吉林省伊通河生態(tài)需水量計算及分析

李忠平

(吉林大學 a.地下水資源與環(huán)境教育部重點實驗室;b.水資源與環(huán)境研究所，長春 130021)

目前全球關于生態(tài)需水量的計算方法有200多種，然而由于生態(tài)系統(tǒng)的復雜性和人類對生態(tài)系統(tǒng)認識的局限性，現(xiàn)在還沒有一種計算方法能夠適用于所有的計算［1］。生態(tài)需水的計算方法研究歸納起來主要涵蓋2個方面:一方面，河流生態(tài)需水，即河道內生態(tài)需水，主要計算方法有水文學法、水力學法、生物棲息地法和整體分析法;另一方面，陸地生態(tài)需水，即河道外生態(tài)需水，主要計算方法有面積定額法、改進后的彭曼公式法、基于遙感的生態(tài)需水量計算方法和潛水蒸發(fā)法［2］。

本文通過對伊通河上2個河道站(農安站和伊通站)斷面河道生態(tài)需水量進行計算，提出河流生態(tài)需水量的科學數(shù)據(jù)，為伊通河水資源的優(yōu)化配置和水環(huán)境改善提供技術支持，并以此提出符合實際情況的控制措施，在今后的河流開發(fā)利用中最大限度滿足河流自身生態(tài)需水量需要。其中伊通站位于伊通河發(fā)源地即伊通縣，農安站位于伊通河與飲馬河交匯處附近，2站地理位置對于研究伊通河最小生態(tài)需水量具有典型的意義。

1 研究區(qū)域

伊通河發(fā)源于吉林省伊通縣境內哈達嶺山脈青頂山子嶺北側，由南向北貫穿于市區(qū)東部，流經伊通縣、長春市、德惠市、農安縣，是松花江二級支流，飲馬河左岸最大支流。伊通河全長342.50 km，流域面積約為8 713 km2，流域平均寬度22.7 km，河道坡度0.000 3，河床寬度15～30 m，多年平均流量為6.25 m3/s，最大流量 256 m3/s，最小流量為0，平水期最大水深2.5 m，最小水深＜1 m［3］。流域內控制性水利工程為新立城水庫，水庫以上流域面積1 970 km2［4］。伊通河為季節(jié)性河流，豐水年、枯水年流量相差懸殊，流域內地勢低平、土壤肥沃。

伊通河是長春境內唯一的納污河流，也是當?shù)鼐用耧嬘盟?、工業(yè)用水、灌溉用水主要取水來源。伊通河原本河水清澈，大量野生魚類生存其中。隨著工業(yè)的發(fā)展，越來越多的生活污水、工業(yè)廢水、農業(yè)污水排入伊通河，使伊通河水質逐漸變差，并開始惡化。人類為了滿足日益增加的水量需求，不斷在伊通河上建水庫及大壩，導致伊通河河道內流量出現(xiàn)不能滿足河流自凈能力和生態(tài)需水的情況。為了保護伊通河和恢復伊通河水質，對伊通河生態(tài)需水量進行研究勢在必行。同時，對伊通河河道生態(tài)需水量進行研究，也是伊通河流域水資源合理利用和有效進行流域水污染控制管理的重要環(huán)節(jié)之一。

伊通站位于伊通河的發(fā)源地伊通滿族自治縣，農安站位于伊通河中下游農安縣。伊通站接近伊通河源頭，流量受兩岸居民生產生活用水影響較小，實際流量分配接近于天然。而農安站實際流量分配過程與天然流量分配過程不符，故應用相同方法計算2站生態(tài)需水量，效果會有所差異。

2 研究方法

本文采用流量歷時曲線法，采用農安、伊通2個河道站的實測流量數(shù)據(jù)，包括農安站和伊通站1969—2000年共32 a的逐日平均流量數(shù)據(jù)，對伊通河最小生態(tài)需水量進行年內分配計算。首先分別繪制2河道斷面的總流量歷時曲線、同期流量歷時曲線和月流量歷時曲線，并計算其最小生態(tài)需水量。然后采用Tennant法和最小月流量平均法對伊通河河道內生態(tài)需水量進行估算。最后，基于伊通河的實際情況，對計算結果進行一定的分析和總結。

2.1 流量歷時曲線法

流量歷時曲線法以歷史流量資料為數(shù)據(jù)源，構建各月流量歷時曲線，將某個累積頻率相對應的流量Qp作為生態(tài)流量［5］。Qp的頻率 P可取90%或95%，也可根據(jù)實際需要做適當調整。通常采用Q90作為枯水流量指數(shù);采用Q95作為低流量指數(shù)即極端低流量條件指標。

