飲馬河生態(tài)環(huán)境需水量分析與補(bǔ)水方案初探

張銳

（吉林省水文水資源局長春分局，吉林長春 130022）

1 流域概況

飲馬河（不含伊通河，以下同）屬第二松花江水系，是松花江一級支流，發(fā)源于磐石市，干流流經(jīng)吉林省磐石市、永吉市、雙陽區(qū)、九臺區(qū)、德惠市，至農(nóng)安縣的紅石壘屯注入第二松花江。飲馬河在石頭口門水庫以上先后有驛馬河、雙陽河、岔路河匯入，在石頭口門水庫下游，有霧開河注入，最終在農(nóng)安縣靠山鎮(zhèn)與伊通河匯合流入第二松花江。

飲馬河流域位于東北黑土地中心地帶，面積為7 608 km2。流域內(nèi)東部為山地和松遼平原過渡帶，南部為低山丘陵，西北部為松遼平原，中部為平原，地勢總體呈現(xiàn)東南高西北低。流域內(nèi)有3/5為平原，有約2/5為山丘。是吉林省農(nóng)作物主產(chǎn)區(qū)，是東北老工業(yè)基地和國家主要的糧食基地，人口密度高，技術(shù)先進(jìn)，工業(yè)體系發(fā)達(dá)，對吉林省的經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展起著重要的作用。

2 流域開發(fā)利用情況及存在的問題

以2016年為現(xiàn)狀年進(jìn)行分析研究，飲馬河流域總用水量62 785×104m3，其中，生活用水3 915×104m3，占總用水的6.23%；生產(chǎn)用水58 695×104m3，占總用水的93.5%；生態(tài)環(huán)境用水175×104m3，占總用水的0.27%。

生活用水中，城鎮(zhèn)生活用水1 310×104m3，農(nóng)村生活用水2 605×104m3。

生產(chǎn)用水中，按產(chǎn)業(yè)統(tǒng)計，第一產(chǎn)業(yè)用水48 525×104m3，第二產(chǎn)業(yè)用水8 856×104m3，第三產(chǎn)業(yè)用水1 286×104m3。

生態(tài)環(huán)境用水指人為措施調(diào)配的城鎮(zhèn)環(huán)境用水（含河湖補(bǔ)水、綠化、清潔）。

根據(jù)2016年供用水量統(tǒng)計分析，飲馬河流域地表水開發(fā)率為71.6%，地下水開采率為62.6%，表明該地區(qū)已無進(jìn)一步開發(fā)利用的潛能，流域水資源短缺已經(jīng)成為社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展的瓶頸。同時，隨著飲馬河流域的經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，特別是城市的快速發(fā)展和人口的急劇膨脹，城市用水量持續(xù)增加，使得城市生活污水和工業(yè)廢水排放量不斷增加，農(nóng)業(yè)面源污染也不斷加大，水污染問題日趨嚴(yán)峻，水功能區(qū)長期處于不達(dá)標(biāo)狀況。由于中部城市供水工程尚未建成，石頭口門水庫承擔(dān)著為長春市供水的主要任務(wù)，飲馬河石頭口門水庫以下河段河道生態(tài)環(huán)境用水得不到保障，水質(zhì)處于Ⅴ類或劣Ⅴ類狀態(tài)，甚至經(jīng)常出現(xiàn)斷流現(xiàn)象。河道內(nèi)生態(tài)環(huán)境脆弱，水功能區(qū)納污能力降低，急需對河道進(jìn)行生態(tài)補(bǔ)水，改善河道生態(tài)環(huán)境質(zhì)量。

3 生態(tài)環(huán)境需水量確定

3.1 天然徑流還原計算

為使河川徑流計算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(jìn)行分析。因此，對飲馬河石頭口門水庫水文站以上受水利工程和工業(yè)、農(nóng)業(yè)、生活等用水影響而損耗或增加的水量進(jìn)行還原計算。

還原項目包括農(nóng)業(yè)灌溉、工業(yè)和城市生活用水的耗損量（含蒸發(fā)消耗和入滲損失）、跨流域引入或引出水量、河道分洪決口水量、水庫蓄水變量（指大中型水庫）等。

還原計算時段內(nèi)天然年徑流量的計算公式為：

式中：W天然——還原后的天然徑流量，m3；W實測——水文站實測徑流量,m3；W農(nóng)灌——農(nóng)業(yè)灌溉耗損量,m3；W工業(yè)—— 工 業(yè) 用 水 耗 損 量,m3；W城鎮(zhèn)生活——城鎮(zhèn)生活用水耗損量,m3；W引水——跨流域引水所增加或減少的水量（引出為正，引入為負(fù)）,m3；W分洪——河道分洪決口水量（分出為正，分入為負(fù)）,m3；W庫蓄——計算時段始末各水庫的蓄水變量（增加為正，減少為負(fù)）。

