楊琳琳，劉 瑩，劉 巖

(1.黑龍江大學(xué) 水利電力學(xué)院，哈爾濱 150080；2.黑龍江水利科學(xué)研究院，哈爾濱 150080)

0 前 言

河湖生態(tài)流量(水量)是維系江河湖泊生態(tài)系統(tǒng)的基本要素，是水資源合理開發(fā)利用與河湖水生態(tài)保護修復(fù)的重要依據(jù)。為落實國家有關(guān)河湖生態(tài)流量保障的要求，各地應(yīng)開展河湖生態(tài)流量確定工作，強化重要河湖生態(tài)流量監(jiān)控和管理。[1]黃泥河是穆棱河一級支流，水系發(fā)育尚好。但其所在區(qū)域水資源的時空分布很不平衡，水資源量分配不均，供需矛盾大，水環(huán)境日益惡化，改善水環(huán)境勢在必行。因此以黃泥河為例，開展生態(tài)流量確定工作，確定黃泥河的生態(tài)流量目標，制定生態(tài)流量管理和保障體系是十分必要的[2]。

1 研究區(qū)概況

1.1 流域概況

黃泥河為穆棱河中游右岸一級支流，發(fā)源于雞東縣西南部禿老婆嶺，黃泥河全長93km，流域面積 1848km2，平陽水庫和八塄山水庫處于黃泥河的上游，黃泥河水系發(fā)育尚好，有多條支流，河道彎曲狹小，洪水漫灘不寬，河道坡降一般的 1/400-1/500，上游陡、下游緩，主河道蜿蜒曲折。主要支流有洞子溝、關(guān)門溝、永勝溝、張新溝和水曲柳河、大石頭河等河流。黃泥河上游為山區(qū)，有茂密的森林覆蓋，河道兩岸高山夾峙，水流湍急，河床以基巖為主，具有山區(qū)河流特征，考慮到兩岸植被茂密，抗沖刷能力較強，今后河勢仍將保持基本穩(wěn)定；下游河谷具有坡降平緩、河道彎曲、流速均勻、含沙量小等特點，主河槽一般呈U型復(fù)式河床，灘面植被茂盛，崗地、串溝發(fā)育，植被較好。

1.2 水文氣象

該區(qū)地處中緯度亞洲大陸東岸，位于三江平原的西南部，具有明顯的大陸性氣候特征。每年9-11月上旬開始封凍，次年3月開始解凍，到5月下旬全部解凍。全年主導(dǎo)風向為西到西北風，最大風速20m/s。年平均降水量509.4mm，日最大降水量97.3mm，年蒸發(fā)量208.1-1165.5mm。雞東縣多年平均降水量在500-550mm之間，總的分布趨勢是山區(qū)大，平原小，面上分布不均勻[3]。

2 研究方法

2.1 Qp法

Qp 法，又稱不同頻率最枯月平均值法，以節(jié)點長系列(n≥30年)天然月平均流量、月平均水位、或徑流量(Q)為基礎(chǔ)，用每年的最枯月排頻[4]，選擇不同頻率下的最枯月平均流量、月平均水位或徑流量作為節(jié)點基本生態(tài)環(huán)境需水量的最小值。頻率P根據(jù)河湖水資源開發(fā)利用程度、規(guī)模、來水情況等實際情況確定，取90%。由于布爾哈通河汛期和非汛期流量差異較大，從而分別對汛期、非汛期和冰凍期進行Qp法分析。

2.2 Tennant法

依據(jù)觀測資料建立的流量和河流生態(tài)環(huán)境狀況之間的經(jīng)驗關(guān)系，用歷史流量資料就可以確定年內(nèi)不同時段的生態(tài)環(huán)境需水量，使用簡單、方便。不同河道內(nèi)生態(tài)環(huán)境狀況對應(yīng)的流量百分比見表1。

表1 不同河道內(nèi)生態(tài)環(huán)境狀況對應(yīng)的流量百分比

該方法作為經(jīng)驗公式，主要適用于北溫帶較大的、常年性河流，作為河流規(guī)劃目標管理、戰(zhàn)略性管理方法。使用時，較枯與較豐時段的劃分一般可以按照汛期、非汛期和冰凍期劃分。