該法首先對歷史流量系列從大到小進行排序，如:

式中:q1為該序列中的最大流量值(m3/s);qN為該序列中的最小流量值(m3/s);N為樣本個數(shù)。

然后按式(2)計算累積頻率，并繪制流量歷時曲線。最后根據(jù)流量歷時曲線，將某個累積頻率相對應的流量作為計算生態(tài)需水量的參考流量［6］。

式中:Pi為第i個樣本的累計頻率;N為樣本個數(shù)。

2.2 Tennant法

Tennant法將年均流量的10%作為河流生態(tài)環(huán)境得以維持的最小流量，并以預先確定的年平均流量百分比將河流生態(tài)環(huán)境劃分為不同的等級［7］。Tennant法將全年分為2個計算時段(一般用水期，即10月至翌年3月;魚類產卵育幼期，即4月至9月)［8］。在實際應用中，需要結合河流的地理位置、氣候條件及生態(tài)保護目標對Tennant法劃分的時段在本地區(qū)的適用性進行檢驗與調整［9］。一般魚類產卵適宜溫度為17℃以上，而長春為大陸性半濕潤季風氣候，最低氣溫出現(xiàn)在1月，1月平均氣溫為－28.5℃;最高氣溫出現(xiàn)在 7月，平均氣溫為24.3℃。據(jù)此將Tennant法的一般用水期修正為9月至翌年5月，魚類產卵育幼期修正為6月至8月。修正后的Tennant法中不同流量百分比對應的河道內生態(tài)環(huán)境狀況如表1所示。

表1 Tennant法中不同流量百分比對應的河道內生態(tài)環(huán)境狀況Table 1 Eco-environment situations according to different percentages of flow when using Tennant method

根據(jù)Tennant法，維持河道一定功能需水量計算公式如下:

式中:WR為多年平均條件下維持河道一定功能的需水量(m3);Mi為第i月天數(shù)(d);Qi為第i月的多年平均流量(m3/s);Ki為第i月生態(tài)環(huán)境需水百分比。

2.3 最小月流量平均法

最小月流量法又稱河流基本生態(tài)環(huán)境需水量計算法［10］，是以河流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)環(huán)境需水量，該方法屬于統(tǒng)計方法，具體計算公式為

式中:WEb為河流基本生態(tài)流量(m3);Qimin為第i年實測最小月平均流量(m3/s);T為換算系數(shù)，其值為31.54×106;n為統(tǒng)計年數(shù)。

3 結果與討論

3.1 總流量歷時曲線

本文流量歷時曲線法均采用保證率95%所對應的流量Q95作為計算最小生態(tài)需水量的參考流量。農安站、伊通站總流量歷時曲線見圖1。2站多年平均最小生態(tài)需水量計算結果見表2。其中Qov為河道平均流量，Qwd為最小生態(tài)需水量。

圖1 農安、伊通站總流量歷時曲線Fig.1 Total flow duration curves of Nong’an station and Yitong station

表2 多年平均最小生態(tài)需水量Table 2 Calculated result of average minimum ecological water demand over years

雖然農安站和伊通站均位于伊通河上，但2者生態(tài)需水量相差很大，這是因為伊通河發(fā)源于伊通縣境內，從伊通縣到營城子區(qū)間，河流穿行于山谷間;經過營城子后，伊通河開始接納干溝子河、雙廟子河等支流，河道進入平原地帶，河谷寬闊，流量漸增。伊通河流至農安段，已接納眾多支流，即將匯入飲馬河，河道內流量必定多于伊通段，生態(tài)需水量亦必多于伊通段。

3.2 同期流量歷時曲線

同期流量歷時曲線按分類方法的不同可以分為2類:按水量多少分為豐水期(7—9月)和枯水期(10—次年6月);按自然季節(jié)分為春(3—5月)、夏(6—8月)、秋(9—11月)、冬(12—次年2月)4個時期。以下分別按這2種分類方式，對農安站和伊通站的生態(tài)需水量進行分配計算。計算結果分別見表3、表 4。

表3 豐水期、枯水期流量歷時曲線計算成果Table 3 Calculation result of ecological water demand distribution in high flow and low flow periods

表4 季節(jié)流量歷時曲線Table 4 Calculation result of ecological water demand distribution in four seasons