3.2 分析計算

3.2.1 Qp法

Qp法，又稱不同頻率最枯月平均值法，以節(jié)點(diǎn)長系列（n≥30年）天然月平均流量、月平均水位、徑流量（Q）為基礎(chǔ)，用每年的最枯月排頻，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(diǎn)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，易取90%或95%。

對于存在冰凍期或季節(jié)性河流，可將冰凍期和由于季節(jié)性造成的無水期排除在Qp法之外，只采用有天然徑流量的月份排頻得到。

將石頭口門水庫來水進(jìn)行還原計算，得到1956—2013年58年天然來水過程，用每年的最枯月排頻（封凍期12月至次年3月除外），經(jīng)頻率計算得到對應(yīng)90%的來水量為3.37 m3/s，全年暢流期生態(tài)環(huán)境需水量為7 104.50萬m3。

3.2.2 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。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(biāo)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和非汛期劃分。

根據(jù)飲馬河流域水資源開發(fā)利用狀況，參照不同河道內(nèi)生態(tài)環(huán)境狀況對應(yīng)的流量百分比的取值范圍，基本生態(tài)需水量計算枯水期取用百分比為15%，豐水期取用百分比為30%。目標(biāo)生態(tài)需水量計算枯水期取用百分比為35%，豐水期取用百分比為55%。

計算得出基本生態(tài)環(huán)境需水量為18 490萬m3，目標(biāo)需水量為35 034萬m3。

3.2.3 頻率曲線法

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(diǎn)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。

頻率易取95%，也可根據(jù)需要做適當(dāng)調(diào)整。該方法一般需要30年以上的水文系列數(shù)據(jù)。

采用石頭水庫58年各個月的天然來水過程進(jìn)行頻率計算，取保證率95%的流量作為生態(tài)環(huán)境流量值。計算結(jié)果為13 501.2萬m3。

3.2.4 計算結(jié)果匯總

各種方法計算結(jié)果匯總表，見表1。可以看出，Qp法計算生態(tài)環(huán)境需水量結(jié)果最小為3 942.3萬m3，Tennant法計算的目標(biāo)生態(tài)環(huán)境流量最大為35 034萬m3。Tennant法計算的基本生態(tài)環(huán)境需水量和頻率曲線法計算的生態(tài)環(huán)境需水量比較接近，分別為18 490萬 m3和13 501.2萬m3。Ten?nant法屬于經(jīng)驗公式，計算比較簡單，頻率曲線法采用了長系列的水文資料，計算結(jié)果更符合實際，因此，重點(diǎn)分析頻率曲線法的計算成果。

表1 各種方法計算結(jié)果匯總表 萬m3

3.3 成果合理性分析

3.3.1 生態(tài)環(huán)境需水量閾值分析

根據(jù)SL/Z712-2014《河湖生態(tài)環(huán)境需水計算規(guī)范》中，不同類型河流水系生態(tài)環(huán)境需水量參考閾值，見表2。

表2 飲馬河流域生態(tài)環(huán)境需水量與規(guī)范規(guī)定參考閾值對比表

飲馬河為北方河流，石頭口門水庫斷面以上流域面積4 944 km2。屬于中等河流，飲馬河地表水開發(fā)利用程度為中等開發(fā)利用河流。故飲馬河石頭口門水庫斷面基本生態(tài)環(huán)境需水量閾值應(yīng)為10%～20%，目標(biāo)生態(tài)環(huán)境需水量閾值為40%～50%。

此次用頻率曲線法計算的基本生態(tài)環(huán)境需水量比例（閾值）為18.8%，在所參考的閾值10%～20%之內(nèi)。用Tennant法計算的基本生態(tài)環(huán)境需水量比例（閾值）為25.7%，超出了參考閾值10%～20%的范圍?？梢姡妙l率曲線法計算的結(jié)果更加合理。

此次用Tennant法計算的目標(biāo)生態(tài)環(huán)境需水量比例（閾值）為48.8%，在目標(biāo)生態(tài)環(huán)境需水量閾值參考范圍40%～50%之內(nèi)，可以作為今后規(guī)劃目標(biāo)生態(tài)環(huán)境需水量的參考。