基本生態(tài)環(huán)境需水量取值范圍應(yīng)符合下列要求：水資源短缺、用水緊張地區(qū)河流，可在表 2-1“好”的分級之下，根據(jù)節(jié)點徑流特征和生態(tài)環(huán)境狀況，選擇合適的生態(tài)環(huán)境流量百分比值。水資源較豐沛地區(qū)河流，宜在表 2-1“非常好”的分級之下取值。目標生態(tài)環(huán)境需水量取值范圍應(yīng)符合下列要求：水資源短缺、用水緊張地區(qū)河流，可在表2-1“非常好”和“極好”的分級范圍內(nèi)，根據(jù)水資源特點和開發(fā)利用現(xiàn)狀，合理取值。水資源較豐沛地區(qū)河流，宜在表1“非常好”和“極好”的分級之上取值。

2.3 頻率曲線法

頻率曲線法在計算生態(tài)徑流量時，首先將河道多年平均徑流量數(shù)據(jù)按照月份分成12個系列，對每個系列的平均徑流量數(shù)據(jù)按從大到小進行排序，按大小順序排位的第 i 項月平均徑流量的頻率為:

(1)

式中：Pij為j月第 i 項月平均徑流量的頻率( j = 1，2，…，12) ，%;i為月平均徑流量的序位;n為統(tǒng)計年數(shù)。

用長系列水文資料的月平均流量、月平均水位或徑流量的歷史資料構(gòu)建各月水文頻率曲線，將95%頻率相應(yīng)的月平均流量、月平均水位或徑流量作為對應(yīng)月份的節(jié)點基本生態(tài)環(huán)境需水量，組成年內(nèi)不同時段值，用汛期、非汛期各月的平均值復(fù)核汛期、非汛期的基本生態(tài)環(huán)境需水量。該方法一般需要30年以上的水文系列數(shù)據(jù)。

3 天然徑流序列分析

收集流域上水文資料，并還原成天然徑流系列，使資料成果能基本上反映天然情況，使資料系列具有一致性，以便采用數(shù)理統(tǒng)計方法進行分析計算。由于未收集到黃泥河上相關(guān)測站的水文序列資料，分析計算過程中，通過穆棱河梨樹鎮(zhèn)站的水文序列資料，利用面積比法，來進行黃泥河的水文分析。

與實測徑流系列同步，根據(jù)實測徑流考慮各業(yè)耗損水量及水庫蓄變量還原得出次分析計算采用的天然序列資料為1956-2016年梨樹鎮(zhèn)站(集水面積6443km2)的月平均天然徑流量資料，來源于第三次水資源評價工作成果。天然徑流系列均，天然徑流量還原計算公式如下[10]：

W天然=W實測+W農(nóng)灌+W工業(yè)+
W城鎮(zhèn)生活±W引水±W分洪土W庫蓄

(2)

式中：W天然為還原后的天然徑流量；W實測為水文站實測徑流量；W農(nóng)灌為農(nóng)業(yè)灌耗損量；W工業(yè)為工業(yè)用水耗損量；W城鎮(zhèn)生活為城鎮(zhèn)生活用水耗損量；W引水為跨流域(或跨區(qū)間)引水量，引出為正，引入為負；W分洪為河道分洪決口水量，分出為正，分入為負；W庫蓄為大中型水庫蓄水變量，增加為正，減少為負。

各業(yè)耗損水量根據(jù)調(diào)查及水資源公報等方式確定；水庫蓄變量根據(jù)水庫運行資料計算得出；引水及分洪水量根據(jù)觀測資料計算。

4 結(jié)果與分析

4.1 Qp法計算結(jié)果

以梨樹鎮(zhèn)站(集水面積6443km2)1956-2016年的天然月平均徑流量為基礎(chǔ)，通過面積比法推算出新城村站(集水面積638km2)的月平均徑流量，分別選取每年汛期(6-9月)、非汛期(4-5月，10-11月)和冰凍期(1-3月，12月)的最枯月徑流量進行排頻，將90%頻率下的徑流量作為基本生態(tài)環(huán)境水量。新城村站月平均徑流量計算成果見圖1-3,表2-5。