3.3 月流量歷時曲線

對某一自然月，將所有計算期內該月的所有逐日平均流量數(shù)據(jù)作為數(shù)據(jù)來源，得到該月的流量歷時曲線。具體計算結果見表5。

表5 月流量歷時曲線計算成果Table 5 Calculation results of monthly flow duration curve

伊通站各月多年平均流量和多年平均生態(tài)需水量月分配過程見圖2。

圖2 伊通站各月多年平均流量及多年平均生態(tài)需水量月分配過程Fig.2 Monthly average flow and monthly distribution process of average ecological water demand overyears at Yitong station

從表3至表5可看出，伊通河農安段生態(tài)需水量年內分配過程與實際水量分配有較大偏差，這與農安站上游新立城、兩家子等眾多水庫對河流流量的調節(jié)作用有關。在7—8月份多水期儲存水量到少水期使用，導致多水期流量變小，少水期流量變大。在計算過程中未對實測數(shù)據(jù)進行還原計算，造成該誤差的產生。

作為接近伊通河源頭的伊通站，由于沒有水庫對流量的調節(jié)作用，生態(tài)需水量的年內分配過程較符合規(guī)律。如圖2所示，在6—9月份多水期生態(tài)需水量較大，在少水期則需水量較小。表3至表5中計算結果也體現(xiàn)了這一點:在豐水期有較大的需水量，在枯水期有較小的需水量;夏季需水量量大，冬季需水量相對較小。

3.4 Tennant法

運用式(3)進行計算，需水百分比Qi均取10%。具體計算結果見表6。

表6 Tennant法估算結果Table 6 Ecological water demand estimated by Tennant Method

按照年徑流量的10%計算伊通河最小生態(tài)需水量，計算結果是生態(tài)系統(tǒng)需水臨界值，實際生態(tài)需水量是閾值。若實際生態(tài)需水低于該臨界值，則表示應采取適當措施對該生態(tài)系統(tǒng)進行保護。

從表6可看出伊通河7—9月份生態(tài)需水量相比其他月份要大。

3.5 最小月流量平均法

運用式(4)進行計算。得到農安站 WEb=8 480.51 萬 m3，伊通站 WEb=126.07 萬 m3。

3.6 討 論

通過表7可知:在農安站，流量歷時曲線法計算最小生態(tài)需水量結果是Tennant法計算結果的1.55倍，是最小月流量平均法計算結果的0.55倍:在伊通站，流量歷時曲線法計算最小生態(tài)需水量的結果是Tennant法計算結果的0.49倍，是最小月流量平均法計算結果的2.41倍。

表7 河道內生態(tài)需水量計算結果Table 7 Calculated results of ecological water demand by different methods

最小月流量平均法計算結果與流量歷史曲線法和Tennant法均有較大差距。分析其主要原因:最小月流量平均法計算要求數(shù)據(jù)即是本文實例計算中采用的實測數(shù)據(jù)，而流量歷時曲線法與Tennant法在進行計算時所要求的流量數(shù)據(jù)均為天然流量數(shù)據(jù)。此2種方法在計算時需要對實測數(shù)據(jù)進行還原，方可進行相應計算。但在計算實例中，由于缺乏必要數(shù)據(jù)，還原計算難度較大，故采用未經還原的數(shù)據(jù)進行計算導致結果與最小月流量平均法差距較大。

從表8可看出，伊通河農安段生態(tài)需水量占該段年徑流量的百分比介于10%與20%之間，伊通段生態(tài)需水量占該段年徑流量的百分比則介于5%與10%之間。依照表1中關于不同流量百分比對應的河道內生態(tài)環(huán)境狀況的描述，比較分析可知:農安段生態(tài)需水量可以有限地保護水生生物棲息地;而伊通段水生生物棲息地已經退化或貧瘠，需要采取措施對其進行保護治理。

表8 流量歷時曲線法與Tennant法比較Table 8 Comparison of eco-water demands estimated by flow duration curve method and Tennant method

通過本文計算可以看出，使用實測數(shù)據(jù)運用流量歷時曲線法對生態(tài)需水量進行分配計算與實際水量分配過程不符，但仍然對水資源規(guī)劃有參考價值。最小月流量平均法計算結果會由于選用資料年中存在特大干旱年而過于極端，適用于精度要求不高的計算，故本文不考慮其計算結果。Tennant法為分析計算結果的標尺，一般應用該方法對研究地區(qū)水資源狀況進行評價分析。

4 結論

本文分別以農安站和伊通站為例，采用流量歷時曲線法對伊通河河道內最小生態(tài)需水量進行分配計算，并按照流量的歷史歷時情況將最小生態(tài)需水量從年尺度降到月尺度進行分配，便于在水資源配置管理中進行參考和應用。

