韓 松，趙 越

(黑龍江省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，哈爾濱 150080)

最小生態(tài)徑流是生態(tài)環(huán)境用水的重要組成之一[1]，其數(shù)值大小及其年內(nèi)分配過程對(duì)于維持河流健康、構(gòu)建生態(tài)系統(tǒng)與水資源可持續(xù)利用之間的動(dòng)態(tài)平衡具有重要意義。

最小生態(tài)徑流是指在人類活動(dòng)影響下，為保證水生生物基本生存，在水體中所需保持的水量[1-3]，或者是為滿足現(xiàn)狀生態(tài)系統(tǒng)要求，河流中必須予以保留的最小徑流量，同時(shí)該最小徑流量對(duì)應(yīng)的水質(zhì)、水量和持續(xù)時(shí)間都必須滿足要求[1]。隨經(jīng)濟(jì)社會(huì)的快速發(fā)展，人類社會(huì)不斷從河流中攫取水量，在一定程度上搶占了河流生態(tài)水量，因而水資源可持續(xù)利用與河流生態(tài)保護(hù)越來越成為關(guān)注焦點(diǎn)，特別是農(nóng)牧交界帶、森林交界帶的東北地區(qū)，農(nóng)業(yè)十分發(fā)達(dá)，水資源大量消耗于農(nóng)田灌溉，區(qū)域生態(tài)鏈較為薄弱，破壞后恢復(fù)難度極大。

目前，關(guān)于穆棱河流域，相關(guān)學(xué)者已有一些水資源方面的研究[4-8]，但涉及生態(tài)徑流，尤其是最小生態(tài)徑流的成果依然鮮見。鑒于此，以穆棱河流域?yàn)槔?，引入頻率比例法對(duì)含零值徑流序列進(jìn)行頻率計(jì)算，借助7Q10法、非零值次最小值法、頻率排位法、改進(jìn)年內(nèi)展布計(jì)算法、Tennant法確定了穆棱河流域中游的梨樹鎮(zhèn)水文站測(cè)驗(yàn)斷面的最小生態(tài)徑流，并進(jìn)一步分析了河流最小生態(tài)徑流滿足情況及流域上游水利工程建設(shè)帶來的可能影響，以期為科學(xué)制定及有效落實(shí)穆棱河未來的河流保護(hù)工作計(jì)劃提供一定的借鑒。

1 流域概況

穆棱河地處黑龍江省東部，為烏蘇里江左岸最大的一條支流，河道總長(zhǎng)834 km，流域面積18 427 km2，流域范圍為E130°15′～133°30′、N45°13′～45°55′[4]；穆棱河發(fā)源于穆棱市窩集嶺，由南向北流，經(jīng)穆棱、雞東等地，在虎林市湖北閘處分為兩支：一支沿原河道東流，于虎頭鎮(zhèn)南入烏蘇里江，另一支沿穆興水路匯入興凱湖。

穆棱河毗鄰松阿察河、牡丹江、綏芬河、興凱湖、倭肯河、七虎林河，形狀總體呈長(zhǎng)茄形；流域由西向東傾斜，地貌以山地為主，兼有丘陵、平原和湖泊，占比依次為51.0%、26.3%、22.0%和0.7%[5]；流域地處中溫帶大陸性季風(fēng)氣候區(qū)，多年平均降水量552.9 mm，主要集中在6-9月，約占全年的70%；多年平均氣溫3.2 ℃，最高氣溫37.6 ℃，最低氣溫-44.1 ℃；結(jié)冰期150～160 d[6]。

2 資料及方法

2.1 基本資料

梨樹鎮(zhèn)站為國(guó)家重要水文站，位于黑龍江省雞西市梨樹區(qū)境內(nèi)、穆棱河中游，1962年擴(kuò)建為水文站，觀測(cè)至今，測(cè)驗(yàn)項(xiàng)目有水位、流量、降水、冰情、水溫等；梨樹鎮(zhèn)站距離河源、河口依次為211.8、447.6 km，測(cè)驗(yàn)斷面以上流域面積為6 443 km2[5]。