圖1 新城村站冰凍期最枯月徑流量頻率曲線圖

表2 新城村站冰凍期最枯月徑流量頻率計算結(jié)果表 萬 m3

圖2 新城村站非汛期最枯月徑流量頻率曲線圖

表3 新城村站 非汛期最枯月徑流量頻率計算結(jié)果表 萬 m3

圖3 新城村站汛期最枯月徑流量頻率曲線圖

表4 新城村站汛期最枯月徑流量頻率計算結(jié)果表 萬 m3

綜上所述，通過Qp法計算分析，新城村站的生態(tài)需水量計算結(jié)果見表4。新城村站全年基本生態(tài)需水量為1014.63萬m3，其中其中冰凍期生態(tài)需水量為4.96 萬m3，生態(tài)基流量0.005m3/s；非汛期生態(tài)需水量為77.71 萬m3，生態(tài)基流量0.30m3/s；汛期生態(tài)需水量為170.57 萬m3，生態(tài)基流量0.66m3/s。

表4 黃泥河基本生態(tài)環(huán)境需水量Qp法計算結(jié)果表

4.2 Tennant法計算結(jié)果

根據(jù)2017年的水資源開發(fā)利用程度分析，該流域的水資源開發(fā)利用程度較高，利用潛力一般，從而生態(tài)需水量的分配比列宜在表4-1“好”的分級之下取值。綜合類似流域的相關(guān)經(jīng)驗和咨詢相關(guān)專家的意見，本次分析計算過程中，冰凍期和非汛期按20%，汛期按30%取值，計算結(jié)果見表5。黃泥河新城村斷面全年生態(tài)需水量為1785.78萬m3其中冰凍期生態(tài)需水量36.43萬m3,生態(tài)基流量0.03m3/s；非汛期生態(tài)需水量665.43萬m3，生態(tài)基流量 0.63m3/s；汛期生態(tài)需水量1083.92 萬m3，生態(tài)基流量1.03m3/s。

該方法以新城村站的月平均天然徑流序列資料為基礎(chǔ)，進行排頻計算，將 95%頻率相應(yīng)的月徑流量最為生態(tài)需水量。計算結(jié)果見表4-6。新城村斷面全年生態(tài)需水量為2552.66萬m3，其中冰凍期生態(tài)需水量為25.58萬m3，生態(tài)基流量0.02m3/s；非汛期生態(tài)需水量為1040.23萬m3，生態(tài)基流量0.98m3/s；汛期生態(tài)需水量為1486.85萬m3生態(tài)基流量1.41m3/s。

表5 黃泥河基本生態(tài)需水量Tennant法計算結(jié)果表 萬m3 、m 3 /s

4.3 頻率曲線法計算結(jié)果

表6 黃泥河基本生態(tài)環(huán)境需水量頻率曲線法計算結(jié)果表 萬 m 3 、m 3 /s

4.4 計算結(jié)果

通過Qp法、Tennant 法、頻率曲線法分析計算，新城村斷面的生態(tài)環(huán)境需水量成果見表7。

表7 生態(tài)環(huán)境需水量成果表 萬 m3、m 3 /s

5 結(jié)論及建議

1)經(jīng)過上述分析計算，冰凍期的生態(tài)基流量極小，不易監(jiān)測監(jiān)管，為此，冰凍期不規(guī)定生態(tài)基流量。非汛期、汛期：Tennant法所得結(jié)果作為中間值，更能很好地反映出黃泥河年內(nèi)生態(tài)徑流變化過程，與其他水文學(xué)方法相比是最適合黃泥河實際情況的生態(tài)徑流計算方法。

2)計算得到全年生態(tài)需水量為1749.77萬m3，其中非汛期生態(tài)流量目標為0.63m3/s；汛期生態(tài)流量目標為1.03m3/s。

3)文章使用的生態(tài)流量計算方法均屬于水文學(xué)方法，未來還需用水力學(xué)法、棲息地法等多種研究方法深入研究。