通過對伊通河生態(tài)需水量的分析計算，得到以下結論:

(1)2個站最小生態(tài)需水量分別為4 693.66萬m3和303.52萬 m3，分別占其年實測徑流量的15.46%和 4.80%。

(2)在天然情況下，生態(tài)需水量的年內分配過程符合于實際水量分配過程，即多水時需水量多，少水時需水量少。

(3)在分配計算過程中，使用未經還原的實測數(shù)據(jù)，農安站的生態(tài)需水量分配過程與實際水量分配過程相差較大。

(4)近幾年來，生態(tài)需水量的計算方法開始在我國得到應用，今后隨著生態(tài)環(huán)境的日益惡化，人們會越來越注意到生態(tài)需水的重要性，生態(tài)需水量相關的研究計算會逐漸得到更加廣泛的發(fā)展與關注。

［1］楊 沛，毛小苓，李天宏.快速城市化地區(qū)生態(tài)需水與土地利用結構研究［J］.北京大學學報(自然科學版)網絡版，2009，13(4):39－47.(YANG Pei，MAOXiaoling，LI Tian-hong.Relationship between Urban Ecological Water Demand and Land Use Structure in Rapid Urbanization Area［J］.Acta Scientiarum Naturalium Universitatis Pekinensis(Online First)，2009，13(4):39－47.(in Chinese))

［2］郝少英.生態(tài)需水理論與方法研究及發(fā)展前景分析［J］.山西水利，2010，(10):55－56.(HAOShao-ying.Theory and Method of Ecological Water Demand and Its Development Prospects［J］.Shanxi Water Resources，2010，(10):55－56.(in Chinese))

［3］王洪鑫.伊通河地表水環(huán)境質量評價［J］.吉林水利，2005，24(7):13－15.(WANG Hong-xin. Surface Water Environmental Quality Assessment of Yitong River［J］.Jilin Water Resources，2005，24(7):13－ 15.(in Chinese))

［4］王 麗，宋 暉.關于長春市伊通河城市生態(tài)河道建設的幾點建議［J］.吉林水利，2010，29(12):57－59.(WANG Li，SONG Hui.Several Suggestions for the Construction of Ecological Watercourse of Yitong River in Changchun City［J］. Jilin Water Resources，2010，29(12):57－59.(in Chinese))

［5］門寶輝，林春坤，李智飛，等.永定河官廳山峽河道內最小生態(tài)需水量的歷時曲線法［J］.南水北調與水利科技，2012，10(2):52－57.(MEN Bao-hui，LIN Chunkun，LI Zhi-fei，et al.Application of Flow Duration Curve Method in Calculating Instream Minimum Ecological Water Demand in Guanting Gorge of Yongding River［J］. South-to-North Water Diversion and Water Science ＆ Technology，2012，10(2):52－ 57.(in Chinese))

［6］HUGHESD A，HANNART P.A Desktop Model Used to Provide an Initial Estimate of the Ecological Instream Flow Requirements of Rivers in South Africa［J］.Journal of Hydrology，2003，270(3):12－16.

［7］ARTHINGTON A H，ZALUCKIJM.Comparative Evaluation of Environmental Flow Assessment Techniques:Review of Methods［R］.Australia:Land and Water Resources Research and Development Corporation，1998.

［8］高玉鼎，趙艷麗.北方山區(qū)生態(tài)需水量淺析［J］.水利科技與經濟，2012，18(4):61－ 63.(GAO Yu-ding，ZHAO Yan-li.Analysis of Ecological Water Demand in Mountainous Area of North China［J］.Water Conservancy Science and Technology and Economy，2012，18(4):61－63.(in Chinese))

［9］徐志俠，董增川，周健康，等.生態(tài)需水計算的蒙大拿法及其應用［J］.水利水電技術，2003，34(11):15－17.(XU Zhi-xia，DONG Zeng-chuan，ZHOU Jian-kang，et al.The Montana Method for Ecological Water Requirements and Its Application［J］.Water Resources and Hydropower Engineering，2003，34(11):15－ 17.(in Chinese))

［10］孫甲嵐，雷曉輝，蔣云鐘，等.河流生態(tài)需水量研究綜述［J］.南水北調與水利科技，2012，1(10):112－115.(SUN Jia-lan，LEI Xiao-hui，JIANG Yun-zhong，et al.Review of Research on River Ecological Water Demand［J］.South-to-North Water Diversion and Water Science ＆ Technology，2012，1(10):112－ 115.(in Chinese ))