梨樹鎮(zhèn)站以上已建成1座多年調(diào)節(jié)水庫(kù)—團(tuán)結(jié)水庫(kù)，水庫(kù)位于穆棱市共和鄉(xiāng)境內(nèi)，壩址以上集水面積445 km2，總庫(kù)容8 630 萬(wàn)m3，主要任務(wù)為灌溉，兼顧防洪、發(fā)電、養(yǎng)魚等綜合利用，工程于1985年投入運(yùn)行；本次收集到梨樹鎮(zhèn)水文站1963-2017年逐月天然、實(shí)測(cè)徑流資料。

2.2 計(jì)算方法

最小生態(tài)徑流計(jì)算方法主要有：水文學(xué)法、水力定額法、棲息地法等，其中水文學(xué)法僅利用徑流資料，不需要現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定，受到廣大學(xué)者青睞[9-14]。因此，本文選用水文學(xué)法中的7Q10法[10-13]、非零次最小值法[7,11]、頻率排位法[7]、年內(nèi)展布計(jì)算法[14]計(jì)算梨樹鎮(zhèn)站最小生態(tài)徑流。

2.2.1 7Q10法

7Q10法起源于美國(guó)，主要用于分析污廢水在干旱季滿足河流水質(zhì)要求時(shí)所需水量，并以90%保證率最枯連續(xù)7 d平均水量作為最小徑流設(shè)計(jì)值[10]。該方法設(shè)定的標(biāo)準(zhǔn)要求高，在實(shí)際應(yīng)用時(shí)，一般河流以90%保證率最枯月平均徑流量或近10 a最枯月平均徑流量作為替代[10-12]。

受河流季節(jié)性封凍影響，穆棱河部分年份最枯月徑流量為零，本次引入頻率比例法[8]對(duì)含零值的最枯月天然徑流序列進(jìn)行頻率計(jì)算，求得梨樹鎮(zhèn)站90%頻率最枯月徑流量為0.806 萬(wàn)m3；基于2008-2017年最枯月天然徑流序列，求得梨樹鎮(zhèn)站近10年最枯月徑流量為340 萬(wàn)m3。

2.2.2 非零次最小值法

一般地，依次取1-12月各月歷年徑流量的最小值、次最小值，獲取全年各月最小生態(tài)徑流[7,11]；穆棱河位于東北地區(qū)，部分年份月徑流量可能為0。因此，本次取各月歷年徑流量的次最小值，即得梨樹鎮(zhèn)站1-12月最小生態(tài)徑流，見圖1。

圖1 梨樹鎮(zhèn)水文站最小生態(tài)徑流(非零次最小值法)Fig.1 Minimum ecological runoff in Lishuzhen hydrological station(by non-zero second minimum value method)

2.2.3 頻率排位法

頻率排位法取一定保證率下的1-12月各月徑流作為河流生態(tài)徑流，該方法可在一定程度上降低極端徑流值影響，能夠考慮各月生態(tài)徑流伴隨各月徑流變化而變化[7]；在計(jì)算最小生態(tài)徑流時(shí)，各月保證率可取90%、95%。本次引入頻率比例法對(duì)含零值徑流序列進(jìn)行頻率計(jì)算，取90%保證率下的各月歷年天然徑流量，即得梨樹鎮(zhèn)站1-12月最小生態(tài)徑流，見圖2。

圖2 梨樹鎮(zhèn)水文站最小生態(tài)徑流(頻率排位法)Fig.2 Minimum ecological runoff in Lishuzhen hydrological station(by frequency ranking method)

