應(yīng)下面的假設(shè)條件(以很好流量等級為例)：假設(shè)年天然徑流量的100%作為河道內(nèi)用水，則將年天然徑流量的平均值作為河道環(huán)境需水的最高上限，認(rèn)為只有高于天然平均流量的月份可作為河道外引水。這時(shí)河道環(huán)境需水的計(jì)算，高于年均值的月份，選取年均值計(jì)算，低于年均值的月份，選取該月的天然徑流量計(jì)算。按照類似的假設(shè)條件，采用同樣的方法，可以計(jì)算年天然徑流量的60%、40%、30%、10%作為河道環(huán)境需水量。

(3)在上述40%、30%、10%的假設(shè)情況下，可能會出現(xiàn)月河道環(huán)境流量占年均值的百分比小于10%的情況，如果出現(xiàn)這種情況，這時(shí)河道環(huán)境需水的計(jì)算分兩種情況進(jìn)行：一是該月天然徑流量大于多年平均流量的10%，選取多年平均10%計(jì)算；二是該月天然徑流量小于多年平均流量的10%的，選取該月平均流量計(jì)算。國外研究表明，10%的河道流量是最低下限，如果河道流量低于10%，則河流生態(tài)系統(tǒng)健康得不到保障，河流的生態(tài)環(huán)境就會遭到破壞。計(jì)算結(jié)果見表5。

表5 月年保證率法生態(tài)需水量計(jì)算成果 單位：m3/s

4 計(jì)算結(jié)果分析

根據(jù)上述分析計(jì)算，鶯落峽近十年最枯月流量、90%保證率最枯月平均流量、Tennant法和月年保證率法(P=90%)中等(30%)情況的生態(tài)需水量接近，約占多年平均流量的19.3%～36.6%，平均26.5%。而正義峽近10年最枯月平均流量、90%保證率最枯月平均流量和最小生態(tài)需水量計(jì)算結(jié)果相差較大。月年保證率法鶯落峽和正義峽不同頻率的生態(tài)需水量基本接近。非汛期生態(tài)需水量鶯落峽占多年平均流量的10%，正義峽達(dá)到18.1%，汛期鶯落峽為47.4%，正義峽為22.8%%。根據(jù)SL525- 2011《水利水電建設(shè)項(xiàng)目水資源論證導(dǎo)則》和SL/Z479- 2010《河湖生態(tài)需水量評估導(dǎo)則》(試行)，對于河道生態(tài)需水量的確定，原則上按多年平均流量的10%～20%確定。黑河非汛期生態(tài)需水量最小滿足多年平均流量的10%，汛期生態(tài)需水量最小滿足多年平均流量的30%以上，全年生態(tài)需水量最小滿足多年平均流量的25%。四種方法計(jì)算結(jié)果對比見表6。

5 結(jié)論

(1)河道最小生態(tài)環(huán)境需水量對于維持河道生態(tài)環(huán)境意義重大，尤其是西北生態(tài)脆弱地區(qū)的河流，更應(yīng)該重視河道生態(tài)流量的作用，電站建設(shè)形成的減水河段，一定要預(yù)留足夠的生態(tài)流量，并采取強(qiáng)有力的監(jiān)管措施，確保生態(tài)流量足額下泄到位。

(2)水文學(xué)法是計(jì)算河道生態(tài)流量最為基礎(chǔ)、常用的方案，具有方法簡單、思路清晰、計(jì)算簡便、資料易獲取等特點(diǎn)，對具有長系列水文資料河流尤為實(shí)用，在黑河流域的水利水電項(xiàng)目設(shè)計(jì)中被廣泛使用。

(3)90%保證率最枯月平均流量法、近十年最枯月流量法、Tennant法和月年保證率法(P=90%)四種計(jì)算河道生態(tài)流量的水文學(xué)方法，在同等生態(tài)保護(hù)等級條件下，計(jì)算的河道生態(tài)流量具有依次增大的變化規(guī)律，90%保證率最枯月平均流量法計(jì)算結(jié)果相對保守，月年保證率法(P=90%)偏于安全。

(4)黑河作為西北內(nèi)陸河流，生態(tài)相對脆弱，從生態(tài)偏于安全角度考慮，綜合四種河道生態(tài)流量水文學(xué)方法計(jì)算成果，建議黑河非汛期生態(tài)需水量最小滿足多年平均流量的10%，汛期生態(tài)需水量最小滿足多年平均流量的30%以上，全年生態(tài)需水量最小滿足多年平均流量的25%。通過足額下泄河道生態(tài)流量，維持減水河段生態(tài)環(huán)境質(zhì)量。

表6 不同方法計(jì)算生態(tài)需水量占多年平均流量的比例 單位：m3/s

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