北方寒區(qū)河流水利工程下游最小生態(tài)需水量確定方法研究

劉麗君，鄧國立

(1. 黑龍江省環(huán)境工程評估中心，哈爾濱150001;2. 黑龍江省水利水電勘測設(shè)計研究院，哈爾濱150080)

0 前 言

在20 世紀70年代和80年代，水資源開發(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90年代人類才逐漸認識到自然生態(tài)環(huán)境需水的重要性。生態(tài)需水量是21 世紀初期引入我國的新概念，由于該概念有許多含義相似或相互交叉的概念與定義，目前在國際上和在我國也沒有基本得到公認的定義和計算方法。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，冰封期河面全部凍結(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。現(xiàn)有的生態(tài)需水量計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)需水計算。

1 河道內(nèi)生態(tài)需水量計算方法

1.1 Tennant 法

Tennant 法是根據(jù)水文資料和年平均徑流量百分數(shù)來描述河道內(nèi)流量狀態(tài)。該方法認為:多年平均流量的10%是保持大多數(shù)水生生物短時間生存所推薦的最低短時流量;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測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，可滿足下游需水要求，保證河道不斷流。在水利項目中，常采用90%保證率最枯月平均流量法計算。可根據(jù)已有水文系列最枯月平均流量觀測結(jié)果，按保證率計算求得。

局限性:適合于干旱、半干旱區(qū)域，生態(tài)環(huán)境目標復(fù)雜河流，對北方缺水地區(qū)生態(tài)環(huán)境目標相對單一地區(qū)，計算結(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，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)定且隨時間變化的河道，沒有穩(wěn)定的濕周流量關(guān)系曲線，也沒有固定的增長變化點。

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來評估河流棲息地的保護水平，從而確定河流目標流量。

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)計方法。建立初始生物數(shù)據(jù)與環(huán)境條件的關(guān)系，來判斷生物對河流流量的需求，以及流量變化對生物物種的影響。

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

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)專家意見綜合研究流量、泥沙運輸、河床形狀與河岸帶群落之間的關(guān)系。

局限性:需要多專業(yè)的專家隊伍，資源消耗大，需要時間長。

2 改進的Tennant 法

北方寒區(qū)河流生態(tài)需水主要為水生生物( 魚類) 需水，4—6月為魚類的主要產(chǎn)卵期，生態(tài)需水量相對較大，12 至翌年3月為冰封期，生態(tài)需水量相對較小，生態(tài)需水的季節(jié)性差異較大。并且冰封期降水補給很少，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%。

通過對已有生態(tài)需水量計算方法介紹，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，本文對Tennant 法進行適當?shù)母倪M，Tennant 法生態(tài)需水計算僅劃分為10月—翌年3月和4—9月兩個時段，兩個時段的生態(tài)需水計算全部以多年平均流量的百分比來確定。

具體的改進方法為: 根據(jù)北方寒區(qū)河流生態(tài)需水的特點，將計算時段劃分為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，來水量很少，生態(tài)需水也相對較小，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月為北方冷水性魚類的產(chǎn)卵前，考慮到魚類產(chǎn)卵對流量和流速的需求，將多年平均流量的30%作為該時段的最小生態(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 計算實例

林海水庫位于牡丹江一級支流海浪河中上游，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)水電站裝機容量60 MW，保證出力8.41 MW，電站以調(diào)峰為主。水庫建成后，通過調(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。

林海水庫工程實施后，將會顯著改變下游的水文情勢，并對水庫壩址下游的生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生影響。海浪河內(nèi)棲息有國家保護魚類黑龍江茴魚和細鱗魚，河流兩岸植被發(fā)育良好，輸沙量較少。因此，水庫下游河段的水土保持、河道沖沙需水和植被生長等多不是主要問題，生態(tài)需水計算時主要需要考慮的是下游河段的水生生物保護。

12月—翌年3月為冰封期，生態(tài)需水較小，維持天然來水現(xiàn)狀;黑龍江茴魚產(chǎn)卵期在4月中旬—5月初，細鱗魚產(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 林海水庫壩址斷面最小生態(tài)需水量計算成果表 m3/s

4 結(jié) 語

本文結(jié)合北方寒區(qū)河流生態(tài)需水的特點對Tennant 法進行了改進，彌補了其不適合流量季節(jié)性變化大的河流，并將改進后的Tennant 法應(yīng)用于牡丹江市林海水庫最小生態(tài)流量的計算中。改進后應(yīng)用的計算結(jié)果表明，改進后求得的最小生態(tài)需水量更好地體現(xiàn)了研究河段流量豐枯的季節(jié)性。改進后的Tennant 法能適應(yīng)季節(jié)性強的北方寒區(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間的差異，因此，本次研究僅僅是為北方寒區(qū)河流最小生態(tài)需水確定提供了一種新思路。在進行具體河流最小生態(tài)需水量計算時，尚應(yīng)結(jié)合河流的生態(tài)需水特點進行時段的劃分和流量百分比的確定。

［1］粟曉玲，康紹忠. 生態(tài)需水的概念及其計算方法［J］. 水科學(xué)進展，2003，14(6) :740－744.

［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述［J］. 水科學(xué)進展，2006，17(3) :430－434.

［3］黃強，李群，張澤中等. 計算黃河干流生態(tài)環(huán)境需水Tennant 法的改進及應(yīng)用［J］. 水動力學(xué)研究與進展: A 輯，2007，22( 6) :774－781.