2.2.4 改進(jìn)年內(nèi)展布計(jì)算法

年內(nèi)展布計(jì)算法在時(shí)段最小年均徑流量、時(shí)段多年年均徑流量及兩者的時(shí)段同期均值比基礎(chǔ)上，以1-12月時(shí)段多年平均徑流量為基準(zhǔn)，計(jì)算河道最小生態(tài)徑流的年內(nèi)展布過程[14]，該方法能夠較好的反應(yīng)天然徑流的豐枯變化特征，有一定的普遍適用性，該方法的基本原理及計(jì)算公式見文獻(xiàn)[14]。本次基于梨樹鎮(zhèn)站1963-2017年逐月天然徑流資料，將年內(nèi)劃分為4-9月、10-翌年3月兩個(gè)時(shí)段，對(duì)年內(nèi)展布計(jì)算法進(jìn)行改進(jìn)，計(jì)算其最小生態(tài)徑流，見圖3。

圖3 梨樹鎮(zhèn)水文站最小生態(tài)徑流(改進(jìn)年內(nèi)展布計(jì)算法)Fig.3 Minimum ecological runoff in Lishuzhen hydrological station(by Improved dynamic calculation method)

2.2.5 Tennant法

Tennant法是目前應(yīng)用最為廣泛的一種生態(tài)徑流計(jì)算及評(píng)價(jià)方法，該方法基于長(zhǎng)系列的天然徑流資料，結(jié)合多年平均流量百分比及流量對(duì)生態(tài)的有利程度，可直接確定河流維持一定功能所應(yīng)保持的生態(tài)徑流[7,9-13]。本次依據(jù)Tennant法分析評(píng)價(jià)不同方法計(jì)算的最小生態(tài)徑流過程。

表1 不同流量等級(jí)對(duì)應(yīng)的河流生態(tài)狀況評(píng)價(jià)結(jié)果(Tennant法) %

3 結(jié)果分析與討論

3.1 徑流年內(nèi)分配情況

穆棱河中游主要控制站—梨樹鎮(zhèn)站徑流各月多年平均值、近10年多年平均值，見圖4。從圖4中可以看出：

(1)穆棱河年內(nèi)有兩次汛期，即春汛、夏汛，春汛峰值多緣于融冰融雪，夏汛降水比較集中，年內(nèi)各月徑流分布呈“雙峰”型；與1963-2017年徑流系列相比，近10年多年平均值中1-5月、7月徑流量明顯增大，6月、8-12月徑流量明顯減少。

(2)1963-2017年徑流系列中連續(xù)最大3個(gè)月徑流量出現(xiàn)在6-8月，時(shí)段徑流量約占全年的50.4%，近10年徑流系列中的出現(xiàn)在5～7月，約占全年的54.1%；1963-2017年徑流系列連續(xù)最小3個(gè)月徑流量出現(xiàn)在1-3月，時(shí)段徑流量約占全年的1.7%，近10年徑流系列中出現(xiàn)在1-3月，約占全年的3.9%。

(3)1963-2017年系列中，最大月徑流量出現(xiàn)在8月，約占全年的19.4%，近10年徑流系列中，最大月徑流量出現(xiàn)在5月，約占全年的23.9%。

圖4 梨樹鎮(zhèn)水文站天然徑流年內(nèi)分配過程Fig.4 Distribution processes of natural intra-annual runoff in Lishuzhen hydrological station

3.2 最小生態(tài)徑流的確定

為進(jìn)一步分析多種方法計(jì)算的梨樹鎮(zhèn)水文站最小生態(tài)徑流的合理性，本次將上述幾種方法的計(jì)算成果匯總，結(jié)合Tennant法，以多年平均條件下的“同期均值比”代替“年均值比”[9]，評(píng)價(jià)穆棱河在某一徑流過程內(nèi)的河流生態(tài)狀況。多種方法計(jì)算的梨樹鎮(zhèn)站最小生態(tài)徑流及Tennant法評(píng)價(jià)結(jié)果，見表2。