3.3.2 生態(tài)流量確定

經(jīng)過上述分析可知，此次用頻率曲線法計算的基本生態(tài)環(huán)境需水量比較符合實際，并將計算結(jié)果確定為飲馬河流域的生態(tài)環(huán)境流量。頻率曲線法分析了全年各個月份生態(tài)需水量。從水庫調(diào)度的實際情況考慮，冬季受冰凍影響，水庫閘門開啟和降落有一定困難，將封凍期的生態(tài)環(huán)境需水量合并到暢流期附近的月份之中，即將封凍期1，2，3月的生態(tài)環(huán)境需水量一并放到4月份暢流期考慮，將封凍期12月份的生態(tài)環(huán)境需水量合并到11份考慮。各種方法計算結(jié)果匯總，結(jié)果見表3。

表3 各種方法計算結(jié)果匯總表

由此可知，全年需要補(bǔ)充（下泄）生態(tài)環(huán)境需水量為13 497萬m3，其中枯水期的4，5，10，11月需要補(bǔ)充生態(tài)環(huán)境水量為4 297 m3，豐水期的6—9月需要下泄生態(tài)環(huán)境水量為9 204 m3。

3.4 生態(tài)流量滿足程度評價與原因分析

根據(jù)水庫實際放水過程分析生態(tài)流量實際滿足程度，對比1956—2010年水文系列的實測徑流量（水庫下泄水量，不含農(nóng)業(yè)灌溉水量）與生態(tài)基流需水量、全年需水量，評價生態(tài)用水滿足程度。

經(jīng)分析,飲馬河各月份基本生態(tài)流量滿足程度，見表4。從表中可以看出，非汛期生態(tài)流量滿足程度僅為18.2%～41.8%，汛期生態(tài)流量滿足程度為41.8%～72.2%，全年各月合計滿足程度為37.6%。可見全年滿足程度沒有達(dá)到50%，滿足程度偏低。

分析其原因，主要是石頭口門水庫建成后，將來水?dāng)r截供給下游農(nóng)業(yè)灌溉用水和供給城市生活用水，導(dǎo)致河流水量減少所致。

表4 生態(tài)流量實際滿足程度分析表

4 補(bǔ)水方案

4.1 水庫生態(tài)放流

為了恢復(fù)河流的生態(tài)功能，確保河流生態(tài)環(huán)境的改善，要進(jìn)行生態(tài)放流。從水庫解凍以后開始，至冰凍之前，應(yīng)按照所確定的生態(tài)環(huán)境流量進(jìn)行放流，即4，5，10，11月補(bǔ)給生態(tài)水量4 297萬 m3，汛期6—9月份補(bǔ)給河流生態(tài)環(huán)境水量9 204萬m3。

4.2 水庫引水、補(bǔ)水

為確保生態(tài)環(huán)境流量，分析計算不同來水情況下的補(bǔ)水方案，經(jīng)分析計算得知，在水庫目前供水任務(wù)基本不變的情況下，來水量低于50%時就要及時啟動引松入長供水工程。

各月生態(tài)放水量即為水庫應(yīng)向下游河道進(jìn)行生態(tài)補(bǔ)水的方案。水庫補(bǔ)水方案：在來水保證率為75%時，水庫要啟動引松入長調(diào)水工程調(diào)水15 000萬m3。在來水保證率為95%時，每個月都需要進(jìn)行調(diào)水，即滿負(fù)荷調(diào)水量30 000萬m3。這樣才能即保證河流生態(tài)環(huán)境用水，又能基本保證水庫為生活、生產(chǎn)提供的水量。

5 結(jié)語

通過采用不同方法對石頭口門水庫生態(tài)流量的分析計算，得出了該斷面以下飲馬河各個月份生態(tài)環(huán)境需水的最小流量，并評價了生態(tài)流量的滿足程度及未得到滿足的原因。根據(jù)實際情況提出了河流生態(tài)補(bǔ)水方案及水庫的補(bǔ)水方案。分析成果既切合飲馬河流域的實際情況，又具有一定的可操作性，可以為水行政主管部門對河流進(jìn)行針對性管理的科學(xué)依據(jù)，也為相似流域確定生態(tài)環(huán)境流量提供參考。

［1］SLT238-1999，水資源評價導(dǎo)則［S］.

［2］SL429-2008,水資源供需預(yù)測分析技術(shù)規(guī)范［S］.

［3］SL/Z712-2014,河湖生態(tài)環(huán)境需水計算規(guī)范［S］.

［4］高永勝.水庫生態(tài)調(diào)度問題的研究［J］.人民黃河，2009，31（11）.