根據(jù)表2，可以看出：

(1)對(duì)于7Q10法，近10 a最枯月徑流量基本能保證河流在枯水期月份內(nèi)處于“中”以上適宜流量環(huán)境中，但河流在豐水期健康狀況較差；盡管考慮了季節(jié)性封河下的徑流零值，引入頻率比例法對(duì)含零值徑流序列進(jìn)行頻率計(jì)算，但90%保證率最枯月徑流仍使河流全年處于“極差”流量狀態(tài)。

(2)在剔除年各月徑流量零值的基礎(chǔ)上，非零次最小值法取各月歷年徑流量的次最小值，可在一定程度上避免極端徑流值帶來的影響，但年內(nèi)部分月份河流生境依然堪憂，尤其是1-3月、12月河流流量條件“極差”。

表2 梨樹鎮(zhèn)水文站最小生態(tài)徑流及評(píng)價(jià)結(jié)果Tab.2 Evaluation results and minimum ecological runoff in Lishuzhen hydrological station

(3)頻率排位法基于頻率比例法對(duì)含零值徑流序列進(jìn)行頻率計(jì)算，給予各月徑流以一定的保證率，但1-3月流量生境條件依然不容樂觀。

(4)年內(nèi)展布計(jì)算法對(duì)應(yīng)的最小生態(tài)徑流過程能使河流在豐水期處于“中”、枯水期處于“好”流量狀態(tài)內(nèi)，該方法以河流生態(tài)系統(tǒng)與徑流過程的響應(yīng)關(guān)系為出發(fā)點(diǎn)，可同時(shí)兼顧河流天然水文過程、生態(tài)水文過程對(duì)徑流年內(nèi)動(dòng)態(tài)需求，對(duì)維持河流基本生態(tài)環(huán)境功能是最有利的，有助于區(qū)域水資源“蓄豐補(bǔ)枯”式的優(yōu)化配置及綜合開發(fā)利用。綜上，推薦年內(nèi)展布法成果作為梨樹鎮(zhèn)站最小生態(tài)徑流是合適的。

3.3 最小生態(tài)徑流滿足情況

本次分別從多年平均情況、不同典型年份情況入手，分析梨樹鎮(zhèn)站測(cè)驗(yàn)斷面天然徑流、實(shí)測(cè)徑流條件下的最小生態(tài)徑流滿足情況。

3.3.1 多年平均情況

梨樹鎮(zhèn)水文站以上的團(tuán)結(jié)水庫(kù)于1985年投入運(yùn)行，本次以團(tuán)結(jié)水庫(kù)投入運(yùn)行年份為節(jié)點(diǎn)，將梨樹鎮(zhèn)站天然、實(shí)測(cè)徑流資料劃分為兩段，即1963-1984年、1985-2017年。最小生態(tài)徑流滿足情況分析結(jié)果，見表3。

表3 梨樹鎮(zhèn)水文站最小生態(tài)徑流滿足情況 %

在天然來水條件下，梨樹鎮(zhèn)站1963-1984年時(shí)段內(nèi)的最小生態(tài)徑流滿足情況較好，3-12月基本維持在72.7%～100%，其中4-7月、10-11月的最好(100%)；相較而言，1985-2017時(shí)段內(nèi)的最小生態(tài)徑流滿足情況有所降低，2月的最低，保證率僅為42.4%；在實(shí)測(cè)來水條件下，1985-2017年時(shí)段內(nèi)的最小生態(tài)徑流滿足情況較前一時(shí)段有所提升，尤其是在枯水期的1-3月、12月。

3.3.2 典型年情況

梨樹鎮(zhèn)水文站P=50%來水年(2010)、P=75%來水年(1970)及P=95%來水年(1979)的天然及實(shí)測(cè)徑流月過程，見表4。由表4可看出：

(1)天然來水條件下，P=50%來水年，最小生態(tài)徑流均能滿足；P=75%來水年，1-2月的最小生態(tài)徑流不能滿足；P=95%來水年，1-3月、8-9月、12月的最小生態(tài)徑流長(zhǎng)期不能滿足。

(2)實(shí)測(cè)來水條件下，P=50%來水年，梨樹鎮(zhèn)站2-3月的最小生態(tài)徑流不能滿足；P=75%來水年，1-2月的最小生態(tài)徑流不能滿足；P=95%來水年，1-3月、7-12月的河流徑流長(zhǎng)期小于最小生態(tài)徑流，水生生物生境條件存在較大的缺水風(fēng)險(xiǎn)。

表4 梨樹鎮(zhèn)水文站典型年天然及實(shí)測(cè)來水情況 萬(wàn)m3

總體上，多年平均情況下，梨樹鎮(zhèn)站最小生態(tài)徑流保證情況較樂觀，受上游已有工程的“蓄豐補(bǔ)枯”調(diào)蓄影響，實(shí)測(cè)來水條件下的枯水期最小生態(tài)徑流滿足情況明顯好于天然的，河流生境條件及健康狀況整體好轉(zhuǎn)；不同典型年來水條件下，保證枯水期的最小生態(tài)徑流有一定的壓力，且P=95%來水年，河流徑流長(zhǎng)期小于最小生態(tài)徑流，對(duì)河流生境及水生生物生存不利，需要流域水行政主管部門予以特別重視。

3.4 上游水利工程建設(shè)帶來的可能影響

3.4.1 現(xiàn)狀工程影響分析

穆棱河為半山區(qū)性河流，上游屬于山區(qū)，是黑龍江省年降水和年徑流的中值區(qū)，水資源較為豐富；穆棱河流域現(xiàn)有水庫(kù)31座，其中大型水庫(kù)分別是位于穆棱河干流的團(tuán)結(jié)水庫(kù)和支流裵德里河上的青年水庫(kù)、小興凱湖，中型水庫(kù)5座，小型水庫(kù)23座[13]。

為分析上游現(xiàn)狀水利工程建設(shè)對(duì)梨樹鎮(zhèn)水文站最小生態(tài)徑流的影響程度，本次進(jìn)一步統(tǒng)計(jì)梨樹鎮(zhèn)站天然來水、實(shí)測(cè)來水條件下的各月多年平均徑流量、近10年月次最小徑流量，見圖5。從圖表中看出：

圖5 梨樹鎮(zhèn)水文站多年平均、近10年月次最小值徑流量Fig.5 Average annual and nearly 10 years-monthly second minimum runoff in Lishuzhen hydrological station

(1)天然來水條件下：各月多年平均徑流量均大于梨樹鎮(zhèn)站的最小生態(tài)徑流；近10年次最小月徑流中，僅8月徑流量小于梨樹鎮(zhèn)站的最小生態(tài)徑流。

(2)實(shí)測(cè)來水條件下，各月多年平均徑流量均大于梨樹鎮(zhèn)站的最小生態(tài)徑流；近10年次最小月徑流中，僅3月、8月徑流量小于梨樹鎮(zhèn)站的最小生態(tài)徑流。綜上，多年平均情況下，穆棱河最小生態(tài)徑流可以保證，且近10年實(shí)測(cè)來水條件下的河流生境條件較好，河流生態(tài)系統(tǒng)及水生生物基本處于適宜的流量環(huán)境中。

3.4.2 規(guī)劃工程影響分析

規(guī)劃的大型水利水電工程—奮斗水庫(kù)壩址位于穆棱河干流上游、穆棱鎮(zhèn)東南14.1 km處，壩址地理坐標(biāo)為E130°16′、N44°28′，壩址以上流域面積1 740 km2，是穆棱河干流上的第二座控制性工程；奮斗水庫(kù)總庫(kù)容1.91 億m3，正常蓄水位相應(yīng)庫(kù)容1.45 億m3，以城鎮(zhèn)供水為主要任務(wù)，結(jié)合防洪，兼顧灌溉和發(fā)電等；建成后，可為下游城鎮(zhèn)供水5 312 萬(wàn)m3、灌溉補(bǔ)償供水989 萬(wàn)m3，年發(fā)電1 287 萬(wàn)kWh，滿足下游“七鎮(zhèn)二局一區(qū)”的用水需求。

根據(jù)《黑龍江省穆棱市奮斗水庫(kù)工程可行性報(bào)告》[13]，考慮上游區(qū)間來水、生活取水、農(nóng)業(yè)取水及相應(yīng)退水等，奮斗水庫(kù)建成后，P=75%、P=95%來水年梨樹鎮(zhèn)站斷面月余水量變化，見圖6。由圖6可知：在P=75%來水年的8月、P=95%來水年的7-8月，梨樹鎮(zhèn)站最小生態(tài)徑流不能保證，但缺水量相對(duì)較少，其余時(shí)段的最小生態(tài)徑流均可滿足，尤其是枯水期的1-3月、10-12月；穆棱河流域未來年徑流量將不顯著減少，且非汛期來水比例降低，汛期來水比例增加，這將會(huì)在一定程度上增加流域水資源開發(fā)利用難度[5]；奮斗水庫(kù)壩址多年平均天然徑流量為2.63 億m3，占到梨樹鎮(zhèn)站多年平均天然徑流量的25.0%。結(jié)合流域規(guī)劃實(shí)施情況，未來可嘗試研究通過流域上游的團(tuán)結(jié)水庫(kù)、奮斗水庫(kù)的聯(lián)合調(diào)度以及在上游支流規(guī)劃新建大中型的調(diào)蓄工程，以保障梨樹鎮(zhèn)站及下游河流生態(tài)系統(tǒng)及水生生物在各來水年的各月份內(nèi)均能長(zhǎng)期處于較適宜的流量環(huán)境中。

圖6 奮斗水庫(kù)建庫(kù)后梨樹鎮(zhèn)站斷面余水量變化Fig.6 Remaining water in Lishuzhen hydrological station after the construction of the Fendou Reservoir

4 小 結(jié)

(1)依據(jù)多種計(jì)算方法，在考慮對(duì)含零值徑流序列處理的基礎(chǔ)上，計(jì)算了穆棱河中游主要控制性站點(diǎn)—梨樹鎮(zhèn)水文站測(cè)驗(yàn)斷面的最小生態(tài)徑流，Tennant法評(píng)價(jià)結(jié)果顯示，本次推薦的年內(nèi)展布計(jì)算法計(jì)算的最小生態(tài)徑流過程使河流在豐水期處于“中”、枯水期處于“好”流量狀態(tài)內(nèi)，對(duì)維持穆棱河河流生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定及水生生物生存更為有利；

(2)多年平均情況下，穆棱河最小生態(tài)徑流保證情況較樂觀，實(shí)測(cè)來水條件下的枯水期最小生態(tài)徑流滿足情況明顯好于天然的，近10年實(shí)測(cè)來水條件下的河流生境條件較好；不同典型年來水條件下，保證枯水期最小生態(tài)徑流有一定的壓力，且P=95%來水年，河流徑流長(zhǎng)期小于最小生態(tài)徑流，對(duì)河流生境及水生生物生存十分不利；

(3)考慮上游來水、用水及退水等，奮斗水庫(kù)建成后在P=75%來水年的8月、P=95%來水年的7-8月，梨樹鎮(zhèn)站最小生態(tài)徑流不能保證、但缺水量相對(duì)較少，其余時(shí)段的最小生態(tài)徑流均可滿足；未來年徑流量將不顯著減少，且非汛期來水比例降低，汛期來水比例增加，這將會(huì)在一定程度上增加流域水資源開發(fā)利用難度；未來可嘗試研究通過流域上游水庫(kù)聯(lián)合調(diào)度以及上游支流規(guī)劃新建大中型的調(diào)蓄工程，以保障流域河流生境的健康與穩(wěn)定。

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